JP2011012302A - 端子・コネクタ用銅合金材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的強度と優れた曲げ加工性を兼備した端子・コネクタ用銅合金材及びその製造方法を提供する。
【解決手段】１〜５質量％のＮｉ、０.２〜１.２質量％のＳｉをＮｉ／Ｓｉ質量比４〜６で含有すると共に、０.００５〜０.０５質量％のＢを含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる組成の銅合金であって、銅母相の平均結晶粒径が２０μｍ以下、引張強さが８００ＭＰａ以上で、かつ、Ｗ曲げ試験で割れが発生しない曲げ半径の最小値Ｒと板厚ｔの比率Ｒ／ｔが１以下である端子・コネクタ用銅合金材である。
【選択図】なし

Description

本発明は、端子・コネクタ用銅合金材及びその製造方法に関し、特に、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系の銅合金材であって高い強度、耐力と優れた曲げ加工性とを併せ持つ端子・コネクタ用銅合金材及びその製造方法に関するものである。

近年、各種の電気・電子機器において小型・薄型化及び軽量化が進行し、それに伴って使用される部品の小型化が進んでいる。端子・コネクタ部品においては小型で電極間のピッチの狭いものが求められる傾向にある。

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、薄肉であっても接続の信頼性を保つ必要から、より高いばね性を持った材料が要求されている。高いバネ性を確保するためには、材料の強度及び耐力を十分に高める必要がある。
さらに、小型化に伴い、より小さく複雑な形状の部品を一体成型で製作する要求も強くなっており、より厳しい条件の曲げ加工性に適用できる材料が強く求められている。
また、機器の高性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増加傾向にあり、従来以上に導電性のよい材料への要求も強まっている。
すなわち、端子・コネクタ部品の材料としては、高強度、高耐力と良好な曲げ加工性を同時に満足し、さらに良好な導電性を兼備する材料が強く求められている。

従来、ばね性を要求される端子・コネクタ部品の材料には、リン青銅やベリリウム銅が広く使用されてきているが、リン青銅は導電率が２０％ＩＡＣＳ程度と低いことから前述したジュール熱の増加に対応できないという問題がある。また、ベリリウム銅は高いバネ性と良好な導電性を兼備するものの高価であり、汎用的な部品に広く適用していくには限界がある。

そこで、より高い強度や導電率の要求に安価で対応できる材料として、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系などの銅合金材が用いられてきている（例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照）。
Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉを主成分とする銅合金材は４０％ＩＡＣＳ前後の導電率を持ち、ジュール熱の増加に対応することができる。また、ベリリウム銅に比べて低コストでの製造が可能であるため安価に提供できる。

特許第２５７２０４２号公報 特許第２９７７８４５号公報 特開２００８−１９３７号公報

しかしながら、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金でも、高強度、高耐力と曲げ加工性は二律背反的な関係にあり、強度を高めると曲げ加工性が低下し、曲げ加工性を良くしようとすると強度が低下するという問題があった。すなわち、従来、高強度、高耐力と良好な曲げ加工性とを同時に満足させることは難しく、具体的には、引張強さを８００ＭＰａ以上（さらには８２０ＭＰａ以上）にした材料で、満足できる良好な曲げ加工性（曲げ半径Ｒ／試料の板厚ｔ≦１）を得ることは非常に困難であった。

本発明の目的は、機械的強度と優れた曲げ加工性を兼備した端子・コネクタ用銅合金材及びその製造方法を提供することにある。

本発明の第１の態様は、１〜５質量％のＮｉ、０.２〜１.２質量％のＳｉをＮｉ／Ｓｉ質量比４〜６で含有すると共に、０.００５〜０.０５質量％のＢを含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる組成の銅合金であって、銅母相の平均結晶粒径が２０μｍ以下、引張強さが８００ＭＰａ以上で、かつ、Ｗ曲げ試験で割れが発生しない曲げ半径の最小値Ｒと板厚ｔの比率Ｒ／ｔが１以下である端子・コネクタ用銅合金材である。

本発明の第２の態様は、第１の態様の端子・コネクタ用銅合金材において、前記組成の銅合金は、２質量％以下のＳｎ、５質量％以下のＺｎをさらに含有する。

本発明の第３の態様は、第１の態様又は第２の態様の端子・コネクタ用銅合金材において、前記組成の銅合金のＮｉ／Ｓｉ質量比は、４〜５である。

本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様のいずれかに記載の前記組成の銅合金を素材として形成した後、圧延加工、溶体化処理、時効処理を組み合わせて所望形状の銅合金材を形成する端子・コネクタ用銅合金材の製造方法であって、８００℃〜９００℃の温度範囲で加熱し、かつ、その後に３００℃以下まで１０℃／秒以上の速度で冷却する溶体化処理を行い、続いて、加工率３０％未満の冷間圧延を行い、その後、３７０〜５００℃で１〜５０時間の時効処理を行う端子・コネクタ用銅合金材の製造方法である。

本発明の第５の態様は、第１〜第３の態様のいずれかに記載の前記組成の銅合金を素材として形成した後、圧延加工、溶体化処理、時効処理を組み合わせて所望形状の銅合金材を形成する端子・コネクタ用銅合金材の製造方法であって、前記素材として形成した銅合金に熱間圧延を行い、続いて、８３０℃〜８６０℃の温度範囲で加熱し、かつ、その後に３００℃以下まで２５０℃／秒以上の速度で冷却する溶体化処理を行い、続いて、加工率１５％以下の冷間圧延を行い、その後、４００〜４７０℃で１〜５０時間の時効処理を行う端子・コネクタ用銅合金材の製造方法である。

本発明によれば、機械的強度と優れた曲げ加工性を兼備した端子・コネクタ用銅合金材が低コストで得られる。

本発明の一実施形態に係る端子・コネクタ用銅合金材の製造方法の工程図である。

以下に、本発明の一実施形態に係る端子・コネクタ用銅合金材及びその製造方法を図面を用いて説明する。

本実施形態の端子・コネクタ用銅合金材は、１〜５質量％のＮｉ、０.２〜１.２質量％のＳｉをＮｉ／Ｓｉ質量比４〜６で含有すると共に、０.００５〜０.０５質量％のＢを含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる組成の銅合金であって、銅母相の平均結晶粒径が２０μｍ以下、引張強さが８００ＭＰａ以上で、かつ、Ｗ曲げ試験で割れが発生しない曲げ半径の最小値Ｒと板厚ｔの比率Ｒ／ｔが１以下である。

（銅合金の組成）
本実施形態における銅合金の組成は、１〜５質量％のＮｉ（ニッケル）、０.２〜１.２質量％のＳｉ（シリコン）をＮｉ／Ｓｉ質量比４〜６で含有すると共に、Ｂ（ボロン）を０.００５〜０.０５質量％含有し、残部がＣｕ（銅）および不可避不純物からなる。
上記組成に加えて２質量％以下（０質量％より大）のＳｎ（スズ）、５質量％以下（０質量％より大）のＺｎ（亜鉛）を含有させるのが好ましい。また、Ｎｉ／Ｓｉ質量比は４〜５とするのが好ましい。

本実施形態において、銅合金村を構成する合金成分の添加理由と添加量の限定理由とを以下に説明する。

（Ｎｉ、Ｓｉ）
Ｎｉ、Ｓｉは、これらを主成分とする金属間化合物（主に、Ｎｉ_２Ｓｉ）を材料中に析出、分散させるために添加する。この金属間化合物によって銅合金の機械的強度やバネ性が高まるとともに、良好な導電率を保つことができる。Ｎｉ、Ｓｉの含有量が少ないと金属間化合物を十分に分散できず、高い強度を得ることができない。一方、Ｎｉ、Ｓｉの含有量が多すぎると、鋳造時に形成した粗大な晶出物を、後述する本発明の実施形態の製造方法の溶体化条件によって、十分に固溶させることができず、やはり十分な量の金属間化合物を分散することができない。また、Ｎｉ／Ｓｉ質量比が大きすぎると、時効処理における主な析出物が金属間化合物Ｎｉ_５Ｓｉ_２となり、機械的強度やバネ性が低下する。一方、Ｎｉ／Ｓｉ質量比が小さすぎると、時効処理における主な析出物が金属間化合物Ｎｉ_５Ｓｉ_２となり、やはり機械的強度やバネ性が低下する。
本実施の形態においては、Ｎｉの含有量を１〜５質量％、好ましくは２〜４質量％に、Ｓｉ含有量を０.２〜１.２質量％、好ましくは０.３〜１.０質量％に、かつＮｉ／Ｓｉ質量比を４〜６、好ましくは４〜５に規定することにより、効果的に高い強度と良好な曲げ加工性を両立させることができる。

（Ｂ（ボロン））
Ｂは、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金において、８００℃以上の高温の溶体化処理においても結晶粒の成長を押さえ、微細な結晶粒を維持するために添加する。Ｂの添加量が少ない場合は、結晶成長抑制効果が十分に得られず最終材の強度が低くなる。また、Ｂの添加量が多すぎる場合は、曲げ加工性の悪化といった悪影響を引き起こす。
本実施の形態においては、Ｂを０.００５〜０.０５質量％、好ましくは０.０１〜０.０３質量％に規定することにより、効果的に高強度と良好な曲げ加工性を両立させることができる。

（Ｓｎ、Ｚｎ）
上記の元素Ｎｉ、Ｓｉ、Ｂに加えて、さらに、２質量％以下のＳｎおよび５質量％以下のＺｎを含有させた場合、より高強度を実現しやすくなると共に、めっき密着性やはんだ濡れ性、耐マイグレーションといった端子・コネクタ用材料に要求される副次的な特性を向上させることができる。Ｓｎ、Ｚｎの添加量が多すぎる場合は導電率の低下などの悪影響を引き起こす心配がある。
本実施の形態においては、Ｓｎ添加量を２質量％以下（０質量％より大）、好ましくは０.３〜２質量％に規定することにより、悪影響の心配なしに期待する効果を得ることが
できる。また、Ｚｎ添加量は０.３〜２質量％とするのが、より好ましい。

（銅合金材の金属組織、強度、曲げ加工性）
銅合金材の金属組織は、銅母相中の平均結晶粒径を２０μｍ以下（０μｍより大）、好ましくは１０μｍ以下（０μｍより大）に制御する。これにより、高い機械的強度を得ることができる。
銅合金材の強度は、８００ＭＰａ以上の高い引張強さを実現でき、特に、Ｓｎ及びＺｎを含有させた場合には、８２０ＭＰａ以上の引張強さの銅合金材が得られる。
銅合金材の曲げ加工性は、Ｗ曲げ試験で割れが発生しない曲げ半径の最小値Ｒと板厚ｔの比率Ｒ／ｔが１以下である良好な曲げ加工性が得られる。
なお、本明細書においては、平均結晶粒径は、圧延方向に垂直な試料断面を金属顕微鏡（倍率４００倍）で観察し、ＪＩＳ Ｈ０５０１の比較法による結晶粒径評価に準拠した方法で評価した。また、引張強さは、ＪＩＳ Ｚ２２４１に準拠した引張試験で測定した。さらに、Ｗ曲げ試験は、曲げ軸が試料の圧延方向と平行になるように採取した試験片を用いて、ＪＩＳ Ｈ３１１０、ＪＩＳ Ｈ３１３０に準拠した方法で行い、試料表面に割れが発生しない曲げ半径の最小Ｒ（ｍｍ）を求めて試料の厚さｔ（ｍｍ）との比率Ｒ／ｔで評価した。

（銅合金材の製造方法）
図１に、本発明の一実施形態に係る端子・コネクタ用銅合金材の製造工程のフローを示す。
本実施の形態の銅合金材の製造方法は、上記の銅合金組成を有する銅合金を素材として形成した後、圧延加工、溶体化処理、時効処理を組み合わせて所望形状に形成する。このとき、溶体化処理を８００℃〜９００℃の温度範囲で行い、かつ、その後に３００℃以下まで１０℃／秒以上の速度で冷却させ、続いて加工率３０％未満の冷間圧延加工を行う。その後、３７０〜５００℃で１〜５０時間の時効処理を行う。

（銅合金素材の形成）
上記成分組成の銅合金を高周波溶解炉等を用いて溶解し、所定形状のインゴットを鋳造する。

（熱間圧延加工）
鋳造したインゴットを加熱して熱間圧延加工を行う。また、熱間圧延後に冷間圧延を実施してもよい。

（溶体化処理）
溶体化処理においては、合金元素を固溶させるために十分な高温で加熱すると共に、冷却過程で金属化合物が再析出することを防ぐために速やかに冷却することが必要であることから、形成した銅合金素材をまず８００〜９００℃に加熱した後、８００〜９００℃での保持時間は０.５分〜２分程保持し、１０℃／秒以上の速さで３００℃まで冷却する。
より好ましくは８３０〜８６０℃に加熱昇温後、３００℃以下まで２５０℃／秒以上の速度で冷却する。これより低い温度の溶体化では合金元素の固溶が不十分になって最終的に高強度が得られず、これより高い温度ではＢ添加による結晶粒の成長を抑制できなくなる。また、これより遅い冷却速度では冷却中の再析出を防ぐことができなくなる。

（冷間圧延加工）
溶体化処理後の冷間圧延加工においては、目的とする最終板厚まで冷間圧延を行う。この冷間圧延加工の目的は、材料中に格子欠陥を適度に導入させることで、転位強化や析出物の生成サイトとして活用して、より多くの析出物を分散させ、それによる強度向上を狙っている。
冷間圧延加工率が高過ぎると材料の伸びが大きく低下する問題があり、この伸びの低下は曲げ加工時に割れが起こりやすくなることにつながるため、冷間圧延の加工率を低く抑える必要がある。本実施の形態では、加工率を３０％未満、好ましくは１５％以下に規定することによって、伸びの低下を抑えている。

（時効処理）
時効処理は強化に寄与する微細な金属間化合物を析出させるために行う。これは低温で長い時間加熱させることが好ましいが、極度の低温では金属間化合物の析出に非常に多くの時間がかかるため、大規模な生産に向かない。一方、析出を促進させるために温度を上げると析出する金属間化合物のサイズが粗大になり、高い強度が得られない。本実施の形態では、温度を３７０〜５００℃、好ましくは４００〜４７０℃の範囲で、１〜５０時間の範囲で時効処理することにより、高い強度、かつ優れた曲げ加工性を得ることができる。

（実施形態の効果）
上記実施の形態によれば、次の効果を奏する。
（１）８００ＭＰａ以上の高い引張強さと優れた曲げ加工性（Ｒ／ｔ≦１）を併せ持った端子・コネクタ用銅合金材が得られる。
（２）上記（１）の優れた性質を併せ持つため、本実施の形態に係る銅合金村を使用する端子・コネクタにおいては、小型化への対応が容易となり、設計の自由度を大幅に広げることができる。
（３）上記（１）および（２）の優れた性質を兼備するにもかかわらず、従来材と同等のコストで製造することができるため、端子・コネクタ部品の製造において安価で高特性の材料を供給でき、その発展に大きく寄与することができる。

次に、本発明の実施例を説明する。

［実施例１〜７、比較例１〜７］
下記の表１に示す合金組成、表３に示す製造条件にて製造した試料Ｎｏ.１〜７（実施
例１〜７）、および試料Ｎｏ.８〜Ｎ０.１４（比較例１〜７）の特性評価を行った。以下、各々について説明する。なお、表１において、不可避不純物はＣｕに含めて表記した。

（実施例１）
２.５質量％Ｎｉ、０.６質量％Ｓｉ、０.０３質量％Ｂを含有し、残部がＣｕと不可避
不純物からなる銅合金を、無酸素銅を母材にして高周波溶解炉（Ａｒ雰囲気）で溶製し、直径３０ｍｍ、長さ２５０ｍｍのインゴットに鋳造した。このインゴットを８５０℃に加熱して押出加工（熱間圧延加工）し、幅２０ｍｍ、厚さ８ｍｍの板状にした後、厚さ０.
２５ｍｍまで冷間圧延した。この板状の材料を溶体化のために、８５０℃のソルトバスで１分間保持した後、すぐに水に焼入れた（冷却速度２５０℃／秒）。続けて材料を厚さ０.２ｍｍまで冷間圧延を行った（加工度１５％）。その後、この材料に４５０℃で２時間
保持する時効処理を行い、試料（端子・コネクタ用銅合金材）を製造した。

以上のようにして製造した実施例１（試料Ｎｏ.１）について、母相の平均結晶粒径、
引張強さを評価すると共に、Ｗ曲げ試験を実施した。評価・測定方法は上記実施形態で述べた通りであり、その結果を表２に示す。表２に示すように、実施例１の銅合金材は、平均結晶粒径７μｍ、引張強さ８１０ＭＰａ、Ｒ／ｔ＝１.０の結果となり、本発明の目的
である高強度と優れた曲げ加工性を兼ね備えた材料が得られた。なお、表２（後述の表４も同じ）では、Ｗ曲げ評価において、Ｒ／ｔ≦１.０のときを「合格」、Ｒ／ｔ＞１.０のときを「不合格」とした。

（実施例２〜７）
表１の実施例２〜７（試料Ｎｏ.２〜７）に示す組成の銅合金を鋳造し、実施例１と同
じ製造工程で厚さ０.２ｍｍの試料（銅合金材）を製造した。ここで、実施例２は実施例
１（試料Ｎ０.１）にさらにＳｎ、Ｚｎを添加した試料であり、実施例３〜５は、実施例
２のＮｉ含有量、Ｓｉ含有量及びＮｉ／Ｓｉ質量比を変更した試料であり、実施例６、７は、実施例２のＢ含有量をそれぞれ０.０１質量％、０.０５質量％にした試料である。
実施例２〜７についても実施例１と同様に、母相の平均結晶粒径、引張強さを評価すると共に、Ｗ曲げ試験を実施した。測定した結果を表２に示す。得られた試料はいずれも本発明の目的に適合した良好な特性を兼ね備えており、またＳｎ、Ｚｎの添加は強度の向上に寄与していることがわかる。

（比較例１〜７）
次に、本発明の銅合金材における合金組成の限定理由を、比較例を挙げて説明する。

表１の比較例１〜７（試料Ｎｏ.８〜１４）に示す合金組成の銅合金を高周波溶解炉で
溶製し、直径３０ｍｍ、長さ２５０ｍｍのインゴットに鋳造し、このインゴットを実施例１（試料Ｎｏ.１）と同じ製造条件で加工、熱処理して厚さ０.２ｍｍの試料を製造した。
得られた試料について実施例１と同様に、母相の平均結晶粒径、引張強さを評価すると共に、Ｗ曲げ試験を実施した。測定した結果を表２に示す。

比較例１はＮｏ.１の試料に対し、Ｂを添加しない例である。Ｂを添加しない場合、引
張強さが低くなることがわかる。
比較例２〜５は実施例２の試料（試料Ｎｏ.２）に対し、Ｎｉ、Ｓｉ含有量を変更した
例である。Ｎｉ、Ｓｉ含有量が本発明の規定範囲より少ない場合（比較例２）、十分な引張強さを得ることができず、Ｎｉ、Ｓｉ量が本発明の規定範囲を超えた場合（比較例３）、曲げ加工性が悪くなる。また、Ｎｉ／Ｓｉ比が本発明の規定範囲より小さい場合（比較例４）、曲げ加工性が悪くなり、Ｎｉ／Ｓｉ比が本発明の規定範囲を超えた場合（比較例５）、十分な引張強さを得られないばかりか、曲げ加工性が悪くなることがわかった。
比較例６、７は実施例２の試料（試料Ｎｏ.２）に対し、Ｂ含有量を増減変更してＢ含
有量が本発明の規定範囲を外れた例であり、比較例６、７ともに十分な引張強さを得られないばかりか、曲げ加工性が悪くなる。

［実施例８〜１１、比較例８〜１３］
次に、本発明の銅合金材の製造条件についての限定理由を、比較例を挙げて説明する。

実施例２と同じ組成の銅合金（試料Ｎｏ.２）について、実施例１と同様の手順で加工
・処理する際、溶体化温度および冷却速度、その後の冷間加工度、時効処理条件をそれぞれ表３に示す条件で実施して厚さ０.２ｍｍの試料を製造した。

得られた試料について実施例１と同様に、母相の平均結晶粒径、引張強さを評価すると共に、Ｗ曲げ試験を実施した。測定した結果を表４に示す。

実施例８、９、比較例８、９は、実施例１とは溶体化温度を変更した例である。実施例１の溶体化温度８５０℃よりも本発明の規定範囲内で溶体化温度を増減すると（実施例８、９）、やや強度が低下する。また、溶体化温度が本発明の規定範囲より少ない場合（比較例８）、十分な強度が得られなくなる。さらに、溶体化温度が本発明の規定範囲を超えた場合（比較例９）、Ｂを添加しても結晶粒の成長を抑えることができなくなり、やはり十分な強度が得られなくなる。
実施例１０、１１、比較例１０、１１は、実施例１とは時効処理条件を変更した例である。時効処理条件が本発明の規定範囲を外れると（比較例１０、１１）、十分な強度が得られなくなる。
比較例１２は、溶体化後の冷却速度が本発明の規定範囲より小さい例である。冷却速度が遅いと冷却中に再析出が起こり、最終的に高い強度を得ることができない。
比較例１３は、溶体化処理後の冷間加工度が本発明の規定範囲を外れた例である。加工度が高くなると良好な曲げ加工性を得ることができなくなる。

Claims (5)

1. １〜５質量％のＮｉ、０.２〜１.２質量％のＳｉをＮｉ／Ｓｉ質量比４〜６で含有すると共に、０.００５〜０.０５質量％のＢを含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる組成の銅合金であって、銅母相の平均結晶粒径が２０μｍ以下、引張強さが８００ＭＰａ以上で、かつ、Ｗ曲げ試験で割れが発生しない曲げ半径の最小値Ｒと板厚ｔの比率Ｒ／ｔが１以下であることを特徴とする端子・コネクタ用銅合金材。
2. 前記組成の銅合金は、２質量％以下のＳｎ、５質量％以下のＺｎをさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の端子・コネクタ用銅合金材。
3. 前記組成の銅合金のＮｉ／Ｓｉ質量比は、４〜５であることを特徴とする請求項１または２に記載の端子・コネクタ用銅合金材。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の前記組成の銅合金を素材として形成した後、圧延加工、溶体化処理、時効処理を組み合わせて所望形状の銅合金材を形成する端子・コネクタ用銅合金材の製造方法であって、
   ８００℃〜９００℃の温度範囲で加熱し、かつ、その後に３００℃以下まで１０℃／秒以上の速度で冷却する溶体化処理を行い、
   続いて、加工率３０％未満の冷間圧延を行い、
   その後、３７０〜５００℃で１〜５０時間の時効処理を行うことを特徴とする端子・コネクタ用銅合金材の製造方法。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の前記組成の銅合金を素材として形成した後、圧延加工、溶体化処理、時効処理を組み合わせて所望形状の銅合金材を形成する端子・コネクタ用銅合金材の製造方法であって、
   前記素材として形成した銅合金に熱間圧延を行い、
   続いて、８３０℃〜８６０℃の温度範囲で加熱し、かつ、その後に３００℃以下まで２５０℃／秒以上の速度で冷却する溶体化処理を行い、
   続いて、加工率１５％以下の冷間圧延を行い、
   その後、４００〜４７０℃で１〜５０時間の時効処理を行うことを特徴とする端子・コネクタ用銅合金材の製造方法。

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