专利名称：用于电子和电机械和工具的零部件的铜合金材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于电子和电机械和工具的零部件的铜合金材料，特别涉及用于电子和电机械和工具的零部件的铜合金材料，其具有优异的弯曲性和应力松弛性，并可充分满足电子和电机械和工具的零部件如终端、连接器、开关和继电器微型化的要求。
背景技术：
迄今，把具有优异的耐热性的铜合金如Cu-Zn合金、Cu-Fe合金、和Cu-Sn合金用于电子和电机械和工具的零部件。尽管便宜的Cu-Zn合金常用于如汽车中，但Cu-Zn合金、Cu-Fe合金和Cu-Sn合金目前已不能满足汽车的要求，这是因为近年来迫求要求终端、连接器尺寸更小，且大多数用于发动机室中的恶劣的条件(高温和腐蚀环境)。
随着操作条件的变化，要求终端、连接器材料严格的性能。尽管用于这些应用领域的铜合金要求具有各种性能，如应力松弛性、机械强度、导热性、弯曲性、耐热性、与Sn镀层可靠的连接性、和抗迁移性，但特别重要的性能包括机械强度、应力松弛性、导热和导电性和弯曲性。
设计各种终端的结构来确保该零部件微型化有关的在弹簧部件处的连接强度。结果，更严格要求该材料具有优异的弯曲性能，这是因为在常规的Cu-Ni-Si合金中的弯曲部分常观察到裂缝。还要求该材料具有优良的应力松弛性能，常规Cu-Ni-Si合金不能长时间使用，这是由于材料上增加的应力负荷和工作环境的高温。
当合金材料用于汽车连接器时必然改善了弯曲性能。虽然尝试用各种方法来改善弯曲性能，但难以改善弯曲性能同时保持机械强度和弹性。
导电性和应力松弛也保持平衡，这是因为当材料的热性能和导电性能差时由于自动加热加速了应力松弛。
另一方面，还提出了下列要求，电镀用于电子和电机械和工具的零部件的铜合金材料的电镀相容性的改善、和电镀后电镀板的耐变质性(统称为电镀性能)。
镀Cu通常用于材料上作为底层，接着在其表面上镀Sn，当铜基材料用于上述汽车连接器如盒型连接器时用来改善其可靠性。当材料表面的不均匀性大于镀层的厚度时，镀层从凸状部分脱落，从而不能均匀电镀。另外，材料和电镀层之间的界面增加，容易引起Cu和Sn相互扩散，从而由于形成空隙和Cu-Sn化合物电镀层容易剥离。因此，材料表面应尽可能光滑。
尽管Au通常镀在电子和电应用(如移动终端装置和个人电脑)的终端或连接器中Ni底层电镀中，由于材料表面的不均匀也引起了上述的镀层的退化如镀层的剥离，甚至当表面是由Au镀层组成的且底层是由Ni镀层构成的也如此。
因此，需要一种能满足上述电镀性能和各性上述性能的铜合金。
通过下列描述并结合附图，本发明的另外和其它性能和优点将变得更清楚。
附图简介
图1是测定本发明限定的每一种晶粒直径和晶粒形状的示意图。
发明内容
根椐本发明有以下内容(1)用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，包括1.0-3.0％重量Ni、0.2-0.7％重量Si、0.01-0.2％重量Mg、0.05-1.5％重量Sn、0.2-1.5％重量Zn、和小于0.005％重量(包括0％重量)S，其余量是Cu和不可避免的杂质，其中晶粒直径大于0.001mm至0.025mm；平行于最终塑性处理方向上的剖面上的晶粒的较长直径a，与垂直于最终塑性处理方向上的剖面上的晶粒的较长直径b的比(a/b)，为1.5或更小。
(2)用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，包括1.0-3.0％重量Ni、0.2-0.7％重量Si、0.01-0.2％重量Mg、0.05-1.5％重量Sn、0.2-1.5％重量Zn、和总量为0.005-2.0％重量的选自Ag、Co和Cr的至少一种元素(条件是Cr含量为0.2％重量或更低)、和小于0.005％重量(包括0％重量)S，其余量是Cu和不可避免的杂质，其中晶粒直径大于0.001mm至0.025mm；平行于最终塑性处理方向上的剖面上的晶粒的较长直径a，与垂直于最终塑性处理方向上的剖面上的晶粒的较长直径b的比(a/b)，为1.5或更小。
(下面，在上面的项(1)或(2)所述的用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料统称为本发明的第一实施方案。)(3)用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，包括1.0-3.0％重量Ni、0.2-0.7％重量Si、0.01-0.2％重量Mg、0.05-1.5％重量Sn、0.2-1.5％重量Zn、和小于0.005％重量(包括0％重量)S，其余量是Cu和不可避免的杂质，其中最终塑性处理后的表面粗糙度Ra大于0μm并小于0.1μm，或表面粗糙度R最大大于0μm并小于2.0μm。
(4)用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，包括1.0-3.0％重量Ni、0.2-0.7％重量Si、0.01-0.2％重量Mg、0.05-1.5％重量Sn、0.2-1.5％重量Zn、和总量为0.005-2.0％重量的选自Ag、Co和Cr的至少一种元素(条件是Cr含量为0.2％重量或更低)、和小于0.005％重量(包括0％重量)S，其余量是Cu和不可避免的杂质，其中最终塑性处理后的表面粗糙度Ra大于0μm并小于0.1μm，或表面粗糙度R最大大于0μm并小于2.0μm。
(下面，在上面的项(3)或(4)所述的用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料统称为本发明的第二实施方案。项(3)或(4)的更优选实施方案包括下列内容。)(5)根椐项(3)或项(4)的用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，其中用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料镀有Sn或Sn合金。
(6)根椐项(3)或项(4)的用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，其中用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料是镀有Sn或Sn合金，并进行软熔处理。
(7)根椐项(3)或项(4)的用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，其中用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料是镀有Cu或Cu合金作为底层，且在其上镀有Sn或Sn合金。
(8)根椐项(3)或项(4)的用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，其中用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料是镀有Cu或Cu合金作为底层，且在其上镀有Sn或Sn合金，并进行软熔处理。
(9)根椐项(3)或项(4)的用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，其中用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料是镀有Ni或Ni合金作为底层，且在其上镀有Au或Au合金。
除非另有说明，本发明包括第一和第二实施方案。
本发明优选的用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料的例子包括下列内容。
(10)用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，包括1.0-3.0％重量Ni、0.2-0.7％重量Si、0.01-0.2％重量Mg、0.05-1.5％重量Sn、0.2-1.5％重量Zn、和小于0.005％重量(包括0％重量)S，其余量是Cu和不可避免的杂质，其中晶粒直径大于0.001mm至0.025mm；平行于最终塑性处理方向上的剖面上的晶粒的较长直径a，与垂直于最终塑性处理方向上的剖面上的晶粒的较长直径b的比(a/b)，为1.5或更小；和最终塑性处理后的表面粗糙度Ra大于0μm并小于0.1μm，或表面粗糙度R最大大于0μm并小于2.0μm。
(11)用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，包括1.0-3.0％重量Ni、0.2-0.7％重量Si、0.01-0.2％重量Mg、0.05-1.5％重量Sn、0.2-1.5％重量Zn、和总量为0.005-2.0％重量的选自Ag、Co和Cr的至少一种元素(条件是Cr含量为0.2％重量或更低)、和小于0.005％重量(包括0％重量)S，其余量是Cu和不可避免的杂质，其中晶粒直径大于0.001mm至0.025mm；平行于最终塑性处理方向上的剖面上的晶粒的较长直径a，与垂直于最终塑性处理方向上的剖面上的晶粒的较长直径b的比(a/b)，为1.5或更小；和最终塑性处理后的表面粗糙度Ra大于0μm并小于0.1μm，或表面粗糙度R最大大于0μm并小于2.0μm。
实施本发明的最佳方式下面详述本发明。
首先介绍可用于本发明中的铜合金材料所含的每种组分。
Ni和Si作为本发明合金形成元素作为Ni-Si化合物沉淀在Cu基质中，从而来保持所要求的机械强度，而不损害导热和导电性。
在本发明中把Ni和Si的含量分别限定在1.0-3.0％重量和0.2-0.7％重量范围内。这是因为当Ni或Si的含量其下限时加入这些元素的效果不充分；而当Ni或Si的含量超过其上限时，在铸塑或热加工时对改善机械强度没有益处的大化合物重结晶(沉淀)，从而不仅不能得到由于增加了它们的量而带来的机械强度，而且产生了对热加工性能和弯曲性能不利的问题。
因此，Ni的优选量为1.7-3.0％重量，更优选为2.0-2.8％重量，Si的优选量为0.4-0.7％重量，更优选为0.45-0.6％重量。因为Si与Ni之间的化合物主要包括Ni2Si相，因此最好调节Si和Ni之间的共混比来相应于Ni2Si化合物中它们的比例。通过测定加入Ni的量来确定所加的Si的最佳量。
Mg、Sn和Zn是对本发明的铜合金作贡献的重要合金元素。在合金中的这些元素彼此相关，以达到各种优良性能的很好平衡。
Mg大辐度改善了应力松弛，但对弯曲性能有不利影响。Mg的含量越高，应力松弛改善的程度越大，条件是Mg的含量为0.01％重量或更高。然而，该量限定在0.01-0.2％重量，这是因为当该含量小于0.01％重量时，所得的应力松弛改善效果不明显，而该含量0.2％重量时，得到的弯曲性能降低。
与Mg相关，Sn能更好地改善应力松弛。然而，尽管Sn有改善应力松弛的效果，如在磷青铜中看到的，但其改善效果不如Mg的大。Sn的量控制在0.05-1.5％重量内，这是因为当Sn的含量小于0.05％重量时，不能充分表现出加入Sn的足够效果，而当Sn含量超过1.5％重量时，导电性显著降低。
虽然Zn对应力松弛没有贡献，但它可改善弯曲性能。因此，通过加入Mg可改善弯曲性能的降低。当加入0.2-1.5％重量的Zn时，可达到实际上不成问题程度的弯曲性能，甚至加入最大量0.2％重量的Mg也如此。另外，Zn也改善了加热时Sn镀层或焊板的耐剥离性，以及耐迁移性。Zn的量控制在0.2-1.5％重量内，这是因为当Zn的含量低于0.2％重量时，加入Zn的效果不能充分得到，而当Zn的含量超过1.5％重量时，导电性降低。
在本发明中，Mg的含量优选为0.03-0.2％重量，更优选为0.05-0.15％重量；Sn的含量优选为0.05-1.0％重量，更优选为0.1-0.5％重量；Zn的含量优选为0.2-1.0％重量，更优选为0.4-0.6％重量。
作为杂质元素的S的含量控制为小于0.005％重量，这是因为存在S使热加工性能变差。S的含量特别优选为低于0.002％重量。
在项(2)、(4)或(11)的铜合金材料中，选自Ag、Co和Cr的至少一种元素还可含在项(1)、(3)或(10)的铜合金中。
在上述合金中的这些元素可进一步改善机械强度。这些元素的总量为0.005-2.0％重量、优选为0.005-0.5％重量。把这些元素的总量限定为0.005-2.0％重量，这是因为当低于0.005％重量时，加入这些元素的效果不充分体现。另一方面，当其量超过2.0％重量时，导致合金的高制造成本，同时加入Co和Cr的量超过2.0％重量时，导致在铸塑或热加工时对大化合物重结晶(沉淀)，从而不仅不能得到由于增加了它们的量而带来的机械强度，而且产生了对热加工性能和弯曲性能不利的问题。Ag的量优选为0.3％重量，因为该元素很贵。
Ag也具有改善耐热性和通过防止晶粒变大来改善弯曲性能的效果。
虽然Co也很贵，但它具有与Ni相同或更大的功能。由于通过沉淀Co-Si化合物的硬化能力很高，从而也改善了应力松弛性能。因此，在强调导热和导电性的元件中用Co来代替一部分Ni是有效的。然而，把Co的含量低于2.0％重量，这是因为其很贵。
Cr在Cu中形成细小的沉淀，来对提高机械强度作为贡献。然而在Cr的含量应为0.2％重量或更低，优选应为0.1％或更低，这是因为当加入Cr时，弯曲性能降低。
在本发明中，可以加入其它元素如Fe、Zr、P、Mn、Ti、V、Pb、Bi和Al，例如，其总量为0.01-0.5％重量，其程度为不降低其基本性能如机械强度和导电性。例如，加入不降低导电性的量(0.01-0.5％重量)Mn具有改善热加工性的效果.
在用于本发明中铜合金材料中，除了上述组分外其余的是铜和不可避免的杂质。
虽然用于本发明的铜合金材料可用通常的方法制备，其没有特别限制，该方法包括例如热轧坯料、冷轧、热处理以形成固体溶液、为老化热处理、最终冷轧、和低温退火。铜合金材料也可如下制备在冷轧后，进行热处理来重结晶和形成固体溶液，接着立即淬火。若必要的话，可进行老化处理。
下面介绍本发明的第一实施方案。
在本发明的第一实施方案中，通过使上述铜合金材料中的合金元素如Ni、Si、Mg、Sn和An有适当的量同时抑制S的量为痕量，并通过限定晶粒直径和晶粒形状，特别改善了弯曲性能和应力松弛性能，而没有损坏机械性能如机械强度、导热和导电性、和电镀性。
在本发明的第一实施方案中把晶粒直径限定为大于0.001mm-0.025mm。这是因为当晶粒直径为0.001mm或更小时重结晶结构趋于为混合晶粒结构以降低弯曲性能和应力松弛，而当晶粒直径超过0.025mm时，弯曲性能降低。本文中的晶粒直径是根椐测定晶粒直径的常用方法测定，而不特别限定。
晶粒的形状由(a/b)之比来表示，a/b为平行于最终塑性处理方向上的剖面上的晶粒的较长直径a，与垂直于最终塑性处理方向上的剖面上的晶粒的较长直径b的比。(a/b)之比限定为1.5或更小，这是因为当(a/b)之比超过1.5时，应力松弛降低。当比例(a/b)小于0.8时应力松弛趋于降低。因此，比例(a/b)优选为0.8或更大。较长直径a和较长直径b每一种从20个或更多的晶粒中得到的平均值来确定。
在本发明的第一实施方案中，晶粒直径和晶粒形状可通过调节铜合制备工艺中的热处理条件、轧制还原(rolling reduction)、轧制方向、轧制中背压力(back-tension)、轧制中的润滑条件、和轧制中路径的数目而得以控制。
在一个具体的实施方案中，可按要求控制晶粒直径和晶粒形状，例如通过改变热处理条件(如用于形成固体溶液的热处理和老化热处理中的温度和时间)，或最后冷轧中的低还原。
本发明中所用的最终塑性处理方向指的是当进行最后的塑性处理轧制时轧制的方向，或当最后进行塑性处理的拉伸(线性拉伸)时的拉伸的方向。塑性处理指的是轧制和拉伸，但是如用张力拉平机为了拉平(垂直拉平)的处理不包括在这种塑性处理中。
下面介绍本发明的第二实施方案。
本发明的第二实施方案是上述可用于本发明的用于电子和电机械和工具的零部件的铜合金材料，其中限定表面粗糙度，从而表面变得光滑，改善了镀Sn等的特殊性能。本发明人通过精确限定合金材料的各组分的含量和合金材料的表面粗糙度，已实际得到用于电子和电机械和工具的零部件的优异材料。
因为铜合金材料中的各组分同于第一实施方案，下面介绍限制表面粗糙度的理由。
表面粗糙度是用来表示材料表面状态的一个参数。
在本发明第二实施方案中定义的Ra表示表面粗糙度的数学平均值，并介绍在JIS B 0601中。R最大指粗糙度的最大高度并如Ry介绍在JIS B 0601中。
制造本发明的第二实施方案中的用于电子和电机械和工具的零部件的铜合金材料，使得最终塑性处理后的前述组合物具有如上所述的给定的表面粗糙度Ra或R最大。Ra或R最大例如可通过轧制、研磨等加以调节。
铜合金材料的表面粗糙度可如下方式实际加以调节(1)用具有控制表面粗糙度的辊进行轧制，(2)中间处理和最终处理后用具有控制粗糙度的擦光轮进行研磨，(3)通过改变切割条件在中间处理和最终处理后进行切割，(4)在中间处理和最终处理后进行表面溶解处理，或这些方式的组合。实际实施方案的例子包括用具有不同粗糙度(粗/细)的辊的最终塑性处理作为冷轧、用具有不同计数(count)的擦光机研磨、用具有不同溶解度的溶液进行表面溶解、和用具有不同粗糙度(粗/细)的辊的最终塑性处理作为冷轧和用具有不同溶解度的溶液进行表面溶解的组合。所需的表面粗糙度可用上述任何方法的一种来得到。
优选电镀用于电子和电机械和工具的零部件的铜合金材料。电镀方法不特别限制，可使用任何常用的方法。虽然不特别限制本发明的方法，但优选电镀用于电子和电机械和工具的零部件的铜合金材料，特别优选电镀在项(10)或(11)中的用于电子和电机械和工具的零部件的铜合金材料。
当在本发明用于电子和电机械和工具的零部件的铜合金材料镀Sn时Ra或R最大太大，可出现排斥(收缩、非均匀电镀)。太大的Ra或R最大也可在材料和镀Sn层之间产生大的界面区域，其中材料中的Cu原子和镀层中的Sn原子相互扩散。结果，有可能形成Cu-Sn化合物和孔隙，在保持高温后容易导致镀层的剥离。
另外，当Ra或R最大太大时，用Au电镀本发明的用于电子和电机械和工具的零部件的铜合金材料后，可出现针孔而损坏了耐腐蚀性。因此，通过调节Ra大于0μm并小于0.1μm，或调节R最大大于0μm并小于2.0μm，可改善电镀性能。优选Ra小于0.09μm或R最大小于0.8μm。
优选用Sn或Sn合金电镀本发明用于电子和电机械和工具的零部件的铜合金材料的表面，以防止空气中颜色变化。Sn或Sn合金镀层的厚度优选大于0.1μm并小于10μm或更小。镀层厚度小于0.1μm不能得到充分的电镀效果，而在厚度大于10μm时电镀效果饱和，且电镀成本增加。更优选在Sn镀层下提供Cu或Cu合金镀层来防止镀层的排斥。Cu或Cu合金镀层的优选厚度为1.0μm。可用的Sn合金包括例如，Sn-Pb合金和Sn-Sb-Cu合金，可用的铜合金包括例如Cu-Ag合金和Cu-Cd合金。
还优选软熔(reflow)处理，其可防止晶须并防止出现短路。本文所用的软熔处理指的是热熔处理，通过该处理电镀材料热熔化，接着在冷却后镀层固化。
还优选用Au或Au合金电镀本发明用于电子和电机械和工具的零部件的铜合金材料的表面，以改善电连接如连接器的可靠性。Au或Au合金镀层的厚度优选大于0.01μm并小于0.2μm。更优选在Au镀层下提供Ni或Ni合金镀层来改善插件(plug-in and plug-out)的使用寿命。Ni或Ni合金镀层的优选厚度为2.0μm或更低。可用的Au合金包括例如，Au-Cu合金和Au-Cu-Au合金，可用的Ni合金包括例如Ni-Cu合金和Ni-Fe合金。
本发明优选实施方案的例子还包括前述项(10)或(11)。在这些实施方案中，满足了第二实施方案中限定的表面粗糙度，同时保持了在第一实施方案中限定的晶粒直径和晶粒形状。特别的实施方案包括结合第一和第二实施方案。
本发明用于电子和电机械和工具的零部件的铜合金材料具有优良的机械强度(拉伸强度和弹性)、导电性、应力松弛性、弯曲性。
根椐本发明的上述的第一实施方案，特别改善了弯曲性能和应力松弛性能，同时具有优异的机械性能如机械强度、导热和导电性、和镀锡板的粘合性。
根椐本发明的上述的第二实施方案，该铜合金材料具有优异的电镀相容性(电镀的防排斥性)、当电镀时也可具有其它的效果，如优异的防镀层变坏性(镀层的耐剥离性和耐腐蚀性)。
因此，本发明可合适地满足近年来电器、电子机械和工具的微型化和高性能化的要求。本发明的铜合金优选作为电器、电子机械和工具的端头、连接器和开关、继电器、和其它通用目的导电材料中所用的材料。
实施例根椐下列实施例更详细介绍本发明，但本发明并不限于此。
具体实施方案(实施例A-1)在微波熔化炉中熔化每个具有表1(A-F)所示的本发明定义的组成的铜合金，通过DC法铸塑成厚度为30mm、宽度为100mm、长度为150mm的坯料。然后在900℃下把坯料加热。在该温度下把该坯料保持1小时后，把其冷轧成厚度为12mm的片材，接着快速冷却。然后把热轧板的两端面切下(削角)1.5mm，以除去氧化膜。通过冷轧把得到的片材加工成厚度为0.25-0.50mm。然后在750-850℃的温度下热处理冷轧片材30秒，之后，立即以15℃/秒或更高的速率冷却。一些样品进行轧制，还原(reduction)50％或更低。接着，在惰性气氛下在515℃下老化处理2小时，之后进行冷轧作为最终的塑性处理，来调节厚度成0.25mm。最终塑性处理后，在350℃下把样品进行低温退火2小时，来评估下列性能。
(比较例A-1)以实施例A-1相同的方式制备铜合金片材，除了分别使用表1所示的不在本发明定义的组成内的铜合金(G-O)外。
测试和评估实施例A-1和比较例A-1中制备的每一个铜合金的下列性能(1)晶粒直径，(2)晶粒形状，(3)拉伸强度和伸长率，(4)导电性，(5)弯曲性能能，(6)应力松弛性，(7)板的粘合性。
根椐JISH0501(切割法)在测量的基础上计算晶粒直径(1)。
即如图1所示，把平行于最终片材冷轧方向(最终塑性处理方向)的剖面A、和垂直于最终塑性处理方向上的剖面上的剖面B用作测量晶粒直径的剖面。
关于剖面A，在剖面A上在平行和垂直于最终塑性处理方向的两个方向上测量晶粒直径，在其测量值中，分别把较大的值称为较大直径a，较小的称为较短的直径。关于剖面B，在两个方向上测量晶粒直径，一个方向平行于片材表面的法线方向(normal direction)，另一个方向垂直于片材表面的法线方向，在其测量值中，分别把较大的值称为较大直径b，较小的称为较短的直径。
用放大倍数为1000倍的扫描电镜对铜合金片材的晶体结构进行照像，并在得到的像片上画长度为200mm的线片段，对用(小于)该线片段切下的晶粒数进行计数，根椐下式来测定(晶粒直径)＝{200mm/(n×1000)}。当小于线片段的晶粒数小于20时，晶粒用500倍放大镜照像，对小于200mm长度的线片段切下的晶粒数进行计数，根椐下式来测定(晶粒直径)＝{200mm/(n×500)}。
把两个较大直径和两个较小直径这四个值的平均值化成整数，成为最接近整数并最接近0.005mm的值，来表示晶粒直径，其中两个较大直径和两个较小直径的每一个都是在剖面A和B上得到的。
晶粒形状用值(a/b)来表示，该值通过把剖面A上的较长直径a除以剖面上的较长直径b而得到。
(3)用JIS Z 2201所述的#5测试件，根椐JIS Z 2241来测定拉伸强度和伸长率。
(4)根椐JIS H 0505测定导电率。
(5)通过把每个样品片材进行其中弯曲半径为0.1mm的90℃的弯曲测试来评估弯曲性能，在测试中在弯曲部分没出现裂缝的评为良好(O)，在测试中在弯曲部分出现裂缝的评为差(×)。
(6)用Electronics Materials Manufacturers Association of JapanStandard(EMAS-3003)的一侧保持封闭法来测定应力松弛比(S.R.R.)作为应力松弛性能指数，其中设定应力负荷使得最大表面应力为450N/mm2，并把得到的测试件保持在150℃的恒温室中1000小时。示出0小时测试后的应力松弛比(S.R.R.)。当应力松弛比(S.R.R.)为21％或更小时应力松弛性评为好，当应力松弛比(S.R.R.)大于21％时，应力松弛性评为差。
(7)以下列方式评估板材的粘合性。把每个样品片材的测试件进行光滑锡电焊，厚度为1μm，在大气中在150℃下把得到的测试件加热1000小时，接着180度接触弯曲并弯回。之后，肉眼观察弯曲部分的锡焊接层的粘合状态。把确认为板材无剥离的样品评为粘合性好(○)，而板材剥离的样品评为粘合性差(×)。其结果列于表2。
表1
注其余是Cu和不可避免的杂质。
表2
注由于屈服值太低，在设定样品时出现塑性变形，从而停止试验并不能完成。
从表2所示的结果可明显可知，为本发明实施例的样品1-6每一个在所有的测试项目中都具有优良的性能。
相反，前述的比较例7的样品机械强度差，这是因为Ni和SI的含量在样品8中太小。样品8和9由于Mg的含量小应力松弛性差。样品10由于Mg的含量太大弯曲性能差。样品11由于因为Sn的含量太小而应力松弛差。样品12由于因为Sn的含量太大导电性能差。样品13由于Zn含量太小而板材粘合性差，而样品14由于Cr含量太大而弯曲性能差。样品15不能生产，这是因为在热轧时出现裂缝，这是因为S的含量太大而引起的。
(实施例A-2)在微波熔化炉中熔化每个具有表1(A-D)所示的本发明定义的组成的铜合金，通过DC法铸塑成厚度为30mm、宽度为100mm、长度为150mm的坯料。然后在900℃下把坯料加热。在该温度下把该坯料保持1小时后，把其冷轧成厚度为12mm的片材，接着快速冷却。然后把热轧板的两端面切下(削角)1.5mm，以除去氧化膜。通过冷轧把得到的片材加工成厚度为0.25-0.50mm。然后在750-850℃的温度下热处理冷轧片材30秒，之后，立即以15℃/秒或更高的速率冷却。一些样品进行50％或更低的轧制。接着，在惰性气氛下在515℃下老化处理2小时，之后进行冷轧作为最终的塑性处理，来调节厚度成0.25mm。最终塑性处理后，在350℃下把样品进行低温退火2小时，从而制备铜合金片材。
通过调节铜合制备工艺中的热处理条件、轧制还原(rolling reduction)、轧制方向、轧制中背压力(back-tension)、轧制中的润滑条件、和轧制中路径的数目，来在定义范围内(本发明实施例)和超出本发明定义范围内(比较例)对铜合金片材晶粒直径和晶粒形状作出各种改变。
用实施例A-1中的相同方法测试有关上述制备的铜合金片材中相同项目。其结果列于表3中。
表3
注22，26，29和30号分别用于表1中的1，2，3和4号。
从表3所示的结果可明显可知，为本发明实施例的样品21-30每一个在所有的测试项目中都具有优良的性能。
相反，前述的比较例33和36的样品、以及样品34的弯曲性能差，这是因为33和36样品中晶粒直径太大，而样品34中晶粒直径太小的原因。在样品38中不仅抗弯性且应力松弛性都差，这是因为晶粒直径和表示晶粒形状的指数(a/b)太大。由于指数(a/b)太大，样品31、32、35和37的应力松弛性能也差。由于指数(a/b)特别大，样品32和35的弯由性能特别差。
(实施例B)在微波熔化炉中熔化每个具有表4所示的本发明定义的组成的铜合金，通过DC法铸塑成厚度为30mm、宽度为100mm、长度为150mm的坯料。然后在900℃下把坯料加热。在该温度下把该坯料保持1小时后，把其从30mm热轧成厚度为12mm的片材，接着快速冷却。然后把热轧板的两端面切下(削角)至9mm，以除去氧化膜。通过冷轧把得到的片材加工成厚度为0.27mm。然后在750-850℃的温度下热处理冷轧片材30秒，之后，立即以15℃/秒或更高的速率冷却。以还原比5％进行冷轧制，并进行老化处理。具体地，在惰性气氛下在515℃下老化处理2小时，之后进行冷轧作为最终的塑性处理，来调节厚度成0.25mm。最终塑性处理后，在350℃下把样品进行低温退火2小时以改善其弹性。所得的铜合金片材的表面用防水纸研磨，以改善表面粗糙度，如表5所示。在垂直于轧制方向的方向上，在样品的任意位置处对每4mm间隔长度测定表面粗糙度Ra和R最大，5次测试值的平均值作为Ra和R最大。评估如上所得的用于电子和电机械和工具的零部件的铜合金材料的各种性能。
根椐JIS Z 2241主JIS H 0505分别测定拉伸强度和伸长度，其结果列于表5中。
进行内弯半径为0mm的180度弯曲测试，来两步法评估弯曲性能，出现或没有裂缝，作为评估标准。
用Electronics Materials Manufacturers Association of Japan Standard(EMAS-3003)评估应力松弛性能。在该评估中用JP-A-11-222641(“JP-A”指的是未审查的公开的日本专利申请)中的段 中所述的一侧保持封闭法，其中设定应力负荷使得最大表面应力为450N/mm2，并把得到的测试件保持在150℃的恒温室中。表5中示出1000小时后由应力松弛比(S.R.R.)表示的测试值。当应力松弛比(S.R.R.)为23％或更大时应力松弛性评为差。
除了用于测试的每个样品外，并以下列方式制备镀有Sn或Au的样品并测试电镀性能。
上述样品在厚度为0.2μm的Cu底镀层上镀Sn镀层厚度为1.0μm的Sn。另外，上述样品在厚度为1.0μm的Ni底镀层上镀Au镀层厚度为0.2μm的aU。
用肉眼观察上述制备的镀Sn测试样品的外观，来评估镀层的排斥性。
在镀层剥离测试中，把镀有Sn的试样弯曲180度，在常压下在150℃加热1000小时后，剥离镀层(在镀层加热下的耐剥离性)，如果有，用肉眼确认。
关于耐腐蚀测试，在35℃的温度下把5％NaCl水溶液喷到镀Au样品上96小时，来进行喷盐水测试，出现腐蚀的产品，若有的话，用肉眼判断。
表4
注其余是Cu和不可避免的杂质表5
表5(续)
注由于屈服值太低，在设定样品时出现塑性变形，从而停止试验并不能完成。
从表4和5中可明显看出，比较例中的相同样品中的至少一个性能差，这与本发明实施例中每一个样品的情况相反。例如，比较例151由于Ni和Si的量太小而没有所要的机械强度。样品152和153由于Mg的含量太小而应力松弛性能差。样品154由于Mg的含量太大而弯曲性差。样品155由于Sn的含量太小而应力松弛性能差。样品156由于Sn的含量太大而导电性能差。样品157由于Zn的含量太小而Sn镀层的电镀粘附性能差，而样品158由于Cr的含量太大而弯曲性能差。样品159不能正常生产，这是因为在热轧时出现裂缝，这是因为S的含量太大。样品160由于Zn含量太大而导电性能差。样品161由于Ni含量太大而弯曲性能差。样品162由于Si含量太大而导电性能差。样品163不能正常生产，这是因为在热轧时出现裂缝，这是因为Ni和Si的含量太大。样品164和165由于Ra和R最大值太大而加热下Sn镀层的耐剥离性差。这些样品的Au镀层的耐腐蚀性也差。
相反，可看出相比于比较例的样品，本发明实施例中的每一个样品(101-124)的拉伸强度、伸长率、应力松弛性、机械强度、导电性、弯曲性、应力松弛性和电镀性能都优异。
工业应用性本发明的用于电子和电机械和工具的零部件的铜合金材料特别改善了弯曲性和应力松弛性，同时基本性能如机械性能、导电性、和镀锡层的粘合性也优良。结果，本发明的铜合金材料可充分满足电子和电机械和工具的零部件如终端、连接器、开关和继电器微型化的要求。另外，本发明的用于电子和电机械和工具的零部件的铜合金材料可充分满足所要求的电镀性能。因此，本发明可优选地满足近年来任何类型的电子和电机械和工具的零部件微型化、高性能、高可靠性的要求。
根椐实施方案介绍了本发明，但本发明并不限于这些具体的细节，除非另有说明，本发明的精神和范围在权利要求中加以限定。
权利要求
1.用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，包括1.0-3.0％重量Ni、0.2-0.7％重量Si、0.01-0.2％重量Mg、0.05-1.5％重量Sn、0.2-1.5％重量Zn、和小于0.005％重量(包括0％重量)S，其余量是Cu和不可避免的杂质，其中晶粒直径大于0.001mm至0.025mm；平行于最终塑性处理方向上的剖面上的晶粒的较长直径a，与垂直于最终塑性处理方向上的剖面上的晶粒的较长直径b的比(a/b)，为1.5或更小。
2.用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，包括1.0-3.0％重量Ni、0.2-0.7％重量Si、0.01-0.2％重量Mg、0.05-1.5％重量Sn、0.2-1.5％重量Zn、和总量为0.005-2.0％重量的选自Ag、Co和Cr的至少一种元素(条件是Cr含量为0.2％重量或更低)、和小于0.005％重量(包括0％重量)S，其余量是Cu和不可避免的杂质，其中晶粒直径大于0.001mm至0.025mm；平行于最终塑性处理方向上的剖面上的晶粒的较长直径a，与垂直于最终塑性处理方向上的剖面上的晶粒的较长直径b的比(a/b)，为1.5或更小。
3.用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，包括1.0-3.0％重量Ni、0.2-0.7％重量Si、0.01-0.2％重量Mg、0.05-1.5％重量Sn、0.2-1.5％重量Zn、和小于0.005％重量(包括0％重量)S，其余量是Cu和不可避免的杂质，其中最终塑性处理后的表面粗糙度Ra大于0μm并小于0.1μm，或表面粗糙度R最大大于0μm并小于2.0μm。
4.权利要求3的用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，其中用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料镀有Sn或Sn合金。
5.权利要求3的用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，其中用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料是镀有Sn或Sn合金，并进行软熔处理。
6.权利要求3的用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，其中用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料是镀有Cu或Cu合金作为底层，且在其上镀有Sn或Sn合金。
7.权利要求3的用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，其中用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料是镀有Cu或Cu合金作为底层，且在其上镀有Sn或Sn合金，并进行软熔处理。
8.权利要求3的用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，其中用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料是镀有Ni或Ni合金作为底层，且在其上镀有Au或Au合金。
9.用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，包括1.0-3.0％重量Ni、0.2-0.7％重量Si、0.01-0.2％重量Mg、0.05-1.5％重量Sn、0.2-1.5％重量Zn、和总量为0.005-2.0％重量的选自Ag、Co和Cr的至少一种元素(条件是Cr含量为0.2％重量或更低)、和小于0.005％重量(包括0％重量)S，其余量是Cu和不可避免的杂质，其中最终塑性处理后的表面粗糙度Ra大于0μm并小于0.1μm，或表面粗糙度R最大大于0μm并小于2.0μm。
10.权利要求9的用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，其中用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料镀有Sn或Sn合金。
11.权利要求9的用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，其中用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料是镀有Sn或Sn合金，并进行软熔处理。
12.权利要求9的用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，其中用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料是镀有Cu或Cu合金作为底层，且在其上镀有Sn或Sn合金。
13.权利要求9的用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，其中用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料是镀有Cu或Cu合金作为底层，且在其上镀有Sn或Sn合金，并进行软熔处理。
14.权利要求9的用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料，其中用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料是镀有Ni或Ni合金作为底层，且在其上镀有Au或Au合金。
全文摘要
公开了一种用于电子和电机械装置和工具的零部件的铜合金材料,包括1.0－3.0%重量Ni、0.2－0.7%重量Si、0.01－0.2%重量Mg、0.05－1.5%重量Sn、0.2－1.5%重量Zn、和小于0.005%重量(包括0%重量)S,其余量是Cu和不可避免的杂质,其中该铜合金材料具有:(1)特定的晶粒直径,和平行于或垂直于最终塑性处理方向上的剖面上的晶粒的较长直径之间的特定比例;和/或(2)最终塑性处理特定的表面粗糙度。
文档编号B32B15/20GK1366556SQ01800942
公开日2002年8月28日 申请日期2001年5月24日 优先权日2000年7月25日
发明者宇佐见隆行, 平井崇夫 申请人:古河电气工业株式会社