TWI676693B - 模具磨耗性優異之Ｃｕ－Ｎｉ－Ｓｉ系銅合金 - Google Patents

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Hiroyuki Kitagawa
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Abstract

本發明提供一種模具磨耗性優異之Cu-Ni-Si系銅合金。
本發明係一種Cu-Ni-Si系銅合金，其以質量%計含有Ni：2.0~5.0%、Si：0.3~1.5%，並且Ni/Si比為1.3以上且6.7以下，剩餘部分由Cu及不可避免之雜質所構成，0.2%降伏強度YS為700MPa以上，直徑0.5~0.6μm之第1Ni-Si粒子為0.04×103~1.4×103個/mm2，直徑未達0.5μm之第2Ni-Si粒子之個數為上述第1Ni-Si粒子之個數以上且未達4.0×103個/mm2。

Description

模具磨耗性優異之Cu-Ni-Si系銅合金
本發明係關於一種適用於例如連接器、端子、繼電器、開關等導電性彈簧材之Cu-Ni-Si系銅合金。
一直以來，端子或連接器之材料係使用作為固溶強化型合金之黃銅或磷青銅。然而，隨著電子機器之高性能化，對所使用之銅合金要求高電流化。因此，使用強度、導電性及導熱性較以往之固溶強化型銅合金優異之析出強化型銅合金。析出強化型銅合金由於對經固溶處理之過飽和固溶體進行時效處理，故微細之析出物會均勻地分散，合金之強度變高，並且銅中之固溶元素量減少，導電性提升。因此，強度、彈性等機械性質優異，而且導電性、導熱性變得良好。
作為析出強化型銅合金，已開發有Cu-Ni-Si系銅合金(專利文獻1)。然而，一般而言，Cu-Ni-Si系銅合金由於連續衝壓加工中之衝壓沖裁面之剪切面較大，模具中之衝頭等工具與材料接觸之面積增加，故會加劇磨耗。因此，存在模具之維護頻度變高而導致生產性降低之問題，期望對其進行抑制。
因此，近年來，作為改善卡遜合金之模具磨耗性之技術，提倡控制析出物之個數及分佈之方法。例如，專利文獻2之發明中按照依序包含(1)熱軋(2)冷軋(3)固溶處理(4)時效處理(5)最終冷軋(6)弛力退 火之步驟，以初始溫度300~450℃實施熱軋最終道次結束後之冷卻，以使每道次之平均壓延率為15~30%且總壓延率為70%以上之方式實施固溶處理前之冷軋，於800~900℃以60~120秒鐘實施固溶處理，於400~500℃以7~14小時實施時效處理。
藉此，將表面之粒徑20~80nm之Ni-Si析出物粒子之個數控制為1.5×106~5.0×106個/mm2，表面之粒徑超過100nm之Ni-Si析出物粒子之個數控制為0.5×105~4.0×105個/mm2，並且於將距表面之厚度為總板厚度之20%之表面層中之粒徑20~80nm之Ni-Si析出物粒子之個數設為a個/mm2、將較上述表面層靠內側部分中之粒徑20~80nm之Ni-Si析出物粒子之個數設為b個/mm2之情形時，以a/b成為0.5~1.5之方式進行控制，而改善耐模具磨耗性。
專利文獻3之發明中按照依序包含(1)鑄造(以10~30℃/秒之冷卻速度進行鑄造)(2)再熱處理(於850~950℃ 2~8小時)(3)熱軋(結束溫度680~780℃，壓延時間180~450秒，冷卻速度40~180℃/秒)(4)面切削(5)冷軋(6)固溶處理(於950℃ 20秒，其後立即水淬火)(7)時效熱處理(以溫度425~500℃、時間1~6小時實施)(8)冷軋(壓延率10%)之步驟實施。
藉此，以滿足(a)(包含合計50mass%以上Ni及Si之3種金屬間化合物A(直徑：0.3μm以上且2μm以下)、B(直徑：0.05μm以上且未達0.3μm)、C(直徑：超過0.001μm且未達0.05μm))、(b)(銅合金板材之與壓延方向垂直之剖面中之結晶粒徑之橫長x(μm)與縱長y(μm)滿足關係式[x/y≧2])、及(c)(化合物A之分散密度a、上述金屬間化合物B之分散密度b及上述金屬間化合物C之分散密度c滿足關係式[a/(b+c)≦0.010]及[0.001≦(b/c)≦0.10])之方式進行控制，而改善耐模具磨耗性。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]國際公開第WO2011/068134號
[專利文獻2]國際公開第WO2013/094061號
[專利文獻3]日本特開2008-95185號公報
然而，以往之Cu-Ni-Si系銅合金雖然耐模具磨耗性有所改善，但於更高強度區域之研究並不充分。
鑒於該等情況，本發明係為了解決上述問題而成者，目的在於提供一種模具磨耗性優異之Cu-Ni-Si系銅合金。
析出強化型Cu-Ni-Si系銅合金藉由時效處理而使奈米(nm)級粒徑之Ni-Si粒子以析出物之形式大量地析出，但亦大量存在無助於強度提升之微細之微米(μm)級粒徑之Ni-Si粒子。
本發明人發現：於Ni之含量為2.0%以上並且Ni/Si比為1.3以上且6.7以下、0.2%降伏強度(yield strength)YS為700MPa以上之高強度之情形時，於對Cu-Ni-Si系銅合金之材料進行衝壓加工時，若材料之表面及斷裂面上存在之微米級Ni-Si粒子與模具接觸，則以該粒子為起點產生刮劃磨耗。另可知直徑0.5~0.6μm之Ni-Si粒子之個數與刮痕之個數存在關聯。因此發現藉由對直徑0.5~0.6μm之Ni-Si析出物進行抑制，能夠使模具磨耗性提升。
進而發現：於製品之拉伸強度TS(MPa)與0.2%降伏強度YS(MPa)之比即降伏比(yield ratio)YS/TS為0.9以上、且加工硬化指數n值(以下稱為n值)為0.05以下之情形時，耐模具磨耗性進一步提升。
又，亦判明：若直徑未達0.5μm之Ni-Si粒子之個數變得少於直徑0.5~0.6μm之Ni-Si粒子之個數，則會加劇黏著磨耗(adhesive wear)，若直徑超過0.6μm之Ni-Si粒子之個數變得多於直徑0.5~0.6μm之Ni-Si粒子之個數，則會加劇刮劃磨耗。
再者，於Ni之含量未達2.0%、0.2%降伏強度YS未達700MPa之情形時，未明顯地見到Ni-Si粒子之個數對模具磨耗性產生影響之現象。
並且，只要為奈米級粒徑之Ni-Si粒子，則可控制固溶及時效處理之條件而進行調整，但若欲控制微米級Ni-Si粒子，則必須進行過時效等，否則會損害強度等特性。因此，發現：控制熱軋條件而對剛熱軋後之Ni-Si粒子之直徑及個數進行限制。
為了達成上述目的，本發明之Cu-Ni-Si系銅合金以質量%計含有Ni：2.0~5.0%、Si：0.3~1.5%，並且Ni/Si比為1.3以上且6.7以下，剩餘部分由Cu及不可避免之雜質所構成，0.2%降伏強度YS為700MPa以上，直徑0.5~0.6μm之第1Ni-Si粒子為0.04×103~1.4×103個/mm2，直徑未達0.5μm之第2Ni-Si粒子之個數為上述第1Ni-Si粒子之個數以上且未達4.0×103個/mm2。
較佳為降伏比YS/TS為0.9以上，且加工硬化係數n值為0.05以下。
本發明之Cu-Ni-Si系銅合金較佳為進而含有以總量計0.005~1.0質量%之選自Mg、Mn、Sn、Zn及Cr之群中之至少1種以上。
根據本發明，可獲得模具磨耗性優異之Cu-Ni-Si系銅合金。
P1‧‧‧衝壓前之衝頭刀之剖面輪廓
P2‧‧‧衝壓後之衝頭刀之剖面輪廓
S1‧‧‧面積
D‧‧‧衝壓方向
圖1係說明用以對模具磨耗進行定量之衝頭之磨耗面積的圖。
以下，針對本發明之實施形態之Cu-Ni-Si系銅合金進行說明。再者，於本發明中，只要未特別說明，%表示質量%。
(組成)
[Ni、Co及Si]
於銅合金中含有Ni：2.0~5.0%、Si：0.3~1.5%，並且Ni/Si比為1.3以上且6.7以下。Ni及Si藉由實施適當之熱處理而形成金屬間化合物，於不使導電率劣化之情況下使強度提升。
若Ni及Si之含量未達上述範圍，則無法獲得強度之提升效果，若超過上述範圍，則導電性降低並且熱加工性降低。
於Ni/Si比未達1.3之情形及Ni/Si比超過6.7之情形時，導電率均會明顯降低。
[其他添加元素]
於合金中可進而含有以總量計0.005~1.0質量%之選自Mg、Mn、Sn、Zn及Cr之群中之至少1種以上。
Mg使強度及耐應力緩和特性提升。Mn使強度及熱加工性提升。Sn使強度提升。Zn使焊錫接合部之耐熱性提升。Cr由於與Ni同樣地會與Si形成化合物，故藉由析出硬化而於不使導電率劣化之情況下使強度提升。
再者，若上述各元素之總量未達上述範圍，則無法獲得上述效果，若超過上述範圍，則存在引起導電率之降低之情況。
[Ni-Si粒子]
Cu-Ni-Si系銅合金所包含之直徑0.5~0.6μm之第1Ni-Si粒子(析出物)為0.04×103~1.4×103個/mm2。
第1Ni-Si粒子如上所述會引起模具之刮劃磨耗。
因此，第1Ni-Si粒子之個數宜較少，但於Cu-Ni-Si系銅合金之每單位面積中第1Ni-Si粒子未達0.04×103個/mm2之情形時，會加劇Cu-Ni-Si系銅合金向模具黏著之黏著磨耗。
此處，由於Ni-Si粒子於衝壓時會應力集中，成為裂痕之起點，故Ni-Si粒子越大或分佈越多，相對於材料之剪切面之比率變得越小。其原因在於：Ni-Si粒子之個數越多，應力集中部分越多，越於早期形成裂痕，因此相對於材料之剪切面之比率越小。並且，由於剪切面為衝壓時與模具接觸之面，故若其面積增加，則模具與材料之接觸時間變長，黏著物容易自材料向模具附著。
另一方面，若第1Ni-Si粒子超過1.4×103個/mm2，則會加劇模具之刮劃磨耗。
Cu-Ni-Si系銅合金所包含之直徑未達0.5μm之第2Ni-Si粒子之個數為第1Ni-Si粒子之個數以上且未達4.0×103個/mm2。
若第2Ni-Si粒子之個數變得少於第1Ni-Si粒子之個數，則會加劇黏著磨耗。另一方面，若第2Ni-Si粒子之個數成為4.0×103個/mm2以上，則會加劇刮劃磨耗。
此處，第2Ni-Si粒子之個數對模具磨耗之影響與第1Ni-Si粒子之個數對模具磨耗之影響相同，因此若第2Ni-Si粒子之個數較少，則會加劇黏著磨耗，若個數較多，則會加劇刮劃磨耗。
再者，存在第2Ni-Si粒子之個數之增減隨著第1Ni-Si粒子之個數之增減而變化的傾向。
第1~第2Ni-Si粒子之粒徑及個數係於對Cu-Ni-Si系銅合金之壓延平行剖面進行研磨並蝕刻後，使用FE-SEM(電解放射型掃描電子顯微鏡) 獲得1500~5000倍左右之倍率之影像，以此為基礎進行測定。使用粒子分析軟體及EDS(能量分散型X射線分析)測定上述圖像中之成分，將由與母材成分不同之成分所構成之粒子視為第1~第3Ni-Si粒子。分別測定各粒子之粒徑，並使用圖像處理軟體(例如美國國立衛生研究院(National Institutes of Health)公開之ImageJ)計數個數。此處，將與析出物外切之圓之直徑作為各Ni-Si粒子之粒徑。
較佳為Cu-Ni-Si系銅合金之降伏比YS/TS為0.9以上，且加工硬化係數(n值)為0.05以下。
若降伏比YS/TS之值為0.9以上，則TS與YS之差較小，因此一旦開始伸長立即斷裂。即，若降伏比較高，則材料於衝壓中快速斷裂，藉此模具與材料之接觸時間變短，耐模具磨耗性提升。
又，加工硬化係數(n值)係與材料之均勻伸長率存在關聯之值。該值越小，於對材料進行衝壓時，直至壓穿為止所必需之塑性變形區域變得越小。即，若n值為0.05以下，則模具與材料之接觸時間變短，因此耐模具磨耗性提升。
再者，加工硬化係數(n值)係以如下方式求出。
若於拉伸試驗中拉伸試片並施加荷重，則於超過彈性限度直至達到最高荷重點為止之塑性變形區域中，試片各部相同地伸長(均勻伸長)。於產生該均勻伸長之塑性變形區域中，於真應力σt與真應變εt之間，式1 σt=K εt n
之關係成立，將其稱為n次方硬化定律。將「n」設為加工硬化係數(須藤一：材料試驗法，UCHIDA ROKAKUHO PUBLISHING CO.,LTD，(1976)，p.34)。n取0≦n≦1之值，n越大，加工硬化之程度越大，受到局部變形之部分於加工硬化時，變形會轉移至其他部分，變得不易產生收縮。因此，n值較大 之材料表現出相同之伸長率。
降伏比及n值分別與精軋加工度存在關聯，藉由對下文所述之精軋之壓延加工度進行控制，可調整降伏比及n值。
於精軋之壓延加工度未達10%之情形時，降伏比變得小於0.9，n值變得大於0.05。於精軋之壓延加工度為10%以上且未達15%之情形時，YS之值因加工硬化而增加，藉此降伏比成為0.9以上，故而較佳。另一方面，n值仍大於0.05。
於精軋之壓延加工度為15%以上且30%以下之情形時，降伏比成為0.9以上，均勻伸長率降低，藉此n值成為0.05以下，而為最適宜條件。
若精軋之壓延加工度為超過30%且40%以下之範圍，則較TS而言YS之強度於早期飽和，因此降伏比成為未達0.9，n值成為0.05以下。壓延加工度超過40%時亦為相同之傾向，但模具磨耗性因降伏比變得更小而變差。
[0.2%降伏強度]
Cu-Ni-Si系銅合金之壓延平行方向之0.2%降伏強度例如為700MPa以上。若將0.2%降伏強度設為700MPa以上，則強度提升。
再者，拉伸強度係根據JIS-Z2241進行拉伸試驗而求出。拉伸試驗之條件設為：試片寬度12.7mm、室溫(15~35℃)、拉伸速度5mm/min、隔距長度50mm。
[伸長率]
Cu-Ni-Si系銅合金之壓延平行方向之伸長率例如為13%以下。伸長率之下限並無特別限制，例如為1%。
又，伸長率係斷裂伸長率，藉由拉伸試驗機，根據JIS-Z2241，於測定上述拉伸強度之同時進行測定。並且，以%之形式求出試片斷裂時之標點間之長度L(隔距長度)與試驗前之標點距離L0之差。
於試片寬度12.7mm、室溫(15~35℃)、拉伸速度5mm/min、隔距長度L=50mm之拉伸試驗條件下沿銅箔之壓延方向進行拉伸試驗。
[導電率]
Cu-Ni-Si系銅合金之導電率(%IACS)例如為30以上。
<製造方法>
本發明之Cu-Ni-Si系銅合金通常可藉由依序對鑄錠進行熱軋、冷軋、固溶處理、時效處理、精軋、弛力退火而製造。固溶處理前之冷軋或再結晶退火並非必須，可視需要實施。
<熱軋>
此處，以於熱軋後冷軋前之材料中之直徑1.0μm以上且3.5μm以下之第3Ni-Si粒子成為3.5×103~8.5×103個/mm2之範圍內之方式對熱軋進行設定。其原因在於：若欲調整固溶及時效處理之條件而控制微米級Ni-Si粒子，則必須進行過時效等，否則會損害強度等特性。
控制直徑1.0μm以上且3.5μm以下之第3Ni-Si粒子之個數係與控制最終製品之第1Ni-Si粒子之個數對應。
若第3Ni-Si粒子未達3.5×103個/mm2，則第1Ni-Si粒子未達0.04×103個/mm2，會加劇黏著磨耗。若第3Ni-Si粒子超過8.5×103個/mm2，則第1Ni-Si粒子成為1.4×103個/mm2以上，會加劇刮劃磨耗。
作為用以限制第3Ni-Si粒子之直徑及個數之熱軋之條件，例如可於熱軋溫度800~1000℃、保持時間1~5h之範圍內進行調整。
[實施例1]
於大氣熔解爐中將電解銅熔解，並視需要投入規定量之表1所示之添加元素，對熔融金屬(molten metal)進行攪拌。其後，以鑄造溫度1200℃出鐵(tapping)至鑄模，獲得表1所示之組成之銅合金鑄錠。對鑄錠進行熱 軋，將板厚設為10mm。其後，依序進行面切削、冷軋、固溶處理、時效處理、低溫熱處理、精軋，獲得板厚0.05~0.4mm之試樣。於精冷軋之後，於200℃~500℃之溫度範圍進行1秒~1000秒鐘弛力退火。
再者，熱軋係於1000℃進行3小時，固溶處理係於700~900℃進行。時效處理係於400℃~550℃且1~15小時之範圍內取使精軋後之拉伸強度成為最大之溫度及時間而進行，精軋係於加工率10~40%之範圍內實施。
<評價>
針對所獲得之試樣就以下項目進行評價。
[導電率]
針對弛力退火後之壓延平行方向之試樣，依據JISH0505，藉由使用雙電橋裝置之四端子法求出體積電阻率，由此算出導電率(%IACS)。
[拉伸強度]
對弛力退火後之試樣，使用衝壓機以拉伸方向與壓延方向成為平行之方式製作JIS13B號試片。依據JIS-Z2241進行該試片之拉伸試驗，測定拉伸強度TS。於試片寬度12.7mm、室溫(15~35℃)、拉伸速度5mm/min、隔距長度L=50mm之拉伸試驗條件下沿銅箔之壓延方向進行拉伸試驗。
[伸長率]
藉由上述拉伸試驗求出斷裂伸長率。以%之形式求出試片斷裂時之標點間之長度L與試驗前之標點距離L0之差作為伸長率。
[刮劃磨耗評價]
衝頭損傷數：使用5mm見方之衝頭，對將各試樣之壓延平行方向作為長度方向所切取之5×15mm之10張試樣分別各沖裁1次(共計10次)，其後以目視計數於衝頭側面所留下之損傷之個數。若衝頭損傷數為20個以下，則模具之刮劃磨耗較少，模具磨耗性優異。
[黏著磨耗評價]
黏著磨耗之判定係使用球盤(ball-on-disk)式之摩擦磨耗試驗機而進行。試驗係於荷重1N、滑動距離125m之條件下實施，球(對象材)之材質設為SUJ2。
於磨耗試驗前後利用雷射顯微鏡測定球之滑動部剖面之輪廓，關於滑動部之長度1μm以上之部位，於試驗後之剖面輪廓之高度較試驗前高之情形時，判斷產生黏著磨耗。
[模具磨耗性之評價]
關於模具磨耗性，僅依據上述刮劃磨耗評價、黏著磨耗評價無法進行判斷，亦受材料之機械特性之影響。為了綜合地判斷該等影響，使用轉塔式衝壓機，對5張所切取之200×300mm之試樣，各試樣沖裁10萬次，其後測定衝頭刀之磨耗量，藉此評價模具磨耗性。衝頭刀之磨耗量係以衝壓前為基準進行測定。
使用圓筒形之衝頭，間隙設為板厚之5%，衝壓速度設為290shot/min，衝頭之壓入深度設定為板厚之50%。又，衝頭及模具分別使用硬度不同者，以衝頭硬度成為模具硬度之60~80%之值之方式進行設定。
衝頭刀之磨耗量係使用雷射顯微鏡，如圖1所示，將衝壓前之衝頭刀之剖面輪廓P1與衝壓後之衝頭刀之剖面輪廓P2之間之高低差所產生之面積S1視為已磨耗之面積，算出其面積。圖1之符號D表示衝壓方向。按照以下基準評價模具磨耗性。若評價為○，則表示模具磨耗性優異，若為◎，則表示更優異。
◎：磨耗面積為1000μm2以下
○：磨耗面積超過1000μm2且未達1500μm2
×：磨耗面積為1500μm2以上
將所獲得之結果示於表1、表2。
如根據表1、表2可明瞭，於將第1Ni-Si粒子~第2Ni-Si粒子之個數限制於規定範圍內之各實施例之情形時，模具磨耗性優異。又，精軋之加工度為15~30%者其模具磨耗性更優異，降伏比YS/TS成為0.9以上，加工硬化係數n值成為0.05以下。認為其原因在於：模具與材料之接觸時間減少。
再者，於精軋之加工度為10%以上且未達15%之實施例5、7、9之情形時，雖然降伏比成為0.9以上，但n值大於0.05。又，於精軋之加工度超過30%且為40%以下之實施例2、3、10、11之情形時，雖然n值為0.05以下，但降伏比小於 0.9。但是，該等實施例於實用上並無問題。
另一方面，於第1Ni-Si粒子超過1.4×103個/mm2且第2Ni-Si粒子之個數成為4.0×103個/mm2以上之比較例1~4及比較例6之情形時，衝頭損傷數超過20個，模具之刮劃磨耗加劇，模具磨耗性較差。
於第1Ni-Si粒子未達0.04×103個/mm2且第2Ni-Si粒子之個數未達第1Ni-Si粒子之個數之比較例5之情形時，黏著磨耗加劇，模具磨耗性較差。

Claims (3)

  1. 一種Cu-Ni-Si系銅合金，其以質量%計含有Ni：2.0~5.0%、Si：0.3~1.5%，並且Ni/Si比為1.3以上且6.7以下，剩餘部分由Cu及不可避免之雜質所構成，0.2%降伏強度YS為700MPa以上，直徑0.5~0.6μm之第1Ni-Si粒子為0.04×10 3~1.4×10 3個/mm 2，直徑未達0.5μm之第2Ni-Si粒子之個數為上述第1Ni-Si粒子之個數以上且未達4.0×10 3個/mm 2。
  2. 如請求項1所述之Cu-Ni-Si系銅合金，其降伏比YS/TS為0.9以上，且加工硬化係數n值為0.05以下。
  3. 如請求項1所述之Cu-Ni-Si系銅合金，其進而含有以總量計0.005~1.0質量%之選自Mg、Mn、Sn、Zn及Cr之群中之至少1種以上。
TW107129726A 2017-09-14 2018-08-27 模具磨耗性優異之Ｃｕ－Ｎｉ－Ｓｉ系銅合金 TWI676693B (zh)

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