(57)【要約】【課題】  従来のプレス加工用銅合金では成分組成をプレス打抜き性が改善されるように調整しているので、プレス加工品の最終的な要求特性に対して最適な成分組成から多少なりともずれている。よって、本来の銅基合金の持つ性質を損なうことなく、プレス加工性に優れる素材を提供することが必要である。【解決手段】  （１）組成：酸化物の標準生成自由エネルギーが、常温で−50kJ/mol以下である元素を必須添加元素とし、その含有量が0.1〜5.0mass%であり、残部がCu及び不可避的不純物である。（２）層構造：厚さ0.05〜2.00μmの Cu層を有し、Cu層と銅基合金の界面から内側1μm地点での圧縮残留応力が50N/mm2以下である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物の標準生成自由エネルギーが、常温で−50kJ/mol以下である元素を必須添加元素とし、その含有量が0.1〜5.0mass%であり、残部がCu及び不可避的不純物からなる銅基合金表層に、厚さ0.05〜2.00μmの Cu層を有し、Cu層と銅基合金の界面から内側1μm地点での圧縮残留応力が50N/mm2以下であることを特徴とするプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
【請求項２】
酸化物の標準生成自由エネルギーが、常温で−50kJ/mol以下である元素を必須添加元素とし、その含有量が0.1〜5.0mass%であり、残部がCu及び不可避的不純物からなる銅基合金表層に、厚さ0.05〜2.00μmのCu層を有し、さらに厚さ0.005〜0.10μmのSnめっき層を有したCu下地Snめっき層の表層に、めっき層と銅基合金の界面から内側１μｍ地点での圧縮残留応力が５０N/mm2以下であることを特徴とするプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
【請求項３】
Si:0.1〜1.0mass%と、Ni、並びにCo、Ti及びCrの少なくとも１種とを合計含有量で0.5〜4.0mass%を含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる銅基合金表層に、厚さ0.05〜2.00μmのCu層を有し、母材のCu層と銅基合金の界面から内側1μm地点の圧縮残留応力が50N/mm2以下であることを特徴とするプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
【請求項４】
Si:0.1〜1.0mass%と、Ni、並びにCo、Ti及びCrの少なくとも1種とを合計含有量で0.5〜4.0mass%を含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる銅合金表層に、厚さ0.05〜2.00μmのCu層を有し、さらに厚さ0.005〜0.10μmのSnめっき層を有したCu下地Snめっき層の表層に、めっき層と銅基合金の界面から内側１μｍ地点での圧縮残留応力が５０N/mm2以下であることを特徴とするプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
【請求項５】
前記銅基合金がさらにMg,Mn,Sn,Zn,及びPからなる群から選択された１種又は２種以上を0.001〜1.0mass%さらに含有することを特徴とする請求項３又は４記載のプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
【請求項６】
外層めっき表面の圧延直角方向の表面粗さがRy：0.3〜3.0μm，Rz：0. 3〜3.0μm，Sm：0.01〜0.5mm、かつ（Ry-Rz）／Rz≦１に調整されていることを特徴とする請求項1から5までの何れか1項に記載のプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
【請求項７】
めっき後に母材の再結晶温度以下の温度で熱処理されていることを特徴とする請求項2から６までの何れか1項に記載のプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は精密プレス加工材として使用されるプレス打抜き性に優れた高強度銅合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
小型化多機能化が目覚しい携帯電話端末などの精密機器に使用されるコネクタは、より多くの情報をより正確により高速に伝達する必要がある。その為、コネクタのピン幅及びピン間隔は、益々狭くなってきている。それに使用される素材は、狭いピン幅で安定した接圧を得るために強度の高いものが求められ、過酷な曲げ加工に耐え、更に省エネや放熱性の観点から導電率が高いものが求められている。コネクタ材には従来より銅合金が使用され、前述のニーズに対処すべく強度と曲げ性及び導電率を兼ね備えた銅合金が開発されつつある。具体的には、ベリリウム銅やチタン銅に代表される時効硬化型の銅合金がファインピッチのコネクタに使用されつつある。コネクタは素材をプレス加工することによって製造され、プレス金型にはダイス鋼やハイス鋼などの鉄鋼材料が使用されている。前述の高強度化合金のほとんどが活性元素を含有しており、それらの合金は一般的なコネクタ材であるりん青銅に比べてプレス金型を著しく磨耗する。プレス金型が磨耗してくると、切断面にバリやだれが生じピン自体もねじれて加工形状が悪化してコネクタとして使用できなくなる。よって、プレス加工品の形状が許容限度を超えた場合は、プレス金型を研摩して加工品の寸法精度を維持しなければならない。また、コネクタが小さくなればなるほど、ピン幅とピン間隔が狭くなればなるほど高い寸法精度が要求されるので、即ち小さなバリやピンのねじれも見逃せなくなり、ピン数の増加と相まって、金型を研摩する頻度が一層増えてしまう。加えてプレス加工が精密であればあるほど金型自体のコストが高くつくので、このような分野の合金で、プレス打抜き性を改善することは大変重要な課題であった。
【０００３】
銅合金の合金成分の調整によりプレス打抜き性を改善し、金型工具を長寿命化する技術としては特許文献１〜９があり、銅合金の結晶方位の調整によりプレス金型工具を長寿命化する技術としては特許文献１０がある。
【特許文献１】特開平10-265991号公報
【特許文献２】特開平10-24002号公報
【特許文献３】特開平11-256256号公報
【特許文献４】特開平11-293366号公報
【特許文献５】特開平11-1735号公報
【特許文献６】特開2001-181757号公報
【特許文献７】特開平7-97645号公報
【特許文献８】特開2000-119776号公報
【特許文献９】特開2001-303159号公報
【特許文献１０】特開2001-152303号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術でのプレス加工用銅合金では材料の成分組成をプレス打抜き性が改善されるように調整しているので、プレス加工品の最終的な要求特性に対して最適な成分組成から多少なりともずれている。例えばSのように機械的性質に悪影響を及ぼす元素をあえて加えて剪断加工時に亀裂が伝播し易くしたものは、素材の延性（特に曲げ性）が低下するし、析出硬化型合金などの場合は金型へのダメージを与える硬化元素を低減すると金型は長寿命化はするが当然素材強度は低下する。本発明の目的は本来の銅基合金の持つ性質を損なうことなく、プレス加工性に優れる素材を提供することである。  
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは上記した問題点を解決するため特に強度を向上されるために添加された元素と酸素との親和性の関係から金型磨耗の機構を解明し、本発明を見出した。さらに結晶粒径及び表面の粗さについても究明した。
【０００６】
以下、本発明を詳しく説明する。
銅合金に活性元素を添加して高強度化することが多い。例えば、コルソン合金は、主成分であるSi,Ni,Ti,Co,Cr等を増量させると強度は向上するが、金型も磨耗し易くなる。コルソン合金に特定の微量元素(請求項5)を添加して適切な工程を施し、更に強度を向上させることができる。
Si,Ti,Co,Cr等の酸化物を形成し易い活性元素は、以下図1を参照として説明するようにプレス打抜き性を悪化させる。すなわちこのような活性金属を含有する銅合金の剪断加工において、金型工具が磨耗するのは、側面の先端である(図1参照)。ポンチ１がダイ２に噛みこむ時に材料３がポンチ１とダイ２の間隙に流れ込む状態が生じ、そのとき材料表面は酸化熱を発しながら硬い酸化物粒子が生成し、これとともにポンチ側面に高圧で接触するので、磨耗し易いのである。以下説明する本発明の実施例では、コルソン合金に厚さ0.5μmのCuめっきしたものと、更にその上に薄いSnめっきしたものを、なにもめっきしない比較例と対比して、本発明実施例は著しく金型寿命が伸びることを示した。またこれらの実施例及び比較例では銅合金の内質は変えずに薄い表面処理だけ行なっている。即ち素材強度を向上されるため、活性元素を添加した銅基合金は、金型が磨耗しがちに思えるが、簡単な表面処理のみで高強度材でもプレス加工性を良好にできた。
プレス時に発生する酸化熱も金型を磨耗させる要因と考えられるが、SnはCuよりも鉄鋼表面に対する潤滑性が高く、Cuめっきより更に金型を磨耗し難くする。本発明で規定したSn層は薄いので、適切な熱処理を施すことにより、軟らかい純Sn層がほとんど無い、硬い合金層のみの表面が形成され、更にプレス打抜き性を向上する。すなわち、母材にCuめっきすることにより、優れた固体潤滑が実現し、活性金属を含有する被加工材母材と工具との間に生じ易い凝着摩耗を低減するが、Cuめっきの上に薄いSnめっきをすることにより、その効果が更に大きくなる。
そして適切な表面粗さに調整することにより、潤滑剤使用時には優れた流体潤滑効果も併せて実現され、プレス加工性が一層良好なものとなる。また、圧延直後の残留応力の板厚方向の分布は、図２に示すように表面に圧縮応力が存在する。このような状態では、母材とめっき層との界面は脆弱なものとなり、プレス時にめっきが剥離する場合がある。母材のめっき層界面からの深さ１μｍ地点での圧縮応力が５０N/mm2以上であるとこのような現象が生じてくる。このような母材表層部の圧縮残留応力を除去して、めっき層と母材との界面を安定にするには、母材の圧延後に残留応力除去焼鈍を施してからめっきしてもよいが、めっき後に母材の再結晶温度以下の温度にて熱処理するのが最も効果的である。
規定のプレス加工性の良好な表面粗さ(RzとRyの差異が小さい)を作りこむには、表面粗さを作り込む工程(表面粗さを調整したワークロールでの圧延や酸洗研摩等)の後にめっきをしたほうがよい。
【０００７】
本発明は上記した問題点を解決するために次の電子部品用素材を提供する。
(１)  酸化物の標準生成自由エネルギーが、常温で−50kJ/mol以下である元素を必須添加元素とし、その含有量が0.1〜5.0mass%であり、残部がCu及び不可避的不純物からなる銅基合金表層に、厚さ0.05〜2.00μmの Cu層を有し、Cu層と銅基合金の界面から内側1μm地点での圧縮残留応力が50N/mm2以下であることを特徴とするプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
（２）酸化物の標準生成自由エネルギーが、常温で−50kJ/mol以下である元素を必須添加元素とし、その含有量が0.1〜5.0mass%であり、残部がCu及び不可避的不純物からなる銅基合金表層に、厚さ0.05〜2.00μmのCu層を有し、さらに厚さ0.005〜0.10μmのSnめっき層を有したCu下地Snめっき層の表層に、めっき層と銅基合金の界面からの内側１μｍ地点での圧縮残留応力が５０N/mm2以下であることを特徴とするプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
（３）Si:0.1〜1.0mass%と、Ni、並びにCo、Ti及びCrの少なくとも１種とを合計含有量で0.5〜4.0mass%を含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる銅基合金表層に、厚さ0.05〜2.00μmのCu層を有し、母材のCu層と銅基合金の界面から内側1μm地点の圧縮残留応力が50N/mm2以下であることを特徴とするプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
（４）Si:0.1〜1.0mass%と、Ni、並びにCo、Ti及びCrの少なくとも1種とを合計含有量で0.5〜4.0mass%を含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる銅合金表層に、厚さ0.05〜2.00μmのCu層を有し、さらに厚さ0.005〜0.10μmのSnめっき層を有したCu下地Snめっき層の表層に、めっき層と銅基合金の界面から内側１μｍ地点での圧縮残留応力が５０N/mm2以下であることを特徴とするプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
（５）前記銅基合金がさらにMg,Mn,Sn,Zn,及びPからなる群から選択された１種又は２種以上を0.001〜1.0mass%さらに含有することを特徴とする上記（３）又は（４）記載のプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
（６）外層めっき表面の圧延直角方向の表面粗さがRy：0.3〜3.0μm，Rz：0. 3〜3.0μm，Sm：0.01〜0.5mm、かつ（Ry-Rz）／Rz≦１に調整されていることを特徴とする上記（1）から（5）までの何れかに記載のプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
（７）めっき後に母材の再結晶温度以下の温度で熱処理されていることを特徴とする上記(2)、(4)、（5）、(6)の何れか1項に記載のプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
なお、−50kJ/mol以下は、絶対値が50kJ/mol以上となることを意味する。
【０００８】
本発明の効果について、コルソン合金を例に説明する。コルソン合金は、極めて酸化性の高いSiを必ず含有し、SiとNi若しくはTi,Co又はCrによって形成される析出物によって強化される析出硬化型の合金である。本発明に係る電子部品用素材を製造する基本工程は、溶解・鋳造→熱間圧延→面削→冷間圧延→溶体化→時効→冷間圧延(粗さ調整)→低温焼き鈍し→Cuめっき（→Snめっき）である。コルソン合金は、リードフレームやコネクタ等幅広く使用されており、その用途によって多少工程を変更することがあるが、本発明に係る電子部品用素材を製造するためには、最終の冷間加工の後に熱処理を入れて残留応力を除去することと、めっき前の表面粗さ作り込む工程によりめっき皮膜の所望粗さを得ることが重要である。めっきの後に表面粗さを作りこもうとするとめっき層が荒れて、特に(Ry-Rz)／Rz≦１の条件を実現することは困難である。Cuめっき及びCu下地Snめっきは電気鍍金で行なうので、めっき厚さの調整は電流値で行なうことが可能である。
【０００９】
本発明においてめっきを行う目的は活性金属を含有する母材と金型工具との接触を遮断するために行なうのであるから、プレスにより塑性加工を加えたとき、めっき層は母材と連続的に変形するのが理想である。ところが母材表面の圧縮残留応力が大きい状態でめっきすると、界面からミスフィット転位が林立した状態でめっき層が成長するので、界面は脆弱なものとなり、プレスにより塑性変形させると界面に歪が溜まってクラックが発生し剥離に至る。よって、母材表面の残留応力は除去した状態でめっきをすることが望ましい。
【００１０】
もし、めっき面がサインカーブのように全く均一な凹凸であれば、Ry(最大高さ)＝Rz(十点平均粗さ)となるが、通常の表面は山と谷の深さにはばらつきがあるので、Ｒｙ＞Rzである。逆にこのばらつきがあまりにも大きい場合、金型と接触したときの圧力が山の高い部分にのみ集中して、被加工、めっき面全体で均一な潤滑がなされないので、プレス加工素材の表面としては、RyがRzに近いほうが好ましい。（Ry-Rz）／Rz≦１はRy≦2×Rzとも書ける。即ち、測定長さ中の山と谷の高低差の最大値が山高さ、谷深さにおいて各々最大から５点（合計１０点）の平均値の2倍よりも小さいというのが請求項6の規定である。
【００１１】
本発明は、被加工材の表面を酸素と反応しにくい成分で覆えば、被加工材中の活性成分がプレス加工中に酸化する機会が遮断され、工具が磨耗しにくくなるとの着想の下に、銅合金の被プレス加工面をCuで被覆するものである。酸化物の標準生成自由エネルギーは値がマイナス側に大きいほど酸化しやすい。
【００１２】
銅合金の被プレス加工面に施されるCuめっきの厚さは0.05〜2.00μmの範囲であり、厚さが0.05μm未満ではプレス加工性向上に効果がなく、2.00μmを超えると固体潤滑としての効果は飽和し、単にコスト増になるだけでなく、軟らかいCu層が厚くなる分材料全体の強度が低下する。Cu層は電解めっき、無電解めっき、スパッタリングなどにより母材表面に形成させることができる。
最表面を青銅化させることにより、更に固体潤滑の効果を向上させることができる。したがって、本発明においては、Cu層厚さ0.05〜2.00μm及びSn層厚さ0.005〜0.10μmのCu下地Snめっきを銅合金に施したものを提供する。Sn層は薄いので、めっき後に適切な熱処理を施すことにより軟らかい純Snはほとんどなくなり、青銅化された表面がプレス打抜き性を向上させる。
【００１３】
本発明で導入した(Ry-Rz)/Rz≦１を満たす(RyとRzの差が少ない)素材表面は、凹凸がより平均化されているとので、被加工材と工具とが均一に接触し、より良好な潤滑状態が得られる。
Ry(最大高さ),Rz(十点平均粗さ),Ｓｍ(凹凸の平均間隔)：何れもＪＩS  Ｂ0601で規定されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
第1 Cuめっきのみの実施例及び比較例
実施例と比較例の試験材作成
大気溶解炉で表１の成分のインゴットを溶製し、950℃に加熱後して熱間圧延し板厚10mmの熱延板を得、更に950℃で十分な均質化焼鈍を行なった後水冷し、機械面削加工により酸化スケールを取り除いた後、冷延して板厚0.2mmの冷延板を得た。その後大気中800〜900℃×30〜120sで溶体化処理を行い、酸洗後、400〜500℃×3〜48hの時効処理を行い、冷延して板厚0.15mmで低温焼き鈍しを行い、最後に表2に示すCuめっきを施した。尚、表面粗さは、圧延によっても作りこめるが、実施例では低温焼き鈍し後に酸洗研摩を行い、研摩砥粒のサイズによって粗さの大きさを調整した。均質な粗さを作りこむには、砥粒の粒度分布を適性範囲内に規制する必要があり、市販の砥粒を更に遠心分離機にかけて均等サイズの砥粒ごとに分離することが望ましい。また、低温焼き鈍し焼鈍後に酸洗研摩を行ったことにより、母材表面に加工歪が蓄積されたので、Cuめっき後に熱処理を行い、残留応力除去を行った。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
【表２】
2005213611.tif 000004
【００１７】
評価と発明効果の検証
表1に示す残留応力は、幅5mm,長さ200mmの帯状の板を酸洗により両面のめっき層を取り除いた後、更に母材片面表層1μmを化学腐食により取り除いてそのたわみ量より算出した。
σ:表面からの深さz地点での残留応力  ν:ポアソン比
【００１８】
【数１】
2005213611.tif 000005
【００１９】
h:元厚  z:表層の減肉量  ρ:減肉後の曲率  E:ヤンク゛率
【００２０】
また、Cuめっき厚は蛍光 X 線膜厚計により測定し、表面粗さは触針式の表面粗さ計で測定した。この時測定長は0.8mmとし連続する５箇所の平均値を採用した。また、引張り試験を行って、0.2%耐力を測定し、W曲げ試験を行って最小曲げ半径MBR/tを測定した。その結果を表３に示す。尚、W曲げ試験荷重は5トンとし、試験片の板幅は10mmとし、圧延方向に対して直角方向に採取した。金型磨耗性については、実際に連続プレス機で材料を１０万回〜１００万回打抜き、金型の磨耗状況によって変化する切断部のバリ高さと破断面比率を測定して評価した。ここで、バリ高さとは図1bに示す突起部の高さであり、金型が磨耗するにしたがってバリが高くなってくる。また金型が磨耗するにしたがって、図1(b)に示す剪断面の割合が多くなり、即ち破断面比率h2/(h1+h2)は小さくなる。潤滑剤が無い場合と有る場合の2種類行なった。Cuめっきの効果を見るだけなら、前者のみでよいが、表面粗さの効果を見るために後者も行なった。
尚、他のプレス条件は以下の通りである。金型工具材料：SKD11，クリアランス:10μm，ストローク:400rpm
【００２１】
【表３】
2005213611.tif 000006
【００２２】
【表４】
2005213611.tif 000007
【００２３】
【表５】
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【００２４】
図４に評価に用いた金型セット形状を示す。1辺約5mmの正方形で4つの角の曲率が異なっており、それぞれの曲率半径は、0.05mm,0.1mm,0.2mm,0.3mmである。曲率半径が小さい程、剪断加工時に応力集中が生じるので磨耗し易い。評価としては、曲率半径が小さい程切断面形状がばらついて観察しにくくなる。また、プレス加工後の孔部と抜き落とし部とでは、抜き落とし側の方が観察し易い。以上を考慮し、評価は抜き落とし側の曲率半径が0.1mmの角を観察した。潤滑剤無しの場合は、10万回打ちぬいたときに素材間の差異が顕著となり、潤滑剤有りの場合は100万回打ち抜いたときに素材間の差異が顕著となったので、そのときの値を評価値として採用した（表４，５）。バリ高さはレーザー変位計で測定し、破断面比率は光顕による断面観察で測定した。
【００２５】
発明例と比較例の説明
本発明例において、No.1〜6は請求項1と3を満たしており、強度が高く曲げ性及びプレス加工性も良い。このうちNo.1以外は請求項6をも満たしているので、潤滑剤を使用したときのプレス加工性が更に良くなっている。また、No.2以外は請求項5を満たしており、強度の向上が見られる。
一方比較例において、No.7はSnめっきを施さなかったものでNo.8はSnめっき厚が請求項の規定より厚いものである。発明例に比べてバリが高く破断面比率が低いことから金型の磨耗が進行していると言える。更にNo.9は、Snめっきをせずに内質改善でプレス加工性を良好にしたものであるが、Sを多量に含有しているために延性が低下し、曲げ性が劣っている。No.10,11は母材表層の残留応力が高すぎて、プレス時にめっき層が脆く剥離して良好な固体潤滑が得られず、金型の磨耗の抑制効果が低い。
【００２６】
第２  Cu下地めっき後Snめっきを施した実施例及び比較例
第１の実施例及び比較例と同様の処理及び試験を行なった。但し、めっきは表６に示すようにCu下地めっき後Snめっきを行なった。
【００２７】
【表６】
2005213611.tif 000009
【００２８】
【表７】
2005213611.tif 000010
【００２９】
【表８】
2005213611.tif 000011
【００３０】
【表９】
2005213611.tif 000012
【００３１】
【表１０】
2005213611.tif 000013
【００３２】
本発明例において、No.21〜26は請求項2と4を満たしており、強度が高く曲げ性及びプレス加工性も良い。このうちNo.2以外は請求項6をも満たしているので、潤滑剤を使用したときのプレス加工性が更に良くなっている。また、No.22以外は請求項5を満たしており、強度の向上が見られる。
一方比較例において、No.27はめっきを施さなかったものでNo.28はSnめっき厚が請求項の規定より厚いものである。発明例に比べてハ゛リが高く破断面比率が低いことから金型の磨耗が進行していると言える。更にNo.29は、めっきをせずに内質改善でプレス加工性を良好にしたものであるが、Sを多量に含有しているために延性が低下し、曲げ性が劣っている。No.30,31は母材表層の残留応力が高すぎて、プレス時にめっき層が脆く剥離して良好な固体潤滑が得られず、金型の磨耗の抑制効果が低い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】プレス打抜き加工の概念図である。
【図２】圧延銅合金の残留応力分布の説明図である。
【図３】プレス打抜きにおいて発生するバリの説明図である。
【図４】評価に用いた金型セット形状を示す。
【符号の説明】
【００３４】
１  ポンチ
２  ダイ
【図１】
2005213611.tif 000014
【図２】
2005213611.tif 000015
【図３】
2005213611.tif 000016
【図４】
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