JP2006037216A - 端子・コネクタ用銅合金 - Google Patents

Abstract

【課題】高強度、ばね特性および耐マイグレーション性を確保しながら、なおかつ従来の端子・コネクタ用材料に比べて優れた導電率を兼備した端子・コネクタ用銅合金を提供する。
【解決手段】Ｆｅ：０．１〜０．５質量％、Ｎｉ：０．２〜１．０質量％、Ｐ：０．０３〜０．２質量％、Ｓｉ：０．０２〜０．１質量％、Ｓｎ：０．０１〜１．０質量％、Ｚｎ：０．１〜１．０質量％、および残部のＣｕから成り、前記Ｆｅと前記Ｎｉの合計質量と前記Ｐと前記Ｓｉの合計質量の比を（Ｆｅ＋Ｎｉ）／（Ｐ＋Ｓｉ）＝３〜１０とする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、導電性、強度、ばね特性および耐マイグレーションに優れた端子・コネクタ用銅合金に関する。

近年、携帯電話やノートパソコンなどの電子機器において、小型・薄型化および軽量化が進行し、使用される端子・コネクタ部品も、より小型で電極間ピッチの狭いものが使用されるようになっている。こうした小型化によって使用される材料もより薄肉になっているが、薄肉でも接続の信頼性を保つ必要から、より高強度で高いばね性を持った材料が要求されている。一方、機器の高機能化に伴う電極数の増加や通電電流の増加によって、発生するジュール熱も多大なものとなりつつあり、従来以上に導電率が高い材料への要求が強まっている。こうした高導電率材は、通電電流の増加が急速に進んでいる自動車向けの端子・コネクタ材でも強く求められている。

従来、こうした端子・コネクタ用の材料としては黄銅やりん青銅が一般的に使用されてきたが、前記したコネクタ材に対する要求に十分応えられない問題が生じている。すなわち、黄銅では強度、ばね性、導電性の不足によってコネクタの小型化および通電電流の増加に対応できない。また、より高い強度、ばね性を有するりん青銅では、導電率が２０％ＩＡＣＳ程度と低いことから通電電流の増加に対応できない。さらに、りん青銅は耐マイグレーション性に劣るという欠点もある。マイグレーションは、自動車のように高湿環境で使用されるコネクタで問題となるとともに、小型化で電極間ピッチが狭くなっているコネクタでも考慮する必要がある。

こうした黄銅、りん青銅の持つ問題を改善する材料としてＣｕ-Ｎｉ-Ｓｉを主成分とする銅合金が提案され、使用されている（特許文献１、２参照）。
特許２５７２０４２号公報 特許２９７７８４５号公報

しかし、こうしたＣｕ-Ｎｉ-Ｓｉ系の合金でも導電率はせいぜい５０％ＩＡＣＳ程度であり、さらに高導電率を持った材料が求められている。

従って、本発明は、高強度、ばね特性および耐マイグレーション性を確保しながら、なおかつ従来の端子・コネクタ用材料に比べて優れた導電率を兼備した端子・コネクタ用銅合金を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る端子・コネクタ用銅合金は、Ｆｅ：０．１〜０．５質量％、Ｎｉ：０．２〜１．０質量％、Ｐ：０．０３〜０．２質量％、Ｓｉ：０．０２〜０．１質量％、Ｓｎ：０．０１〜１．０質量％、Ｚｎ：０．１〜１．０質量％、および残部のＣｕから成り、前記Ｆｅと前記Ｎｉの合計質量と前記Ｐと前記Ｓｉの合計質量の比が（Ｆｅ＋Ｎｉ）／（Ｐ＋Ｓｉ）＝３〜１０であることを特徴とする。

また、本発明に係る端子・コネクタ用銅合金は、Ｆｅ：０．１〜０．５質量％、Ｎｉ：０．２〜１．０質量％、Ｐ：０．０３〜０．２質量％、Ｓｉ：０．０２〜０．１質量％、Ｓｎ：０．０１〜１．０質量％、Ｚｎ：０．１〜１．０質量％、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒのいずれか１種以上を０．０１〜１．０質量％、および残部のＣｕから成り、前記Ｆｅと前記Ｎｉの合計質量と前記Ｐと前記Ｓｉの合計質量の比が（Ｆｅ＋Ｎｉ）／（Ｐ＋Ｓｉ）＝３〜１０であることを特徴とする。

本発明の端子・コネクタ用銅合金によれば、端子・コネクタ材料として用いられる従来の黄銅、りん青銅、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金に比べて十分に高い導電率を持ち、なおかつりん青銅、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金並みの良好な強度、ばね性を確保している銅合金を提供することができる。具体的な特性としては、６５０Ｎ／ｍｍ²以上の引張強さと５５０Ｎ／ｍｍ²以上のばね限界値を有し、かつ６０％ＩＡＣＳを越える導電率を兼備した銅合金を提供することができる。また、高導電率を実現したことで通電時のジュール熱発生を抑制でき、従来、通電量の増加が小型化の問題となっている端子・コネクタにおいて、その設計自由度を大幅に広げることができるものとなる。

以下、本発明の端子・コネクタ用銅合金の実施をするための最良の形態について説明する。

（１）銅合金組成
本発明の端子・コネクタ用銅合金はその合成組成として、 ０．１〜０．５質量％のＦｅ、０．２〜１．０質量％のＮｉ、０．０３〜０．２質量％のＰ、０．０２〜０．１質量％のＳｉを、ＦｅとＮｉの合計質量とＰとＳｉの合計質量の比が（Ｆｅ＋Ｎｉ）／（Ｐ＋Ｓｉ）＝３〜１０の範囲で含んだ銅合金をベース材とする。これにより、高い強度、ばね性と優れた導電性を両立させることが可能となる。ここで、ＦｅとＮｉはＰとＳｉと共に添加することによってＰ化合物やＳｉ化合物を形成し、銅中に分散析出する。よって、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓｉの組成比を特定の範囲に規定することにより、導電率を低下させる銅中の固溶元素量を抑えながら、析出物の分散強化による効果で強度とばね性を向上させることができる。

上記の組成に加えて０．０１〜１．０質量％のＳｎを含有させる。Ｓｎは強度、ばね性の向上に大きな効果を持つとともに、耐熱性を向上させて高温下での耐応力緩和性を改善する働きがあり、端子・コネクタ用材料にとって効果的な添加元素である。

上記の組成に加えて０．１〜１．０質量％のＺｎを含有させる。Ｚｎは強度、ばね性の向上効果を持つとともに、耐マイグレーション性を大幅に向上させる働きを持つ。さらに、電子部品材料として必要なはんだ濡れ性やＳｎめっき密着性の改善にも大きな効果がある。

さらに、上記組成に加えてＭｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒから選択した１種以上を０．０１〜１．０質量％の範囲で含有させる。このことにより、より良好な特性を期待することができる。これらの元素は強度、ばね性および耐マイグレーション性のそれぞれをさらに改善する働きを持ち、かつ導電性に与える悪影響が少ない添加成分として有効である。

（２）各元素の範囲
Ｐの組成範囲は０．０３〜０．２質量％に規定する。Ｐの添加量を０．０３質量％未満にすると十分な量のＰ化合物を形成することができず，満足できる強度、ばね性が得られなくなる。また、０．２質量％を超えて添加すると、鋳造時にＰ化合物の偏折に起因する鋳解割れが起きやすくなる。

Ｓｉの組成範囲は０．０２〜０．１質量％に規定する。Ｓｉの添加量を０．０２質量％未満にすると効果的なＰ化合物が形成されなくなる。また、０．１質量％を超えて添加すると、導電性に対する悪影響が大きくなる。

このＰおよびＳｉの組成範囲に対して効果的に化合物を形成させ、高強度と高導電性を両立させるためには、Ｆｅの組成範囲を０．１〜０．５質量％、Ｎｉの組成範囲を０．２〜１．０質量％にし、かつそのＦｅおよびＮｉの合計質量とＰおよびＳｉの合計質量の比が（Ｆｅ＋Ｎｉ）／（Ｐ＋Ｓｉ）＝３〜１０になるように規定する必要がある。Ｆｅが０．１質量％未満、Ｎｉが０．２質量％の場合、化合物の形成量が不十分になり、強度、ばね性が不足する。またＦｅが０．５質量％を超え、Ｎｉが１．０質量％を超える場合、余剰のＦｅおよびＮｉが銅中に固溶して導電率を低下させる。さらにＦｅおよびＮｉの合計質量がＰおよびＳｉの合計質量の３倍未満になる場合は、化合物形成時にＰおよびＳｉが過剰となり、１０倍を超える場合は逆にＦｅおよびＮｉが過剰となる。このような過剰成分は銅中に固溶状態で存在するため、導電率を害する結果となる。

Ｓｎは強度、ばね性の向上とともに、高温下での耐応力緩和性を大きく向上させる効果を持った副成分である。ただし、含有量が０．０１質量％未満の場合、その効果が十分ではなく、１．０質量％を超えると導電率を低下させる悪影響が大きくなる。よってＳｎの組成範囲は０．０１〜１．０質量％に規定する。

Ｚｎは強度、ばね性、耐マイグレーション性の向上とともに、はんだ濡れ性やＳｎめっき密着性の改善に大きな効果がある副成分である。ただし、含有量が０．１質量％未満の場合その効果が十分ではなく、１．０質量％を超えると導電率を低下させる悪影響が大きくなる。よってＺｎの組成範囲は０．１〜１．０質量％に規定する。

Ｍｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒは強度、ばね性、耐マイグレーション性、耐熱性のそれぞれをさらに改善する働きをもつとともに、導電性に与える悪影響が比較的少ないことから、上記の各元素の働きをさらに補う添加元素として有効である。ただし、含有量が０．０１質量％未満の場合その効果が十分ではなく、１．０質量％を超えると鋳造性の低下などの悪影響が生じる。よってＭｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒの組成範囲は０．０１〜１．０質量％に規定する。

次に本発明の実施例について説明する。

無酸素銅を母材として、０．３質量％のＦｅ、０．６質量％のＮｉ、０．１５質量％のＰ、０．０６質量％のＳｉ、０．５質量％のＳｎ、０．５質量％のＺｎを添加した銅合金を、高周波溶解炉で溶製し、直径３０mm、長さ２５０ mmのインゴットに鋳造した。これを８５０℃に加熱して押出加工し、幅２０ mm、厚さ８mmの板状にした後、厚さ２．０ mm まで冷間圧延した。これに８５０℃で１０分間保持した後、水中に投入して約３００℃／分の速度で室温（約２０℃）まで冷却した。冷却した材料を厚さ０．７mmまで冷間圧延した後、４６０℃で２時間時効処理をした。さらにこれを厚さ０．３mmまで冷間圧延した後、４００℃で低温焼鈍して伸びを回復させた（試料Ｎｏ．１）。次に、０．３質量％のＦｅ、０．６質量％のＮｉ、０．１５質量％のＰ、０．０６質量％のＳｉ、０．５質量％のＳｎ、０．５質量％のＺｎに加えてＭｇ０．０５質量％を添加した銅合金を上記と同様に鋳造し、同じ工程で厚さ０．３mmまで加工した（試料Ｎｏ．２）。

以上のようにして製造した試料Ｎｏ．１および試料Ｎｏ．２について、引張強さ、ばね限界値、導電率の各特性値を測定した。ここでは、ばね限界値はＪＩＳＨ３１０１のモーメント式試験によって測定した。その結果、試料Ｎｏ．１は引張強さ６７２Ｎ／ｍｍ²、ばね限界値５８４Ｎ／ｍｍ²、導電率６５Ｉ％ＡＣＳ、また試料Ｎｏ．２は引張強さ６８８Ｎ／ｍｍ²、ばね限界値６００Ｎ／ｍｍ²、導電率６５％ＩＡＣＳという良好な特性を持つ材料が得られた。

更に、表１に示す組成の合金Ｎｏ．３〜Ｎｏ．１１を鋳造し、前記と同じ条件で加工、熱処理をして厚さ０．３mmの試料を製造した。得られた試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１１について引張強さ、ばね限界値、導電率の各特性値を測定した。測定した結果を表２に示す。

表２の結果、本発明の実施例である試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４は、いずれも６５０Ｎ／ｍｍ²以上の引張強さと５５０Ｎ／ｍｍ²以上のばね限界値を持ちながら、なおかつ６０％ＩＡＣＳを超える良好な導電率を兼ね備えている。

試料Ｎｏ．６およびＮｏ．７は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓｉの含有量が規定範囲から外れた例である。試料Ｎｏ．６は特にＰの含有量が多すぎたことに起因して鋳塊割れが発生した。また、試料Ｎｏ．７は含有量が少ないことによって十分な引張強さ、ばね限界値が得られていない。

試料Ｎｏ．８およびＮｏ．９は、Ｆｅ、Ｎｉの合計量とＰ、Ｓｉの合計量の比率が規定範囲から外れた例である。Ｆｅ、Ｎｉが過剰になった場合もＰ、Ｓｉが過剰になった場合も導電率が悪くなり、引張強さやばね限界値も良好な値が得られない。

試料Ｎｏ．１０はＳｎの量が過剰になった例であり、試料Ｎｏ．１１はＺｎの量が過剰になった例である。いずれも引張強さやばね限界値は良好であるが、導電率が悪くなる。

以上、本発明の銅合金によれば、端子・コネクタ材料として用いられる従来の黄銅、りん青銅、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金に比べて十分に高い導電率を持ち、なおかつりん青銅、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金並みの良好な強度、ばね性を確保している。また同時に高導電率を実現したことで通電時のジュール熱発生を抑制でき、従来は通電量の増加が小型化の問題となっていた端子・コネクタにおいては、その設計自由度を大幅に広げることができる。さらに製造コストの面でも本発明の銅合金は、従来材と同等のコストで製造することが可能であり実用上の問題とはならない。

Claims (3)

1. Ｆｅ：０．１〜０．５質量％、Ｎｉ：０．２〜１．０質量％、Ｐ：０．０３〜０．２質量％、Ｓｉ：０．０２〜０．１質量％、Ｓｎ：０．０１〜１．０質量％、Ｚｎ：０．１〜１．０質量％、および残部のＣｕから成り、前記Ｆｅと前記Ｎｉの合計質量と前記Ｐと前記Ｓｉの合計質量の比が（Ｆｅ＋Ｎｉ）／（Ｐ＋Ｓｉ）＝３〜１０であることを特徴とする端子・コネクタ用銅合金。
2. Ｆｅ：０．１〜０．５質量％、Ｎｉ：０．２〜１．０質量％、Ｐ：０．０３〜０．２質量％、Ｓｉ：０．０２〜０．１質量％、Ｓｎ：０．０１〜１．０質量％、Ｚｎ：０．１〜１．０質量％、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒのいずれか１種以上を０．０１〜１．０質量％、および残部のＣｕから成り、前記Ｆｅと前記Ｎｉの合計質量と前記Ｐと前記Ｓｉの合計質量の比が（Ｆｅ＋Ｎｉ）／（Ｐ＋Ｓｉ）＝３〜１０であることを特徴とする端子・コネクタ用銅合金。
3. ６５０Ｎ／ｍｍ²以上の引張強さと５５０Ｎ／ｍｍ²以上のばね限界値を有し、かつ６０％ＩＡＣＳを越える導電率を兼備してなる、請求項１または２の端子・コネクタ用銅合金。