TWI431128B - Cu-Zr-based copper alloy sheet and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
本發明是關於Cu-Zr系銅合金板及其製造方法,特別是有關彎曲加工性和彈性極限值以高水準取得平衡的電氣及電子零件用Cu-Zr系銅合金板及其製造方法。
近年來,隨著連接器、繼電器、開關等電氣、電子零件進一步小型化,流過其內部所組裝的接點構件或擦動構件等的電流密度愈益變高,對導電性良好的材料之要求較以往更加提高。特別是對於車內用電子零件,要求於更高溫及振動之環境下能長期間確實地承受,也期望優異的耐應力緩和性。
做為能對應這種要求的材料,Cu-Zr系合金可具有超過80%IACS之高導電率、耐熱性亦佳、耐應力緩和性亦優異,但在確保充分強度的狀態下,同時保持彎曲加工性乃課題所在,且要求優異的彈性極限特性。
做為解決該等課題之Cu-Zr系銅合金,在專利文獻1揭示有一種銅合金,其係以重量比例含有0.005%~0.5%範圍之Zr、0.2ppm~400ppm範圍之B,且該銅合金具有層狀組織,該層狀組織是由複數之扁平結晶粒在面方向連續所形成的結晶粒層層疊於板厚方向所構成,結晶粒層的厚度在20nm~550nm範圍,層狀組織中的結晶粒層厚度的直方圖中之峰值P在50nm~300nm範圍內,且以總頻度的22%
以上之頻度存在,並且其半值寬L設定為200nm以下,其強度和延展度以高水準取得平衡。
專利文獻2中,揭示有一種銅合金,其係以重量比例含有0.005%~0.5%之Zr、0.001%~0.3%範圍之Co,且該銅合金具有層狀組織,該層狀組織是由複數之扁平結晶粒在面方向連續所形成的結晶粒層層疊於板厚方向所構成,結晶粒層的厚度在5nm~550nm範圍,層狀組織中的結晶粒層厚度的直方圖中之峰值P在50nm~300nm範圍內,且以總頻度的28%以上之頻度存在,並且其半值寬L設定為180nm以下,其強度和延展度以高水準取得平衡。
專利文獻3中,揭示有一種電氣、電子零件用銅合金材,其係將銅合金軋延加工所形成,該銅合金含有0.01質量%以上0.5質量%以下之鋯(Zr),且剩餘部分由銅(Cu)及不可避免的雜質所構成,該電氣、電子零件用銅合金材的集合組織中,Brass方位之方位分布密度為20以下,且Brass方位、S方位和Copper方位之方位分布密度的合計係設定為10以上50以下,兼具機械強度和良好的彎曲加工性。
[專利文獻1]日本特開2010-215935號公報
[專利文獻2]日本特開2010-222624號公報
[專利文獻3]日本特開2010-242177號公報
以往的電氣及電子零件用Cu-Zr系銅合金兼具充分的機械強度和良好的彎曲加工性(延展性),但彈性極限特性並不充分。
本發明之目的在於提供一種保持充分的機械強度並且彎曲加工性和彈性極限值以高水準取得平衡的電氣及電子零件用Cu-Zr系銅合金板及其製造方法。
本發明人等精心研討的結果,發現對於以質量%含有0.05~0.2%之Zr,且剩餘部分為Cu及不可避免的雜質所構成的銅合金,利用後方附有散射電子繞射像系統的掃描型電子顯微鏡之EBSD法所測定的相鄰測定點間之錯向,亦即KAM(Kernel Average Misorientation)之平均值為1.5~1.8°時,彎曲加工性和彈性極限值能以高水準保持平衡。
又,本發明人等進一步研究同一申請人的日本特開2010-215935號公報、日本特開2010-222624號公報之製造方法,發現對於以既定成分溶解、鑄造而成的Cu-Zr系銅合金母材,於930~1030℃開始熱軋,以從600℃以上之溫度域藉由水冷進行急冷處理,再施行熔體化處理之後施行冷軋,接著於320~460℃施行2~8小時之時效處理,接著於500~750℃施行10~40秒之熱處理,藉此使熱處理後的表面之維氏硬度比時效處理後的表面之維氏硬度降低3~20Hv時,利用後方附有散射電子繞射像系統的掃描型
電子顯微鏡之EBSD法所測定的KAM之平均值成為1.5~1.8°,彎曲加工性和彈性極限值能以高水準取得平衡,又亦可保持充分的機械強度。
亦即,本發明之銅合金板,其特徵在於係使用以質量%含有0.05~0.2%之Zr,且剩餘部分為Cu及不可避免的雜質所構成之銅合金,利用後方附有散射電子繞射像系統的掃描型電子顯微鏡之EBSD法所測定的KAM之平均值為1.5~1.8°,W彎曲實驗中,假設不產生龜裂之最小折彎半徑為R、板厚為t,則R/t為0.1~0.6,彈性極限值為420~520N/mm2
。
KAM之平均值未達1.5°時,彈性極限值降低,且造成拉伸強度降低,平均值超過1.8°時,彎曲加工性降低,且彈性極限值也降低。
進一步,本發明之銅合金板亦可以質量%含有0.2~400ppm之B或0.001%~0.3%之Co。
藉由該等元素之添加,使結晶組織均勻且緻密而有穩定之效果,賦予適當的延展度(延伸性)。各元素之添加量未達下限值則穩定效果不足,超過上限值則延伸性顯著變大而造成拉伸強度降低。
進一步,本發明之銅合金板之製造方法,其特徵在於,對於本發明之銅合金母材,於930℃~1030℃開始施行熱軋,從600℃以上的溫度域藉由利用水冷之急冷處理施行熔體化處理之後,施行冷軋,接著於320℃~460℃施行2~8小時的時效處理,接著於500℃~750℃施行10~40秒的熱
處理,藉此使前述熱處理後的銅合金板之表面的維氏硬度比前述時效處理後的銅合金板之表面的維氏硬度低3~20Hv。
對於本發明之銅合金母材,於930℃~1030℃開始施行熱軋,從600℃以上的溫度域藉由利用水冷之急冷處理施行熔體化處理,較佳為利用施行冷軋直到製品板厚,製造Zr固溶成過飽和狀態且各結晶粒層的厚度均勻化之銅合金板。
對該冷軋後之銅合金板,於320~460℃施行2~8小時的時效處理,藉由時效處理使於過飽和狀態下固溶著的Zr漸漸地析出,製作利用後方附有散射電子繞射像系統的掃描型電子顯微鏡之EBSD法所測定的KAM之平均值控制在1.5~1.8°範圍內的母材。
處理溫度未達320℃則對拉伸強度造成不良影響,超過460℃則對彎曲加工性造成不良影響。處理時間未達2小時則無效果,超過8小時則引起再結晶化而不佳。
接著,對於該時效處理後之銅合金板,於500~750℃施行10~40秒之熱處理,藉此使熱處理後的表面之維氏硬度比時效處理後的表面之維氏硬度降低3~20Hv,利用後方附有散射電子繞射像系統的掃描型電子顯微鏡之EBSD法所測定的KAM之平均值控制在1.5~1.8°範圍內。
藉此,能使彎曲加工性和彈性極限值以高水準取得平衡且保持充分的機械強度。
若處理溫度和處理時間未達500℃或未達10秒,則維
氏硬度之降低未達3Hv,若處理溫度和處理時間超過750℃或超過40秒,則維氏硬度之降低超過20Hv。
又,熱處理後,為了使Zr固溶成過飽和狀態並得到緻密之結晶組織,以藉由水冷進行急冷為佳。
本發明提供一種保持充分的機械強度並且彎曲加工性和彈性極限值以高水準取得平衡的電氣及電子零件用Cu-Zr系銅合金板及其製造方法。
以下,說明有關本發明之一實施形態。
本發明之銅合金板具有以質量%含有0.05~0.2%之Zr,且剩餘部分為Cu及不可避免的雜質之組成。
Zr(鋯)為形成與銅之化合物而析出於母相中,且具有使其全體材料強度提升並且使耐熱性提升之效果的合金元素。Zr之含量對於所形成的析出粒子之量及大小具有影響,會使導電率和強度之平衡改變,但藉由以上述範圍內的濃度含有之方式,能實現導電率和強度皆以高水準平衡之良好特性。
若Zr之含量未達0.05質量%,則Cu-Zr之析出物不足,因而時效硬化不充分並且耐應力緩和性也難以得到充分的特性。若超過0.2質量%,則Cu-Zr析出物的形狀容易變得粗大,無法得到提升強度之效果,因而成為彎曲加
工性降低之重大原因。
再者,本發明之銅合金板亦可以質量%含有0.2~400ppm之B或0.001%~0.3%之Co。
藉由該等元素之添加使結晶組織均勻緻密而具有穩定的效果,賦予適當的延展度(延伸性)。若各元素之添加量未達下限值則欠缺穩定效果,若超過上限值則延伸性顯著地變大,造成拉伸強度降低。
本發明之Cu-Zr系銅合金板,其合金組成中之利用後方附有散射電子繞射像系統的掃描型電子顯微鏡之EBSD法所測定的相鄰測定點間之錯向,亦即KAM(Kernel Average Misorientation)之平均值為1.5~1.8°,彎曲加工性(後述的W折彎實驗中,不產生龜裂之最小折彎半徑為R、板厚為t時的R/t)為0.1~0.6,彈性極限值為420~520N/mm2
,能保持充分的機械強度並且彎曲加工性和彈性極限值以高水準取得平衡。
利用EBSD法之KAM測定係如下述方式實施。
將10mm×10mm之試料進行機械研磨、拋光研磨後,利用日立high-technologies公司製離子研磨裝置,以加速電壓6kV、入射角10°、照射時間15分鐘進行表面調整,且利用日立high-technologies公司製SEM(型號「S-
3400N」)和TSL公司製之EBSD測定、解析系統OIM(Orientation Imaging Micrograph),將測定區域區劃成六角形區域(像素),對於經區劃之各區域,由入射至試料表面的電子線之反射電子得到菊地圖型(kikuchi pattern)而測定像素之方位。利用同系統之解析軟體(軟體名「OIM Analysis」)解析測定之方位資料並算出各種參數。觀察條件係加速電壓25kV、測定面積為300μm×300μm、相鄰之像素間的距離(step size)為0.5μm。將相鄰之像素間的方位差5°以上視為晶粒邊界。
計算結晶粒內之某像素和存在於不超出結晶粒界之範圍的相鄰像素之方位差的平均值,做為構成測定全面積的全部像素之平均值而算出KAM。
若KAM之平均值未達1.5°,則彈性極限值降低且造成拉伸強度降低,若平均值超過1.8°,則彎曲加工性降低且彈性極限值也降低。
本發明之銅合金板之製造方法係對於本發明之合金組成、合金組織之銅合金母材,於930~1030℃開始施行熱軋,從600℃以上之溫度域藉由利用水冷之急冷處理施行熔體化處理之後,施行冷軋,接著於320~460℃施行2~8小時之時效處理,接著於500~750℃施行10~40秒之熱處理,藉此使熱處理後之銅合金板的表面之維氏硬度比時效處理後之銅合金板的表面之維氏硬度降低3~20Hv之方法。
對於本發明之銅合金母材,於930~1030℃開始熱軋,從600℃以上之溫度域藉由利用水冷之急冷處理施行熔體化處理,較佳為施行至製品板厚,藉此製造Zr固溶成過飽和狀態且各結晶粒層的厚度均勻化之銅合金板。
對該冷軋後之銅合金板,於320~460℃施行2~8小時之時效處理,藉由時效處理使於過飽和狀態下固溶著的Zr漸漸地析出,製作利用後方附有散射電子繞射像系統的掃描型電子顯微鏡之EBSD法所測定的KAM之平均值控制在1.5~1.8°範圍內的母材。
若處理溫度未達320℃,則對拉伸強度造成不良影響,若超過460℃,則對彎曲加工性造成不良影響。若處理時間未達2小時則無效果,若超過8小時則引起再結晶化而不佳。
接著,對該時效處理後之銅合金板,於500~750℃施行10~40秒之熱處理,藉此使熱處理後的表面之維氏硬度比時效處理後的表面之維氏硬度降低3~20Hv,利用後方附有散射電子繞射像系統的掃描型電子顯微鏡之EBSD法所測定之KAM的平均值控制在1.5~1.8°範圍內。
藉此,能使彎曲加工性和彈性極限值以高水準取得平衡且保持充分的機械強度。
若處理溫度和處理時間未達500℃或未達10秒,則維氏硬度的降低未達3Hv,若處理溫度和處理時間超過750℃或超過40秒,則維氏硬度的降低超過20Hv。
又,熱處理後為了使Zr固溶成過飽和狀態且得到緻
密的結晶組織,較佳為藉由水冷進行急冷。
將藉由表1所示之組成的熔解、鑄造所得到的銅合金母材,於表1所示之溫度開始熱軋,從600℃以上之溫度域以40℃/秒的速度進行急水冷以施行熔體化處理,接著施行面削、粗軋、研磨,製作既定厚度的銅合金板。
接著,以表1所示之軋延率對該等銅合金板施行冷軋,板厚設定為製品厚度0.5mm,於表1所示之溫度及時間施行時效處理及熱處理,以50℃/秒的速度施行急水冷,製作實施例1~10、比較例1~5所示之銅合金薄板。
測定各試料之時效處理後及熱處理後的表面之維氏硬度、KAM。其結果顯示於表1。
維氏硬度係根據JIS-Z2244測定。
KAM之測定係利用後方附有散射電子繞射像系統的掃描型電子顯微鏡之EBSD法,如下述方式實施。
將10mm×10mm之試料進行機械研磨、拋光研磨後,利用日立high-technologies公司製離子研磨裝置,以加速電壓6kV、入射角10°、照射時間15分鐘調整表面,利用日立high-technologies公司製SEM(型號「S-3400N」)和TSL公司製之EBSD測定、解析系統OIM(Orientation Imaging Micrograph),將測定區域區劃成六角形區域(像素),對於經區劃之各區域,由入射至試料表面的電子線之反射電子得到菊地圖型而測定像素之方位。利用同系
統之解析軟體(軟體名「OIM Analysis」)解析測定之方位資料並算出各種參數。觀察條件係加速電壓25kV、測定面積為300μm×300μm、相鄰之像素間的距離(step size)為0.5μm。將相鄰之像素間的方位差5°以上視為晶粒邊界。
計算結晶粒內之某像素和存在於不超出結晶粒界之範圍的相鄰像素之方位差的平均值,做為構成測定全面積的全部像素之平均值而算出KAM。
接著,對各銅合金薄板測定拉伸強度、導電率、彎曲加工性、彈性極限值。將該等結果顯示於表2。
拉伸強度係利用JIS5號實驗片測定。
導電率係根據JIS H0505測定。
彎曲加工性係根據JIS H3100進行W折彎實驗。將彎曲軸朝向軋延平行方向(Bad Way方向),測定試料表面不產生龜裂之最小折彎半徑R(單位:mm),並以與板厚t(單位:mm)的比例R/t之值予以評價。
彈性極限值係根據JIS H3130,藉由力矩式實驗測定永久撓曲量,且算出R.T.中的Kb0.1(永久撓曲量0.1mm所對應之固定端的表面最大應力值)。
根據該等結果,了解本發明之Cu-Zr系銅合金板能保持充分的機械強度且彎曲加工性和彈性極限值以高水準取得平衡,特別適用於電氣及電子零件。
以上已說明有關本發明之實施形態之製造方法,但本發明並不限定於該記載,只要不超出本發明的意旨之範圍,則可加以各種變更。
本發明之Cu-Zr系銅合金板可適用於長時間暴露在高溫及高振動之嚴峻的使用環境之連接器等的電氣、電子零件。
Claims (3)
- 一種銅合金板,其特徵在於,是使用以質量%計含有0.05~0.2%之Zr,剩餘部分由Cu及不可避免的雜質所構成的銅合金,利用附有後方散射電子繞射像系統的掃描型電子顯微鏡之EBSD法所測定的KAM之平均值為1.5~1.8°,W折彎實驗中,假設不產生龜裂的最小折彎半徑為R、板厚為t,則R/t為0.1~0.6、彈性極限值為420~520N/mm2 。
- 如申請專利範圍第1項之銅合金板,其中,以質量%計含有0.2~400ppm之B或0.001%~0.3%之Co。
- 一種銅合金板之製造方法,其係如申請專利範圍第1或2項所述之銅合金板之製造方法,其特徵在於,對於銅合金母材,於930℃~1030℃開始施行熱軋,從600℃以上的溫度域藉由利用水冷之急冷處理施行熔體化處理之後,施行冷軋,接著於320℃~460℃施行2~8小時的時效處理,接著於500℃~750℃施行10~40秒的熱處理,藉此使前述熱處理後的銅合金板之表面的維氏硬度比前述時效處理後的銅合金板之表面的維氏硬度低3~20Hv。
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