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CN104039994A - 铜合金和铜合金线 - Google Patents

铜合金和铜合金线 Download PDF

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CN104039994A CN201280066675.5A CN201280066675A CN104039994A CN 104039994 A CN104039994 A CN 104039994A CN 201280066675 A CN201280066675 A CN 201280066675A CN 104039994 A CN104039994 A CN 104039994A
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Abstract

本发明提供了兼具高强度和高导电率的铜合金、以及铜合金线。该铜合金包含50质量％至95质量％的Cu以及5质量％至50质量％的Fe，余量为脱氧剂元素和不可避免的杂质。该铜合金具有这样的织构，在对铜合金的截面进行X射线衍射时，其织构显示出可归为Cu的<111>面和Fe的<110>面的强衍射峰。其织构的ICu(111)为0.70至1.0，IFe(110)为0.90至1.0，其中ICu(111)是指可归为Cu的<111>面的衍射峰强度与Cu的全部衍射强度的强度比，并且IFe(110)是指可归为Fe的<110>面的衍射峰强度与Fe的全部衍射强度的强度比。可控制所述铜合金的晶粒取向以形成上述特定织构，由此使其兼具高强度以及50％IACS以上的高导电率。

Description

铜合金和铜合金线
技术领域
本发明涉及用作接触部件等的铜合金以及铜合金线。具体而言，本发明涉及兼具高强度和高导电率的铜合金。
背景技术
用于电气·电子装置与电线之间的电连接、电线之间的电连接等的接触部件的例子包括连接器的接点部(插针、具有预定形状的壳体等)和端子接头、以及通过赋能力(energizing forces)维持接触状态的接触弹簧(压缩弹簧、斜圈弹簧、钢板弹簧等)。接触部件(例如，接触弹簧)要求具有高导电率、高弹簧载荷(弹簧的赋能力)，并且难以应力松弛。为了应对这些要求，期望具有高导电率和高强度。
为了满足上述要求，制备了铜合金，其中具有高导电率的铜(Cu)充当基质，并且含有多种添加元素。专利文献1披露了其中添加有Fe作为主要添加元素的Cu-Fe合金。Fe在Cu中的固溶量低，因此Fe以分散在母相中的状态存在于Cu-Fe合金中。因此，在对Cu-Fe合金铸造材料进行塑性成形(例如，拉丝或压延)时，分散的Fe被拉制为纤维状。这种纤维状Fe增强了Cu-Fe合金的强度，并且基于作为母相的主要成分的Cu，展现出了高导电率。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本未审查专利申请公开No.05-287417
发明内容
技术问题
期望的是，上述接触部件(例如，接触弹簧)具有高导电率、导电率优选满足50％IACS以上，并且强度进一步提高。
提高添加元素的含量，即提高合金浓度可有效提高强度。然而，在强度和导电率之间存在权衡关系，如果除Cu以外的添加元素增加，则充当基质的Cu的特性受损，从而造成导电率降低(参见专利文献1中0019段的描述等)。因此，尽管取决于应用的不同，但是有利的是，上述接触部件兼具强度为700MPa以上且导电率为50％IACS以上，此外更优选强度为750MPa以上且导电率为50％IACS以上，尤其优选强度为900MPa以上且导电率为50％IACS以上。
因此，本发明的一个目的是提供兼具高强度和高导电率的铜合金。此外，本发明的另一目的是提供兼具高强度和高导电率的铜合金线。
问题的解决手段
在具有高导电率以及高强度的铜合金的研发中，本发明人以作为两相合金的Cu-Fe合金为对象，对合金的微观织构进行了研究，其中在该Cu-Fe合金中，Cu和Fe这两种元素为主要成分，并且Cu相和Fe相分离为两相。
一般而言，Cu柔软且具有高层错能，因此不易于引入位错，由此无法引入一定程度以上的成形应变。因而，即使提高诸如拉丝或压延之类的塑性成形(冷成形)的程度，Cu的强度增加仍然有限。由此，在Cu-Fe合金中，将Fe用作提高强度的元素。随着上述成形程度的提高，可将Fe拉制为纤维状，可预期获得由纤维强化带来的强度增强效果。然而，随着上述成形程度的提高，Fe仅以最少量与Cu形成固溶体，从而造成导电率降低。
例如，在通过多道次(passes)进行塑性成形的情况中，在成形中间进行热处理(在约300℃至500℃下进行时效处理)，由此可使在热处理前引入材料中的成形应变变为零的状态。即，在总成形度增加的同时，热处理之间的道次的合计成形度(total成形度)、或者由最终热处理至最终尺寸(线径、厚度、截面积等)的合计成形度可降低。由此，认为Fe的固溶量降低，从而可抑制导电率的降低。同时，当对Cu-Fe合金进行塑性成形(通常为冷成形)时，Cu形成主要沿<111>取向的织构，而Fe形成主要沿<110>取向的织构，并且如后面的试验例中所述，上述在成形中间进行的热处理对在该热处理之前形成的织构没有影响。
通过上述发现，本发明人关注于织构，并且通过对由Cu-Fe合金制成的材料在各种条件下进行诸如拉丝或压延之类的塑性成形(冷成形)和热处理，从而可调节Cu和Fe各自的取向。结果发现，在织构中的Cu和Fe均满足特定取向性的情况中，成形应变有效施加于Cu-Fe合金，能够提高强度，此外，能够维持高导电率，即，可获得兼具优异的强度和导电率的铜合金。此外，令人惊讶的是，发现当将织构满足上述特定取向性的的铜合金用作工件，并在热处理后继续进行塑性成形时，即使在该塑性成形度较小(例如，约50％)的情况中，也可展现出与塑性成形度较大(例如，约80％)的情况中相同的强度级别。一般而言，成形应变会先被热处理消除并且强度降低，然后强度通过该热处理后的成形而提高。关于织构满足上述特定取向性的铜合金，其强度的提高程度高，即使在以较小的成形度进行成形的情况中，也可获得强度大于或等于热处理之前的强度的铜合金。更具体而言，关于该铜合金，当确定在拉丝或压延之类的塑性成形(冷成形)中间施加的预定热处理之前的成形度与强度的相关性(下文称作成形度-强度相关性(前))、以及该预定热处理之后的成形度与强度的相关性(下文称作成形度-强度相关性(后))时，表示成形度-强度相关性(后)程度的斜率(inclination)大于表示成形度-强度相关性(前)程度的斜率。此外，由于成形度小，因而获得了具有更高导电率的铜合金。本发明基于上述发现。
根据本发明的铜合金为这样的Cu-Fe合金，其含有50质量％以上95质量％以下的Cu、5质量％以上50质量％以下的Fe，并且余量由脱氧剂元素和不可避免的杂质构成。在对本发明的铜合金的截面进行X射线衍射时，其织构的ICu(111)为0.70以上1.0以下且IFe(110)为0.90以上1.0以下。上述ICu(111)规定为Cu的<111>取向的衍射峰与Cu的全部衍射线的强度的强度比，并且IFe(110)规定为Fe的<110>取向的衍射峰与Fe的全部衍射线的强度的强度比。
在本发明的铜合金的织构中，Cu和Fe均满足所述特定取向性，因此具有高强度和优异的导电率，其拉伸强度满足为700MPa以上，并且导电率满足为50％IACS以上。
作为本发明的一种形态，可列举的有上述ICu(111)为0.75以上的形态，或者上述ICu(111)为0.90以上的形态。
在其中上述衍射峰强度比ICu(111)较大的上述形态中，强度更为优异。例如，在一些情况中，ICu(111)≥0.75的本发明铜合金的拉伸强度满足为750MPa以上且导电率满足为50％IACS以上，并且在一些情况中，ICu(111)≥0.90的本发明铜合金的拉伸强度满足为900MPa以上且导电率满足为50％IACS以上。
作为本发明的一种形态，可列举其中所述铜合金的拉伸强度为900MPa以上并且导电率为50％IACS以上的形态。
在上述形态中，显示出了高导电率，并且强度更为优异。
基于塑性成形的不同，本发明的铜合金呈现出多种形态。例如，在进行拉制(拉丝)作为塑性成形的情况中，可制得由本发明的铜合金形成的线棒(本发明的铜合金线)。本发明的铜合金线具有高强度和高导电率，因此可有利地用作(例如)接触弹簧的工件。该接触弹簧由高强度工件(织构满足上述特定取向性的线棒)形成，因此可长期保持预定弹簧载荷，此外，应力不易于松弛。本发明的有益效果
根据本发明的铜合金和铜合金线具有高强度和优异的导电率。
具体实施方式
下面将更详细地说明本发明。在此方面，在下面的阐述中，所有“组成”的含量均为“质量比例”。
[铜合金]
(组成)
根据本发明的铜合金为二元合金，其中，基质为Cu，主要添加元素为Fe，Cu含量限定为50％以上95％以下，Fe含量限定为5％以上50％以下。由于Cu含量为50％以上，因此导电率高，由于Fe含量为5％以上，因此强度高。Cu含量升高，因而导电率高；Fe含量升高，因而强度高。更优选的是，Fe含量为5％以上30％以下，并特别优选为10％以上20％以下。
在根据本发明的铜合金中，将除Cu和Fe以外的余物限定为脱氧剂元素和不可避免的杂质。脱氧剂元素的例子包括Mn、Al、Si和P。脱氧剂元素为制造中添加的脱氧剂的残余物。不可避免的杂质的例子包括制造中所使用的制造设备(坩埚、模具、压延辊等)的构成成分以及润滑剂。
(织构)
根据本发明的铜合金具有这样的织构，其中Cu和Fe均具有特定取向。具体而言，Cu沿<111>取向，并且Fe沿<110>取向。此外，Cu满足上述的衍射峰强度比ICu(111)为0.70以上，Fe满足上述的衍射峰强度比IFe(110)为0.90以上。对于Cu和Fe这二者，随着取向性提高(上述衍射峰强度比变大)，强度趋于增加，优选的是，ICu(111)为0.75以上，更优选为0.85以上，尤其为0.90以上；并且IFe(110)优选为0.92以上，更优选为0.95以上，尤其为0.98以上。ICu(111)和IFe(110)主要取决于成形度，随着成形度升高，ICu(111)和IFe(110)趋于变大。然而，在对织构满足ICu(111)≥0.70且IFe(110)≥0.90的工件进行热处理并进一步进行塑性成形的情况中，经过小成形度(例如，约50％)的成形的铜合金的ICu(111)和IFe(110)与经过大成形度(例如，约80％)的成形的铜合金的ICu(111)和IFe(110)处于相同级别。
在此方面，通过获取本发明铜合金的截面并对该截面进行X射线衍射，从而检测衍射峰。在本发明的铜合金为线棒或板材的情况中，对与成形方向(拉制方向、压延方向等，通常为长度方向)正交的截面(横截面)进行X射线衍射。
(形态)
本发明的铜合金根据塑性成形类型的不同而呈不同的形态。典型的例子包括：进行拉制的情况中的线棒(在本发明中为铜合金线)；进行压延情况中的板材、带材(相对较长)、条带(相对较长)、和箔(厚度相对较小)。
取决于拉丝模或拉丝辊的形状，线棒可具有多种截面形状，通常列举的有圆形截面(圆线)和矩形截面(扁线)。此外，还可列举具有椭圆形截面、多边形截面等的异形线棒等。
板材被切割至预定形状，因此在平面图中观察时，其具有各种形状。一般而言，切割前的形状为矩形。
(尺寸)
上述线棒的直径(截面积)以及上述板材的厚度·宽度和长度不太重要。可选择成形度，或者可进行切割至预定长度，从而确保预定尺寸(直径、厚度等)符合用途，该尺寸不太重要。例如，可以列举直径为0.1mm以上1.2mm以下的具有圆形截面的圆线，以及厚度为0.1mm以上0.5mm以下的片材或带材。
(长度)
根据本发明的铜合金由上述特定织构形成，并且具有满足为700MPa以上的高拉伸强度。随着拉伸强度升高，可获得特别的效果。例如，可进行小型化·轻量化，可提高弹簧载荷，易于维持大的弹簧载荷，应力松弛性能优异，并且不易发生断裂。因此，优选的是，拉伸强度为750MPa以上，更优选为800MPa以上，尤其优选为900MPa以上。一般而言，拉伸强度取决于取向性，随着Cu和Fe这二者的取向性(强度比ICu(111)和IFe(110))的升高，拉伸强度趋于变大。
根据本发明的铜合金具有满足为50％IACS以上的高导电率。可根据组成和成形度的不同列举其中导电率为55％IACS以上或60％IACS以上的形态。
[制造方法]
通常可通过熔融→铸造→冷成形(适当的热处理)来制备本发明的铜合金。冷成形的例子包括通过利用拉丝模或拉丝辊进行拉制(拉丝)；以及通过使用压延辊进行压延。可通过考虑直至由进行冷成形而获得最终尺寸时的总成形度(在拉制情况中，成形度＝面积的减少率；在压延情况中，成形度＝压下率)，从而适当选取进行冷成形的工件尺寸。
优选的是，在冷成形之前、或者在冷成形过程中进行热处理。将冷成形之前或冷成形过程中的热处理限定为时效处理，其中Fe被有利地分离，并且恢复了韧性和导电率。此外，成形过程中的热处理可除去合金中过度引入的成形应力。关于该热处理条件，可列举加热温度为300℃以上500℃以下，保持时间为1分钟以上3小时以下(根据形状而适当选择)。如果该热处理的加热温度低于300℃，则Fe分离不充分，此外，无法充分除去上述成形应力。如果上述加热温度高于500℃，则会大量形成氧化铜，会发生变色，此外，在成形中会发生缺陷性变形，并且制品的导电率易于下降。具体而言，优选当达到最终尺寸时进行热处理，即，将该热处理后的塑性成形限定为最终成形，并且以降低该最终成形的成形度的方式进行该热处理。由于该最终成形的成形度较小，因此易于提高导电率。优选的是，这样选取实施上述热处理的时机，以使得最终成形的成形度为约60％以上80％以下。
下面将参照试验例对本发明的铜合金进行说明。在下述所有试验中，对由Cu-Fe合金制得的工件进行热处理，随后进行塑性成形，由此制得了塑性成形材料。对于所得的塑性成形材料，测量Cu和Fe的取向性、拉伸强度(MPa)以及导电率(％IACS)。
[试验例1]
在试验例1中，改变塑性成形的成形度，并制得具有不同最终线径的铜合金。
如此制备原料，从而获得了具有表I中所示组成的Cu-Fe合金，进行熔融和铸造，并对所得铸造材料进行冷压延，由此制得直径为5.0mm的压延线棒作为工件。在铸造中，使用了Mn作为脱氧剂。对所制得的工件进行热处理450℃×3小时，由此使通过在该热处理之前进行的塑性成形(此处为冷压延)引入的成形应力变为零(成形度为0％)。
利用拉丝模，以表I所示的成形度(面积减少率，％)对经过上述热处理的工件进行拉制，由此以不同的成形度制得了多种线棒。
获取所得各样品的线棒中与拉制方向垂直的截面(横截面)，并通过X射线衍射XRD检测主要成分Cu和Fe的取向性。测量条件如下所述。
所用装置：SmartLab-2D-PILATUS(Rigaku Corporation)
所用X射线：Cu-Kα
激励条件：45kV、200mA
所用准直器：φ0.3mm
测量方法：θ-2θ法
在该试验中，对样品进行X射线衍射，其中将横截面中心附近的中心部分指定为测量面。测定测量面中Cu的全部衍射线的强度ICutotal以及Cu的<111>取向的衍射峰ICu(111)peek，并确定<111>取向的衍射峰ICu(111)peek与全部衍射线的强度ICutotal的强度比ICu(111)peek/ICutotal＝ICu(111)。此外，测定测量面中Fe的全部衍射线的强度IFetotal以及Fe的<110>取向的衍射峰IFe(110)peek，并确定<111>取向的衍射峰IFe(110)peek与全部衍射线的强度IFetotal的强度比IFe(110)peek/IFetotal＝IFe(110)。表I示出了各样品的上述中心部分中的ICu(111)和IFe(110)。在此方面中，在样品的线径较大的情况下，在上述横截面中，可将样品表面附近(表面距中心约50μm处的位置)的衍射峰和上述中心部分的衍射峰的平均值用作ICu(111)和IFe(110)。在样品为细线棒的情况中，如本发明实施例中那样，如上所述，通过将中心部分指定为测量面从而容易地进行测量。
基于JIS Z2241(2011)的规定测量所得各样品的线棒的拉伸强度，并且由通过四探针法测得的电阻来计算导电率。其结果示于表I中。
[表I]
从表I中可清楚地看出，织构满足ICu(111)为0.70以上且IFe(110)为0.90以上的的铜合金具有高强度，并且还具有高导电率，具体而言，其拉伸强度为700MPa以上，导电率为50％IACS以上。此外，可明显看出，随着ICu(111)和IFe(110)的增加，强度随之升高。在该试验中，当ICu(111)≥0.75时，拉伸强度为750MPa以上；当ICu(111)≥0.85时，拉伸强度为800MPa以上；当ICu(111)≥0.90时，拉伸强度为900MPa以上。此外，可明显看出，随着Fe含量增加，强度较高，并且随着Cu含量增加，导电率较高。因此，可确定的是，织构中含有一定量的Fe、并且满足ICu(111)≥0.70且IFe(110)≥0.90的铜合金兼具高强度和高导电率。
[试验例2]
在试验例2中，在塑性成形过程中适当地进行热处理，并制得具有相同的最终线径的铜合金。
具体而言，对试验例1中制得的工件(直径φ5.0mm)进行热处理(450℃×3小时)，随后按照试验例1的方式进行拉制。在拉制过程中，当达到表II中所示的“热处理线径(mm)”时，进行热处理450℃×10分钟。接下来，继续进行拉制，由此制得具有表II中所示的最终线径(mm)的线棒。按照与试验例1相同的方式检测所得各样品的线棒的取向性(ICu(111)、IFe(110))、拉伸强度(MPa)、和导电率(％IACS)。其结果示于表II中。
[表II]
从表II中可清楚看出，在冷成形过程中也进行了热处理的情况中，织构满足ICu(111)为0.70以上且IFe(110)为0.90以上的铜合金具有高强度，并且还具有高导电率，具体而言，其拉伸强度为700MPa以上，导电率为50％IACS以上。此外，在该试验中，将组成相同而成形度较低的情况(此处，成形度为50％的情况)与成形度较高的情况(此处，成形度为80％的情况)进行对比，由此可清楚看出，ICu(111)和IFe(110)处于相同的水平，并且拉伸强度处于相同水平。
因此，可认为对于具有一定取向性的织构(此处，为Cu的<111>取向和Fe的<110>取向已预先取向的织构)，即使在塑性成形过程中进行热处理时，其取向性也不会显著崩塌。即，可认为该试验结果支持如下观点：在作为二元合金的Cu-Fe合金中，一旦形成了具有特定取向性的织构，则该取向性可通过随后的塑性成形而增强，并且强度提高，此外还可维持高导电率。另外，由该试验结果可清楚看出，即使在于塑性成形过程中进行热处理，并得到成形应变变为零且强度降低的状态，因该热处理后的成形而强度增加的程度仍较大。可认为这支持如下观点：在制造具有相同最终线径的铜合金的情况中，通过在达到最终线径时进行热处理，可降低最终成形度。尽管最终成形度较小，但是强度足够高(在该试验中，所表现出的强度等级与最终成形度较高的情况中的强度等级相同)，并且该成形度较小，因而导电率更高。
[试验例3]
在试验例3中，在塑性成形过程中适当地进行热处理，按照与试验例2相同的方式制得了具有相同最终线径的铜合金。然而，在试验例3中，使最终线径小于试验例2中的最终线径，并且改变热处理的实施时机。除上述方面不同之外，按照与试验例2相同的方式由Cu-Fe合金制造线棒，并按照与试验例1相同的方式检测取向性(ICu(111)、IFe(110))、拉伸强度(MPa)、和导电率(％IACS)。其结果示于表III中。
[表III]
由试验例3可清楚地看出，与试验例2一样，在冷成形过程中也进行了热处理的情况中，织构满足ICu(111)为0.70以上且IFe(110)为0.90以上的铜合金具有高强度，并且还具有高导电率。此外，例如，样品3-3中经过上述热处理的工件的成形度大于具有相同组成的试验例1的表I中样品1-4的成形度(样品1-4的最终线径为1.58mm)，并且样品3-3具有更小的线径(热处理线径为1.12mm)，因此，可认为该工件的织构满足ICu(111)为0.70以上且IFe(110)为0.90以上。类似地，当在相同组成之间进行对比时，试验例3中经过上述热处理的工件的成形度大于试验例1的表I中的样品1-5、1-14、1-15、1-24和1-25的成形度，因此可认为试验例3中的工件的织构满足ICu(111)为0.70以上且IFe(110)为0.90以上。此外，可清楚地看出，可利用具有这种特定织构的铜合金作为工件，并进一步进行热处理和塑性成形，从而进一步提高取向性。具体而言，如表III中所示，可清楚地看出织构满足ICu(111)为0.90以上且IFe(110)为0.98以上，并且拉伸强度为900MPa以上，并且导电率为50％IACS以上。因此，可清楚地看出可通过使织构满足上述特定取向性从而进一步提高强度。
[有益效果]
如上述试验结果所示，织构中Cu和Fe均满足特定取向性的铜合金兼具高强度和高导电率。具体而言，该铜合金的拉伸强度为700MPa以上，此外，其导电率为50％IACS以上。因此，在将该铜合金用于期望具有高强度以及高导电率的应用(例如，接触弹簧)的情况中，可长期获得预定弹簧载荷，并且应力不易松弛，因此可期望实现充分的传导。此外，在制造具有上述特定织构的铜合金中，在冷成形过程中进行了热处理，具体而言，是在达到最终线径时进行了热处理，由此可进一步提高导电率，同时展现出了与在冷成形上游进行热处理的情况中的强度等级相同的高强度。
在此方面，本发明并不局限于上述实施方案，可在不脱离本发明宗旨的范围内加入适当的变形。例如，可改变组成(Fe含量)、热处理条件(实施时机、温度、时间等)、塑性成形(冷成形)度、以及铜合金的形态(压延板等)。
工业适用性
本发明的铜合金可有利地用于(例如)蓄电池、发电机和车载部件等各种电气·电子装置与电线间、以及电线之间的电连接的部件(连接器凹部(female portions)、连接器接点部、端子接头、接触弹簧、开关、插座、继电器等)的工件，以及其他要求具有高强度和高导电率的导电性部件的工件。根据本发明的铜合金线可有利地用作(例如)压缩弹簧和斜圈弹簧之类的接触弹簧的工件。

Claims (5)

1.一种铜合金，包含：
50质量％以上95质量％以下的Cu、5质量％以上50质量％以下的Fe的组成、余量由脱氧剂元素和不可避免的杂质构成；并且
ICu(111)为0.70以上1.0以下且IFe(110)为0.90以上1.0以下的织构，
其中，ICu(111)表示在对截面进行X射线衍射时，Cu的<111>取向的衍射峰与Cu的全部衍射线的强度的强度比，并且
IFe(110)表示Fe的<110>取向的衍射峰与Fe的全部衍射线的强度的强度比。
2.根据权利要求1所述的铜合金，其中所述ICu(111)为0.75以上。
3.根据权利要求1或2所述的铜合金，其中所述ICu(111)为0.90以上。
4.根据权利要求3所述的铜合金，其中所述铜合金的拉伸强度为900MPa以上，并且所述铜合金的导电率为50％IACS以上。
5.一种铜合金线，其由根据权利要求1至4中任意一项所述的铜合金制得。
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