JP2005264337A

JP2005264337A - 耐応力緩和特性に優れた銅基合金

Info

Publication number: JP2005264337A
Application number: JP2005149189A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Narueda; 宏人成枝; Akira Sugawara; 章菅原; Koichi Hatakeyama; 浩一畠山
Original assignee: Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2018-05-19
Also published as: JP4224859B2

Abstract

【課題】自動車等のコネクタ用端子材料として極めて優れた耐応力緩和特性を有し、かつ強度，弾性，電気伝導性に曲げ加工性、耐マイグレーション性およびめっき信頼性等に優れた銅基合金を提案する。
【解決手段】重量％で、Ｎｉ：０．５〜３．０％、Ｓｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．００５〜０．２０％を含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなり、ばね限界値が４００Ｎ／ｍｍ²以上、導電率が３０％ＩＡＣＳ以上、応力緩和率が１．２％以下であり、Ｎｉ−Ｐ化合物が均一微細に分散析出してなることを特徴とするコネクタ用材料として使用される銅基合金。
【選択図】図２

Description

本発明は、耐応力緩和特性に優れた銅基合金に関するものである。

この種の従来技術としては、次のようなものが提案されている。即ち、特公平８−９７４５号公報には、重量％でＮｉ：０．５〜３．０％、Ｓｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０５〜０．２０％を含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる組成を有する銅基合金が、Ｎｉ／Ｐの重量百分率の比率が２０〜３５の範囲となる相対量が添加されているＮｉとＰとの一部がＮｉ−Ｐ系の化合物となってマトリックス中に均一微細に析出した組織を有していることによって、引張強さが５０Ｋｇｆ／ｍｍ^２以上、ばね限界値が４０Ｋｇｆ／ｍｍ^２以上、応力緩和率１０％以下及び導電率３０％ＩＡＣＳ以上の特性を有する銅基合金に関する技術が開示されている。

また、特開平４−１５４９４２号公報には、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｐを適量添加した銅基合金の鋳片から熱間圧延工程及び冷間圧延と焼鈍とを繰返す冷間圧延工程を経て、所定の板厚まで圧延するに際し、特定の条件で処理する技術が開示されている。

特に最終焼鈍は、３００〜７５０℃の温度で５〜１８０秒間のテンションアニール処理を施すことにより、ばね限界値、耐応力緩和特性の向上ならびに延性の回復が発現でき、均質かつ平坦度の良好な製品を得る技術が開示されている。

自動車等のコネクタに使用される材料は、近年のエレクトロニクスの発達に伴い、高密度化、小型化、軽量化そして信頼性の向上が求められるようになってきている。

また、更にエンジンの高性能化に伴い、エンジンルーム内の温度も上昇してきており、そこに使用される導電材料であるコネクタ用銅基合金には、優れた耐応力緩和特性が要求されるようになってきている。

その対策として、上記の特公平８−９７４５号公報や特開平４−１５４９４２号公報に記載されているように、特定組成のＮｉ、Ｓｎ、Ｐを含有する耐応力緩和特性に優れた銅基合金等が提案されている。

従来の技術では、銅基合金をばね材料として利用するために、最終板厚まで圧延された後の低温焼鈍において、ばね限界値が最大となる条件を採用していた。しかしながら、本願発明者らは最終低温焼鈍を更に詳しく検討したところ、従来の低温焼鈍条件で得られた材料より更に耐応力緩和特性が向上できることを見出した。
特公平８−９７４５号公報特開平４−１５４９４２号公報

本発明は、従来技術の問題点に鑑みて、自動車等のコネクタ用端子材料として極めて優れた耐応力緩和特性を有し、かつ強度、弾性、電気伝導性、曲げ加工性、耐マイグレーション性およびめっき信頼性等に優れた銅基合金を提案するものである。

本発明は、重量％で、Ｎｉ：０．５〜３．０％、Ｓｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．００５〜０．２０％を含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる銅基合金の鋳片から場合によっては熱間圧延工程を、そして更に冷間圧延と焼鈍とを繰返す加工熱処理工程を経て所定の板厚まで圧延加工した後の最終工程において、低温焼鈍の条件をばね限界値が最高値を示す低温焼鈍温度より高い温度で行い、ばね限界値が４００Ｎ／ｍｍ２以上、導電率が３０％ＩＡＣＳ以上、応力緩和率が１．２％以下であり、Ｎｉ−Ｐ化合物が均一微細に分散析出してなることを特徴とする銅基合金を提供するものである。

本発明により製造される銅基合金は、上記の通りＣｕ中に重量％でＮｉ：０．１〜１０％、Ｓｎ：０．１〜９％、Ｐ：０．００５〜０．２０％を含有する成分組成を有するものであり、その製造法は、上記成分組成の銅基合金の鋳片から場合によっては熱間圧延工程を、そして更に冷間圧延と焼鈍とを繰返す加工熱処理工程を経て所定の板厚まで加工する製造工程中で、熱間圧延後の冷却条件、冷間圧延工程での圧下率と焼鈍条件を適切にコントロールすることによって、Ｎｉ−Ｐ系の化合物をこの製造工程中で微細かつ均質分散させて優れた強度、電気伝導性を有し、特に最終工程における低温焼鈍の条件を、ばね限界値が最高値を示す低温焼鈍温度よりも高い温度で行い、ばね限界値の最高値の８０％以上１００％未満を達成する条件にすることによって、極めて優れた耐応力緩和特性を示す銅基合金を得ることができる（図２参照）。

本発明は、鋳片から場合によっては熱間圧延工程を、そして更に冷間圧延と焼鈍とを繰返す加工熱処理工程を経て所定の板厚まで圧延加工した後の最終工程において、低温焼鈍の条件をばね限界値が最高値を示す低温焼鈍温度よりも高い温度とし、かつばね限界値の最高値の８０％以上１００％未満を達成する条件にするものであり、これにより耐応力緩和特性に極めて優れ、強度，弾性，電気伝導性にも優れた銅基合金を得ることができる。

Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｐ系の銅合金のばね限界値と応力緩和率の関係は、図２に示すように、低温焼鈍条件と密接な関係がある。一定時間で低温焼鈍する場合、ばね限界値と温度の関係は、焼鈍温度を上昇させて行くと、ある温度でばね限界値が最高値となり、それより高い温度になると、徐々にばね限界値は低下し、最高値の８０％を示す温度を越えると急激に低下する。

また、応力緩和率は焼鈍温度を上昇させると小さくすることができるが、ある温度を越えるとまた大きくなる。応力緩和率が最低となる温度は、ばね限界値が最高になる温度より高温側にあり、しかもばね限界値の最高値の８０％以上１００％未満を示す温度範囲に存在する。

これまでコネクタ用の銅合金を製造する場合、ばね限界値が最高値を示すように製造条件を設定していた。これに対して、本発明はこのばね限界値が最高値を示す温度より高温側で低温焼鈍するので、ばね限界値は最高値の８０％以上１００％未満であるが、耐応力緩和特性は最も優れた値（応力緩和率の最低値）を示すことになる。

次に、本発明におけるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｐ系銅基合金の添加元素の作用、並びに成分組成範囲の限定理由について説明する。

Ｎｉは、Ｃｕマトリックス中に固溶して耐応力緩和特性を向上させ、強度、弾性、耐マイグレーション性も向上させる。また、Ｐと化合物を形成して分散析出することにより、更にその効果は大きくなる。しかしながら、Ｎｉが０．１％未満では所望の効果は得られず、１０％を超えると電気伝導性が極めて低くなり、実用的でなくなる。好ましくは、０．５〜３．０％の範囲とする。

Ｓｎは、Ｃｕマトリックス中に固溶して強度、弾性及び耐食性を向上させる。しかしながら、Ｓｎが０．１％未満では所望の効果が得られず、９％を超えると電気伝導性、耐マイグレーション性が著しく低下し、また鋳造性や熱間加工性にも悪影響を及ぼす。好ましくは、０．５〜２．０％の範囲とする。

Ｐは、溶湯の脱酸剤として作用すると共に、Ｎｉと化合物を形成して分散析出することにより、耐応力緩和特性を向上させ、かつ強度、弾性並びに電気伝導性を向上をさせる。しかしながら、Ｐ含有量が０．００１％未満では所望の効果は得られず、一方０．３０％を越えると電気伝導性や半田耐候性の低下が著しく、鋳造性や熱間加工性にも悪影響を及ぼす。好ましくは、０．００５〜０．２０％の範囲とする。

次に、本発明におけるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｐ系銅基合金の製造条件について説明する。また本願成分に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｂ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｒ、Ｃｅ、Ａｕの群のうち１種または２種以上を総量で０．０１〜２％の範囲で含有された合金に対しても本願の製造法は有効であり、耐応力緩和特性が向上することから、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｂ，Ｙ、Ｌａ、Ｃｒ、Ｃｅ、Ａｕの群のうち１種または２種以上を総量で０．０１％〜２％の範囲で含有してもよいものとする。

熱間圧延工程では、鋳塊を７５０℃以上に加熱し、熱間圧延仕上温度を６５０℃以上として処理する。その際の熱間圧延圧下率を７５％以上とすると、鋳造組織を完全に潰すことができ、しかも鋳塊における偏析の影響を無くすことができる。

熱間圧延加工後の冷却過程においては、３００℃以下まで５０℃／分以上の冷却速度で冷却し、Ｎｉ−Ｐ化合物を析出させずに、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｐが固溶した熱間圧延材を得ることが重要である。

熱間圧延を行った方が好ましいが、熱間圧延を用いなくても板材を得ることは可能であり冷間圧延では、組織の均質化のために圧下率５０％以上が必要であり、その後の焼鈍は、４００〜６００℃で５〜７２０分間処理する。この処理により、銅基合金中にＮｉ−Ｐ化合物を均一微細に分散析出させることが重要である。

最終圧延では、強度、弾性を得るため、３０％以上の圧下率が必要である。

本発明の最大の特徴である低温焼鈍の条件は、ばね限界値が最高値を示す低温焼鈍温度より高い温度で行うことが重要であり、ばね限界値の最高値の８０％以上１００％未満を達成する条件にすることによって、極めて耐応力緩和特性に優れた銅基合金を製造することができる。

本発明は、固溶強化型の銅合金、例えばＳｎを固溶したりん青銅などの銅合金にも応用できる。

次に、本発明を実施例により説明する。

実施例
表１に示す組成の合金を、高周波溶解炉を用いて溶製し、８５０℃に加熱した後、厚さ１０．０ｍｍまで熱間圧延し、その後冷間圧延と熱処理を繰返し、最終加工率を５０％、６７％とし、板厚０．２５ｍｍの板材を得た。その後、各条件で低温焼鈍を行い、得られた材料のばね限界値、ビッカース硬さ、導電率を測定すると共に耐応力緩和特性の調査を行った。応力緩和試験は、試験片の中央部の応力がばね限界値の８０％の応力となるよにアーチ曲げを行い、１５０℃の温度で１０００時間保持した後の曲げぐせを応力緩和率として次式により算出した。その結果を表１に併せて示した。
応力緩和率（％）＝｛（Ｌ₁−Ｌ_２）／（Ｌ₁−Ｌ₀）｝×１００
Ｌ₀＝治具の長さ（ｍｍ）
Ｌ₁＝試験開始前の試料長さ（ｍｍ）
Ｌ₂＝試験後の試料端間の水平距離（ｍｍ）

表１の結果から、本発明に係る試料１〜５の銅基合金はいずれもばね限界値が４００Ｎ／ｍｍ²以上、導電率３０％ＩＡＣＳ以上を示し、応力緩和率は約１％と極めて優れていることが分かった。

これに対して、低温焼鈍していない圧延上りの材料であるＮｏ．６は、応力緩和率が大きく、またばね限界値が小さい。低温焼鈍条件が、ばね限界値が最高値を示す条件かもしくはそれより低温側の条件であるＮｏ．７，Ｎｏ８は、本発明法で作られた材料よりも応力緩和率が劣っている。

また、低温焼鈍の条件が高温側になり、ばね限界値の最高値の８０％以上を達成できない条件になると、軟化が始まって実用的でない。

更に、本発明合金組成の規定範囲外の合金であるＮｏ．９，Ｎｏ．１０，Ｎｏ．１１は、それぞれＮｉ，Ｓｎ，Ｐが不足した場合であるが、いずれの場合も応力緩和率が著しく劣っている。

本発明に係る耐応力緩和特性に優れた銅基合金の概略製造工程を示す製造工程図である。低温焼鈍条件によるばね限界値と応力緩和率との関係（処理時間一定の場合）を示すグラフである。

符号の説明

Ａ本発明時の焼鈍条件
Ｂ従来の焼鈍条件

Claims

重量％で、Ｎｉ：０．５〜３．０％、Ｓｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．００５〜０．２０％を含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなり、ばね限界値が４００Ｎ／ｍｍ２以上、導電率が３０％ＩＡＣＳ以上、応力緩和率が１．２％以下であり、Ｎｉ−Ｐ化合物が均一微細に分散析出してなることを特徴とする銅基合金。
コネクタ用材料として使用されることを特徴とする請求項３に記載された銅基合金。