特許第5903832号(P5903832)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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特許5903832電子機器用銅合金、電子機器用銅合金の製造方法、電子機器用銅合金圧延材及び電子機器用部品
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5903832
(24)【登録日】2016年3月25日
(45)【発行日】2016年4月13日
(54)【発明の名称】電子機器用銅合金、電子機器用銅合金の製造方法、電子機器用銅合金圧延材及び電子機器用部品
(51)【国際特許分類】
   C22C 9/00 20060101AFI20160331BHJP
   C22F 1/08 20060101ALI20160331BHJP
   H01B 1/02 20060101ALI20160331BHJP
   H01B 13/00 20060101ALI20160331BHJP
   H01B 5/02 20060101ALI20160331BHJP
   C22F 1/00 20060101ALN20160331BHJP
【FI】
   C22C9/00
   C22F1/08 B
   H01B1/02 A
   H01B13/00 Z
   H01B5/02 Z
   !C22F1/00 604
   !C22F1/00 623
   !C22F1/00 624
   !C22F1/00 625
   !C22F1/00 630A
   !C22F1/00 630F
   !C22F1/00 630K
   !C22F1/00 650A
   !C22F1/00 661A
   !C22F1/00 682
   !C22F1/00 683
   !C22F1/00 685A
   !C22F1/00 685Z
   !C22F1/00 686Z
   !C22F1/00 691B
   !C22F1/00 691C
   !C22F1/00 692A
   !C22F1/00 692B
   !C22F1/00 694A
   !C22F1/00 694B
【請求項の数】8
【全頁数】19
(21)【出願番号】特願2011-237800(P2011-237800)
(22)【出願日】2011年10月28日
(65)【公開番号】特開2013-95943(P2013-95943A)
(43)【公開日】2013年5月20日
【審査請求日】2014年9月26日
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000006264
【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100064908
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武
(74)【代理人】
【識別番号】100108578
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 詔男
(74)【代理人】
【識別番号】100129403
【弁理士】
【氏名又は名称】増井 裕士
(74)【代理人】
【識別番号】100142424
【弁理士】
【氏名又は名称】細川 文広
(72)【発明者】
【氏名】牧 一誠
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 優樹
【審査官】 相澤 啓祐
(56)【参考文献】
【文献】 特開2011−241412(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C22C 9/00−9/10
C22F 1/08
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
CuとMgの2元系合金からなり、前記2元系合金は、
Mgを、3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含み、残部がCu及び不可避不純物のみからなり、
導電率σ(%IACS)が、Mgの濃度をX原子%としたときに、
σ≦1.7241/(−0.0347×X+0.6569×X+1.7)×100
の範囲内とされ、
応力緩和率が150℃、1000時間で50%以下であることを特徴とする電子機器用銅合金。
【請求項2】
CuとMgの2元系合金からなり、前記2元系合金は、
Mgを、3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含み、残部がCu及び不可避不純物のみからなり、
走査型電子顕微鏡観察において、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数が、1個/μm以下とされ、
応力緩和率が150℃、1000時間で50%以下であることを特徴とする電子機器用銅合金。
【請求項3】
CuとMgの2元系合金からなり、前記2元系合金は、
Mgを、3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含み、残部がCu及び不可避不純物のみからなり、
導電率σ(%IACS)が、Mgの濃度をX原子%としたときに、
σ≦1.7241/(−0.0347×X+0.6569×X+1.7)×100
の範囲内とされており、
走査型電子顕微鏡観察において、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数が、1個/μm以下とされ、
応力緩和率が150℃、1000時間で50%以下であることを特徴とする電子機器用銅合金。
【請求項4】
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の電子機器用銅合金において、
ヤング率が125GPa以下、0.2%耐力σ0.2が400MPa以上とされていることを特徴とする電子機器用銅合金。
【請求項5】
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の電子機器用銅合金を製出する電子機器用銅合金の製造方法であって、
CuとMgの2元系合金からなり、Mgを、3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含み、残部がCu及び不可避不純物のみとされた組成の鋳塊を400℃以上900℃以下にまで加熱する加熱工程と、200℃/min以上の冷却速度で200℃以下の温度にまで冷却する急冷工程と、銅素材を所定の形状に加工する仕上加工工程と、この仕上加工工程の後に200℃超え800℃以下の範囲で熱処理を実施し、その後に、加熱された前記銅素材を200℃/min以上の冷却速度で200℃以下の温度にまで冷却する仕上熱処理工程と、を備えていることを特徴とする電子機器用銅合金の製造方法。
【請求項6】
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の電子機器用銅合金からなり、圧延方向に平行な方向におけるヤング率Eが125GPa以下、圧延方向に平行な方向における0.2%耐力σ0.2が400MPa以上とされていることを特徴とする電子機器用銅合金圧延材。
【請求項7】
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の電子機器用銅合金からなり、
端子、コネクタ、リレー、リードフレーム等の電子機器用部品を構成する銅素材として使用されることを特徴とする電子機器用銅合金圧延材。
【請求項8】
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の電子機器用銅合金からなること特徴とする電子機器用部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、例えば端子、コネクタ、リレー、リードフレーム等の電子機器用部品に適した電子機器用銅合金、電子機器用銅合金の製造方法、電子機器用銅合金圧延材及び電子機器用部品に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、電子機器や電気機器等の小型化にともない、これら電子機器や電気機器等に使用される端子、コネクタ、リレー、リードフレーム等の電子機器用部品の小型化及び薄肉化が図られている。このため、電子機器用部品を構成する材料として、ばね性、強度、導電率の優れた銅合金が要求されている。特に、非特許文献1に記載されているように、端子、コネクタ、リレー、リードフレーム等の電子機器用部品として使用される銅合金としては、耐力が高く、かつ、ヤング率が低いものが望ましい。
【0003】
ここで、端子、コネクタ、リレー、リードフレーム等の電子機器用部品として使用される銅合金として、例えば特許文献1に示すように、SnとPとを含有するリン青銅が広く使用されている。
また、例えば特許文献2には、Cu−Ni−Si系合金(いわゆるコルソン合金)が提供されている。このコルソン合金は、NiSi析出物を分散させる析出硬化型合金であり、比較的高い導電率と強度、耐応力緩和特性を有するものである。このため、自動車用端子や信号系小型端子用途として多用されており、近年、活発に開発が進んでいる。
さらに、その他の合金として、非特許文献2に記載されているCu−Mg合金、や、特許文献3に記載されているCu−Mg−Zn−B合金等が開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平01−107943号公報
【特許文献2】特開平11−036055号公報
【特許文献3】特開平07−018354号公報
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】野村幸矢、「コネクタ用高性能銅合金条の技術動向と当社の開発戦略」、神戸製鋼技報Vol.54No.1(2004)p.2−8
【非特許文献2】掘茂徳、他2名、「Cu−Mg合金における粒界型析出」、伸銅技術研究会誌Vol.19(1980)p.115−124
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献1に記載されたりん青銅においては、高温での応力緩和率が高くなる傾向にある。ここで、オスタブがメスのばね接触部を押し上げて挿入される構造のコネクタにおいては、高温での応力緩和率が高いと、高温環境下での使用中に接圧低下が起こり、通電不良が発生するおそれがある。このため、自動車のエンジンルームの周辺等の高温環境下で使用することができなかった。
【0007】
また、特許文献2に開示されたコルソン合金では、ヤング率が125−135GPaと比較的高い。ここで、オスタブがメスのばね接触部を押し上げて挿入される構造のコネクタにおいては、コネクタを構成する材料のヤング率が高いと、挿入時の接圧変動が激しいうえに、容易に弾性限界を超えて、塑性変形するおそれがあり好ましくない。
【0008】
さらに、非特許文献2及び特許文献3に記載されたCu−Mg系合金では、コルソン合金と同様に金属間化合物を析出させていることから、ヤング率が高い傾向にあり、上述のように、コネクタとして好ましくないものであった。
さらに、母相中に多くの粗大な金属間化合物が分散されていることから、曲げ加工時にこれらの金属間化合物が起点となって割れ等が発生しやすいため、複雑な形状の電子機器用部品を成形することができないといった問題があった。
【0009】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、低ヤング率、高耐力、高導電性、優れた耐応力緩和特性、優れた曲げ加工性を有し、端子、コネクタ、リレー、リードフレーム等の電子機器用部品に適した電子機器用銅合金、電子機器用銅合金の製造方法、電子機器用銅合金圧延材及び電子機器部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
この課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究を行った結果、Cu−Mg合金を溶体化後に急冷することによって作製したCu−Mg過飽和固溶体の加工硬化型銅合金においては、低ヤング率、高耐力、高導電性、および、優れた曲げ加工性を有するとの知見を得た。また、このCu−Mg過飽和固溶体からなる銅合金において、仕上加工後に適切な熱処理を実施することによって、耐応力緩和特性を向上させることが可能であるとの知見を得た。
【0011】
本発明は、かかる知見に基いてなされたものであって、本発明の電子機器用銅合金は、CuとMgの2元系合金からなり、Mgを、3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含み、残部が実質的にCu及び不可避不純物とされ、導電率σ(%IACS)が、Mgの濃度をX原子%としたときに、
σ≦1.7241/(−0.0347×X+0.6569×X+1.7)×100
の範囲内とされ、応力緩和率が150℃、1000時間で50%以下であることを特徴としている。
【0012】
また、本発明の電子機器用銅合金は、CuとMgの2元系合金からなり、Mgを、3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含み、残部が実質的にCu及び不可避不純物とされ、走査型電子顕微鏡観察において、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数が、1個/μm以下とされ、応力緩和率が150℃、1000時間で50%以下であることを特徴としている。
【0013】
さらに、本発明の電子機器用銅合金は、CuとMgの2元系合金からなり、Mgを、3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含み、残部が実質的にCu及び不可避不純物とされ、導電率σ(%IACS)が、Mgの濃度をX原子%としたときに、
σ≦1.7241/(−0.0347×X+0.6569×X+1.7)×100
の範囲内とされており、走査型電子顕微鏡観察において、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数が、1個/μm以下とされ、応力緩和率が150℃、1000時間で50%以下であることを特徴としている。
【0014】
上述の構成とされた電子機器用銅合金においては、Mgを固溶限度以上の3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含有しており、かつ、導電率σが、Mgの含有量をX原子%としたときに、上記式の範囲内に設定されていることから、Mgが母相中に過飽和に固溶したCu−Mg過飽和固溶体とされていることになる。
あるいは、Mgを、固溶限度以上の3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含有しており、かつ、走査型電子顕微鏡観察において、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数が、1個/μm以下とされていることから、CuとMgを主成分とする金属間化合物の析出が抑制されており、Mgが母相中に過飽和に固溶したCu−Mg過飽和固溶体とされていることになる。
【0015】
なお、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数は、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、倍率:5万倍、視野:約4.8μmで10視野の観察を行って算出する。
また、CuとMgを主成分とする金属間化合物の粒径は、金属間化合物の長径(途中で粒界に接しない条件で粒内に最も長く引ける直線の長さ)と短径(長径と直角に交わる方向で、途中で粒界に接しない条件で最も長く引ける直線の長さ)の平均値とする。
【0016】
このようなCu−Mg過飽和固溶体からなる銅合金では、ヤング率が低くなる傾向にあり、例えばオスタブがメスのばね接触部を押し上げて挿入されるコネクタ等に適用しても、挿入時の接圧変動が抑制され、かつ、弾性限界が広いために容易に塑性変形するおそれがない。よって、端子、コネクタ、リレー、リードフレーム等の電子機器用部品に特に適している。
【0017】
また、Mgが過飽和に固溶していることから、母相中には、割れの起点となる粗大なCuとMgを主成分とする金属間化合物が多く分散されておらず、曲げ加工性が向上することになる。よって、複雑な形状の端子、コネクタ、リレー、リードフレーム等の電子機器用部品等を成形することが可能となる。
さらに、Mgを過飽和に固溶させていることから、加工硬化によって強度を向上させることが可能となる。
【0018】
また、本発明の電子機器用銅合金においては、応力緩和率が150℃、1000時間で50%以下とされていることから、高温環境下でも使用した場合であっても接圧低下による通電不良の発生を抑制することができる。よって、エンジンルーム等の高温環境下で使用される電子機器用部品の素材として適用することができる。
【0019】
さらに、上述の電子機器用銅合金においては、ヤング率Eが125GPa以下、0.2%耐力σ0.2が400MPa以上、とされていることが好ましい。
ヤング率Eが125GPa以下、かつ、0.2%耐力σ0.2が400MPa以上である場合には、弾性エネルギー係数(σ0.2/2E)が高くなり、容易に塑性変形しなくなるため、端子、コネクタ、リレー、リードフレーム等の電子機器用部品に特に適している。
【0020】
本発明の電子機器用銅合金の製造方法は、上述の電子機器用銅合金を製出する電子機器用銅合金の製造方法であって、CuとMgの2元系合金からなり、Mgを、3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含み、残部がCu及び不可避不純物のみとされた組成の鋳塊を400℃以上900℃以下にまで加熱する加熱工程と、200℃/min以上の冷却速度で200℃以下の温度にまで冷却する急冷工程と、銅素材を所定の形状に加工する仕上加工工程と、この仕上加工工程の後に200℃超え800℃以下の範囲で熱処理を実施し、その後に、加熱された前記銅素材を200℃/min以上の冷却速度で200℃以下の温度にまで冷却する仕上熱処理工程と、を備えていることを特徴としている。
【0021】
この構成の電子機器用銅合金の製造方法によれば、上述の組成の銅素材を所定の形状に加工する仕上加工工程と、この仕上加工工程の後に熱処理を実施する仕上熱処理工程と、を備えているので、この仕上熱処理工程によって、耐応力緩和特性を向上させることができる。
【0022】
ここで、前記仕上熱処理工程では、200℃超え800℃以下の範囲で熱処理を実施することが好ましい。さらに、加熱された前記銅素材を、200℃/min以上の冷却速度で、200℃以下にまで冷却することが好ましい。
この場合、仕上熱処理工程によって、耐応力緩和特性を向上させることができ、応力緩和率を150℃、1000時間で50%以下とすることができる。
【0023】
本発明の電子機器用銅合金圧延材は、上述の電子機器用銅合金からなり、圧延方向に平行な方向におけるヤング率Eが125GPa以下、圧延方向に平行な方向における0.2%耐力σ0.2が400MPa以上とされていることを特徴としている。
この構成の電子機器用銅合金圧延材によれば、弾性エネルギー係数(σ0.2/2E)が高く、容易に塑性変形しない。
【0024】
また、上述の電子機器用銅合金圧延材は、端子、コネクタ、リレー、リードフレームを構成する銅素材として使用されることが好ましい。
【0025】
さらに、本発明の電子機器用部品は、上述の電子機器用銅合金からなることを特徴としている。
この構成の電子機器用部品(例えば端子、コネクタ、リレー、リードフレーム)は、ヤング率が低く、かつ、耐応力緩和特性に優れているので、高温環境下でおいても使用することができる。
【発明の効果】
【0026】
本発明によれば、低ヤング率、高耐力、高導電性、優れた耐応力緩和特性、優れた曲げ加工性を有し、端子、コネクタやリレー等の電子機器用部品に適した電子機器用銅合金、電子機器用銅合金の製造方法、電子機器用銅合金圧延材及び電子機器用部品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
図1】Cu−Mg系状態図である。
図2】本実施形態である電子機器用銅合金の製造方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下に、本発明の実施形態である電子機器用銅合金について説明する。
本実施形態である電子機器用銅合金は、Mgを、3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含み、残部がCu及び不可避不純物のみからなるCuとMgの2元系合金とされている。
そして、導電率σ(%IACS)が、Mgの含有量をX原子%としたときに、
σ≦1.7241/(−0.0347×X+0.6569×X+1.7)×100
の範囲内とされている。
また、走査型電子顕微鏡観察において、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数が、1個/μm以下とされている。
【0029】
そして、応力緩和率が150℃、1000時間で50%以下とされている。ここで、応力緩和率は、日本伸銅協会技術標準JCBA−T309:2004の片持はりねじ式に準じた方法で応力を負荷して測定した。
また、この電子機器用銅合金は、ヤング率Eが125GPa以下とされ、0.2%耐力σ0.2が400MPa以上とされている。
【0030】
(組成)
Mgは、導電率を大きく低下させることなく、強度を向上させるとともに再結晶温度を上昇させる作用効果を有する元素である。また、Mgを母相中に固溶させることにより、ヤング率が低く抑えられ、かつ、優れた曲げ加工性が得られる。
ここで、Mgの含有量が3.3原子%未満では、その作用効果を奏功せしめることはできない。一方、Mgの含有量が6.9原子%を超えると、溶体化のために熱処理を行った際に、CuとMgを主成分とする金属間化合物が残存してしまい、その後の加工等で割れが発生してしまうおそれがある。
このような理由から、Mgの含有量を、3.3原子%以上6.9原子%以下に設定している。
【0031】
さらに、Mgの含有量が少ないと、強度が十分に向上せず、かつ、ヤング率を十分に低く抑えることができない。また、Mgは活性元素であることから、過剰に添加されることによって、溶解鋳造時に、酸素と反応して生成されたMg酸化物を巻きこむおそれがある。したがって、Mgの含有量を、3.7原子%以上6.3原子%以下の範囲とすることが、さらに好ましい。
【0032】
なお、不可避不純物としては、Sn,Zn,Al,Ni,Cr,Zr,Fe,Co,Ag,Mn,B,P,Ca,Sr,Ba,Sc,Y,希土類元素,Hf,V,Nb,Ta,Mo,W,Re,Ru,Os,Se,Te,Rh,Ir,Pd,Pt,Au,Cd,Ga,In,Li,Si,Ge,As,Sb,Ti,Tl,Pb,Bi,S,O,C,Be,N,H,Hg等が挙げられる。これらの不可避不純物は、総量で0.3質量%以下であることが望ましい。特に、Snは0.1質量%未満、Znは0.01質量%未満とすることが好ましい。これは、Snは0.1質量%以上添加されるとCuとMgを主成分とする金属間化合物の析出が起こりやすくなるためであり、Znは0.01質量%以上添加されると溶解鋳造工程においてヒュームが発生して炉やモールドの部材に付着して鋳塊の表面品質が劣化するとともに、耐応力腐食割れ性が劣化するためである。
【0033】
(導電率σ)
CuとMgの2元系合金において、導電率σが、Mgの含有量をX原子%としたとき、
σ≦1.7241/(−0.0347×X+0.6569×X+1.7)×100
の範囲内である場合には、CuとMgを主成分とする金属間化合物がほとんど存在しないことになる。
すなわち、導電率σが上記式を超える場合には、CuとMgを主成分とする金属間化合物が多量に存在し、サイズも比較的大きいことから、曲げ加工性が大幅に劣化することになる。また、CuとMgを主成分とする金属間化合物が生成し、かつ、Mgの固溶量が少ないことから、ヤング率も上昇してしまうことになる。よって、導電率σが、上記式の範囲内となるように、製造条件を調整することになる。
なお、上述の作用効果を確実に奏功せしめるためには、導電率σ(%IACS)を、
σ≦1.7241/(−0.0300×X+0.6763×X+1.7)×100
の範囲内とすることが好ましい。この場合、CuとMgを主成分とする金属間化合物がより少量であるために、曲げ加工性がさらに向上することになる。
上述の作用効果をさらに確実に奏功せしめるためには、導電率σ(%IACS)を、
σ≦1.7241/(−0.0292×X+0.6797×X+1.7)×100
の範囲内とすることがさらに好ましい。この場合、CuとMgを主成分とする金属間化合物がさらに少量であるために、曲げ加工性がさらに向上することになる。
【0034】
(応力緩和率)
本実施形態である電子機器用銅合金においては、上述のように、応力緩和率が150℃、1000時間で50%以下とされている。
この条件における応力緩和率が低い場合には、高温環境下で使用した場合であっても永久変形を小さく抑えることができ、接圧の低下を抑制することができる。よって、本実施形態である電子機器用銅合金は、自動車のエンジンルーム周りのような高温環境下で使用される端子として適用することが可能となる。
なお、応力緩和率は150℃、1000時間で30%以下とすることが好ましく、150℃、1000時間で20%以下とすることがさらに好ましい。
【0035】
(組織)
本実施形態である電子機器用銅合金においては、走査型電子顕微鏡で観察した結果、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数が、1個/μm以下とされている。すなわち、CuとMgを主成分とする金属間化合物がほとんど析出しておらず、Mgが母相中に固溶しているのである。
ここで、溶体化が不完全であったり、溶体化後にCuとMgを主成分とする金属間化合物が析出することにより、サイズの大きい金属間化合物が多量に存在すると、これらの金属間化合物が割れの起点となり、加工時に割れが発生したり、曲げ加工性が大幅に劣化することになる。また、CuとMgを主成分とする金属間化合物の量が多いと、ヤング率が上昇することになるため、好ましくない。
【0036】
組織を調査した結果、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物が合金中に1個/μm以下の場合、すなわち、CuとMgを主成分とする金属間化合物が存在しないあるいは少量である場合、良好な曲げ加工性、低いヤング率が得られることになる。
さらに、上述の作用効果を確実に奏功せしめるためには、粒径0.05μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の個数が合金中に1個/μm以下であることが、より好ましい。
【0037】
なお、CuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数は、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、倍率:5万倍、視野:約4.8μmで10視野の観察を行い、その平均値を算出する。
また、CuとMgを主成分とする金属間化合物の粒径は、金属間化合物の長径(途中で粒界に接しない条件で粒内に最も長く引ける直線の長さ)と短径(長径と直角に交わる方向で、途中で粒界に接しない条件で最も長く引ける直線の長さ)の平均値とする。
【0038】
(結晶粒径)
結晶粒径は、耐応力緩和特性に大きな影響を与える因子であり、結晶粒径が必要以上に小さい場合には耐応力緩和特性が劣化することになる。また、結晶粒径が必要以上に大きい場合には曲げ加工性に悪影響を与えることになる。このため、平均結晶粒径は1μm以上100μm以下の範囲内とすることが好ましい。なお、平均結晶粒径は2μm以上50μm以下の範囲内とすることがより好ましく、さらに5μm以上30μm以下の範囲内とすることが好ましい。
なお、後述する仕上加工工程S06の加工率が高い場合には、加工組織となって結晶粒径を測定できなくなることがある。そこで、仕上加工工程S06の前(中間熱処理工程S05後)の段階での平均結晶粒径について、上述の範囲内とすることが好ましい。
【0039】
次に、このような構成とされた本実施形態である電子機器用銅合金の製造方法について、図2に示すフロー図を参照して説明する。
なお、下記の製造方法において、加工工程として圧延を用いる場合、加工率は圧延率に相当する。
(溶解・鋳造工程S01)
まず、銅原料を溶解して得られた銅溶湯に、前述の元素を添加して成分調整を行い、銅合金溶湯を製出する。なお、Mgの添加には、Mg単体やCu−Mg母合金等を用いることができる。また、Mgを含む原料を銅原料とともに溶解してもよい。また、本合金のリサイクル材及びスクラップ材を用いてもよい。
ここで、銅溶湯は、純度が99.99質量%以上とされたいわゆる4NCuとすることが好ましい。また、溶解工程では、Mgの酸化を抑制するために、真空炉、あるいは、不活性ガス雰囲気又は還元性雰囲気とされた雰囲気炉を用いることが好ましい。
そして、成分調整された銅合金溶湯を鋳型に注入して鋳塊を製出する。なお、量産を考慮した場合には、連続鋳造法又は半連続鋳造法を用いることが好ましい。
【0040】
(加熱工程S02)
次に、得られた鋳塊の均質化及び溶体化のために加熱処理を行う。鋳塊の内部には、凝固の過程においてMgが偏析で濃縮することにより発生したCuとMgを主成分とする金属間化合物等が存在することになる。そこで、これらの偏析及び金属間化合物等を消失又は低減させるために、鋳塊を400℃以上900℃以下にまで加熱する加熱処理を行うことで、鋳塊内において、Mgを均質に拡散させたり、Mgを母相中に固溶させたりするのである。なお、この加熱工程S02は、非酸化性又は還元性雰囲気中で実施することが好ましい。
ここで、加熱温度が400℃未満では、溶体化が不完全となり、母相中にCuとMgを主成分とする金属間化合物が多く残存するおそれがある。一方、加熱温度が900℃を超えると、銅素材の一部が液相となり、組織や表面状態が不均一となるおそれがある。よって、加熱温度を400℃以上900℃以下の範囲に設定している。より好ましくは500℃以上850℃以下、更に好ましくは520℃以上800℃以下とする。
【0041】
(急冷工程S03)
そして、加熱工程S02において400℃以上900℃以下にまで加熱された銅素材を、200℃以下の温度にまで、200℃/min以上の冷却速度で冷却する。この急冷工程S03により、母相中に固溶したMgがCuとMgを主成分とする金属間化合物として析出することを抑制し、走査型電子顕微鏡観察において、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数を1個/μm以下とすることが好ましい。すなわち、銅素材をCu−Mg過飽和固溶体とすることができるのである。
なお、粗加工の効率化と組織の均一化のために、前述の加熱工程S02の後に熱間加工を実施し、この熱間加工の後に上述の急冷工程S03を実施する構成としてもよい。この場合、加工方法に特に限定はなく、例えば最終形態が板や条の場合には圧延、線や棒の場合には線引きや押出や溝圧延等、バルク形状の場合には鍛造やプレス、を採用することができる。
【0042】
(中間加工工程S04)
加熱工程S02及び急冷工程S03を経た銅素材を必要に応じて切断するとともに、加熱工程S02及び急冷工程S03等で生成された酸化膜等を除去するために必要に応じて表面研削を行う。そして、所定の形状へと加工を行う。
なお、この中間加工工程S04における温度条件は特に限定はないが、冷間又は温間加工となる−200℃から200℃の範囲内とすることが好ましい。また、加工率は、最終形状に近似するように適宜選択されることになるが、最終形状を得るまでの中間熱処理工程S05の回数を減らすためには、20%以上とすることが好ましい。また、加工率を30%以上とすることがより好ましい。加工方法は特に限定されないが、最終形状が板、条の場合は圧延を採用することが好ましい。線や棒の場合には押出や溝圧延、バルク形状の場合には鍛造やプレスを採用することが好ましい。さらに、溶体化の徹底のために、S02〜S04を繰り返しても良い。
【0043】
(中間熱処理工程S05)
中間加工工程S04後に、溶体化の徹底、再結晶組織化または加工性向上のための軟化を目的として熱処理を実施する。
ここで、熱処理の方法は特に限定はないが、好ましくは400℃以上900℃以下の条件で、非酸化雰囲気又は還元性雰囲気中で熱処理を行う。より好ましくは500℃以上850℃以下、さらに好ましくは520℃以上800℃以下とする。
ここで、中間熱処理工程S05においては、400℃以上900℃以下にまで加熱された銅素材を、200℃以下の温度にまで、200℃/min以上の冷却速度で冷却する。このように急冷することによって、母相中に固溶したMgがCuとMgを主成分とする金属間化合物として析出することが抑制されることになり、走査型電子顕微鏡観察において、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数が1個/μm以下とすることができる。すなわち、銅素材をCu−Mg過飽和固溶体とすることができるのである。
【0044】
(仕上加工工程S06)
中間熱処理工程S05後の銅素材を所定の形状に仕上加工を行う。なお、この仕上加工工程S06における温度条件は特に限定はないが、常温で行うことが好ましい。また、加工率は、最終形状に近似するように適宜選択されることになるが、加工硬化によって強度を向上させるためには、20%以上とすることが好ましい。また、さらなる強度の向上を図る場合には、加工率を30%以上とすることがより好ましい。加工方法は特に限定されないが、最終形状が板、条の場合は圧延を採用することが好ましい。線や棒の場合には押出や溝圧延、バルク形状の場合には鍛造やプレスを採用することが好ましい。
【0045】
(仕上熱処理工程S07)
次に、仕上加工工程S06によって得られた加工材に対して、耐応力緩和特性の向上、及び、低温焼鈍硬化を行うために、又は、残留ひずみの除去のために、仕上熱処理を実施する。
熱処理温度は、200℃超え800℃以下の範囲内とすることが好ましい。なお、この仕上熱処理工程S07においては、溶体化されたMgが析出しないように、熱処理条件(温度、時間、冷却速度)を設定する必要がある。例えば250℃で10秒〜24時間程度、300℃で5秒〜4時間程度、500℃で0.1秒〜60秒程度とすることが好ましい。非酸化雰囲気又は還元性雰囲気中で行うことが好ましい。
また、冷却方法は、水焼入など、加熱された前記銅素材を、200℃/min以上の冷却速度で、200℃以下にまで冷却することが好ましい。このように急冷することにより、母相中に固溶したMgがCuとMgを主成分とする金属間化合物として析出することが抑制されることになり、走査型電子顕微鏡観察において、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数が1個/μm以下とすることができる。すなわち、銅素材をCu−Mg過飽和固溶体とすることができるのである。
さらに、上述の仕上加工工程S06と仕上熱処理工程S07とを、繰り返し実施してもよい。
【0046】
このようにして、本実施形態である電子機器用銅合金が製出されることになる。そして、本実施形態である電子機器用銅合金は、そのヤング率Eが125GPa以下、0.2%耐力σ0.2が400MPa以上とされている。
また、導電率σ(%IACS)は、Mgの含有量をX原子%としたときに、
σ≦1.7241/(−0.0347×X+0.6569×X+1.7)×100
の範囲内に設定されることになる。
さらに、仕上熱処理工程S07によって、本実施形態である電子機器用銅合金は、応力緩和率が150℃、1000時間で50%以下とされている。
【0047】
以上のような構成とされた本実施形態である電子機器用銅合金によれば、CuとMgの2元系合金において、Mgを、固溶限度以上の3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含有しており、かつ、導電率σ(%IACS)が、Mgの含有量をX原子%としたときに、
σ≦1.7241/(−0.0347×X+0.6569×X+1.7)×100
の範囲内に設定されている。さらに、走査型電子顕微鏡観察において、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数が1個/μm以下とされている。
【0048】
すなわち、本実施形態である電子機器用銅合金は、Mgが母相中に過飽和に固溶したCu−Mg過飽和固溶体とされているのである。
このようなCu−Mg過飽和固溶体からなる銅合金では、ヤング率が低くなる傾向にあり、例えばオスタブがメスのばね接触部を押し上げて挿入されるコネクタ等に適用しても、挿入時の接圧変動が抑制され、かつ、弾性限界が広いために容易に塑性変形するおそれがない。よって、端子、コネクタ、リレー、リードフレーム等の電子機器用部品に特に適している。
【0049】
また、Mgが過飽和に固溶していることから、母相中には、割れの起点となる粗大なCuとMgを主成分とする金属間化合物が多く分散されておらず、曲げ加工性が向上することになる。よって、複雑な形状の端子、コネクタ、リレー、リードフレーム等の電子機器用部品を成形することが可能となる。
さらに、Mgを過飽和に固溶させていることから、加工硬化させることで、強度が向上することになり、比較的高い強度を有することが可能となる。
また、CuとMgと不可避不純物からなるCuとMgの2元系合金とされていることから、他の元素による導電率の低下が抑制され、導電率を比較的高くすることができる。
【0050】
そして、本実施形態である電子機器用銅合金においては、応力緩和率が150℃、1000時間で50%以下とされているので、高温環境下でも使用した場合であっても接圧低下による通電不良の発生を抑制することができる。よって、エンジンルーム等の高温環境下で使用される電子機器用部品の素材として適用することができる。
【0051】
また、電子機器用銅合金においては、ヤング率Eが125GPa以下、0.2%耐力σ0.2が400MPa以上、とされていることから、弾性エネルギー係数(σ0.2/2E)が高くなって容易に塑性変形しなくなるため、端子、コネクタ、リレー、リードフレームの電子機器用部品に特に適している。
【0052】
本実施形態である電子機器用銅合金の製造方法によれば、上述の組成のCuとMgの2元系合金とされた鋳塊または加工材を400℃以上900℃以下の温度にまで加熱する加熱工程S02により、Mgの溶体化を行うことができる。
また、加熱工程S02によって400℃以上900℃以下にまで加熱された鋳塊または加工材を、200℃/min以上の冷却速度で200℃以下にまで冷却する急冷工程S03を備えているので、冷却の過程でCuとMgを主成分とする金属間化合物が析出することを抑制することが可能となり、急冷後の鋳塊または加工材をCu−Mg過飽和固溶体とすることができる。
【0053】
さらに、急冷材(Cu−Mg過飽和固溶体)に対して加工を行う中間加工工程S04を備えているので、最終形状に近い形状を容易に得ることができる。
また、中間加工工程S04の後に、溶体化の徹底、再結晶組織化または加工性向上のための軟化を目的として中間熱処理工程S05を備えているので、特性の向上及び加工性の向上を図ることができる。
また、中間熱処理工程S05においては、400℃以上900℃以下にまで加熱された銅素材を、200℃/min以上の冷却速度で200℃以下にまで冷却するので、冷却の過程でCuとMgを主成分とする金属間化合物が析出することを抑制することが可能となり、急冷後の銅素材をCu−Mg過飽和固溶体とすることができる。
【0054】
そして、本実施形態である電子機器用銅合金の製造方法においては、加工硬化による強度向上および所定の形状に加工するための仕上加工工程S06の後に、耐応力緩和特性の向上及び低温焼鈍硬化を行うために、又は、残留ひずみの除去のために熱処理を実施する仕上熱処理工程S07を備えているので、応力緩和率を150℃、1000時間で50%以下とすることができる。また、さらなる機械特性の向上を図ることが可能となる。
【0055】
ここで、応力緩和率は、日本伸銅協会技術標準JCBA−T309:2004の片持はりねじ式に準じた方法で応力を負荷して測定した。
また、この電子機器用銅合金は、ヤング率Eが125GPa以下とされ、0.2%耐力σ0.2が400MPa以上とされている。
【0056】
以上、本発明の実施形態である電子機器用銅合金について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上述の実施形態では、電子機器用銅合金の製造方法の一例について説明したが、製造方法は本実施形態に限定されることはなく、既存の製造方法を適宜選択して製造してもよい。
【実施例】
【0057】
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
純度99.99質量%以上の無酸素銅(ASTM B152 C10100)からなる銅原料を準備し、これを高純度グラファイト坩堝内に装入して、Arガス雰囲気とされた雰囲気炉内において高周波溶解した。得られた銅溶湯内に、各種添加元素を添加して表1、2に示す成分組成に調製し、カーボン鋳型に注湯して鋳塊を製出した。なお、鋳塊の大きさは、厚さ約20mm×幅約20mm×長さ約100〜120mmとした。
【0058】
得られた鋳塊に対して、Arガス雰囲気中において、表1、2に記載の温度条件で4時間の加熱を行う加熱工程を実施し、その後、水焼き入れを実施した。
【0059】
熱処理後の鋳塊を切断するとともに、酸化被膜を除去するために表面研削を実施した。その後、常温で、表1、2に記載された圧延率で中間圧延を実施した。そして、得られた条材に対して、表1,2に記載された温度の条件でソルトバス中で中間熱処理を実施した。その後、水焼入れを実施した。
【0060】
次に、表1,2に示す圧延率で仕上圧延を実施し、厚さ0.25mm、幅約20mmの条材を製出した。
そして、仕上圧延後に、表に示す条件でソルトバス中で仕上熱処理を実施し、その後、水焼入れを実施し、特性評価用条材を作成した。
【0061】
(中間熱処理後の結晶粒径)
表1,2に示す中間熱処理を行った後の試料について結晶粒径の測定を行った。各試料において、鏡面研磨及びエッチングを行い、光学顕微鏡にて、圧延方向が写真の横になるように撮影し、1000倍の視野(約300μm×200μm)で観察を行った。つぎに結晶粒径をJIS H 0501の切断法にしたがい、写真縦、横の所定長さの線分を5本ずつ引き、完全に切られる結晶粒数を数え、その切断長さの平均値を結晶粒径とした。
【0062】
(加工性評価)
加工性の評価として、前述の冷間圧延時における耳割れの有無を観察した。目視で耳割れが全くあるいはほとんど認められなかったものを◎、長さ1mm未満の小さな耳割れが発生したものを○、長さ1mm以上3mm未満の耳割れが発生したものを△、長さ3mm以上の大きな耳割れが発生したものを×、耳割れに起因して圧延途中で破断したものを××とした。
なお、耳割れの長さとは、圧延材の幅方向端部から幅方向中央部に向かう耳割れの長さのことである。
【0063】
また、前述の特性評価用条材を用いて、機械的特性及び導電率を測定した、
(機械的特性)
特性評価用条材からJIS Z 2201に規定される13B号試験片を採取し、JIS Z 2241のオフセット法により、0.2%耐力σ0.2を測定した。なお、試験片は、圧延方向に平行な方向で採取した。
ヤング率Eは、前述の試験片にひずみゲージを貼り付け、荷重−伸び曲線の勾配から求めた。
なお、試験片は、引張試験の引張方向が特性評価用条材の圧延方向に対して平行になるように採取した。
【0064】
(導電率)
特性評価用条材から幅10mm×長さ60mmの試験片を採取し、4端子法によって電気抵抗を求めた。また、マイクロメータを用いて試験片の寸法測定を行い、試験片の体積を算出した。そして、測定した電気抵抗値と体積とから、導電率を算出した。なお、試験片は、その長手方向が特性評価用条材の圧延方向に対して平行になるように採取した。
【0065】
(耐応力緩和特性)
耐応力緩和特性試験は、日本伸銅協会技術標準JCBA−T309:2004の片持はりねじ式に準じた方法によって応力を負荷し、150℃の温度で所定時間保持後の残留応力率を測定した。
試験片(幅10mm)は、その長手方向が特性評価用条材の圧延方向に対して平行になるように採取した。
試験片の表面最大応力が耐力の80%となるよう、初期たわみ変位を2mmと設定し、スパン長さを調整した。上記表面最大応力は次式で定められる。
表面最大応力(MPa)=1.5Etδ/L
ただし、
E:たわみ係数(MPa)
t:試料の厚み(t=0.25mm)
δ:初期たわみ変位(2mm)
:スパン長さ(mm)
である。
150℃の温度で、1000h保持後の曲げ癖から、残留応力率を測定し、応力緩和率を評価した。なお応力緩和率は次式を用いて算出した。
応力緩和率(%)=(δ/δ)×100
ただし、
δ:150℃で1000h保持後の永久たわみ変位(mm)−常温で24h保持後の永久たわみ変位(mm)
δ:初期たわみ変位(mm)
である。
【0066】
(組織観察)
各試料の圧延面に対して、鏡面研磨、イオンエッチングを行った。CuとMgを主成分とする金属間化合物の析出状態を確認するため、FE−SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)を用い、1万倍の視野(約120μm/視野)で観察を行った。
次に、CuとMgを主成分とする金属間化合物の密度(個/μm)を調査するために、金属間化合物の析出状態が特異ではない1万倍の視野(約120μm/視野)を選び、その領域で、5万倍で連続した10視野(約4.8μm/視野)の撮影を行った。金属間化合物の粒径については、金属間化合物の長径(途中で粒界に接しない条件で粒内に最も長く引ける直線の長さ)と短径(長径と直角に交わる方向で、途中で粒界に接しない条件で最も長く引ける直線の長さ)の平均値とした。そして、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の密度(個/μm)を求めた。
【0067】
(曲げ加工性)
日本伸銅協会技術標準JCBA−T307:2007の4試験方法に準拠して曲げ加工を行った。
圧延方向と試験片の長手方向が平行になるように、特性評価用条材から幅10mm×長さ30mmの試験片を複数採取し、曲げ角度が90度、曲げ半径が0.25mmのW型の治具を用い、W曲げ試験を行った。
そして、曲げ部の外周部を目視で確認し、破断した場合は×、一部のみ破断が起きた場合は△、破断が起きず微細な割れのみが生じた場合は○、破断や微細な割れを確認できない場合を◎として判定を行った。
【0068】
条件、評価結果について、表1、2、3、4に示す。
【0069】
【表1】
【0070】
【表2】
【0071】
【表3】
【0072】
【表4】
【0073】
Mgの含有量が本発明の範囲よりも低い比較例1においては、ヤング率が高く不十分であった。
また、Mgの含有量が本発明の範囲よりも高い比較例2、3においては、冷間圧延時に大きな耳割れが発生し、その後の特性評価を実施することが不可能であった。
【0074】
また、Mgの含有量が本発明の範囲であるが、仕上圧延後の仕上熱処理を実施しなかった比較例4においては、応力緩和率が54%となった。
さらに、Mgの含有量が本発明の範囲であるが、導電率及びCuとMgを主成分とする金属間化合物の個数が本発明の範囲から外れた比較例5においては、耐力と曲げ加工性に劣ることが確認される。
【0075】
さらに、Sn、Pを含有する銅合金、いわゆるりん青銅とされた従来例1,2においては、導電率が低く、かつ、応力緩和率が50%を超えていた。
【0076】
これに対して、本発明例1−14においては、いずれもヤング率が125GPa以下と低く設定され、0.2%耐力も400MPa以上とされており、弾力性に優れている。また、応力緩和率も47%以下と低くなっている。
【0077】
以上のことから、本発明例によれば、低ヤング率、高耐力、高導電性、優れた耐応力緩和特性、優れた曲げ加工性を有し、端子、コネクタやリレー等の電子機器用部品に適した電子機器用銅合金を提供することができることが確認された。
図1
図2