TWI547571B - 銅合金以及銅合金塑性加工材 - Google Patents

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TWI547571B
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Description

銅合金以及銅合金塑性加工材
本發明係關於使用於例如：機械零件、電氣零件、日用品、建材等方面的銅合金、以及將由這種銅合金所組成的銅素材進行塑性加工而成形的銅合金塑性加工材。
本案是主張2011年11月14日在日本申請發明專利的日本特願2011-248731號的優先權，所以此處係援用其內容。
以往，是使用銅合金塑性加工材當作機械零件、電氣零件、日用品、建材等的素材。這種銅合金塑性加工材，是針對於鑄塊等，執行了輥軋、拉線、擠出、溝輥軋、鍛造、沖壓等的塑性加工而成形的。
尤其是基於製造效率化的觀點，乃使用銅合金的棒、線、管、板、條、帶之類的長型體來作為機械零件、電氣零件、日用品、建材等的素材。
棒是被使用在作為例如：套筒、軸襯、螺栓、螺帽、軸、凸輪、軸桿、芯軸、閥、引擎零件、電阻焊接用電極等的素材。
線是被使用在作為例如：接點、電阻、機械人(機械手臂)用配線、汽車用配線、架空線、插銷、彈簧、焊接棒(焊條)等的素材。
管是被使用在作為例如：給水管、瓦斯管、熱交換 器、熱導管、煞車液壓管、建材等的素材。
板以及條是被使用在作為例如：開關、繼電器、連接器、導線框、屋頂板、墊圈、齒輪、彈簧、印刷版、密合墊片、水箱散熱器、隔膜、貨幣等的素材。
帶是被使用在作為例如：太陽電池用端子連接器、繞線組用電線等的素材。
此處，這些的棒、線、管、板、條、帶等的長型體(銅合金塑性加工材)，是分別因應其用途而使用具有各種組成分的銅合金。
例如：被使用在電子機器、電氣機器等的銅合金，已經有人開發出如非專利文獻1所揭示的Cu-Mg合金、以及如專利文獻1所揭示的Cu-Mg-Zn-B合金等。
從第1圖所示的Cu-Mg系狀態圖可以得知這些Cu-Mg系合金，當Mg含量為3.3原子%以上的情況下，係可藉由執行熔體化處理與析出處理而使得由Cu與Mg所組成的金屬間化合物晶析出來。亦即，在這些Cu-Mg系合金之中，是可藉由析出硬化而具有比較高的導電率與強度。
又，專利文獻2所揭示的Cu-Mg合金的粗抽拉線係可作為被使用在架空線等的銅合金塑性加工材。這種Cu-Mg合金，Mg含量是0.01質量%以上0.70質量%以下。從第1圖所示的Cu-Mg系狀態圖可以得知這個Cu-Mg合金的Mg含量是比固熔限度還要少，專利文獻2所揭示的Cu-Mg合金是Mg固熔於銅的母相中的固熔強化型銅合金。
此處，非專利文獻1以及專利文獻1所揭示的Cu-Mg 系合金，是在母相中分散著許多以Cu和Mg作為主成分之粗大的金屬間化合物。因此，在進行撓曲加工時，很容易以這些金屬間化合物為起點而產生裂隙等。如此一來，會有無法成形為複雜形狀的製品之問題。
又，專利文獻2所揭示的Cu-Mg系合金，Mg是固熔在銅的母相中。因此，雖然在加工性的方面沒有問題，但是依據其用途的不同，有時候會有強度不足的情況。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開平07-018354號公報
[專利文獻2]日本特開2010-188362號公報
[非專利文獻]
[非專利文獻1]掘茂德、其他2名作者之「Cu-Mg合金中的粒界型析出」；伸銅技術研究會誌Vol.19(1980)p.115-124。
本發明是有鑒於前述事情而開發完成的，目的是在於提供：具有高強度且加工性優異的銅合金、以及由這種銅合金所做成的銅合金塑性加工材。
為了解決這種技術課題，經過本發明人等不斷努力研究的結果，獲得了以下的創見。
藉由先將Cu-Mg合金予以熔體化，緊接著再進行急速冷卻而製作出來的加工硬化型銅合金，係由Cu-Mg過飽和固熔體所形成的。這種加工硬化型銅合金具有高強度以及優異的加工性。又，藉由降低其含氧量則可提昇銅合金的拉伸強度。
本發明正是基於這種創見而開發完成的。
本發明的第1實施方式的銅合金，是含有Mg，其範圍是3.3原子%以上6.9原子%以下，其餘部分實質上是Cu以及不可避免的雜質，含氧量是500原子ppm以下。
將Mg含量假設為X原子%時，導電率σ(%IACS)是符合下列的數式(1)的關係。
σ≦{1.7241/(-0.0347×X2+0.6569×X+1.7)}×100．．．(1)
本發明的第2實施方式的銅合金，是含有Mg，其範圍是3.3原子%以上6.9原子%以下，其餘部分實質上是Cu以及不可避免的雜質，含氧量是500原子ppm以下。
利用掃描型電子顯微鏡所觀察到的粒徑0.1μm以上之以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的平均個數是1個/μm2以下。
本發明的第3實施方式的銅合金，是含有Mg，其範圍是3.3原子%以上6.9原子%以下，其餘部分實質上是Cu以及不可避免的雜質，含氧量是500原子ppm以下。
將Mg含量假設為X原子%時，導電率σ(%IACS)是符合下列的數式(1)的關係。
σ≦{1.7241/(-0.0347×X2+0.6569×X+1.7)}×100．．．(1)
利用掃描型電子顯微鏡所觀察到的粒徑0.1μm以上之以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的平均個數是1個/μm2以下。
本發明的第4實施方式的銅合金，是含有Mg，其範圍是3.3原子%以上6.9原子%以下，又含有選自Al，Ni，Si，Mn，Li，Ti，Fe，Co，Cr以及Zr之其中至少1種以上，其合計範圍是0.01原子%以上3.0原子%以下，其餘部分實質上是Cu以及不可避免的雜質，含氧量是500原子ppm以下。
利用掃描型電子顯微鏡所觀察到的粒徑0.1μm以上之以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的平均個數是1個/μm2以下。
在上述第1、第3實施方式的銅合金中，係如第1圖的狀態圖所示般地，Mg的含量範圍是在固熔限度以上的3.3原子%以上6.9原子%以下的範圍，且將Mg的含量假設為X原子%時，導電率σ是符合上列的數式(1)的關係。因此，銅合金是由：Mg過飽和地固熔在母相中的Cu-Mg過飽和固熔體所形成的。
或者在第2、第3、第4實施方式的銅合金中，Mg的含量範圍是在固熔限度以上的3.3原子%以上6.9原子%以下的範圍，而且利用掃描型電子顯微鏡所觀察到的粒徑 0.1μm以上之以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的平均個數是1個/μm2以下。因此，金屬間化合物的析出受到抑制，銅合金是由：Mg過飽和地固熔在母相中的Cu-Mg過飽和固熔體所形成的。
此外，粒徑為0.1μm以上，且以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的平均個數，係使用電場放出型掃瞄電子顯微鏡，以5萬倍的倍率，進行10個視野(每個視野面積約4.8μm2)的觀察而算出的。
又，以Cu和Mg為主成分之金屬間化合物的粒徑，是取該金屬間化合物的長徑與短徑的平均值。再者，長徑係指：以不會在途中接觸到粒界的條件下，晶粒內最長直線的長度。短徑係指：在與長徑交叉成直角的方向上，以不會在途中接觸到粒界的條件下，所能夠拉出最長直線的長度。
在這種由Cu-Mg過飽和固熔體所形成的銅合金中，其母相中並未分散著許多成為裂縫的起點之以Cu和Mg為主成分之粗大的金屬間化合物，可大幅度提昇加工性。
而且因為Mg是過飽和地固熔在其中，所以可因加工硬化而大幅度提昇強度。
並且，在本發明的第1~4實施方式的銅合金中，含氧量是500原子ppm以下。因此，Mg氧化物的發生量受到抑制，可大幅度提昇拉伸強度。又，在加工時，可抑制以Mg氧化物為起點之斷線或裂隙的發生，而可大幅度提昇加工性。
此外，為了確實地達成這種作用效果，是將含氧量選定在50原子ppm以下為宜，將含氧量選定在5原子ppm以下更好。
再者，在本發明的第1~4實施方式的銅合金中，又含有選自Al，Ni，Si，Mn，Li，Ti，Fe，Co，Cr以及Zr的至少其中1種以上，其合計範圍是0.01原子%以上3.0原子%以下的範圍的情況下，藉由這些元素的作用效果，可大幅度提昇機械強度。
本發明的一種實施方式的銅合金塑性加工材，是將由前述的銅合金所組成的銅素材，藉由進行塑性加工而成形的。又，在本說明書中所稱的「塑性加工材」，係指：在任何一個製造工序中，曾經被實施了塑性加工的銅合金。
這種實施方式的銅合金塑性加工材，如前所述般地，因為是由Cu-Mg過飽和固熔體所組成的緣故，具有高強度以及優異的加工性。
本發明的一種實施方式的銅合金塑性加工材，是利用具有：製造出具有本發明的第1~4實施方式的銅合金的合金組成分的銅素材之熔解暨鑄造工序；將前述銅素材加熱至400℃以上900℃以下的溫度之加熱工序；將被加熱後的前述銅素材，以200℃/分鐘以上的冷卻速度進行冷卻至200℃以下為止之急速冷卻工序；以及對於被急速冷卻後的前述銅素材進行塑性加工之塑性加工工序，的製造方法來成形的為佳。
這種情況下，是利用熔解暨鑄造來製造出具有本發明 的第1~4實施方式的銅合金的合金組成之銅素材。然後，藉由將前述銅素材予以加熱至400℃以上900℃以下的溫度之加熱工序，可將Mg熔體化。此處，如果加熱溫度未達400℃的話，熔體化不完全，會有在母相中殘存著許多以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物之虞慮。另一方面，如果加熱溫度超過900℃的話，銅素材的一部分會成為液相，會有使得金相組織、表面狀態變得不均勻之虞慮。因此乃將加熱溫度設定在400℃以上900℃以下的範圍。此外，為了確實地達成這種作用效果，是將加熱工序中的加熱溫度選定在500℃以上800℃以下的範圍內為佳。
又，因為具備了：將被加熱後的前述銅素材，以200℃/分鐘以上的冷卻速度予以冷卻至200℃以下為止的急速冷卻工序，因此在冷卻的過程中，可抑制以Cu和Mg為主成分之金屬間化合物晶析出來。因此，可將銅合金塑性加工材變成Cu-Mg過飽和固熔體。
此外，又具備了：對於被急速冷卻後的銅素材(Cu-Mg過飽和固熔體)進行塑性加工之塑性加工工序，所以可謀求因加工硬化所帶來的強度提昇。此處的加工方法並未特別地限定。例如：最終形態若為板或條的話，可採用輥軋加工方法。最終形態若為線、棒的話，可採用抽線加工、擠出成形加工、以及溝輥軋加工方法。最終形態若為塊狀形狀的話，可採用鍛造或沖壓加工方法。加工溫度也並未特別地限定，只要是不會造成結晶析出的話，加工溫 度落在冷間加工或溫間加工之-200℃起迄200℃的範圍內為佳。加工率，是以可逐漸趨近於最終形狀的方式來做適當的選擇，但是若考慮到加工硬化的話，加工率是以20%以上為佳，選定在30%以上更好。
又，本發明的一種實施方式的銅合金塑性加工材，是以具有：選自棒、線、管、板、條、以及帶的形狀之長型體為佳。
這種情況下，係可很有效率地製造出：高強度且加工性優異的銅合金塑性加工材。
根據本發明的實施方式，可提供：具有高強度及優異的加工性之銅合金、以及由這種銅合金所組成的銅合金塑性加工材。
(第1實施方式)
以下將說明本發明的第1實施方式，也就是銅合金以及銅合金塑性加工材。此外，銅合金塑性加工材是將銅合金所組成的銅素材進行塑性加工而成形的。
第1實施方式的銅合金的組成分是含有Mg，其範圍是3.3原子%以上6.9原子%以下，其餘部分實質上是Cu以及不可避免的雜質，且含氧量為500原子ppm以下。亦即，本實施方式的銅合金以及銅合金塑性加工材是Cu與 Mg的二元系合金。
並且，將Mg的含量假定為X原子%時，導電率σ(%IACS)是符合下列的數式(1)的關係。
σ≦{1.7241/(-0.0347×X2+0.6569×X+1.7)}×100．．．(1)
又，以掃描型電子顯微鏡所觀察到的粒徑0.1μm以上之以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的平均個數是1個/μm2以下。
(化學組成分)
Mg元素的作用效果是：不會大幅降低導電率，可提昇強度，並且可使得再結晶溫度上昇。又，藉由令Mg固熔在母相中，可獲得優異的撓曲加工性。
此處，Mg的含量若未達3.3原子%的話，無法使Mg達到其作用效果。另一方面，Mg的含量若超過6.9原子%的話，因熔體化的緣故，在進行熱處理的時候，以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物將會殘存下來。因此，在之後所進行的加工等的過程中會有發生裂隙之虞慮。
基於這種理由，乃將Mg的含量設定為3.3原子%以上6.9原子%以下。
再者，Mg的含量太少的話，無法充分提昇強度。又，因為Mg是活性元素，所以過量添加Mg的話，在進行熔解鑄造時，會有混入與氧發生反應而生成的Mg氧化物之虞慮。因此，將Mg的含量設定在3.7原子%以上6.3原子%以下的範圍更好。
又，如上所述，氧係會與活性金屬也就是Mg發生反應而產生大量的Mg氧化物之元素。若有Mg氧化物混入銅合金塑性加工材中的話，拉伸強度會大幅度低下。又，進行加工時，Mg氧化物將成為導致發生斷線或裂隙的起點，會有明顯地妨礙加工性的虞慮。
因此，在本實施方式中，將含氧量限制在500原子ppm以下。藉由將含氧量限制為這種程度，可謀求拉伸強度的提昇、加工性的提昇。
又，為了確實地達成上述的作用效果，是將含氧量設定在50原子ppm以下為佳，將含氧量設定在5原子ppm以下更好。此外，基於製造成本的考量，含氧量的下限為0.01原子ppm。
此外，不可避免的雜質係可舉出：Sn，Zn，Fe，Co，Al，Ag，Mn，B，P，Ca，Sr，Ba，Sc，Y，稀土族元素，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Re，Ru，Os，Se，Te，Rh，Ir，Pd，Pt，Au，Cd，Ga，In，Li，Si，Ge，As，Sb，Ti，Tl，Pb，Bi，S，C，Ni，Be，N，H，Hg等。這些不可避免的雜質的總量是0.3質量%以下為宜。
尤其是Sn的含量是未達0.1質量%為佳，Zn的含量是未達0.01質量%為佳。若Sn的含量是0.1質量%以上的話，以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物很容易析出。又，若Zn的含量是0.01質量%以上的話，在熔解鑄造工序中，將會產生塵煙附著在爐子或模鑄的構件。如此一 來，會導致鑄塊的表面品質惡化，並且耐應力腐蝕龜裂性也會惡化。
(導電率σ)
在Cu與Mg的二元系合金中，將Mg的含量假設為X原子%時，如果導電率σ符合以下的數式(1)的話，以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物就會幾乎不存在。
σ≦{1.7241/(-0.0347×X2+0.6569×X+1.7)}×100．．．(1)
亦即，導電率σ若超過上列數式(1)的右邊的數值的話，以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物將會大量存在，且金屬間化合物的尺寸也會比較大。因此，撓曲加工性會大幅度惡化。因此係進行調整製造條件，以使得導電率σ可符合上列數式(1)的關係。
此外，為了確實地達到上述的作用效果，導電率σ(%IACS)是符合下列的數式(2)的關係為佳。
σ≦{1.7241/(-0.0300×X2+0.6763×X+1.7)}×100．．．(2)
這種情況下，以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物變得更少，因此可更為提昇撓曲加工性。
為了更為確實地達成上述的作用效果，導電率σ(%IACS)係符合下列的數式(3)的關係為佳。
σ≦{1.7241/(-0.0292×X2+0.6797×X+1.7)}×100．．．(3)
這種情況下，以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物變得更少，因此可更為提昇撓曲加工性。
(金相組織)
以掃描型電子顯微鏡進行觀察之結果，在本實施方式的銅合金以及銅合金塑性加工材中，粒徑0.1μm以上之以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的平均個數是1個/μm2以下。亦即，以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物幾乎未析出，Mg是固熔在母相中。
此處，如果熔體化不夠完全，或者在熔體化之後，析出了以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的話，將會有尺寸較大的金屬間化合物大量存在。這種情況下，這些金屬間化合物將成為發生裂隙的起點，於進行加工時將會產生裂隙，撓曲加工性將會大幅度惡化。此外，本發明的銅合金中所產生的金屬間化合物的粒徑的上限值是5μm為佳，是1μm更好。
對於金相組織進行了調査後的結果，粒徑0.1μm以上的以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物，在合金中是1個/μm2以下的情況下，亦即，以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物並不存在，或者其存在量很少的情況下，係可獲得良好的撓曲加工性。
此外，為了確實地達成上述的作用效果，粒徑0.05μm以上的以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的個數，在合金中，係以1個/μm2以下更好。
此外，以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的平均個數，是使用電場放出型掃瞄電子顯微鏡，以倍率為5萬倍；視野為約4.8μm2來進行十個視野的觀察，再算出其 平均值而求得的。
又，以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的粒徑，是採取金屬間化合物的長徑與短徑的平均值。此外，所謂的長徑係指：在途中不接觸到粒界的條件下，在結晶粒內的最長直線的長度。所謂的短徑係指：在與長徑交叉成直角的方向上，在途中不接觸到粒界的條件下，所能夠拉出最長直線的長度。
此處，以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物，化學式是MgCu2；原型是MgCu2；其結晶構造是：皮爾生(Pearson)符號為cF24，空間群編號為Fd-3m。
具有這種特徵之第1實施方式的銅合金以及銅合金塑性加工材，係利用例如：第2圖的流程圖所示的製造方法來製造的。
(熔解暨鑄造工序S01)
首先，將銅原料予以熔解而獲得銅熔融液，接下來，針對於所製得的銅熔融液，添加前述的元素來進行成分調整以製造出銅合金熔融液。此外，在添加Mg時，係可使用Mg單體或Cu-Mg母合金等。此外，也可以將含有Mg的原料與銅原料一起進行熔解。又，亦可採用銅合金的回收材以及銅合金的廢料材。
此處的銅熔融液，是純度為99.9999質量%以上的銅也就是6NCu為宜。又，在熔解工序時，為了抑制Mg的氧化，最好是採用：真空爐或者是具有鈍氣氛圍或還原性 氣體氛圍的氣相氛圍爐。
然後，將已經調整好成分的銅合金熔融液，注入鑄模內以製造成鑄塊。此外，如果考慮到量產的話，則是以採用連續鑄造法或半連續鑄造法為佳。
(加熱工序S02)
接下來，為了使所製得的鑄塊更為均質化以及熔體化，乃進行加熱處理。在凝固的過程中，因為Mg的偏析而濃縮，以至於生成了以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物等。這種以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物等是存在於鑄塊的內部。因此，為了使這些偏析以及金屬間化合物消失或減少，乃對於鑄塊進行加熱至400℃以上900℃以下的溫度之加熱處理。如此一來，可使得Mg在鑄塊內呈均質地擴散，且讓Mg固熔在母相中。此外，這種加熱工序S02是在非氧化性或還原性的氣相氛圍中來實施為佳。
此處，加熱溫度若未達400℃的話，熔體化將不夠完全，將會有讓許多以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物殘存於母相中的虞慮。另一方面，加熱溫度若超過900℃的話，銅素材的一部分將變成液相，將會有導致金相組織、表面狀態變得不均勻之虞慮。因此，乃將加熱溫度設定在400℃以上900℃以下之範圍。加熱溫度，較好是500℃以上850℃以下，更好是520℃以上800℃以下。
(急速冷卻工序S03)
然後，針對於在加熱工序S02中，被加熱至400℃以上900℃以下的溫度後的銅素材，以200℃/分鐘以上的冷卻速度，進行冷卻至200℃以下的溫度。藉由這種急速冷卻工序S03，可抑制固熔在母相中的Mg變成以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物晶析出來。因此，可以達成：以掃描型電子顯微鏡所觀察到的粒徑0.1μm以上之以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的平均個數為1個/μm2以下的程度。亦即，可將銅素材製作成Cu-Mg過飽和固熔體。
此外，基於粗加工的效率化與金相組織的均勻化的考量，亦可在前述的加熱工序S02之後，又實施了熱間加工，在這個熱間加工之後，才實施上述的急速冷卻工序S03。這種情況下，加工方法(熱間加工方法)並未特別受到限定。例如：最終形態為板或條的情況下，可以採用輥軋加工。最終形態為線或棒的情況下，可以採用抽製銅線加工、擠出成形加工或溝輥軋加工等。最終形態為塊狀的情況下，可以採用鍛造加工或沖壓加工。
(中間加工工序S04)
將已經過加熱工序S02及急速冷卻工序S03之後的銅素材，視其需要而予以切斷。又，為了將加熱工序S02及急速冷卻工序S03等的過程中所生成的氧化膜等予以除去，乃因應需求進行表面研磨。然後，進行塑性加工以資形成預定的形狀。
又，在這個中間加工工序S04時的溫度條件並未特別地限定，是以在可進行冷間加工或溫間加工之-200℃起迄200℃的範圍內來設定加工溫度為宜。又，加工率是以可逐漸趨近於最終形狀的方式來做適當的選擇，但是為了減少在獲得最終形狀之前所進行的中間熱處理工序S05的次數，加工率是選定在20%以上為佳。又，選定在30%以上更好。
加工方法，並未特別地限定，但是最終形狀若為板、條的情況下，是採用：輥軋加工為宜。最終形狀若為線、棒的情況下，是採用：擠出成形加工、溝輥軋加工為宜。最終形狀若為塊狀的情況下，是採用：鍛造加工、沖壓加工為宜。此外，為了使熔體化更為徹底，亦可將工序S02~S04作反覆的執行。
(中間熱處理工序S05)
在中間加工工序S04之後，基於：使熔體化更徹底、再結晶組織化或者為了提昇加工性的軟化之目的，乃實施了熱處理。
熱處理的方法並未特別地限定，最好是以400℃以上900℃以下的溫度條件，在非氧化性氛圍或者還原性氛圍中進行熱處理。熱處理溫度較好是500℃以上850℃以下，更好是520℃以上800℃以下。
此處，在中間熱處理工序S05中，是將已經被加熱到400℃以上900℃以下的溫度後的銅素材，以200℃/分鐘 以上的冷卻速度進行冷卻至200℃以下的溫度。
藉由實施這種方式的急速冷卻，可以抑制固熔在母相中的Mg變成以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物晶析出來。如此一來，可將以掃描型電子顯微鏡所觀察到的粒徑0.1μm以上的以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的平均個數控制在1個/μm2以下。亦即，可將銅素材做成Cu-Mg過飽和固熔體。
此外，中間加工工序S04以及中間熱處理工序S05也是可以反覆地實施。
(最終精製加工工序S06)
針對於中間熱處理工序S05之後的銅素材進行最終精製加工，以形成預定的形狀。又，在這個最終精製加工工序S06時的溫度條件，雖然並未特別地限定，但是以常溫下來進行為宜。此外，塑性加工(最終精製加工)的加工率，雖然是可以逐漸趨近於最終形狀的方式來做適當的選擇，但是為了利用加工硬化來提昇強度，係將加工率設定在20%以上為佳。又，為了謀求更進一步提昇強度的話，將加工率設定在30%以上更好。塑性加工方法(最終精製加工方法)雖然並未特別地限定，但是最終形狀若是板、條的情況下，是採用：輥軋加工為佳。最終形狀若是線、棒的情況下，是採用：擠出成形加工、溝輥軋加工為佳。最終形狀若是塊狀的情況下，是採用：鍛造加工、沖壓加工為佳。此外，亦可視其需要，又實施了車床加工、銑床 加工、鑽孔加工之類的切削加工。
以這種方式可製造出本實施方式的銅合金塑性加工材。此外，本實施方式的銅合金塑性加工材，是具有選自：棒、線、管、板、條、以及帶的形狀之長型體。
根據本實施方式的銅合金以及銅合金塑性加工材，係含有Mg，其範圍是3.3原子%以上6.9原子%以下，其餘部分實質上是Cu以及不可避免的雜質，含氧量是500原子ppm以下。又，將Mg的含量假設為X原子%時，導電率σ(%IACS)是符合下列的數式(1)的關係。
σ≦{1.7241/(-0.0347×X2+0.6569×X+1.7)}×100．．．(1)
此外，以掃描型電子顯微鏡所觀察到的粒徑0.1μm以上之以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的平均個數是1個/μm2以下。
亦即，本實施方式的銅合金以及銅合金塑性加工材，是Mg過飽和地固熔在母相中的Cu-Mg過飽和固熔體。
這種由Cu-Mg過飽和固熔體所組成的銅合金，在母相中並未分散著很多會成為裂隙的起點之以Cu和Mg為主成分之粗大的金屬間化合物。因此，可提昇撓曲加工性。
而且，本實施方式，含氧量是500原子ppm以下，所以可抑制Mg氧化物的發生量。因此，可大幅度提昇拉伸強度。又，可抑制在加工時以Mg氧化物作為起點而產生的斷線、裂隙，可大幅度提昇加工性。
此外，根據本實施方式，是令Mg過飽和地固熔。因此，藉由使其加工硬化，強度可大幅度提昇，而可提供具 有較高強度的銅合金塑性加工材。
又，本實施方式的銅合金塑性加工材，是利用具有以下的工序S02~S04的製造方法而成形的。
加熱工序S02，是將鑄塊或加工材加熱至400℃以上900℃以下的溫度。急速冷卻工序S03，是將被加熱後的鑄塊或加工材以200℃/分鐘以上的冷卻速度，進行冷卻至200℃以下。中間加工工序S04，是對於急速冷卻材進行塑性加工。
因此，可獲得由Cu-Mg過飽和固熔體所組成的銅合金塑性加工材。
亦即，藉由將鑄塊或加工材加熱至400℃以上900℃以下的溫度的加熱工序02，可將Mg予以熔體化。
又，具有：可將在加熱工序S02中被加熱到400℃以上900℃以下的鑄塊或加工材，以200℃/分鐘以上的冷卻速度進行冷卻至200℃以下的急速冷卻工序S03。因此，藉由這個冷卻過程，可抑制以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的析出，可將急速冷卻後的鑄塊或加工材製作成Cu-Mg過飽和固熔體。
再者，又具備：對於急速冷卻材(Cu-Mg過飽和固熔體)進行塑性加工的中間加工工序S04。因此，可很容易獲得接近於最終形狀的形狀。
此外，在中間加工工序S04之後，具備有：基於使熔體化更徹底、再結晶組織化或為了提昇加工性的軟化之目的而實施的中間熱處理工序S05。因此，可以謀求特性的 提昇以及加工性的提昇。
又，在中間熱處理工序S05中，係將已經被加熱到400℃以上900℃以下的溫度之塑性加工材，以200℃/分鐘以上的冷卻速度，進行冷卻至200℃以下。因此，藉由冷卻的過程，可抑制以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的析出，可將急速冷卻後的塑性加工材製作成Cu-Mg過飽和固熔體。
又，具備有：將中間熱處理工序S05之後的塑性加工材予以塑性加工成預定的形狀之最終精製加工工序S06。因此，可謀求因為加工硬化所帶來的強度的提昇。
(第2實施方式)
接下來，說明本發明的第2實施方式的銅合金以及銅合金塑性加工材。
第2實施方式的銅合金的組成分，是含有Mg，其範圍是3.3原子%以上6.9原子%以下，又含有選自：Al，Ni，Si，Mn，Li，Ti，Fe，Co，Cr以及Zr之中的至少一種以上，其合計範圍是0.01原子%以上3.0原子%以下，其餘部分實質上是Cu以及不可避免的雜質，且含氧量是500原子ppm以下。
並且第2實施方式的銅合金，以掃描型電子顯微鏡所觀察到的粒徑0.1μm以上之以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的平均個數是1個/μm2以下。
(化學組成分)
如第1實施方式所述，Mg元素的作用效果是：不會大幅降低導電率，可提昇強度，並且可使得再結晶溫度上昇。又，藉由令Mg固熔在母相中，可獲得優異的撓曲加工性。
因此，將Mg的含量設定在3.3原子%以上6.9原子%以下。為了確實地達成上述的作用效果，將Mg的含量設定在3.7原子%以上6.3原子%以下的範圍為佳。
又，與第1實施方式同樣地，在本實施方式中，係將含氧量限制在500原子ppm以下。藉此，以謀求拉伸強度的提昇、加工性的提昇。又，將含氧量設定在50原子ppm以下為佳，此外，將含氧量設定在10原子ppm以下更好。
又，基於製造成本的觀點，氧含量的下限是訂在0.01原子ppm。
並且在第2實施方式的銅合金中，含有選自：Al，Ni，Si，Mn，Li，Ti，Fe，Co，Cr以及Zr之中的至少一種以上。
Al，Ni，Si，Mn，Li，Ti，Fe，Co，Cr以及Zr是具有可更進一步提昇由Cu-Mg過飽和固熔體所組成的銅合金的強度之作用效果的元素。
此處，選自：Al，Ni，Si，Mn，Li，Ti，Fe，Co，Cr以及Zr之中的至少一種以上的元素的含量合計若未達0.1原子%的話，無法達成其作用效果。另一方面，選自： Al，Ni，Si，Mn，Li，Ti，Fe，Co，Cr以及Zr之中的至少一種以上的元素的含量合計若超過3.0原子%的話，導電率會大幅降低，因此並不適合。
基於這種理由，乃將選自：Al，Ni，Si，Mn，Li，Ti，Fe，Co，Cr以及Zr之中的至少一種以上的元素的合計含量，設定在0.1原子%以上3.0原子%以下的範圍內。
此外，不可避免的雜質，係可舉例出：Sn，Zn，Ag，B，P，Ca，Sr，Ba，Sc，Y，稀土族元素，Hf，V，Nb，Ta，Mo，W，Re，Ru，Os，Se，Te，Rh，Ir，Pd，Pt，Au，Cd，Ga，In，Ge，As，Sb，Tl，Pb，Bi，S，C，Be，N，H，Hg等。這些不可避免的雜質的總量抑制在0.3質量%以下為宜。
尤其是Sn的含量是未達0.1質量%為宜，Zn的含量未達0.01質量%為宜。若Sn的含量是0.1質量%以上的話，以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物很容易析出。又，若Zn的含量是0.01質量%以上的話，在熔解鑄造工序中，將會產生塵煙附著在爐子或模鑄的構件。如此一來，會導致鑄塊的表面品質惡化，並且耐應力腐蝕龜裂性也會惡化。
(金相組織)
以掃描型電子顯微鏡進行觀察之結果，在本實施方式的銅合金中，粒徑0.1μm以上之以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的平均個數是1個/μm2以下。亦即，以Cu 和Mg為主成分的金屬間化合物幾乎未析出，Mg是固熔在母相中。
此處，以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物，化學式是MgCu2；原型是MgCu2；其結晶構造是：皮爾生(Pearson)符號為cF24，空間群編號為Fd-3m。
此外，以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的平均個數，是使用電場放出型掃瞄電子顯微鏡，以倍率為5萬倍；視野為約4.8μm2來進行十個視野的觀察，再算出其平均值而求得的。
又，以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的粒徑，是採取金屬間化合物的長徑與短徑的平均值。此外，所謂的長徑係指：在途中不接觸到粒界的條件下，在結晶粒內的最長直線的長度。所謂的短徑係指：在與長徑交叉成直角的方向上，在途中不接觸到粒界的條件下，所能夠拉出最長直線的長度。
這個第2實施方式的銅合金以及銅合金塑性加工材，也是利用與第1實施方式相同的方法製造的。
根據具有這種特徵的第2實施方式的銅合金以及銅合金塑性加工材，以掃描型電子顯微鏡所觀察到的粒徑0.1μm以上之以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的平均個數是1個/μm2以下。此外，含氧量是500原子ppm以下，因此是與第1實施方式同樣地，加工性會大幅度提昇。
並且，在本實施方式中，含有選自：Al，Ni，Si， Mn，Li，Ti，Fe，Co，Cr以及Zr之中的至少一種以上的元素，其合計含量是在0.01原子%以上3.0原子%以下的範圍。因此，藉由這些元素的作用效果，可大幅度提昇機械強度。
以上是就本實施方式的銅合金以及銅合金塑性加工材加以說明，本發明並不限定於此，只要是在不脫離請求項所記載的要件的範圍內，亦可作適當的改變。
例如：在上述實施方式中，雖然是例舉出可以同時符合「粒徑0.1μm以上之以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物在合金中是1個/μm2以下」的條件；以及與「導電率σ」相關的條件之電子機器用銅合金，但是，也可以是只符合其中一種條件的電子機器用銅合金。
又，在上述的實施方式中，雖然是說明了銅合金塑性加工材的製造方法之一例，但是，製造方法並不侷限於本實施方式，亦可適當地選擇習知的製造方法來進行製造。
[實施例]
以下將說明為了確認本實施方式的效果而進行的確認實驗之結果。
將銅原料裝入坩堝內，在N2氣氛圍或N2-O2氣氛圍之氣相氛圍爐內進行高周波熔解而獲得銅熔融液。對於所製得的銅熔融液內，添加各種添加元素以調製成表1所示的化學組成分，再澆注到碳鑄模內以製造出鑄塊。鑄塊的大小，其厚度約50mm×寬度約50mm×長度約300mm。 又，各種添加元素，是使用其含氧量為50質量ppm以下的元素。
此外，銅原料是使用：純度99.9999質量%以上的6N銅以及具有預定的含氧量之精銅(C1100銅)的其中任一種，或者將兩者適當地混合使用。藉此，來調整含氧量。
此外，合金中的含氧量是利用：鈍氣融解-紅外線吸收分析法來進行測定的。將所測定到的含氧量標示於表1。此處所稱的含氧量，也包含了：合金中所含有的氧化物的氧量。
針對於所製得的鑄塊，在Ar氣氛圍中，以表2、表3所揭示的溫度條件，實施了進行4個小時加熱之加熱工序，然後，實施了淬火處理。
將熱處理後的鑄塊切斷，並且實施表面研磨以除去氧化膜。然後，在常溫下，實施冷間溝輥軋，將斷面形狀從50mm見方變成10mm見方。針對於這種鑄塊，實施中間加工而製成中間加工材(角棒材)。
然後，針對於所製得的中間加工材(角棒材)，依表2、表3所記載的溫度條件，在鹽浴爐中實施了中間熱處理。然後，實施了淬火處理。
接下來的最終精製加工，是實施抽製銅線加工(伸線加工)而製造出直徑0.5mm的最終精製材(線材)。
(加工性評比)
加工性的評比，是根據在前述的抽製銅線加工(伸線 加工)過程中有無發生斷線來進行評比。能夠進行伸線加工，直到形成最終形狀為止的話，就予以評比為A(Good)。在伸線加工過程中，發生多次斷線，無法進行加工直到最終形狀為止的話，就予以評比為B(Bad)。
使用前述的中間加工材(角棒材)以及最終精製材(線材)，進行測定其機械特性以及導電率。
(機械特性)
針對於中間加工材(角棒材)，採取了日本工業規格JIS Z 2201所規定的2號試驗片，根據日本工業規格JIS Z 2241的拉伸試驗方法，測定了拉伸強度。
針對於最終精製材(線材)，採取了日本工業規格JIS Z 2201所規定的9號試驗片，根據日本工業規格JIS Z 2241的拉伸試驗方法，測定了拉伸強度。
(導電率)
針對於中間加工材(角棒材)，根據日本工業規格JIS H 0505(非鐵金屬材料的體積電阻率以及導電率測定方法)，算出導電率。
針對於最終精製材(線材)，根據日本工業規格JIS C 3001所規定的四端子法，測定了每一公尺測定長度的電阻值。而且根據試驗片的線徑以及測定長度計算出體積。然後，從所測定到的電阻值與體積來求出體積電阻率，因而算出導電率。
(金相組織觀察)
針對中間加工材(角棒材)的斷面中心，進行鏡面研磨、離子蝕刻。為了進行確認以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的析出狀態，使用FE-SEM(電場放出型掃瞄電子顯微鏡)，以1萬倍的視野(約120μm2/視野)來進行了觀察。
接下來，為了調查以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的密度(個/μm2)，選擇了金屬間化合物的析出狀態不是特異的1萬倍的視野(約120μm2/視野)，在該區域內，以5萬倍進行了連續10個視野(約4.8μm2/視野)的攝影。金屬間化合物的粒徑是採取：金屬間化合物的長徑與短徑的平均值。此外，所謂的長徑係指：在途中不接觸到粒界的條件下，在結晶粒內的最長直線的長度。所謂的短徑係指：在與長徑交叉成直角的方向上，在途中不接觸到粒界的條件下，所能夠拉出最長直線的長度。然後，求出：具有0.1μm以上的粒徑，且以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的密度(平均個數)、以及具有0.05μm以上的粒徑，且以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的密度(平均個數)。
將化學組成分、製造條件、評比結果標示於表1~表3。
在傳統例1中，Mg的含量是較之本實施方式的範圍更低。中間材(角棒材)以及最終精製材(線材)的拉伸強度都很低。
在傳統例2中，析出了很多以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物。中間材(角棒材)的拉伸強度很低。又，在進行抽製銅線加工(伸線加工)時，發生很多次斷線，所以中止了最終精製材(線材)的製作。
在比較例1中，Mg的含量較之本實施方式的範圍更多。在進行中間加工(冷間溝輥軋加工)時，發生了以粗大的金屬間化合物為起點之較大的裂隙。因此，中止了其後的最終精製材(線材)的製作。
在比較例2中，含氧量較之本實施方式的範圍更多。中間材(角棒材)的拉伸強度很低。又，在進行抽製銅線加工(伸線加工)時，發生很多次斷線，所以中止了最終精製材(線材)的製作。推測這是因為Mg氧化物的影響。
在比較例3、比較例4中，選自：Al，Ni，Si，Mn，Li，Ti，Fe，Co，Cr以及Zr中之一種以上的元素的含量的合計是超過3.0原子%。因此被確認出導電率大幅度降低。
相對於此，針對於本發明例1~21，被確認出是確保著良好的加工性、中間材以及最終精製材之良好的拉伸強度、以及良好的導電率。
第3圖是顯示出在傳統例2中被確認到的析出物的電 子繞射圖案。這個電子繞射圖案係與針對於具有以：皮爾昇符號為cF24、空間群編號為Fd-3m(227)、以及晶格定數a=b=c=0.7034nm來表示的結晶構造的MgCu2，將電子線從以下的數式1所述的方位射入時所獲得的電子線繞射圖案一致。因此，該析出物是相當於本實施方式中的「以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物」。
並且，在本發明例1~21中，並未觀察到上述的以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物，而是由Mg過飽和地固熔在母相中的Cu-Mg過飽和固熔體所組成的。
從以上所述的事實可確認：根據本發明例係可提供高強度且具有優異的加工性之銅合金、以及由這種銅合金所組成的銅合金塑性加工材。
[產業上的利用性]
本實施方式的銅合金以及銅合金塑性加工材是具有高強度以及優異的加工性。因此，本實施方式的銅合金以及銅合金塑性加工材，非常適合作為：機械零件、電氣零件、日用品、以及建材之中的複雜形狀的零件、被要求高強度的零件之素材。
第1圖是Cu-Mg系狀態圖。
第2圖是本實施方式的銅合金以及銅合金塑性加工材之製造方法的流程圖。
第3圖是顯示出觀察了傳統例2的析出物之結果(電子繞射圖案)。

Claims (10)

  1. 一種銅合金，其特徵為：含有Mg，其範圍是3.3原子%以上6.9原子%以下，其餘部分實質上是Cu以及不可避免的雜質，含氧量是500原子ppm以下，將Mg的含量假設為X原子%時，導電率σ(%IACS)是符合下列數式(1)的關係，σ≦{1.7241/(-0.0347×X2+0.6569×X+1.7)}×100．．．(1)。
  2. 一種銅合金，其特徵為：含有Mg，其範圍是3.3原子%以上6.9原子%以下，其餘部分實質上是Cu以及不可避免的雜質，含氧量是500原子ppm以下，以掃描型電子顯微鏡所觀察到的粒徑0.1μm以上之以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的平均個數是1個/μm2以下。
  3. 一種銅合金，其特徵為：含有Mg，其範圍是3.3原子%以上6.9原子%以下，其餘部分實質上是Cu以及不可避免的雜質，含氧量是500原子ppm以下，將Mg的含量假設為X原子%時，導電率σ(%IACS)是符合下列數式(1)的關係，σ≦{1.7241/(-0.0347×X2+0.6569×X+1.7)}×100．．．(1)以掃描型電子顯微鏡所觀察到的粒徑0.1μm以上之以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的平均個數是1個/μm2以下。
  4. 一種銅合金，其特徵為：含有Mg，其範圍是3.3原子%以上6.9原子%以下， 又含有選自Al、Ni、Si、Mn、Li、Ti、Fe、Co、Cr以及Zr之中的至少一種以上，其合計範圍為0.01原子%以上3.0原子%以下，其餘部分實質上是Cu以及不可避免的雜質，含氧量是500原子ppm以下，以掃描型電子顯微鏡所觀察到的粒徑0.1μm以上之以Cu和Mg為主成分的金屬間化合物的平均個數是1個/μm2以下。
  5. 如請求項第1項至第4項中的任一項所述的銅合金，其中，前述含氧量為50原子ppm以下。
  6. 如請求項第1項至第4項中的任一項所述的銅合金，其中，前述含氧量為5原子ppm以下。
  7. 如請求項第1項至第4項中的任一項所述的銅合金，其中，前述含氧量為0.01原子ppm以上。
  8. 一種銅合金塑性加工材，其特徵為：是將如申請專利範圍第1項至第7項中的任一項所述的銅合金所組成的銅素材，藉由進行塑性加工而成形的。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的銅合金塑性加工材，是藉由以下所述的製造方法進行成形而得的，該製造方法是具備：製造出具有如申請專利範圍第1項至第7項中的任一項所述的銅合金的合金組成分的銅素材之熔解暨鑄造工序；將前述銅素材進行加熱至400℃以上900℃以下的溫度之加熱工序；將被加熱後的前述銅素材，以200℃/分鐘以上的冷卻 速度進行冷卻至200℃以下之急速冷卻工序；將被急速冷卻後的前述銅素材進行塑性加工之塑性加工工序。
  10. 如申請專利範圍第8項或第9項所述的銅合金塑性加工材，其是具有選自：棒、線、管、板、條、以及帶的形狀之長型體。
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