JP2011038151A - 銅合金材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃｕ−Ｃｏ−Ｓｉ系合金において、コネクタ用端子などの電子部品に要求される
強度と導電性を有し、銅合金原料が持つ特性が十分に引き出された銅合金材およびその製
造方法を提供する。
【解決手段】コバルト（Ｃｏ）を０．７〜２．５質量％含有し、ケイ素（Ｓｉ）をＣｏと
Ｓｉの含有量の比Ｃｏ／Ｓｉが３〜５の範囲となるように含有し、残部がＣｕおよび不可
避不純物からなる銅合金材であって、再結晶熱処理前の熱処理工程が熱間圧延前の一回の
み施され、かつ前記熱処理工程以後における直径２００ｎｍ以上の析出物の数が１０^６個
／ｍｍ^２以下である。
【選択図】なし

Description

本発明は端子・コネクタなどの電子部品用に好適な、強度、導電率に優れた銅合金材お
よびその製造方法に関する。

近年、大電流を通電する電子機器の小型軽量化が進展し、電子部品材料は導電率が高く
かつ強度に優れることが強く求められている。コバルト（Ｃｏ）とケイ素（Ｓｉ）を主添
加元素とした、Ｃｕ−Ｃｏ−Ｓｉ系の銅合金は、優れた機械的強度および導電率を有して
いるため、上記電子部品に適しているとされる。

このＣｕ−Ｃｏ−Ｓｉ系の銅合金材の特性を向上させるため、様々な技術が検討されて
いる。例えば添加元素を加えるもので、鋳造性や熱間加工性を向上させる技術や固溶強化
を図る技術がある（特許文献１〜８参照）。

特開昭６１−８７８３８号公報 特開昭６３−３０７２３２号公報 特開平０２−１２９３２６号公報 特開平０２−２７７７３５号公報 特開２００８−８８５１２号公報 特開２００８−５６９７７号公報 特許第３４０８０２１号公報 国際公開第２００９／０９６５４６号

ところで、特許文献１〜８で提案されているＣｏ、Ｓｉを主添加元素とした銅合金材は
、添加元素の適正化と一部工程の適正化を図ることで得られる。しかし、これらの文献に
記載された銅合金材について、銅合金原料が持つ特性を十分に引き出せていない可能性が
あり、さらなる特性向上の可能性があると発明者は考えた。
そこで、本発明は、Ｃｕ−Ｃｏ−Ｓｉ系合金において、コネクタ用端子などの電子部品
に要求される強度と導電性を有し、銅合金原料が持つ特性が十分に引き出された銅合金材
およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題は以下の発明により解決される。
（１）コバルト（Ｃｏ）を０．７〜２．５質量％含有し、ケイ素（Ｓｉ）をＣｏとＳｉの
含有量の比Ｃｏ／Ｓｉが３〜５の範囲となるように含有し、残部がＣｕおよび不可避不純
物からなる銅合金材であって、再結晶熱処理前の熱処理工程が熱間圧延前の一回のみ施さ
れ、かつ前記熱処理工程以後における直径２００ｎｍ以上の析出物の数が１０^６個／ｍｍ
^２以下であることを特徴とする銅合金材。
（２）さらにＣｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、ＭｎおよびＺｒからなる群から
選ばれる添加元素を１種または２種以上の合計で０．０１〜０．５ｍａｓｓ％含み、残部
がＣｕおよび不可避不純物からなる、（１）に記載の銅合金材。
（３）さらにＳｎ、ＭｇおよびＺｎからなる群から選ばれる添加元素を１種または２種以
上の合計で０〜１ｍａｓｓ％含み、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる、（１）また
は（２）に記載の銅合金材。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の銅合金材を製造する方法であって、銅
合金の原料を鋳造して銅合金鋳塊を得た後、再結晶熱処理前までの熱処理工程を熱間圧延
前の一回のみとし、前記熱処理工程は温度９８０℃以上１０５０℃未満で３０分以上の条
件で施し、前記熱間圧延の終了時の温度が８００℃以上であり、その直後の冷却を温度２
５０℃以下になるまで３０℃／秒以上の冷却速度とすることを特徴とする銅合金材の製造
方法。

本発明の銅合金材は、再結晶熱処理前に熱処理工程が一回のみ施され、その後銅合金材
が得られるまでの間、直径２００ｎｍ以上の析出物の数が１０^６個／ｍｍ^２以下とされて
いるものである。よって、コネクタ用端子などの電子部品に要求される強度と導電性を有
し、銅合金原料が持つ特性が十分に引き出された銅合金材を得ることができる。また、熱
処理工程の数を必要最小限とし、銅合金材の製造時のエネルギーを大幅に削減することも
可能となる。

シャルピー試験の試験片の一例を示す説明図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を述べる。なお、本発明において銅合金材とは、圧
延工程によって、例えば板材、条材、箔などの特定の形状に加工された銅合金を意味する
。
本発明の実施形態における組成は、Ｃｏ、Ｓｉとその他の添加元素（Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ
、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、ＭｎおよびＺｒからなる群から選ばれる少
なくとも１種）とを含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物を含むものである。

本実施形態の銅合金材において、Ｃｏの含有量は０．７〜２．５ｍａｓｓ％とする。こ
の理由は、製品として十分な強度を確保するためである。０．７ｍａｓｓ％未満ではＳｉ
との析出によって得られる強度が不十分となる。また、２．５ｍａｓｓ％を超えると固溶
しきれなくなり、合金の強化に寄与しなくなるためである。好ましくは０．９〜２．０ｍ
ａｓｓ％である。

Ｓｉの含有量は、ＣｏとＳｉの含有量の比Ｃｏ／Ｓｉが３〜５の範囲となるようにする
。このような比率とする理由は、製品として十分な強度を確保するとともに、時効熱処理
時に、合金の強化と導電率の回復に最も寄与するＣｏ_２Ｓｉ化合物の析出を促進しやすい
ためである。Ｃｏ／Ｓｉの値が３未満ではＣｏとの析出によって得られる強度が不十分と
なるとともに、固溶によって導電率が低下する傾向がある。また、Ｃｏ／Ｓｉの値が５を
超えると、Ｃｏとの析出によって得られる強度が不十分となる。

本実施形態の銅合金材は、ＣｏとＳｉの他に、さらにＳｎ、ＺｎおよびＭｇからなる群
から選ばれる少なくとも１種を含有してもよい。これらの元素の添加量は合計で１ｍａｓ
ｓ％以下、好ましくは０．０５〜０．７ｍａｓｓ％であり、より好ましくは０．１〜０．
５ｍａｓｓ％である。これらの元素を添加することにより、母材の固溶強化と圧延時の加
工硬化量の増大の効果が得られる。なお、本実施形態において、母材の固溶強化と圧延時
の加工硬化量の増大の効果が、Ｓｎ、ＺｎおよびＭｇからなる群から選ばれる元素を添加
しなくても得られる場合は、これらの元素を添加する必要はない。

本実施形態の銅合金材においては、直径２００ｎｍ以上（好ましくは１０μｍ以下）の
サイズの化合物を１０^６個／ｍｍ^２とすることで、導電率と強度のバランスのよい銅合金
材を容易に得ることができる。特に、再結晶熱処理前の熱処理工程が熱間圧延前の一回の
み施され、かつ熱処理工程以後において、銅合金材の強度や導電性などの特性向上に寄与
しない直径２００ｎｍ以上の析出物の数が１０^６個／ｍｍ^２以下の状態を保つことが、銅
合金原料の特性を引き出す点で重要である。また、熱間圧延前の熱処理工程のみで直径２
００ｎｍ以上の析出物の数を制御することで、熱処理工程の数を必要最小限とし、銅合金
材の製造時のエネルギーを大幅に削減することができ、工業的に優れた銅合金材の製造方
法を提供することができる。

また、本実施形態の銅合金材において、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍ
ｎおよびＺｒからなる群から選ばれる少なくとも１種の添加元素を含有していてもよい。
これらの元素は、Ｃｏ、Ｓｉと共に化合物として析出する。前記元素の合計の含有量は０
．０１〜０．５ｍａｓｓ％とする。０．０１ｍａｓｓ％未満では、前記元素を添加する効
果が発揮されないため、前記元素が添加されていない場合とほぼ同様の特性となる。また
、０．５ｍａｓｓ％を超えると、Ｃｏ、Ｓｉの多くが材料強度の向上に寄与しない晶出物
となることで、材料強度が要求強度よりも低下してしまう。これらの元素の添加量は、好
ましくは０．０５〜０．２ｍａｓｓ％である。

本実施形態では、銅合金中に、Ｃｏ、Ｓｉのうちどちらか一方もしくは両方の元素と他
の添加元素（Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ）からなる、直径２００ｎ
ｍ以上（好ましくは１０μｍ以下）の析出物の数を１０^６個／ｍｍ^２以下有する。この析
出物とは、具体的には、Ｃｏ_２Ｓｉの他にＣｏ_２−ｘＣｒ_ｘＳｉ、Ｃｏ_２−ｘＦｅ_ｘＳｉ
などである。
なお、析出物の直径と密度は、圧延平行方向の断面を走査型電子顕微鏡で写真撮影して
、その写真上で析出物の粒径と密度を測定したものである。

直径２００ｎｍ以上（好ましくは１０μｍ以下）の析出物の数を１０^６個／ｍｍ^２以下
とする理由は、材料の導電率と強度のバランスを良好にするためである。再結晶熱処理前
の熱処理工程が熱間圧延前の一回のみ施される条件下で、熱処理工程以後に析出物の数が
１０^６個／ｍｍ^２を超えると、特性の劣化をもたらす。好ましくは１０^５個／ｍｍ^２以下
である。

本発明の実施形態の銅合金材の製造方法は、その熱処理に関する工程に着目すると、銅
合金材に施される順番で、（Ａ）銅合金原料を溶解・鋳造して銅合金鋳塊を得る工程、（
Ｂ）熱間圧延前の熱処理工程（銅合金鋳塊を熱間圧延するために加熱する工程）、（Ｃ）
熱間圧延およびその終了後の冷却工程、（Ｄ）再結晶熱処理工程（溶体化熱処理工程とも
いう）、（Ｅ）時効熱処理工程、（Ｆ）銅合金材の加工ひずみを解放するために必要に応
じて行われる低温焼鈍工程、などがあり、一般には（Ｃ）工程と（Ｄ）工程との間、（Ｄ
）工程と（Ｅ）工程との間、（Ｅ）工程と（Ｆ）工程との間で冷間圧延が行われて所定の
厚さの銅合金材となる。ここで、直径２００ｎｍ以上の析出物の数に大きく影響を与える
工程が、上記（Ｂ）工程であることを知見し、（Ｂ）工程の最適化を図ることとした。

本発明の実施形態の銅合金材の製造方法においては、上記（Ｂ）工程の条件を最適化し
、かつ、上記（Ｄ）工程前の熱処理工程を上記（Ｂ）工程の一回のみ施すことが、熱処理
工程の数を必要最小限とし、銅合金材の製造時のエネルギーを大幅に削減する観点から重
要である。上記（Ｂ）工程の好ましい条件は、温度９８０℃以上１０５０℃未満で３０分
以上（好ましくは１０時間以内）である。また、上記（Ｃ）工程の好ましい条件は、熱間
圧延の終了時の温度が８００℃以上であり、その直後、温度２５０℃以下になるまで３０
℃／秒以上の冷却速度で冷却されることである。これらの条件は、本実施形態の銅合金材
において直径２００ｎｍ以上（好ましくは１０μｍ以下）の析出物の数を１０^６個／ｍｍ
^２以下とするために好ましい条件である。

この熱処理工程の温度が９８０℃未満の場合は、鋳造時に形成された晶出物が固溶せず
に残存し、最終工程までこの状態を維持する可能性があることから、時効熱処理において
微細析出量が減ってしまい、それが最終的な強度特性低下（引張強度等）の原因となる可
能性がある。また、熱処理工程の温度が１０５０℃以上の場合は、合金の脆化が起きるこ
とがあり、加熱された鋳塊を圧延する際に割れるおそれがある。

また、熱間圧延の終了時の温度が８００℃より低い場合は、圧延中に粗大な析出物が成
長するおそれがあり、熱間圧延終了後の冷却時には、温度が２５０℃より高い状態で冷却
速度を３０℃／秒より小さくすると、冷却中に不要な析出が起きるおそれがある。このた
め、温度が２５０℃以下となるまでは冷却速度を３０℃／秒以上とし、組織変化がない状
態で冷却することが好ましい。
熱間圧延の終了時の温度は、好ましくは８５０℃以上、さらに好ましくは９００℃以上
である。また、温度が２５０℃以下となるまでの冷却速度は、好ましくは５０℃／秒以上
、さらに好ましくは８０℃／秒以上である。

本発明の銅合金材は、特に限定されるものではないが、例えば、コネクタ、端子、リレ
ー、スイッチ、さらにはリードフレームなどの電子電気機器部品に好適に用いることがで
きる。

以下に、本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定され
るものではない。

表１に示す銅合金材を以下のように作製した。表１に記載する量のＣｏとＳｉとその他
の添加元素と残部がＣｕおよび不可避不純物からなる合金を高周波溶解炉により溶解し、
幅１６０ｍｍ、厚さ３０ｍｍ、高さ１８０ｍｍに鋳造したサイズのモールドに溶湯を鋳込
み鋳造した。

次にこの鋳塊に表１に記載する温度で１時間加熱する熱処理を施した直後に熱間圧延を
行い、表１に記載する温度で熱間圧延を終了させ、その直後に水冷した。水冷時の冷却速
度は、温度約２００℃となるまでの平均で約５０℃／秒であった。なお、再熱温度は実体
に熱電対を付けて測定し、熱間圧延終了後の温度は放射温度計にて測定した。

その後は一般的な析出型銅合金の製造工程に沿って処理した。熱間圧延後の水冷が終了
した後、両面をそれぞれ１ｍｍ面削して酸化皮膜を除去した。次いで冷間圧延を施し、不
活性化ガス雰囲気中で８００〜１０２５℃において３０秒〜２時間の溶体化熱処理を行い
、水冷した。水冷後、材料に３００〜６００℃で１〜１０時間の時効熱処理を行った。こ
の時効熱処理後０〜３０％の冷間圧延を加え、さらに２００〜４５０℃で０．５〜５時間
の低温熱処理を行った。

このようにして得られた各々の板材を供試材として下記の特性調査を行った。結果を表
１に示す。なお、各評価項目の測定方法は以下の通りである。

Ａ．シャルピー試験
日本工業規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４２）に準拠して実施した。
各サンプルについて、「表１に示す再熱温度」と「温度９８０℃」の２温度の条件でシ
ャルピー試験を実施した。各サンプルをエレポット内でＡｒ雰囲気下で加熱後、サンプル
表面温度が各温度に到達したら、速やかにエレポットから取り出し、５秒以内に試験を行
った。上記ＪＩＳ規格に従って、吸収エネルギーを各温度試験について求め、（表１の再
熱温度での値／９８０℃での値）という式で数値化することで、鋳塊割れに関係するパラ
メータとして取り扱った。この閾値を０．４として、これより低い数値では脆化を示すた
め鋳塊割れを引き起こすものと判定した。
Ｂ．鋳塊割れ
熱間圧延後（３０ｍｍ→１４ｍｍ）の鋳塊状態から判断した。鋳塊表面を目視して割れ
が検出されたものなど、以後の工程の流動時に製品としての形状を維持できないと判断さ
れる鋳塊について、鋳塊割れ「あり」とした。
Ｃ．引張強度（ＴＳ）
試験片の圧延平行方向から切り出したＪＩＳ Ｚ２２０１−１３Ｂ号の試験片をＪＩＺ
２２４１に準じて３本測定しその平均値を表１に示した。
Ｄ．導電率（ＥＣ）
四端子法を用いて、２０℃（±１℃）に管理された恒温槽中で、各試験片の２本につい
て導電率（ＥＣ）を測定し、その平均値（％ＩＡＣＳ）を表１に示した。このとき端子間
距離は１００ｍｍとした。
Ｅ．析出物の直径と密度
圧延平行方向の断面を走査型電子顕微鏡で写真撮影して、その写真上で直径が２００ｎ
ｍ以上の析出物の粒径と密度を測定した。ここでは直径が２００ｎｍ以上の析出物の数が
１０^６個／ｍｍ^２以下のものを「小」、析出物の数が１０^６個／ｍｍ^２を超えるものを「
大」とした。

＜各サンプルのグループ分け＞
Ｃｏ含有量が約０．８質量％の群：
引張強度が５２０ＭＰａ以上、かつ導電率が６５％ＩＡＣＳ以上を到達目標とした。や
や導電率を重視した群である。発明例のサンプルＮｏ．１〜４、組成の比較例のサンプル
Ｎｏ．１０３（Ｃｒの含有量が多すぎる例）、製法の比較例のサンプルＮｏ．２０１〜２
０２が該当する。
Ｃｏ含有量が約１．２質量％の群：
引張強度が６００ＭＰａ以上、かつ導電率が６０％ＩＡＣＳ以上を到達目標とした。強
度と導電率とのバランスを考慮した群である。発明例のサンプルＮｏ．５〜９、製法の比
較例のサンプルＮｏ．２０３〜２０４が該当する。
Ｃｏ含有量が約１．４質量％の群：
引張強度が６２０ＭＰａ以上、かつ導電率が６０％ＩＡＣＳ以上を到達目標とした。や
や強度を重視した群である。発明例のサンプルＮｏ．１０〜１１、製法の比較例のサンプ
ルＮｏ．２０５〜２０６が該当する。
なお、Ｃｏ含有量が０．７〜２．５質量％の範囲にないサンプルを、組成の比較例のサ
ンプルＮｏ．１０１〜１０２とした。

表１に示されるとおり、発明例のサンプルＮｏ．１〜１１については、いずれも目標と
する特性を満足し、銅合金原料が持つ特性が十分に引き出されていることがわかった。
一方、比較例の各サンプルについては、鋳塊に割れが発生するもの、または強度や導電
率が低いものとなった。
組成の比較例であるサンプルＮｏ．１０１については、Ｃｏの濃度が低すぎるため、強
度が低下した。サンプルＮｏ．１０２については、Ｃｏの濃度が高すぎるため、導電率が
低下した。サンプルＮｏ．１０３については、Ｃｏ，Ｓｉ以外の元素成分（Ｃｒ）の濃度
が高すぎて強度が低下した。
製法の比較例であるサンプルＮｏ．２０１およびＮｏ．２０４については、熱間圧延前
の熱処理時の温度が高すぎて鋳塊の脆化割れが発生した。サンプルＮｏ．２０２〜２０３
およびサンプルＮｏ．２０５〜２０６については、熱間圧延終了時の温度が低く、熱間圧
延時やその後の冷却時に析出が発生して、直径が２００ｎｍ以上の析出物の数が１０^６個
／ｍｍ^２を超えたため、強度が低下した。

Claims (4)

1. コバルト（Ｃｏ）を０．７〜２．５質量％含有し、ケイ素（Ｓｉ）をＣｏとＳｉの含有
   量の比Ｃｏ／Ｓｉが３〜５の範囲となるように含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物か
   らなる銅合金材であって、
   再結晶熱処理前の熱処理工程が熱間圧延前の一回のみ施され、かつ前記熱処理工程以後
   における直径２００ｎｍ以上の析出物の数が１０^６個／ｍｍ^２以下であることを特徴とす
   る銅合金材。
2. さらにＣｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、ＭｎおよびＺｒからなる群から選ば
   れる添加元素を１種または２種以上の合計で０．０１〜０．５ｍａｓｓ％含み、残部がＣ
   ｕおよび不可避不純物からなる、請求項１に記載の銅合金材。
3. さらにＳｎ、ＭｇおよびＺｎからなる群から選ばれる添加元素を１種または２種以上の
   合計で０〜１ｍａｓｓ％含み、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる、請求項１または
   請求項２に記載の銅合金材。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の銅合金材を製造する方法であって、銅合金
   の原料を鋳造して銅合金鋳塊を得た後、再結晶熱処理前までの熱処理工程を熱間圧延前の
   一回のみとし、前記熱処理工程は温度９８０℃以上１０５０℃未満で３０分以上の条件で
   施し、前記熱間圧延の終了時の温度が８００℃以上であり、その直後の冷却を温度２５０
   ℃以下になるまで３０℃／秒以上の冷却速度とすることを特徴とする銅合金材の製造方法
   。

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