JP2012012644A - 銅合金の製造方法、及び銅合金 - Google Patents

Abstract

【課題】高い導電率、優れた耐応力緩和性を有すると共に、強度が高く、曲げ加工性に優れた銅合金の製造方法、及び銅合金を提供する。
【解決手段】Ｃｕに、０．１〜０．４質量％のＣｒと、０．０１〜０．２質量％のＺｒと、０．０１〜０．３質量％のＳｎと、０．０５〜０．４質量％のＭｇと、不可避的不純物とを含む銅合金材を鋳造する鋳造工程と、銅合金材に熱間圧延加工を施す熱間圧延工程と、熱間圧延加工を施した銅合金材に７００〜９００℃の温度の熱処理を施した後、急冷する冷却工程と、冷却工程を経た銅合金材に、８０％以上の加工度の冷間圧延加工を施す第１冷間圧延工程と、第１冷間圧延加工が施された銅合金材に３９０〜４５０℃の温度で時効処理を施す時効処理工程と、時効処理が施された銅合金材に２０〜４０％の加工度の冷間圧延加工を施す第２冷間圧延工程と、第２冷間圧延工程を経た銅合金材に４００〜６００℃で焼鈍を施すことにより銅合金を製造する焼鈍工程とを備える。
【選択図】なし

Description

本発明は、銅合金の製造方法、及び銅合金に関する。特に、本発明は、電気用部品の銅合金の製造方法、及び銅合金に関する。

リードフレーム、コネクタ、リレー、スイッチ等の電気部品に用いられる材料には、高強度、優れた耐応力緩和特性、高導電性、優れた曲げ加工性等の特性が要求される。高強度は、バネ材として高い接触圧を当該材料に付与するために要求され、優れた耐応力緩和特性は、電気部品を高温下で長期間使用した場合であっても接触圧を維持するために要求される。また、高導電性は、電気部品の通電時におけるジュール熱の発生を抑制すると共に、発生した熱を放散しやすくするために要求され、優れた曲げ加工性は、曲げ加工による割れを電気部品に発生させないために要求される。

近年の電気部品の小型化に伴い、電気部品を構成する材料に流れる電流の電流密度が増大している。電流密度の増大に伴い、従来の材料より高導電性の材料に対する要求が生じている。また、車載向けの電気部品においては更に高温の環境下における使用に耐える材料が必要であることから、耐応力緩和特性に優れた材料に対する要求も高まっている。高温環境下における使用に耐え、耐応力緩和特性に優れた材料として、従来は黄銅やリン青銅等が用いられてきたが、これらの材料は、近年、要求される高導電性、耐応力緩和特性等に応える特性は有していない。

高導電性と優れた耐応力緩和特性とを併せ持つ材料として、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金が提案されている。Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金は、析出硬化型合金であるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金に比べ、析出硬化による強度の上昇が小さいことから、更なる高強度化が要求されている。

例えば、０．０５〜０．４０％のＣｒと、０．０３〜０．２５％のＺｒと、０．１０〜１．８０％のＦｅと、０．１０〜０．８０％のＴｉとを含むか、あるいは更に０．０５〜２．０％のＺｎと、総量で０．０１〜１％のＳｎ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｐ、Ｍｇ、及びＳｉの１種以上とを含有すると共に、０．１０％≦Ｔｉ≦０．６０％ではＦｅ／Ｔｉ重量比が０．６６〜２．６を満足し、０．６０％＜Ｔｉ≦０．８０％ではＦｅ／Ｔｉ重量比が１．１〜２．６を満足し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる銅合金の素材に、１）９５０℃未満の温度での溶体化処理、２）５０〜９０％の加工度での冷間加工、３）３００〜５８０℃の温度での時効処理、４）１６〜８３％の加工度での冷間加工、５）３５０〜７００℃の温度での焼鈍処理をこの順に施すことにより銅合金材を製造する電子機器用高力高導電性銅合金材の製造方法が知られている。（例えば、特許文献１参照。）。

特開平７−２５８８０５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電子機器用高力高導電性銅合金材の製造方法は高温での溶体化処理を採用しており、斯かる溶体化処理では母相の金属組織の粗大化を引き起こすので、銅合金材が部分的に軟化すること、銅合金材の曲げ加工性が悪化すること、銅合金材の耐応力緩和特性が悪化することが懸念される。耐応力緩和特性、強度、及び曲げ加工性を向上させるためには、Ｃｒ、Ｚｒを含む析出物の析出を制御することが必要になる。これらの析出物の析出を制御するためには、溶体化処理、時効処理前の冷間圧延、時効処理等の各加工条件の調整による制御、又は他の添加物による制御が要求される。

したがって、本発明の目的は、高い導電率、優れた耐応力緩和性を有すると共に、強度が高く、曲げ加工性に優れた銅合金の製造方法、及び銅合金を提供することにある。

（１）本発明は、上記課題を解決することを目的として、母相としての銅（Ｃｕ）に、０．１質量％以上０．４質量％以下のクロム（Ｃｒ）と、０．０１質量％以上０．２質量％以下のジルコニウム（Ｚｒ）と、０．０１質量％以上０．３質量％以下のスズ（Ｓｎ）と、０．０５質量％以上０．４質量％以下のマグネシウム（Ｍｇ）と、不可避的不純物とを含む銅合金材を鋳造する鋳造工程と、銅合金材に熱間圧延加工を施す熱間圧延工程と、熱間圧延加工を施した銅合金材に７００℃以上９００℃未満の温度の熱処理を施した後、急冷する冷却工程と、冷却工程を経た銅合金材に、８０％以上の加工度の冷間圧延加工を施す第１冷間圧延工程と、第１冷間圧延加工が施された銅合金材に、３９０℃以上４５０℃以下の温度で時効処理を施す時効処理工程と、時効処理が施された銅合金材に、２０％以上４０％以下の加工度の冷間圧延加工を施す第２冷間圧延工程と、第２冷間圧延工程を経た銅合金材に、４００℃以上６００℃未満で焼鈍を施すことにより銅合金を製造する焼鈍工程とを備える銅合金の製造方法が提供される。

（２）また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、上記（１）に記載の銅合金の製造方法により製造された銅合金材であって、第２冷間圧延工程の圧延方向に対して垂直な断面内から所定の１か所の６００ｎｍ×４００ｎｍの領域を選択した場合に、領域内の母相の結晶粒径が５０μｍ以下であり、領域内に存在するＣｒ又はＺｒを含む析出物から３０個の析出物を選択した場合に、各析出物の長径の算術平均値が２０ｎｍ以下であり、領域内の９００ｎｍ^２の面積の領域を１０か所、選択した場合に、各９００ｎｍ^２の面積の領域内に存在する長径が２０ｎｍ以下の析出物の個数の算術平均値が５個以上である銅合金が提供される。

（３）また、上記銅合金において、８０％ＩＡＣＳ以上の導電率と、５５０ＭＰａ以上の強度とを有し、日本電子材料工業会標準規格ＥＭＡＳ−１０１１及び日本伸銅協会技術標準ＪＣＢＡ−Ｔ３０９に準拠した応力緩和試験において、１５０℃で１５００時間保持した後の応力緩和率が２０％以下の対応力緩和特性を有することが好ましい。

本発明に係る銅合金の製造方法、及び銅合金によれば、高い導電率、優れた耐応力緩和性を有すると共に、強度が高く、曲げ加工性に優れた銅合金の製造方法、及び銅合金を提供できる。

［実施の形態の要約］
Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系の銅合金の製造方法において、母相としての銅（Ｃｕ）に、０．１質量％以上０．４質量％以下のクロム（Ｃｒ）と、０．０１質量％以上０．２質量％以下のジルコニウム（Ｚｒ）と、０．０１質量％以上０．３質量％以下のスズ（Ｓｎ）と、０．０５質量％以上０．４質量％以下のマグネシウム（Ｍｇ）と、不可避的不純物とを含む銅合金材を鋳造する鋳造工程と、前記銅合金材に熱間圧延加工を施す熱間圧延工程と、前記熱間圧延加工を施した前記銅合金材に７００℃以上９００℃未満の温度の熱処理を施した後、急冷する冷却工程と、前記冷却工程を経た前記銅合金材に、８０％以上の加工度の冷間圧延加工を施す第１冷間圧延工程と、前記第１冷間圧延加工が施された前記銅合金材に、３９０℃以上４５０℃以下の温度で時効処理を施す時効処理工程と、前記時効処理が施された前記銅合金材に、２０％以上４０％以下の加工度の冷間圧延加工を施す第２冷間圧延工程と、前記第２冷間圧延工程を経た前記銅合金材に、４００℃以上６００℃未満で焼鈍を施すことにより銅合金を製造する焼鈍工程とを備える銅合金の製造方法が提供される。

［実施の形態］

本発明の実施の形態に係る銅合金は、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系の銅合金である。本実施の形態に係る銅合金は以下のようにして製造することができる。

まず、母相としての銅（Ｃｕ）に、０．１質量％以上０．４質量％以下のクロム（Ｃｒ）と、０．０１質量％以上０．２質量％以下のジルコニウム（Ｚｒ）と、０．０１質量％以上０．３質量％以下のスズ（Ｓｎ）と、０．０５質量％以上０．４質量％以下のマグネシウム（Ｍｇ）と、不可避的不純物とを含む銅合金材を鋳造する（鋳造工程）。

Ｃｒは、後述する時効処理時に単独で母相中に析出する。これにより、製造される銅合金の強度及び耐熱性が向上する。本実施の形態では、十分な量のＣｒを母相中へ析出させることを目的として、母相に添加されるＣｒの量は０．１質量％以上に制御することが好ましい。また、後述する溶体化処理時に、母相に固溶していないＣｒが粗粒の第２相析出物を形成する場合がある。この第２相析出物が存在すると、製造される銅合金の強度の増加が抑制される。したがって、本実施の形態では、この銅合金の強度が増加しないことに起因する銅合金の加工性の低下を抑制することを目的として、母相に添加されるＣｒの量は０．４質量％以下に制御されることが好ましい。

Ｚｒは、後述する時効処理時に母相のＣｕとの間で化合物を形成し、当該化合物は母相中に析出する。この化合物が母相中に析出することにより、製造される銅合金の強度が向上する。本実施の形態では、十分な量のＺｒを母相中へ析出させることを目的として、母相に添加されるＺｒの量は０．０１質量％以上に制御することが好ましい。また、後述する溶体化処理時に、母相に固溶していないＺｒが粗粒の第２相析出物を形成する場合がある。この第２相析出物が存在すると、製造される銅合金の強度の増加が抑制される。したがって、本実施の形態では、この銅合金の強度が増加しないことに起因する銅合金の加工性の低下を抑制することを目的として、母相に添加されるＺｒの量は０．２質量％以下に制御されることが好ましい。

Ｓｎは、高温におけるＣｒの不均一な析出を抑制する機能を有する。斯かる機能により、後述する熱間圧延加工及びその後の冷却時におけるＣｒの析出が抑制され、母相中に固溶しているＣｒ量を増加させることができる。一方、時効処理時においては、微細なＣｒを析出させることができるので、銅合金の強度を向上させることができる。また、Ｓｎの固溶強化による銅合金の強化作用を発揮させることを目的として、母相に添加されるＳｎの量は０．０１質量％以上に制御されることが好ましい。また、製造される銅合金の導電率の低下の抑制を目的として、母相に添加されるＳｎの量は０．３質量％以下に制御されることが好ましい。

Ｍｇは、母相を構成するＣｕ原子の原子半径より大きい原子半径を有するので、製造される銅合金の耐応力緩和特性を向上させることができる。また、Ｍｇは、固溶強化による銅合金の強化作用を有する。本実施の形態では、耐応力緩和特性の向上及び強化作用を発揮させることを目的として、母相に添加されるＭｇの量は０．０１質量％以上に制御されることが好ましい。また、製造される銅合金の導電率の低下の抑制を目的として、母相に添加されるＭｇの量は１．０質量％以下に制御されることが好ましい。

次に、鋳造工程により得られた銅合金材に熱間圧延加工を施す（熱間圧延工程）。熱間圧延工程時における加熱により、鋳造工程で銅合金材から生じた析出物は、一旦、母相中に固溶する。すなわち、熱間圧延工程は、析出物を母相に溶体化させる。ここで、銅合金材に添加されているＳｎは、銅合金材に固溶しているＣｒの高温における析出を抑制する。そして、後述する時効処理において生成される析出物の銅合金中における分布状態を、均一、かつ、微細な状態にすることができる。これにより、製造される銅合金の各特性が向上する。

続いて、熱間圧延加工を施した銅合金材に熱処理を施す。更に、熱処理後、熱処理を施した銅合金材を急冷する（冷却工程）。具体的に、冷却工程は、熱処理時の温度から室温まで銅合金材を冷却することにより実施する。一例として、冷却工程は、銅合金材への熱処理を７００℃から９００℃の熱処理炉内で実施した後、熱処理を施した銅合金材を大気中に移動させることにより実施することができる。この熱処理及び冷却工程により、熱間圧延加工により銅合金材に発生した歪が解消され、製造される銅合金材の曲げ加工性の低下を防止できる。また、この熱処理及び冷却工程により、銅合金材を構成する各結晶の結晶粒径が微細化するので、銅合金材の強度を向上させることもできる。なお、熱処理の温度は７００℃以上９００℃未満の温度に制御する。斯かる熱処理により、熱間圧延加工により生成した圧延組織がすべて解消され、再結晶によって生成された結晶粒径が５０μｍ以下になるので、製造される銅合金の曲げ加工時の曲げ部の肌荒れを防止できる。

次に、熱処理及び冷却工程を経た銅合金材に冷間圧延加工を施す（第１冷間圧延工程）。当該冷間圧延工程は、８０％以上の加工度の冷間圧延加工を銅合金材に施す。第１冷間圧延工程により、銅合金材中には多数の転位が導入される。これにより、銅合金材の強度は、加工硬化により向上する。また、銅合金材に導入された転位は、後述する時効処理における析出物の起点として機能し、銅合金材中に均一に分散した析出を促進させる効果を奏する。

続いて、第１冷間圧延加工が施された銅合金材に時効処理を施す（時効処理工程）。時効処理により銅合金材中のＣｒ、Ｚｒ化合物の析出が発生する。これにより、製造される銅合金の導電率及び強度を向上させることができる。また、第１冷間圧延工程において低下した銅合金材の延性を回復させることもできる。なお、Ｃｒ、Ｚｒ化合物の析出を十分に促進させ、製造される銅合金の導電率及び強度を十分に向上させることを目的として、時効処理は３９０℃以上の温度で実施することが好ましい。また、過時効による析出物の粗大化による、製造される銅合金の強度の低下を抑制することを目的として、時効処理は４５０℃以下の温度で実施することが好ましい。

次に、時効処理が施された銅合金材に冷間圧延加工を施し、所定の厚さに制御する（第２冷間圧延工程）。第２冷間圧延工程により、銅合金材の強度が加工硬化で向上する。ここで、銅合金材を十分に加工硬化し、製造される銅合金の強度を向上させることを目的として、加工度は２０％以上に制御することが好ましい。また、製造される銅合金の導電率及び延性の低下を抑制し、製造される銅合金の十分な導電率及び十分な曲げ加工性を確保することを目的として、加工度は４０％以下に制御することが好ましい。

更に、第２冷間圧延工程を経た銅合金材に歪取焼鈍としての焼鈍を施すことにより銅合金を製造する（焼鈍工程）。焼鈍工程により、銅合金材の歪が除去されると共に延性が回復する。また、製造される銅合金の十分な延性を確保することを目的として、焼鈍の温度は４００℃以上に制御することが好ましい。また、析出物の再固溶の発生により製造される銅合金の強度が低下することを防止すべく、焼鈍の温度は６００℃未満に制御することが好ましい。

（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態に係る銅合金の製造方法によれば、銅合金の製造工程、例えば、冷却工程、第１冷間圧延工程、時効処理工程、第２冷間圧延工程、及び焼鈍工程を最適化することにより、強度、導電性、曲げ加工性、耐応力緩和特性に優れる銅合金を製造することができる。そして、本実施の形態に係る銅合金の製造方法により製造される銅合金は、電気部品の小型化、高載積化に資することができ、例えば、リードフレーム等の電気部品に用いることができる。

無酸素銅を母相にして、表１に示す合金組成の銅合金を溶製し、インゴットに鋳造した。そして、表１に示す所定の条件でインゴットに加工及び熱処理を施し、実施例１〜７に係る銅合金、及び比較例１〜１２に係る銅合金を製造した。表１には、実施例１〜７、及び比較例１〜１２に係る銅合金のそれぞれについての合金成分と、銅合金の製造条件と、全工程を経て製造された銅合金における析出物の平均粒径、析出物の密度、耐応力緩和特性、導電率、引張強さ、及び曲げ加工性の指標であるＭＢＲ／ｔとを示す。

実施例１〜７、及び比較例１〜１２に係る銅合金のそれぞれについて、熱間圧延加工後であって、熱処理直後の銅合金の一部をサンプリングして試験片とした。そして、各試験片について、圧延方向に垂直な断面に研磨及びエッチングを施した。これにより、断面を現出させ、板幅方向の結晶粒の平均値を算出し、平均結晶粒径と規定した。

また、実施例１〜７、及び比較例１〜１２に係る銅合金のそれぞれについて引張試験を実施した。引張試験は、ＪＩＳ Ｚ２２０１に準拠して、圧延平行方向の引張強さを測定した。また、ＪＩＳ Ｈ ３１３０に従い、Ｂａｄ Ｗａｙ（つまり、曲げ軸が圧延方向に同一な方向）のＷ曲げ試験を実施し、割れが発生しない最小曲げ半径（ＭＢＲ）の板厚（ｔ）に対する比であるＭＢＲ／ｔ値を算出した。更に、日本電子材料工業会標準規格ＥＭＡＳ−１０１１及び日本伸銅協会技術標準ＪＣＢＡ−Ｔ３０９に準拠して応力緩和試験を実施し、１５０℃、１０００時間の応力緩和率を耐応力緩和特性として測定した。

実施例１〜７、及び比較例１〜１２に係る銅合金のそれぞれに薄膜処理を施し、電子顕微鏡で画像を撮影した。そして、各画像から、３０個の析出物の粒径（ただし、長径）の平均値を析出物の平均粒径として算出した。なお、電子顕微鏡で撮影した画像は、銅合金の薄膜の５７７ｎｍ×４０４ｎｍの領域であり、顕微鏡の倍率は２２０倍である。また、９０ｎｍ^２の領域の１０か所での析出物の個数の平均値を、析出物の密度として算出した。

比較例１及び比較例２に係る銅合金は、実施例１〜７とは異なる量のＣｒを含有し、比較例３及び比較例４に係る銅合金は、実施例１〜７とは異なる量のＺｒを含有し、比較例５及び比較例６に係る銅合金は、実施例１〜７とは異なる量のＳｎを含有し、比較例７及び比較例８に係る銅合金は、実施例１〜７とは異なる量のＭｇを含有している。

また、比較例９に係る銅合金は、熱処理後の平均結晶粒径が実施例１〜７とは異なる粒径であり、比較例１０に係る銅合金は、中間圧延加工度が実施例１〜７とは異なる加工度であり、比較例１１及び比較例１２に係る銅合金は、時効温度が実施例１〜７とは異なる温度であり、比較例１３及び比較例１４に係る銅合金は、仕上り圧延加工度が実施例１〜７とは異なる加工度であり、比較例１５及び比較例１６に係る銅合金は、歪取焼鈍温度が実施例１〜７とは異なる温度である。

表１を参照すると、実施例１〜７においては、第２冷間圧延工程の圧延方向に対して垂直な断面内から所定の１か所の６００ｎｍ×４００ｎｍの領域を選択した場合に、領域内の母相の結晶粒径が５０μｍ以下であり、領域内に存在するＣｒ又はＺｒを含む析出物から３０個の析出物を選択した場合に、各析出物の長径の算術平均値が２０ｎｍ以下であり、領域内の９００ｎｍ^２の面積の領域を１０か所、選択した場合に、各９００ｎｍ^２の面積の領域内に存在する長径が２０ｎｍ以下の析出物の個数の算術平均値が５個以上である銅合金が得られることが示された。また、実施例１〜７においては、８０％ＩＡＣＳ以上の導電率と、５５０ＭＰａ以上の強度とを有し、日本電子材料工業会標準規格ＥＭＡＳ−１０１１及び日本伸銅協会技術標準ＪＣＢＡ−Ｔ３０９に準拠した応力緩和試験において、１５０℃で１５００時間保持した後の応力緩和率が２０％以下の対応力緩和特性を有する銅合金が得られることが示された。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

Claims (3)

1. 母相としての銅（Ｃｕ）に、０．１質量％以上０．４質量％以下のクロム（Ｃｒ）と、０．０１質量％以上０．２質量％以下のジルコニウム（Ｚｒ）と、０．０１質量％以上０．３質量％以下のスズ（Ｓｎ）と、０．０５質量％以上０．４質量％以下のマグネシウム（Ｍｇ）と、不可避的不純物とを含む銅合金材を鋳造する鋳造工程と、
   前記銅合金材に熱間圧延加工を施す熱間圧延工程と、
   前記熱間圧延加工を施した前記銅合金材に７００℃以上９００℃未満の温度の熱処理を施した後、急冷する冷却工程と、
   前記冷却工程を経た前記銅合金材に、８０％以上の加工度の冷間圧延加工を施す第１冷間圧延工程と、
   前記第１冷間圧延加工が施された前記銅合金材に、３９０℃以上４５０℃以下の温度で時効処理を施す時効処理工程と、
   前記時効処理が施された前記銅合金材に、２０％以上４０％以下の加工度の冷間圧延加工を施す第２冷間圧延工程と、
   前記第２冷間圧延工程を経た前記銅合金材に、４００℃以上６００℃未満で焼鈍を施すことにより銅合金を製造する焼鈍工程と
   を備える銅合金の製造方法。
2. 請求項１に記載の銅合金の製造方法により製造された銅合金材であって、前記第２冷間圧延工程の圧延方向に対して垂直な断面内から所定の１か所の６００ｎｍ×４００ｎｍの領域を選択した場合に、
   前記領域内の前記母相の結晶粒径が５０μｍ以下であり、
   前記領域内に存在するＣｒ又はＺｒを含む析出物から３０個の析出物を選択した場合に、各析出物の長径の算術平均値が２０ｎｍ以下であり、
   前記領域内の９００ｎｍ^２の面積の領域を１０か所、選択した場合に、各９００ｎｍ^２の面積の領域内に存在する長径が２０ｎｍ以下の析出物の個数の算術平均値が５個以上である銅合金。
3. ８０％ＩＡＣＳ以上の導電率と、５５０ＭＰａ以上の強度とを有し、日本電子材料工業会標準規格ＥＭＡＳ−１０１１及び日本伸銅協会技術標準ＪＣＢＡ−Ｔ３０９に準拠した応力緩和試験において、１５０℃で１５００時間保持した後の応力緩和率が２０％以下の対応力緩和特性を有する請求項２に記載の銅合金。