(57)【要約】  本開示は、１〜４．１重量％のＮｉと、０．３〜３．０重量％のＳｉと、０．４〜４．０重量％のＰｂと、０．５重量％以下のＳｎと、０．５重量％以下のＣｒと、０．５重量％以下のＺｎと、０．５重量％以下のＺｒと、０．１重量％以下のＦｅと、０．３重量％以下のＰと、不可避的な不純物とを含み、残余が本質的にＣｕで構成されている、機械加工可能な析出硬化性銅合金に関する。本開示は、さらに、銅合金を含む半製品の銅合金製品を得るための生産方法に関する。前記銅合金製品は、ソケットやピンなどの電気コネクタを製造するために使用可能である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
１〜４．１重量％のＮｉと、０．３〜３．０重量％のＳｉと、０．４〜４．０重量％のＰｂと、０．５重量％以下のＳｎと、０．５重量％以下のＣｒと、０．５重量％以下のＺｎと、０．５重量％以下のＺｒと、０．１重量％以下のＦｅと、０．３重量％以下のＰと、不可避的な不純物とを含み、残りが本質的にＣｕで構成されている、機械加工可能な析出硬化性銅合金。
【請求項２】
前記不可避的な不純物が０．３重量％以下を構成する、請求項１に記載の銅合金。
【請求項３】
０．０５重量％以下のＦｅを含む、請求項１または２に記載の銅合金。
【請求項４】
Ｐｂ含有量が０．５〜３重量％である、請求項１〜３のいずれか一つに記載の銅合金。
【請求項５】
Ｐｂ含有量が０．５〜１重量％である、請求項１〜３のいずれか一つに記載の銅合金。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つに記載の合金を含む半製品の銅合金製品を得るための生産方法であって、
−  前記合金に対して連続ワイヤ鋳造、ビレット鋳造、およびビレットスプレーコンパクティングのうちの一つを実施するステップと、
−  加熱成形ステップと、
−  ８００〜９５０℃の温度で、１０〜３０分間の溶体化熱処理ステップと、
−  溶体化熱処理温度からの焼入れステップと、
−  第一の冷間変形ステップを実施するステップと、
−  ３８０〜６００℃の温度で、１〜５時間、第一の時効ステップを実施するステップと、
を含む方法。
【請求項７】
３８０〜５００℃の温度での第二の時効ステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記銅合金が、約２．５重量％のＮｉと、約０．４重量％のＳｉと、約１．０重量％のＰｂと、不可避的な不純物とを含む、請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
約０．２重量％のＳｎと、約０．１重量％のＣｒと、１重量％以下のＺｎ、Ｚｒ、ＦｅおよびＰのうちの少なくとも一つとをさらに含み、残余が本質的にＣｕで構成されている、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記銅合金が１重量％以下の不純物を含む、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
前記銅合金が、３．５〜４．０重量％のＮｉと、０．７〜１．０重量％のＳｉと、０．８〜１．２重量％のＰｂと１重量％以下の不純物とを含む、請求項６または７に記載の方法。
【請求項１２】
第二の冷間変形ステップと、３６０℃〜４８０℃の温度で１〜５時間の第二の時効ステップとをさらに含み、こうして銅合金製品の８５０〜１０５０ＭＰａの機械的強度、および約３０〜４０％ＩＡＣＳの残留電気伝導度を達成する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第二の時効ステップが、３８０℃超の温度で実施される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
請求項６〜１３のいずれか一つに記載の方法により生産される半製品の銅系製品。
【請求項１５】
優れた延性を有し、追加のゾーンアニーリングを必要とせずに圧着可能な、請求項１４に記載の製品。
【請求項１６】
電気コネクタを製造するために使用される、請求項１５に記載の製品。
【請求項１７】
前記電気コネクタにはソケットまたはピンが含まれる、請求項１６に記載の製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ねじ加工された電気部品用に特に使用される、高い機械的耐性および高い冷間成形性を有する硬質バネ接点、電気コネクタなどの分野における応用に特に好適である、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉタイプの機械加工可能な析出硬化性銅合金に関する。本開示はさらに、前記銅合金を含む半製品の銅系製品の生産方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、コネクタ合金の分野では具体的なニーズが増大しており、これは、革新的な銅系合金の商品化と共に、エンドユーザーの新たな期待に応じた正しい技術的解決法をエンドユーザーに対して提供するための、革新的原動力とみなされている。全体的な傾向は、以下の通りである：
−  耐性、信頼性および耐久性に関して完成品の性能を改善すること、
−  部品のサイズを縮小し、接点の重量を削減すること、
−  変形性の改善および優れた伝導度と組合せた高い強度、および
−  生産性を増大させ生産コストを制御するための、未加工半製品の加工パラメータの設定：機械加工性、はんだづけ接点に代わる圧着接点への移行、接点を圧着する前のゾーンアニーリングなどのコストの高い作業を削除すること。
【０００３】
Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉの析出硬化性合金は、中乃至高強度、優れた残留電気伝導度、および熱負荷または機械的負荷の下での部品の疲労に対する優れた挙動を必要とする、さまざまな分野に向けた工業的応用を急速に見い出した。Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金は主として、高温焼入れおよびその後の熱処理により強化され、これにより銅マトリクス内の第二相（δ−Ｎｉ2Ｓｉ）の析出が誘発され、したがって強度が改善される。
【０００４】
通常は、このような合金は、以下のような加工を受ける。すなわち、鋳造（連続または半連続）、熱間および冷間変形、溶体化処理および水焼入れ、冷間加工、そして最後に、達成すべき特性に応じてさまざまな時間にわたる不活性雰囲気下における約４００〜６００℃での時効である。
【０００５】
このような合金は、それらが、たとえばＣｕ−Ｆｅ−Ｐ、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐ、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒなどの他の析出硬化性銅系合金よりも優れた強度および伝導度の組合せを網羅していることから、その傑出した特性によって知られている。強化効果を担う析出は、Ｎｉ2Ｓｉ析出物として同定されてきた。しかしながら、これは機械加工不能であることから、専ら非機械加工部品用に限定されている。
【０００６】
銅合金の化学組成中へのＰｂの付加により、コネクタピンおよびソケットなどの精密ねじ加工部品の製造に好適である機械加工特性は著しく改善される。鉛は、銅マトリクス中に細かく均質な分散粒子として存在する。鉛粒子は、潤滑剤としての役割と同時にチップブレーカーとしての役割も果たし、したがって表面上の薄いチップの形成および除去を容易にし、清浄な機械加工済み表面品質を保証する。Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐ−ＰｂおよびＣｕ−Ｐｂ−Ｐなどの快削性銅は、その機械加工性能で広く評判である。
【０００７】
本出願人による米国特許第００８９８１６号明細書に記載の合金などの、銅−ニッケル−スズ族の機械加工可能な有鉛スピノーダル合金のような一定数の合金は、耐性および機械加工性に関して、機械加工可能なベリリウム銅合金と競合できる。このような合金の特に電気および電子部品の部門についての弱点は、低い電気伝導度にある。この点に関して、一部のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金は、組成中の導電性銅の量が比較的大きいこと、および構造中の析出の可能性を理由として、興味深い特性を提供する。これらのＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金のいずれも、今日までのところ、自動旋盤上で機械加工可能な形では市場に提供されたことがなく、このためコネクタ業界におけるその使用には制限がある。
【０００８】
市場に提供される半製品は、エンドユーザーが、はんだづけ端子接続よりも好まれる圧着端子接続を実施するように設計されなければならない。このことはすなわち、機械加工された部品の大部分が、一定数の旋削および／またはドリル加工作業の後、溶体化加熱温度まで局所的に加熱されて圧着前に管を充分に軟化させる必要があることをまさに意味している。伸びは著しく増大され、硬度は低減され、降伏強度は、塑性変形に対応し最良の電気接点を保証するのに充分低いものである。それでも、このような作業は、部品の非常に小さい部域の熱処理を残りの部分に対する影響なく行う必要があることから、薄い部品のほとんどについて、常に細心の注意を要するものである。
【０００９】
Ｃｕ中のＮｉの完全な可溶性は、異なるレベルにおける強度のみならず弾性係数および耐腐食性をも強化する固溶体に起因して増大する。
【００１０】
製造プロセスは、ピーク時効状態を達成するためにさらなる時効処理ステップを含み、このステップは、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金の高い性能特性、すなわちピーク時効に対応する高い機械的強度および優れた電気伝導度を導く。この条件は、高い応力に対する応答性を有する主として針状Ｎｉ2Ｓｉ析出物で構成された異なる性質の析出物の微細分布、バネ特性および優れた成形性を促進する。最高の部品設計を提供するためには、再結晶に起因する軟化と時効中の強化との間の時効条件の定義づけにおける優れた妥協点を発見しなければならない。ケイ素は強度、耐摩耗性および耐腐食性を増大させる。
【００１１】
析出硬化性銅合金においては、強度の増大は通常、延性および伝導性を犠牲にして得られる。鋳造、溶体化熱処理および時効熱処理を含めた半製品の製造プロセス中の機械的強度および電気伝導度の予想される変動を精密に調査することを通して、機械加工されたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ族が、主としてコネクタ製造の分野におけるさまざまな応用分野を網羅することのできる多機能材料のように思われる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｐｂ系に基づく機械加工可能な合金の新しい世代を提供することにある。特殊な熱機械処理および最適化された合金組成のため、これらの合金は、高い冷間変形性をとどめ、生産性に関しエンドユーザーにとっては主要な要因である優れた機械加工性能を提供する一方で、機械的特性を達成する。
【００１３】
本発明は、電気接点などの、機械加工されかつ／または冷間圧造された精密部品の製造向けのＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｐｂ系の革新的半製品群の技術的開発および工業化に関する。この製品群は、主として０．２ｍｍ〜２００ｍｍの直径を有するロッドおよびワイヤの生産を対象としたものであるが、同様に、正方形および六角形の断面を含む０．０５ｋｇ／ｍから１００ｋｇ／ｍまでの形材にも関係すると考えられる。製品は、連続的または半連続的ビレットおよびワイヤ鋳造によって得られる。この合金族のビレットの製造のためには、噴霧鋳造技術も同様に使用可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この点に関して、本開示は、主として電気および電子コネクタのために使用される機械加工されかつ／または冷間圧造された部品の製造向けの革新的な半製品銅系製品群の技術的開発および工業化に関する。高度に調整され習熟された化学組成、および最高の製造プロセスの組合せを用いることにより、革新的な析出硬化性銅合金族は、その機械加工能力のため、未来の産業のために非常に興味深い潜在性を示すものである。Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｐｂ系に基づくこの新世代の機械加工可能な合金に対しては、優れた熱および電気伝導度と組合せた優れた冷間変形性、高い強度などの興味深い特性に最終的に到達するために、特定の製造プロセスを行わなければならないと考えられる。工業化向けの半製品群は、０．２ｍｍ〜２００ｍｍの直径を有するワイヤおよびロッド、ならびに正方形および六角形の断面を含む０．０５ｋｇ／ｍ〜１００ｋｇ／ｍの形材の生産に関係する。
【００１５】
本開示は、高い強度および高い電気および熱伝導度ならびに優れた冷間成形性を必要とする電気接点の分野における機械加工された精密部品製造に好適である、機械加工可能でかつ／または冷間圧造可能なＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｐｂ合金に関する。この合金タイプは、析出硬化処理により強化される。一実施形態において、機械加工可能な析出硬化性銅合金は、
Ｎｉ：１〜４．１重量％
Ｓｉ：０．３〜３．０重量％
Ｐｂ：０．４〜４．０重量％
Ｚｎ：≦０．５重量％
Ｓｎ：≦０．５重量％
Ｃｒ：≦０．５重量％
Ｚｒ：≦０．５重量％
Ｆｅ：≦０．０５重量％
Ｐ：≦０．３重量％
不可避的な不純物
Ｃｕ：残余
を含むことができ、ここで不可避的な不純物は、０．３重量％以下であり得る。一変形形態においては、銅合金は、０．１重量％以下のＦｅを含む。さらなる変形形態においては、Ｐｂ含有量は、０．５〜３重量％である。
【００１６】
さらに、銅マトリクス内で異なる第二の粒子を析出する可能性により、機械加工可能な銅合金は、優れた残留冷間成形性による、機械加工、スタンピング、曲げ加工、圧着に好適な広範囲の達成可能な加工特性を示す。制御された形で組成を調整することにより、自動旋盤での良好な機械加工性および高い伝導度と組合わされた、より高い機械的特性との優れた妥協点を提供することが可能になる。
【００１７】
一実施形態において、半製品の銅合金製品は、
−  前記合金に対して連続ワイヤ鋳造、ビレット鋳造、およびビレットスプレーコンパクティングのうちの１つを実施するステップと、
−  加熱成形ステップと、
−  ８００〜９５０℃の温度で、１０〜３０分間の溶体化熱処理ステップと、
−  溶体化熱処理温度からの焼入れステップと、
−  冷間変形ステップと、
−  ３８０〜６００℃の温度で１〜５時間の時効ステップと、
を含む好適な生産方法と、機械加工可能な銅合金を組合せることによって得ることができる。
【００１８】
上述の方法によって得られる銅合金製品は、最低でも６５０ＭＰａまたは５５０ＭＰａの高い強度と組合された、高い冷間成形性、最低約８％の伸長を示すことができる。銅合金製品は同様に、１０００ＭＰａ超の非常に高い強度を示すこともできる。銅合金製品はさらに、（最高の強度に対して）少なくとも３０％ＩＡＣＳの電気伝導度を有することができる。このような電気伝導度は、電気部品メーカーの期待に完全に対応している。銅合金製品は、ねじ加工された電気製品に特に使用される、高い機械的耐性および高い冷間成形性を有する硬質バネ接点、電気コネクタなどの分野における応用に、特に好適である。高い応力緩和耐性と組合された充分な延性を伴う、高い機械加工性能および高い強度は、銅合金製品に革新的な潜在的可能性を付与している。
【００１９】
第一の変形形態において、機械加工可能な銅合金は、約２．５重量％のＮｉ、約０．４重量％のＳｉ、約１．０重量％のＰｂを含み、残余は本質的にＣｕで構成することができる。第一の変形形態に係る銅合金を生産方法と組合せることにより得た銅合金製品は、高い耐性および優れた電気伝導度と組合された高レベルの残留延性を示し、こうして、ゾーンアニーリングの必要なく、圧着接続を機能させることができるようにする。
【００２０】
市場は、毒性化合物に関する環境および財産関連の新しい法律を考慮しながら、機械加工可能な製品を導入することにより発展を遂げたが、その一方で高い強度と組合された優れた伝導度が求められている。第二の変形形態において、機械加工可能な銅合金は、約３．５〜４．０重量％のＮｉ、約０．７〜１．０重量％のＳｉ、約０．８〜１．２重量％のＰｂを含み、残余は本質的にＣｕで構成されている。第二の変形形態に係る銅合金と生産方法とを組合せることにより得た銅合金製品は、高い強度と高い電気伝導度を有し、興味深い特性を示す高強度銅合金に対する一つの技術的解決法であるように思われる。
【００２１】
一実施形態において、第二の変形形態に係る銅合金（本来、０．８重量％超のＳｉと組合された３重量％超のＮｉを含む）を生産方法と組合せて、銅合金製品の強度が、最低３０％ＩＡＣＳの電気伝導度で、１０００ＭＰａに達することができるようにする。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
一実施形態によると、機械加工可能な析出硬化性銅合金は、
１〜４．１重量％のＮｉと、
０．３〜３．０重量％のＳｉと、
０．４〜４．０重量％のＰｂと、
０．５重量％以下のＳｎと、
０．５重量％以下のＣｒと、
０．５重量％以下のＺｎと、
０．５重量％以下のＺｒと、
０．１重量％以下のＦｅと、
０．３重量％以下のＰと、
０．３重量％以下の他の不純物と、
を含み、残余はＣｕである。
【００２３】
銅合金は、組成中に適正に制御された量の鉛を含み、これは、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金の銅マトリクス中に分散した不溶性鉛粒子として出現する。鉛の添加は、半製品部品の機械加工性能に対してプラスの効果を有する。結果は、容易に除去可能な小さいチップの構築、工具摩耗の削減および切削応力の低減である。
【００２４】
添加されるＰｂの量は、エンドユーザーが行う最終的加工によって左右される。機械加工作業には、１％以上の平均的Ｐｂ量が必要とされる。冷間圧造作業単独の場合、高レベルの冷間変形中に所要の潤滑剤効果を期待するには、好ましくは０．４〜１％の範囲内の低いＰｂ量で充分である。
【００２５】
一実施形態において、開示されている銅合金を含む半製品の銅合金製品の生産方法は、
−  前記合金に対して連続ワイヤ鋳造、ビレット鋳造、およびビレットスプレーコンパクティングのうちの一つを実施するステップと、
−  加熱成形ステップと、
−  ８００〜９５０℃の温度で、１０〜３０分間の溶体化熱処理ステップと、
−  溶体化処理温度からの焼入れステップと、
−  第一の冷間変形ステップを実施するステップと、
−  ３８０〜６００℃の温度で１〜５時間、第一の時効ステップを実施して機械的および物理的特性を達成するステップと、
を含む。
【００２６】
銅合金製品は、第一の時効の持続時間、および第一の時効ステップ以前の冷間変形ステップに応じて、１〜２０％の延性を有する。ネッキング前の伸びそして特に均一の冷間変形能は、熱機械処理のさらなる最適化によって達成可能であるかもしれない。前記熱機械処理の最適化は、溶体化熱処理ステップおよび水焼入れステップを実施した後、溶体化状態で５０％超の高い変形レベルで前記第一の冷間変形ステップを実施することを含むことができる。前記熱機械処理の最適化はさらに、例えば粗大析出を回避するために、約５００℃以下の温度で第二の時効ステップを含むことができる。一定温度での第二の時効ステップは、３８０〜５００℃に含まれ得る。熱機械処理の最適化を用いて生産される銅合金製品は、引張試験で６％を超える値を示す、均一の塑性変形を有する。
【００２７】
銅合金製品は、従来の周知のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉを上回る機械加工性性能を有することで精密部品のより高い生産速度を可能にし、これは工具摩耗に対する優れた挙動である。
【実施例１】
【００２８】
一実施形態において、合金製品は、以下のものを含む第一の組成を有する銅合金を含むことができる。
Ｎｉ：約２．５重量％、
Ｓｉ：約０．４重量％、
Ｐｂ：約１．０重量％、
不純物；および、
Ｃｕ：残余。
一変形形態において、銅合金は、１重量％以下の不純物を含む。別の変形形態において、銅合金は約２．５重量％のＮｉと、約０．４重量％のＳｉと、約１．０重量％のＰｂと、約０．２重量％のＳｎと、約０．１重量％のＣｒと、１重量％以下のＺｎ、Ｚｒ、ＦｅおよびＰのうちの少なくとも一つと、不可避的な不純物を含み、残余は本質的にＣｕで構成されており、ここで不可避的な不純物は、１重量％以下の不純物を含むことができる。
【００２９】
第一の変形形態に係る銅合金と生産方法を組合せることで得られる製品は、高い強度、すなわち約６５０Ｎ／ｍｍ2超の強度、約５００Ｎ／ｍｍ2の高い降伏強度、約８％超の破断点伸びＡ５０、および約３５％ＩＡＣＳ超の電気伝導度を有する。
【００３０】
第一の組成を有する銅合金製品の冷間変形能を最適化して、機械加工、冷間圧造、曲げ加工、または大きい冷間変形能を必要とする任意の追加の成形作業のいずれかにより、銅合金製品から製造された接点の圧着能力を促進することができる。ここでは、追加のゾーンアニーリング作業を必要とせずに、銅合金製品から作られた電気接点を圧着することが可能である。その上、１重量％の鉛を含む第一の組成は、機械加工性を容易にし、銅合金製品の生産性を改善する。
【実施例２】
【００３１】
別の実施形態において、銅合金は、以下のものを含む：
Ｎｉ：３．５〜４．０重量％、
Ｓｉ：０．７〜１．０重量％、
Ｐｂ：０．８〜１．２重量％、
不純物合計：１．０重量％以下、および
Ｃｕ：残余。
【００３２】
第二の変形形態に係る銅合金と生産方法を組合せることで得た製品は、施削、ドリル加工、フライス加工などの機械加工作業に好適である、許容誤差が小さい精密部品の製造のための優れた機械加工性を示す、高強度の銅系合金の機械加工可能なバージョンを提供する。
【００３３】
一実施形態において、第二の組成を含む銅合金製品は、第二の冷間変形ステップ、ならびに第二の冷間変形ステップの後に実施される第二の時効ステップをさらに含む生産方法を用いて得ることができる。第二の時効ステップは、約３６０℃〜４８０℃の温度で１〜５時間、実施可能である。第二の冷間変形ステップは、第一の時効処理の後、最大２０％までのさまざまな冷間変形レベルを含むことができる。結果として得られる銅合金製品は、８５０〜１０５０ＭＰａの機械的強度、約１〜５％に制限された伸び、そして約３０〜４０％ＩＡＣＳの電気伝導度を有する。これらの値は、さらなる溶体化熱処理ステップの温度および持続時間に大きく左右される。
【００３４】
別の実施形態において、強度と電気伝導度の間の最適な妥協点は、第二の時効ステップを１〜２時間の短時間実施することによって得ることができ、ここで第二の冷間変形ステップは、少なくとも１５％の塑性変形で実施される。第二の時効ステップは、３８０℃より高い温度で実施可能である。二つの時効ステップは、銅合金中の転位密度を増大させ、針状ＮｉＳｉ析出物の飽和微細析出構造を提供する。例えば、約１０２０ＭＰａの引張強度および約３６％ＩＡＣＳの伝導度は、第二の組成を含む合金製品が、二つの冷間変形ステップおよび二つの時効ステップに付された時に達成可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３５】
【特許文献１】米国特許第００８９８１６号明細書
【国際調査報告】
2015531829.tif 000002
2015531829.tif 000003
2015531829.tif 000004
2015531829.tif 000005
2015531829.tif 000006