(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎを２５〜４０質量％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる合金素材であって、圧延直角方向の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０７〜０．１３μｍかつ最大高さ（Ｒｙ）が１．３μｍ以下である油持ちの良好な表面粗さを有し、素材表面の酸化皮膜厚さが３〜８０ｎｍでかつ酸化皮膜中のＣｕ以外の合金元素の酸化物が１０原子％以上であることを特徴とするプレス金型摩耗の少ないコネクター用銅合金素材。
【請求項２】
Ｓｎを３〜１１質量％およびＰを０．０３〜０．３５質量％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる合金素材であって、圧延直角方向の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０７μｍ〜０．１４μｍかつ最大高さ（Ｒｙ）が１．４μｍ以下である油持ちの良好な表面粗さを有し、素材表面の酸化皮膜厚さが３ｎｍ〜８０ｎｍでかつ酸化皮膜中のＣｕ以外の合金元素の酸化物が１０原子％以上であることを特徴とするプレス金型摩耗の少ないコネクター用銅合金素材。
【請求項３】
Ｎｉを１．５〜４．０質量％、Ｓｉを０．３０〜１．２質量％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる合金素材であって、圧延直角方向の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０５〜０．１５μｍかつ最大高さ（Ｒｙ）が１．５μｍ以下である油持ちの良好な表面粗さを有する、素材表面の酸化皮膜厚さが３〜８０ｎｍでかつ酸化皮膜中のＣｕ以外の合金元素の酸化物が１０原子％以上であることを特徴とするプレス金型摩耗の少ないコネクター用銅合金素材。
【請求項４】
上記合金にさらにＭｇを０．０５〜０．２０質量％含有することを特徴とする請求項３に記載のプレス金型摩耗の少ないコネクター用銅合金素材。
【請求項５】
Ｔｉを０．５〜５質量％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる合金素材であって、圧延直角方向の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．１０〜０．１８μｍかつ最大高さ（Ｒｙ）が２．０μｍ以下である油持ちの良好な表面粗さを有し、素材表面の酸化皮膜厚さが３〜８０ｎｍかつ酸化皮膜中のＣｕ以外の合金元素の酸化物が１０原子％以上であることを特徴とするプレス金型摩耗の少ないコネクター用銅合金素材。
【請求項６】
濡れ張力（表面張力）が３０ｍＮ／ｍ以上である請求項１から請求項５に記載のプレス金型摩耗の少ないコネクター用銅合金素材。
【請求項７】
請求項１〜５の組成を持つコネクター用銅合金素材において上記油持ちの良好な表面粗さが機械的表面処理によって得られることを特徴とする製造方法。
【請求項８】
機械的表面処理を表面研磨により実施することを特徴とする請求項７の製造方法。
【請求項９】
プレス加工の直前に機械的な表面研磨を実施することを特徴とする請求項８の製造方法。
【請求項１０】
機械的表面処理を圧延により実施することを特徴とする請求項７の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレス金型摩耗の少ない銅合金素材およびその製造方法に関するものであり、特には電子部品たとえば端子やコネクター等の各種電子部品を製造する際のプレス加工において、油もち性の良好な表面粗さを有することにより金型の摩耗を抑制しかつ使用寿命を向上させる銅合金およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、端子やコネクター等の電子部品には機械的強度および導電性、さらには半田付け性やめっき性等の観点から銅合金が用いられ、近年においてはりん青銅や黄銅等に代表される固溶強化型銅合金に代わり時効硬化型の銅合金の使用量が増加しており、素材はさらに高強度化へ移行する傾向にある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高強度材が用いられる程プレス加工における金型の負荷は大きくなり、しかも近年プレス時に使用される油も低粘度で脱脂しやすいものが用いられる傾向にあり、金型への負荷は更に厳しくなっているため、金型使用寿命の延命化が望まれている。
本発明は上述した問題解決のために、高強度材および低粘度プレス油への対応可能な、金型摩耗の少ない電子材料用銅合金を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上述の課題に対処すべく検討を行った結果、素材表面の圧延直角方向の表面粗さ、酸化皮膜の厚さと組成、素材表面の表面張力を制御することによって金型摩耗を低減できる技術を見出した。
すなわち、
（１）Ｚｎを２５〜４０質量％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる合金素材であって、圧延直角方向の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０７〜０．１３μｍかつ最大高さ（Ｒｙ）が１．３μｍ以下である油持ちの良好な表面粗さを有し、素材表面の酸化皮膜厚さが３〜８０ｎｍでかつ酸化皮膜中のＣｕ以外の合金元素の酸化物が１０原子％以上であることを特徴とするプレス金型摩耗の少ないコネクター用銅合金素材。
【０００５】
（２）Ｓｎを３〜１１質量％およびＰを０．０３〜０．３５質量％含有し、  残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる合金素材であって、圧延直角方向の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０７〜０．１４μｍかつ最大高さ（Ｒｙ）が１．４μｍ以下である油持ちの良好な表面粗さを有し、素材表面の酸化皮膜厚さが３〜８０ｎｍでかつ酸化皮膜中のＣｕ以外の合金元素の酸化物が１０原子％以上であることを特徴とするプレス金型摩耗の少ないコネクター用銅合金素材。
【０００６】
（３）Ｎｉを１．５〜４．０質量％、Ｓｉを０．３０〜１．２質量％、および必要に応じてＭｇを０．０５〜０．２０質量％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる合金素材であって、圧延直角方向の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０５〜０．１５μｍかつ最大高さ（Ｒｙ）が１．５μｍ以下である油持ちの良好な表面粗さを有し、素材表面の酸化皮膜厚さが３〜８０ｎｍでかつ酸化皮膜中のＣｕ以外の合金元素の酸化物が１０原子％以上であることを特徴とするプレス金型摩耗の少ないコネクター用銅合金素材。
【０００７】
（４）Ｔｉを０．５〜５質量％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる合金素材であって、圧延直角方向の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．１０〜０．１８μｍかつ最大高さ（Ｒｙ）が２．０μｍ以下である油持ちの良好な表面粗さを有し、素材表面の酸化皮膜厚さが３〜８０ｎｍかつ酸化皮膜中のＣｕ以外の合金元素の酸化物が１０原子％以上であることを特徴とするプレス金型摩耗の少ないコネクター用銅合金素材。
【０００８】
上記（１）〜（４）の銅合金には、強度向上等を目的として、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｚｒ等を総量で０．００１〜１．５質量％添加することも可能である。
【０００９】
（５）濡れ張力（表面張力）が３０ｍＮ／ｍ以上である（１）から（４）に記載のプレス金型摩耗の少ないコネクター用銅合金素材。
【００１０】
（６）（１）〜（４）の組成を持つコネクター用銅合金素材において上記の油持ちの良好な表面粗さが機械的表面処理によって得られることを特徴とする製造方法。
（７）機械的表面処理を表面研磨により実施することを特徴とする（６）の製造方法。
（８）プレス加工の直前に機械的な表面研磨を実施することを特徴とする（７）の製造方法。
（９）機械的表面処理を圧延により実施することを特徴とする（６）の製造方法。
よってプレス時の油持ちが良好になり、金型摩耗を低減できることが判明した。
【００１１】
用語の説明。
ここで、「算術平均粗さ（Ｒａ）」とは、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線の方向にＸ軸を、縦倍率の方向にＹ軸を取り、粗さ曲線をＹ＝ｆ（Ｘ）で表したときに、（１）式によって求められる値をμｍで表したものをいう。
【００１２】
【数１】
0003619516.tif 000002
【００１３】
また、「最大高さ（Ｒｙ）」とは、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の山頂線と谷底線の間隔を粗さ曲線の縦倍率の方向に測定し、この値をマイクロメートル（μｍ）で表したものをいう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に限定理由を説明する。
（１）表面粗さ
素材プレス時に、プレス油の皮膜の介在が不十分であると、金型摩耗の進行が早くなる。上記現象を抑制するには、素材表面にある程度の凹凸を作り込めば凹部にプレス油が入り、油持ちがよくなる。そこで、粗さのパラメータ、詳しくはＲａおよびＲｙで規定する必要がある。本発明の電子部品用素材のＲａを上述のように限定した理由は、これより小さいと金型摩耗の低減効果は認められず、これより大きいと金型摩耗の低減効果は飽和し、かつ素材の凹凸を作り込む圧延あるいは研磨の際に金属粉が発生して素材表面に付着し、これが金型摩耗を引き起こすからである。Ｒｙを上述のように限定した理由は、これより大きくなるとプレスによる曲げ加工時に素材の凹凸を起点に曲げ割れを生じ易くなるからである。
【００１５】
また、ＲａおよびＲｙを品種毎に限定した理由は、素材の強度が高くなるに従い粗さをより高くすると金型摩耗低減の効果が大きいことと、析出強化型合金（コルソン、チタン銅系）は固溶強化型合金（黄銅、りん青銅系）に比べ粗さを高く設定した方が同様の効果が得られるためである。よって、請求項１の組成を持つ素材については算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０７〜０．１３μｍかつ最大高さ（Ｒｙ）が１．３μｍ以下、請求項２の組成を持つ素材については算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０７〜０．１４μｍかつ最大高さ（Ｒｙ）が１．４μｍ以下、請求項３の組成を持つ素材については算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０５〜０．１５μｍかつ最大高さ（Ｒｙ）が１．５μｍ以下、請求項４の組成を持つ素材については算術平均粗さ（Ｒａ）が０．１０〜０．１８μｍかつ最大高さ（Ｒｙ）が２．０μｍ以下と限定した。
【００１６】
これらの表面粗さは機械的表面処理によって得られる。１つは圧延工程における圧延ロールの粗さを調整することによって、もう１つは圧延後の表面を機械研磨することによって得ることができる。
【００１７】
（２）酸化皮膜厚さ、酸化皮膜の組成
素材表面の酸化皮膜厚さが３ｎｍ未満だとプレス時に金型と接触した際の凝着による金型摩耗が生じ易くなり、８０ｎｍを超えるとプレス油の濡れ性が悪くなり金型摩耗が生じ易くなる。酸化皮膜中のＣｕ以外の合金元素の酸化物が１０原子％を下回るとＣｕＯ濃度が高くなり、プレス油の濡れ性が悪くなり金型摩耗が生じ易くなる。素材表面の酸化皮膜厚さ、組成の調整は、素材を製造工程における焼鈍工程の焼鈍雰囲気によってコントロールすることができる。また、酸化皮膜厚さについては酸洗工程のある場合にはその条件（酸洗の条件、水洗、乾燥の条件）においてもコントロールが可能である。
【００１８】
（３）濡れ張力
濡れ張力が３０ｍＮ／ｍ未満だとプレス油の濡れ性が悪くなり金型摩耗が生じ易くなる。濡れ張力については、表面粗さ、酸化皮膜厚さ、組成の調整を行うことによって得られるので、圧延工程、焼鈍工程、酸洗工程において各々の条件をコントロールする必要がある。
【００１９】
【実施例】
次に、本発明の効果を実施例により更に具体的に説明する．まず、電気銅あるいは無酸素銅を原料とし、必要により他の添加元素とともに真空溶解炉中に所定量投入したあと、溶湯温度１２５０℃で出湯し表１に示す成分組成のインゴットを得た。
【００２０】
【表１】
0003619516.tif 000003
【００２１】
次に、これらのインゴットを９５０℃の温度での熱間圧延を行うことにより厚さ１０ｍｍの板にした．その後、表層の酸化層を機械研磨により除去し、冷間圧延により５ｍｍの板とした後、固溶強化型銅合金の場合は第１回目の再結晶焼鈍を、時効析出型銅合金の場合は溶体化処理を行った。その後更に冷間圧延を行い、中間板厚１．５ｍｍの板を得た後、この板厚において２回目の再結晶焼鈍または溶体化処理を行った。焼鈍雰囲気を調整して酸化皮膜の異なるものを作成した。その後最終冷間圧延により厚さ０．１５ｍｍの板を作成し、固溶強化型銅合金についてはその状態のまま各種の粗さを有する研磨剤およびＳｉＣを含有させたバフで機械的に表面研磨を行い、時効析出型銅合金の場合は強度が最も高くなるような温度条件でＡｒ等非酸化性雰囲気にて時効処理を行った後、各種の粗さを有する研磨剤およびＳｉＣを含有させたバフで機械的に表面研磨を行った。また、これとは別に、ほぼ同一の条件で２回目の再結晶焼鈍又は溶体化処理を行った後、最終圧延時にロール研削における砥石の粒度を調整した各種の粗さを有する圧延ロールを用いて圧延し、時効析出型銅合金の場合は、Ａｒ等の非酸化性雰囲気にて時効処理を行い、表面粗さの異なる材料を評価した。
【００２２】
酸化皮膜の測定については、ＧＤＳ（グロー放電発光分光分析装置）を用い、酸素の深さ方向プロフィールが表層からの低下で２％を下回った深さを酸化皮膜の厚みとして求めた。
また、酸化皮膜の組成の測定については、ＧＤＳを用い、酸素の深さプロフィールにおいて表層近傍で最も濃度が高くなる部位における合金元素濃度の総和に対するＣｕを除く合金元素濃度の総和の比により求めた。
濡れ張力の測定は、ＪＩＳ規格「プラスチック−フィルム及びシート−ぬれ張力試験方法。」ＪＩＳ  Ｋ  ６７６８：１９９９の規定に準拠した。
【００２３】
ついで、この得られた各種の銅合金板材について打ち抜き型金型摩耗試験を行った。これは、金型として市販のＣｏ：０．１６％、ＷＣ：残りからなる組成を有するＷＣ基超硬合金製のものを用い、直径３ｍｍｍの円形チップを７０万個打ち抜き、打ち抜き加工開始から２０個の穴径と７０万個の打ち抜き加工終了直前の２０個の平均値から変化量を求めて金型の摩耗量とし、従来銅合金材に相当する組成を有する本発明例の摩耗量を１とし、本発明と同じ合金Ｎｏ．の比較銅合金材の摩耗量を相対値として表し、銅合金板材の打ち抜きに対する摩耗抑制効果を評価した。
【００２４】
（実施例１）
請求項１に記載の合金系に対する発明例、比較例を表２に示す。表２には焼鈍時の酸素濃度、機械研磨におけるバフの粒度、圧延ロールの研削時の砥粒の粒度を付記した。本発明例Ｎｏ．１及びＮｏ．５は濡れ張力に優れ、摩耗抑制効果を得た。表面粗さについて機械研磨で調整したＮｏ．１と圧延ロールの粗さで調整したＮｏ．５について摩耗量の差異は見出されなかった。従って、比較例の摩耗量は、比較例Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４についてはＮｏ．１を１としたときの相対値、比較例Ｎｏ．６〜Ｎｏ．８についてはＮｏ．５を１としたときの相対値で表している。比較例Ｎｏ．２は酸化皮膜が８０ｎｍを超えるため、比較例Ｎｏ．３は酸化皮膜が３ｎｍ未満のため、いずれの場合においても金型の摩耗量が増加した。また、比較例Ｎｏ．４では、酸化皮膜のＣｕＯ以外の濃度が１０原子％以下のため、金型の摩耗量が増加した。
比較例Ｎｏ．６では、Ｒａが０．０７μｍ未満のため、比較例Ｎｏ．７では０．１３μｍを超えるため、金型の摩耗量が増加した。比較例Ｎｏ．８では、Ｒｙが１．３μｍを超えるため、金型の摩耗量が増加した。
【００２５】
【表２】
0003619516.tif 000004
【００２６】
（実施例２）
請求項２に記載の合金系に対する発明例、比較例を表３に示す。本発明例Ｎｏ．９及びＮｏ．１３に対してＮｏ．１０（酸化皮膜の厚さが８０ｎｍを超える場合）、Ｎｏ．１１（酸化皮膜の厚さが３μｍ未満の場合）、ＮＯ．１２（酸化皮膜のＣｕＯ以外の濃度が１０原子％未満の場合）、Ｎｏ．１４（Ｒａが０．０７μｍ未満の場合）、Ｎｏ．１５（Ｒａが０．１４μｍを超える場合）、Ｎｏ．１６（Ｒｙが１．４μｍを超える場合）が比較例である。
【００２７】
【表３】
0003619516.tif 000005
【００２８】
（実施例３）
請求項３に記載の合金系に対する発明例、比較例を表４に示す。本発明例Ｎｏ．１７及びＮｏ．２１に対してＮｏ．１８（酸化皮膜の厚さが８０ｎｍを超える場合）、Ｎｏ．１９（酸化皮膜の厚さが３ｎｍ未満の場合）、ＮＯ．２０（酸化皮膜のＣｕＯ以外の濃度が１０原子％未満の場合）、Ｎｏ．２２（Ｒａが０．０５μｍ未満の場合）、Ｎｏ．２３（Ｒａが０．１５μｍを超える場合）、Ｎｏ．２４（Ｒｙが１．５μｍを超える場合）が比較例である。
【００２９】
【表４】
0003619516.tif 000006
【００３０】
（実施例４）
請求項４に記載の合金系に対する発明例、比較例を表５に示す。本発明例Ｎｏ．２５及びＮｏ．２９に対してＮｏ．２６（酸化皮膜の厚さが８０ｎｍを超える場合）、Ｎｏ．２７（酸化皮膜の厚さが３ｎｍ未満の場合）、ＮＯ．２８（酸化皮膜のＣｕＯ以外の濃度が１０原子％未満の場合）、Ｎｏ．３０（Ｒａが０．１０μｍ未満の場合）、Ｎｏ．３１（Ｒａが０．１８μｍを超える場合）、Ｎｏ．３２（Ｒｙが２．０μｍを超える場合）が比較例である。
【００３１】
【表５】
0003619516.tif 000007
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明の銅合金素材は、金型摩耗を著しく抑制することができる。従って、電子部品等の加工に対して、より高強度な材料をを用いる場合や低粘度プレス油を用いる場合においても対応が可能である。