DE4338769A1

DE4338769A1 - Kupferlegierung mit sehr guter Warmbearbeitbarkeit und Stanzbarkeit für elektrische und elektronische Teile

Info

Publication number: DE4338769A1
Application number: DE19934338769
Authority: DE
Inventors: Takeshi Suzuki; Tadao Sakakibara; Manpei Kuwahara; Takao Fukatami
Original assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd
Priority date: 1992-11-13
Filing date: 1993-11-12
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2013-11-13
Also published as: DE4338769C2; JP2780584B2; JPH06145847A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Legierung auf Kupferbasis, im folgenden als "Kupferlegierung" bezeichnet, welche als Material für verschiedene elektrische und elektronische Teile verwendbar ist.

Stand der Technik

Zur Herstellung verschiedener Arten elektrischer und elek tronischer Teile einschließlich Anschlüsse für elektrische und elektronische Geräte wird bisher üblicherweise eine Kupferlegie rung verwendet, wie sie aus der japanischen vorläufigen Patent veröffentlichung (Kokai) no. 3-56636 bekannt ist. Diese hiernach als "die übliche Kupferlegierung" bezeichnete Legierung hat folgende chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent (hiernach als "%" bezeichnet): 0,5 bis 3% Nickel (Ni), 0,1 bis 0,9% Zinn (Sn), 0,08 bis 0,8% Silicium (Si), 0,1 bis 3% Zink (Zn), 0,007 bis 0,25% Eisen (Fe), 0,001 bis 0,2% Phosphor (P) und Rest Kupfer (Cu) und unvermeidbare Verunreinigungen.

Die übliche Kupferlegierung weist in hohem Maße die von Ma terialien für elektrische und elektronische Teile geforderten Eigenschaften auf, wie elektrische Leitfähigkeit, Warmkriech festigkeit, Ionenwanderungsbeständigkeit, Beständigkeit einer galvanisch beschichteten Oberfläche gegen Blasenbildung und Beständigkeit gegen Lot-Abblättern beim Biegen. Daher hat die übliche Kupferlegierung eine wichtige Rolle gespielt bei der Miniaturisierung und höheren Integration von elektrischen und elektronischen Teilen, sowie dadurch, daß sie deren Beständig keit und Betrieb unter Bedingungen hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit ermöglicht.

Neuere Entwicklungen der Großserienherstellung von elektri schen und elektronischen Teilen fordern jedoch eine weitere Ver ringerung der Herstellungskosten oder verringerte Bearbeitungs kosten dieser Teile.

Um diese Forderungen zu erfüllen, hat man versucht, die Herstellungskosten zu verringern, indem man einen größeren Kupferlegierungs-Barren herstellt, um so die Zahl der herzu stellenden Barren und die dafür aufzuwendende Zeit zu verringern und die Bearbeitungskosten zu verringern, indem man die Stanz geschwindigkeit bei der Verarbeitung eines Kupferlegierungs blechs erhöht, um so die Anzahl der in der Zeiteinheit herge stellten elektrischen und elektronischen Teile zu erhöhen. Diese Maßnahmen haben jedoch die folgenden Nachteile:

1) Das Walzen eines großen Kupferlegierungsbarrens zu ei nem Blech erfordert eine größere Anzahl von Warmbearbeitungs schritten. Die übliche Kupferlegierung hat jedoch eine ungenü gende Warmbearbeitbarkeit, so daß sich im warmgewalzten Barren nach einer Anzahl von Heißbearbeitungsschritten Risse ausbilden können, so daß die Herstellungskosten durch Verwendung eines großen Kupferlegierungsbarrens nicht verringert werden können.
2) Außerdem haben Kupferlegierungsbleche, die aus der üb lichen Kupferlegierung hergestellt wurden, eine schlechte Stanz barkeit, so daß ein Stanzen des Kupferlegierungsblechs mit hoher Geschwindigkeit bei der Herstellung elektrischer und elektroni scher Teile eine starke Abnutzung des Stanzwerkzeugs verursacht, eine intensivere Wartung des Stanzwerkzeugs erfordert, das öf ter, also in größerer Zahl, durch ein neues Stanzwerkzeug ersetzt werden muß. Man kann also keine Verringerung der Verarbeitungskosten erreichen.

Darstellung der Erfindung

Durch die Erfindung soll eine Kupferlegierung zur Verwen dung als Material für elektrische und elektronische Teile bereitgestellt werden, welche ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit, Widerstand gegen Lot-Abblättern beim Biegen, Warmkriechfestigkeit und Ionenwanderungsbeständigkeit, sowie auch ausgezeichnete Warmbearbeitbarkeit und Stanzbarkeit aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kupferlegierung aus im wesentlichen (in Gewichtsprozent) : 0,5 bis 3% Ni, 0,1 bis 0,9% Sn, 0,08 bis 0,8% Si, 0,1 bis 3% Zn, 0,007 bis 0,25% Fe, 0,001 bis 0,2% P, 0,001 bis 0,2% Mg und Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist im Unteranspruch ange geben.

Die Erfindung wird mit weiteren Einzelheiten und Vorteilen erläutert durch die folgende Beschreibung von Ausführungsbei spielen.

Unter den oben erwähnten Umständen haben die Erfinder Un tersuchungen durchgeführt, um eine Kupferlegierung mit ausge zeichneter elektrischer Leitfähigkeit, Beständigkeit gegen Lot- Ablösung beim Biegen, Warmkriechfestigkeit, Ionenwanderungs beständigkeit, wie die übliche Kupferlegierung zu finden, welche jedoch befriedigende Warmbearbeitbarkeit und Stanzbarkeit auf weist, und haben die folgenden Ergebnisse gefunden:

Wenn man 0,001 bis 0,2% Mg zu der üblichen Kupferlegierung gibt, deren chemische Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) im wesentlichen 0,5 bis 3% Ni, 0,1 bis 0,9% Sn, 0,08 bis 0,8% Si, 0,1 bis 3% Zn, 0,007 bis 0,25% Fe, 0,001 bis 0,2% P und Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen ist, hat die so er haltene Kupferlegierung nach dem Warmbearbeiten eine verringerte Zahl von Rissen und das beim Stanzen verwendete Stanzwerkzeug zeigt eine verringerte Abnutzung, ohne daß die verschiedenen ausgezeichneten Eigenschaften der üblichen Kupferlegierung ver schlechtert werden.

Die Erfindung beruht auf diesen Ergebnissen.

Die als Material für elektrische und elektronische Teile verwendete erfindungsgemäße Kupferlegierung hat eine chemische Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) von im wesentlichen 0,5 bis 3% Ni, 9,1 bis 0,9% Sn, 0,008 bis 0,8% Si, 0,1 bis 3% Zn, 0,007 bis 0,25% Fe, 0,001 bis 0,2% P, 0,001 bis 0,2% Mg und Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen und weist ausgezeich nete Warmbearbeitbarkeit und Stanzbarkeit zusätzlich zu den erwähnten ausgezeichneten Eigenschaft der üblichen Kupferlegie rung auf.

Die Anteile der Elemente der erfindungsgemäßen Kupferlegie rung wurden aus den folgenden Gründen innerhalb der oben ange gebenen Grenzen festgelegt:

a) Ni und Si

Die Ni- und Si-Komponenten wirken zusammen, um eine Verbin dung zu bilden, welche die Festigkeit und Federkraft stark er höht, den Erweichungspunkt der Kupferlegierung erhöht und die Warmkriechfestigkeit erhöht, ohne die elektrische Leitfähigkeit stark herabzusetzen. Wenn jedoch der Ni-Gehalt unter 0,5% liegt, oder wenn der Si-Gehalt unter 0,08% liegt, kann sich die Verbindung von Ni und Si nicht in genügender Menge bilden und die erwähnte Wirkung nicht im gewünschten Ausmaß eintreten.

Wenn andererseits der Ni-Gehalt 3% oder der Si-Gehalt 0,8% übersteigt, zeigt die Kupferlegierung verschlechterte Warmwalzbarkeit und verschlechterte elektrische Leitfähigkeit. Daher wurde der Ni-Gehalt auf den Bereich von 0,5 bis 3% und vorzugsweise auf einen Bereich von 1,3 bis 2,7% und der Si-Gehalt auf den Bereich von 0,08 bis 0,8% und vorzugsweise auf einen Bereich von 0,2 bis 0,8% festgelegt.

b) Sn

Die Sn-Komponente verbessert weiter die Federkraft und Biegbarkeit der Kupferlegierung. Wenn jedoch der Sn-Gehalt unter 0,1% beträgt, tritt diese Wirkung nicht im gewünschten Ausmaß ein. Wenn andererseits der Sn-Gehalt 0,9% übersteigt, verur sacht er eine Verschlechterung der Ionenwanderungsbeständigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit. Daher wurde der Sn-Gehalt auf den Bereich von 0,1 bis 0,9% und vorzugsweise auf einen Bereich von 0,2 bis 0,8% festgelegt.

c) Zn

Die Zn-Komponente verbessert die Lot-Abblätter-Beständig keit beim Biegen der Kupferlegierung und die Ionenwanderungs beständigkeit. Wenn jedoch der Zn-Gehalt unter 0,1% liegt, tritt diese Wirkung nicht im gewünschten Ausmaß ein. Wenn andererseits der Zn-Gehalt 3% übersteigt, zeigt die Kupfer legierung schlechtere Lötbarkeit. Daher wurde der Zn-Gehalt auf den Bereich von 0,1 bis 3% und vorzugsweise auf einen Bereich von 0,4 bis 2,0% begrenzt.

d) Fe

Die Fe-Komponente verbessert die Warmwalzbarkeit (sie ver ringert das Auftreten von Oberflächenrissen oder Klemmenrissen (ear cracks) in der Kupferlegierung), und verringert die Korn größe von Ausfällungen der Ni- und Si-Verbindung, wodurch die Haftfestigkeit einer galvanischen Beschichtung der Kupferlegie rung beim Erhitzen und damit die Zuverlässigkeit des Kupferle gierungsteils verbessert werden. Wenn jedoch der Fe-Gehalt unter 0,007% liegt, tritt diese Wirkung nicht im gewünschten Ausmaß ein. Wenn andererseits der Fe-Gehalt 0,25% übersteigt, wird die Warmwalzbarkeit nicht weiter verbessert, sondern eher ver schlechtert, und die elektrische Leitfähigkeit kann dadurch be einflußt werden. Daher wurde der Fe-Gehalt auf den Bereich von 0,007 bis 0,25% und vorzugsweise auf einen Bereich von 0,01 bis 0,12% festgelegt.

e) P

Die P-Komponente begrenzt die Verschlechterung der Feder kraft der Kupferlegierung beim Biegen und erleichtert dadurch das Einsetzen und Entfernen des Kupferlegierungsteils, wenn die Kupferlegierung für einen Anschluß oder dergleichen verwendet wird, und verbessert ihre Ionenwanderungsbeständigkeit. Wenn jedoch der P-Gehalt unter 0,001% liegt, tritt diese Wirkung nicht im gewünschten Ausmaß ein. Wenn andererseits der P-Gehalt 0,2% übersteigt, zeigt die Kupferlegierung verschlechterte Lot-Ablöse-Beständigkeit beim Erwärmen. Daher wurde der P-Gehalt auf den Bereich von 0,001 bis 0,2% und vorzugsweise auf einen Bereich von 0,002 bis 0,10% festgesetzt.

f) Mg

Die Mg-Komponente unterdrückt die Bildung von Rissen, die durch Warmwalzen erzeugt werden, was auf die Erstarrungsspannung zurückzuführen ist, die in einem größeren Barren stärker hervortritt, und auf die Abscheidung von Verunreinigungen mit Schwefel (S). Die Mg-Komponente verbessert auch die Stanzbarkeit und verringert so die Abnutzung des Stanzwerkzeugs. Wenn jedoch der Mg-Gehalt unter 0,001% liegt, tritt diese Wirkung nicht im gewünschten Ausmaß ein. Wenn andererseits der Mg-Gehalt 0,2% übersteigt, kann im Barren ein Magnesiumoxid gebildet werden, was die Warmwalzbarkeit (Warmbearbeitbarkeit) des Kupferlegie rungsbarrens nachteilig beeinflußt und sogar die elektrische Leitfähigkeit herabsetzen kann. Daher wurde der Mg-Gehalt auf den Bereich von 0,001 bis 0,2% und vorzugsweise auf einen Bereich von 0,001 bis 0,10% festgelegt.

Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung.

Beispiel

Schmelzen von Kupferlegierungen der in Tabelle 1 angegebe nen chemischen Zusammensetzung wurden in einem üblichen Nieder frequenz-Rinnenschmelzofen hergestellt. Die so hergestellten Legierungsschmelzen wurden nach einer üblichen halbkontinuier lichen Gießmethode zu Kupferlegierungs-Barren von je 170 mm Dicke, 520 mm Breite und 4800 mm Länge gegossen. Diese Barren wurden jeweils mit einer anfänglichen Warmwalztemperatur im Bereich von 750-950°C zu einer warmgewalzten Platte mit einer Dicke von 11 mm warmgewalzt. Die warmgewalzten Platten wurden jeweils abgeschreckt und dann wurden ihre obere und untere Seite um 0,5 mm geschält, so daß man eine Dicke von 10 mm erhielt. Die erhaltenen geschälten Platten wurden je wiederholt und abwech selnd unter üblichen Bedingungen kaltgewalzt und getempert und schließlich eine Stunde bei einer bestimmten Temperatur im Bereich von 250 bis 550°C getempert, um so die erfindungsgemä ßen Kupferlegierungsbleche Nr. 1 bis 6, die Vergleichs-Kupfer legierungsbleche Nr. 1 und 2 und ein übliches Kupferlegierungs blech jeweils mit einer Dicke von 0,25 mm zu erhalten.

Um die Warmbearbeitbarkeit jeder der Kupferlegierungen zu bewerten, wurde bei der obigen Schälstufe jede der in Tabelle 1 angegebenen Kupferlegierungsplatten auf die Zahl von Seitenkan tenrissen mit einer Länge von 5 mm oder mehr und die maximale Länge der Seitenkantenrisse durch Augenschein über die ganze Länge der warmgewalzten Platte untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.

Bei warmgewalzten Platten mit Seitenkantenrissen mit einer Länge von 5 mm oder mehr wurden die Seitenkanten-Abschnitte mit Rissen nach rohem Warmwalzen durch Herausschneiden entfernt und die Platten wurden danach den gleichen Bearbeitungsstufen unter worfen wie die warmgewalzten Platten, bei denen keine Seitenkan tenrisse mit einer Länge von 5 mm oder mehr gefunden wurden.

Die so hergestellten Kupferlegierungsbleche Nr. 1 bis 6 gemäß der Erfindung, die Vergleichs-Kupferlegierungsbleche Nr. 1 und 2 und das übliche Kupferlegierungsblech wurden je Prüfungen der Zugfestigkeit, elektrischen Leitfähigkeit und Stanzbarkeit unter den folgenden Bedingungen unterworfen:

1) Zugfestigkeit

Es wurden Prüfstücke verwendet, die aus den jeweiligen Kupferlegierungsblechen in der Walzrichtung gemäß JIS (japa nischer Industrie-Standard) Prüfstück Nr. 5, herausgeschnitten waren, und diese wurden auf Zugfestigkeit und Dehnung geprüft. Die Testergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.

2) Elektrische Leitfähigkeit

Die Kupferlegierungsbleche wurden je in Übereinstimmung mit JIS H 0505 auf elektrische Leitfähigkeit geprüft. Die Testergeb nisse sind in Tabelle 2 gezeigt.

3) Stanzbarkeit

Ein im Handel verfügbares Stanzwerkzeug, das aus einem Hartmetall auf WC-Basis mit einer chemischen Zusammensetzung von 16% Co und Rest WC geformt war, wurde zum Ausstanzen von kreis runden Blättchen verwendet. Zunächst wurden 1 Million kreisrunde Blättchen mit einem Durchmesser von 5 mm aus jedem der Kupferle gierungsbleche ausgestanzt. 20 unmittelbar nach Beginn des Stan zens erhaltene Blättchen und 20 unmittelbar vor Beendigung des Stanzens erhaltene Blättchen wurden ausgewählt und ihre Durch messer wurden gemessen. Eine Veränderung im Durchmesser wurde aus zwei durchschnittlichen Durchmesserwerten der jeweiligen Gruppen von 20 Blättchen bestimmt und als Abnutzungsgrad ange nommen. Der Abnutzungsgrad beim üblichen Kupferlegierungsblech in Tabelle 1 wurde als Referenzwert 1 gesetzt, und die Abnut zungsgrade der anderen Kupferlegierungsbleche wurden in Werte in einem Verhältnis bezüglich des Referenzwertes umgewandelt, wie in Tabelle 2 angegeben.

Aus den Tabellen 1 und 2 ist ersichtlich, daß die erfin dungsgemäßen Kupferlegierungsbleche Nr. 1 bis 6 eine weit bes sere Wirkung der Begrenzung der Abnutzung des Stanzwerkzeugs zeigen, da sie erheblich kleinere Abnutzungsgrade im Vergleich mit dem üblichen Kupferlegierungsblech zeigen, dabei aber eine ebenso ausgezeichnete Zugfestigkeit, Dehnung und elektrische Leitfähigkeit, wie das übliche Kupferlegierungsblech zeigt. So zeigen also die erfindungsgemäßen Kupferlegierungen ausgezeich nete Stanzbarkeit. Außerdem wurde in den erfindungsgemäßen Le gierungen kein durch Warmbearbeitung verursachter Riß gefunden, was zeigt, daß die erfindungsgemäßen Kupferlegierungen auch eine ausgezeichnete Warmbearbeitbarkeit (Warmwalzbarkeit) zeigen.

Die Vergleichs-Kupferlegierung Nr. 2, wo der Mg-Gehalt über 0,2% lag, zeigt jedoch eine verschlechterte elektrische Leit fähigkeit und das Auftreten von Rissen. Außerdem zeigt die Ver gleichs-Kupferlegierung Nr. 1, wo der Mg-Gehalt unten 0,001% liegt, daß damit die gewünschten Wirkungen nicht ausreichend erhalten werden.

Für jedes der erfindungsgemäßen Kupferlegierungsbleche Nr. 1 bis 6 und der Vergleichs-Kupferlegierungsbleche Nr. 1 und 2 wurde ein Federgrenzwert gemessen in einem Anfangszustand un mittelbar nach der Herstellung, eine Abnahme des Federgrenzwerts infolge Biegen, ein Spannungs-Abbauverhältnis (Warmkriechfestig keit), eine Lot-Ablösung beim Biegen, eine Blasenbildung an der galvanisch beschichteten Oberfläche, ein maximales Stromleck (Ionenwanderungsbeständigkeit) usw. gemessen. Als Ergebnis wurde gefunden, daß in diesen Meßergebnissen kein Unterschied zwischen den erfindungsgemäßen Kupferlegierungsblechen und der üblichen Kupferlegierung bestand, so daß sich bestätigte, daß ein Zusatz von Mg in dem erfindungsgemäßen Bereich die Eigenschaften der üblichen Kupferlegierung nicht nachteilig beeinflußt.

Wie oben beschrieben, zeigt die erfindungsgemäße Kupferle gierung für die Verwendung als Material für elektrische und elektronische Teile überlegene Warmbearbeitbarkeit und Stanz barkeit im Vergleich mit der üblichen Kupferlegierung, wobei sie auch eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit, Warmkriech festigkeit, Ionenwanderungsbeständigkeit, Beständigkeit gegen Blasenbildung der galvanisch beschichteten Oberfläche und Lot- Abblätterbeständigkeit beim Biegen zeigt, wie die übliche Kup ferlegierung. Wenn daher die erfindungsgemäße Kupferlegierung bei der Herstellung von Blechen der Warmbearbeitung unterworfen wird, werden dadurch keine großen Risse gebildet, und man braucht die Platten nicht zu schlitzen, um Abschnitte mit großen Rissen zu entfernen, wodurch die Ausbeute verbessert wird. Da außerdem die erfindungsgemäße Kupferlegierung eine ausgezeich nete Stanzbarkeit aufweist, kann man die Anzahl von Reparaturen und Ersatz des Stanzwerkzeugs verringern, was zu einen verbes serten Wirkungsgrad, also einer verbesserten Produktivität bei der Herstellung von elektrischen und elektronischen Teilen führt.

Tabelle 1

Tabelle 2

Claims

1. Kupferlegierung zur Verwendung als Material für elektrische und elektronische Teile, die ausgezeichnete elektrische Leitfä higkeit, Lot-Ablösebeständigkeit beim Biegen, Warmkriechfestig keit und Ionenwanderungsbeständigkeit, sowie auch ausgezeichnete Warmbearbeitbarkeit und Stanzbarkeit aufweist, bestehend im wesentlichen aus (in Gewichtsprozent) 0,5 bis 3% Ni, 0,1 bis 0,9% Sn, 0,08 bis 0,8% Si, 0,1 bis 3% Zn, 0,007 bis 0,25% Fe, 0,001 bis 0,2% P, 0,001 bis 0,2% Mg und Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen.

2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, im wesentlichen bestehend aus (in Gewichtsprozent) 1,3 bis 2,7% Ni, 0,2 bis 0,8% Sn, 0,2 bis 0,8% Si, 0,4 bis 2,0% Zn, 0,01 bis 0,12% Fe, 0,002, bis 0,10% P, 0,001 bis 0,10% Mg und Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen.