TWI539016B

TWI539016B - High strength copper alloy forged material

Info

Publication number: TWI539016B
Application number: TW101105033A
Authority: TW
Inventors: Yoshiharu MIYABE; Mamoru Mizusawa; Shinji Tanaka
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2016-06-21
Also published as: EP2677051A4; CN103384727B; JP2012167347A; KR20130109238A; WO2012111674A1; CN103384727A; EP2677051A1; TW201235485A; US20130323114A1; JP5522692B2

Description

高強度銅合金鍛造材

本發明係關於適用於以樹脂射出模具材料為代表之鍛造成形品等的高強度銅合金鍛造材。

習知技術中，作為導電性、熱傳導性優異的合金，係使用黃銅(Cu-Zn系)、青銅(Cu-Sn系)、Be銅、卡遜合金(Corson alloy)(Cu-Ni-Si系)之類的銅合金。特別要求熱傳導以及強度與硬度的樹脂射出模具材料與飛行器構件等，係使用Be銅、卡遜合金。但是，上述Be銅會有在熔解或加工時所生成粉塵具有毒性的顧慮，正尋求替代材料。又，對卡遜合金要求更進一步的高熱傳導性、高強度、高硬度。

再者，一般Cu合金在鍛造時或熱處理時容易發生龜裂，除要求熱加工性之外，亦要求延性的提升。

近年，作為利用銅合金的箔帶而增加強度、且提升彎曲加工性的策略，已提案在Cu-Ni-Si系銅合金中添加Mg、Sn、Ti、Zr、Al、Mn等的銅合金(參照專利文獻1~5)。Mg、Sn係固溶於基質中而提升強度。Ti、Zr、Al、Mn係因為與硫間之親和性強，故會與硫形成化合物，而減輕屬於熱加工龜裂原因之硫化物對晶界的偏析情形。

專利文獻2、3、5所示之銅合金箔帶，係添加Sn、Mn、Zr等，進一步在固溶化處理與時效處理的前後，藉由重複施行熱軋、冷軋、熱拉伸、冷拉伸，而具有超過習知銅合金箔帶的彎曲加工性與強度。

[先行技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本專利特開2006-9108號公報

專利文獻2：日本專利特開2008-196042號公報

專利文獻3：日本專利特開2008-223136號公報

專利文獻4：日本專利特開2008-266787號公報

專利文獻5：日本專利特開2010-106363號公報

但是，在製造Cu合金成形品時，因為主要係利用熱鍛來施行加工成形，因而會有無法採用在箔帶製造時所施行的軋延與拉伸加工之情況，即便依照專利文獻2、3、5所示成分進行鍛造成形品的製造，仍無法獲得高強度。

為了獲得高強度，雖增加Ni與Si的添加量係屬有效，但隨Ni與Si量的增加，熱傳導率與熱加工性亦會降低。又，亦會導致在凝固中所生成的結晶物、與在熱處理中所生成的析出物增加，造成熱處理後的延性降低。

本發明係以上述實情為背景而完成，目的在於提供一種可使用於以樹脂射出模具材料為代表的鍛造成形品等，並且能獲得高硬度、高強度、高延性、高熱傳導率特性的高強度銅合金鍛造材。

本發明為了解決上述課題，係使Cu-Ni-Si系銅合金中適量含有會抑制Ni₂Si對結晶晶界的析出、且具有提高延性效果的Zr，進一步適量含有具增加微細析出物密度之效果，且能與Ni、Si及Zr形成化合物的P，藉此可獲得具有高硬度、高強度、高熱傳導性特性的材料。

即，本發明第1發明的高強度銅合金鍛造材係依質量%計含有Ni：3~7.2%、Si：0.7~1.8%、Zr：0.02~0.35%及P：0.002~0.05%。

第2發明的高強度銅合金鍛造材係依質量%計含有Ni：3~7.2%、Si：0.7~1.8%、Zr：0.02~0.35%及P：0.002~0.05%，並進一步含有合計1.5%以下之Cr、Mn及Zn中之1種或2種以上。

第3發明係上述第1發明或第2發明相關的高強度銅合金鍛造材，其中，0.2%耐力係650MPa以上，延伸係5%以上，導電率係30%IACS以上。

根據本發明，可獲得加工時與熱處理時材料不易發生龜裂，並具有高硬度、高強度、高熱傳導率特性的高強度銅合金鍛造材。

以下針對本發明各成分的組成限定理由進行說明。另外，下述成分的含有量均係依「質量%」表示。又，「質量%」與「重量%」係同義。

[Ni：3~7.2%] [Si：0.7~1.8%]

Ni與Si係藉由施行時效處理，使Ni與Si形成以微細Ni₂Si為主的金屬間化合物之析出粒子，而使合金的強度明顯增加。又，隨時效處理時的Ni₂Si析出，會使導電性提升，俾提升熱傳導率。但，當Ni濃度未滿3%且Si濃度未滿0.7%時，無法獲得所需的強度。又，當Ni濃度超過7.2%且Si濃度超過1.8%時，在鑄造時會大量結晶出或析出Ni₂Si、Ni₅Si₂等，導致鍛造時與熱處理時容易出現龜裂。此外，若Ni濃度超過7.2%，則導電率亦會降低，熱傳導率亦降低。若考慮製造性與特性的均衡，則Ni濃度較佳係下限3.5%、上限6.6%。Si濃度較佳係下限0.8%、上限1.7%。另外，Ni/Si比較佳係3.8~4.6。若偏離此比例，則過剩的Ni或Si會固溶於Cu基質中，導致熱傳導率降低。

[Zr：0.02~0.35%]

Zr係因為與硫間之親和性強，所以會與硫形成化合物，藉由減輕屬於加工龜裂(熱加工龜裂)原因之硫化物對結晶晶界的偏析，俾改善加工性(熱加工性)。另一方面，經發明者深入調查，結果發現，藉由含有Zr可抑制Ni與Si的擴散，減少在晶界中所析出的Ni₂Si，而改善經時效後的延性。為獲得此效果係含有0.02%以上的Zr。但是，若含有超過0.35%，則會導致Zr氧化物與Ni₂SiZr等結晶物的增加，且會因凝聚而導致製造性與特性劣化，所以上限設為0.35%。若考慮製造性與特性的均衡，較佳係設為下限0.05%、上限0.3%。

[P：0.002~0.05%]

P係藉由使微細析出物的密度增加，而提升強度。又，藉由形成在Ni、Si、Zr、以及Ni₂Si或Ni₂SiZr等之中含有微量P的化合物，可增加硬度。為能獲得該等效果係含有0.002%以上。但是，若含有超過0.05%，則熱傳導率會大幅降低，因而上限設為0.05%。依照同樣的理由，較佳係下限設為0.01%、上限設為0.04%。

[Cr、Mn、Zn：合計在1.5%以下]

Cr、Mn、Zn係視需要含有1種以上。

Cr會與Si形成金屬間化合物，而具有提升強度、使結晶粒微細化的效果。因為Mn與硫之親和性強，因而會與硫形成化合物，藉由降低屬於加工龜裂(熱加工龜裂)原因之硫化物對結晶晶界的偏析，而改善加工性(熱加工性)。Zn係藉由固溶強化而提升強度。又，若在熔解時可使用低價的黃銅廢料，便可削減製造成本。但是，若Cr、Mn、Zn的合計量過剩含有，會導致熱傳導率降低，所以Cr、Mn及Zn的合計量較佳係設為1.5%以下。

更佳係Cr、Mn及Zn的合計量設為1.0%以下。又，當含有Cr、Mn及Zn中之1種以上的情況，合計量較佳係設為0.1%以上。

本發明的高強度銅合金鍛造材係具有上述金屬組成，其餘則由Cu及不可避免的雜質構成。

本發明的高強度銅合金鍛造材係可依照常法進行製造。

本發明所使用的銅合金係可依照常法進行熔製，例如在真空環境、惰性環境、或大氣環境等之中熔解材料，便可獲得鑄塊。環境較佳係真空環境或惰性環境，但亦可利用例如大氣高頻爐進行熔製。又，亦可使用電渣再熔爐(electroslag remelting furnace)等施行二次熔解。利用連續鑄造法亦可獲得板材。

銅合金係視需要施行加工。加工的內容在本發明中並無特別的限定，使用任何加工方法均可獲得本發明的特性。另外，若考慮製造性，則加工較佳為熱加工，更佳係依600℃以上施行的熱加工，但即便室溫中的加工仍可獲得與熱加工同樣的特性。又，加工亦可為熱加工與冷加工的組合。又，加工較佳係鍛造、更佳係熱鍛，熱鍛較佳係依600℃以上實施。鍛造方法係可採用例如壓鍛、鎚鍛、軋延等已知方法。

經加工過的銅合金材，亦可在加工後或加工途中施行固溶化處理。固溶化處理的條件係例如依800~1000℃保持1~10小時後，為使Ni、Si充分固溶，而於500℃以上的溫度域中依5℃/秒以上的冷卻速度進行冷卻。

經加工過的銅合金材係可在固溶化處理後或加工後施行時效處理。時效處理的條件係可舉例如依400~500℃保持1~30小時。

所獲得的高強度銅合金材係具有0.2%耐力在650MPa以上、延伸在5%以上、導電率在30%IACS以上的特性。

另外，本發明的高強度銅合金鍛造材係具有當作鍛造材用的優異特性，若屬於本發明的組成，即便未施行鍛造等上述加工的鑄造材，仍可獲得良好的延性等特性。

[實施例]

以下，針對本發明實施例進行說明。

依成為表1的成分組成(包含其他不可避免的雜質)方式調配原料，並利用真空感應熔解爐進行熔解，而製作直徑100mm×長度200mm的合金。將該合金在900℃中利用鎚子施行熱鍛而形成厚25mm之板材，再於970℃中保持4小時後施行水冷而實施固溶化處理。然後，依400~500℃分別施行1~30小時適於各成分素材的時效處理，獲得試體材料。

針對所製作的試體材料，施行下述所示評估。

(拉伸試驗)

針對各試體根據J1SZ2201(2010)、JISZ2241(2010)實施常溫拉伸試驗，評估0.2%耐力(Y.S)、拉伸強度(T.S)、延伸及縮軋率(reduction)。測定結果係如表2所示。

(維氏硬度)

針對各試體根據JISZ2244(2010)，依荷重5kg測定維氏硬度。測定結果係如表2所示。

(熱傳導率)

針對各試體測定導電率。如維德曼-夫蘭茲定律(Wiedemann-Franz law)所示，熱傳導率與導電率大致呈比例關係，可利用導電率評估熱傳導率。測定結果係如表2所示。

如表2所示，本發明實施例的試體材料係具有650MPa以上的0.2%耐力、5%以上的延伸、30%IACS以上的導電率。又，具有與比較例的試體材料同等級或其以上的硬度。

依如上述，可知本發明係藉由使Ni-Si-Cu合金中含有適量的Zr與P，可在維持高導電率(即高熱傳導率)之情況下，獲得強度、延性及硬度高的優異性能。

以上針對本發明參照詳細內容或特定實施態樣進行說明，惟在不脫逸本發明精神與範疇之前提下，可追加各種變化與修正，此係熟習此技術者可知悉。本申請案係根據2011年2月16日所提出申請的日本專利申請案(特願2011-030660)為基礎，參照其內容並爰引於本案中。

(產業上之可利用性)

根據本發明的高強度銅合金鍛造材，使適量的Zr與P產生作用，在加工時與熱處理時不易使材料發生龜裂，且經加工及熱處理後，可具有高硬度、高強度及高熱傳導率的特性，適用於樹脂射出模具材料、飛行器構件等。

Claims

一種高強度銅合金鍛造材，係依質量%計含有Ni：4.10~7.2%、Si：0.7~1.8%、Zr：0.02~0.35%及P：0.002~0.05%，Ni/Si比係3.8~4.6。
一種高強度銅合金鍛造材，係依質量%計含有Ni：4.10~7.2%、Si：0.7~1.8%、Zr：0.02~0.35%及P：0.002~0.05%，並進一步含有合計1.5%以下之Cr、Mn及Zn中之1種或2種以上，Ni/Si比係3.8~4.6。
如申請專利範圍第1或2項之高強度銅合金鍛造材，其中，0.2%耐力係650MPa以上，延伸係5%以上，導電率係30%IACS以上。