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CN101981214A - 电气电子设备用铜合金材料及电气电子零件 - Google Patents

电气电子设备用铜合金材料及电气电子零件 Download PDF

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CN101981214A
CN101981214A CN2009801117838A CN200980111783A CN101981214A CN 101981214 A CN101981214 A CN 101981214A CN 2009801117838 A CN2009801117838 A CN 2009801117838A CN 200980111783 A CN200980111783 A CN 200980111783A CN 101981214 A CN101981214 A CN 101981214A
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Abstract

本发明提供电气电子设备用铜合金材料及电气电子零件，电气电子设备用铜合金材料含有2.0质量％以上且不足3.3质量％的Ni，且Si的含量以Ni/Si的质量比(Ni/Si)计在2.8～3.8的范围，且含有0.01～0.2质量％的Mg、0.05～1.5质量％的Sn、0.2～1.5质量％的Zn，剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，其中，在对厚度t＝0.20mm、宽度w＝2.0mm的试验片进行了弯曲半径R(mm)的180°弯曲时，不产生裂纹的最小的弯曲半径R的值为0mm以上0.1mm以下；电气电子零件通过加工电气电子设备用铜合金材料而形成。

Description

电气电子设备用铜合金材料及电气电子零件
技术领域
本发明涉及电气电子设备用铜合金材料及电气电子零件。
背景技术
电气电子设备用的零件、例如连接器的弹性触点材料要求强度、抗应力松弛性能、导电性、弯曲加工性、耐热性、镀敷粘附性、迁移性能等性能。目前多使用磷青铜，但磷青铜不能完全满足上述的性能，从而广泛使用更高强度且抗应力松弛性能优异的铍铜。
但是，铍铜价格非常昂贵，且金属铍被作为环境负荷物质处理。于是，作为代替这些材料的合金，在铜中添加了镍(Ni)和硅(Si)的科森合金(Cu-Ni-Si系合金)备受关注。
科森合金是使Ni2Si金属间化合物的微细粒子在Cu内分散析出进行强化的析出硬化型合金，迄今为止有关于规定Ni及Si的添加量及Ni/Si以实现高强度及高导电性的报告(参照专利文献1、2)。目前，科森合金中，Ni和Si的含量的质量％的比值、即Ni(质量％)/Si(质量％)的值(以下记作Ni/Si)，可以在以主要有助于强化的Ni2Si化合物的化学计量比4.2为中心的范围，对于Ni/Si，在专利文献1中为Ni/Si＝3～7，另外，专利文献2中Ni/Si＝3.5～5.5。另外，专利文献1中，认为由于固溶Si可能使导电率降低，故使固溶Si量尽可能降低，优选与Ni2Si组成相比使Ni量稍稍过剩，更优选Ni/Si＝4.5。专利文献2中，也担心比值偏离Ni/Si＝4.2时的固溶Ni及Si的增加导致的导电率降低，优选接近Ni2Si的化学计量比Ni/Si＝4.2的值。
专利文献1：(日本)特开2001-181759号公报
专利文献2：(日本)特开2006-233314号公报
但是，如专利文献1～2所示，Ni/Si在现有合金中，虽然认为以Ni2Si的化学计量比为良好或以与Ni2Si的化学计量比相比Ni过剩的值为良好，但其范围的限定宽且模糊。另外，虽然进行了很多维持强度和导电率的平衡的研究，但对于具有高强度且良好的弯曲加工性的条件却没有充分研究。
发明内容
于是，本发明的课题在于，提供具有高强度和极其良好的弯曲加工性的电气电子设备用铜合金材料及使用该铜合金材料的电气电子零件。
本发明者发现，在现有的Ni/Si范围中，有在与Ni2Si化学计量比相比Si过剩的一侧晶粒变得微细，且时效强度提高的区域。本发明是基于该发现直至完成的。
根据本发明，提供以下的发明：
(1)一种电气电子设备用铜合金材料，含有2.0质量％以上且不足3.3质量％的Ni，且Si的含量以Ni和Si的质量比(Ni/Si)计在2.8～3.8的范围，且含有0.01～0.2质量％的Mg、0.05～1.5质量％的Sn、0.2～1.5质量％的Zn，剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，其特征在于，在对厚度t＝0.20mm、宽度w＝2.0mm的试验片进行弯曲半径R(mm)的180°弯曲时，不产生裂纹的最小的弯曲半径R的值为0mm以上0.1mm以下。
(2)一种电气电子设备用铜合金材料，含有2.0质量％以上且不足3.3质量％的Ni，且Si的含量以Ni和Si的质量比(Ni/Si)计在2.8～3.8的范围，且含有0.01～0.2质量％的Mg、0.05～1.5质量％的Sn、0.2～1.5质量％的Zn，还含有合计0.005～2.0质量％的选自Ag、Co、及Cr构成的组中的一种以上，剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，其特征在于，在对厚度t＝0.20mm、宽度w＝2.0mm的试验片进行弯曲半径R(mm)的180°弯曲时，不产生裂纹的最小的弯曲半径R的值为0mm以上0.1mm以下。
(3)如(1)或(2)所述的电气电子设备用铜合金材料，其特征在于，将铸造好的铸块进行热轧、坯料轧制(冷轧)、及固溶化处理后，按顺序实施轧制率5～50％的中间轧制(冷轧)、400～600℃下的0.5～12小时的时效处理、轧制率30％以下的精轧(冷轧)、及低温退火处理来制造。
(4)如(1)或(2)所述的电气电子设备用铜合金材料，其特征在于，将铸造好的铸块进行热轧、坯料轧制(冷轧)、及固溶化处理后，在300～400℃下实施0.5～8小时的时效处理，在425～600℃下实施0.5～12小时的时效处理，且按顺序实施精轧(冷轧)、及低温退火处理来制造。
(5)如(1)或(2)所述的电气电子设备用铜合金材料，其特征在于，将铸造好的铸块进行热轧、坯料轧制(冷轧)、及固溶化处理后，实施轧制率5～50％的中间轧制(冷轧)、300～400℃下的0.5～8小时的时效处理，进而在425～600℃下实施0.5～12小时的时效处理，且按顺序实施轧制率30％以下的精轧(冷轧)、及低温退火处理来制造。
(6)一种电气电子零件，对电气电子设备用铜合金材料进行加工而得到，所述电气电子设备用铜合金材料含有2.0质量％以上且不足3.3质量％的Ni，且Si的含量以Ni和Si的质量比(Ni/Si)计在2.8～3.8的范围，且含有0.01～0.2质量％的Mg、0.05～1.5质量％的Sn、0.2～1.5质量％的Zn，剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，其特征在于，所述铜合金材料在对厚度t＝0.20mm、宽度w＝2.0mm的试验片进行了弯曲半径R(mm)的180°弯曲时，不产生裂纹的最小的弯曲半径R的值为0mm以上0.1mm以下。
(7)一种电气电子零件，对电气电子设备用铜合金材料进行加工而得到，所述电气电子设备用铜合金材料含有2.0质量％以上且不足3.3质量％的Ni，且Si的含量以Ni和Si的质量比(Ni/Si)计在2.8～3.8的范围，且含有0.01～0.2质量％的Mg、0.05～1.5质量％的Sn、0.2～1.5质量％的Zn，还含有合计0.005～2.0质量％的选自Ag、Co、及Cr构成的组中的一种以上，剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，其特征在于，所述铜合金材料在对厚度t＝0.20mm、宽度w＝2.0mm的试验片进行了弯曲半径R(mm)的180°弯曲时，不产生裂纹的最小的弯曲半径R的值为0mm以上0.1mm以下。
本发明的电气电子设备用铜合金材料，与现有的磷青铜相比，导电率高，且具有与铍铜(C17200、C17530)同等以上的导电率，作为连接器用途具有足够的导电率，还具有高强度，且具有极其良好的弯曲加工性。另外，本发明的电气电子零件通过加工所述电气电子设备用铜合金材料而得到，因此，具有高强度，并且具有连接器用途的零件所要求的极其良好的弯曲加工性。
根据下述的记载将更明确本发明的上述及其它特征及优点。
具体实施方式
本发明中，通过将Ni含量设为2.0质量％以上且不足3.3质量％，可拥有足够的导电率，虽为高强度但同时可实现极其良好的弯曲加工性。Ni含量不足下限值时，不能充分得到强度。另外，Ni含量超过上限值的情况下，虽然为高强度但具有导电率降低的倾向。
另外，在本发明中，将Ni/Si(含量的质量比)规定在2.8～3.8的范围。通过设为该范围，除Ni2Si的析出以外，还可期待Ni3Si2的析出，由于Ni2Si及Ni3Si2的析出密度也提高，所以时效处理带来的拉伸强度提高。另外，通过固溶Si量的增加，能够将固溶化处理时的晶粒直径控制为较小，因此，在弯曲加工性方面也能够良好地发挥作用。在大于上限值的情况下，不能得到所要求的时效强度提高的效果。另外，在不足下限值时，不能得到所要求的时效强度提高的效果，并且，固溶Si量在晶粒控制的效果以上，使导电率降低，带来不良影响的效果大。更优选的范围是Ni/Si以3.3为中心，为3.0～3.5。在该范围内可得到拉伸强度、导电率及弯曲加工性的平衡良好的材料。
Mg虽然改善抗应力松弛性能，但将其含量规定在0.01～0.2质量％，其理由是由于，不足0.01质量％时，不能显出抗应力松弛性能的改善，超过0.2质量％时，对弯曲加工性带来不良影响。Mg的含量优选为0.05～0.15质量％。
Sn与Mg相互关联，使抗应力松弛性能更进一步提高。将其含量规定在0.05～1.5质量％的理由是由于，不足0.05质量％时，不能充分得到其效果，超过1.5质量％时，导电率降低。Sn的含量优选为0.1～0.7质量％。
Zn对弯曲加工性有一定改善。优选将Zn量规定在0.2～1.5质量％，由此，即使将Mg添加至最大0.2质量％，也能够得到实用上没有问题的水平的弯曲加工性。另外，Zn改善镀Sn及镀锡的粘附性及迁移性能。Zn量超过1.5质量％时，导电性降低。Zn的含量进一步优选为0.3～1.0质量％。
本发明的铜合金材料中，在上述成分的基础上，还可以含有合计0.005～2.0质量％的Ag、Co、Cr的一种或两种以上。
Ag在使耐热性及强度提高的同时，阻止晶粒的粗大化，改善弯曲加工性。Ag量不足0.005质量％时，不能充分得到其效果，超过0.3质量％而添加，虽然在特性上也没有不良影响，但成本升高。从这些观点来看，Ag的含量设为0.005～0.3质量％。
Co与Ni相同，与Si形成化合物，使强度提高。Co的含量不足0.05质量％时，不能充分得到其效果，超过2.0质量％时，固溶化处理后也存在对强度没有帮助的结晶·析出物，弯曲加工性劣化。
Cr作为与Ni或Si的第二相析出，对晶粒直径的控制有效。不足0.05质量％时，不能充分得到其效果，超过1.0质量％时，弯曲加工性劣化。
在添加两种以上的上述Ag、Co、Cr的情况下，根据要求性能，在0.005～2.0质量％的范围内决定。
本发明的电气电子设备用铜合金材料，优选进行了在铸造、热轧、坯料轧制、固溶化处理后，通过实施中间轧制、时效处理、精轧、低温退火处理的工序而制造。
本发明的电气电子设备用铜合金材料的形状没有特别限定，列举板、条、线、棒、箔等。
下面，对本发明的铜合金材料的优选的制造方法进行详细说明。下面，作为代表例，对制造铜合金板或铜合金条的方法进行详述。
本发明中，通过通常的DC法(Direct Chill Casting)等进行铸造。热轧优选的是，将铸块在850～1000℃的温度下实施了0.5～12小时的均质化处理之后，在700～950℃的温度下进行轧制，之后为防止冷却中的析出而进行水冷。在热轧后，将氧化膜进行端面切削，之后通过冷轧进行轧制。下面，将该冷轧称为坯料轧制。坯料轧制以在中间轧制、精轧中得到规定的加工率的板厚进行轧制。
固溶化处理优选的是，在材料实体温度为700～880℃下进行，保持3～60秒程度后，为防止析出而以冷却速度为15℃/秒以上(更优选为30℃/秒以上)的冷却速度进行冷却。在固溶化处理温度低于700℃的情况下，存在下述等问题：不能得到健全的再结晶组织，对弯曲加工性带来不良影响，另外，Ni、Si的固溶量不充分，时效处理时的Ni-Si系析出物的析出量不充分，不能得到屈服强度。在固溶化处理温度高于880℃的情况下，引起再结晶粒的粗大化，导致强度降低、显出各向异性、弯曲加工性劣化。
对于中间轧制，为使时效处理中的拉伸强度、屈服强度提高而进行冷轧。中间轧制中，在铜合金母相中导入位错，它们的一部分在下一工序的时效处理中作为Ni-Si系化合物的异质核生成部位发挥功能，有助于化合物高密、微细地形成，且进一步提高Ni/Si的控制带来的析出密度增加的效果。由于中间轧制也提高时效强度，因此优选导入，但轧制率过高时，时效强度提高的效果也会饱和，另外会引起弯曲加工性的劣化。因此，优选中间轧制在轧制率5～50％的范围进行。
对于时效处理，使Ni2Si及Ni3Si2化合物在铜母相中均匀分散析出，使强度、导电率提高。优选使用间歇炉在材料实体温度400～600℃下保持0.5～12小时。在实体温度低于400℃的情况下，为得到足够的Ni-Si系化合物的析出量，需要极长时间，或者屈服强度及导电率不充分。在实体温度高于600℃的情况下，Ni-Si系化合物粗大化，所以不能充分得到屈服强度。
另外，时效处理中，在以材料的实体温度300～400℃进行0.5～8小时的时效处理后，以实体温度425～600℃进行0.5～12小时的二级时效处理，由此提高Ni-Si化合物的析出密度，可以使强度和弯曲性进一步提高。在实施该二级时效处理时，也可以不实施上述的中间轧制，但通过进行中间轧制，可以使强度进一步提高。
对于精轧，为提高屈服强度，进行冷轧。在时效处理后的屈服强度充足的情况下，也可以不导入精轧及之后工序的低温退火。当精轧引起的轧制率过高时，弯曲加工性劣化，使抗应力松弛性能劣化，所以优选将轧制率设为30％以下来实施。
低温退火是为了在将强度维持一定程度的状态下使伸长性、弯曲加工性及弹性极限值恢复而进行的。在低温退火时的实体温度过高的情况下，引起再结晶，导致屈服强度降低，因此，优选在实体温度300～600℃下进行5～60秒的短时间的退火。在实体温度低于300℃的情况下，伸长性、弯曲加工性及弹性极限值的恢复不充分，在实体温度高于600℃的情况下，导致强度降低。
另外，本发明的电气电子零件通过对上述电气电子设备用铜合金材料进行适宜加工而得到。该方法没有特别限制，只要利用常规方法例如通过冲压加工等塑性加工制成所希望的零件形状即可。
实施例
下面，基于实施例对本发明做更详细说明，但本发明不限于此。
实施例1
将表1所示的组成的铜合金熔解，通过DC法进行铸造，得到厚度30mm、宽度100mm、长度150mm的铸块。其次，将这些铸块加热至900℃，在该温度保持1小时后，热轧至厚度12mm，且迅速进行冷却。其次，在将两面各切削1.5mm而除去氧化膜后，通过坯料轧制加工至厚度0.25～0.50mm。之后，以750～880℃的各种条件进行固溶化处理，接着马上以15℃/秒以上的冷却速度进行冷却。接着，实施轧制率5～50％的中间轧制。其次，在惰性气体氛围中以450～550℃实施2小时的时效处理，之后进行轧制率30％以下的精轧，使最终的板厚达到0.2mm。以精轧后在500℃下实施了30秒的低温退火处理的材料进行以下的各种性能评价。另外，本说明书中，各表所示的铜合金的成分(Ni、Si等)的单位除质量比即Ni/Si的值(无单位)外，均为质量％(mass％)。
其次，对于如上述制造的各铜合金板，调查(1)晶粒直径、(2)拉伸强度、(3)导电率、(4)弯曲加工性。将结果一并示于表1。
(1)晶粒直径通过JIS H 0501(切断法)求得。
(2)拉伸强度使用JIS Z 2201记载的5号试验片以JIS Z 2241为基准求得。拉伸强度化成5MPa的整数倍表示。
(3)导电率以JIS H 0505为基准求得。
(4)弯曲加工性，将弯曲试验片宽度w设为2mm，将板厚t设为0.20mm，以弯曲半径R(mm)＝0.6进行180°弯曲，将不产生裂纹的最小的弯曲半径(R)和板厚(t)之比定义为R/t。在R/t＝3.0也会产生裂纹的情况下，表记为R/t＞3。另外，弯曲部的评价以日本伸铜协会技术标准“铜及铜合金薄板条的弯曲加工性评价方法(JBMA T307：1999)”为标准。
表1
Figure BPA00001232838900091
如表1所示，本发明例1～10显示了兼得高的拉伸强度及优异的弯曲加工性这样优异的性能。本发明例1～10均为，导电率为35％IACS以上、拉伸强度为750MPa以上、弯曲加工性以R/t的值计为0以上0.5以下。
比较例11、12中，Ni/Si在规定的范围内，Ni量不足下限值，因此强度不充分。比较例13、15～20及23中，由于Ni/Si大于上限值，所以分别与组成相对应的本发明例相比，强度低，另外，由于晶粒直径大，所以弯曲加工性降低。比较例14、21、22及24中，由于Ni/Si不足下限值，所以分别与组成相对应的本发明例相比，强度低，另外导电率降低。比较例24中，弯曲加工性也降低。参考例25、26中，由于Ni量高于规定值，所以不能得到本发明例中极其良好的弯曲加工性。
实施例2
表2表示调查了使用实施例1中制造的No.4、15及22的铸块使固溶化处理后的工序变化的效果的结果。对于表2所示的序号，在使用例如4的铸块变更了制造工序的情况下，记载4-2等子序号进行表述。
对于本发明例4-2、比较例15-2及22-2，在实施例1记载的制造工序中，在以350℃实施了2小时的时效处理后，以500℃实施2小时的二级时效处理来制作。对于本发明例4-3、比较例15-3及22-3，在实施例1的制造工序中，不进行时效处理之前的中间轧制，而以350℃实施2小时的时效处理后，以500℃实施2小时的二级时效处理来制作。对于参考例4-4，是在实施例1的制造工序中，不进行时效处理之前的中间轧制，而仅以500℃实施2小时的一级时效处理进行的例子，关于上述(3)项的发明是比较例。
关于性能的调查，对各铜合金板，与实施例1相同地调查(1)晶粒直径、(2)拉伸强度、(3)导电率、(4)弯曲加工性。将结果一并示于表2。
表2
Figure BPA00001232838900111
本发明例4-2及4-3分别实现了比实施例1的本发明例的No.4高的强度及优异的弯曲加工性。
与此相对，比较例15-2及15-3由于Ni/Si大于上限值，所以与本发明例4-2及4-3相比，得不到工序变更的效果，强度降低，另外由于晶粒直径大，所以弯曲加工性降低。比较例22-2及22-3由于Ni/Si不足下限值，所以导电率低，与本发明例4-2及4-3相比，得不到工序变更的效果，强度降低。另外，参考例4-4是为提高强度而提高了精轧轧制率的例子，但强度反而降低，另外弯曲加工性劣化。
产业上的可利用性
本发明的电气电子设备用铜合金材料具有高强度且弯曲加工性优异，因此，可适合用作电气电子设备用的零件，特别是连接器的弹性触点等。另外，本发明的电气电子零件是通过加工上述电气电子设备用铜合金材料而得到的，因此，具有高强度，并且适合作为要求极其良好的弯曲加工性的连接器用途的零件。
将本发明与其实施方式一同进行了说明，但只要我们没有特别指定，则在说明的任何细节都不要限定我们的发明，认为不违反附带的权利要求所示的发明的精神和范围而应当宽范围地解释。
本申请基于2008年3月31日在日本国专利申请的特愿2008-092314主张优先权，其在此均进行参考，摘录其内容作为本说明书的记述的一部分。

Claims (7)

1.一种电气电子设备用铜合金材料，含有2.0质量％以上且不足3.3质量％的Ni，且Si的含量以Ni和Si的质量比(Ni/Si)计在2.8～3.8的范围，且含有0.01～0.2质量％的Mg、0.05～1.5质量％的Sn、0.2～1.5质量％的Zn，剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，其特征在于，在对厚度t＝0.20mm、宽度w＝2.0mm的试验片进行了弯曲半径R(mm)的180°弯曲时，不产生裂纹的最小的弯曲半径R的值为0mm以上0.1mm以下。
2.一种电气电子设备用铜合金材料，含有2.0质量％以上且不足3.3质量％的Ni，且Si的含量以Ni和Si的质量比(Ni/Si)计在2.8～3.8的范围，且含有0.01～0.2质量％的Mg、0.05～1.5质量％的Sn、0.2～1.5质量％的Zn，还含有合计0.005～2.0质量％的选自Ag、Co、及Cr构成的组中的一种以上，剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，其特征在于，在对厚度t＝0.20mm、宽度w＝2.0mm的试验片进行了弯曲半径R(mm)的180°弯曲时，不产生裂纹的最小的弯曲半径R的值为0mm以上0.1mm以下。
3.如权利要求1或2所述的电气电子设备用铜合金材料，其特征在于，将铸造好的铸块进行热轧、坯料轧制(冷轧)、及固溶化处理后，按顺序实施轧制率5～50％的中间轧制(冷轧)、400～600℃下的0.5～12小时的时效处理、轧制率30％以下的精轧(冷轧)、及低温退火处理来制造。
4.如权利要求1或2所述的电气电子设备用铜合金材料，其特征在于，将铸造好的铸块进行热轧、坯料轧制(冷轧)、及固溶化处理后，在300～400℃下实施0.5～8小时的时效处理，在425～600℃下实施0.5～12小时的时效处理，且按顺序实施精轧(冷轧)、及低温退火处理来制造。
5.如权利要求1或2所述的电气电子设备用铜合金材料，其特征在于，将铸造好的铸块进行热轧、坯料轧制(冷轧)、及固溶化处理后，实施轧制率5～50％的中间轧制(冷轧)、300～400℃下的0.5～8小时的时效处理，进而在425～600℃下实施0.5～12小时的时效处理，且按顺序实施轧制率30％以下的精轧(冷轧)、及低温退火处理来制造。
6.一种电气电子零件，对电气电子设备用铜合金材料进行加工而得到，所述电气电子设备用铜合金材料含有2.0质量％以上且不足3.3质量％的Ni，且Si的含量以Ni和Si的质量比(Ni/Si)计在2.8～3.8的范围，且含有0.01～0.2质量％的Mg、0.05～1.5质量％的Sn、0.2～1.5质量％的Zn，剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，其特征在于，所述铜合金材料在对厚度t＝0.20mm、宽度w＝2.0mm的试验片进行了弯曲半径R(mm)的180°弯曲时，不产生裂纹的最小的弯曲半径R的值为0mm以上0.1mm以下。
7.一种电气电子零件，对电气电子设备用铜合金材料进行加工而得到，所述电气电子设备用铜合金材料含有2.0质量％以上且不足3.3质量％的Ni，且Si的含量以Ni和Si的质量比(Ni/Si)计在2.8～3.8的范围，且含有0.01～0.2质量％的Mg、0.05～1.5质量％的Sn、0.2～1.5质量％的Zn，还含有合计0.005～2.0质量％的选自Ag、Co、及Cr构成的组中的一种以上，剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，其特征在于，所述铜合金材料在对厚度t＝0.20mm、宽度w＝2.0mm的试验片进行了弯曲半径R(mm)的180°弯曲时，不产生裂纹的最小的弯曲半径R的值为0mm以上0.1mm以下。
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