TWI746855B

TWI746855B - 彈簧用銅合金極細線及其製造方法

Info

Publication number: TWI746855B
Application number: TW107118156A
Authority: TW
Inventors: 瀬尾尚之; 秋月孝之; 丸山徹
Original assignee: 日商日本精線股份有限公司
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2018-05-28
Publication date: 2021-11-21
Also published as: JPWO2018235458A1; JP7145070B2; KR20200021441A; WO2018235458A1; TW201907019A; CN109429497A; CN109429497B; KR102450302B1

Abstract

本發明提供一種具有優異之強度與較高之導電率之彈簧用銅合金極細線及其製造方法。本發明係一種彈簧用銅合金極細線，其線徑為100μm以下，且以質量%計含有6.0%<Ni<15.0%、Sn<6.0%、Al<1.2%，其餘部分由Cu及不可避免之雜質所構成，拉伸強度為1350MPa以上，導電率為4.0%IACS以上，Ni、Sn及Al之關係比率滿足0.20≦(2Sn+Al)/3Ni≦0.37。

Description

彈簧用銅合金極細線及其製造方法

本發明係關於一種彈簧用銅合金極細線及其製造方法，例如係關於一種組入精密電子機器等中之具有導電性之彈簧用銅合金極細線及其製造方法。

近年來，於各種小型精密電子機器等中多使用由極細線所構成之彈簧(例如相機模組之懸掛彈簧等)。對於此種彈簧不僅要求具有優異之強度，亦要求具有較高之導電性。作為滿足強度與導電性之兩者之要求之材料，揭示有各種電阻較小之銅合金。

例如，於下述專利文獻1中記載有一種高強度銅合金，其係含有Ni：3.0~29.5質量%、Al：0.5~7.0質量%、Si：0.1~1.5質量%且其餘部分由Cu及不可避免之雜質所構成之FCC結構之銅合金，於上述銅合金之母相中，FCC結構之γ'相以含有Si之Ni₃Al之L12結構析出，且導電率為8.5%IACS以上，維氏硬度為220Hv以上。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本專利第5743165號公報

於上述銅合金中，作為其化學成分之一之Si具有比Al容易與Ni結合之性質，有優先生成Ni₃Si化合物之傾向。又，Cu之熔點為1085℃，低於Ni₃Si之析出溫度之約1300℃。因此，上述銅合金之熱處理需要於未達1085℃進行，如此則有無法進行Ni₃Si之固溶，而於母材中析出粒徑較大之Ni₃Si化合物之傾向。於圖2中表示此種Cu-Ni-Si系合金中之Ni₃Si化合物之一例。若嘗試將由此種銅合金所構成之線材藉由拉線加工極細化至例如100μm以下左右，則存在因粒徑較大之Ni₃Si化合物之存在而容易發生斷線或破裂，從而良率降低之問題。

本發明之課題在於抑制拉線加工時之斷線或破裂而良率良好地製造具有優異之強度及較高之導電率之彈簧用銅合金極細線。

本發明係一種彈簧用銅合金極細線，其線徑為100μm以下，且以質量%計含有6.0%<Ni<15.0%、Sn<6.0%、Al<1.2%，其餘部分由Cu及不可避免之雜質所構成，拉伸強度為1350MPa以上，導電率為4.0%IACS以上，Ni、Sn及Al之關係比率滿足0.20≦(2Sn+Al)/3Ni≦0.37。

於本發明之較佳態樣中，上述銅合金能以質量%計含有10.0%<Ni<14.0%、2.0%<Sn<5.9%、0.5%<Al<1.2%，其餘部分由Cu及不可避免之雜質所構成。

於本發明之較佳態樣中，上述銅合金能以Ni、Sn及Al之關係比率滿足0.24≦(2Sn+Al)/3Ni≦0.31之方式構成。

於本發明之其他態樣中，上述銅合金可進而含有B<0.05%。

於本發明之其他態樣中，上述銅合金可進而含有0.005%以上且0.1%以下之選自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu之群中之一種以上之金屬。

於本發明之其他態樣中，上述銅合金可進而含有0.05%≦Mg≦0.2%。

於本發明之其他態樣中，上述銅合金可進而含有0.05%≦Ti≦0.2%。

於本發明之其他態樣中，上述銅合金可進而含有0.005%≦Ca≦0.1%。

又，本發明之彈簧用銅合金極細線之製造方法可包含如下步驟：準備銅合金之線材，該銅合金之線材以質量%計含有6.0%<Ni<15.0%、Sn<6.0%、Al<1.2%，其餘部分由Cu及不可避免之雜質所構成，且Ni、Sn及Al之關係比率滿足0.20≦(2Sn+Al)/3Ni≦0.37；將上述線材於700℃以上且未達1085℃之溫度以0.5分鐘以上且120分鐘以下之時間進行熱處理；及於上述熱處理後，以線材中所析出之Ni-Al系化合物之析出物之粒徑為50nm以下之狀態進行總加工率超過95%之冷拉線。

根據本發明，可抑制拉線加工時之斷線或破裂而良率良好地製造具有優異之強度及較高之導電率之彈簧用銅合金極細線。

100‧‧‧熱處理部

102‧‧‧爐本體

104‧‧‧管

200‧‧‧冷卻部

202‧‧‧水槽

300‧‧‧銅合金線

圖1係表示發明材料1之析出物之狀態的SEM之照片。

圖2係表示Cu-Ni-Si系合金中之Ni₃Si化合物之一例的SEM之照片。

圖3係說明自熱處理至冷卻為止之步驟的裝置概略圖。

圖4係表示在比較材料15之各處產生孔之狀態的SEM之照片。

以下，對本發明之較佳之實施形態進行說明，但於本說明書中需注意除特別指定之情況以外，各構成元素之含量之單位「%」意指「質量%」。

本發明之彈簧用銅合金極細線係線徑為100μm以下者，且含有6.0%<Ni<15.0%、Sn<6.0%、Al<1.2%，其餘部分由Cu及不可避免之雜質所構成，拉伸強度為1350MPa以上，導電率為4.0%IACS以上，並且Ni、Sn及Al之關係比率滿足0.20≦(2Sn+Al)/3Ni≦0.37。以下，對該等構成之詳細內容進行說明。

[線徑100μm以下]

本發明之彈簧用銅合金線例如於精密電子機器中例如作為懸掛彈簧或接點彈簧而組入，就此種要求而言，以線徑為100μm以下之極細線之形式提供。線材之橫截面除可為真圓狀以外，亦可為扁平狀。於後者之情形時，只要長徑為100μm以下即可。本發明之彈簧用銅合金線由於主成分為Cu，故而例如可藉由使用孔模具之冷拉線加工而調整為100μm以下之所需線徑。

於本發明中將各元素限制於上述分量之原因取決於下述內容。

[6.0%<Ni<15.0%]

Ni係為了與Sn或Al化合而提高銅合金材料之強度及彈簧特性所添加者。因此，若Ni之含量為6.0%以下，則與Sn或Al之化合量亦減少，無法獲得充分之強度。就此種觀點而言，Ni較佳為設為10.0%以上，進而較佳為設為11.0%以上。反之，若Ni成為15.0%以上，則以超過與Sn或Al鍵結之量之範圍添加，雖然能夠實現高強度化，但由於形成大量之化合物，故而韌性降低，伴隨於此，而招致加工性及彈簧特性之降低或導電率之降低。就此種觀點而言，Ni較佳為設為14.0%以下，進而較佳為設為13.0%以下。

[Sn<6.0%]

本發明為了提高銅合金材料之強度及彈簧特性，而採用Sn代替習知專利文獻1中所揭示之Cu-Ni-Si系合金中所添加之Si。Ni-Sn系化合物之析出溫度為700~800℃之範圍，其低於Cu之熔點(1085℃)。因而，根據本發明之銅合金，可以高於Ni-Sn系化合物之析出溫度之溫度且低於Cu之熔點之溫度進行熱處理，因此可不使Cu熔解而將Ni-Sn之析出物固溶。

Sn係與Ni化合而提高銅合金材料之強度及彈簧特性。由於銅合金中之Sn之擴散較遲緩，故而即便於合金中生成了Sn之化合物，其生長速度亦較遲緩，而可維持過飽和地固溶之狀態。因此，於本發明中，可藉由基於Sn之過飽和固溶之固溶強化而提高銅合金之強度。此外，藉由拉線加工，而使過飽和固溶之Sn以化合物之形式析出，拉線加工後之極細線之導電率提高。又，Sn之過飽和固溶具有使銅合金之加工硬化係數變大，增強拉線加工時之加工硬化之優點。進而，推測如下：Sn之原子半徑為Cu之1.2倍以上，於Cu之基質與Ni-Al系金屬間化合物之界面偏析，藉由拖曳效應而抑制Ni-Al系化合物之生長，藉此有助於Ni-Al系化合物之微細化。

另一方面，若Sn之含量變多，則有過量之Sn使晶界之強度降低，而於拉線加工時或鍛造時發生材料之破裂之虞。基於此種觀點，Sn之含量需要設為未達6.0%，較佳為設為5.9%以下，更佳為設為5.0%以下。再者，若Sn之含量較少，則有無法期待充分之強度之提高之虞。基於此種觀點，Sn之含量較佳為設為2.0%以上，進而較佳為設為3.0%以上，尤佳為設為4.0%以上。

[Al<1.2%]

Al亦為與Ni化合而提高銅合金材料之強度及彈簧特性所必需之元素，但若Al之含量變多，則有如下之虞，即，因生成過量之Ni₃Al系化合物，而使合金硬度上升，甚至招致因韌性降低而導致之拉線加工時之斷線。基於此種觀點，Al 之含量設為1.2%以下，更佳為設為1.1%以下。再者，若Al之含量較少，則有無法期待充分之強度之提高之虞。就此種觀點而言，Al之含量較佳為0.5%以上，更佳為設為1.0%以上。

[0.20≦(2Sn+Al)/3Ni≦0.37]

為了提高銅合金之導電率及加工性，只要增大Cu之重量%即可。另一方面，於本發明之銅合金中，以化合物之形式析出Ni₃Al與Ni₃Sn₂，該等有助於強度提高。發明人等基於以上觀點，為了滿足作為彈簧用銅合金極細線所必需之強度及加工性，而規定了Sn及Al相對於Ni之適當之比率。並且，各種實驗之結果表明，於規定上述相對於Ni之Sn及Al量之參數(2Sn+Al)/3Ni超過0.37之情形時，與Ni量相比Sn量或Al量相對變多，因此於鍛造或拉線時發生破裂或斷線，而良率降低。反之，亦表明若規定上述相對於Ni之Sn及Al量之參數(2Sn+Al)/3Ni低於0.20，則Ni量相對地變得過多，而無法確保作為本發明之對象即彈簧材料所必需之強度。基於該等觀點，參數(2Sn+Al)/3Ni較理想為0.24以上，又，較理想為0.31以下。

[B<0.05⁰%]

本發明之銅合金線可進而添加未達0.05%之B作為任意元素。

藉由添加B元素，可使合金中之晶粒微細化，獲得更高之強度。另一方面，若B之含量變多，則有於材料之各處產生孔(所謂之「穴」)之虞，因此B之含量更理想為未達0.05%、較佳為0.02%以下。

[選自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu之群中之一種以上之金屬為0.005%~0.1%]

本發明之銅合金線可進而添加0.005%以上且0.1%以下之選自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu之群(以下，稱為「鑭系元素」)中之一種以上之金屬作為任意元素。藉由添加鑭系元素，而抑制銅合金於高溫區域之晶界氧化，使熱加工性提高。此處，若鑭系元素之含量(以鑭系元素之合計含量計，以下相同)未達0.005%，則無法充分地抑制銅合金於高溫區域之晶界氧化。就此種觀點而言，鑭系元素之含量較理想為0.005%以上、較佳為0.01%以上。另一方面，若鑭系元素之含量變多，則不僅耗費多餘之成本，並且有於銅合金之晶界過量地偏析而阻礙熱加工性之虞，因此鑭系元素之含量更理想為0.1%以下、較佳為0.08%以下。再者，由於屬於鑭系元素之金屬分別具有近似之化學性質，故而只要該等中之任一種或組合該等中之任兩種以上獲得上述含量，則可發揮上述作用。又，亦可添加如美鈰合金般以任意組合含有上述鑭系元素之合金。

[0.05%≦Mg≦0.2%]

於本發明之銅合金線之其他態樣中，可進而添加0.05%以上且0.2%以下之Mg作為任意元素。藉由添加Mg元素，而使晶粒微細化，拉伸強度提高。此處，若Mg之含量未達0.05%，則無法獲得充分之晶粒之微細化效果。就此種觀點而言，Mg之含量較理想為0.05%以上、較佳為0.1%以上。另一方面，若Mg之含量變多，則有因夾雜物之生成而導致拉線性受到阻礙之虞，因此Mg之含量更理想為0.2%以下、較佳為0.15%以下。

[0.05%≦Ti≦0.2%]

於本發明之銅合金線之其他態樣中，可進而添加0.05%以上且0.2%以下之Ti作為任意元素。藉由添加Ti元素，而使Ti作為微細析出物析出，拉伸強度提高。此處，若Ti之含量未達0.05%，則無法獲得充分之作為微細析出物析出之效果。就此種觀點而言，Ti之含量較理想為0.05%以上、較佳為0.1%以上。另一方面，若Ti之含量變多，則導電性降低，因此Ti之含量更理想為0.2%以下、較佳為0.15%以下。

[0.005%≦Ca≦0.1%]

於本發明之銅合金線之其他態樣中，可進而添加0.005%以上且0.1%以下之Ca作為任意元素。藉由Ca元素之去氧作用，而使清潔度提高，加工性提高。此處，若Ca之含量未達0.005%，則無法獲得充分之去氧作用效果。就此種觀點而言，Ca之含量較理想為0.005%以上、較佳為0.008%以上。另一方面，雖然Ca之添加本身較為困難，但若Ca之含量變多，則有於鑄造時在材料之各處產生作為內部缺陷之孔(所謂之「穴」)之虞，因此Ca之含量更理想為0.1%以下、較佳為0.012%以下。

[不可避免之雜質]

本發明係以如上所述之成分元素構成，且其餘部分由不可避免之雜質與Cu所構成之銅合金線。作為不可避免之雜質，例如可列舉O、Zn、Mn、Si、Fe、S等。尤其O會生成氧化物而使塑性加工性惡化並且使導電性降低，又，S及Fe亦會形成有害之粗大夾雜物，因此較理想為以其等之合計成為0.20%以下之方式管理。又，各個雜質之含量設為0.10%以下左右。

[拉伸強度]

為了發揮充分之強度，本發明之彈簧用銅合金極細線將拉伸強度調整為1350MPa以上，更佳為調整為1400MPa以上。於本說明書中，極細線之拉伸強度係依據JIS-Z2241「金屬材料拉伸試驗方法」而測定。

[導電率]

本發明之彈簧用銅合金極細線將導電率設為4.0%IACS以上。藉此，例如可較佳地用作相機模組用懸掛彈簧、或其他各種導電性彈簧。本實施形態之彈簧用銅合金極細線由於線徑非常小，為100μm以下，電阻亦較小，故而作為其電特性只要具有4.0%IACS以上之導電率即足夠。較佳為導電率設為6.0%IACS以上且8.5%IACS以下。於本說明書中，導電率係藉由依據JIS-C3002「電氣用銅線及鋁線試驗方法」之20℃之恆溫槽中之四端子法(試樣長度100mm)而測定。

[銅合金極細線之製造方法]

本發明之極細線係將具有上述化學成分之具有特定線徑之銅合金線(母材線)於700℃以上且未達1085℃之溫度以0.5分鐘以上且120分鐘以下之時間進行固溶化熱處理。藉此，可將線材中之Ni-Al系化合物及Ni-Sn系化合物固溶於Cu中。其次，於熱處理後，以銅合金線中所析出之Ni-Al系化合物之粒徑為50nm以下之狀態進行總加工率超過95%之冷拉線加工。

於上述固溶化熱處理之溫度未達700℃之情形時，存在鑄造時所生成之化合物未分解、未固溶而殘留之問題，故而欠佳。反之，若上述固溶化熱處理之溫度超過1085℃，則作為母材元素之Cu熔解故而無法採用。又，若熱處理時間未達0.5分鐘，則無法進行充分之固溶化，反之，若超過120分鐘，則存在時效析出之化合物之粗化變得明顯，而加工性降低之不良情況。

於上述固溶化熱處理之後，例如進行銅合金線之冷卻。若熱處理後之銅合金線直接於高溫狀態下與空氣接觸，則表面發生氧化，故而另外需要將表面之鏽垢去除之處理步驟。於本實施形態中，為了無需該等步驟，而使用如圖3所示之設備進行非氧化性環境之熱處理(光亮退火)。該設備例如包含熱處理部100、及冷卻部200。熱處理部100包含爐本體102、及貫通其中而延伸之SUS316等之不鏽鋼製管104。於管104之內部，藉由填充氫氣或氬氣等氣體，而設為非氧化環境。銅合金線300係藉由在爐本體102內之管104之內部向圖中右側移行，而防止線材表面之氧化並進行熱處理。

管104之下游側之一部分自爐本體102伸出。管104之伸出部分於冷卻部200中被冷卻。冷卻部200包含供給經調溫之冷卻水之水槽202。於該水槽202中管104被冷卻。藉此，管104內之銅合金線300經由管104而被冷卻(間接冷卻)。適當調整管104之伸出長度或銅合金線之進給速度等，可將自管104 露出之銅合金線之溫度控制得低於氧化溫度。如上所述之步驟抑制銅合金線之表面氧化，並且亦有利於抑制Sn化合物之粒徑在內部生長變大。

又，以銅合金線中所析出之Ni-Al系化合物之粒徑為50nm以下之狀態進行總加工率超過95%之冷拉線加工、更佳為98%以上之冷拉線加工。藉此，於本實施形態中，可抑制由粒徑較大之Ni-Al系化合物之析出物引起之拉線時之斷線或破裂。此時，若加工率為95%以下，則存在藉由加工硬化所獲得之強度提高不夠充分，而難以獲得目標強度之不良情況。再者，於冷拉線加工時上述化合物之粒徑是否為50nm以下可藉由至少對即將進行冷拉線加工之前之線材之上述化合物之粒徑進行檢查而判別。其原因在於，自此以後，在冷拉線加工中粒徑不會明顯地生長(即，不會生長至對極細線區域內之冷拉線加工造成影響之程度)。

[實施例]

以下，說明本發明之更詳細之實施例，但本發明並不限於以下實施例而解釋。

使用連續鑄造機將具有表1所示之化學成分組成之銅合金材料(發明材料1~11、比較材料12~15)分別以1250℃進行熔解，並進行連續鑄造而製造直徑9.5mm之鑄棒(母材線)。發明材料1~5為Cu-Ni-Sn-Al材料，發明材料6及7為Cu-Ni-Sn-Al-B材料。發明材料8至11為於Cu-Ni-Sn-Al之基材中分別添加作為鑭系元素之La+Ce、Mg、Ti及Ca而成者。比較材料12為與發明材料相比提高了Al之含量者，比較材料13及14為與發明材料相比提高了Sn之含量者，比較材料15為與發明材料相比提高了B之含量者。

繼而，對上述鑄棒重複進行冷拉線加工與溫度800~950℃之中間熱處理，並同時細徑化為線徑0.5~2.0mm，進而於溫度850~900℃×0.5~10.0分鐘之條件進行熱處理而製成軟質基線，然後，使用連續拉線機對該軟質基線分別進行加工率95%之冷拉線加工，藉此獲得最終完成線徑50μm之硬質銅合金線。

關於發明材料1至11，確認到均未於拉線加工時產生斷線或破裂，與比較材料12至15相比亦具有良好之加工性。又，亦確認到具備作為彈簧材料所要求之拉伸強度與導電率。於圖1中表示發明材料1之SEM圖像。再者，關於發明材料8，添加了La及Ce作為鑭系元素，於添加作為鑭系元素之其他金屬之Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu之情形時，由於該等相互具有非常相似之化學性質，故而亦可展現相同之效果。

另一方面，比較材料12由於Al之含量較多，即便於熱處理後亦硬度較大且韌性較低，故而於向極細線區域(100μm以下之線徑)之拉線加工時發生斷線。又，推測比較材料13由於Sn之含量較多，故而因過量之Sn之偏析而使晶界之強度降低，因此於鍛造時及拉線加工時發生破裂。進而，關於比較材料14，發生了比較材料12及13之不良情況之兩者。此外，確認到比較材料15如圖4中所示般於材料之各處產生孔。關於該等比較材料12至15，均未進行拉伸強度與導電率之測定。

Claims

一種彈簧用銅合金極細線，其線徑為100μm以下，且以質量%計含有6.0%<Ni<15.0%、Sn<6.0%、Al<1.2%，其餘部分由Cu及不可避免之雜質所構成，拉伸強度為1350MPa以上，導電率為4.0%IACS以上，Ni、Sn及Al之關係比率滿足0.20≦(2Sn+Al)/3Ni≦0.37。
如請求項1所述之彈簧用銅合金極細線，其以質量%計含有10.0%<Ni<14.0%、2.0%<Sn<5.9%、0.5%<Al<1.2%，其餘部分由Cu及不可避免之雜質所構成。
如請求項2所述之彈簧用銅合金極細線，其中，Ni、Sn及Al之關係比率滿足0.24≦(2Sn+Al)/3Ni≦0.31。
如請求項1至3中任一項所述之彈簧用銅合金極細線，其進而含有B<0.05%。
如請求項1至3中任一項所述之彈簧用銅合金極細線，其進而含有0.005%以上且0.1%以下之選自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu之群中之一種以上之金屬。
如請求項1至3中任一項所述之彈簧用銅合金極細線，其進而含有0.05%≦Mg≦0.2%。
如請求項1至3中任一項所述之彈簧用銅合金極細線，其進而含有0.05%≦Ti≦0.2%。
如請求項1至3中任一項所述之彈簧用銅合金極細線，其進而含有0.005%≦Ca≦0.1%。
一種彈簧用銅合金極細線之製造方法，其包含如下步驟：準備銅合金之線材，該銅合金之線材以質量%計含有6.0%<Ni<15.0%、Sn<6.0%、Al<1.2%，其餘部分由Cu及不可避免之雜質所構成，且Ni、Sn及Al之關係比率滿足0.20≦(2Sn+Al)/3Ni≦0.37；將上述線材於700℃以上且未達1085℃之溫度以0.5分鐘以上且120分鐘以下之時間進行熱處理；及於上述熱處理後，以線材中所析出之Ni-Al系化合物之析出物之粒徑為50nm以下之狀態進行總加工率超過95%之冷拉線。