JP2005133186A

JP2005133186A - 析出型銅合金の熱処理方法と析出型銅合金および素材

Info

Publication number: JP2005133186A
Application number: JP2003373264A
Authority: JP
Inventors: Masazumi Mori; 正澄森; Taro Kimura; 太郎木村; Yoshiteru Nishi; 義輝西
Original assignee: Nippon Mining and Metals Co Ltd; Nippon Mining Co Ltd
Current assignee: Nippon Mining Holdings Inc; Eneos Corp
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】熱処理後の析出型銅合金の析出物の平均粒径を、望ましくは２５ｎｍ以下に微細化し、その後の加工と熱処理で再結晶組織の平均結晶粒径を、望ましくは１０μｍ以下に微細化する。
【解決手段】析出型銅合金を溶体化処理後、７０％以上の加工度で冷間圧延し、次いで、所定温度まで５０℃／秒以上の加熱速度で急速加熱することで析出物及を微細化し、その直後に１００℃／秒以上の冷却速度で冷却することによって微細化した析出物を維持する。

Description

本発明は、析出型銅合金の析出および再結晶熱処理技術に係り、特に、熱処理後の析出物を極めて微細にする技術に関する。

銅および銅合金は、コネクタ、リード端子等の電子部品およびフレキシブル回路基板用として多用途に渡って幅広く利用されている材料であり、急速に展開するＩＴ化は、情報機器の高機能化および小型化・薄肉化に対応してさらなる特性（強度、曲げ性、導電性）の向上を要求している。

銅合金は、添加元素による強化機構によって、固溶型銅合金と析出型銅合金に分けられる。固溶型銅合金は、比較的容易に強度を向上させることができる反面、固溶元素による導電率低下は避けることができない。一方、析出型銅合金は、導電率が高いが、固溶型銅合金に比べ強度が低いという欠点があった。近年、強度と導電率を両立した高強度−高導電型銅合金が求められる状況において、固溶型銅合金の強度を下げずに導電率を上げることは非常に困難であるため、析出型銅合金の高強度化が主として検討されてきている。

析出型銅合金の導電率を下げずに強度を向上させる手段としては、強加工による加工硬化、析出物による析出強化および結晶粒微細化が考えられる。強加工による加工硬化では、加工度を大きくし過ぎると、強度は上昇するが同時に曲げ性が低下してしまう。また、量産レベルでは冷間圧延の工程において加工度を大きくし過ぎると破断しやすくなり、歩留まり低下を起こす恐れがある。析出物による析出強化を向上させるには、時効熱処理で析出を制御し、析出物の微細化と析出量の増加を行わなければならない。しかしながら、そのための熱処理技術は、専ら鉄鋼材料を中心に開発されているのが現状である。

他の銅合金の強度を向上させる手段として、結晶粒微細化が試みられてきている。これは結晶粒径の逆数の平方根と降伏応力ないし耐力とは比例関係にあるとするHall-Petchの則に基づいたものである。一般に、銅合金の結晶粒微細化の技術は加工に関するものがほとんどであり、大歪み加工が有効とされているが、量産レベルを考えるとかなり実現が難しいのが実情である。

一方、熱処理によって結晶粒を微細化する技術としては、希な例として例えば特許文献１に開示されたものがある。この開示に係る技術によれば、りん青銅の最終熱処理において加熱速度４０℃／秒で急速加熱し、その後冷却速度１５０℃／秒以下で冷却することによって１μｍ以下の結晶粒が得られるとされている。

特開２００３−６４４５９号公報（要約書）

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、りん青銅などの固溶型銅合金に適用した場合に十分な効果が認められているが、析出型銅合金での結晶粒微細化の可能性は明らかとなっていない。

本発明は、析出型銅合金の熱処理に関するものであり、特に、熱処理後の析出型銅合金の析出物の平均粒径を、望ましくは２５ｎｍ以下に微細化し、その後の加工と熱処理で再結晶組織の平均結晶粒径を、望ましくは１０μｍ以下に微細化することを目的とする。

本発明者等は、先ず、急速加熱によって析出型銅合金の析出物が微細化するかどうか検討してみた。その結果、溶体化材を冷間圧延した後、急速加熱処理を行うと、微細な析出物が数多く析出した。これにより、平均粒子径２５ｎｍ以下の微細析出物を得ることが可能となった。また、この材料に冷間圧延後、再び急速加熱処理を行うことにより、平均粒径１０μｍ以下の微細な再結晶組織が得られることも可能となった。再結晶組織の微細化は、急速加熱処理中に数多く析出した微細析出物による結晶粒界のピン止め効果によるものと推察される。

本発明の析出型銅合金の熱処理方法は、上記知見に基づいてなされたもので、析出型銅合金を溶体化処理後、７０％以上の加工度で冷間圧延し、次いで、所定温度まで５０℃／秒以上の加熱速度で急速加熱することで析出物及を微細化し、その直後に１００℃／秒以上の冷却速度で冷却することによって微細化した析出物を維持することを特徴としている。なお、本発明における「圧延」は、条を製造する圧延は勿論のこと、棒や線などの塑性加工においても本発明の製造方法を用いることによって微細な結晶粒と微細析出物を得ることができる。また、圧延ロールを用いて製造する場合に限らず、ダイスを用いた引抜やプレスを用いた鍛造であっても本発明の作用および効果を得ることができる。

以下に本発明の作用とともに数値限定の根拠を説明する。
（加工条件）
熱処理前の金属の塑性加工における加工度も重要な因子である。加工によって析出の駆動力となる加工歪を生じさせることで、析出の発生を促すためである。具体的には熱処理前に行われる加工の加工度は７０％以上であることが必要で、これ未満の加工度では析出が起こりにくくなる。この場合、熱処理温度を上げれば析出は起こるが、析出物の粗大化が起こってしまう。
よって、熱処理前の加工度は７０％以上が必要で、８０％以上であれば望ましい。
なお、この場合における加工度とは、以下の式によって定義される。

〔数１〕
Ｒ＝（Ｓ０−Ｓ）／Ｓ０×１００
Ｒ：加工度（％）
Ｓ０：加工前の板条の断面積（ｍｍ^２）
Ｓ：加工後の板条の断面積（ｍｍ^２）

（急速加熱条件）
本発明の核となるのは、急速加熱による析出物の微細化である。本発明者等の検討によれば、析出型銅合金において、加熱速度が５０℃／秒未満では、析出物の大きさはあまり変わらないことが判明した。よって、析出物を微細化するには加熱速度は５０℃／秒が必要であり、十分に微細化するには、加熱速度は１００℃／秒が望ましく、２００℃／秒以上であればさらに好適である。一方、加熱速度が５００℃／秒以上では、析出物のそれ以上の微細化効果は望めない。

ここで、本発明では、所定温度まで急速加熱するが、所定温度とは析出物の析出温度である。Ｃｕ−Ｆｅ系銅合金では、析出物の析出温度は５００〜８００℃であり、再結晶温度４００〜５００℃よりも高い。このため、析出物が析出し始めたときには再結晶は充分になされており、結晶粒が成長した状態となっている。本発明は、先ず、析出物を微細化することを目的としており、結晶粒の微細化は、後述する再熱処理によって達成することができる。

（冷却条件）
急速加熱の加熱速度を５０℃／秒以上として加熱しても、急速加熱後の冷却速度が１００℃未満の場合は、析出物が粗大になる傾向が認められた。よって、冷却速度は１００℃／秒以上が必要で、２００℃／秒以上であればより好適である。なお、以後の説明においては、「急速加熱」の用語にはその後の冷却も含むものとする。

本発明では、上述の急速加熱の処理が行われた析出型銅合金を７０％以上の加工度で冷間圧延し、次いで、所定温度まで加熱することで微細化した再結晶粒を得ることを好ましい態様としている。この態様では、最初の急速加熱の熱処理により微細な析出物が分散するから、後に再結晶の熱処理を行うと結晶粒界を微細析出物がピン止めすることにより結晶粒の成長が阻まれ、結晶粒が微細化する。なお、この後に行う熱処理の条件は、急速加熱である必要はないが、所定温度は再結晶が生じる温度である必要がある。

以上説明したように本発明によれば、析出物の平均粒径を２５ｎｍ以下にすることが可能であり、また、熱処理後に冷間圧延と熱処理を行うことで再結晶粒の平均粒径を１０μｍ以下にすることが可能である。これにより、強度、曲げ性および導電率等の特性に優れた析出型銅合金を得ることが可能であり、電子機器の小型化、薄肉化に大きく寄与することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。
（熱間圧延）
鋳塊の鋳造組織を破壊するために熱間圧延を行う。熱間圧延中に温度が低下すると、析出反応が進むことによって析出粒子の粗大化が起こる。また、鋳造時に偏析したＦｅを始めとする添加元素を均一に母相中に固溶させる必要がある。そのために、熱間圧延開始時点での温度を８００℃以上とし、熱間圧延中の温度低下を防ぐため、終了時の温度を７００℃以上とすることが望ましい。

（溶体化処理）
溶体化処理を行うのは、後の時効処理で高強度の材料を得るためである。処理温度が高いほうがＦｅのマトリックス中への固溶量が増し、時効後の強度が高くなる。このような効果を得るためには処理温度が高いほど良く、７００℃以上とすることが望ましい。また、このときの再結晶の結晶粒径が大きくなると、後工程の再結晶処理時の結晶粒径を微細化することが困難になるため、結晶粒径は５０μｍ以下であることが望ましい。また、溶体化処理の際、冷却速度は速いほど高強度が得られやすく、具体的には水冷を行うことが望ましい。

本発明の析出型銅合金は、例えばＣｕ−Ｆｅ合金であり、これはＦｅを０．２〜２．０質量％含有させることができる。特に、Ｆｅを０．５〜１．５質量％含有したものが望ましい。なお、これらの合金以外では、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ合金、コルソン合金、チタン銅、ベリリウム銅、Ｃｕ−Ｃｒ合金、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｓｎ合金等種々の析出型銅合金に本発明を適用することができる。Ｆｅを０．５〜１．５質量％含有したＣｕ−Ｆｅ合金の場合、平均粒径２５ｎｍ以下の析出物および平均粒径１０μｍ以下の再結晶粒を得ることが可能である。

本発明における析出型銅合金の加熱手段としては、ソルトバス加熱、誘導加熱、レーザー加熱、ロール加熱等の急速加熱に適した加熱方法によって熱処理される。ロール加熱とは、複数のロールを材料に接触させ、ロール間に通電して材料自体のジュール熱で加熱する方法である。

析出物微細化
Ｆｅ：０．８％（質量％、以下同様）を含み残部Ｃｕおよび不可避的不純物からなる銅合金を真空溶解炉(ＶＩＭ炉)で溶製し２ｋｇの鋳塊を得た。鋳造組織を破壊するため、鋳片(厚さ２５ｍｍ)を８５０℃で０．５ｈ加熱後、板厚１２ｍｍまで熱間圧延し、９００℃で３ｈ溶体化処理後水冷した。表面の酸化スケール除去を機械加工で行い、片面１．５ｍｍずつ表裏面を研削し板厚９ｍｍとした。これを加工度８３％で冷間圧延し板厚１．５ｍｍの素条を得た。

この素条を、幅１０ｍｍ×長さ５０ｍｍの大きさに切り出し、表１に示す熱処理条件（加熱速度、加熱温度）で通電加熱試験機にて加熱し、加熱温度に達したら水冷した。この熱処理によって得られた試験片について、組織に影響を与えないように電解研磨で薄膜化し、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）観察によって析出物を検鏡した。検鏡より得られた析出物の平均粒径、個数及び体積率を表１に示す。

表１からわかるように、本発明の熱処理を析出型銅合金であるＣｕ−Ｆｅ合金に施すことにより、合金中の析出物を微細に数多く析出させることが可能であり、本発明例Ｎｏ．１〜１０に示すように、平均粒径２５ｎｍ以下の微細析出物を得ることができた。

これに対し、比較例Ｎｏ．１１〜１４では加熱速度が５０℃／秒未満であるため析出物の平均粒径が２５ｎｍを超えている。一方、比較例Ｎｏ．１５、１７では加熱温度が低すぎるため析出がおこらず、比較例Ｎｏ．１６、１８では加熱温度が高すぎるため析出物の固溶が起こり、いずれも析出物が観察されなかった。

結晶粒微細化
実施例１の１．５ｍｍの素条を用い、さらに加工度９０％で冷間圧延して板厚０．１５ｍｍとした。これを幅１０ｍｍ×長さ５０ｍｍの大きさに切出し、表２に示す熱処理条件（加熱速度、加熱温度）で通電加熱試験機にて加熱し、再結晶が生じる加熱温度に達したら水冷した。
この熱処理によって得られた試験片について、組織に影響を与えないように電解研磨し、ＥＰＭＡ (Electron Prove Micro Analysis)の組成像で組織観察を行い、切断法にて平均結晶粒径を求めた。この結果を併せて表２に示す。なお、表２には、実施例１で行った析出のための熱処理条件を併記した。

表２から判るように、本発明の熱処理を析出型銅合金であるＣｕ−Ｆｅ合金に施した後、更に冷間加工と再結晶熱処理を施すことにより、微細な再結晶粒を得ることが可能である。本発明例Ｎｏ．１〜５に示すように、平均粒径１０μm以下の再結晶粒を得ることができた。また、表２から明らかなように、微少な再結晶を得るためには、実施例１のような急速加熱を行う必要がないことが確認された。

これに対し、比較例Ｎｏ．６、７では析出熱処理の加熱速度が５０℃／秒以下で、析出物が２５ｎｍを超えて粗大なため、冷間圧延、熱処理後の結晶粒径が１０μｍを超えている。また、析出熱処理で充分な析出が起こっていない比較例８，９も熱処理後の結晶粒径が１０μｍを超えている。

また、比較例１０〜１２は、析出熱処理時の加熱速度が５０℃／秒以上で、析出物が２５ｎｍ以下と微細であるが、再結晶熱処理の温度が低すぎあるいは高すぎるため、部分再結晶あるいは１０μｍを超える再結晶組織となってしまった。

Claims

析出型銅合金を溶体化処理後、７０％以上の加工度で冷間圧延し、次いで、所定温度まで５０℃／秒以上の加熱速度で急速加熱することで析出物を微細化し、その直後に１００℃／秒以上の冷却速度で冷却することによって微細化した析出物を維持することを特徴とする析出型銅合金の熱処理方法。
請求項１に記載の処理が行われた析出型銅合金を７０％以上の加工度で冷間圧延し、次いで、所定温度まで加熱することで微細化した再結晶粒を得ることを特徴とする析出型銅合金の熱処理方法。
前記析出型銅合金は、Ｆｅ：０．２〜２．０質量％，残部Ｃｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１または２に記載の析出型銅合金の熱処理方法。
前記急速加熱の前記所定温度は５００〜８００℃であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の析出型銅合金の熱処理方法。
請求項２に記載の前記所定温度は４００〜５００℃であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の析出型銅合金の熱処理方法。
請求項１〜５のいずれかに記載の熱処理方法によって熱処理された析出型銅合金。
析出物の平均粒径が２５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の析出型銅合金。
平均結晶粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項６または７に記載の析出型銅合金。
請求項６〜８のいずれかに記載の析出型銅合金からなる素材。