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特許7051029銅合金板材、銅合金板材の製造方法及び接点部品
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  • 特許-銅合金板材、銅合金板材の製造方法及び接点部品 図1
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-03-31
(45)【発行日】2022-04-08
(54)【発明の名称】銅合金板材、銅合金板材の製造方法及び接点部品
(51)【国際特許分類】
   C22C 9/06 20060101AFI20220401BHJP
   C22C 9/10 20060101ALI20220401BHJP
   C22F 1/08 20060101ALI20220401BHJP
   C22F 1/00 20060101ALN20220401BHJP
【FI】
C22C9/06
C22C9/10
C22F1/08 B
C22F1/00 602
C22F1/00 613
C22F1/00 623
C22F1/00 630A
C22F1/00 630K
C22F1/00 650A
C22F1/00 660Z
C22F1/00 661A
C22F1/00 681
C22F1/00 682
C22F1/00 683
C22F1/00 685Z
C22F1/00 686A
C22F1/00 691A
C22F1/00 691B
C22F1/00 691C
C22F1/00 691Z
C22F1/00 692A
C22F1/00 694A
【請求項の数】 7
(21)【出願番号】P 2022503525
(86)(22)【出願日】2021-10-27
(86)【国際出願番号】 JP2021039615
【審査請求日】2022-01-18
(31)【優先権主張番号】P 2020181363
(32)【優先日】2020-10-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000005290
【氏名又は名称】古河電気工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100205659
【弁理士】
【氏名又は名称】齋藤 拓也
(74)【代理人】
【識別番号】100114292
【弁理士】
【氏名又は名称】来間 清志
(72)【発明者】
【氏名】秋谷 俊太
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 宏和
(72)【発明者】
【氏名】川田 紳悟
(72)【発明者】
【氏名】高澤 司
【審査官】鈴木 毅
(56)【参考文献】
【文献】特開2012-072470(JP,A)
【文献】特開2011-252188(JP,A)
【文献】特許第6152212(JP,B1)
【文献】特開2016-186107(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C22C 9/00-9/10
C22F 1/08
C22F 1/00
H01B 5/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
Ni及びCoの少なくとも一方を合計0.5質量%以上5.0質量%以下、
並びに、Siを0.10質量%以上1.50質量%以下含有し、
且つ、Si含有量に対するNi及びCoの合計含有量の質量比(Ni+Co)/Siが2.00以上6.00以下であり、
残部が銅及び不可避不純物からなる合金組成を有する銅合金板材であって、
母相中に、Ni及びCoの少なくとも一方とSiとを含有するSi化合物を含み、
前記Si化合物と前記母相との境界領域に、3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡により観察され、Ni及びCoの少なくとも一方とCuとSiとを含む拡散層を有し、
前記拡散層の平均厚さが0.5nm以上5.0nm以下である、銅合金板材。
【請求項2】
前記合金組成は、Ni及びCoのうちCoのみを含有し、
Co含有量が0.5質量%以上5.0質量%以下である、請求項1に記載の銅合金板材。
【請求項3】
前記合金組成は、Ni及びCoのうちNiのみを含有し、
Ni含有量が0.5質量%以上5.0質量%以下である、請求項1に記載の銅合金板材。
【請求項4】
前記合金組成は、Ni及びCoの双方を含有し、
Ni含有量が0.5質量%以上4.5質量%以下であり、
Co含有量が0.4質量%以上2.5質量%以下である、請求項1に記載の銅合金板材。
【請求項5】
前記合金組成は、さらにMg、Sn、Zn、P、Cr、Zr及びFeからなる群から選択される少なくとも1種を合計で0.1質量%以上1.0質量%以下含有する、請求項1~4のいずれか1項に記載の銅合金板材。
【請求項6】
請求項1~5のいずれか1項に記載の銅合金板材の製造方法であって、
前記銅合金板材の前記合金組成と同様の合金組成を有する銅合金素材に、溶解鋳造[工程1]、均質化[工程2]、熱間圧延[工程3]、面削[工程4]、第一冷間圧延[工程5]、第一時効熱処理[工程6]、溶体化熱処理[工程7]、第二時効熱処理[工程8]、第二冷間圧延[工程9]、及び調質焼鈍[10]をこの順に施し、
前記第一時効熱処理[工程6]では、温度500~700℃で1~240分保持し、
前記溶体化熱処理[工程7]では、前記第一時効熱処理[工程6]後に、室温から昇温し、
到達温度750~980℃で0.10~10秒保持した後に冷却することを特徴とする銅合金板材の製造方法。
【請求項7】
請求項1~5のいずれか1項に記載の銅合金板材を用いて形成された接点部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、銅合金板材、銅合金板材の製造方法及び接点部品に関する。
【背景技術】
【0002】
スマートフォン、タブレット、ノートPC、アクションカメラ等の電気・電子機器、自動車、産業機器や、ロボット等の部品、例えば、コネクタ等の接点部品には、銅合金板材が使用されている。
【0003】
このような銅合金板材として、例えば、特許文献1には、Cu-Fe-P系合金において、3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡により測定されるFeやPの原子間距離を短くし、且つCu、Fe、Pの集合体密度を高くすることにより、強度と、製造時の熱処理における耐熱性とに優れた銅合金板材とする技術が開示されている。
また、特許文献2には、Cu-Ni-Sn-P系合金において、3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡により測定されるNiやPの原子間距離を短くし、且つCu、Ni、Pの集合体密度を高くすることにより、耐応力緩和特性に優れた銅合金板材とする技術が開示されている。
また、特許文献3には、Cu-Ni-Co-Si系合金において、成分組成、ばね限界値及び結晶方位制御により、導電性、耐応力緩和特性及び成形加工性を向上させる銅合金板材とする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開2009-263690号公報
【文献】特開2009-179864号公報
【文献】特開2016-53220号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ここで、近年、高速通信化、高速給電化、センサー数の増加等に伴い、内部回路が高電流化し、発熱量も増加している。上記電気・電子機器、自動車、産業機器、ロボット等は、発熱した状態で一定時間の連続使用がされるため、その部品は高温で使用される場合がある。特にコネクタ等のばね電気接点部品は、高速通信中や高速充電中に端子が高温になりやすい。このような部品は、高温環境下で継続使用されると、新品時の常温(例えば25℃)での強度と比べて低下し、嵌合による応力で材料が破断してしまう等の問題が生じるおそれがある。これを防ぐために、温度上昇に伴う強度低下が抑制され、高温(例えば100℃)での強度が高いことが望まれる。
【0006】
一方、上記部品には、導電性に優れることが求められている。
【0007】
しかしながら、特許文献1~3等の従来の技術では、温度上昇に伴う強度低下が抑制され高温での強度が高く且つ導電性に優れる銅合金板材は得難い。なお、特許文献1~3では、高温での使用時における強度については、なんら着目されていない。
【0008】
本発明は、以上の実情に鑑みてなされたものであり、温度上昇に伴う強度低下が抑制され、高温での強度が高く、且つ導電性に優れる銅合金板材、銅合金板材の製造方法及び銅合金板材を用いた接点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】
【0009】
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、銅合金板材が、Ni及びCoの少なくとも一方を合計0.5質量%以上5.0質量%以下、並びに、Siを0.10質量%以上1.5質量%以下含有し、且つ、Si含有量に対するNi及びCoの合計含有量の質量比(Ni+Co)/Siが2.0以上6.0以下であり、残部が銅及び不可避不純物からなる合金組成を有する銅合金板材であって、母相中に、Ni及びCoの少なくとも一方とSiとを含有するSi化合物を含み、Si化合物と母相との境界領域に、3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡により観察され、Ni及びCoの少なくとも一方とCuとSiとを含む拡散層を有し、拡散層の平均厚さが0.5nm以上5.0nm以下であることによって、温度上昇に伴う強度低下が抑制され、高温での強度が高く、且つ導電性に優れること、及びそのような銅合金板材は、上記銅合金板材の合金組成と同様の合金組成を有する銅合金素材に、溶解鋳造[工程1]、均質化[工程2]、熱間圧延[工程3]、面削[工程4]、第一冷間圧延[工程5]、第一時効熱処理[工程6]、溶体化熱処理[工程7]、第二時効熱処理[工程8]、第二冷間圧延[工程9]、及び調質焼鈍[10]をこの順に施し、前記第一時効熱処理[工程6]では、温度500~700℃で1~240分保持し、前記溶体化熱処理[工程7]では、前記第一時効熱処理[工程6]後に、室温から昇温し、到達温度750~980℃で0.10~10秒保持した後に冷却する製造方法により製造できることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成するに至った。
【0010】
すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
(1)Ni及びCoの少なくとも一方を合計0.5質量%以上5.0質量%以下、
並びに、Siを0.10質量%以上1.50質量%以下含有し、
且つ、Si含有量に対するNi及びCoの合計含有量の質量比(Ni+Co)/Siが2.00以上6.00以下であり、
残部が銅及び不可避不純物からなる合金組成を有する銅合金板材であって、
母相中に、Ni及びCoの少なくとも一方とSiとを含有するSi化合物を含み、
前記Si化合物と前記母相との境界領域に、3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡により観察され、Ni及びCoの少なくとも一方とCuとSiとを含む拡散層を有し、
前記拡散層の平均厚さが0.5nm以上5.0nm以下である、銅合金板材。
(2)前記合金組成は、Ni及びCoのうちCoのみを含有し、Co含有量が0.5質量%以上5.0質量%以下である、上記(1)に記載の銅合金板材。
(3)前記合金組成は、Ni及びCoのうちNiのみを含有し、Ni含有量が0.5質量%以上5.0質量%以下である、上記(1)に記載の銅合金板材。
(4)前記合金組成は、Ni及びCoの双方を含有し、Ni含有量が0.5質量%以上4.5質量%以下であり、Co含有量が0.4質量%以上2.5質量%以下である、上記(1)に記載の銅合金板材。
(5)前記合金組成は、さらにMg、Sn、Zn、P、Cr、Zr及びFeからなる群から選択される少なくとも1種を合計で0.1質量%以上1.0質量%以下含有する、上記(1)~(4)のいずれか1項に記載の銅合金板材。
(6)上記(1)~(5)のいずれか1項に記載の銅合金板材の製造方法であって、
前記銅合金板材の前記合金組成と同様の合金組成を有する銅合金素材に、溶解鋳造[工程1]、均質化[工程2]、熱間圧延[工程3]、面削[工程4]、第一冷間圧延[工程5]、第一時効熱処理[工程6]、溶体化熱処理[工程7]、第二時効熱処理[工程8]、第二冷間圧延[工程9]、及び調質焼鈍[10]をこの順に施し、前記第一時効熱処理[工程6]では、温度500~700℃で1~240分保持し、
前記溶体化熱処理[工程7]では、前記第一時効熱処理[工程6]後に、室温から昇温し、到達温度750~980℃で0.10~10秒保持した後に冷却することを特徴とする銅合金板材の製造方法。
(7)上記(1)~(5)のいずれか1項に記載の銅合金板材を用いて形成された接点部品。
【発明の効果】
【0011】
本発明の銅合金板材は、温度上昇に伴う強度低下が抑制され、高温での強度が高く、且つ導電性に優れる。このため、高温で使用され得る、電気・電子機器、自動車、産業機器や、ロボットにおけるコネクタ等の接点部品用の銅合金板材として、好適である。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1図1は、3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡による観察例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
(1)銅合金板材
以下、本発明の銅合金板材の好ましい実施形態について、詳細に説明する。
本発明に従う銅合金板材は、Ni及びCoの少なくとも一方を合計0.5質量%以上5.0質量%以下、並びに、Siを0.10質量%以上1.50質量%以下含有し、且つ、Si含有量に対するNi及びCoの合計含有量の質量比(Ni+Co)/Siが2.00以上6.00以下であり、残部が銅及び不可避不純物からなる合金組成を有する銅合金板材であって、母相中に、Ni及びCoの少なくとも一方とSiとを含有するSi化合物を含み、Si化合物と母相との境界領域に、3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡により観察され、Ni及びCoの少なくとも一方とCuとSiとを含む拡散層を有し、拡散層の平均厚さが0.5nm以上5.0nm以下であることを特徴とするものである。
以下、本発明の銅合金板材の合金組成、銅合金板材が含むSi化合物及び拡散層の限定理由について説明する。
【0014】
<銅合金板材の合金組成>
[Ni及びCo成分]
本発明の銅合金板材は、Ni及びCoの少なくとも一方を合計0.5質量%以上5.0質量%以下含有する。Ni及びCoの合計が0.5質量%未満の場合、強度が低下し、5.0質量%より高い場合、導電率が低下する。Ni及びCoの含有量の合計は、強度の観点から0.8質量%以上が好ましく、また、導電率の観点から4.0質量%以下が好ましい。Ni及びCoの含有量の合計は、より好ましくは、1.0質量%以上3.5質量%以下である。
Ni及びCoのうちCoのみを含有する場合、Co含有量が0.5質量%以上5.0質量%以下であることが好ましい。
また、Ni及びCoのうちNiのみを含有する場合、Ni含有量が0.5質量%以上5.0質量%以下であることが好ましい。
また、Ni及びCoの双方を含有する場合、Ni含有量が0.5質量%以上4.5質量%以下であり、Co含有量が0.4質量%以上2.5質量%以下であることが好ましい。
なお、Coを0.4質量%以上含有することで、Niのみの場合より導電率を高める効果があるが、2.0質量%を超えると逆に導電率が低下する場合があるため、Coを含有する場合、Co含有量は0.5質量%以上2.0質量%以下であることが好ましい。
【0015】
[Si成分]
本発明の銅合金板材は、Siを0.10質量%以上1.50質量%以下含有する。Siの含有量が0.10質量%未満の場合、強度が低下する。また、1.50質量%より高い場合は、導電率が低下し、鋳塊に粗大な晶出物が発生しやすく、溶体化熱処理後に未固溶のまま残存し、曲げ加工時のクラックの起点にもなりやすい。Siの含有量は、導電率の観点から1.25質量%以下であることが好ましく、1.10質量%以下であることがより好ましい。
【0016】
[(Ni+Co)/Si比]
本発明の銅合金板材は、Si含有量に対するNi及びCoの合計含有量の質量比、すなわち、(Ni+Co)/Si比が、2.00以上6.00以下である。(Ni+Co)/Si比が2.00未満の場合、SiがNi及びCoに対し過剰に存在し、時効熱処理時に母相中のSiの残存量が増加し、導電率が低下する。(Ni+Co)/Si比が6.00より高い場合、逆にNiやCoの残存量が増加し、導電率が低下する。導電率の観点から、好ましくは3.00~5.00、より好ましくは3.30~4.70である。
【0017】
[任意添加成分]
本発明の銅合金板材は、さらにMg、Sn、Zn、P、Cr、Zr及びFeからなる群から選択される少なくとも1種を、合計で0.1質量%以上1.0質量%以下含有していてもよい。
【0018】
(Mg)
Mgは、高温での強度を向上させる効果がある一方で、導電率を低下させる傾向があるため、Mgの含有量は、0.1質量以上0.3質量%であることが好ましい。
【0019】
(Sn)
Snは、高温での強度を向上させる効果がある一方で、導電率を低下させる傾向があるため、Snの含有量は、0.1質量%以上0.3質量%以下であることが好ましい。
【0020】
(Zn)
Znは、Snめっき性やマイグレーション特性を改善する効果があるが、導電率を低下させる傾向があるため、Znの含有量は、0.1質量%以上0.5質量%以下であることが好ましい。
【0021】
(P)
Pは、粒界上のSi化合物の析出を抑制し、強度を上昇させる効果があるが、導電率を低下させる傾向があるため、Pの含有量は、0.1質量%以上0.3質量%以下であることが好ましい。
【0022】
(Cr)
Crは、溶体化熱処理時に結晶粒の粗大化を抑制する効果があるが、鋳造時に粗大な晶出物を生じやすく、クラックの起点を作りやすい傾向があるため、Crの含有量は、0.1質量%以上0.3質量%以下であることが好ましい。
【0023】
(Zr)
Zrは、溶体化熱処理時に結晶粒の粗大化を抑制する効果があるが、鋳造時に粗大な晶出物を生じやすく、クラックの起点を作りやすい傾向があるため、Zrの含有量は、0.1質量%以上0.2質量%であることが好ましい。
【0024】
(Fe)
Feは、溶体化熱処理時に結晶粒の粗大化を抑制する効果があるが、鋳造時に粗大な晶出物を生じやすく、クラックの起点を作りやすいため、Feの含有量は、0.1質量%以上0.2質量%以下であることが好ましい。
【0025】
〔残部:銅及び不可避不純物〕
上述した必須含有成分及び任意添加成分以外は、残部がCu(銅)及び不可避不純物からなる。なお、ここでいう「不可避不純物」とは、おおむね銅系製品において、原料中に存在するものや、製造工程において不可避的に混入するもので、本来は不要なものであるが、微量であり、銅系製品の特性に影響を及ぼさないため許容されている不純物である。不可避不純物として挙げられる成分としては、例えば、硫黄(S)、酸素(O)等の非金属元素やアルミニウム(Al)やアンチモン(Sb)等の金属元素が挙げられる。なお、これらの成分含有量の上限は、上記成分毎に0.05質量%、上記成分の総量で0.20質量%とすればよい。
【0026】
<Si化合物>
本発明の銅合金板材は、母相中にSi化合物を含む。
Si化合物とは、Ni及びCoの少なくとも一方とSiとを含有する化合物である。Si化合物は、Ni、Co及びSiの他に、銅合金板材が含有するその他の元素を含んでいてもよく、例えばCu、Mg、Sn、Zn、P、Cr、ZrやFeを含んでいてもよい。
【0027】
Si化合物は、銅合金板材の製造時に析出することで形成される、析出物である。Si化合物は、例えば、第一時効熱処理[工程6]において析出形成され、その後、溶体化熱処理[工程7]及び第二時効熱処理[工程8]等を経て、最終的に製造される銅合金板材に含まれる。
【0028】
<拡散層>
本発明の銅合金板材は、Si化合物と母相との境界領域に、3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡により観察され、Ni及びCoの少なくとも一方とCuとSiとを含む拡散層を有する。そして、拡散層の平均厚さは、0.5nm以上5.0nm以下である。拡散層は、銅合金板材について、3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡で観察され、具体的には、Cuの濃度が20at%以上90at%以下である領域と定義する。3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡についての詳細は、後述する。
【0029】
本発明者らは、上記合金組成を有し、且つ、Si化合物と母相との境界領域に3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡により観察される拡散層の平均厚さを0.5nm以上5nm以下にすることにより、温度上昇に伴う強度低下が抑制され、高温での強度が高く、且つ導電性に優れる銅合金板材となることを見出した。
【0030】
電気・電子機器、自動車、産業機器、ロボット等の使用温度、具体的には室温(例えば25℃)から高温(例えば100℃)の範囲における強度の変化に対して、銅合金の相変態の影響はほとんど無視でき、当該強度の変化は、熱活性化現象である転位の移動度に影響されるものと考えられる。そのため、温度上昇に伴う強度低下を抑制し、高温での強度を高くするためには、固溶元素や析出物等の第二相粒子を増加させることで、転位移動を阻害することが有効であると考えられる。一方で、単純に、固溶原子や第二相量を増加するために、溶質元素の添加量を増加させると、導電率が低下するという問題が生じる。そのため、本発明者らは、温度上昇に伴う強度低下を抑制し、高温での強度を高くし、且つ導電率を良好にするためには、添加元素量を増加させない方法が必要であると考え、析出物であるSi化合物と母相との界面に所定の厚さの拡散層を形成することで、温度上昇に伴う強度低下が抑制され、高温での強度が高く、且つ導電性に優れる銅合金板材になることを見出した。なお、当該銅合金板材は、高温での強度が高いため、室温での強度も高い。
【0031】
拡散層は、Ni原子やCo原子と、Si原子がCu母相に局所的に高濃度に存在する状態であり、この拡散層が転位の移動を抑制する。このことが、温度上昇に伴う強度低下が抑制され、高温での強度が高く、且つ導電性が優れる銅合金板材になる理由の一因と推測される。
【0032】
拡散層の平均厚さは、0.5nm以上5.0nm以下であることが必要である。拡散層の厚さが0.5nmより小さい場合は、温度上昇に伴い強度が大きく低下したり、高温での強度が低くなる。また、拡散層の厚さが5.0nmより大きい場合は、固溶量が増加し、導電率が低下する。拡散層の厚さは、好ましくは1.0nm以上4.0nm以下であり、さらに好ましくは2.0nm以上3.0nm以下である。
【0033】
(3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡)
3次元アトムプローブ法(3DAP法)は、金属や半導体中のナノ析出物やクラスターを3次元で組成分析できる分析手法である。原理は、以下のとおりである。
先端が100nm程度の針状試料を作製し、3DAP装置(3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡)に搬入した後、高電圧をパルス印加し、試料の先端から1原子ずつ電界蒸発させる。また、針の先端に特定波長のパルスレーザーを照射し、電界蒸発を補助することにより、試料破壊の確率の低減、質量分解能の改善、半導体や絶縁物の測定が可能となる。パルス電圧とレーザー照射により電界蒸発させたイオンの飛行時間と位置測定を2次元位置検出器で検出し、各イオンの2次元座標位置を測定する。針の先で蒸発した時点から検出器に到達するまでの時間を計測することによって、飛行時間型質量分析としての解析も可能であるので、到達したイオン種を特定できる。レーザー照射を繰り返し行い、イオンの2次元座標位置の情報と、試料の深さ方向の情報が得られるので、針の先端形状を考慮したデータ解析を行うことにより、3次元の組成情報を得ることが可能である。
【0034】
3DAP装置としては、例えば、CAMECA社製のEIKOS-Xを用いることができる。
拡散層の厚さは、母相からSi化合物にわたって観察し、得られる銅合金板材の各成分(Cu、Si、Ni、Co等)の濃度プロファイルである、プロキシグラムを用いて求める。第二相であるSi化合物と母相との境界領域に凹凸がある場合、境界領域を横断して一次元の濃度プロファイルを作成すると、凹凸の影響が重畳し、正確な拡散層を定義することができない。このため、特定の元素の等濃度面を基準とするプロキシグラムを用いる。プロキシグラムとは、特定の元素の等濃度面を基準として、その面に対し垂直な方向に濃度を計算した一次元の濃度プロファイルである。プロキシグラムの計算には、CAMECA社が提供する3次元アトムプローブのソフトウェアであるIVASを用いることができる。例えば、図1は、Ni濃度が5at%の等濃度面を基準としたプロキシグラムである。図1は、合金組成が、Ni:2.3質量%、Si:0.55質量%残部がCuである銅合金板材の、3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡による観察例である。このプロキシグラムから、本発明の銅合金板材において、Si化合物と母相の界面では、Co、Niや,Cu等が拡散していることが分かる。
プロキシグラムにおいて、図1に示すように、Cuの濃度が20at%以上90at%以下である領域が拡散層であり、拡散層の厚さは、Cuの濃度が20at%以上90at%以下の領域の、横軸(distance)方向の長さである。
【0035】
拡散層の平均厚さは、銅合金板材において、圧延方向に垂直な方向に、均等な間隔をあけた5箇所でサンプリングし、各サンプル(試料)について測定されたプロキシグラムから得られた拡散層の厚さの平均値である。
【0036】
本発明の銅合金板材は、上述のとおり、温度上昇に伴う強度低下が抑制され、高温での強度が高く、且つ導電率に優れる。このため、本発明の銅合金板材を用いて形成される、電気・電子機器、自動車、産業機器、ロボット等の部品は、強度及び導電性について信頼性が高い。例えば、使用温度が室温から高温までの場合であっても、強度変化が少なく、一定以上の強度を発揮し、且つ、導電性にも優れるため、信頼性が高い部品となる。特に、高速通信中や高速充電中に端子が高温になりやすいコネクタ等のばね電気接点部品であっても、本発明の銅合金板材を用いることにより、信頼性の高いものとなる。
【0037】
銅合金板材の100℃における引張強さは、例えば500MPa以上である。銅合金板材の100℃における引張強さは、600MPa以上や690MPa以上とすることもできる。
また、本発明の銅合金板材は、高温での強度が高いため、室温での強度も高い。銅合金板材の25℃における引張強さは、例えば500MPa以上であり、通常505MPa以上である。
【0038】
本発明の銅合金板材は、温度上昇に伴う強度低下が抑制され、室温における強度と高温における強度との差、例えば25℃における引張強さと100℃における引張強さとの差は、100MPa以下であり、70MPa以下、55MPa以下や35MPa以下とすることもできる。
例えば、銅合金板材の25℃における引張強さが500MPa以上600MPa未満の場合、25℃における引張強さと100℃における引張強さとの差は、100MPa以下であり、好ましくは70MPa以下であり、より好ましくは55MPa以下である。
銅合金板材の25℃における引張強さが600MPa以上700MPa未満の場合、25℃における引張強さと100℃における引張強さとの差は、100MPa以下であり、好ましくは70MPa以下であり、より好ましくは55MPa以下である。
銅合金板材の25℃における引張強さが700MPa以上800MPa未満の場合、25℃における引張強さと100℃における引張強さとの差は、100MPa以下であり、好ましくは90MPa以下であり、より好ましくは70MPa以下であり、さらに好ましくは55MPa以下であり、特に好ましくは35MPaである。
銅合金板材の25℃における引張強さが800MPa以上900MPa未満の場合、25℃における引張強さと100℃における引張強さとの差は、100MPa以下であり、好ましくは95MPa以下であり、より好ましくは55MPa以下である。
本明細書における銅合金板材の引張強さは、例えば、JIS 13B号試験片を用いて、JIS Z 2241:2011に基づき測定することができる。
【0039】
本発明の銅合金板材の導電率は、例えば、45%IACS以上であり、50%IACS以上や55%IACS以上とすることもできる。
本明細書における銅合金板材の導電率は、例えば、端子間距離を100mmとし、20℃(±0.5℃)に保たれた恒温槽中で、4端子法により比抵抗を計測して算出することができる。
【0040】
なお、本発明の銅合金板材は、コネクタ等に必要な基本的な曲げ加工性にも優れている。一方、特許文献1や特許文献2では、強度と導電率を高めるため、母相への固溶が少なく、強度は60%以上の冷間加工による転位強化に大きく依存している。このため、特許文献1や特許文献2の銅合金板は、コネクタに必要な基本的な曲げ加工性が犠牲になっていることが推測される。
【0041】
拡散層は、Ni、Co、Cu及びSiの他に、銅合金板材が含有するその他の元素を含んでいてもよく、例えば、Mg、Sn、Zn、P、Cr、ZrやFeを含んでいてもよい。
【0042】
(2)銅合金板材の製造方法
以上のような本発明の一実施形態による銅合金板材の製造方法を詳しく説明する。この製造方法は、上記銅合金板材の合金組成と同様の合金組成を有する銅合金素材に、溶解鋳造[工程1]、均質化[工程2]、熱間圧延[工程3]、面削[工程4]、第一冷間圧延[工程5]、第一時効熱処理[工程6]、溶体化熱処理[工程7]、第二時効熱処理[工程8]、第二冷間圧延[工程9]、及び調質焼鈍[10]をこの順に施し、第一時効熱処理[工程6]では、温度500~700℃で1~240分保持し、溶体化熱処理[工程7]では、第一時効熱処理[工程6]後に、室温から昇温し、到達温度750~980℃で0.10~10秒保持した後に冷却することを特徴としている。以下、各工程について説明する。
【0043】
<溶解鋳造[工程1]>
溶解鋳造工程[工程1]では、大気下で高周波溶解炉により合金成分を溶解し、これを鋳造することによって所定形状(例えば厚さ30mm、幅100mm、長さ150mm)の鋳塊を製造する。
【0044】
<均質化[工程2]>
均質化工程[工程2]では、大気中や、不活性ガス雰囲気中で、例えば所定温度(例えば1000℃)で1時間程度加熱し均質化熱処理を施す。
【0045】
<熱間圧延[工程3]>
熱間圧延工程[工程3]は、均質化熱処理の直後に施し、所定の板厚(例えば10mm)とした直後に冷却する。
【0046】
<面削[工程4]>
面削工程[工程4]では、熱延板の表面から所定の厚さ(例えば1mm~2mm程度)の面削を行い、酸化層を除去する。
【0047】
<第一冷間圧延[工程5]>
第一冷間圧延工程[工程5]では、例えば0.25mm~1mmまで冷間圧延を施す。
【0048】
<第一時効熱処理[工程6]>
第一時効熱処理[工程6]では、温度500~700℃で1~240分保持する。温度500~700℃で1~240分保持した後、室温まで冷却する。
第一時効熱処理[工程6]により、第一冷間圧延[工程5]で得られた第一冷延板の母相中に、平均サイズが50nm以上120nm以下であり、Siを含むSi化合物が、析出形成される。温度が500℃未満であると、析出するSi化合物の平均サイズが50nm未満となり、溶体化熱処理[工程7]でNi、Co、Siの固溶や拡散による均質化が進み、第二時効熱処理[工程9]で拡散層が狭いSi化合物が生成しやすく、製造される銅合金板材の拡散層の平均厚さが薄くなる。また、温度が700℃超であるとSi化合物の平均サイズが120nmより大きくなり、溶体化熱処理[工程7]での未固溶のSi化合物が増加し、時効強度が低下する。適切な条件で第一時効熱処理[工程6]に次いで溶体化熱処理[工程7]を行うことで、溶体熱処理[工程7]により一度Si化合物が固溶しても、第二時効熱処理[工程9]時に拡散の広い析出状態を形成し、温度上昇に伴う強度低下が抑制でき室温強度と高温強度の差を小さくすることが可能となったと考えられる。一方、従来、例えば特許文献3では、溶体化熱処理前の析出状態により拡散層を制御することに注目しておらず、溶体化熱処理前の予備焼鈍では材料の軟化に着目し短時間の熱処理を行っているため適切な析出状態を作ることはできず、拡散層を有する析出状態を作りだすことはできないと考えられる。
【0049】
Si化合物の平均サイズは、圧延平行方向と板厚方向を含む断面を、TEM(Transmission Electron Microscope)により観察し、得られた明視野像から観測される各Si化合物について、2箇所の外縁を結ぶ最も長い直線と最も短い直線の平均値である。
なお、第一時効熱処理[工程6]により、第一冷間圧延[工程5]で得られた第一冷延板の母相中に析出形成されるSi化合物は、溶体化熱処理[工程7]及び第二時効熱処理[工程8]等を経るため、最終的に製造される銅合金板材が含むSi化合物とは平均サイズ等が異なる場合が多い。
【0050】
<溶体化熱処理[工程7]>
溶体化熱処理[工程7]では、第一時効熱処理[工程6]後に、室温から昇温し、到達温度750~980℃で0.10~10秒保持した後、冷却する。
溶体化熱処理[工程7]により、第一時効熱処理[工程6]までに生成している第二相粒子(Si化合物)を固溶させるが、温度が750℃より低いと固溶が進まず、第二時効熱処理[工程9]で拡散層を形成しづらくなるため拡散層の平均厚さが薄くなる。温度が980℃より高い場合、拡散による均一化が進み、同じく拡散層が形成しづらくなるため拡散層の平均厚さが薄くなる。また、保持時間が10秒より長い場合、固溶原子が拡散、均質化され、第二時効熱処理[工程8]で析出形成される拡散層が薄くなる。0.10秒未満の場合、拡散層が厚くなる。保持時間は、好ましくは、1~5秒であり、さらに好ましくは、1~2秒である。
【0051】
溶体化熱処理[工程7]において、昇温速度は30℃/秒以上であることが好ましい。30℃/秒未満の場合、昇温中に析出物が成長し、拡散層の平均厚さが薄くなる場合がある。昇温速度の上限は、到達温度の制御の観点から、200℃/秒以下であることが好ましい。また、冷却速度は50℃/秒以上であることが好ましい。50℃/秒未満の場合、高温からの冷却により粗大な析出物が生成し、拡散層の平均厚さが薄くなる場合がある。
【0052】
<第二時効熱処理[工程8]>
第二時効熱処理[工程8]は、溶体化熱処理[工程7]の後に行う。
第二時効熱処理[工程8]としては、例えば温度450~500℃で3~5時間程度保持する条件を採用することが好ましい。
【0053】
なお、溶体化熱処理[工程7]と第二時効熱処理[工程8]の間で、必要に応じて、追加の冷間圧延[工程11]をさらに行ってもよい。
追加の冷間圧延[工程11]では、例えば、80%以下の程度の圧延加工率の冷間圧延を施し、厚さを0.1mm~0.4mm程度にする。圧延加工率(%)は、(圧延前の板厚(mm)-圧延後の板厚(mm))/圧延前の板厚(mm)×100で求められる値である。
【0054】
<第二冷間圧延[工程9]>
第二冷間圧延[工程9]では、例えば厚さ0.09~0.36mm程度まで冷間圧延を施す。
【0055】
<調質焼鈍[10]>
調質焼鈍[10]は、伸びを含めて機械的特性の異方性を低減するための工程であり、例えば、塩浴中で、400℃程度の温度で15秒~1分程度の熱処理を行う。
【0056】
本発明の銅合金板材は、コネクタ等の接点部品の形成材として極めて有用である。
【0057】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の概念及び特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含み、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
【実施例
【0058】
次に、本発明の効果をさらに明確にするために、実施例及び比較例について説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0059】
(実施例1~23及び比較例1~8)
大気下で高周波溶解炉により、表1及び表2に示す合金成分を溶解し、これを金型モールドで鋳造して、厚さ30mm、幅100mm、長さ150mmの鋳塊を得た(溶解鋳造[工程1])。次に、大気中、1000℃、1時間の均質化[工程2]を行った後、熱間圧延[工程3]を実施し、厚さ10mmの熱延板とした直後に冷却した。次いで、面削[工程4]で、表面から1mmを面削し、酸化膜を除去した後、第一冷間圧延[工程5]で、厚さ0.4mmにした。次に、第一時効熱処理[工程6]で、表3及び表4に示す温度と時間で、アルゴン雰囲気下で、熱処理を行った後、室温まで冷却した。いずれの実施例及び比較例とも、第一時効熱処理[工程6]により、第一冷間圧延[工程5]で得られた第一冷延板の母相中に、Si化合物が析出していた。
次に、溶体化熱処理[工程7]で、室温から昇温し、表3及び表4に示す到達温度及び保持時間で熱処理し、直ちに水冷した。次に、追加の冷間圧延[工程11]で、厚さ0.1~0.38mmにした。なお、実施例17では、追加の冷間圧延[工程11]は行わなかった。次に、第二時効熱処理[工程8]で、表3及び表4に示す温度と時間で、アルゴン雰囲気下で、熱処理を行った。次に、第二冷間圧延[工程9]で、厚さ0.09~0.36mmとした。最後に、調質焼鈍[工程10]で、塩浴中で、400℃で30秒の熱処理を行った。以上により、銅合金板材を作製した。
【0060】
以下の方法により、第一時効熱処理[工程6]により形成されたSi化合物の平均サイズ、拡散層の平均厚さ、25℃及び100℃での引張強さ、導電率を求めた。結果を表1~表4に示す。
【0061】
[Si化合物の平均サイズ]
第一時効熱処理[工程6]により、析出形成されたSi化合物について、以下の方法で、
Si化合物の平均サイズを求めた。
第一時効熱処理[工程6]で室温まで冷却した銅合金板材について、圧延平行方向と板厚方向を含む断面において、100μmの圧延平行方向寸法と板厚寸法となる四角形の領域をTEM観察し、得られた明視野像から観測される各Si化合物について、2箇所の外縁を結ぶ最も長い直線と最も短い直線の平均値を、Si化合物の平均サイズとした。
【0062】
[拡散層の平均厚さ]
(試料の作製)
3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡による観察のための針状の試料の作製は、FIB(Focused Ion Beam)を用いた。FIBによる針状の試料の作製は、FEI社のHeliosG4を用いた。
銅合金板材からリフトアウト法により、数μmの小さな試料を抜き出した後、試料を支持台に接着させた。次に、円環状の加工領域に加速電圧が30kVのGaイオンビームを照射し、針の形状に形成した。30kVのGaイオンビームで試料を削ると、照射面に数10nmのダメージ層が形成されてしまうため、最後に低加速である5kVのGaイオンビームにより、このダメージ層を除去することで、200nm程度の針状の試料を得た。
銅合金板材において、圧延方向に垂直な方向に、均等な間隔をあけた5箇所でサンプリングし、上記針状の試料を5個得た。
【0063】
(3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡の条件)
3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡(3DAP装置)として、CAMECA社製のEIKOS-Xを用いた。試料は50Kに冷却して測定した。照射したレーザーの波長は532nmであり、レーザーパルスのエネルギーは20nJとした。また、針に印加させる電圧は、1~5kVとした。
各針状試料において、Si化合物を3個選択し、それぞれ母相からSi化合物にわたって観察した。
【0064】
(拡散層の平均厚さの算出)
拡散層の厚さは、プロキシグラムを用いて求めた。プロキシグラムの計算には、CAMECA社が提供する3次元アトムプローブのソフトウェアであるIVASを用いた。
Ni及びCoのうちNiのみを含む実施例1~3、10及び比較例4は、Ni濃度が5at%の等濃度面を基準としたプロキシグラムとした。また、Ni及びCoのうちCoのみを含む実施例7~9、13は、Co濃度が5at%の等濃度面を基準としたプロキシグラムとした。Ni及びCoの双方を含む実施例4~6、11、12、14~23及び比較例1~3、5~11は、Co濃度が5at%の等濃度面を基準としたプロキシグラムとした。
このプロキシグラムにおいて、Cuの濃度が20at%以上90at%以下の領域の、横軸方向の長さを、拡散層の厚さとして求めた。各針状試料5個におけるSi化合物3個に関して求められた合計15個の拡散層の厚さを平均することで、拡散層の厚さの平均値を算出した。
【0065】
[引張強さ]
銅合金板材の引張強さは、JIS 13B号試験片を用いて、JIS Z 2241:2011に基づき、室温(25℃)及び高温(100℃)の大気下で引張試験を行うことによって測定した。
【0066】
[導電率]
銅合金板材の導電率は、端子間距離を100mmとし、20℃(±0.5℃)に保たれた恒温槽中で、4端子法により比抵抗を計測して算出した。
【0067】
[評価]
100℃における引張強さが500MPa以上、25℃における引張強さと100℃における引張強さとの差が100MPa以下、且つ導電率が45%IACS以上のものを合格とした。
【0068】
【表1】
【0069】
【表2】
【0070】
【表3】
【0071】
【表4】
【0072】
表1~4の結果から、実施例1~23の銅合金板材はいずれも、合金組成が本発明の範囲内であり、且つ、Si化合物と母相との境界領域に3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡により観察される拡散層の平均厚さが0.5nm以上5.0nm以下であるため、25℃と100℃での引張強度差が100MPa以下と小さく、100℃での引張強度が500MPa以上と高く、且つ導電性が45%IACS以上と高かった。
【0073】
一方、溶体化熱処理温度が低い比較例1や、溶体化熱処理温度が高い比較例2は、拡散層の平均厚さが0.5nm未満であり、25℃と100℃との引張強度差が大きく、100℃での引張強度が低かった。溶体化熱処理の保持時間が長い比較例3は、拡散層の平均厚さが0.5nm未満であり、25℃と100℃との引張強度差が大きかった。Ni及びCoの合計量が少ない比較例4は、100℃での引張強度が低かった。(Ni+Co)/Si比が低い比較例5は、導電率が低かった。(Ni+Co)/Si比が高い比較例6は、導電率が低かった。第一時効処理時間が長く、第一時効処理で析出形成したSi化合物の平均サイズが大きい比較例7は、拡散層の平均厚さが0.5nm未満であり、25℃と100℃との引張強度差が大きく、100℃での引張強度が低かった。第一時効処理温度が低く、第一時効処理で析出形成したSi化合物の平均サイズが小さい比較例8は、溶体化処理で均質化が進んだためか、拡散層の平均厚さが0.5nm未満になり、25℃と100℃との引張強度差が大きかった。Ni及びCoの合計量が多い比較例9や、Si量が多い比較例10は、導電率が低かった。溶体化熱処理の保持時間が短い比較例11は、拡散層の平均厚さが5.0nm超であり、導電率が低かった。
【要約】
温度上昇に伴う強度低下が抑制され、高温での強度が高く、且つ導電性に優れる銅合金板材等を提供する。
Ni及びCoの少なくとも一方を合計0.5質量%以上5.0質量%以下、並びに、Siを0.10質量%以上1.50質量%以下含有し、且つ、Si含有量に対するNi及びCoの合計含有量の質量比(Ni+Co)/Siが2.00以上6.00以下であり、残部が銅及び不可避不純物からなる合金組成を有する銅合金板材であって、母相中に、Ni及びCoの少なくとも一方とSiとを含有するSi化合物を含み、Si化合物と母相との境界領域に、3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡により観察され、Ni及びCoの少なくとも一方とCuとSiとを含む拡散層を有し、拡散層の平均厚さが0.5nm以上5.0nm以下である。
図1