DE102006010760A1

DE102006010760A1 - Kupferlegierung und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102006010760A1
Application number: DE102006010760A
Authority: DE
Inventors: Toshikazu Sagamihara Kawahata; Takefumi Ito; Takanori Sone; Yumiko Sagamihara Iwashita; Toshihiro Sagamihara Kurita
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Metex Co Ltd
Current assignee: Melco Metecs Corp; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2026-03-09
Also published as: US20080277033A1; US20060201591A1; JP4494258B2; DE102006010760B4; JP2006249516A; US7413619B2; US7727345B2

Abstract

Ausgangsmaterialien für eine Kupferlegierung werden in einem Hochfrequenzschmelzer geschmolzen und gegossen (S1) und ein Fräsen (S2), ein Walzen und ein Tempern werden durchgeführt. Danach wird wieder ein Walzvorgang durchgeführt (S3). Hiernach werden die Materialien bei einer Temperatur von 900 DEG C für eine Minute beheizt und in Wasser abgeschreckt zur Lösungsbehandlung (S4). Nachfolgend werden die Materialien auf eine Temperatur von 500 DEG C für fünf Stunden zur Härtung aufgeheizt (S5) und dann mit einer Abkühlrate in einem Bereich von 10 bis 50 DEG C pro Stunde abgekühlt, bis die Materialien auf eine Temperatur von 380 DEG C abgekühlt sind (S6).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kupferlegierung und ein Verfahren zur Herstellung derselben und spezieller auf eine Kupferlegierung, die für ein elektronisches Bauelement verwendet wird, und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
In den vergangen Jahren wurde eine Vorrichtung, an der ein Anschlussrahmen oder ein Verbinder angebracht werden soll, stärker miniaturisiert und multifunktional und eine Packungsdichte ist ebenfalls größer geworden. Entsprechend ist ein Anschlussrahmen, auf den eine integrierte Schaltung (IC) montiert wird, dünner geworden, die Anzahl der Stifte, die als Anschlüsse eines Verbinders dienen, der in einer elektronischen Vorrichtung verwendet wird, ist größer geworden und der Rasterabstand zwischen den Stiften ist kleiner geworden. Aus diesen Gründen gibt es eine wachsende Nachfrage nach einer zuverlässigen Verbindung beim Verpacken.
Spezieller erfordert die Miniaturisierung eines elektronischen Bauteils eine Verbesserung der Festigkeit eines Metallmaterials, das für das elektronische Bauteil verwendet wird. Da eine Querschnittsfläche eines Anschlusses kleiner wird aufgrund des Anwachsens der Anzahl der Stifte und der Reduktion des Rasterabstands (Pitch) zwischen den Stiften ist ebenfalls ein Metallmaterial für ein elektronisches Bauteil mit einer vorzüglicheren elektrischen Leitfähigkeit gefordert.
Gemäß den bekannten Techniken wurde zur Erfüllung der vorstehenden Anforderungen eine Legierung verwendet, die durch Hinzufügen von Beryllium (Be) zu Kupfer (Cu) ausgebildet wurde. Solch eine Legierung hat sowohl eine Zugfestigkeit, die größer oder gleich 800 MPa (MegaPascal) ist, als auch eine Leitfähigkeit die größer oder gleich 50 % IACS (International Annealed Copper Standard) ist.
In Anbetracht der kürzlichen Umweltprobleme geht eine laufende Entwicklung jedoch dahin, die Verwendung des oben erwähnten bekannten Materials, das Beryllium enthält, zu vermeiden. Die Aufmerksamkeit zieht nun eine Cu-Ni-Si-Legierung (eine sogenannte Corson-Legierung) anstelle des bekannten Materials, das Beryllium enthält, auf sich.
Es ist bekannt, dass eine Cu-Ni-Si-Legierung eine Ausfällungshärtungslegierung ist, die mittels Mikrokristallen einer Ni₂Si-intermetallischen Verbindung, die in Kupfer dispergiert und ausgefällt werden und als Barrieren gegenüber einer Transformation dienen, gehärtet wird. Viele Berichte über Bemühungen zur Erhöhung der Festigkeit und Leitfähigkeit durch Steuern eines Betrags von Ni (Nickel) und Si (Silizium), die hinzugefügt werden, oder eines Verhältnisses von Ni zu Si wurden bislang abgegeben.

Beispielsweise offenbart die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 10-152736 (die hier im folgenden als "JP 10-152736" bezeichnet wird) in 2 ein Verfahren des Bildens einer Kupferlegierung mit einer Leitfähigkeit, die größer oder gleich 50 % IACS ist und einer Zugfestigkeit, die größer oder gleich 700 MPa ist, durch Durchführen eines Kaltwalzens und Härtens an einem Ausgangsmaterial, das Ni mit 1,0 bis 5,0 Massenprozent, Si mit 0,2 bis 1,0 Massenprozent, Zn (Zink) mit 0,3 bis 0,5 Massenprozent und P (Phosphor) mit 0,03 bis 0,3 Massenprozent enthält, wobei ein Massenverhältnis von Ni zu Si so gesteuert wird dass es in einem Bereich von 4,5 bis 5,5 ist.

Die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001-49369 (die hier im folgenden als "JP 2001-49369" bezeichnet wird) offenbart in 1 ein Verfahren des Ausbildens einer Kupferlegierung, die Ni mit 1,0 bis 4,8 Massenprozent, Si mit 0,2 bis 1,4 Massenprozent aufweist, sowie Einlagerungen, von denen jede kleiner oder gleich 10 μm in der Größe ist, wobei in der Legierung die Anzahl der Einlagerungen, die jeweils in einem Bereich von 5 bis 10 μm in der Größe liegen, kleiner als 50/mm² pro Abschnitt der Kupferlegierung entlang einer Walzrichtung ist.

Entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren, das in JP 10-152736 offenbart ist, ist die Zugfestigkeit höchstens ungefähr 740 MPa (N/mm²), obwohl die ausgebildete Kupferlegierung eine Leitfähigkeit hat, die höher als 50 % IACS ist. Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren, das in JP 2001-49369 offenbart ist, kann andererseits eine Kupferlegierung mit einer Leitfähigkeit, die höher als 50 % IACS ist, nicht ausgebildet werden, obwohl die Zugfestigkeit von 770 MPa (N/mm²) erzielt wird.

Wie anhand der obigen Beschreibung verdeutlicht wurde, war es durch die bekannten Verfahren schwierig, eine Kupferlegierung zu erhalten, die nicht Be enthält und sowohl eine Zugfestigkeit von größer oder gleich 800 MPa als auch eine Leitfähigkeit von größer als 50 % IACS aufweist.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kupferlegierung bereitzustellen, die nicht Be enthält, und eine Zugfestigkeit von größer oder gleich 800 MPa, eine Leitfähigkeit von größer als 50 % IACS und eine hervorragende Beschichtungshaftung aufweist.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kupferlegierung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer Kupferlegierung nach Anspruch 3.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Eine Kupferlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet Ni mit 2,2 bis 3,2 Massenprozent, Si mit 0,4 bis 0,8 Massenprozent, Cu und eine unvermeidliche Verunreinigung. Ein Massenverhältnis von Ni zu Si ist in einem Bereich von 4,0 bis 5,5, eine Größe einer Einlagerung, die in der Kupferlegierung ausfällt, ist kleiner oder gleich 2 μm und ein Gesamtvolumen der Einlagerung, die eine Größe von 0,1 bis 2 μm hat, ist kleiner oder gleich 0,5 % eines Gesamtvolumens der Kupferlegierung.

In der oben beschriebenen Kupferlegierung ist ein optimaler Anteil der Ni₂Si-Verbindungen in Cu ausgefällt und ein Anteil der Elemente einschließlich Ni und Si, der in einem festen Lösungszustand in Cu verbleibt, ist verringert. Somit ist es möglich, eine Kupferlegierung mit einer Zugfestigkeit, die größer oder gleich 800 MPa ist, und einer Leitfähigkeit, die größer als 50 % IACS ist, zu erhalten.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Kupferlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Schritte: (a) Schmelzen und Vergießen eines Ausgangsmaterials für die Kupferlegierung zum Bilden eines Legierungsmaterials; (b) Lösungsbehandlung (Lösungsglühen) des Legierungsmaterials bei einer Temperatur in einem Bereich 700 bis 950°C: (c) Durchführen einer Ausfällungshärtung an dem lösungsbehandelten Legierungsmaterial durch Heizen des lösungsbehandelten Legierungsmaterials bei einer Temperatur in einem Bereich von 400 bis 600°C für 2 bis 8 Stunden; und (d) Abkühlen des Legierungsmaterials nach dem Härten, welches bei einer Abkühlrate in einem Bereich von 10 bis 50°C pro Stunde durchgeführt wird bis das Legierungsmaterial auf eine Temperatur von zumindest 380°C abgekühlt ist.

Entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren des Herstellens einer Kupferlegierung verursacht die Lösungsbehandlung des Legierungsmaterials bei einer Temperatur in dem Bereich von 700 bis 950°C, dass die Kupferlegierung zu einer einheitlichen festen Lösung wird und das nachfolgende Härten wird bei einer Temperatur in dem Bereich von 400 bis 600°C für 2 bis 8 Stunden durchgeführt. Nach dem Härten wird das Legierungsmaterial abgekühlt bei einer Abkühlrate in dem Bereich von 10 bis 50°C pro Stunde bis das Legierungsmaterial auf 380°C abgekühlt ist. Als ein Ergebnis kann ein hinreichender Betrag der feinen Ni₂Si-Verbindungen ausgefällt werden, während verhindert wird, dass die ausgefällten Ni₂Si-Verbindungen grob werden, und ein Anteil der Elemente einschließlich Ni und Si, der in einem festen Zustand in Cu verbleibt, kann verringert werden. Folglich ist es möglich, eine Kupferlegierung mit einer Zugfestigkeit, die größer oder gleich 800 MPa (N/mm²) ist und einer Leitfähigkeit, die größer oder gleich 50 % IACS ist, zu erhalten.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:

1 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens der Herstellung einer Kupferlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsformen

Zunächst wird eine Zusammensetzung einer Kupferlegierung zum Erreichen der gewünschten Werte der vorliegenden Erfindung beschrieben, das heißt einer Zugfestigkeit, die größer oder gleich 800 MPa ist, und einer Leitfähigkeit, die höher als 50 IACS ist.

Kurz gesagt eine Kupferlegierung, die hauptsächlich aus Kupfer besteht und die gewünschten Werte gewährleistet kann erhalten werden durch Bewirken, dass die Kupferlegierung Ni mit 2,2 bis 3,2 Massenprozent und Si mit 0,4 bis 0,8 Massenprozent enthält und derartiges Steuern, dass das Massenverhältnis von Ni zu Si in einem Bereich von 4,0 bis 5,5 ist, die Größe jeder der Einlagerungen, die in der Kupferlegierung ausgefällt werden, kleiner oder gleich 2 μm ist, und das Gesamtvolumen der Einlagerungen, von denen jede in ihrer Größe in einem Bereich von 0,1 bis 2,0 μm ist, kleiner oder gleich 0,5 % des Gesamtvolumens der Gesamtkupferlegierung ist.

Es wird bemerkt, dass der Begriff "Einlagerung" ein generischer Name für ein grob ausgefälltes Teilchen ist, das während der Herstellung der Kupferlegierung erzeugt wird. Spezielle Beispiele dafür sind ein Oxid, das als Antwort auf eine Reaktion mit der Atmosphäre erzeugt wird, eine unerwünschte Ni-Si-Verbindungsphase, die nicht ein Ni₂Si-Mikrokristall ist, ein Teilchen das aufgrund einer Cu-Ni-Si-Legierungsphase hervorgerufen wird, und so weiter.

Mit dem Anwachsen jeder der oben beschriebenen Einlagerungen in der Größe oder dem Anwachsen des Volumens der Einlagerungen werden die Festigkeit und die Plattierungshaftung der Kupferlegierung verringert. Zur Unterdrückung der Einlagerungen ist es notwendig, die Menge an Ni und Si so zu steuern, dass sie passend ist. Wenn der Gesamtbetrag an Ni und Si größer als die passende Menge ist, werden eine Verbindungsphase oder eine Legierungsphase aufgrund eines Überschusses an Ni oder Si, die nicht in einen festen Lösungszustand gelangen, als Ni₂Si ausgefällt, so dass die Eigenschaften verschlechtert werden. Auch verursacht ein nicht passendes Verhältnis von Ni und Si, dass eine andere Phase als die eigentlichen Ni₂Si-Kristallphasen ausgefällt werden als eine Einlagerung, so dass die Eigen schaften verschlechtert werden. Wenn die Menge an Ni und Si kleiner ist als die passende Menge, werden weiterhin, Ni₂Si-Kristallphasen unzureichend hergestellt, so dass die Erzielung einer hohen Festigkeit verfehlt wird.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass, wenn eine Kupferlegierung Ni mit 2,2 bis 3,2 Massenprozent und Si mit 0,4 bis 0,8 Massenprozent enthält und das Massenverhältnis von Ni zu Si in einem Bereich von 4,0 bis 5,5 ist, die Größe jeder der Einlagerungen kleiner oder gleich 2 μm ist und das Gesamtvolumen der Einlagerungen, von denen jede in einem Größenbereich von 0,1 bis 2,0 μm ist, kleiner oder gleich 0,5 % des Gesamtvolumens der Kupferlegierung ist, dadurch eine hohe Zugfestigkeit, eine hohe Leitfähigkeit und eine hervorragende Plattierungshaftung erzielt werden.

Es wird bemerkt, dass, wenn jede der Einlagerungen kugelförmig ist, ein Durchmesser von jeder der Einlagerungen als die Größe von jeder der Einlagerungen verwendet wird und, wenn jede der Einlagerungen oval oder rechteckig ist, ein geringerer Durchmesser oder eine kürzere Seite von jeder der Einlagerungen als die Größe jeder der Einlagerungen verwendet wird.

Das Volumenverhältnis der Einlagerungen zu der Kupferlegierung wird erhalten durch Polieren eines Abschnittes der Kupferlegierung und Beobachten des polierten Abschnittes unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops. Für diese Beobachtung wird ein Bereich mit einer vorbestimmten Tiefe (ungefähr 1 μm beispielsweise) oder einer größeren Tiefe von der obersten Oberfläche einer Probe ausgehend beobachtet. Dann wird eine Summe der entsprechenden Flächen der Einlagerungen in der beobachteten Region berechnet durch Bildverarbeitung und Unterteilen einer Fläche der beobachteten Region. Auf diese Weise kann das Volumenverhältnis der Einlagerungen zu der Kupferlegierung erhalten werden.

Beispielsweise werden fünf Abschnitte, jeder von ihnen mit ungefähr 100 Quadratmikrometer beliebig spezifiziert als die beobachteten Bereiche und beobachtet. Dann werden die entsprechenden Flächenverhältnisse der Einlagerungen zu den fünf beobachteten Regionen gemittelt und ein resultierender Wert wird als das Volumenverhältnis verwendet.

Bezüglich der Beschichtungshaftung bzw. Plattierungshaftung kann eine hervorragende Beschichtungshaftung erzielt werden durch Steuern des Gesamtvolumens der Einlagerungen derart, dass es kleiner oder gleich 0,5 % des Volumens der Kupferlegierung ist. Hinzufügen von Zn mit 0,1 bis 1,0 Massenprozent, was wirkungsvoll ist zur Unterdrückung eines Abschälens einer Grenzfläche, die sich wahrscheinlich ablöst aufgrund des Härtens nach dem Aufbringen einer Sn(Zinn)-Beschichtung oder einer Sn-Legierungsbeschichtung, zur Verbesserung der Beschichtungshaftung, macht es möglich, die Beschichtungshaftung zu verbessern ohne die Festigkeit und die Leitfähigkeit der Kupferlegierung zu verringern.

Zusätzlich wird die Beschichtungshaftung bewertet durch Verwenden einer darunter liegenden Cu-Beschichtung mit einer Dicke von 0,3 μm bei der Kupferlegierung, Durchführen eines Reflow-Verfahrens unter Verwendung einer Sn-Beschichtung mit einer Dicke von 1,2 μm auf der darunter liegenden Cu-Beschichtung, Aufheizen der Kupferlegierung auf eine Temperatur von 105°C für 200 Stunden und Durchführen eines Biegetests, bei dem die Kupferlegierung zu 180° gebogen wird und danach in die entgegengesetzte Richtung gebogen wird. Die Beschichtungshaftung wird bewertet auf der Grundlage eines Ausmaßes des Ablösens der Beschichtung.

Wie oben beschrieben, offenbart JP 10-152736 eine Kupferlegierung, die Ni mit 1,0 bis 5,0 Massenprozent und Si mit 0,2 bis 1,0 Massenprozent enthält, wobei ein Massenverhältnis von Ni zu Si so gesteuert wird, dass es in einem Bereich von 4,5 bis 5,5 ist. Obwohl die Zusammensetzung der Kupferlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung durch die vorstehenden numerischen Werte, die in JP 10-152736 offenbart sind, abgedeckt wird, kann das in JP 10-152736 offenbarte Verfahren nicht die oben erwähnten erwünschten Werte der vorliegenden Erfindung erzielen.

Der Grund ist, dass JP 10-152736 weder die Einlagerungen, die in der Kupferlegierung ausgefällt werden, noch ein technisches Konzept der Optimierung der Größe jeder der Einlagerungen und des Gesamtvolumens der Einlagerungen berücksichtigt.

Während andererseits JP 2001-49369 einige Überlegungen bezüglich der Größe jede der Einlagerungen, die in der Kupferlegierung ausgefällt werden, zeigt, ist die Größe angesichts der Prinzipien der vorliegenden Erfindung in JP 2001-49369 nicht optimiert.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung erzielten ein technisches Konzept der Verbesserung der Zugfestigkeit und der Leitfähigkeit durch Optimieren der Größe von jeder der Einlagerungen und des Gesamtvolumens der Einlagerungen. Dann führten die Erfinder Versuche auf der Grundlage des vorstehenden technischen Konzeptes durch, um das Herstellungsverfahren, das später im Detail beschrieben wird, zu entdecken.

In einem bekannten Verfahren der Herstellung einer Kupferlegierung wird ein Ausgangsmaterial durch Stranggießen in einen plattenförmigen Block umgeformt und Walzen und Fräsen werden an dem plattenförmigen Block durchgeführt, so dass der plattenförmige Block in ein plattenförmiges Legierungsmaterial umgeformt wird. Nachfolgend wird das plattenförmige Legierungsmaterial lösungsbehandelt. Für die Lösungsbehandlung wird das plattenförmige Legierungsmaterial auf eine Temperatur in einem Bereich von ungefähr 700 bis 950°C aufgeheizt. Dann wird das plattenförmige Legierungsmaterial in Wasser abgeschreckt, um zu bewirken, dass Ni und Si gleichförmig in einem festen Zustand in Cu vorhanden sind.

Danach wird eine maschinelle Behandlung, wie zum Beispiel Kaltwalzen, an dem plattenförmigen Legierungsmaterial durchgeführt zum Einbringen einer moderaten Anzahl von Kristalldefekten in die Legierung. Nachfolgend wird ein Ausfällungshärten durchgeführt, so dass Ni₂Si ausgefällt wird.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass das Einbringen von Kristalldefekten durch Kaltwalzen nach der Lösungsbehandlung bei dem bekannten Verfahren nicht wichtig ist und dass es wichtig ist, eine Abkühlrate beim Abkühlen nach dem Härten so zu steuern, dass sie in einem Bereich von 10 bis 50°C pro Stunde liegt, bis das Legierungsmaterial auf 380°C, oder vorzugsweise 350°C, abgekühlt ist zur Verbesserung der Festigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit der Kupferlegierung.

Im Detail, da die Lösungsbehandlung ein hinreichendes Einbringen von Kristalldefekten in die Kupferlegierung verursacht, ist es unnötig, eine weitere Störung durch Kaltwalzen oder dergleichen zu verursachen. Als ein Ergebnis der durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung durchgeführten Versuche wurde entdeckt, dass andererseits das Steuern der Abkühlrate beim Abkühlen nach dem Härten so, dass sie in dem Bereich von 10 bis 50°C pro Stunde liegt, während ein kaltes Abkühlen oder dergleichen unterlassen wurde, ein Ausfällen eines hinreichenden Betrages an Ni₂Si ermöglichte und ein Verbleiben eines Restverzugs in der Kupferlegierung verhinderte.

Es wurde ebenfalls entdeckt, dass, wenn die Abkühlrate höher als 50°C pro Stunde war, in der Kupferlegierung ein Restverzug blieb. Aufgrund eines derartigen Verzugs verbleiben Ni und Si, die als Ni₂Si hätten ausgefällt worden sein sollen, in einem festen Lösungszustand, so dass weder eine hohe Festigkeit noch eine hohe Leitfähigkeit erzielt werden können.

Wenn die Abkühlrate niedriger als 10°C pro Stunde ist, wird weiterhin ein Ni₂Si-Kristall grob, was die Festigkeit verringert.

Nachdem nach dem Härten das plattenförmige Legierungsmaterial auf 380°C abgekühlt wurde, variiert die Legierung während des Abkühlens nicht stark in ihrem Aufbau. Da es nicht besonders erforderlich ist, die Abkühlrate zu steuern, nachdem das plattenförmige Legierungsmaterial die Temperatur von 380°C hat, kann die Abkühlrate in dem Bereich von 10 bis 50°C pro Stunde beibehalten werden bis das plattenförmige Legierungsmaterial auf eine Temperatur von ungefähr 350°C abgekühlt ist.

Während über ein Verfahren zum Vergrößern der Festigkeit durch mehrmaliges Durchführen eines Walzvorgangs und Ausheilvorgangs zur Korrektur von Verzug nach dem Aushärten berichtet wurde, sind solche zusätzlichen Vorgänge des Walzens und Ausheilens (Temperns) nicht notwendigerweise erforderlich, da sowohl die Ausfällung von Ni₂Si als auch die Korrektur des Verzugs hinreichend gestaltet werden können in der vorliegenden Erfindung.

Unten wird ein spezielles Beispiel des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens beschrieben unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm, das in 1 gezeigt ist.

Zunächst werden die Ausgangsmaterialien (Cu, Ni, Si und so weiter) für die Kupferlegierung, jedes in einer Menge, die dem oben erwähnten Anteil an der Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht, vorbereitet. Nachfolgend werden die Ausgangsmaterialien für die Kupferlegierung in einem Hochfrequenzschmelzer geschmolzen und in einen plattenförmigen Block mit einer Dicke von 10 mm gegossen (Schritt S1).

Als zweites wird ein Fräsen an dem Block durchgeführt zum Entfernen von Schuppen in einer Oberfläche des Blockes (Schritt S2).

Danach werden ein Walzen und Tempern durchgeführt und nachfolgend wird wieder ein Walzen durchgeführt zum Ausbilden einer dünnen Platte (als ein Legierungsmaterial dienend) mit einer Dicke von 0,38 mm (Schritt S3).

Nachfolgend wird die dünne Platte auf eine Temperatur von 900°C für 1 Minute aufgeheizt, und dann in Wasser abgeschreckt, so dass die dünne Platte lösungsbehandelt wird (Schritt S4).

Nach der Lösungsbehandlung wird die lösungsbehandelte dünne Platte auf eine Temperatur von 500°C für 5 Stunden aufgeheizt zum Härten (Schritt S5).

Nachdem an der dünnen Platte das Härten durchgeführt wurde, wird die dünne Platte mit einer Abkühlrate in einem Bereich von 10 bis 50°C pro Stunde abgekühlt, bis die dünne Platte auf eine Temperatur von 380°C abgekühlt ist (Schritt S6).

Nachdem die dünne Platte in dem Schritt S6 abgekühlt wurde, wird ein Kaltwalzen (Feinwalzen) durchgeführt (Schritt S7), so dass die dünne Platte auf eine Dicke von 0,3 mm abgedünnt wird, um so die gewünschte Kupferlegierung zu erhalten.

Es wird bemerkt, dass die oben erwähnten numerischen Werte für die Dicken in den entsprechenden Schritten lediglich Beispiele sind. Diese Dicken können in einigen Fällen größer als die oben erwähnten sein und in anderen Fällen kleiner als die oben erwähnten sein.

Obwohl die Heiztemperatur für die Lösungsbehandlung in dem oben beschriebenen speziellen Beispiel 900°C ist, kann die Heiztemperatur für die Lösungsbehandlung innerhalb eines Bereichs von 700 bis 950°C gewählt werden. Weiterhin kann die Heiztemperatur für die Härtung aus einem Bereich von 400 bis 600°C gewählt werden und die Heizdauer für das Härten kann aus einem Bereich von 2 bis 8 Stunden gewählt werden. Darüber hinaus würde das Hinzufügen von Zn mit 0,1 bis 1,0 Massenprozent zu den Ausgangsmaterialien für die Kupferlegierung, was wirkungsvoll zur Verbesserung der Beschichtungshaftung ist, nicht die Festigkeit und die Leitfähigkeit der durch das oben beschriebene Herstellungsverfahren hergestellten Kupferlegierung verringern.

Entsprechende Eigenschaften und entsprechende Bewertungsergebnisse der verschiedenen Legierungen, die erhalten wurden auf der Grundlage des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens aber unter unterschiedlichen Bedingungen, sind in der folgenden Tabelle 1 angeordnet.
In Tabelle 1 sind Proben von Kupferlegierungen, die durch das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, mit "1" bis "8" durchnummeriert und Proben von Kupferlegierungen, die als Vergleichsbeispiele vorbereitet wurden, welche aus Materialien zusammengesetzt sind, von denen jedes in einem unterschiedlichen Betrag zu jenem entsprechend der vorliegenden Erfindung vorliegt oder durch ein unterschiedliches Herstellungsverfahren gegenüber dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, sind mit "9" bis "13" durchnumeriert.
In Tabelle 1 sind die entsprechenden Eigenschaften und die entsprechenden Bewertungsergebnisse der Proben der Kupferlegierungen mit den entsprechenden Anteilen (Massenprozent) an Ni, Si und Zn in der Kupferlegierung, einem Massenverhältnis von Ni zu Si, einer Abkühlrate (°C/h) nach dem Härten, einem Volumenverhältnis (%) der Einlagerungen zu der Kupferlegierung, der maximalen Größe (μm) der Einlagerungen, der Zugfestigkeit (MPa), der Leitfähigkeit (% IACS) und der Beschichtungshaftung gezeigt. Obwohl eine Menge an Kupfer, das ein Hauptmaterial ist für die Kupferlegierung, in Tabelle 1 nicht gezeigt ist, kann die Menge an Kupfer auf einfache Weise aus den Mengen der anderen Komponenten, die in Tabelle 1 gezeigt sind, abgeschätzt werden.
Bezüglich der Beschichtungshaftung wird bemerkt, dass ein Biegetest an jeder der Proben durchgeführt wurde, bei dem jede der Proben um 180° gebogen wurde und danach in die Gegenrichtung zurückgebogen wurde und der Zustand einer Beschichtung beobachtet wurde. Eine Probe, die keinen Schaden an einer Beschichtung erleidet, wird so eingestuft, dass sie eine hervorragende Beschichtungseigenschaft hat, und mit "O" markiert. Eine Probe, von der sich die Beschichtung abgelöst hat, wird so eingestuft, dass sie eine schlechte Beschichtungshaftung aufweist, und wird mit einem "X" markiert. Eine Probe, die einen Schaden an einer Beschichtung erlitten hat, obwohl die Beschichtung sich nicht abgelöst hat, wird so eingestuft, dass sie eine durchschnittliche Beschichtungshaftung aufweist und mit einem "Δ" markiert.
Wie in Tabelle 1 zu sehen ist, weist jede der Kupferlegierungsproben Nr. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8 eine Zugfestigkeit von größer oder gleich 800 MPa (N/mm²) und eine Leitfähigkeit von größer oder gleich 50 % IACS auf.
Man sieht auch in Tabelle 1, dass jede der Kupferlegierungsproben Nr. 2, 3, 7 und 8, zu denen Zn hinzugefügt wurde, und jede der Kupferlegierungsproben Nr. 1 und 4, bei denen das Massenverhältnis von Ni zu Si geeignet ist und die maximale Größe der Einlagerungen und das Volumenverhältnis der Einlagerungen klein sind, eine hervorragende Beschichtungseigenschaft aufweist. Es wird bemerkt, dass bezüglich jeder der Kupferlegierungsproben Nr. 5 und 6, bei denen das Massenverhältnis von Ni zu Si nahe an der oberen Grenze oder der unteren Grenze des für die Kupferlegierung vorgeschriebenen Bereichs gemäß der vorliegenden Erfindung ist, die Beschichtung nicht abgelöst ist, obwohl die Beschichtungshaftung nicht hervorragend ist.
Obwohl jede der Kupferlegeierungsproben Nr. 1, 4, 5 und 6 nicht Zn enthält, zeigt jede der Kupferlegierungsproben Nr. 1 und 4 unterschiedlich zu den Kupferlegierungsproben Nr. 5 und 6 eine hervorragende Beschichtungseigenschaft.
Bezüglich jeder der Kupferlegierungsproben Nr. 3, 5 und 8, bei denen die Abkühlrate nach dem Härten auf 10°C/h gesetzt wurde, was gleich dem unteren Grenzwert einer der Bedingungen für das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist, ist darüber hinaus die maximale Größe der Einlagerungen darin größer oder gleich 1 μm, was verglichen zu jener in den anderen Kupferlegierungsproben gemäß der vorliegenden Erfindung verhältnismäßig groß ist. Die maximale Größe der Einlagerungen in jeder der Kupferlegierungsproben 3, 5 und 8 ist jedoch kleiner als 2 μm.
Andererseits enthält die Kupferlegierungsprobe Nr. 9, die als eines der Vergleichsbeispiele präpariert wurde, eine geringere Menge an Ni als gemäß den Bedingungen für die Zusammensetzung der Kupferlegierung entsprechend der vorliegenden Erfindung. Dadurch sind die Ni₂Si-Kristalle unzureichend ausgefällt, so dass eine hohe Zugfestigkeit (größer oder gleich 800 MPa) nicht erzielt werden kann.
Die Kupferlegierungsprobe Nr. 10 enthält einen Überschussbetrag Si angesichts der Bedingungen für die Zusammensetzung der Kupferlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung. Während die Zugfestigkeit derselben verhältnismäßig befriedigend ist, ist dadurch die Leitfähigkeit und die Beschichtungshaftung derselben unbefriedigend, da eine unerwünschte kristalline Phase aufgrund des überschüssigen Si hergestellt wird.
Die Kupferlegierungsprobe Nr. 11 enthält einen überschüssigen Betrag an Ni angesichts der Bedingungen für die Zusammensetzung der Kupferlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung. Dadurch wird aufgrund des überschüssigen Ni eine unerwünschte kristalline Phase erzeugt, so dass weder die Zugfestigkeit, noch die Leitfähigkeit, noch die Beschichtungshaftung zufriedenstellend sind.
Für jede der Kupferlegierungsproben Nr. 12 und 13 sind die Menge an Ni, Si oder Zn und das Massenverhältnis von Ni zu Si gleich jenem in der Kupferlegierungsprobe Nr. 2 zur Erfüllung der Bedingungen für die Zusammensetzung der Kupferlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung. Trotzdem sind die entsprechenden Abkühlraten nach dem Härten der Kupferlegierungsproben Nr. 12 und 13 auf 100°C/h und 5°C/h gesetzt, was außerhalb des Bereichs von 10 bis 50°C/h liegt, der bei den Bedingungen für das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschrieben wird.
Entsprechend hat die Kupferlegierungsprobe Nr. 12 eine Zugfestigkeit und eine Leitfähigkeit, die niedriger sind als jene der Kupferlegierungsprobe Nr. 2, und die Kupferlegierungsprobe Nr. 13 hat eine Zugfestigkeit, die niedriger ist als jene der Kupferlegierungsprobe Nr. 2.
Bei der Kupferlegierungsprobe Nr. 13, die nach dem Härten mit einer Abkühlrate abgekühlt wird, die niedriger ist als 10°C/h, ist die maximale Größe der Einlagerungen 4,0 μm. Zusätzlich ist das Volumenverhältnis der Einlagerungen der Kupferlegierungsprobe Nr. 13 0,7 %, was das Höchste aller Kupferlegierungsproben in Tabelle 1 ist.
Eine auf der Grundlage der oben beschriebenen Ergebnisse durchgeführte Analyse der Erfinder der vorliegenden Erfindung verdeutlichte, dass, wenn die Abkühlrate größer als 50°C/h war, sowohl die Zugfestigkeit als auch die Leitfähigkeit niedrig waren aufgrund einer unzureichenden Ausfällung von Ni₂Si. Wenn die Abkühlrate niedriger als 10°C/h war, waren sowohl die Zugfestigkeit als auch die Beschichtungshaftung unbefriedigend, da eine Ni₂Si-kristalline Phase und Einlagerungen grob wurden.
Wie durch die in Tabelle 1 gezeigten experimentellen Ergebnisse verdeutlicht wurde und oben beschrieben wurde, kann die Größe jeder der Einlagerungen, die in der Kupferlegierung ausgefällt werden, kleiner oder gleich 2 μm gehalten werden und das Gesamtvolumen der Einlagerungen, von denen jede in dem Größenbereich von 0,1 bis 2 μm liegt, kann kleiner oder gleich 0,5 % des Gesamtvolumens der Kupferlegierung gehalten werden, wenn eine Kupferlegierung Ni mit 2,2 bis 3,2 Massenprozent und Si mit 0,4 bis 0,8 Massenprozent enthält, das Massenverhältnis Ni zu Si so gesteuert wird, dass es in einem Bereich von 4,0 bis 5,5 ist, und die Abkühlrate nach dem Härten so gesteuert wird, dass sie in einem Bereich von 10 bis 50°C pro Stunde ist. Dadurch ist es möglich eine Kupferlegierung mit einer Zugfestigkeit von größer oder gleich 800 MPa und einer Leitfähigkeit von größer oder gleich 50 % IACS zu erhalten.
Es wird zusätzlich bemerkt, dass jeder der numerischen Bereiche, die in der obigen Beschreibung genannt wurden, aus der oberen Grenze und der unteren Grenze jeder der in Tabelle 1 gezeigten Größen abgeleitet ist, mit einer Toleranz von ± ungefähr 0 bis 10 %. Es wurde bestätigt, dass die erwünschten Werte sogar mit solch einer Toleranz erzielt werden können.

Claims

Kupferlegierung mit: Ni mit 2,2 bis 3,2 Massenprozent, Si mit 0,4 bis 0,8 Massenprozent, und Cu und einer unvermeidlichen Verunreinigung, wobei ein Massenverhältnis von Ni zu Si in einem Bereich von 4,0 bis 5,5 ist, eine Größe einer Einlagerung, die in der Kupferlegierung ausgefällt wird, kleiner oder gleich 2 μm ist, und ein Gesamtvolumen der Einlagerung, die von der Größe 0,1 bis 2 μm ist, kleiner oder gleich 0,5 % eines Gesamtvolumens der Kupferlegierung ist.
Kupferlegierung nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend Zn mit 0,1 bis 1,0 Massenprozent.
Verfahren zur Herstellung einer Kupferlegierung mit den Schritten: (a) Schmelzen und Gießen eines Ausgangsmaterials für die Kupferlegierung zum Bilden eines Legierungsmaterials (S1, S2 und S3), (b) Lösungsbehandlung des Legierungsmaterials bei einer Temperatur in einem Bereich von 700 bis 950°C (S4): (c) Durchführen einer Härtung an dem lösungsbehandelten Legierungsmaterial durch Heizen des lösungsbehandelten Legierungsmaterials bei einer Temperatur in einem Bereich von 400 bis 600°C für 2 bis 8 Stunden (S5) und (d) Abkühlen des Legierungsmaterials nachdem das Härten durchgeführt wurde bei einer Abkühlrate in einem Bereich von 10 bis 50°C pro Stunde bis das Legierungsmaterial auf eine Temperatur von mindestens 380°C abgekühlt ist (S6).
Verfahren zum Herstellen einer Kupferlegierung gemäß Anspruch 3, bei dem das Ausgangsmaterial für die Kupferlegierung hauptsächlich aus Cu besteht und Ni mit 2,2 bis 3,2 Massenprozent und Si mit 0,4 bis 0,8 Massenprozent enthält und ein Mas senverhältnis von Ni zu Si in einem Bereich von 4,0 bis 5,5 ist.
Verfahren zum Herstellen einer Kupferlegierung nach Anspruch 3 oder 4, bei dem das Ausgangsmaterial für die Kupferlegierung weiterhin Zn mit 0,1 bis 1,0 Massenprozent aufweist.