(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】
(24)【登録日】2024-12-16
(45)【発行日】2024-12-24
(54)【発明の名称】銅合金、銅合金塑性加工材、電子・電気機器用部品、端子、バスバー、リードフレーム、放熱基板
(51)【国際特許分類】
C22C 9/00 20060101AFI20241217BHJP
H01B 1/02 20060101ALI20241217BHJP
C22F 1/08 20060101ALN20241217BHJP
C22F 1/00 20060101ALN20241217BHJP
【FI】
C22C9/00
H01B1/02 A
C22F1/08 B
C22F1/00 611
C22F1/00 682
C22F1/00 691B
C22F1/00 683
C22F1/00 685A
C22F1/00 685Z
C22F1/00 694A
C22F1/00 686A
C22F1/00 691C
C22F1/00 691Z
C22F1/00 613
C22F1/00 660Z
C22F1/00 631Z
C22F1/00 623
C22F1/00 630K
C22F1/00 630A
C22F1/00 661A
C22F1/00 661Z
C22F1/00 651A
(21)【出願番号】P 2021022768
(22)【出願日】2021-02-16
【審査請求日】2023-10-06
(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】100149548
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100175802
【氏名又は名称】寺本 光生
(74)【代理人】
【識別番号】100142424
【氏名又は名称】細川 文広
(74)【代理人】
【識別番号】100140774
【氏名又は名称】大浪 一徳
(72)【発明者】
【氏名】森川 健二
(72)【発明者】
【氏名】船木 真一
(72)【発明者】
【氏名】牧 一誠
(72)【発明者】
【氏名】松永 裕隆
(72)【発明者】
【氏名】福岡 航世
(72)【発明者】
【氏名】森 広行
【審査官】河野 一夫
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第2017/175711(WO,A1)
【文献】特開2016-056414(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C22C 9/00
H01B 1/02
C22F 1/08
C22F 1/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
Mgの含有量が10massppm超え100massppm未満の範囲内とされ、残部がCu及び不可避不純物とした組成を有し、前記不可避不純物のうち、Sの含有量が10massppm以下、Pの含有量が10massppm以下、Seの含有量が5massppm以下、Teの含有量が5massppm以下、Sbの含有量が5massppm以下、Biの含有量が5masppm以下、Asの含有量が5masppm以下とされるとともに、SとPとSeとTeとSbとBiとAsの合計含有量が30massppm以下とされており、
Mgの含有量を〔Mg〕とし、SとPとSeとTeとSbとBiとAsの合計含有量を〔S+P+Se+Te+Sb+Bi+As〕とした場合に、これらの質量比〔Mg〕/〔S+P+Se+Te+Sb+Bi+As〕が0.6以上50以下の範囲内とされており、
導電率が97%IACS以上とされ、
残留応力率が150℃、1000時間で10%以上とされており、
結晶粒の平均粒径が1μm以上100μm以下の範囲内とされるとともに、
圧延方向に対して垂直な面(TD面)に対し、EBSD測定装置(FEI社製Quanta FEG 450, EDAX/TSL社製(現 AMETEK社)OIM DataCollection)と、解析ソフト(EDAX/TSL社製(現AMETEK社)OIM Data Analysis Ver.7.3.1)によって、電子線の加速電圧20kV、測定間隔0.11μmステップで100000μm
2
以上の面積で、CI値が0.1以下である測定点を除いて各結晶粒(双晶を含む)の方位差の解析を行い、隣接する測定点間の方位差が15°以上となる測定点間を粒界として、EBSD上のGrain SizeとしてMinimum Grain Sizeを2ピクセルとして、各結晶粒径の長径aと短径bとで表されるアスペクト比b/aが0.3以下である結晶粒の個数割合が90%以下であることを特徴とする銅合金。
【請求項2】
Agの含有量が5massppm以上20massppm以下の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の銅合金。
【請求項3】
半軟化温度が200℃以上であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の銅合金。
【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銅合金からなることを特徴とする銅合金塑性加工材。
【請求項5】
厚さが0.1mm以上10mm以下の範囲内の圧延板であることを特徴とする請求項4に記載の銅合金塑性加工材。
【請求項6】
表面に金属めっき層を有することを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の銅合金塑性加工材。
【請求項7】
請求項4から請求項6のいずれか一項に記載された銅合金塑性加工材からなることを特徴とする電子・電気機器用部品。
【請求項8】
請求項4から請求項6のいずれか一項に記載された銅合金塑性加工材からなることを特徴とする端子。
【請求項9】
請求項4から請求項6のいずれか一項に記載された銅合金塑性加工材からなることを特徴とするバスバー。
【請求項10】
請求項4から請求項6のいずれか一項に記載された銅合金塑性加工材からなることを特徴とするリードフレーム。
【請求項11】
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載された銅合金を用いて作製されたことを特徴とする放熱基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、端子、バスバー、リードフレーム、放熱基板等の電子・電気機器用部品に適した銅合金、この銅合金からなる銅合金塑性加工材、電子・電気機器用部品、端子、バスバー、リードフレーム、放熱基板に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、端子、バスバー、リードフレーム、放熱基板等の電子・電気機器用部品には、導電性の高い銅又は銅合金が用いられている。
ここで、電子機器や電気機器等の大電流化にともない、電流密度の低減およびジュール発熱による熱の拡散のために、これら電子機器や電気機器等に使用される電子・電気機器用部品の大型化、厚肉化も図られている。また、銅材の厚肉化にともない、従来の加工方法では電気・電子用部品の大きさが大きくなることが懸念される。
【0003】
ここで、大電流に対応するために、上述の電子・電気機器用部品には、導電率に優れた無酸素銅等の純銅材が適用される。しかしながら、純銅材においては、熱によるばねのへたり具合を表す耐応力緩和特性に劣っており、高温環境下で安定して使用ができないといった問題があった。
そこで、特許文献1には、Mgを0.005mass%以上0.1mass%未満の範囲で含む銅圧延板が開示されている。
【0004】
特許文献1に記載された銅圧延板においては、Mgを0.005mass%以上0.1mass%未満の範囲で含み、残部がCu及び不可避不純物からなる組成を有しているので、Mgを銅の母相中に固溶させることで、導電率を大きく低下させることなく、強度、耐応力緩和特性を向上させることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、最近では、上述の電子・電気機器用部品を構成する銅材においては、大電流が流された際の発熱を十分に抑制するために、また、純銅材が用いられていた用途に使用可能なように、導電率をさらに向上させることが求められている。
また、電気・電子部品の大きさを小さくするため、より複雑な曲げ加工が可能な材料の開発が望まれていた。
【0007】
さらに、上述の電子・電気機器用部品は、エンジンルーム等の高温環境下で使用されることが多く、電子・電気機器用部品を構成する銅材においては、従来にも増して耐応力緩和特性を向上させる必要がある。すなわち、導電率と耐応力緩和特性とをバランス良く向上させた銅材が求められている。
【0008】
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、高い導電率と優れた耐応力緩和特性を有するとともに、曲げ加工性に優れた銅合金、銅合金塑性加工材、電子・電子機器用部品、端子、バスバー、リードフレーム、放熱基板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】
この課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、高い導電率と優れた耐応力緩和特性をバランス良く両立させるためには、Mgを微量添加するとともにMgと化合物を生成する元素の含有量を規制し、さらに組成に合わせた組織制御が行うことにより、従来よりも高い水準で導電率と耐応力緩和特性とをバランス良く向上させることが可能となるとの知見を得た。
さらに、適切な組織制御によって、曲げ加工性を向上させることが可能となるとの知見を得た。
【0010】
本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであって、本発明の銅合金は、Mgの含有量が10massppm超え100massppm未満の範囲内とされ、残部がCu及び不可避不純物とした組成を有し、前記不可避不純物のうち、Sの含有量が10massppm以下、Pの含有量が10massppm以下、Seの含有量が5massppm以下、Teの含有量が5massppm以下、Sbの含有量が5massppm以下、Biの含有量が5masppm以下、Asの含有量が5masppm以下とされるとともに、SとPとSeとTeとSbとBiとAsの合計含有量が30massppm以下とされており、Mgの含有量を〔Mg〕とし、SとPとSeとTeとSbとBiとAsの合計含有量を〔S+P+Se+Te+Sb+Bi+As〕とした場合に、これらの質量比〔Mg〕/〔S+P+Se+Te+Sb+Bi+As〕が0.6以上50以下の範囲内とされており、導電率が97%IACS以上とされ、残留応力率が150℃、1000時間で10%以上とされており、結晶粒の平均粒径が1μm以上100μm以下の範囲内とされるとともに、圧延方向に対して垂直な面(TD面)に対し、EBSD測定装置(FEI社製Quanta FEG 450, EDAX/TSL社製(現 AMETEK社)OIM DataCollection)と、解析ソフト(EDAX/TSL社製(現AMETEK社)OIM Data Analysis Ver.7.3.1)によって、電子線の加速電圧20kV、測定間隔0.11μmステップで100000μm
2
以上の面積で、CI値が0.1以下である測定点を除いて各結晶粒(双晶を含む)の方位差の解析を行い、隣接する測定点間の方位差が15°以上となる測定点間を粒界として、EBSD上のGrain SizeとしてMinimum Grain Sizeを2ピクセルとして、各結晶粒径の長径aと短径bとで表されるアスペクト比b/aが0.3以下である結晶粒の個数割合が90%以下であることを特徴としている。
【0011】
この構成の銅合金によれば、Mgと、Mgと化合物を生成する元素であるS,P,Se,Te,Sb,Bi,Asの含有量が上述のように規定されており、結晶組織が上述のように規定されているので、微量添加したMgが銅の母相中に固溶することで、導電率を大きく低下させることなく耐応力緩和特性を向上させることができ、具体的には導電率を97%IACS以上、残留応力率を150℃、1000時間で10%以上とすることができ、高い導電率と優れた耐応力緩和特性とを両立することが可能となる。
また、結晶粒の平均粒径が1μm以上100μm以下の範囲内とされ、長径aと短径bとで表されるアスペクト比b/aが0.3以下である結晶粒の個数割合が90%以下とされているので、曲げ加工性に優れている。
【0012】
ここで、本発明の銅合金においては、Agの含有量が5massppm以上20massppm以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、Agを上述の範囲で含有しているので、Agが粒界近傍に偏析し、粒界拡散が抑制され、耐応力緩和特性をさらに向上させることが可能となる。
【0013】
また、本発明の銅合金においては、半軟化温度が200℃以上であることが好ましい。
この場合、半軟化温度が200℃以上とされているので、耐熱性に十分に優れており、高温環境下においても安定して使用することができる。
【0014】
本発明の銅合金塑性加工材は、上述の銅合金からなることを特徴としている。
この構成の銅合金塑性加工材によれば、上述の銅合金で構成されていることから、導電性、耐応力緩和特性、曲げ加工性に優れており、大電流用途、高温環境下で使用される端子、バスバー、リードフレーム、放熱基板等の電子・電気機器用部品の素材として特に適している。
【0015】
ここで、本発明の銅合金塑性加工材においては、厚さが0.1mm以上10mm以下の範囲内の圧延板であってもよい。
この場合、厚さが0.1mm以上10mm以下の範囲内の圧延板であることから、この銅合金塑性加工材(圧延板)に対して打ち抜き加工や曲げ加工を施すことで、端子、バスバー、リードフレーム、放熱基板等の電子・電気機器用部品を成形することができる。
【0016】
また、本発明の銅合金塑性加工材においては、表面に金属めっき層を有することが好ましい。
この場合、表面に金属めっき層を有しているので、端子、バスバー、リードフレーム、放熱基板等の電子・電気機器用部品の素材として特に適している。
なお、金属めっき層としては、例えば、Snめっき、Agめっき、Niめっき、Auめっき、Pdめっき、Rhめっき等が挙げられる。また、本発明においては、「Snめっき」は純Snめっき又はSn合金めっき、「Agめっき」は純Agめっき又はAg合金めっき、「Niめっき」は純Niめっき又はNi合金めっき、「Auめっき」は純Auめっき又はAu合金めっき、「Pdめっき」は純Pdめっき又はPd合金めっき、「Rhめっき」は純Rhめっき又はRh合金めっき、を含む。
【0017】
本発明の電子・電気機器用部品は、上述の銅合金塑性加工材からなることを特徴としている。なお、本発明における電子・電気機器用部品とは、端子、バスバー、リードフレーム、放熱基板等を含むものである。
この構成の電子・電気機器用部品は、上述の銅合金塑性加工材を用いて製造されているので、大電流用途、高温環境下においても、優れた特性を発揮することができる。
【0018】
本発明の端子は、上述の銅合金塑性加工材からなることを特徴としている。
この構成の端子は、上述の銅合金塑性加工材を用いて製造されているので、大電流用途、高温環境下においても、優れた特性を発揮することができる。
【0019】
本発明のバスバーは、上述の銅合金塑性加工材からなることを特徴としている。
この構成のバスバーは、上述の銅合金塑性加工材を用いて製造されているので、大電流用途、高温環境下においても、優れた特性を発揮することができる。
【0020】
本発明のリードフレームは、上述の銅合金塑性加工材からなることを特徴としている。
この構成のリードフレームは、上述の銅合金塑性加工材を用いて製造されているので、大電流用途、高温環境下においても、優れた特性を発揮することができる。
【0021】
本発明の放熱基板は、上述の銅合金を用いて作製されたことを特徴としている。
この構成の放熱基板は、上述の銅合金を用いて作製されているので、高温環境下においても、優れた特性を発揮することができる。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、高い導電率と優れた耐応力緩和特性を有するとともに、曲げ加工性に優れた銅合金、銅合金塑性加工材、電子・電子機器用部品、端子、バスバー、リードフレーム、放熱基板を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【
図1】本実施形態である銅合金の製造方法のフロー図である。
【
図2】実施例における本発明例14のEBSD観察結果を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下に、本発明の一実施形態である銅合金について説明する。
本実施形態である銅合金は、Mgの含有量が10massppm超え100massppm未満の範囲内とされ、残部がCu及び不可避不純物とした組成を有し、前記不可避不純物のうち、Sの含有量が10massppm以下、Pの含有量が10massppm以下、Seの含有量が5massppm以下、Teの含有量が5massppm以下、Sbの含有量が5massppm以下、Biの含有量が5masppm以下、Asの含有量が5masppm以下とされるとともに、SとPとSeとTeとSbとBiとAsの合計含有量が30massppm以下とされている。
【0025】
そして、Mgの含有量を〔Mg〕とし、SとPとSeとTeとSbとBiとAsの合計含有量を〔S+P+Se+Te+Sb+Bi+As〕とした場合に、これらの質量比〔Mg〕/〔S+P+Se+Te+Sb+Bi+As〕が0.6以上50以下の範囲内とされている。
なお、本実施形態である銅合金においては、Agの含有量が5massppm以上20massppm以下の範囲内であってもよい。
【0026】
また、本実施形態である銅合金においては、導電率が97%IACS以上とされ、残留応力率が150℃、1000時間で10%以上とされている。
なお、本実施形態である銅合金においては、半軟化温度が200℃以上であることが好ましい。
【0027】
さらに、本実施形態である銅合金においては、結晶粒の平均粒径が1μm以上100μm以下の範囲内とされている。
また、長径aと短径bとで表されるアスペクト比b/aが0.3以下である結晶粒の個数割合が90%以下とされている。
【0028】
ここで、本実施形態の銅合金において、ここで、上述のように成分組成、各種特性、結晶組織を規定した理由について以下に説明する。
【0029】
(Mg)
Mgは、銅の母相中に固溶することで、導電率を大きく低下させることなく、耐応力緩和特性を向上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、半軟化温度が向上し、耐熱性が向上する。
ここで、Mgの含有量が10massppm以下の場合には、その作用効果を十分に奏功せしめることができなくなるおそれがある。一方、Mgの含有量が100massppm以上の場合には、導電率が低下するおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、Mgの含有量を10massppm超え100massppm未満の範囲内に設定している。
【0030】
なお、耐応力緩和特性をさらに向上させるためには、Mgの含有量の下限を20massppm以上とすることが好ましく、30massppm以上とすることがさらに好ましく、40massppm以上とすることがより好ましい。
また、導電率をさらに高くするためには、Mgの含有量の上限を90massppm未満とすることが好ましく、80massppm未満とすることがさらに好ましく、70massppm未満とすることがより好ましい。
【0031】
(S,P,Se,Te,Sb,Bi,As)
上述のS,P,Se,Te,Sb,Bi,Asといった元素は、一般的に銅合金に混入しやすい元素である。そして、これらの元素は、Mgと反応し化合物を形成しやすく、微量添加したMgの固溶効果を低減するおそれがある。このため、これらの元素の含有量は厳しく制御する必要がある。
そこで、本実施形態においては、Sの含有量を10massppm以下、Pの含有量を10massppm以下、Seの含有量を5massppm以下、Teの含有量を5massppm以下、Sbの含有量を5massppm以下、Biの含有量を5masppm以下、Asの含有量を5masppm以下に制限している。
さらに、SとPとSeとTeとSbとBiとAsの合計含有量を30massppm以下に制限している。
【0032】
なお、Sの含有量は、9massppm以下であることが好ましく、8massppm以下であることがさらに好ましい。
Pの含有量は、6massppm以下であることが好ましく、3massppm以下であることがさらに好ましい。
Seの含有量は、4massppm以下であることが好ましく、2massppm以下であることがさらに好ましい。
Teの含有量は、4massppm以下であることが好ましく、2massppm以下であることがさらに好ましい。
Sbの含有量は、4massppm以下であることが好ましく、2massppm以下であることがさらに好ましい。
Biの含有量は、4massppm以下であることが好ましく、2massppm以下であることがさらに好ましい。
Asの含有量は、4massppm以下であることが好ましく、2massppm以下であることがさらに好ましい。
さらに、SとPとSeとTeとSbとBiとAsの合計含有量は、24massppm以下であることが好ましく、18massppm以下であることがさらに好ましい。
【0033】
(〔Mg〕/〔S+P+Se+Te+Sb+Bi+As〕)
上述のように、S,P,Se,Te,Sb,Bi,Asといった元素は、Mgと反応して化合物を形成しやすいことから、本実施形態においては、Mgの含有量と、SとPとSeとTeとSbとBiとAsの合計含有量との比を規定することで、Mgの存在形態を制御している。
Mgの含有量を〔Mg〕とし、SとPとSeとTeとSbとBiとAsの合計含有量を〔S+P+Se+Te+Sb+Bi+As〕とした場合に、これらの質量比〔Mg〕/〔S+P+Se+Te+Sb+Bi+As〕が50を超えると、銅中にMgが過剰に固溶状態で存在しており、導電率が低下するおそれがある。一方、質量比〔Mg〕/〔S+P+Se+Te+Sb+Bi+As〕が0.6未満では、Mgが十分に固溶しておらず、耐応力緩和特性が十分に向上しないおそれがある。
よって、本実施形態では、質量比〔Mg〕/〔S+P+Se+Te+Sb+Bi+As〕を0.6以上50以下の範囲内に設定している。
【0034】
なお、導電率をさらに高くするためには、質量比〔Mg〕/〔S+P+Se+Te+Sb+Bi+As〕の上限を35以下とすることが好ましく、25以下とすることがさらに好ましい。
また、耐応力緩和特性をさらに向上させるためには、質量比〔Mg〕/〔S+P+Se+Te+Sb+Bi+As〕の下限を0.8以上とすることが好ましく、1.0以上とすることがさらに好ましい。
【0035】
(Ag:5massppm以上20massppm以下)
Agは、250℃以下の通常の電子・電気機器の使用温度範囲ではほとんどCuの母相中に固溶することができない。このため、銅中に微量に添加されたAgは、粒界近傍に偏析することとなる。これにより粒界での原子の移動は妨げられ、粒界拡散が抑制されるため、さらに耐熱性および耐応力緩和特性が向上することになる。
ここで、Agの含有量が5massppm以上の場合には、その作用効果を十分に奏功せしめることが可能となる。一方、Agの含有量が20massppm以下である場合には、製造コストの増加を抑制することができる。
以上のことから、本実施形態においてAgを添加する場合には、Agの含有量を5massppm以上20massppm以下の範囲内に設定している。なお、Agを意図的に添加しない場合には、Agの含有量は特に制限されない。
【0036】
なお、耐熱性および耐応力緩和特性をさらに向上させるためには、Agの含有量の下限を6massppm以上とすることが好ましく、7massppm以上とすることがさらに好ましく、8massppm以上とすることがより好ましい。また、コストの増加を確実に抑制するためには、Agの含有量の上限を18massppm以下とすることが好ましく、16massppm以下とすることがさらに好ましく、14massppm以下とすることがより好ましい。
なお、Agは不可避不純物として含まれていてもよいし、意図的に添加したものであってもよい。Agを意図的に含まずに不純物として含む場合には、Agを意図的に添加しない場合には、Agの含有量は特に制限されない。
【0037】
(その他の不可避不純物)
上述した元素以外のその他の不可避的不純物としては、Al,B,Ba,Be,Ca,Cd,Cr,Sc,希土類元素,V,Nb,Ta,Mo,Ni,W,Mn,Re,Ru,Sr,Ti,Os,Co,Rh,Ir,Pb,Pd,Pt,Au,Zn,Zr,Hf,Hg,Ga,In,Ge,Y,Tl,N,Si,Sn,Li等が挙げられる。これらの不可避不純物は、特性に影響を与えない範囲で含有されていてもよい。
ここで、これらの不可避不純物は、導電率を低下させるおそれがあることから、総量で0.1mass%以下とすることが好ましく、0.05mass%以下とすることがさらに好ましく、0.03mass%以下とすることがより好ましく、さらには0.01mass%以下とすることが好ましい。
また、これらの不可避不純物のそれぞれの含有量の上限は、10massppm以下とすることが好ましく、5massppm以下とすることがさらに好ましく、2massppm以下とすることがより好ましい。
【0038】
(導電率:97%IACS以上)
本実施形態である銅合金においては、導電率が97%IACS以上とされている。導電率を97%IACS以上とすることにより、通電時の発熱を抑えて、純銅材の代替として端子、バスバー、リードフレーム、放熱基板等の電子・電気機器用部品として良好に使用することが可能となる。
なお、導電率は97.5%IACS以上であることが好ましく、98.0%IACS以上であることがさらに好ましく、98.5%IACS以上であることがより好ましく、99.0%IACS以上であることがより一層好ましい。
【0039】
(残留応力率(150℃、1000時間):10%以上)
本実施形態である銅合金においては、残留応力率が150℃、1000時間で10%以上とされている。この条件における残留応力率が高い場合には、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、本実施形態である銅圧延板は、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等として適用することが可能となる。
なお、上述の残留応力率は、150℃、1000時間で、20%以上とすることが好ましく、30%以上とすることがさらに好ましく、40%以上とすることがより好ましく、50%以上とすることが一層好ましい。
【0040】
(半軟化温度:200℃以上)
本実施形態である銅合金において、半軟化温度が高い場合には、高温でも銅材の回復、再結晶による軟化現象が起きにくいことから、高温環境下で使用される通電部材への適用が可能となる。
このため、本実施形態においては、1時間の熱処理での半軟化温度が200℃以上とされていることが好ましい。本実施形態では、半軟化温度は、ビッカース硬度を測定することにより評価した。
なお、1時間の熱処理での半軟化温度は、225℃以上であることがさらに好ましく、250℃以上であることがより好ましく、275℃以上であることが一層好ましい。
【0041】
(結晶粒の平均粒径)
上述の組成の銅合金において、結晶粒の平均粒径が微細であると、耐力および曲げ加工性が向上するが、耐応力緩和特性が低下する傾向となる。一方、結晶粒の平均粒径が粗大であると、耐応力緩和特性が向上するが、耐力および曲げ加工性が低下する傾向となる。
このため、本実施形態である銅合金においては、耐力および曲げ加工性、耐応力緩和特性をバランス良く両立するために、結晶粒の平均粒径を1μm以上100μm以下の範囲内に設定している。
なお、耐応力緩和特性を十分に向上させるためには、結晶粒の平均粒径の下限を3μm以上とすることが好ましく、5μm以上とすることがより好ましく、10μm以上とすることがさらに好ましい。一方、耐力および曲げ加工性を十分に向上させるためには、結晶粒の平均粒径の上限を90μm以下とすることが好ましく、80μm以下とすることがより好ましく、70μm以下とすることがさらに好ましい。
【0042】
(アスペクト比b/aが0.3以下である結晶粒の個数割合)
結晶粒(双晶を含む)の長径aと短径bで表されるアスペクト比b/aは、材料の加工度を表す指標であり、アスペクト比b/aが小さい結晶粒の個数割合が高くなるほど加工度も高くなる。このため、高い加工ひずみの結晶が存在している割合が高くなり、曲げ加工性が低下する傾向にある。
そこで、本実施形態では、アスペクト比b/aが0.3以下となる結晶粒の個数割合を90%以下に制御することで、耐力を維持したまま曲げ加工性を向上している。
なお、アスペクト比b/aが0.3以下となる結晶粒の個数割合は、85%以下であることが好ましく、80%以下であることがさらに好ましい。
【0043】
次に、このような構成とされた本実施形態である銅合金の製造方法について、
図1に示すフロー図を参照して説明する。
【0044】
(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、各種元素の添加には、元素単体や母合金等を用いることができる。また、上述の元素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およびスクラップ材を用いてもよい。
ここで、銅原料は、純度が99.99mass%以上とされたいわゆる4NCu、あるいは99.999mass%以上とされたいわゆる5NCuとすることが好ましい。
溶解時においては、Mgの酸化を抑制するため、また水素濃度低減のため、H2Oの蒸気圧が低い不活性ガス雰囲気(例えばArガス)による雰囲気溶解を行い、溶解時の保持時間は最小限に留めることが好ましい。
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、連続鋳造法または半連続鋳造法を用いることが好ましい。
【0045】
(均質化/溶体化工程S02)
次に、得られた鋳塊の均質化およ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がある。そこで、これらの偏析および金属間化合物等を消失または低減させるために、鋳塊を300℃以上1080℃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。なお、この均質化/溶体化工程S02は、非酸化性または還元性雰囲気中で実施することが好ましい。
【0046】
ここで、加熱温度が300℃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1080℃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300℃以上1080℃以下の範囲に設定している。
なお、後述する粗加工の効率化と組織の均一化のために、前述の均質化/溶体化工程S02の後に熱間加工を実施してもよい。この場合、加工方法に特に限定はなく、例えば圧延、引抜、押出、溝圧延、鍛造、プレス等を採用することができる。また、熱間加工温度は、300℃以上1080℃以下の範囲内とすることが好ましい。
【0047】
(粗加工工程S03)
所定の形状に加工するために、粗加工を行う。なお、この粗加工工程S03における温度条件は特に限定はないが、再結晶を抑制するために、あるいは寸法精度の向上のため、冷間または温間圧延となる-200℃から200℃の範囲内とすることが好ましく、特に常温が好ましい。加工率については、20%以上が好ましく、30%以上がさらに好ましい。また、加工方法については、特に限定はなく、例えば圧延、引抜、押出、溝圧延、鍛造、プレス等を採用することができる。
【0048】
(中間熱処理工程S04)
粗加工工程S03後に、加工性向上のための軟化、または再結晶組織にするために熱処理を実施する。
ここで、中間熱処理工程S04においては、適切な結晶粒径を得るために、加熱温度、加熱時間の条件を適宜設定することが好ましく、通常は、加熱温度を200℃以上900℃以下、加熱時間を1秒以上24時間以下とすればよい。ただし、結晶粒径は曲げ加工性や耐応力緩和特性にある程度の影響を与えることから、中間熱処理による再結晶粒を測定して、加熱温度、加熱時間の条件を適切に選択することが望ましい。
なお、連続焼鈍炉による短時間の熱処理が好ましく、Agが添加された場合には、Agの粒界への偏析の局在化を防ぐことができる。加えて、Agの粒界への偏析をより均一にするために、中間熱処理工程S04と後述する上前加工工程S05を繰り返し実施してもよい。
【0049】
(上前加工工程S05)
中間熱処理工程S04後の銅素材を所定の形状に加工するため、上前加工を行う。なお、この上前加工工程S05における温度条件は特に限定はないが、加工時の再結晶を抑制するため、または軟化を抑制するために冷間、または温間加工となる-200℃から200℃の範囲内とすることが好ましく、特に常温が好ましい。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5%以上とすることが好ましい。また、圧延加工を選択した場合、コイルに巻き取った際の巻き癖を防止するために耐力を450MPa以下とするには、圧延率は90%以下とすることが好ましい。
さらに、加工率90%を超えれば、アスペクト比0.3以下となる結晶粒の個数割合が90%以下にならず、加工組織となるため、曲げ加工性が低下してしまうおそれがある。そのため、加工率は90%以下とすることが好ましい。
なお、加工方法については、特に限定はなく、例えば圧延、引抜、押出、溝圧延、鍛造、プレス等を採用することができる。
【0050】
(機械的表面処理工程S06)
上前加工工程S05後に、機械的表面処理を行う。機械的表面処理は、所望の形状がほぼ得られた後に表面近傍に圧縮応力を与える処理であり、耐応力緩和特性を向上させる効果がある。
機械的表面処理は、ショットピーニング処理、ブラスト処理、ラッピング処理、ポリッシング処理、バフ研磨、グラインダー研磨、サンドペーパー研磨、テンションレベラー処理、1パス当りの圧下率が低い軽圧延(1パス当たりの圧下率1~10%とし3回以上繰り返す)など一般的に使用される種々の方法が使用できる。
Mgを添加した銅合金に、この機械的表面処理を加えることで、耐応力緩和特性が大きく向上することになる。
【0051】
(仕上熱処理工程S07)
次に、機械的表面処理工程S06によって得られた塑性加工材に対して、含有元素の粒界への偏析および残留ひずみの除去のため、仕上熱処理を実施してもよい。
熱処理温度は、100℃以上500℃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、再結晶による強度の大幅な低下を避けるように、熱処理条件を設定する必要がある。例えば450℃では0.1秒から10秒程度保持、250℃では1分から100時間とすることが好ましい。この熱処理は、非酸化雰囲気または還元性雰囲気中で行うことが好ましい。熱処理の方法は特に限定はないが、製造コスト低減の効果から、連続焼鈍炉による短時間の熱処理が好ましい。
さらに、上述の上前加工工程S05、機械的表面処理工程S06、仕上熱処理工程S07を、繰り返し実施してもよい。
【0052】
このようにして、本実施形態である銅合金(銅合金塑性加工材)が製出されることになる。なお、圧延により製出された銅合金塑性加工材を銅合金圧延板という。
ここで、銅合金塑性加工材の板厚を0.1mm以上とした場合には、大電流用途での導体としての使用には適している。また、銅合金塑性加工材の板厚を10.0mm以下とすることにより、プレス機の荷重の増大を抑制し、単位時間あたりの生産性を確保することができ、製造コストを抑えることができる。
このため、銅合金塑性加工材(銅合金圧延材)の板厚は0.1mm以上10.0mm以下の範囲内とすることが好ましい。
なお、銅合金塑性加工材(銅合金圧延材)の板厚の下限は0.5mm以上とすることが好ましく、1.0mm以上とすることがより好ましい。一方、銅合金塑性加工材(銅合金圧延材)の板厚の上限は9.0mm未満とすることが好ましく、8.0mm未満とすることがより好ましい。
また、本実施形態である銅合金塑性加工材(銅合金圧延材)の表面に金属めっき層(例えば、Snめっき、Agめっき、Niめっき、Auめっき、Pdめっき、Rhめっき等)を形成してもよい。
【0053】
以上のような構成とされた本実施形態である銅合金においては、Mgの含有量が10massppm超え100massppm未満の範囲内とされ、Mgと化合物を生成する元素であるSの含有量を10massppm以下、Pの含有量を10massppm以下、Seの含有量を5massppm以下、Teの含有量を5massppm以下、Sbの含有量を5massppm以下、Biの含有量を5masppm以下、Asの含有量を5masppm以下、さらに、SとPとSeとTeとSbとBiとAsの合計含有量を30massppm以下に制限しているので、微量添加したMgを銅の母相中に固溶させることができ、導電率を大きく低下させることなく、耐応力緩和特性を向上させることが可能となる。
【0054】
また、Mgの含有量を〔Mg〕とし、SとPとSeとTeとSbとBiとAsの合計含有量を〔S+P+Se+Te+Sb+Bi+As〕とした場合に、これらの質量比〔Mg〕/〔S+P+Se+Te+Sb+Bi+As〕が0.6以上50以下の範囲内に設定しているので、Mgが過剰に固溶して導電率を低下させることなく耐応力緩和特性を十分に向上させることが可能となる。
さらに、結晶粒の平均粒径を1μm以上100μm以下の範囲内としているので、耐力および曲げ加工性、耐応力緩和特性をバランス良く両立することができる。
よって、本実施形態の銅合金によれば、導電率を97%IACS以上、残留応力率を150℃、1000時間で10%以上とすることができ、高い導電率と優れた耐応力緩和特性とを両立することが可能となる。
【0055】
そして、結晶粒の平均粒径が1μm以上100μm以下の範囲内とされ、長径aと短径bとで表されるアスペクト比b/aが0.3以下である結晶粒の個数割合が90%以下とされているので、曲げ加工性に優れている。
【0056】
さらに、本実施形態の銅合金において、Agの含有量が5massppm以上20massppm以下の範囲内とされている場合には、Agが粒界近傍に偏析することになり、このAgによって粒界拡散が抑制され、耐応力緩和特性をさらに向上させることが可能となる。
また、本実施形態の銅合金において、半軟化温度が200℃以上である場合には、耐熱性に十分に優れており、高温環境下においても安定して使用することができる。
【0057】
本実施形態である銅合金塑性加工材は、上述の銅合金で構成されていることから、導電性、耐応力緩和特性、曲げ加工性に優れており、端子、バスバー、リードフレーム、放熱基板等の電子・電気機器用部品の素材として特に適している。
また、本実施形態である銅合金塑性加工材を、厚さが0.1mm以上10mm以下の範囲内の圧延板とした場合には、銅合金塑性加工材(圧延板)に対して打ち抜き加工や曲げ加工を施すことで、端子、バスバー、リードフレーム、放熱基板等の電子・電気機器用部品を比較的容易に成形することができる。
なお、本実施形態である銅合金塑性加工材の表面に金属めっき層(例えば、Snめっき、Agめっき、Niめっき、Auめっき、Pdめっき、Rhめっき等)を形成した場合には、端子、バスバー、放熱基板等の電子・電気機器用部品の素材として特に適している。
【0058】
さらに、本実施形態である電子・電気機器用部品(端子、バスバー、リードフレーム、放熱基板等)は、上述の銅合金塑性加工材および銅合金で構成されているので、大電流用途、高温環境下においても、優れた特性を発揮することができる。
【0059】
以上、本発明の実施形態である銅合金、銅合金塑性加工材、電子・電気機器用部品(端子、バスバー、リードフレーム等)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、銅合金(銅合金塑性加工材)の製造方法の一例について説明したが、銅合金の製造方法は、実施形態に記載したもの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】
【0060】
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。
帯溶融精製法により得られた純度99.999mass%以上の純銅からなる原料を、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、6N(純度99.9999mass%)以上の高純度銅と2N(純度99mass%)以上の純度を有する純金属を用いて作製した各種0.1mass%母合金を添加して成分調整し、断熱材(イソウール)鋳型に注湯することにより、表1,2に示す成分組成の鋳塊を製出した。なお、鋳塊の大きさは、厚さ約30mm×幅約60mm×長さ約150~200mmとした。
【0061】
得られた鋳塊に対して、Mgの溶体化のため、Arガス雰囲気中において、900℃、1時間の加熱を行い、酸化被膜を除去するために表面研削を実施し、所定の大きさに切断を行った。
その後、適宜最終厚みになる様に厚みを調整して切断を行った。切断されたそれぞれの試料は表3,4に記載の条件で粗圧延(粗加工工程)を行った後、表3,4に記載の条件で中間熱処理を実施した。
【0062】
次に、表3,4に記載された条件にて上前圧延(上前加工工程)を実施した。
そして、これらの試料に表3,4に記載された手法で機械的表面処理工程を施した。
なお、バフ研磨は♯1000の研磨紙を用いて行った。
テンションレベラーはφ16mmのロールを複数備えたテンションレベラーを用い、ラインテンション300N/mm2にて実施した。
軽圧延(1パス当りの圧下率が低い圧延)は、最終3パスを1パス当たりの圧下率を4%として実施した。
その後、表3,4に記載の条件で仕上熱処理を行い、それぞれ表3,4に記載された厚さ×幅約60mmの条材を製出した。
【0063】
得られた条材について、以下の項目について評価を実施した。
【0064】
(組成分析)
得られた鋳塊から測定試料を採取し、Mgは誘導結合プラズマ発光分光分析法で、その他の元素はグロー放電質量分析装置(GD-MS)を用いて測定した。
なお、測定は試料中央部と幅方向端部の2カ所で測定を行い、含有量の多い方をそのサンプルの含有量とした。その結果、表1,2に示す成分組成であることを確認した。
【0065】
(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。評価結果を表5,6に示す。
【0066】
(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1000時間保持後の残留応力率を測定した。評価結果を表5,6に示す。
試験方法としては、各特性評価用条材から圧延方向に対して平行な方向に試験片(幅10mm)を採取し、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)=1.5Etδ0/Ls
2
ただし、
E:ヤング率(MPa)
t:試料の厚さ(mm)
δ0:初期たわみ変位(mm)
Ls:スパン長さ(mm)
である。
150℃の温度で、1000時間保持後の曲げ癖から、残留応力率を測定し、耐応力緩和特性を評価した。なお残留応力率は次式を用いて算出した。
残留応力率(%)=(1-δt/δ0)×100
ただし、
δt:150℃で1000時間保持後の永久たわみ変位(mm)-常温で24時間保持後の永久たわみ変位(mm)
δ0:初期たわみ変位(mm)
である。
【0067】
(結晶粒の平均粒径)
圧延の幅方向に対して垂直な面、すなわちTD面(Transverse direction)を観察面として、耐水研磨紙、ダイヤモンド砥粒を用いて機械研磨を行った後、コロイダルシリカ溶液を用いて仕上げ研磨を行った。研磨後、腐食液として硫酸と硝酸の混合液を用いてエッチングを行い、光学顕微鏡にて金属組織を観察した。結晶粒径は、JIS H 0501の切断法に準拠し、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平均粒径とした。評価結果を表5,6に示す。
【0068】
(アスペクト比)
特性評価用条材の圧延方向に対して垂直な面(TD面)に対し、耐水研磨紙、ダイヤモンド砥粒を用いて機械研磨を行った後、コロイダルシリカ溶液を用いて仕上げ研磨を行った。そして、EBSD測定装置(FEI社製Quanta FEG 450, EDAX/TSL社製(現 AMETEK社)OIM DataCollection)と、解析ソフト(EDAX/TSL社製(現AMETEK社)OIM Data Analysis
Ver.7.3.1)によって、電子線の加速電圧20kV、測定間隔0.11μmステップで100000μm2以上の面積で、CI値が0.1以下である測定点を除いて各結晶粒(双晶を含む)の方位差の解析を行い、隣接する測定点間の方位差が15°以上となる測定点間を粒界として、各結晶粒径の長径をa、短径をbとしたとき、b/aであらわされるアスペクト比を測定した。また、アスペクト比の測定ではEBSD上のGrain Sizeとして、Grain Tolerance Angleを5°、Minimum Grain Sizeを2ピクセルとして測定した。
そして、アスペクト比b/aが0.3以下となる結晶粒の個数割合を測定した。評価結果を表5,6に示す。また、本発明例14のEBSD観察結果を
図2に示す。
【0069】
(半軟化温度)
半軟化温度は日本伸銅協会のJCBA T325:2013を参考に、1時間の熱処理でのビッカース硬度による等時軟化曲線を取得し、熱処理前の硬度と完全に軟化した際の硬度の中間値を求めることで評価した。なお、ビッカース硬度の測定面は圧延面とした。評価結果を表5,6に示す。
【0070】
(曲げ加工性)
厚さが0.8mm未満の試料は、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垂直になるように、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90度、特性評価用条材の厚みが同じ曲げ半径のW型の治具を用い、W曲げ試験を行った。
また、厚み0.8mm以上の試料は日本工業規格JIS-Z2248の金属材料曲げ試験方法に準拠して曲げ試験を行った。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20mm×長さ30mmの試験片を複数採取し、Vブロック法にて曲げ角度90度、内側半径が1.0mmのVブロックを用い、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割れが観察された場合は「C」、割れは観察されないが、しわが観察された場合は「B」、破断や微細な割れを確認できない場合を「A」として判定を行った。評価結果を表5,6に示す。
【0071】
(機械的特性)
特性評価用条材からJIS Z 2241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。評価結果を表5,6に示す。
【0072】
【0073】
【0074】
【0075】
【0076】
【0077】
【0078】
比較例1は、Mgの含有量が本発明の範囲よりも少ないため、残留応力率が低く、耐応力緩和特性が不十分であった。また、半軟化温度が低く、耐熱性も不十分であった。
比較例2は、Mgの含有量が本発明の範囲を超えており、導電率が低くなった。
比較例3は、SとPとSeとTeとSbとBiとAsの合計含有量が30massppmを超えており、残留応力率が低く、耐応力緩和特性が不十分であった。
比較例4は、質量比〔Mg〕/〔S+P+Se+Te+Sb+Bi+As〕が0.6未満であり、残留応力率が低く、耐応力緩和特性が不十分であった。
比較例5は、結晶の平均粒径が100μmを超えており、曲げ加工性が不十分であった。
比較例6は、結晶の平均粒径が1μm未満であり、残留応力率が低く、耐応力緩和特性が不十分であった。
比較例7は、アスペクト比b/aが0.3以下となる結晶粒の個数割合が90%を超えており、曲げ加工性が不十分であった。
【0079】
これに対して、本発明例1~24においては、導電率と耐応力緩和特性とがバランス良く向上されていることが確認された。また、曲げ加工性にも十分優れていた。
以上のことから、本発明例によれば、高い導電率と優れた耐応力緩和特性とを有するとともに、曲げ加工性に優れた銅合金を提供可能であることが確認された。