JP2006225753A - 電機、電子機器部品用コルソン合金細線の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子機器の小型化は、世界的に課題となっている。電子機器のマイクロ化のためには、該小型機器内の配線が細く、高強度、高延伸性であることが必要である。ところがいずれの従来技術においても、単線状態では強度と延伸性及び導電性が同時に満足される物は得られていない。本発明は、これを解決し従来にない高強度と延伸性を両立させた超微細結晶粒度の銅合金細線の単線を創始し、電子産業界に提供することを目的課題とするものである。
【解決手段】Cu-Ni-Si系コルソン合金の細線の新規組成と、鋳造組織と溶体化処理条件の検討、析出処理条件の検討、などの新しい加工方法を創始したことに加えて、高い加工度により、伸線加工し、高強度と良好な延伸性と高い導電性を兼有する1μm以下の超微細結晶粒度を有する新コルソン細線の画期的製造方法を創始したことにより、従来不可能であった課題を解決した。
【選択図】なし

Description

本発明は、近年における電機、電子機器のマイクロ化に伴い、その分野で新たに需要が起こりつつある、強度、延性及び導電性に従来よりも優れた電子機器部品用Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系コルソン合金細線の製造方法に関するものである。

従来、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系コルソン合金は、リ−ドフレ−ム、端子、コネクタ−等の電機、電子部品に使用されているが殆ど条板の形で製造販売され使用されている。ところで、近年の需要と技術発達の方向として、電機、電子機器の軽量短小化のニ−ズに伴い、使用される部品も小型化が進んでいる。而してそれに使用する銅合金には高い強度と高い加工性に要求される延性及び高い導電性が要求されている。コルソン合金は溶体化処理後、析出処理が行われている。即ち、析出処理によりＮｉ−Ｓｉ化合物を析出させて、強度、延性及び導電性を向上させている。またこの技術を電子機器のマイクロ化に伴い細線の形で使用しようとする動きが活発化している。

これに関連した従来技術には次のようなものが存在している。
１番目の従来技術は、特開平６−６０７７２のような圧電接続用電線導体に関する高い強度、電気導電性に加え高い延性を有する複数本の撚り線を提供することを目的とする。
しかして、その解決手段としては、１．５〜４．５％のＮｉ，０．３〜１．０％のＳｉ残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる複数の素線を導体断面積が０．０３〜０．３ｍｍ²
となるように撚り合わせ、引張強度４５〜９０ｋｇｆ／ｍｍ²、破壊時の伸び率８〜２０％、導電率５０％ＩＡＣＳ以上であるような構成である。

２番目の従来技術は、特開２００２−３５６７２８のようなもので、銅および銅合金条板とその製造方法であり、強度、加工性のバランスに優れた銅または銅合金条板を得ることを課題目的とするものである。而してその解決手段は、最終冷間圧延における加工度ηを下記式で表す場合に、η≧３なる圧延加工を施すことで上記最終冷間圧延後に粒径１μｍ以下の微細な結晶粒を持ち、引張試験により２％以上の伸びを示すことを特徴とする銅および銅合金条板とする構成であった。
記：加工式；η＝ｌｎ（Ｔ0 ／Ｔ1） ，Ｔ0 ：圧延前板厚，Ｔ1 ：圧延後板厚

特開平６−６０７７２号公報；特願平４−２１２７１６ 特開２００２−３５６７２８号公報；特願２００２−４０６７０

しかしながら、前記従来技術の特開平６−６０７７２号公報の技術は複数本の撚り線を製造する方法であって、本発明の目的とする細い銅合金線を製造する方法ではない。また、特開平２００２−３５６７２８号公報の技術は条板を製造する方法であって本発明の目的とする細い銅合金線を製造する方法ではない。上記各従来技術の特性は次の通りである。特開平６−６０７７２号公報の技術は溶体化処理を９５０℃で行って加工度９９％以上の伸線を行い、次いで析出処理を４２０〜５００℃で２時間以上と長時間行っている。更に強度向上の目的でコルソン合金にＡｇを添加して析出処理後９６％の最終冷間加工を行って、更に４５０℃で析出処理を行っている。結晶粒度についての記載は見当たらない。
特開２００２−３５６７２８は溶体化処理後、強度が高くなる温度で析出処理を行って、その後、加工度９５％で最終圧延を行なっているが、延性が充分でない。

このように、電子機器部品用の銅合金の機械特性にとって、高い強度と良好な加工性、すなわち延性を有することが望まれる。ところが、強度と延性は相反する関係にあり、加工硬化による強度上昇をうる為に圧延加工を行なうと、延性が低下するため、圧延のままでは良好な加工性は得られない。析出処理時に結晶粒径が小さくなるようにコントロ−ルして、強度と延性を保っているのが、従来の一般であった。しかし２〜３μｍ以下の結晶粒度のものは得られないのが現状あった。

しかし、この方法において、結晶粒度を微細化するために析出温度を低くしていくと、析出を充分に進行させ、良好な強度と延性、導電性を得るには、長時間の加熱を必要とするか、特殊な加熱をするとか、いずれも効率が悪かった。一方、高温で析出処理を行なうと、加熱時間は短縮されるが、析出結晶物が粗大化するとともに、再結晶が進み、強度が低下するという問題があった。したがって、実際には溶体化処理後加工度１０〜８０％の圧延加工を行って、強度を上げて、その後、導電率が高くなる温度で析出処理を行っている。このままでは、強度レベルが低下するので、ある程度の圧延加工で強度を回復させ、歪み取り焼鈍で強度、延性、更に導電率のバランスを満たしているのが、従来の実情であある。また、他の方法は溶体化処理後導電率が高くなる温度で析出処理を行って、その後８０％以上の加工度で圧延を行って、強度を回復させて、その後歪取り焼鈍で延性を回復させているのが、従来の実状である。

また、最近の従来技術として、９５０℃と高い温度で溶体化処理を行い、９９％以上の加工度で伸線を行って、５００℃と高い温度で２時間と長い時間析出処理を行って、高い延性と高い導電率を得ることができるが、強度低下が大きいので、複数本の撚り線にすることにより強度を得る方法が提案されている。また、他の方法では９５０℃と高い温度で溶体化処理後、強度の高くなる温度で析出処理を行って、加工度を９５％以上加えた最終圧延工程で動的再結晶化により、微細結晶を形成させる提案がなされているが、６％以上の伸び率を有する延性はやはり歪取り焼鈍で回復させなければならないし、そのときに起こる強度低下については記載されていないという問題点がある。
本発明は上記従来の諸問題点を解決し、電気、電子部品の小型化のため、細線の品質向上と製造方法の大幅改良をその目的課題とする。

本発明者等は、上記問題点を解決するため、鋭意研究を重ねた結果、加工度を９９％以上とするために、該細線合金の新規の組成を前記請求項１のように創出し、該組成の鋳塊の状態で溶体化した後、９９％以上、更に９９．９９％以上の冷間伸線するとＮｉ、Ｓｉが更にＣｕ金属の中を拡散して、固溶した状態で動的再結晶化が起こり結晶粒がサブミクロンと超微細化して高い強度が発現すること，更に中間析出処理を行った後、９９％以上の加工度で最終的に冷間伸線加工を行えば、Ｎｉ−Ｓｉ化合物が析出した状態で、動的再結晶化が起こり、結晶粒がサブミクロンと超微細化して、最終析出処理を行っても、
Ｎｉ−Ｓｉ化合物のピン止効果で、結晶粒度の成長が起こらないことを確認し本発明に至っつた。しかして、従来より低い温度で溶体化処理し、冷間加工を行い、必要ならば中間析出処理を行い、最終的に加工度を９９％以上にして冷間伸線加工した後、２５０〜５００℃の温度で、従来より短い時間で析出処理を行うことにより、高い強度、延性且つ高い導電率を持つ超微細結晶粒となり、バランスの取れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｍｎ系コルソン合金細線が製造しうるようになった。

ここに、本発明にいう細線の丸線の場合は断面径が０．２ｍｍ以下の素線、角線の場合は断面径が０．４ｍｍ以下の素線である。また、本発明にいう加工度とは次式に示す３つの式で示される加工可能の度合いをいう。
加工度１＝（溶体化処理時の断面積−最終析出処理時の断面積）／溶体化処理時の断面積加工度２＝（中間析出処理時断面積−最終析出処理時の断面積）／中間析処理時の断面積加工度３＝（溶体化処理時の断面積−中間析出処理時の断面積）／溶体化処理時の断面積（加工度１，２は９９％以上でなければならない。加工度１，２，３の鋳塊で溶体化処理を行う場合、柱状晶単相の場合溶体化処理を省くことができる。）

本発明で使用するコルソン合金の組成は、Ｎｉを１．０〜４．０ｗｔ％，Ｓｉを０．２〜１．４ｗｔ％，Ｍｎを０．０５〜０．５ｗｔ％，Ｚｎを１．０ｗｔ％以下含有し残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる。上記合金に副成分としてＭｇ，Ｓｎ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｐ，Ｚｒ及びＡｇの１種以上を０．００５〜２ｗｔ％添加しても良い。
また、本発明のコルソン合金は高周波溶解炉で木炭被覆下に大気溶解した後、横型連続鋳造機で１３〜４０ｍｍφのビレットに鋳造される。

鋳造した鋳塊のマクロ組織を観察すると、柱状晶、等軸晶、チル晶からなる。表面にあるチル晶は機械的、化学的に取り除けるが、等軸晶は中心部にあるので取り除くことは出来ない。全部が柱状結晶である場合、即ち、柱状晶単相組織の場合は、特に加工度９９％以上の冷間伸線加工を行う場合は溶体化処理を行った組織と同程度のＮｉ，ＳｉのＣｕへの固溶度が得られることがＸ線マイクロアナライザ分析、及び導電率測定の結果判明した。従って、この場合は溶体化処理は不要である。しかし、鋳塊には、柱状晶だけではなく、等軸晶もあるので、冷間加工を加えるか、冷間加工を加えない場合も、溶体化処理を行って、Ｎｉ、ＳｉをＣｕに充分固溶させなければならない。この場合の溶体化処理温度は７００〜９５０℃で行う。９５０℃以上で行うと強度が落ちる。７００℃より低い温度では長い時間がかかる。溶体化処理は大気中で行うことできる。溶体化処理後水中で急冷することができる。表面に付着したスケ−ルは化学的に取り除くことができる。

溶体化処理の後、加工度１を９９％以上好ましくは、９９、９９％の冷間伸線加工を加えた後、４００〜５００℃の温度で３０〜１５０分の最終析出処理を行うと強度、延性、導電性が高くなる。溶体化処理の後加工度３を９９％以上で冷間伸線した後、中間析出処理を行う。その後、加工度２の９９％以上の冷間伸線加工を行って最終析出焼鈍を行うと更に強度が向上する。このときの中間析出処理条件は４００〜５００℃で３０〜１５０分である。最終析出焼鈍条件は２５０〜５００℃で５〜１５０分である。５００℃を超えると導電率、伸び率は高くなるが強度の低下が大きい。４００℃以下で、Ｎｉ−Ｓｉ化合物のピン止効果で結晶粒成長速度が小さくなり、結晶粒度が１μｍ以下となり、強度の低下が小さい。冷間伸線加工は複数の伸線機で行われる。途中、表面のスケ−ルを化学的に取り除くのはかまわない。

以上詳細に説明したように、本発明により、従来製造不可能であった、強度も強く、而も延性も良好で且つ導電性にも優れ、バランスの取れたコルソン合金細線を安価に作ることが出来、電機、電子機器の接点材料の性能を大幅に向上させることができる。

本発明の実施の最良の形態としては、前記請求項１又は２の組成のコルソン合金細線の製造方法において、前記請求項３の柱状晶単相の鋳塊段階で溶体化処理を省いて行うのが最良である。その理由は工程短縮が出来て、最終的に超微細な結晶粒度のものが得られ、高い強度、延性、導電性の良好な細線が得られるからである。

次に、本発明の効果を実証しつつ、実施例について具体的に説明する。
表１にｗｔ％で示される組成のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｍｎ系コルソン合金を高周波溶解炉により木炭被覆下で大気溶解した後、連続鋳造機で鋳造し３４ｍｍφと１８ｍｍφのビレツトに鋳造した。鋳塊１の成分値はＮｉ２．０ｗｔ％，Ｓｉ０．４０ｗｔ％，Ｍｎ 0.14
ｗｔ％（柱状晶単相）、また鋳塊２の成分値は、Ｎｉが２．０ｗｔ％，Ｓｉが０．４５ｗｔ％，Ｍｎが０．２１ｗｔ％，Ｚｎが０．１ｗｔ％で、残部がＣｕと不可避的不純物から成り、結晶状態は等軸晶共相（柱状結晶と等軸晶の結晶が同時に存在する状態の相）である。
次に、鋳塊３の成分値は、Ｎｉが３．８ｗｔ％、Ｓｉが０．８ｗｔ％、Ｍｎが０．１４ｗｔ％、Ｚｎが０．０５ｗｔ％で残部がＣｕと不可避的不純物から成り、結晶状態は等軸晶共相であった。鋳塊のマクロ組織を調べた後、そのまま又は冷間圧延加工後溶体化処理を大気中で行い水中に急冷した。次いで、スケ−ルを酸洗いで落とした。冷間伸線加工を行った後析出処理を行って強度と導電率を測定した結果を表１に示した。
表１の内容に関連して説明を加える。該金属組織内結晶が単相のとき溶体化処理を省略しても、８５０℃以下の温度で溶体化処理した場合と同様加工率が９９％以下では動的再結晶が起こらないので、結晶の微細化が起こらない。そのため強度が高くならない。しかし加工度が９９％以上あれば強度が７００Ｎ／ｍｍ² 以上となり、更に９９．９９％以上では８５０Ｎ／ｍｍ² と急激に高くなる。しかし導電率はＮｉ，Ｓｉ，Ｍｎが固溶した時の低い同程度の値を示していることから、固溶した状態で動的再結晶が起こっていることを示している。

実施例１で得られた試料を最終析出処理した時の条件と特性値の関係を表２に示した。

表２について説明する。加工度１が９９％以上になると４００〜５００℃で析出処理を行うと強度は低下してくるが導電率、伸び率も６％に近づく。加工度１が９９．９９％以上になると４７５℃と高くなっても強度低下が小さい。特に溶体化処理温度が９５０℃と高くなると導電率、伸び率は高くなるが強度が低下する。Ｎｉ−Ｓｉ化合物のピン止め効果はなく、結晶粒の成長の速度が大きく、１〜２μｍとなっているからである。

実施例１の鋳塊ビレットを溶体化処理を省略した条件、７５０℃ｘ３時間で溶体化処理を行った後水中で急冷した条件の２種類の条件で行った後、加工度３の冷間伸線加工を行い、中間析出処理を行った。加工条件と特性値の関係を表３に示した。

表３について説明する。加工度９９％以上で伸線したものを４００〜５００℃で析出処理したものは、高い導電率を示したが、強度は低下した。特に溶体化温度９５０℃で行ったものは高い導電率を示したが強度は低かった。結晶粒の成長速度が大きいためである。

実施例３で得られた試料を９９％以上の加工度２で最終冷間伸線加工後最終析出処理したときの条件と特性値の関係を表４に示した。
表４について説明する。加工度２の９９％以上の最終伸線加工を行った後、３００〜４００℃の最終析出処理を行うと強度はわずかに低下してくるが、導電率は向上している。
高い強度、伸び、導電率を維持している。最終析出処理でＮｉ−Ｓｉ化合物のピン止効果により結晶粒度の成長が起きていないことと、０．２〜０．４μｍの超微細結晶粒が生じていることに起因している。３７５℃以上の最終析出温度では導電率が５０％以上と高くなるが強度低下が増加する。更に、４５０℃になると５２％と高い導電率を示すが、強度が大幅に低下し４５２Ｎ／ｍｍ² となる。

上記製作により得られた丸線から各種の試験片を採取して材料試験を行い、結晶粒度、強度、伸び率、導電率について測定した。結晶粒度は電子顕微鏡で分析した。強度、伸び率についてはＪＩＳ２２４２に規定された引張試験に従って行った。導電率は四端子法を用いて導電率を測定して求めた。

電機、電子機器産業において、製品の軽量短小化は世界的傾向である。電子機器の超小型化のためには、機器内の結線に用いる導線は細く強度が大でなければならない。そこで細い導線に使用する銅合金の強度を大にするため、材料組織内の結晶粒を微細にすると、、延伸性が低下するから従来強度が大で延伸性が良好なコルソン系細線は存在しなかった。そこで本発明では、上記詳細に開示した通り、強度が大で、導電率が高く、延伸性が良好なる画期的な新コルソン系細線を創始開発し、これをこの分野の産業界に提供せんとするものである。従って、本発明の産業上利用可能性が極めて大であることは明らかである。

Claims (3)

1. Ｎｉを１．０〜４．８ｗｔ％，Ｓｉを０．２〜１．４ｗｔ％，Ｍｎを０．０５〜０．５ｗｔ％，Ｚｎを１．０以下ｗｔ％含有し、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる均質な組成の銅合金を、必要に応じ、７００〜９５０℃で溶体化処理を行った後、冷間加工を加え最終的に加工度９９％以上で冷間伸線加工を行い、次いで２５０〜５００℃の温度において５〜１５０分の時間で析出処理を行い該金属組織内結晶粒度を２μｍ以下とすることを特徴とする電機、電子機器部品用コルソン合金細線の製造方法。
2. 前記コルソン合金細線の製造方法は、溶体化処理工程と冷間伸線加工工程の中間に中間析出処理工程を挿入経由して、該金属組織内結晶粒度を１μｍ以下とするものである請求項１に記載の電機、電子機器部品用コルソン合金細線の製造方法。
3. 前記溶体化処理は前記組成の銅合金の鋳塊の状態で行うものである請求項１又は２に記載の電機、電子機器部品用コルソン合金細線の製造方法。