銅合金材料およびその製造法
【課題】コネクタ等の通電部材に要求される導電性、強度等を有する有する銅合金において、材料面からプレス打抜き寸法精度を安定的に改善する。
【解決手段】質量％で、Ｓｎ：１０％以下、Ｚｎ：３０％以下、Ｐ：０.２％以下、Ｎｉ：３％以下、Ｆｅ：３％以下、Ｍｇ：３％以下およびＣｏ：３％以下のうち１種または２種以上を合計３０％以下の範囲で含有し、残部Ｃｕおよび不可避的不純物からなる組成を有し、平均結晶粒径１０μｍ以下の組織を有し、Ｌ方向とＴ方向の０.２％耐力がともに６５０Ｎ／ｍｍ2以上、かつ下記(１)式で定義されるＹ値が１０以下の特性を有する銅合金材料。
Ｙ＝｜Ｌ方向のヤング率／Ｌ方向の０.２％耐力−Ｔ方向のヤング率／Ｔ方向の０.２％耐力｜ ……(１)
【解決手段】質量％で、Ｓｎ：１０％以下、Ｚｎ：３０％以下、Ｐ：０.２％以下、Ｎｉ：３％以下、Ｆｅ：３％以下、Ｍｇ：３％以下およびＣｏ：３％以下のうち１種または２種以上を合計３０％以下の範囲で含有し、残部Ｃｕおよび不可避的不純物からなる組成を有し、平均結晶粒径１０μｍ以下の組織を有し、Ｌ方向とＴ方向の０.２％耐力がともに６５０Ｎ／ｍｍ2以上、かつ下記(１)式で定義されるＹ値が１０以下の特性を有する銅合金材料。
Ｙ＝｜Ｌ方向のヤング率／Ｌ方向の０.２％耐力−Ｔ方向のヤング率／Ｔ方向の０.２％耐力｜ ……(１)
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コネクタ等の電気・電子部品用材料として使用される強度、弾性、導電性の良好な銅合金材料であって、特にプレス打抜き性を改善した銅合金板材およびその製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エレクトロニクスの発達により、種々の機械の電気配線は複雑化、高集積化し、それに伴いコネクタ等の電気・電子部品製造用材料として伸銅品の需要が増加している。これら伸銅品は、金型を用いた高速のプレスにより打抜き加工されることが多いため、電気・電子部品用材料には、強度、導電性などの他、プレス打抜き性に優れていることが求められる。プレス加工の際、材料は金型のパンチによりせん断変形を生じた後、刃先からのクラック発生によって破断変形を生じて所定の形状に打抜かれる。
【０００３】
しかしプレス衝撃による材料の変形、または材料における異方性により、希望する形状を高精度で得ることは困難であり、プレス加工の方法において様々な工夫を行うことによって良好な寸法精度が達成されている。また一般にプレス打抜き面は平滑ではなく、ダレ部、せん断部、破断部により段差が生じるが、プレス面の平滑性を良くすることも重要な課題である。例えば音叉端子や接続ピンなどの場合、プレス抜き面が接触部（通電部）になるような態様で使用されるが、プレス打抜き面の平滑性が悪いと接触面積が小さく、発熱量の増加、保持力不足といった問題が生じる。
【０００４】
従来、プレス成形品の寸法精度を向上させる対策として、パンチ、ダイスの材質・形状、プレス速度、プレス潤滑油による潤滑性の改善や、各々の銅合金に適したクリアランスの設定等により対応してきた。ただし、これらの対策を講じても良好な寸法精度が得られない場合が多々あり、材料面からプレス加工性を改善する取り組みも重要になっている。
特許文献１には、材料の結晶方位を制御することによりプレス成形性を改善することが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１８０１６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の手法によれば、材料面からプレス成形性のレベル向上が図られ、特にプレス金型の磨耗低減に関して優れた効果が発揮された。しかしながら、打ち抜かれた部品の「寸法精度」についてはまだ十分な配慮がなされておらず、根本的な改善には至っていない。本発明はこのような現状に鑑み、コネクタ等の通電部品に使用される銅合金板材において、特に打抜き後の寸法精度を安定的に改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、質量％で、Ｓｎ：１０％以下、Ｚｎ：３０％以下、Ｐ：０.２％以下、Ｎｉ：３％以下、Ｆｅ：３％以下、Ｍｇ：３％以下およびＣｏ：３％以下のうち１種または２種以上を合計３０％以下の範囲で含有し、残部Ｃｕおよび不可避的不純物からなる組成を有し、平均結晶粒径１０μｍ以下の組織を有し、Ｌ方向とＴ方向の０.２％耐力がともに６５０Ｎ／ｍｍ2以上、かつ下記(１)式で定義されるＹ値が１０以下の特性を有する銅合金材料によって達成される。
Ｙ＝｜Ｌ方向のヤング率／Ｌ方向の０.２％耐力−Ｔ方向のヤング率／Ｔ方向の０.２％耐力｜ ……(１)
ただし、Ｌ方向は圧延方向に対し平行方向、Ｔ方向は圧延方向に対し直角方向を意味する。ヤング率および０.２％耐力の単位はＮ／ｍｍ2とする。
【０００８】
このようなプレス打抜き後の寸法精度を改善した銅合金材料（板材）は、上記組成の銅合金板材中間製品、すなわち、すでに例えば熱間圧延あるいはさらに冷間圧延と熱処理を経て、ある程度板厚を減じた段階の板材製品に対し、「［１］仕上前冷間圧延、［２］仕上前熱処理、［３］仕上冷間圧延、［４］仕上熱処理」の加工・熱履歴を順次付与して板材を仕上げるに際し、上記［２］および［４］の工程をそれぞれ以下の条件で行う製造法で得ることができる。［１］および［３］の工程も以下の条件に従うことが好ましい。
［１］仕上前冷間圧延： 圧延率６０％以上で冷間圧延を行う。
［２］仕上前熱処理： ［１］の仕上前冷間圧延後のビッカース硬さをＨ0（ＨＶ）とし、その硬さＨ0の材料を保持時間Ａ（ｍｉｎ）で加熱保持したときに０.８Ｈ0（ＨＶ）となる当該加熱保持温度をＴ0.8（℃）とするとき、
保持温度：Ｔ0.8＋２０（℃）以上、Ｔ0.8＋６０（℃）以下、
保持時間：Ａ（ｍｉｎ）、
を満たす条件で［２］の熱処理を行う。
［３］仕上冷間圧延： 圧延率５０％以上で冷間圧延を行う。
［４］仕上熱処理： 前記(１)式で定義されるＹ値が１０以下となる保持温度・保持時間で行う。
【０００９】
なお、「加工・熱履歴」とは金属組織状態や物理的・機械的諸特性に変化をもたらす工程である。したがって、金属組織状態や物理的・機械的諸特性に変化をもたらさない工程、例えば酸洗等は、［１］〜［４］の工程途中あるいは工程後に適宜挿入して構わない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、コネクタ等の通電部材に要求される強度、弾性、導電性を有する銅合金において、プレス打抜き後の寸法精度に極めて優れたものが提供可能になった。特に、せん断面の平滑性と、異方性を低減したことによる打抜き真円度の改善を図ることができた。したがって本発明は、材料面から通電部品の品質・性能向上に寄与するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
プレス打抜き後の寸法精度（以下「プレス打抜き寸法精度」という）を向上させるには、
i) プレスせん断面の平滑性を高めること、
ii) 円形打抜きによって形成される打抜き円の真円度を高めること、
が重要である。
【００１２】
発明者らは材料面から上記i)ii)を実現するための方策を種々検討した結果、i)には結晶粒を１０μｍ以下に微細化すること、および０.２％耐力を板面の様々な方向において高めることが有効であり、ii)には結晶微細化、０.２％耐力の向上に加え、特に０.２％耐力とヤング率の異方性バランスを適正化することが極めて有効であることを見出した。
以下、本発明を特定するための事項について説明する。
【００１３】
〔平均結晶粒径〕
プレス加工の際、材料は金型のパンチにより「せん断変形」を生じた後、刃先からのクラック発生によって「破断変形」を生じて所定の形状に打抜かれる。
【００１４】
せん断変形は主に粒内すべりにより進行するが、せん断すべりの方向は結晶学的に決まっており、せん断変形によって生じたプレス面は各結晶粒のすべり面によって構成される。結晶粒の方位は一律ではないため、せん断変形によって生じたプレス面は平滑にはならず、結晶粒径に依存した凹凸が形成される。
破断変形は粒内破断により進行するが、粒内破断はすべり面上で起き易い。このため、破断変形によって生じるプレス面の凹凸も、せん断すべりの場合と同様、結晶粒径に依存する。
【００１５】
これらのことから、プレスせん断面の平滑性を高めるには結晶粒径を微細化する必要がある。発明者らの詳細な検討により、プレス打抜きに供する銅合金板材においては平均結晶粒径を１０μｍ以下とすることが極めて効果的であることがわかった。
【００１６】
〔０.２％耐力〕
プレス加工の際、材料はせん断変形の前に圧縮される形となり、引張応力によりダレ部が形成される。０.２％耐力が小さいと圧縮応力に対する抵抗力が小さくなり、ダレ量は大きくなってしまう。その結果、プレスせん断面の平滑性が悪くなる。また、０.２％耐力が小さいとプレス時の衝撃により材料が大きく変形してしまうため、寸法精度が悪くなる。
【００１７】
圧延によって製造、調質されることの多い銅合金において、一般に０.２％耐力は異方性を示し、０.２％耐力が低い方位においてはダレ、変形量が大きくなってしまう。したがって、優れた寸法精度を得るためには圧延方向に対する様々な方向において十分に大きな０.２％耐力を有することが必要である。圧延で製造、調質される銅合金の場合、０.２％耐力の値は圧延方向に対し平行方向（Ｌ方向）または直角方向（Ｔ方向）において最小の値を示すため、Ｌ方向・Ｔ方向の０.２％耐力が共に高ければ、圧延方向に対するあらゆる方向において高い０.２％耐力を有すると言える。つまり、良好なプレス打抜き寸法精度を得るためには、Ｌ方向およびＴ方向の０.２％耐力が共に高い値を示すことが重要である。
【００１８】
発明者らの研究によれば、通電部品用銅合金に望まれるプレス打抜き寸法精度を安定的に得るには、少なくとも０.２％耐力において、Ｌ方向およびＴ方向の値がいずれも６５０Ｎ／ｍｍ2以上となることが必要である。
【００１９】
〔ヤング率〕
ヤング率は、０.２％耐力とともにプレス打抜き寸法精度に大きな影響を与える。プレス初期の圧縮によって発生する応力はヤング率によって決まり、高ヤング率の場合には高応力、低ヤング率の場合には低応力となる。ここで発生する応力による変形量は、ヤング率と０.２％耐力のバランスによって決定される。また、圧縮変形からせん断変形への移行は、パンチ刃先部における材料の降伏によって開始されるため、せん断変形の開始（ダレ部の終了）に関してもヤング率と０.２％耐力のバランスが重要となる。
【００２０】
ヤング率の値は主に合金組成により決定されるが、製造工程の影響も少なからず受け、圧延により製造、調質されることの多い銅合金のヤング率は異方性を示すのが一般的である。前述のように０.２％耐力も異方性を示すが、その程度はヤング率と同一ではないため、ヤング率と０.２％耐力のバランスも異方性を示す。つまり、単に０.２％耐力の異方性が小さく、かつヤング率の異方性が小さいということだけでは、必ずしもプレス打抜き寸法精度を十分に改善することはできないことがわかってきた。プレスによる材料の変形はヤング率と０.２％耐力のバランスによって決定されるため、プレス成形により優れた寸法精度を得るためには、「ヤング率と０.２％耐力のバランスにおいて異方性が小さいこと」が重要である。
【００２１】
種々検討の結果、そのバランスにおける異方性として、Ｌ方向とＴ方向それぞれの「ヤング率／０.２％耐力」についての差の絶対値をＹと定めたとき、そのＹ値が１０以下となるような銅合金材料において、プレス打抜き寸法精度（特に真円度）を安定的に改善することが可能になることがわかった。すなわち、下記(１)式で定義されるＹ値が１０以下となるような特性を付与することが重要となる。この特性の付与は後述の製造法によって実現できる。
Ｙ＝｜Ｌ方向のヤング率／Ｌ方向の０.２％耐力−Ｔ方向のヤング率／Ｔ方向の０.２％耐力｜ ……(１)
ここで、各ヤング率および０.２％耐力の値は同じ単位系（例えばＮ／ｍｍ2）の値が採用される。
【００２２】
〔化学組成〕
コネクタ等の通電部材に要求される基本的な特性（導電率、引張強さ、０.２％耐力、伸び等）を維持し、その上で上記(１)式のようなヤング率と０.２％耐力の好バランスを実現するために、本発明では、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｚｎ、Ｆｅ、ＭｇおよびＣｏの１種または２種以上を合計０.０１〜３０質量％の範囲で含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる化学組成の銅合金を採用する。Ｓｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏの総量が０.０１質量％未満だと導電率は高くなるが、引張強さ、０.２％耐力等の特性が得られにくい。逆にこれらの総量が３０質量％を超えると引張強さ、０.２％耐力は向上するが、導電率が低くなる。したがって、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏの総量は０.０１〜３０質量％の範囲とする必要がある。ただし、各元素は以下のような含有量範囲とすることが望ましい。
【００２３】
Ｓｎは、Ｃｕマトリックス中に固溶して強度、弾性を向上させる。また、ヤング率に対する影響が大きく、Ｓｎ添加によりヤング率を小さくすることができるので、良好なプレス打抜き性を得る上でＳｎ添加は有利となる。このような作用を十分に引き出すには０.０１質量％以上のＳｎ含有量を確保することが望ましい。一方、Ｓｎ含有量が１０質量％を超えると導電性の低下が著しくなり、また鋳造性や熱間加工性にも悪影響を及ぼす。したがってＳｎを添加する場合は１０質量％以下の範囲で行う必要があり、０.０１〜１０質量％とすることが望ましい。０.１〜４.５質量％が一層好ましい。
【００２４】
Ｚｎは、Ｃｕマトリックス中に固溶して強度、弾性を向上させる。また、溶湯の脱酸効果を高め、Ｃｕマトリックス中の溶質酸素元素を減少させる作用に加えて、はんだ耐候性および耐マイグレーション性を向上させる作用を呈する。このような作用を十分に得るには０.０１質量％以上のＺｎ含有が望ましい。ただし、Ｚｎ含有量が３０質量％を超えると導電性の低下が問題となる場合があり、また、はんだ付け性が悪くなるとともに、他の元素と組み合わせても耐応力腐食割れ感受性が高くなり好ましくない。したがってＺｎを添加する場合は３０質量％以下の範囲で行う必要があり、０.０１〜３０質量％とすることが望ましい。８〜２８質量％のＺｎ含有を確保することが一層好ましい。
【００２５】
Ｐは、溶解・鋳造時に溶湯の脱酸剤として作用するとともに、Ｎｉ、Ｆｅ、ＭｇまたはＣｏと化合物を形成して分散析出することにより導電率を高め、さらに硬度と弾性を向上させる作用を有する。このような作用を十分に得るには０.０１質量％以上のＰ含有量を確保することが望ましい。しかし、Ｐ含有量が０.２質量％を超えると、Ｎｉ、Ｆｅ、ＭｇまたはＣｏの共存下でも導電率の低下が大きくなり、また、はんだ耐候性や熱間加工性の劣化を招く用になる。したがってＰを添加する場合は０.２質量％以下の範囲で行う必要があり、０.０１〜０.２質量％とすることが望ましい。
【００２６】
Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏは、Ｐと共に添加することにより析出して化合物を形成し、強度、弾性、耐熱性を向上させる。また析出物によるピン止め効果が発揮され、結晶粒の成長が妨げられて微細な結晶粒が得やすくなる。例えばＮｉの場合、Ｎｉ−Ｐ化合物が析出することで上記のような効果が得られるが、ＮｉをＦｅ、Ｍｇ、Ｃｏで置換しても同様の効果が得られる。このような効果を十分に発揮させるには、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏの合計含有量を０.０１質量％以上とすることが望ましい。ただし、導電性を維持し、製造時の適正熱処理温度が高くなることを防止するためには、これらの元素はいずれも３質量％以下の範囲とする必要がある。したがって、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏを添加する場合は３質量％以下の範囲で行う必要があり、それぞれ０.０１〜３質量％の範囲とすることが望ましい。特に、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏの合計含有量を３質量％以下とすることが好ましい。
【００２７】
〔製造法〕
電気・電子機器に使用する通電部品用の銅合金材料は一般に、溶解、鋳造、熱間圧延を経た後、「冷間圧延、熱処理」の工程を繰り返して所定板厚の板材に仕上げられ、その後プレス等の成形加工に供される。本発明のプレス打抜き寸法精度に優れた銅合金材料も基本的にはこのような流れで製造することができる。ただし、本発明の銅合金材料の製造においては、前述の組織（結晶粒微細化）および特性（０.２％耐力の向上、ヤング率と０.２％耐力のバランス適正化）を実現するための工夫を要する。
【００２８】
発明者らは詳細な研究の結果、「冷間圧延、熱処理」を繰り返す工程において、製造条件をコントロールすることにより前記所望の組織・特性が工業的に十分実現できることを知見した。すなわち、「冷間圧延、熱処理」の工程のうち、最後の２回の「冷間圧延、熱処理」の工程において、特に熱処理条件を厳密にコントロールするのである。また、それらの熱処理に先立つ冷間圧延においても、圧延率を適切にコントロールすることが望ましい。
具体的には「［１］仕上前冷間圧延、［２］仕上前熱処理、［３］仕上冷間圧延、［４］仕上熱処理」の加工・熱履歴を順次付与して板材を仕上げるに際し、［２］と［４］の熱処理条件、あるいはさらに［１］と［３］の冷間圧延条件を工夫する。
【００２９】
上工程の溶解、鋳造、熱間圧延、および必要に応じて行われる中間段階での冷間圧延、熱処理については、従来一般的な銅合金の製造方法に従えばよい。また、酸洗等の加工・熱履歴を伴わない工程は適宜挿入することができる。
【００３０】
最後の２回の「冷間圧延、熱処理」工程を本明細書では「［１］仕上前冷間圧延、［２］仕上前熱処理、［３］仕上冷間圧延、［４］仕上熱処理」と記載している。
このうち、［１］の仕上前冷間圧延では、次の［２］の熱処理で微細結晶粒組織が得られるように、比較的大きめの冷間圧延率を確保することが望ましい。冷間圧延率を大きくすることで圧延集合組織が形成され、［２］の熱処理により再結晶集合組織を得ることができる。圧延集合組織、再結晶集合組織など、材料に異方性を持たせることにより、［４］熱処理におけるヤング率、０.２％耐力の変化量において、Ｌ方向、Ｔ方向の差が大きくなり、１０以下のＹ値が得られやすくなる。［１］の仕上げ圧延は、６０％以上の冷間圧延率で行うことが望ましく、例えば６０〜９０％の冷間圧延率とすればよい。
【００３１】
［２］の仕上前熱処理では、再結晶化により平均粒径１０μｍ以下の微細結晶粒組織を得る。また、再結晶粒の粗大化を防ぎ、再結晶集合組織を維持する。再結晶後の結晶粒径は一般に再結晶焼鈍前の加工率が大きいほど小さくなり、また、焼鈍温度が低く、焼鈍時間が短いほど小さくなる。ただし、結晶粒の成長速度が大きい温度で熱処理を短時間で終了することにより微細結晶粒に調整することは、安定な組織状態を得る上で得策ではない。したがって、少なくとも１０ｓｅｃ以上の熱処理時間を確保することが望ましい。
【００３２】
発明者らの研究によれば、平均結晶粒径１０μｍ以下の微細再結晶組織を安定して得るためには、［２］の熱処理温度を、熱処理後のビッカース硬さが熱処理前の８０％になる熱処理温度Ｔ0.8（℃）に対し＋２０℃〜＋６０℃の範囲の温度に設定すれば良いことがわかった。ただし、加熱保持時間はＴ0.8を設定した場合と同じとする。すなわち、［２］の仕上前熱処理を以下の条件で行えばよい。
［２］仕上前熱処理： ［１］の仕上前冷間圧延後のビッカース硬さをＨ0（ＨＶ）とし、その硬さＨ0の材料を保持時間Ａ（ｍｉｎ）で加熱保持したときに０.８Ｈ0（ＨＶ）となる当該加熱保持温度をＴ0.8（℃）とするとき、
保持温度：Ｔ0.8＋２０（℃）以上、Ｔ0.8＋６０（℃）以下、
保持時間：Ａ（ｍｉｎ）、
を満たす条件で行う。
【００３３】
このような適正熱処理条件は化学組成や［１］の冷間圧延率に依存して変動する。実際には、予め目標組成の銅合金を用いたシミュレーション実験を行って種々の圧延率、熱処理温度、熱処理時間についての軟化曲線のデータを採取しておき、そのデータに基づいて上記Ｔ0.8およびＡを定め、適正な熱処理条件にコントロールすればよい。例えば、ある硬さＨ0の材料を保持時間Ａ（ｍｉｎ）で２００〜７００℃の間で５０℃間隔で熱処理して軟化曲線を作成し、その軟化曲線から０.８Ｈ0となる加熱保持温度を予想する。次に当該Ｈ0の材料をその予想温度で保持時間Ａの熱処理に供し、熱処理後の硬さを実測する。実測値と０.８Ｈ0の値とを比較し、そのずれが大きい場合は加熱保持温度の予想値を補正し、再度硬さＨ0の材料について補正後の条件で熱処理を実施して硬さを確認する。このような操作を必要に応じて繰り返すことにより、硬さＨ0の材料に対して０.８Ｈ0の硬さを与えるための熱処理条件を精度良く設定することができる。そして、実操業においては［１］の仕上前冷間圧延後の材料からサンプルを採取して実際のＨ0を測定し、予め求めてある前述の熱処理条件データを使って、Ｔ0.8＋２０〜Ｔ0.8＋６０（℃）となる範囲で保持時間Ａの熱処理を施せばよい。
なお、一般的に［２］の加熱保持時間Ａは１０ｓｅｃ〜５００ｍｉｎの間で設定することができ、加熱保持温度は例えばＣｕ−２８％Ｚｎ−１Ｓｎ系合金の場合だと３００〜６００℃程度の範囲内で設定できる。
【００３４】
［３］の仕上冷間圧延では、目標板厚に調整するとともに、適度の加工歪みを材料中に導入し、０.２％耐力の向上を狙う。また、加工率を大きくすることで材料に異方性を持たせ、［４］の熱処理によって１０以下のＹ値が得られやすくなる。そのために［３］の冷間圧延率は５０％以上を確保することが望ましい。通常、５０〜９５％程度の圧延率とすれば良好な結果が得られる。
【００３５】
［４］の仕上熱処理では、ヤング率と０.２％耐力の異方性バランスを適正化する。すなわち、前記(１)式で定義されるＹ値が１０以下の特性を付与する。Ｙ値に対しては、化学組成、［３］の冷間圧延率や、［４］の加熱保持温度・時間が複雑に影響する。したがって、同じ組成の合金でも［４］の条件を一律に設定することはできず、操業条件によって厳密にコントロールする必要がある。実際には、［２］の条件設定の場合と同様に、予め目標組成の銅合金を用いたシミュレーション実験を行って種々の操業条件に適用できるデータを採取しておき、そのデータに基づいて［４］の加熱温度・時間を設定すればよい。例えば、［３］の仕上冷間圧延材を５０〜５００℃の範囲で保持時間Ｂ（ｍｉｎ）の熱処理に供し、(１)式により熱処理後のＹを求めて、Ｙと熱処理温度との関係を表す曲線を作成する。この曲線から当該仕上冷間圧延材についてＹが１０以下になる熱処理温度の範囲を予想する。次に、当該仕上冷間圧延材をその予想温度域において時間Ｂで熱処理し、Ｙの値を確認する。必要に応じてこのような操作を繰り返すことで、データの精度が向上する。ただし、［４］の熱処理では［３］以前の履歴（すなわち集合組織の状態）によって結果が異なってくるので、定常的な営業生産におけるデータを蓄積してデータ精度を高めることが望ましい。
なお、目安としては、０.２％耐力が最も高くなる温度をＴM（℃）としたとき、ＴMに対し−３０〜＋６０℃の範囲においてＹ値が１０以下になる条件を見出すことができる場合が多い。一般的に［４］の加熱保持時間は５ｓｅｃ〜５００ｍｉｎの間で設定することができ、加熱保持温度は例えばＣｕ−２８％Ｚｎ−１Ｓｎ系合金の場合だと１５０〜４５０℃程度の範囲内で設定できる。
【実施例１】
【００３６】
表１に示す銅合金を高周波誘導溶解炉で溶解し、３００×２００×４０（ｍｍ）のサイズに鋳造したものを４０×２００×４０（ｍｍ）のサイズに切り出し、試験材とした。溶解・鋳造時の雰囲気はＡｒガス雰囲気とし、鋳造後直ちに水冷した。その後各鋳片を熱間圧延し、冷間圧延、熱処理を繰り返して板厚５.０ｍｍの中間製品を得た。この中間製品を出発材料とし、下記Ａ〜Ｃの工程で、［１］仕上前冷間圧延、［２］仕上前熱処理、［３］仕上冷間圧延、あるいはさらに［４］仕上熱処理を施し、板厚０.５ｍｍの供試材を得た。このうち工程Ａが本発明例であり、Ｂ、Ｃは比較例である。
【００３７】
〔工程Ａ〕
［１］仕上前冷間圧延： 圧延率７１％で行った。
［２］仕上前熱処理： 各合金について予め［１］の冷間圧延条件で得た冷延材について６０ｍｉｎ保持の熱処理による軟化曲線を求めておき、ビッカース硬さが熱処理前の８０％になる加熱温度Ｔ0.8を定めた。そして、加熱温度：Ｔ0.8＋３０℃、保持時間：６０ｍｉｎの条件で行った。例えばＮｏ.１の例ではＴ0.8は４４０℃であった。
［３］仕上冷間圧延： 圧延率６５％で０.５ｍｍまで圧延した。
［４］仕上熱処理： 各合金について予め［３］の冷間圧延条件で得た冷延材について１０ｍｉｎ保持の熱処理を種々の温度で行ったのち後述の方法で０.２％耐力とヤング率を測定してＹ値を求めておき、そのデータに基づいてＹ値が最も小さくなる温度ＴY（℃）を定めた。そして、加熱温度：ＴY（℃）、保持時間：１０ｍｉｎの条件で行った。例えばＮｏ.１の例ではＴYは２８０℃であった。
【００３８】
〔工程Ｂ〕
工程Ａと同じ条件で［１］〜［３］を実施し、［４］を未実施として、仕上冷間圧延ままの材料を得た。
【００３９】
〔工程Ｃ〕
［１］仕上前冷間圧延： 工程Ａと同様とした。
［２］仕上前熱処理： 工程Ａと同様にしてＴ0.8（℃）を求めた。そして、加熱温度：Ｔ0.8＋１００℃、保持時間：６０ｍｉｎの条件で行った。
［３］仕上冷間圧延： 工程Ａと同様とした。
［４］仕上熱処理： 未実施である。
【００４０】
〔工程Ｄ〕
［１］仕上前冷間圧延： 圧延率７３％で行った。
［２］仕上前熱処理： 各合金について予め［１］の冷間圧延条件で得た冷延材について６０ｍｉｎ保持の熱処理による軟化曲線を求めておき、ビッカース硬さが熱処理前の８０％になる加熱温度Ｔ0.8を定めた。そして、加熱温度：Ｔ0.8＋３０℃、保持時間：６０ｍｉｎの条件で行った。例えばＮｏ.６の例ではＴ0.8は５００℃であった。
［３］仕上冷間圧延： 圧延率８０％で０.５ｍｍまで圧延した。
［４］仕上熱処理： 各合金について予め［３］の冷間圧延条件で得た冷延材について１０ｍｉｎ保持の熱処理を種々の温度で行ったのち後述の方法で０.２％耐力とヤング率を測定してＹ値を求めておき、そのデータに基づいてＹ値が最も小さくなる温度ＴＹ（℃）を定めた。そして、加熱温度：ＴＹ（℃）、保持時間：１０ｍｉｎの条件で行った。例えばＮｏ.６の例ではＴＹは３００℃であった。
【００４１】
〔工程Ｅ〕
工程Ｄと同じ条件で［１］〜［３］を実施し、［４］を未実施として、仕上冷間圧延ままの材料を得た。
【００４２】
〔工程Ｆ〕
［１］仕上前冷間圧延： 工程Ｄと同様とした。
［２］仕上前熱処理： 工程Ｄと同様にしてＴ0.8（℃）を求めた。そして、加熱温度：Ｔ0.8＋１００℃、保持時間：６０ｍｉｎの条件で行った。
［３］仕上冷間圧延： 工程Ｄと同様とした。
［４］仕上熱処理： 未実施である。
【００４３】
工程Ａ〜Ｃで得られた各供試材について、０.２％耐力、ヤング率、Ｙ値、平均結晶粒径、打抜き後の真円度、せん断面の高低差を調べた。
０.２％耐力、およびヤング率は、供試材のＬ方向およびＴ方向についてＪＩＳ ５号引張試験片を用いてＪＩＳ Ｚ２２４１に準じた引張試験を行って求めた。
Ｙ値は、その０.２％耐力およびヤング率の測定値に基づき前記(１)式により算出した。
平均結晶粒径は、圧延方向および板厚方向に平行な断面（Ｌ断面）について光学顕微鏡により組織観察を行い、結晶粒度測定装置を用いた画像処理によって求めた。
【００４４】
打抜き後の真円度は、以下のようにして求めた。クリアランス３％にて直径５ｍｍの円形打ち抜きを行い、打ち抜かれたサンプルの円形の穴の内周に沿って真円度を測定した。真円度の測定はＯＧＰ社製のＳＭＡＲＴ ＳＣＯＰＥを用いて１２点測定により行った。
【００４５】
せん断面の高低差は、以下のようにして求めた。前記円形打抜きを行ったサンプルの円形の穴の内周に沿って、Ｌ方向位置、Ｔ方向位置および４５°方向位置の計８カ所（４５°間隔）の位置を定め、各位置において、打抜きせん断面（ダレ部、せん断変形部および破断変形部を含む面）の高さ変化を板厚方向に測定して各位置での最大高低差を求め、８箇所の最大高低差の値を平均した値を、その材料のせん断面の高低差として採用した。
結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】
【００４７】
表１から判るように、工程Ａ、Ｄによって作製された本発明例の銅合金材料は、平均結晶粒径１０μｍ以下、Ｌ方向およびＴ方向の０.２％耐力６５０Ｎ／ｍｍ2以上、Ｙ値１０以下の要件を満足したことにより、真円度０.０１ｍｍ以下、せん断面の高低差９μｍ以下という、極めて良好なプレス打抜き寸法精度が安定して達成された。
【００４８】
これに対し、工程Ｂ、Ｅによって作製された比較例Ｎｏ.１０〜１８は、［４］の仕上熱処理を施していないのでＹ値が大きくなり、その結果、真円度、せん断面の高低差とも発明例に比べ劣った。
【００４９】
工程Ｃ、Ｆによって作製された比較例Ｎｏ.１９〜２７は、［２］の仕上前熱処理の温度が高すぎたので平均結晶粒径が大きくなり、また０.２％耐力が低下した。さらに、［４］の仕上熱処理を施していないのでＹ値も大きくなった。その結果、真円度、せん断面の高低差とも、工程Ｂ、Ｅのものより更に劣った。
【実施例２】
【００５０】
実施例１の表１に示したＮｏ.１０の例（［４］の仕上熱処理を施していないもの）をベースとして、［４］に相当する仕上熱処理を種々の温度で保持時間１０ｍｉｎとして行い、実施例１と同様に０.２％耐力、ヤング率、Ｙ値、平均結晶粒径、打抜き後の真円度、せん断面の高低差を調べた。結果を表２に示す。
【００５１】
【表２】
【００５２】
表２から判るように、当該組成の銅合金に工程Ａの［１］〜［３］の処理を施して得た材料においては、０.２％耐力が最大となる熱処理温度に対し約−３０〜＋６０℃の温度で保持時間１０ｍｉｎの仕上熱処理を施すことにより、Ｙ値が１０以下の特性を付与することができ、プレス打抜き寸法精度の顕著な改善が達成できた。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コネクタ等の電気・電子部品用材料として使用される強度、弾性、導電性の良好な銅合金材料であって、特にプレス打抜き性を改善した銅合金板材およびその製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エレクトロニクスの発達により、種々の機械の電気配線は複雑化、高集積化し、それに伴いコネクタ等の電気・電子部品製造用材料として伸銅品の需要が増加している。これら伸銅品は、金型を用いた高速のプレスにより打抜き加工されることが多いため、電気・電子部品用材料には、強度、導電性などの他、プレス打抜き性に優れていることが求められる。プレス加工の際、材料は金型のパンチによりせん断変形を生じた後、刃先からのクラック発生によって破断変形を生じて所定の形状に打抜かれる。
【０００３】
しかしプレス衝撃による材料の変形、または材料における異方性により、希望する形状を高精度で得ることは困難であり、プレス加工の方法において様々な工夫を行うことによって良好な寸法精度が達成されている。また一般にプレス打抜き面は平滑ではなく、ダレ部、せん断部、破断部により段差が生じるが、プレス面の平滑性を良くすることも重要な課題である。例えば音叉端子や接続ピンなどの場合、プレス抜き面が接触部（通電部）になるような態様で使用されるが、プレス打抜き面の平滑性が悪いと接触面積が小さく、発熱量の増加、保持力不足といった問題が生じる。
【０００４】
従来、プレス成形品の寸法精度を向上させる対策として、パンチ、ダイスの材質・形状、プレス速度、プレス潤滑油による潤滑性の改善や、各々の銅合金に適したクリアランスの設定等により対応してきた。ただし、これらの対策を講じても良好な寸法精度が得られない場合が多々あり、材料面からプレス加工性を改善する取り組みも重要になっている。
特許文献１には、材料の結晶方位を制御することによりプレス成形性を改善することが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１８０１６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の手法によれば、材料面からプレス成形性のレベル向上が図られ、特にプレス金型の磨耗低減に関して優れた効果が発揮された。しかしながら、打ち抜かれた部品の「寸法精度」についてはまだ十分な配慮がなされておらず、根本的な改善には至っていない。本発明はこのような現状に鑑み、コネクタ等の通電部品に使用される銅合金板材において、特に打抜き後の寸法精度を安定的に改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、質量％で、Ｓｎ：１０％以下、Ｚｎ：３０％以下、Ｐ：０.２％以下、Ｎｉ：３％以下、Ｆｅ：３％以下、Ｍｇ：３％以下およびＣｏ：３％以下のうち１種または２種以上を合計３０％以下の範囲で含有し、残部Ｃｕおよび不可避的不純物からなる組成を有し、平均結晶粒径１０μｍ以下の組織を有し、Ｌ方向とＴ方向の０.２％耐力がともに６５０Ｎ／ｍｍ2以上、かつ下記(１)式で定義されるＹ値が１０以下の特性を有する銅合金材料によって達成される。
Ｙ＝｜Ｌ方向のヤング率／Ｌ方向の０.２％耐力−Ｔ方向のヤング率／Ｔ方向の０.２％耐力｜ ……(１)
ただし、Ｌ方向は圧延方向に対し平行方向、Ｔ方向は圧延方向に対し直角方向を意味する。ヤング率および０.２％耐力の単位はＮ／ｍｍ2とする。
【０００８】
このようなプレス打抜き後の寸法精度を改善した銅合金材料（板材）は、上記組成の銅合金板材中間製品、すなわち、すでに例えば熱間圧延あるいはさらに冷間圧延と熱処理を経て、ある程度板厚を減じた段階の板材製品に対し、「［１］仕上前冷間圧延、［２］仕上前熱処理、［３］仕上冷間圧延、［４］仕上熱処理」の加工・熱履歴を順次付与して板材を仕上げるに際し、上記［２］および［４］の工程をそれぞれ以下の条件で行う製造法で得ることができる。［１］および［３］の工程も以下の条件に従うことが好ましい。
［１］仕上前冷間圧延： 圧延率６０％以上で冷間圧延を行う。
［２］仕上前熱処理： ［１］の仕上前冷間圧延後のビッカース硬さをＨ0（ＨＶ）とし、その硬さＨ0の材料を保持時間Ａ（ｍｉｎ）で加熱保持したときに０.８Ｈ0（ＨＶ）となる当該加熱保持温度をＴ0.8（℃）とするとき、
保持温度：Ｔ0.8＋２０（℃）以上、Ｔ0.8＋６０（℃）以下、
保持時間：Ａ（ｍｉｎ）、
を満たす条件で［２］の熱処理を行う。
［３］仕上冷間圧延： 圧延率５０％以上で冷間圧延を行う。
［４］仕上熱処理： 前記(１)式で定義されるＹ値が１０以下となる保持温度・保持時間で行う。
【０００９】
なお、「加工・熱履歴」とは金属組織状態や物理的・機械的諸特性に変化をもたらす工程である。したがって、金属組織状態や物理的・機械的諸特性に変化をもたらさない工程、例えば酸洗等は、［１］〜［４］の工程途中あるいは工程後に適宜挿入して構わない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、コネクタ等の通電部材に要求される強度、弾性、導電性を有する銅合金において、プレス打抜き後の寸法精度に極めて優れたものが提供可能になった。特に、せん断面の平滑性と、異方性を低減したことによる打抜き真円度の改善を図ることができた。したがって本発明は、材料面から通電部品の品質・性能向上に寄与するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
プレス打抜き後の寸法精度（以下「プレス打抜き寸法精度」という）を向上させるには、
i) プレスせん断面の平滑性を高めること、
ii) 円形打抜きによって形成される打抜き円の真円度を高めること、
が重要である。
【００１２】
発明者らは材料面から上記i)ii)を実現するための方策を種々検討した結果、i)には結晶粒を１０μｍ以下に微細化すること、および０.２％耐力を板面の様々な方向において高めることが有効であり、ii)には結晶微細化、０.２％耐力の向上に加え、特に０.２％耐力とヤング率の異方性バランスを適正化することが極めて有効であることを見出した。
以下、本発明を特定するための事項について説明する。
【００１３】
〔平均結晶粒径〕
プレス加工の際、材料は金型のパンチにより「せん断変形」を生じた後、刃先からのクラック発生によって「破断変形」を生じて所定の形状に打抜かれる。
【００１４】
せん断変形は主に粒内すべりにより進行するが、せん断すべりの方向は結晶学的に決まっており、せん断変形によって生じたプレス面は各結晶粒のすべり面によって構成される。結晶粒の方位は一律ではないため、せん断変形によって生じたプレス面は平滑にはならず、結晶粒径に依存した凹凸が形成される。
破断変形は粒内破断により進行するが、粒内破断はすべり面上で起き易い。このため、破断変形によって生じるプレス面の凹凸も、せん断すべりの場合と同様、結晶粒径に依存する。
【００１５】
これらのことから、プレスせん断面の平滑性を高めるには結晶粒径を微細化する必要がある。発明者らの詳細な検討により、プレス打抜きに供する銅合金板材においては平均結晶粒径を１０μｍ以下とすることが極めて効果的であることがわかった。
【００１６】
〔０.２％耐力〕
プレス加工の際、材料はせん断変形の前に圧縮される形となり、引張応力によりダレ部が形成される。０.２％耐力が小さいと圧縮応力に対する抵抗力が小さくなり、ダレ量は大きくなってしまう。その結果、プレスせん断面の平滑性が悪くなる。また、０.２％耐力が小さいとプレス時の衝撃により材料が大きく変形してしまうため、寸法精度が悪くなる。
【００１７】
圧延によって製造、調質されることの多い銅合金において、一般に０.２％耐力は異方性を示し、０.２％耐力が低い方位においてはダレ、変形量が大きくなってしまう。したがって、優れた寸法精度を得るためには圧延方向に対する様々な方向において十分に大きな０.２％耐力を有することが必要である。圧延で製造、調質される銅合金の場合、０.２％耐力の値は圧延方向に対し平行方向（Ｌ方向）または直角方向（Ｔ方向）において最小の値を示すため、Ｌ方向・Ｔ方向の０.２％耐力が共に高ければ、圧延方向に対するあらゆる方向において高い０.２％耐力を有すると言える。つまり、良好なプレス打抜き寸法精度を得るためには、Ｌ方向およびＴ方向の０.２％耐力が共に高い値を示すことが重要である。
【００１８】
発明者らの研究によれば、通電部品用銅合金に望まれるプレス打抜き寸法精度を安定的に得るには、少なくとも０.２％耐力において、Ｌ方向およびＴ方向の値がいずれも６５０Ｎ／ｍｍ2以上となることが必要である。
【００１９】
〔ヤング率〕
ヤング率は、０.２％耐力とともにプレス打抜き寸法精度に大きな影響を与える。プレス初期の圧縮によって発生する応力はヤング率によって決まり、高ヤング率の場合には高応力、低ヤング率の場合には低応力となる。ここで発生する応力による変形量は、ヤング率と０.２％耐力のバランスによって決定される。また、圧縮変形からせん断変形への移行は、パンチ刃先部における材料の降伏によって開始されるため、せん断変形の開始（ダレ部の終了）に関してもヤング率と０.２％耐力のバランスが重要となる。
【００２０】
ヤング率の値は主に合金組成により決定されるが、製造工程の影響も少なからず受け、圧延により製造、調質されることの多い銅合金のヤング率は異方性を示すのが一般的である。前述のように０.２％耐力も異方性を示すが、その程度はヤング率と同一ではないため、ヤング率と０.２％耐力のバランスも異方性を示す。つまり、単に０.２％耐力の異方性が小さく、かつヤング率の異方性が小さいということだけでは、必ずしもプレス打抜き寸法精度を十分に改善することはできないことがわかってきた。プレスによる材料の変形はヤング率と０.２％耐力のバランスによって決定されるため、プレス成形により優れた寸法精度を得るためには、「ヤング率と０.２％耐力のバランスにおいて異方性が小さいこと」が重要である。
【００２１】
種々検討の結果、そのバランスにおける異方性として、Ｌ方向とＴ方向それぞれの「ヤング率／０.２％耐力」についての差の絶対値をＹと定めたとき、そのＹ値が１０以下となるような銅合金材料において、プレス打抜き寸法精度（特に真円度）を安定的に改善することが可能になることがわかった。すなわち、下記(１)式で定義されるＹ値が１０以下となるような特性を付与することが重要となる。この特性の付与は後述の製造法によって実現できる。
Ｙ＝｜Ｌ方向のヤング率／Ｌ方向の０.２％耐力−Ｔ方向のヤング率／Ｔ方向の０.２％耐力｜ ……(１)
ここで、各ヤング率および０.２％耐力の値は同じ単位系（例えばＮ／ｍｍ2）の値が採用される。
【００２２】
〔化学組成〕
コネクタ等の通電部材に要求される基本的な特性（導電率、引張強さ、０.２％耐力、伸び等）を維持し、その上で上記(１)式のようなヤング率と０.２％耐力の好バランスを実現するために、本発明では、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｚｎ、Ｆｅ、ＭｇおよびＣｏの１種または２種以上を合計０.０１〜３０質量％の範囲で含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる化学組成の銅合金を採用する。Ｓｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏの総量が０.０１質量％未満だと導電率は高くなるが、引張強さ、０.２％耐力等の特性が得られにくい。逆にこれらの総量が３０質量％を超えると引張強さ、０.２％耐力は向上するが、導電率が低くなる。したがって、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏの総量は０.０１〜３０質量％の範囲とする必要がある。ただし、各元素は以下のような含有量範囲とすることが望ましい。
【００２３】
Ｓｎは、Ｃｕマトリックス中に固溶して強度、弾性を向上させる。また、ヤング率に対する影響が大きく、Ｓｎ添加によりヤング率を小さくすることができるので、良好なプレス打抜き性を得る上でＳｎ添加は有利となる。このような作用を十分に引き出すには０.０１質量％以上のＳｎ含有量を確保することが望ましい。一方、Ｓｎ含有量が１０質量％を超えると導電性の低下が著しくなり、また鋳造性や熱間加工性にも悪影響を及ぼす。したがってＳｎを添加する場合は１０質量％以下の範囲で行う必要があり、０.０１〜１０質量％とすることが望ましい。０.１〜４.５質量％が一層好ましい。
【００２４】
Ｚｎは、Ｃｕマトリックス中に固溶して強度、弾性を向上させる。また、溶湯の脱酸効果を高め、Ｃｕマトリックス中の溶質酸素元素を減少させる作用に加えて、はんだ耐候性および耐マイグレーション性を向上させる作用を呈する。このような作用を十分に得るには０.０１質量％以上のＺｎ含有が望ましい。ただし、Ｚｎ含有量が３０質量％を超えると導電性の低下が問題となる場合があり、また、はんだ付け性が悪くなるとともに、他の元素と組み合わせても耐応力腐食割れ感受性が高くなり好ましくない。したがってＺｎを添加する場合は３０質量％以下の範囲で行う必要があり、０.０１〜３０質量％とすることが望ましい。８〜２８質量％のＺｎ含有を確保することが一層好ましい。
【００２５】
Ｐは、溶解・鋳造時に溶湯の脱酸剤として作用するとともに、Ｎｉ、Ｆｅ、ＭｇまたはＣｏと化合物を形成して分散析出することにより導電率を高め、さらに硬度と弾性を向上させる作用を有する。このような作用を十分に得るには０.０１質量％以上のＰ含有量を確保することが望ましい。しかし、Ｐ含有量が０.２質量％を超えると、Ｎｉ、Ｆｅ、ＭｇまたはＣｏの共存下でも導電率の低下が大きくなり、また、はんだ耐候性や熱間加工性の劣化を招く用になる。したがってＰを添加する場合は０.２質量％以下の範囲で行う必要があり、０.０１〜０.２質量％とすることが望ましい。
【００２６】
Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏは、Ｐと共に添加することにより析出して化合物を形成し、強度、弾性、耐熱性を向上させる。また析出物によるピン止め効果が発揮され、結晶粒の成長が妨げられて微細な結晶粒が得やすくなる。例えばＮｉの場合、Ｎｉ−Ｐ化合物が析出することで上記のような効果が得られるが、ＮｉをＦｅ、Ｍｇ、Ｃｏで置換しても同様の効果が得られる。このような効果を十分に発揮させるには、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏの合計含有量を０.０１質量％以上とすることが望ましい。ただし、導電性を維持し、製造時の適正熱処理温度が高くなることを防止するためには、これらの元素はいずれも３質量％以下の範囲とする必要がある。したがって、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏを添加する場合は３質量％以下の範囲で行う必要があり、それぞれ０.０１〜３質量％の範囲とすることが望ましい。特に、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏの合計含有量を３質量％以下とすることが好ましい。
【００２７】
〔製造法〕
電気・電子機器に使用する通電部品用の銅合金材料は一般に、溶解、鋳造、熱間圧延を経た後、「冷間圧延、熱処理」の工程を繰り返して所定板厚の板材に仕上げられ、その後プレス等の成形加工に供される。本発明のプレス打抜き寸法精度に優れた銅合金材料も基本的にはこのような流れで製造することができる。ただし、本発明の銅合金材料の製造においては、前述の組織（結晶粒微細化）および特性（０.２％耐力の向上、ヤング率と０.２％耐力のバランス適正化）を実現するための工夫を要する。
【００２８】
発明者らは詳細な研究の結果、「冷間圧延、熱処理」を繰り返す工程において、製造条件をコントロールすることにより前記所望の組織・特性が工業的に十分実現できることを知見した。すなわち、「冷間圧延、熱処理」の工程のうち、最後の２回の「冷間圧延、熱処理」の工程において、特に熱処理条件を厳密にコントロールするのである。また、それらの熱処理に先立つ冷間圧延においても、圧延率を適切にコントロールすることが望ましい。
具体的には「［１］仕上前冷間圧延、［２］仕上前熱処理、［３］仕上冷間圧延、［４］仕上熱処理」の加工・熱履歴を順次付与して板材を仕上げるに際し、［２］と［４］の熱処理条件、あるいはさらに［１］と［３］の冷間圧延条件を工夫する。
【００２９】
上工程の溶解、鋳造、熱間圧延、および必要に応じて行われる中間段階での冷間圧延、熱処理については、従来一般的な銅合金の製造方法に従えばよい。また、酸洗等の加工・熱履歴を伴わない工程は適宜挿入することができる。
【００３０】
最後の２回の「冷間圧延、熱処理」工程を本明細書では「［１］仕上前冷間圧延、［２］仕上前熱処理、［３］仕上冷間圧延、［４］仕上熱処理」と記載している。
このうち、［１］の仕上前冷間圧延では、次の［２］の熱処理で微細結晶粒組織が得られるように、比較的大きめの冷間圧延率を確保することが望ましい。冷間圧延率を大きくすることで圧延集合組織が形成され、［２］の熱処理により再結晶集合組織を得ることができる。圧延集合組織、再結晶集合組織など、材料に異方性を持たせることにより、［４］熱処理におけるヤング率、０.２％耐力の変化量において、Ｌ方向、Ｔ方向の差が大きくなり、１０以下のＹ値が得られやすくなる。［１］の仕上げ圧延は、６０％以上の冷間圧延率で行うことが望ましく、例えば６０〜９０％の冷間圧延率とすればよい。
【００３１】
［２］の仕上前熱処理では、再結晶化により平均粒径１０μｍ以下の微細結晶粒組織を得る。また、再結晶粒の粗大化を防ぎ、再結晶集合組織を維持する。再結晶後の結晶粒径は一般に再結晶焼鈍前の加工率が大きいほど小さくなり、また、焼鈍温度が低く、焼鈍時間が短いほど小さくなる。ただし、結晶粒の成長速度が大きい温度で熱処理を短時間で終了することにより微細結晶粒に調整することは、安定な組織状態を得る上で得策ではない。したがって、少なくとも１０ｓｅｃ以上の熱処理時間を確保することが望ましい。
【００３２】
発明者らの研究によれば、平均結晶粒径１０μｍ以下の微細再結晶組織を安定して得るためには、［２］の熱処理温度を、熱処理後のビッカース硬さが熱処理前の８０％になる熱処理温度Ｔ0.8（℃）に対し＋２０℃〜＋６０℃の範囲の温度に設定すれば良いことがわかった。ただし、加熱保持時間はＴ0.8を設定した場合と同じとする。すなわち、［２］の仕上前熱処理を以下の条件で行えばよい。
［２］仕上前熱処理： ［１］の仕上前冷間圧延後のビッカース硬さをＨ0（ＨＶ）とし、その硬さＨ0の材料を保持時間Ａ（ｍｉｎ）で加熱保持したときに０.８Ｈ0（ＨＶ）となる当該加熱保持温度をＴ0.8（℃）とするとき、
保持温度：Ｔ0.8＋２０（℃）以上、Ｔ0.8＋６０（℃）以下、
保持時間：Ａ（ｍｉｎ）、
を満たす条件で行う。
【００３３】
このような適正熱処理条件は化学組成や［１］の冷間圧延率に依存して変動する。実際には、予め目標組成の銅合金を用いたシミュレーション実験を行って種々の圧延率、熱処理温度、熱処理時間についての軟化曲線のデータを採取しておき、そのデータに基づいて上記Ｔ0.8およびＡを定め、適正な熱処理条件にコントロールすればよい。例えば、ある硬さＨ0の材料を保持時間Ａ（ｍｉｎ）で２００〜７００℃の間で５０℃間隔で熱処理して軟化曲線を作成し、その軟化曲線から０.８Ｈ0となる加熱保持温度を予想する。次に当該Ｈ0の材料をその予想温度で保持時間Ａの熱処理に供し、熱処理後の硬さを実測する。実測値と０.８Ｈ0の値とを比較し、そのずれが大きい場合は加熱保持温度の予想値を補正し、再度硬さＨ0の材料について補正後の条件で熱処理を実施して硬さを確認する。このような操作を必要に応じて繰り返すことにより、硬さＨ0の材料に対して０.８Ｈ0の硬さを与えるための熱処理条件を精度良く設定することができる。そして、実操業においては［１］の仕上前冷間圧延後の材料からサンプルを採取して実際のＨ0を測定し、予め求めてある前述の熱処理条件データを使って、Ｔ0.8＋２０〜Ｔ0.8＋６０（℃）となる範囲で保持時間Ａの熱処理を施せばよい。
なお、一般的に［２］の加熱保持時間Ａは１０ｓｅｃ〜５００ｍｉｎの間で設定することができ、加熱保持温度は例えばＣｕ−２８％Ｚｎ−１Ｓｎ系合金の場合だと３００〜６００℃程度の範囲内で設定できる。
【００３４】
［３］の仕上冷間圧延では、目標板厚に調整するとともに、適度の加工歪みを材料中に導入し、０.２％耐力の向上を狙う。また、加工率を大きくすることで材料に異方性を持たせ、［４］の熱処理によって１０以下のＹ値が得られやすくなる。そのために［３］の冷間圧延率は５０％以上を確保することが望ましい。通常、５０〜９５％程度の圧延率とすれば良好な結果が得られる。
【００３５】
［４］の仕上熱処理では、ヤング率と０.２％耐力の異方性バランスを適正化する。すなわち、前記(１)式で定義されるＹ値が１０以下の特性を付与する。Ｙ値に対しては、化学組成、［３］の冷間圧延率や、［４］の加熱保持温度・時間が複雑に影響する。したがって、同じ組成の合金でも［４］の条件を一律に設定することはできず、操業条件によって厳密にコントロールする必要がある。実際には、［２］の条件設定の場合と同様に、予め目標組成の銅合金を用いたシミュレーション実験を行って種々の操業条件に適用できるデータを採取しておき、そのデータに基づいて［４］の加熱温度・時間を設定すればよい。例えば、［３］の仕上冷間圧延材を５０〜５００℃の範囲で保持時間Ｂ（ｍｉｎ）の熱処理に供し、(１)式により熱処理後のＹを求めて、Ｙと熱処理温度との関係を表す曲線を作成する。この曲線から当該仕上冷間圧延材についてＹが１０以下になる熱処理温度の範囲を予想する。次に、当該仕上冷間圧延材をその予想温度域において時間Ｂで熱処理し、Ｙの値を確認する。必要に応じてこのような操作を繰り返すことで、データの精度が向上する。ただし、［４］の熱処理では［３］以前の履歴（すなわち集合組織の状態）によって結果が異なってくるので、定常的な営業生産におけるデータを蓄積してデータ精度を高めることが望ましい。
なお、目安としては、０.２％耐力が最も高くなる温度をＴM（℃）としたとき、ＴMに対し−３０〜＋６０℃の範囲においてＹ値が１０以下になる条件を見出すことができる場合が多い。一般的に［４］の加熱保持時間は５ｓｅｃ〜５００ｍｉｎの間で設定することができ、加熱保持温度は例えばＣｕ−２８％Ｚｎ−１Ｓｎ系合金の場合だと１５０〜４５０℃程度の範囲内で設定できる。
【実施例１】
【００３６】
表１に示す銅合金を高周波誘導溶解炉で溶解し、３００×２００×４０（ｍｍ）のサイズに鋳造したものを４０×２００×４０（ｍｍ）のサイズに切り出し、試験材とした。溶解・鋳造時の雰囲気はＡｒガス雰囲気とし、鋳造後直ちに水冷した。その後各鋳片を熱間圧延し、冷間圧延、熱処理を繰り返して板厚５.０ｍｍの中間製品を得た。この中間製品を出発材料とし、下記Ａ〜Ｃの工程で、［１］仕上前冷間圧延、［２］仕上前熱処理、［３］仕上冷間圧延、あるいはさらに［４］仕上熱処理を施し、板厚０.５ｍｍの供試材を得た。このうち工程Ａが本発明例であり、Ｂ、Ｃは比較例である。
【００３７】
〔工程Ａ〕
［１］仕上前冷間圧延： 圧延率７１％で行った。
［２］仕上前熱処理： 各合金について予め［１］の冷間圧延条件で得た冷延材について６０ｍｉｎ保持の熱処理による軟化曲線を求めておき、ビッカース硬さが熱処理前の８０％になる加熱温度Ｔ0.8を定めた。そして、加熱温度：Ｔ0.8＋３０℃、保持時間：６０ｍｉｎの条件で行った。例えばＮｏ.１の例ではＴ0.8は４４０℃であった。
［３］仕上冷間圧延： 圧延率６５％で０.５ｍｍまで圧延した。
［４］仕上熱処理： 各合金について予め［３］の冷間圧延条件で得た冷延材について１０ｍｉｎ保持の熱処理を種々の温度で行ったのち後述の方法で０.２％耐力とヤング率を測定してＹ値を求めておき、そのデータに基づいてＹ値が最も小さくなる温度ＴY（℃）を定めた。そして、加熱温度：ＴY（℃）、保持時間：１０ｍｉｎの条件で行った。例えばＮｏ.１の例ではＴYは２８０℃であった。
【００３８】
〔工程Ｂ〕
工程Ａと同じ条件で［１］〜［３］を実施し、［４］を未実施として、仕上冷間圧延ままの材料を得た。
【００３９】
〔工程Ｃ〕
［１］仕上前冷間圧延： 工程Ａと同様とした。
［２］仕上前熱処理： 工程Ａと同様にしてＴ0.8（℃）を求めた。そして、加熱温度：Ｔ0.8＋１００℃、保持時間：６０ｍｉｎの条件で行った。
［３］仕上冷間圧延： 工程Ａと同様とした。
［４］仕上熱処理： 未実施である。
【００４０】
〔工程Ｄ〕
［１］仕上前冷間圧延： 圧延率７３％で行った。
［２］仕上前熱処理： 各合金について予め［１］の冷間圧延条件で得た冷延材について６０ｍｉｎ保持の熱処理による軟化曲線を求めておき、ビッカース硬さが熱処理前の８０％になる加熱温度Ｔ0.8を定めた。そして、加熱温度：Ｔ0.8＋３０℃、保持時間：６０ｍｉｎの条件で行った。例えばＮｏ.６の例ではＴ0.8は５００℃であった。
［３］仕上冷間圧延： 圧延率８０％で０.５ｍｍまで圧延した。
［４］仕上熱処理： 各合金について予め［３］の冷間圧延条件で得た冷延材について１０ｍｉｎ保持の熱処理を種々の温度で行ったのち後述の方法で０.２％耐力とヤング率を測定してＹ値を求めておき、そのデータに基づいてＹ値が最も小さくなる温度ＴＹ（℃）を定めた。そして、加熱温度：ＴＹ（℃）、保持時間：１０ｍｉｎの条件で行った。例えばＮｏ.６の例ではＴＹは３００℃であった。
【００４１】
〔工程Ｅ〕
工程Ｄと同じ条件で［１］〜［３］を実施し、［４］を未実施として、仕上冷間圧延ままの材料を得た。
【００４２】
〔工程Ｆ〕
［１］仕上前冷間圧延： 工程Ｄと同様とした。
［２］仕上前熱処理： 工程Ｄと同様にしてＴ0.8（℃）を求めた。そして、加熱温度：Ｔ0.8＋１００℃、保持時間：６０ｍｉｎの条件で行った。
［３］仕上冷間圧延： 工程Ｄと同様とした。
［４］仕上熱処理： 未実施である。
【００４３】
工程Ａ〜Ｃで得られた各供試材について、０.２％耐力、ヤング率、Ｙ値、平均結晶粒径、打抜き後の真円度、せん断面の高低差を調べた。
０.２％耐力、およびヤング率は、供試材のＬ方向およびＴ方向についてＪＩＳ ５号引張試験片を用いてＪＩＳ Ｚ２２４１に準じた引張試験を行って求めた。
Ｙ値は、その０.２％耐力およびヤング率の測定値に基づき前記(１)式により算出した。
平均結晶粒径は、圧延方向および板厚方向に平行な断面（Ｌ断面）について光学顕微鏡により組織観察を行い、結晶粒度測定装置を用いた画像処理によって求めた。
【００４４】
打抜き後の真円度は、以下のようにして求めた。クリアランス３％にて直径５ｍｍの円形打ち抜きを行い、打ち抜かれたサンプルの円形の穴の内周に沿って真円度を測定した。真円度の測定はＯＧＰ社製のＳＭＡＲＴ ＳＣＯＰＥを用いて１２点測定により行った。
【００４５】
せん断面の高低差は、以下のようにして求めた。前記円形打抜きを行ったサンプルの円形の穴の内周に沿って、Ｌ方向位置、Ｔ方向位置および４５°方向位置の計８カ所（４５°間隔）の位置を定め、各位置において、打抜きせん断面（ダレ部、せん断変形部および破断変形部を含む面）の高さ変化を板厚方向に測定して各位置での最大高低差を求め、８箇所の最大高低差の値を平均した値を、その材料のせん断面の高低差として採用した。
結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】
【００４７】
表１から判るように、工程Ａ、Ｄによって作製された本発明例の銅合金材料は、平均結晶粒径１０μｍ以下、Ｌ方向およびＴ方向の０.２％耐力６５０Ｎ／ｍｍ2以上、Ｙ値１０以下の要件を満足したことにより、真円度０.０１ｍｍ以下、せん断面の高低差９μｍ以下という、極めて良好なプレス打抜き寸法精度が安定して達成された。
【００４８】
これに対し、工程Ｂ、Ｅによって作製された比較例Ｎｏ.１０〜１８は、［４］の仕上熱処理を施していないのでＹ値が大きくなり、その結果、真円度、せん断面の高低差とも発明例に比べ劣った。
【００４９】
工程Ｃ、Ｆによって作製された比較例Ｎｏ.１９〜２７は、［２］の仕上前熱処理の温度が高すぎたので平均結晶粒径が大きくなり、また０.２％耐力が低下した。さらに、［４］の仕上熱処理を施していないのでＹ値も大きくなった。その結果、真円度、せん断面の高低差とも、工程Ｂ、Ｅのものより更に劣った。
【実施例２】
【００５０】
実施例１の表１に示したＮｏ.１０の例（［４］の仕上熱処理を施していないもの）をベースとして、［４］に相当する仕上熱処理を種々の温度で保持時間１０ｍｉｎとして行い、実施例１と同様に０.２％耐力、ヤング率、Ｙ値、平均結晶粒径、打抜き後の真円度、せん断面の高低差を調べた。結果を表２に示す。
【００５１】
【表２】
【００５２】
表２から判るように、当該組成の銅合金に工程Ａの［１］〜［３］の処理を施して得た材料においては、０.２％耐力が最大となる熱処理温度に対し約−３０〜＋６０℃の温度で保持時間１０ｍｉｎの仕上熱処理を施すことにより、Ｙ値が１０以下の特性を付与することができ、プレス打抜き寸法精度の顕著な改善が達成できた。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｓｎ：１０％以下、Ｚｎ：３０％以下、Ｐ：０.２％以下、Ｎｉ：３％以下、Ｆｅ：３％以下、Ｍｇ：３％以下およびＣｏ：３％以下のうち１種または２種以上を合計３０％以下の範囲で含有し、残部Ｃｕおよび不可避的不純物からなる組成を有し、平均結晶粒径１０μｍ以下の組織を有し、Ｌ方向とＴ方向の０.２％耐力がともに６５０Ｎ／ｍｍ2以上、かつ下記(１)式で定義されるＹ値が１０以下の特性を有する銅合金材料。
Ｙ＝｜Ｌ方向のヤング率／Ｌ方向の０.２％耐力−Ｔ方向のヤング率／Ｔ方向の０.２％耐力｜ ……(１)
ただし、Ｌ方向は圧延方向に対し平行方向、Ｔ方向は圧延方向に対し直角方向を意味する。ヤング率および０.２％耐力の単位はＮ／ｍｍ2とする。
【請求項２】
質量％で、Ｓｎ：１０％以下、Ｚｎ：３０％以下、Ｐ：０.２％以下、Ｎｉ：３％以下、Ｆｅ：３％以下、Ｍｇ：３％以下およびＣｏ：３％以下のうち１種または２種以上を合計３０％以下の範囲で含有し、残部Ｃｕおよび不可避的不純物からなる組成の銅合金板材中間製品に「［１］仕上前冷間圧延、［２］仕上前熱処理、［３］仕上冷間圧延、［４］仕上熱処理」の加工・熱履歴を順次付与して板材を仕上げるに際し、上記［２］および［４］の工程をそれぞれ以下の条件で行う銅合金材料の製造法。
［２］仕上前熱処理： ［１］の仕上前冷間圧延後のビッカース硬さをＨ0（ＨＶ）とし、その硬さＨ0の材料を保持時間Ａ（ｍｉｎ）で加熱保持したときに０.８Ｈ0（ＨＶ）となる当該加熱保持温度をＴ0.8（℃）とするとき、
保持温度：Ｔ0.8＋２０（℃）以上、Ｔ0.8＋６０（℃）以下、
保持時間：Ａ（ｍｉｎ）、
を満たす条件で行う。
［４］仕上熱処理： 下記(１)式で定義されるＹ値が１０以下となる保持温度・保持時間で行う。
Ｙ＝｜Ｌ方向のヤング率／Ｌ方向の０.２％耐力−Ｔ方向のヤング率／Ｔ方向の０.２％耐力｜ ……(１)
ただし、Ｌ方向は圧延方向に対し平行方向、Ｔ方向は圧延方向に対し直角方向を意味する。ヤング率および０.２％耐力の単位はＮ／ｍｍ2とする。
【請求項３】
請求項３に記載の製造法において、さらに［１］および［３］の工程を以下の条件で行う銅合金材料の製造法。
［１］仕上前冷間圧延： 圧延率６０％以上で冷間圧延を行う。
［３］仕上冷間圧延： 圧延率５０％以上で冷間圧延を行う。
【請求項１】
質量％で、Ｓｎ：１０％以下、Ｚｎ：３０％以下、Ｐ：０.２％以下、Ｎｉ：３％以下、Ｆｅ：３％以下、Ｍｇ：３％以下およびＣｏ：３％以下のうち１種または２種以上を合計３０％以下の範囲で含有し、残部Ｃｕおよび不可避的不純物からなる組成を有し、平均結晶粒径１０μｍ以下の組織を有し、Ｌ方向とＴ方向の０.２％耐力がともに６５０Ｎ／ｍｍ2以上、かつ下記(１)式で定義されるＹ値が１０以下の特性を有する銅合金材料。
Ｙ＝｜Ｌ方向のヤング率／Ｌ方向の０.２％耐力−Ｔ方向のヤング率／Ｔ方向の０.２％耐力｜ ……(１)
ただし、Ｌ方向は圧延方向に対し平行方向、Ｔ方向は圧延方向に対し直角方向を意味する。ヤング率および０.２％耐力の単位はＮ／ｍｍ2とする。
【請求項２】
質量％で、Ｓｎ：１０％以下、Ｚｎ：３０％以下、Ｐ：０.２％以下、Ｎｉ：３％以下、Ｆｅ：３％以下、Ｍｇ：３％以下およびＣｏ：３％以下のうち１種または２種以上を合計３０％以下の範囲で含有し、残部Ｃｕおよび不可避的不純物からなる組成の銅合金板材中間製品に「［１］仕上前冷間圧延、［２］仕上前熱処理、［３］仕上冷間圧延、［４］仕上熱処理」の加工・熱履歴を順次付与して板材を仕上げるに際し、上記［２］および［４］の工程をそれぞれ以下の条件で行う銅合金材料の製造法。
［２］仕上前熱処理： ［１］の仕上前冷間圧延後のビッカース硬さをＨ0（ＨＶ）とし、その硬さＨ0の材料を保持時間Ａ（ｍｉｎ）で加熱保持したときに０.８Ｈ0（ＨＶ）となる当該加熱保持温度をＴ0.8（℃）とするとき、
保持温度：Ｔ0.8＋２０（℃）以上、Ｔ0.8＋６０（℃）以下、
保持時間：Ａ（ｍｉｎ）、
を満たす条件で行う。
［４］仕上熱処理： 下記(１)式で定義されるＹ値が１０以下となる保持温度・保持時間で行う。
Ｙ＝｜Ｌ方向のヤング率／Ｌ方向の０.２％耐力−Ｔ方向のヤング率／Ｔ方向の０.２％耐力｜ ……(１)
ただし、Ｌ方向は圧延方向に対し平行方向、Ｔ方向は圧延方向に対し直角方向を意味する。ヤング率および０.２％耐力の単位はＮ／ｍｍ2とする。
【請求項３】
請求項３に記載の製造法において、さらに［１］および［３］の工程を以下の条件で行う銅合金材料の製造法。
［１］仕上前冷間圧延： 圧延率６０％以上で冷間圧延を行う。
［３］仕上冷間圧延： 圧延率５０％以上で冷間圧延を行う。
【公開番号】特開２００６−２８３０６０（Ｐ２００６−２８３０６０Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１０１３０１（Ｐ２００５−１０１３０１）
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００２２４７９８）同和鉱業株式会社 (550)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００２２４７９８）同和鉱業株式会社 (550)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]