CN101842852A - 电子设备用导体线材以及使用该线材的配线用电线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电子设备用导体线材，其由铜合金材料构成，所述铜合金材料含有0.5～3.0质量％的钴、0.1～1.0质量％的硅，余量为铜和不可避免的杂质。另外，所述导体线材还可以含有0.1～3.0质量％的镍；并可以进一步含有选自铁、银、铬、锆和钛中的1种或2种以上的元素，且它们的总含量为0.05～1.0质量％；此外，还可以含有选自0.05～0.5质量％的镁、0.1～2.5质量％的锌、0.1～2.0质量的锡、0.01～0.5质量％的锰和0.01～0.5质量％的铝中的1种或2种以上，且它们的总含量为0.01～3.0质量。

Description

电子设备用导体线材以及使用该线材的配线用电线
技术领域
本发明涉及电子设备用导体线材以及使用该线材的配线用电线。
背景技术
以往，作为电子设备用途、汽车的配线用电线、机器人用配线材料，主要使用的是JIS C3102中所规定的软铜线、或者是将对上述软铜线施加镀锡而得到的线加以捻合，然后再在该捻线导体上同心圆状地包覆氯乙烯/交联聚乙烯等绝缘体而得到的电线。
另外，还有在部分电子设备上以未被覆的状态与连接器(雌)嵌合的类型。在这些类型中，上述所示的软铜线使用了强度不足，但导电性较纯铜低的合金线，例如，JIS-C2700W(黄铜)、C5191W(磷青铜)或JIS-C1940W(掺杂有铁的铜)、C7025W(科森合金铜)、C1720W(铍铜)等。
此外，在汽车中装载的各种控制电路在近年来日益增加，其配线部位的数目也增多。特别是在汽车配线电路中，用于控制等的信号电流电路所占的比例不断增加。因此，所使用的电线重量增加，并且对电线的接合部等的耐久性、长期通电性的可靠性的要求也进一步增加。鉴于这样的状况，并从节省能源的观点开考虑，要求能够确保如上所述的可靠性，并且还要求电线重量轻量化。
在电子设备的用途中，由于所使用的电流的频率逐年增高，因此越来越期盼导电性高的材料，此外，由于同样的轻量化和可靠性的要求，期望可承受高的接触压力的高强度材料。
另一方面，还要求用来适应嵌合部分产生的发热问题的高导电性。电线和导体除了具有导电的目的之外，还具有将嵌合部分所产生的热加以排除的功能(例如，参照非专利文献1)。也就是说，由于透过导体部分有助于散热的作用，因此可实现抑制起火或伴随发热而产生的劣化的重要功能。
以往的使用纯铜的电线导体，尽管通电容量足够充分，但由于电线导体本身及其端子压接部的机械强度较弱，因此难以细径化。
另一方面，就合金线的情况而言，虽可得到充分的强度，但会存在导电性低的问题。关于合金线的制造，公开了对高强度与细线化进行尝试的合金线的制造方法(例如，参照专利文献1)，另外，还公开了通过捻合多根铜合金线与硬铜线以制成不易留下卷绕痕迹，来尝试改善机械、电特性的合金线的制造方法(例如，参照专利文献2)。然而，这些方法制造的合金线都存在如下缺点：在电线之间的接合部或作为引线使用时的焊料接合部容易脱离等。此外，专利文献3、4所记载的合金线不能得到具有所期望的强度和导电性的材料。
另外，为了应用于广泛用途，必须是廉价的材料。如果使用特殊的熔融方法(真空熔化炉)或粉末冶金法等，则成本将会增加(例如，参照专利文献5)。
非专利文献1：古河电工时报第81号p123
专利文献1：日本特开平6-60722号公报
专利文献2：日本特开平11-224538号公报
专利文献3：日本特开2001-316741号公报
专利文献4：日本特开2007-157509号公报
专利文献5：日本特开平10-140267号公报
发明内容
本发明人等进行深入研究的结果发现，通过特定组成的铜合金，可制得高强度且高导电性的材料。本发明就是鉴于此而完成的。
即，本发明提供以下的电子设备用导体线材和配线用电线。
(1)一种电子设备用导体线材，其由铜合金材料构成，所述铜合金材料含有0.5～3.0质量％的钴、0.1～1.0质量％的硅，余量为铜和不可避免的杂质。
(2)上述(1)所述的电子设备用导体线材，其中，所述铜合金材料还含有0.1～3.0质量％的镍。
(3)上述(1)或(2)所述的电子设备用导体线材，其中，所述铜合金材料还含有选自铁、银、铬、锆和钛中的1种或2种以上的元素，且它们的总含量为0.05～1.0质量％。
(4)上述(1)～(3)中任一项所述的电子设备用导体线材，其中，所述铜合金材料还含有选自0.05～0.5质量％的镁、0.1～2.5质量％的锌、0.1～2.0质量的锡、0.01～0.5质量％的锰和0.01～0.5质量％的铝中的1种或2种以上，且它们的总含量为0.01～3.0质量％。
(5)上述(1)～(4)中任一项所述的电子设备用导体线材，其时效热处理前与时效热处理后的冷加工率的总和为99％以上。
(6)一种配线用电线，其是将多根上述(1)～(5)中任一项所述的电子设备用导体线材捻合而成的。
本发明的上述及其它特征与优点，可由下面的记载而明确。
具体实施方式
下面，对本发明的电子设备用导体线材进行详细说明。
首先，对于本发明的电子设备用导体线材所使用的铜(Cu)合金的各合金元素及合金组成，结合其作用效果进行详细说明。
钴(Co)与硅(Si)是可以通过控制其添加量比而在基质中形成Co-Si析出物(CoSi、Co2Si、COSi2)来进行析出强化、并可以通过其添加来提高铜合金的强度的元素。钴的含量为0.5～3.0质量％，优选为1.0～2.0质量％。如果钴的量过少，则其析出固化量小而导致强度不足。而钴的量过多时，其效果会达到饱和。
已知当硅以质量％计算时，其添加量为钴的添加量的大约1～1/2时，强化量会增大。鉴于此点，在本发明的电子设备用导体线材中，硅的含量为0.1～1.0质量％，更优选为0.3～0.8质量％。
对于镍(Ni)而言，与钴同样地，会与硅形成析出物(Ni-Si、Ni2Si)。另外，部分镍与钴进行置换，生成三元化合物(Ni-Co-Si系)，均可以提高铜合金的强度。当含有镍时，其含量优选为0.1～3.0质量％，更优选为0.5～1.5质量％。如果镍的量过少，则其析出固化量小而有时会导致强度不足。而镍的量过多时，其效果会达到饱和。另外，过剩含量的镍会固溶于铜母相中而损害导电性。
铁(Fe)、银(Ag)、铬(Cr)、钴(Zr)、钛(Ti)均是会在铜母相中自行析出而具有强化作用的元素。含有该等元素时，它们的总含量优选为0.05～1.0质量％，更优选为0.1～0.5质量％。如果这些元素的含量过少，则有时无法得到充分的强化量，相反，如果这些元素的含量过多，则会损害加工性(产生裂纹、断线等)。
镁(Mg)、锌(Zn)、锡(Sn)、锰(Mn)、铝(Al)都是会固溶在铜母相中而发挥固溶强化作用的元素。虽然只要添加就会提高强度，但相反地，如果这些元素的含量过多，则会损害导电性。
含有镁时，其含量优选为0.05～0.5质量％，更优选为0.1～0.5质量％。
含有锌时，其含量优选为0.1～2.5质量％，更优选为0.3～1.0质量％。
含有锡时，其含量优选为0.1～2.0质量％，更优选为0.2～1.0质量％。
含有锰时，其含量优选为0.01～0.5质量％，更优选为0.05～0.2质量％。
含有铝时，其含量优选为0.01～0.5质量％，更优选为0.05～0.2质量％。
当含有选自这些镁、锌、锡、锰和铝中的至少1种元素时，该至少1种元素的总含量优选为0.01～3.0质量％，更优选为0.05～1.0质量％。
本发明的电气电子设备用的配线电线导体所使用的铜合金线材可按照通常的方法来制造。例如，可以按照下述方法来制造。即，将配合有所需金属的原料加以熔解，然后进行铸造来制作铸块。接着，由于在该铸块中存在熔解铸造时所产生的粗大的结晶物、析出物(均大于1μm)，因此，为了使上述结晶物、析出物再次固溶，进行在800～1000℃保持0.1～2小时的被称为均质化处理的热处理。在该热处理之后，进行热挤出或轧制，然后立即进行骤冷。由此，可使晶粒微细化，并可以提供抑制了粗大析出物的形成的热加工材料。在热挤出之后，优选立即进行水中淬火。此外，将铸造的铸块直接连续地进行热加工的方法(SCR法等)也可以适用于本发明。
以此方式，例如可制造圆棒，然后将其拉伸至既定的直径以制成导体线材。这样获得的导体线材，在径向产生的应变几乎是均匀的，因此具有例如在压接端子时压接强度稳定的优点。但是，本发明的导体线材并不限于上述的圆棒、拉伸加工，也可以根据目标用途来成型加工成所需的大小、形状。
为了得到高强度且高导电性的材料，通常会利用使用了析出强化和加工强化的强化机构。
就本发明中使用的合金而言，通过使其在析出热处理(所谓的时效热处理)前后的冷加工率的总和优选为99％以上、更优选为99.3～99.9％、进一步优选为99.5～99.9％，可以得到高强度高导电性的电气设备用导体线材。所谓冷加工，是指在无加热的情况下对材料进行加工的方法，上述所示的热加工(挤出)不是冷加工。在本发明中，作为时效热处理的条件，优选在300～600℃进行0.5～4小时。此外，当时效热处理前的冷加工率≤50％时，优选在500～600℃下进行；当冷加工率≤90％时，优选在400～500℃下进行；当冷加工率＞90％时，优选在300～450℃下进行。然而，任何一种情况都要调节加工率以使时效热处理前与时效热处理后的冷加工率之和(≈由热加工至完成制品为止的加工率)≥99％，由此，可制成强度与导电率的平衡良好的材料。
另外，如果分成几次来进行时效热处理，则可进一步提高导电性的特性。例如，对热轧后的材料进行550℃×2小时的热处理，接着进行90％的冷加工，再进行400℃×1小时的热处理，然后再次进行90％的冷加工，总的加工率(由热加工至完成制品为止的加工率)为99％的材料，可制成较1次时效热处理的材料具有更高导电性的材料。
需要说明的是，这里所说的加工率是加工前的材料的截面积与加工后的截面积之差除以加工前的截面积而得到的百分率。
接着，对本发明的配线用电线进行说明。
当本发明为捻线时，可以按照通常的方法将多根捻合(优选捻合3～20根)来制成本发明的配线用电线。本发明的配线用电线的形态、大小没有特别限定，可根据目标用途加工成所需的形态、大小，也可以进一步包覆绝缘体材料等。此外，本发明的配线用电线还可以在进一步压缩后，在例如300～550℃进行1～5小时的时效退火。
由此，本发明所使用的电气电子设备用导体通过在Cu-Co-Si合金中根据需要添加指定量的各种元素，可发挥出高强度及高导电性，不仅适用于电气电子设备用途的线材以及使用该线材的配线用电线，还适用于外端子、插头(peen)、汽车用配线束(wire harness)等。
本发明的电子设备用导体线材的拉伸强度(TS)为600MPa以上，可以制成导电率为40％IACS以上的高强度高导电线材，可以无需特殊的熔解方法或拉线方法等而廉价地制造。
另外，本发明的电子设备用线材具有优异的强度及导电性，可适用于要求高强度化、高导电化的电气电子设备用途及配线用电线。
此外，根据本发明，在因冲击荷重作用等而必须使材料伸长的用途中，通过在冷加工至所希望的尺寸后实施时效热处理，可以得到伸长率为5％以上、拉伸强度(TS)为400MPa以上、导电率为40％IACS以上的导体线材。特别是在汽车、机器人等的配线用途中，通过将多根本发明的导体线材加以捻合后进行压缩、再实施时效热处理，可以得到伸长率值高的配线用电线。这里，就对导体线材进行加工时的时效热处理、与该时效热处理前后的冷加工时的加工率的总和、以及将多根导体线材捻合后所进行的时效热处理而言，分别优选在上述的优选条件下进行。
实施例
下面，基于实施例更详细地说明本发明，但本发明并不限于这些实施例。
[实施例1]
按照下述表1～2中所示的合金组成将各金属材料在高频熔炉及大气熔解炉中熔解，铸造坯料。接着，对上述坯料进行900℃×1小时的均质化处理，然后进行热挤出，再立即进行水中淬火，得到圆棒(直径20mm)。接着，对该圆棒以低温进行拉线，制得各种线径的材料。将该具有各种线径的线材在各种热处理条件下进行热处理后，进行低温拉线。另外，根据需要准备经过反复进行时效热处理与低温拉线步骤而制作的试样。
需要说明的是，具有本发明所规定的范围的合金组成者为本发明例，而合金组成为上述规定范围之外者则表示为比较例。
对于这样获得的各种电线试样，按照下述方法测定[1]拉伸强度、[2]导电率。各项目的测定方法如下所示。
[1]拉伸强度(TS)
基于JIS Z 2241标准，对各电线试样各3根测定拉伸强度，其平均值(MPa)示于表3～4。
[2]导电率(EC)
使用四端子法，在控制于20℃(±1℃)的恒温槽中对各电线试样各2条测定导电率，其平均值(％IACS)示于表3～4。此时的端子间距离为100mm。
表1所示的材料No.1～30为具有本发明的合金成分的本发明例，表2所示的材料No.101～118为比较例。
表2中，材料No.101、102及113～116为上述第(1)项的发明(本发明例材料No.1～5)的比较例；材料No.103为上述第(2)项的发明(本发明例材料No.6～8)的比较例；材料No.104～107为上述第(3)项的发明(本发明例材料No.9～13、23)的比较例；材料No.108～112、117及118为上述第(4)项的发明(本发明例材料No.14～18、20～22及24～30)的比较例。
表1～2中，数值的单位为质量％，余量为铜和不可避免的杂质。
[表1]
  No.   Co   Si   Ni   Fe   Ag   Cr   Zr   Ti   其它
  1   0.6   0.15
  2   1.1   0.35
  3   1.45   0.67
  4   2.3   0.84
  5   2.75   0.93
  6   1   0.6   1.5
  7   0.5   0.5   2
  8   1.5   0.77   0.25
  9   1.4   0.45   0.3
  10   1.4   0.44   0.1
  11   1.4   0.44   0.25
  12   1.55   0.54   0.43
  13   1.34   0.41   0.2
  14   1.2   0.33   Mg＝0.2
  15   1.3   0.35   Zn＝0.3
  No.   Co   Si   Ni   Fe   Ag   Cr   Zr   Ti   其它
  16   1.2   0.4   Sn＝0.15
  17   1.4   0.24   Mn＝0.05
  18   1.3   0.28   Al＝0.03
  19   1.4   0.34   0.2   0.1
  20   1.5   0.45   0.15   Mg＝0.15，Sn＝0.1
  21   1.6   0.58   Sn＝0.2，Zn＝0.2
  22   1.3   0.4   1.4   Mn＝0.06
  23   1.1   0.38   0.12
  24   0.9   0.28   0.11   Mg＝0.2，Sn＝0.1，Zn＝0.2
  25   0.55   0.19   0.15   Mg＝0.1
  26   0.69   0.4   0.5   0.1   Sn＝0.11，Zn＝0.4
  27   0.84   0.45   0.45   0.15   0.1   0.1   Zn＝0.5
  28   0.5   0.6   1.5   0.2   Mg＝0.2，Sn＝0.15，Zn＝0.5
  29   0.6   0.44   1.1   Sn＝0.11，Zn＝0.4
  30   0.9   0.47   1.2   Mg＝0.15，Sn＝0.15，Zn＝0.55
[表2]
  No.   Co   Si   Ni   Fe   Ag   Cr   Zr   Ti   其它
  101   0.3   0.3
  102   3.3   0.4
  103   0.7   0.4   3.5
  104   1.5   0.4   0.03
  105   1.55   0.45   1.3
  106   1.52   0.41   1.2
  107   1.44   0.39   1.5
  108   1.5   0.39   Mg＝0.03
  109   1.7   0.4   Mg＝1.7
  110   1.6   0.38   Mn＝1.8
  111   1.44   0.34   Sn＝2.2
  112   1.34   0.39   Zn＝3.0，Sn＝1.1
  113   0.5   0.07
  No.   Co   Si   Ni   Fe   Ag   Cr   Zr   Ti   其它
  114   0.9   1.22
  115   2.1   0.08
  116   2.2   1.19
  117   1.2   0.34   Mg＝0.2，Sn＝1.8，Zn＝1.1，Mn＝0.3
  118   1.1   0.6   1.5   Mg＝0.3，Sn＝1.6，Zn＝1.8，Mn＝0.2
表3～4示出了改变时效热处理与冷加工率的组合来进行制作时材料的特性(拉伸强度、导电率)。在表3～4中，拉伸强度(TS)的单位为MPa、导电率(EC)的单位为％IACS。另外，表3示出本发明例、表4则示出比较例。
步骤(1)：冷加工(加工率＝90％)-时效热处理(440℃、2小时)-冷加工(加工率＝90％)[总加工率为99％]
步骤(2)：时效热处理(550℃、2小时)-冷加工(加工率＝99％)
步骤(3)：冷加工(加工率＝75％)-时效热处理(490℃、2小时)-冷加工(加工率＝75％)-时效热处理(500℃、2小时)-冷加工(加工率＝90％)[总加工率为99.375％]
[表3]
[表4]
Figure GPA00001125993900101
如表3所示可知，本发明例的No.1～30是采用步骤(1)～步骤(3)中的至少一个步骤制造的线材，对于该线材而言，其具有拉伸强度为600MPa以上、导电率为40％IACS以上的优异特性。特别是采用步骤(3)处理过的线材，与采用步骤(1)、步骤(2)处理的线材相比，显示出更高的导电性。
与此相对，如表4所示，比较例的No.101～118是采用步骤(1)～步骤(3)的任意步骤制造的线材，对于该线材而言，其会出现拉伸强度低于600MPa、或导电率低于40％IACS、或者发生途中断线中的任意情况。
接着，表5示出了冷加工率为本发明的优选范围之外的例子、以及未实施时效热处理的例子。在表5中，拉伸强度(TS)的单位为MPa、导电率(EC)的单位为％IACS。
步骤(4)：冷加工(加工率＝50％)-时效热处理(500℃、2小时)-冷加工(加工率＝50％)[总加工率75％]
步骤(5)：冷加工(加工率＝99％)[总加工率99％]无热处理。
[表5]
Figure GPA00001125993900111
如表5所示可知，步骤(4)与步骤(1)～步骤(3)相比，金属材料的强度有些许变差的倾向，步骤(5)与步骤(1)～步骤(3)相比，金属材料的导电率有些许变差的倾向。也就是说，表5所示的例子显示本发明的实施例中优选的要求物性中的满足必要最小限度的物性的例子。另外，在步骤(4)或(5)中，虽然存在拉伸强度为600MPa以上且导电率为40％IACS以上的例子(优选例)，但并不能像步骤(1)～(3)那样，使材料No.1～30均达到拉伸强度为600MPa以上且导电率为40％IACS以上。
另外，本发明的各实施例中所得到的线材，例如可以通过使用公知的捻线机将多根加以捻合来制作配线用的捻线。按照通常的方法将7根表3和表5所示的本发明例1～30的电线捻合而形成配线用捻线时，任何一个所形成的配线用捻线都未产生断线等不良情形。
[实施例2]
对于表1的本发明例的材料(No.1、14、16、28、30)及表2的比较例的材料(No.101、118)，分别按照上述实施例1中的步骤(1)对各圆棒(直径20mm)实施低温拉线(冷加工)与时效热处理，制得直径0.17mm的铜合金线材(导体线材)。按照通常的方法将7根上述线材捻合，并进行压缩而制成截面积为0.13mm2的捻线。在450℃对上述捻线进行2小时时效热处理，再用绝缘体(聚乙烯)进行包覆，制造配线用电线(试作材料)。
对于制得的电线，按照上述的方法测定拉伸强度(TS，单位：MPa)、导电率(EC，单位：％LACS)。在测定拉伸强度时，同时也对伸长率(EL，单位：％)进行测定。表6示出试作材料的特性的测定结果。
[表6]
  No.   TS   EC   EL
  1   432   73   9
  14   466   75   8
  16   505   73   6
  28   571   48   12
  30   624   54   10
  101   292   74   12
  118   701   37   5
如表6所示可知，采用各种材料制造的试作材料的伸长率均为5％以上，因此可适用于因冲击荷重作用等而需要使材料伸长的用途。然而，由本发明的合金组成范围外或其优选范围之外的比较例的材料No.101、118制造的试作材料，其拉伸强度(TS)低至低于400MPa、或导电率(EC)低至低于40％IACS，可知并不适合作为配线用电线使用。
工业实用性
本发明的电子设备用导体线材可适用于电子设备用途中使用的所有线材，特别是可以适用于汽车及机器人的配线等，此外，还适合作为用于连接时对端子进行压接而使用的电子设备用导体线材使用。
使用了本发明的电子设备用导体线材的配线用电线适合作为配线用电线使用。
以上结合其实施方式对本发明进行了说明，但只要没有特别指定，则并不是要在说明的哪个细节中对本发明进行限定，在不违反所附的权利要求书所示的发明的精神和范围的情况下，应作宽的解释。
本申请主张2007年11月1日在日本提出专利申请的特愿2007-285585的优先权，在此作为参照将其内容作为本说明书记载的一部分引入到本发明中。

Claims (6)

1.一种电子设备用导体线材，其由铜合金材料构成，所述铜合金材料含有0.5～3.0质量％的钴、0.1～1.0质量％的硅，余量为铜和不可避免的杂质。
2.权利要求1所述的电子设备用导体线材，其中，所述铜合金材料还含有0.1～3.0质量％的镍。
3.权利要求1或2所述的电子设备用导体线材，其中，所述铜合金材料还含有选自铁、银、铬、锆和钛中的1种或2种以上的元素，且它们的总含量为0.05～1.0质量％。
4.权利要求1～3中任一项所述的电子设备用导体线材，其中，所述铜合金材料还含有选自0.05～0.5质量％的镁、0.1～2.5质量％的锌、0.1～2.0质量的锡、0.01～0.5质量％的锰和0.01～0.5质量％的铝中的1种或2种以上，且它们的总含量为0.01～3.0质量％。
5.权利要求1～4中任一项所述的电子设备用导体线材，其时效热处理前与时效热处理后的冷加工率的总和为99％以上。
6.一种配线用电线，其是将多根权利要求1～5中任一项所述的电子设备用导体线材捻合而成的。
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