JP2012211377A

JP2012211377A - Ｃｕ−Ｃｏ−Ｓｉ系合金条

Info

Publication number: JP2012211377A
Application number: JP2011078279A
Authority: JP
Inventors: Naofumi Maeda; 前田直文
Original assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Current assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-11-01
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: JP5534610B2

Abstract

【課題】良好な曲げ性と導電性を有する電気・電子部品用に好適な銅合金条を提供する。
【解決手段】０．５〜３．０質量％のＣｏ、０．１〜１．０質量％のＳｉを含有し、残部が銅及び不可避不純物から成り、双晶境界頻度が４０〜７０％であるＣｕ−Ｃｏ−Ｓｉ系合金条である。
【選択図】図１

Description

本発明は、リードフレーム、コネクタ、リレー、スイッチ、端子、電池接続用タブ、フレキシブルプリント基板用の放熱板等の電気電子部品に用いられる銅合金条に関する。

携帯電話やポータブルオーディオプレイヤー、デジタルカメラといった電子機器の小型化・多機能化は搭載される基板の軽量化・多層化を促し、実装される電気電子部品にも、更なる軽量化・小型化が求められている。

従来、コネクタ、リレー等の電子部品にはりん青銅や黄銅等の固溶強化合金が使用されていたが、部品の小型化に伴い、薄肉・小型であっても必要とされる強度を満足できる高強度材として析出強化合金の使用が増加している。析出強化合金の中でも、比較的高い導電率と強度を持ちながら、良好な加工性も有するＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金は、ばね性が必要とされるコネクタのメス端子やＣＰＵソケット等に広く用いられている（特許文献１、２）。

特許第３３８３６１５号公報特許第４４０８２７５号公報

しかしながら、電気電子部品の小型化はますます進行し、電気抵抗増加に伴う発熱量の増加からＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金と同等以上の強度を持ちながら、より良好な導電性を有する材料の要求が高まりつつある。また、比較的狭いスペースの中に多量の部品を配置する必要性から、使用される金属部材には複雑な曲げ加工が施される。更に、リチウムイオン二次電池に用いられる電池接続タブでは、成形後、電池パックに組み立てる際に、繰返し曲げ加工が行われる場合があり、良好な強度・導電性に加え、従来以上の良好な曲げ加工性を有する銅合金が必要とされている。
従って、本発明は、良好な曲げ加工性および繰り返し曲げ加工性と導電性を有するＣｕ−Ｃｏ−Ｓｉ系合金条の提供を目的とする。

本発明者は、試験を繰返し、高い導電性と強度を両立できる成分系としてＣｕ−Ｃｏ−Ｓｉ系合金を選択した後、製造工程の最適化による加工性の改善に取り組んだ。その結果、結晶粒径のアスペクト比と双晶境界頻度を調整することで、Ｃｕ−Ｃｏ−Ｓｉ系合金条の曲げ加工性を向上させることができることを見出した。
すなわち、本発明のＣｕ−Ｃｏ―Ｓｉ系合金条は、０．５〜３．０質量％のＣｏ、０．１〜１．０質量％のＳｉを含有し、残部が銅及び不可避不純物から成り、双晶境界頻度が４０〜７０％である。

請求項２に記載の銅合金条において、更にＣｒ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｚｒ及びＭｎの群から選ばれる１種以上を合計で０．１〜２．０質量％含有すると好ましい。

本発明の銅合金条において、圧延平行方向及び圧延直角方向の結晶粒径のアスペクト比が０．４５〜０．８８であると好ましく、表面に０．３〜２．０μｍのＳｎ層が設けられていると好ましい。

本発明によれば、良好な曲げ加工性を有するＣｕ−Ｃｏ−Ｓｉ系合金条が得られる。

結晶粒径のアスペクト比を示す概略図である。

以下の説明では、特に説明しない限り、％は質量％を表す。
（組成）
本発明は、０．５〜３．０質量％のＣｏ、０．１〜１．０質量％のＳｉを含有し、残部が銅及び不可避不純物から成り、双晶境界頻度が４０〜７０％であるＣｕ−Ｃｏ−Ｓｉ系合金条である。
（Ａ）Ｃｏ濃度
Ｃｏ含有量を０．５〜３．０質量％とし、好ましくは１．０〜２．５質量％とする。Ｃｏが０．５％未満であると、必要な強度が不充分になる。一方、Ｃｏが３．０％を超えると、熱間圧延にて割れが発生する。
（Ｂ）Ｓｉ濃度
Ｓｉ含有量を０．１〜１．０質量％とし、好ましくは０．２〜０．６質量％とする。Ｓｉが０．１％未満であると、十分な強度が得られない。Ｓｉが１．０％を超えると、導電性が低下する。
（Ｃ）上記以外の添加元素
上記Ｃｕ−Ｃｏ−Ｓｉ系合金条には、合金の強度、耐熱性、耐応力緩和性等を改善する目的で、更にＣｒ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｚｒ及びＭｎの群から選ばれる一種以上を合計で０．１〜２．０質量％含有することができる。これら元素の総量が０．１％未満では所望の特性が得られず、総量が２．０％を超えると所望の特性は得られるものの、導電性や曲げ加工性が低下する。

（Ｄ）双晶境界頻度
本発明の合金条は、双晶境界頻度が４０〜７０％である。双晶境界頻度が４０％未満の場合、曲げ性が劣化する。本発明の合金条の成分系で双晶境界頻度が７０％を超えるものは工業的に製造困難なため、上限は７０％とする。
ここで、双晶境界とは、双晶関係にある２つの結晶の境界を指し、この境界を境に２つの結晶は鏡面対称の関係にある。対応粒界理論によれば双晶境界はΣ３の結晶粒界に相当する。双晶境界は境界間の原子の整合性が良い為、境界近傍において不均一変形が起こりにくく、曲げ変形時、境界近傍を基点とする割れやしわが発生しにくい。
双晶境界頻度とは、結晶粒界と双晶境界を合わせた全境界中の双晶境界の割合を言う。双晶の発生頻度は積層欠陥エネルギーと関係があり、積層欠陥エネルギーが低いほど、双晶境界頻度は高くなる。

本発明の合金条の組成は、黄銅（Ｃｕ６５％、Ｚｎ３５％）に比べると導電性を満たすために、Ｚｎを含まないか、Ｚｎ量が少ない。積層欠陥エネルギーはＺｎ量の減少に伴い高くなるため、双晶境界頻度は黄銅に比べて低くなり、通常の工程では４０%以上の高い双晶境界頻度を得る事は難しかった。
そこで、本発明者は、本発明の合金条の双晶境界頻度を上昇させるため、製造工程と双晶境界頻度の関係について鋭意調査を行なった結果、溶体化処理の前に実施される冷間圧延の条件が重要であることを見出した。圧延では一対のロール間に材料を繰返し通過（パス）させ、目標の板厚に仕上げてゆく。この一連のパスにおいて、溶体化処理前の冷間圧延の最終パス及び最終パスより１つ前のパスで、１パス当たりの加工度を上昇させ、圧延速度を高速化した仕上圧延を行なう。その後、金属組織が完全再結晶し、かつ著しい粗大化が起こらない所定の条件で溶体化処理を行なうと、４０%以上の高い双晶境界頻度が得られる。

ここで、双晶境界頻度を求める方法としては、例えば、ＦＥＳＥＭ（Field Emission Scanning Electron Microscope）によるＥＢＳＰ（Electron Backscattering Pattern）法がある。この方法は、試料表面に斜めに電子線を当てたときに生じる後方散乱電子回折パターン（菊地パターン）に基づき、結晶方位を解析する方法である。この方法で結晶方位を解析した後、隣接結晶方位間の方位差を求め、ランダム粒界及び各対応粒界の割合（粒界性格分布）を決定することが出来る。双晶境界はΣ３対応粒界に相当するため、双晶境界頻度は、（対応粒界Σ３の長さの総和）／（結晶粒界の長さの総和）×１００で計算される。なお、結晶粒界とは隣接結晶粒間の方位差が１５°以上となる境界を指し、小角粒界や亜粒界を含まない。

（Ｅ）結晶粒径のアスペクト比
溶体化処理後の金属組織を均一な等軸粒に制御することで、曲げ性がさらに改善される。つまり、本発明の合金条の組成は黄銅に比べ、Ｚｎを含まないか、Ｚｎ量が少ないため、再結晶後の組織は混粒になりやすい。また、熱間圧延時の途中パスにて再結晶が終了すると、圧延方向に伸長した粗大結晶粒が残留し、金属組織の等軸化を阻害する。従って、熱間圧延の終了温度と加工度を制御することで、結晶粒が均一となるのを阻害する粗大結晶粒を低減することができ、動的再結晶により金属組織が等軸化する。
なお、再結晶は熱間圧延中に生じ、熱間圧延の最終パス中に再結晶が起きれば金属組織は等軸粒となる。又、溶体化処理時も再結晶は起こるが、熱間圧延の条件が不良なために残留した粗大組織は、溶体化時の再結晶でも等軸化されず残留することがある。

但し、溶体化処理後に金属組織を均一な等軸粒にしても、その後の最終圧延により結晶粒の状態が変化する。そこで、最終製品の結晶粒径のアスペクト比と、溶体化処理後の結晶粒の均一さに相関関係があることに着目し、最終製品の結晶粒径のアスペクト比を規定することとする。
具体的には、溶体化処理後に金属組織を均一な等軸粒とした場合、最終冷間圧延の加工度が３０〜６０％であることから、最終製品における圧延平行方向及び直角方向の結晶粒径のアスペクト比ｂ／ａ及びｄ／ｃがいずれも０．４５〜０．８８になる。より好ましくは、ｂ／ａが0.45〜0.8であり、ｄ／ｃが0.65〜0.88である。
ここで、図２に示すように、圧延平行方向ＲＤに平行な断面から見て、結晶粒径のアスペクト比はｂ／ａ（ａ：ＲＤ方向の結晶粒径の長さ、ｂ：圧延方向（厚み方向）の結晶粒径の長さ）で表される。又、圧延直角方向ＴＤに平行な断面から見て、結晶粒径のアスペクト比はｄ／ｃ（ｚ：ＴＤ方向の結晶粒径の長さ、ｄ：圧延方向（厚み方向）の結晶粒径の長さ）で表される。
アスペクト比ｂ／ａ及び／又はｄ／ｃが０．４５未満であるか０．８８を超えると、曲げ加工時にひずみが局部的に集中し、せん断帯が形成され、曲げ加工性が劣化する場合がある。

（特性）
合金条の引張強さ（ＪＩＳ−Ｚ２２４１）が通常５００ＭＰａ以上、好ましくは５５０ＭＰａ以上であると、電気・電子部品材料として好適に使用できる。
合金条の導電率（ＪＩＳ−Ｈ０５０５）は４０％ＩＡＣＳ以上、更に好ましくは５０％ＩＡＣＳ以上であると、電気・電子部品材料として好適に使用できる。導電率が４０％ＩＡＣＳ未満では、通電部品として使用した時の発熱が大きくなり、所望の効果が得られない。
合金条の曲げ性は、繰返し曲げ試験にて評価した。１．５回以上であると電気・電子部品材料として好ましい。

本発明の合金条の厚みは特に限定はされないが、好ましくは０．０３〜１．００ｍｍ、より好ましくは０．０５〜０．８０ｍｍである。合金条の厚さが上記範囲内であると、電気・電子部品材料として好適に使用する事が出来る。
本発明の合金条の表面に、例えばＳｎめっきを施し、０．３〜２．０μｍのＳｎ層を設けると、コネクタ等での電気接続時の信頼性がより良好となるので好ましい。Ｓｎめっき方法は公知の湿式めっき等で行うことができる。
本発明の合金条の平均結晶粒径は、好ましくは１２μｍ以下、更に好ましくは７μｍ以下である。

（製造方法）
本発明の銅合金条は、溶解鋳造、均質化焼鈍、熱間圧延、面削の後、複数回の冷間圧延、焼鈍を繰返し、さらに溶体化処理、時効処理、及び最終冷間圧延を行って製造することができる。

但し、双晶境界頻度を上記範囲に制御するため、溶体化処理前の冷間圧延の最終パス、及び最終パスより１つ前のパスの平均加工度を３２〜４０％、圧延速度を２２０〜３２０ｍｐｍとすることが好ましい。上記範囲より加工度が低い、又は圧延速度が遅い場合、双晶境界頻度が低くなり繰返し曲げ性が劣化することがある。上記範囲より加工度が高い、又は圧延速度が速い場合、材料縁端部に耳割れ（エッジクラック）が発生し、圧延時に材料が破断する等、著しく製造性が低下することがある。
又、溶体化処理の条件としては、溶体化処理温度８５０〜１０８０℃、溶体化処理時間５〜２０秒とするのがよい。上記範囲より溶体化処理温度が低い、又は溶体化処理時間が短い場合、組織に未再結晶部が残存し、双晶境界頻度が低下するため、繰返し曲げ性が劣化することがある。上記範囲より溶体化処理温度が高い、又は溶体化処理時間が長い場合、結晶粒の著しい粗大化が起こり、双晶境界頻度が低下し、繰返し曲げ性が劣化することがある。

又、結晶粒径のアスペクト比を上記範囲に制御する（再結晶時の金属組織を均一な等軸粒に制御する）ため、熱間圧延の終了温度を６００〜７５０℃、熱間圧延の最終パスの加工度を３０〜５５％とすることが好ましい。熱間圧延の条件が上記範囲であれば、再結晶時（溶体化処理より前）に、組織の均一化を阻害する粗大結晶粒を無くすことができ、均一な再結晶組織を得る事が出来る。なお、熱間圧延時の加熱温度を900℃以上とするとよい。

以下の実施例で行った測定の条件は下記の通りである。
［双晶境界頻度］各銅合金板について、ＦＥＳＥＭ（Field Emission Scanning Electron Microscope）によるＥＢＳＰ（Electron Backscattering Pattern）法で測定した。
［アスペクト比］各銅合金板について、図１に示すように、圧延平行方向ＲＤの沿う断面及び圧延直下方向ＴＤに沿う断面の結晶粒径をJIS-H0501の切断法に準じ測定し、以下のようにＲＤ及びＴＤ方向の結晶粒径のアスペクト比をそれぞれ求めた。図１に示すように、圧延平行方向ＲＤに平行な断面から見て、結晶粒径のアスペクト比はｂ／ａ（ａ：ＲＤ方向の結晶粒径の長さ、ｂ：圧延方向（厚み方向）の結晶粒径の長さ）で表される。又、圧延直角方向ＴＤに平行な断面から見て、結晶粒径のアスペクト比はｄ／ｃ（ｚ：ＴＤ方向の結晶粒径の長さ、ｄ：圧延方向（厚み方向）の結晶粒径の長さ）で表される。

［繰返し曲げ性］長手方向が圧延方向に平行となるように、厚さ０．１５または０．２５ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ４０ｍｍの試験片を４個作製し、試験片の長手方向に直角な方向を曲げ軸として、１８０°曲げを行なった後、曲げ戻した。これを１回として、試料が破断するまで繰返し曲げを行い、試料４個の平均破断（繰返し曲げ）回数を求めた。繰返し曲げ回数が１．５回を超えると良好である。
[曲げ加工性] ＭＢＲ／ｔについては、長手方向が圧延方向に平行となるように採取した短冊試験片（幅１０ｍｍ×長さ３０ｍｍ×厚さ０．１５または０．２５ｍｍ）について、試験片の長手方向に直角な方向を曲げ軸として、９０°Ｗ曲げ試験（ＪＩＳＨ３１３０）を行い、割れの発生しない最小曲げ半径（ｍｍ）をＭＢＲ(Minimum Bend Radius)とし、板厚ｔ（ｍｍ）との比ＭＢＲ／ｔにより評価した。

［引張強さ］各銅合金板について、圧延方向に平行な方向に引張試験を行ない、ＪＩＳ−Ｚ２２４１に準拠して求めた。
［導電率］各銅合金板について、ＪＩＳ−Ｈ０５０５に準拠し、ダブルブリッジ装置を用いた四端子法により求めた体積抵抗率から％ＩＡＣＳを算出した。

（実施例１）
高周波誘導炉で電気銅を溶解し、溶湯表面を木炭被覆した後、表１２に示す合金元素を添加し所望の組成に溶湯を調整した。鋳込温度１２５０℃で鋳造を行い、得られたインゴットを１０００℃で３時間加熱後、熱間圧延の最終パスの加工度が３５％になる様に、板厚１１ｍｍまで圧延し、熱間圧延終了温度を６５０℃以上に調整した。熱間圧延板の表層に生じた酸化スケールを面削にて除去後、冷間圧延で板厚０．３０ｍｍまで加工した。この冷間圧延では最終パスおよび最終パスより１つ前のパスの平均加工度が３５％、圧延速度が２５０ｍｐｍとなる様に圧延条件を調整した。得られた圧延板試料につき、表２に示す温度で２０秒間の溶体化処理を施した後、５１０℃で１０時間の時効処理を施し、最終冷間圧延で０．２５ｍｍの板材に仕上げた。

実施例１についての結果を表１に示す。

表１中、Ｃｏが０．５〜３．０質量％、Ｓｉが０．１〜１．０質量％である発明例２１〜３９の場合、強度、導電性および曲げ加工性に優れ、繰返し曲げ回数も１．５回を超えて優れていた。
一方、Ｃｏが０．５質量％未満である比較例１１の場合、発明例に比べて強度（引張強さ）が低下した。
Ｓｉが１．０質量％を超えた比較例１２の場合、導電性が劣化した。
Ｃｏが３．５質量％を超えた比較例１３の場合、熱延割れが発生し、試料を作製できなかった。

（実施例２）
高周波誘導炉で電気銅を溶解し、溶湯表面を木炭被覆した後、合金元素を添加しＣｕ−２％Ｃｏ−０．４５％Ｓｉに溶湯を調整した。鋳込温度１２５０℃で鋳造を行い、得られたインゴットを９８０℃で３時間加熱後、熱間圧延の終了温度および熱間圧延の最終パスの加工度を表２のように調整し、板厚１１ｍｍに仕上げた。その後、表面の酸化スケールを面削にて除去後、表２に示す条件で冷間圧延を行ない、板厚を０．１８ｍｍに仕上げた。この銅合金板を表２に示す条件で溶体化処理後、５１０℃×１０ｈの時効処理を行ない、最終冷間圧延で板厚０．１５ｍｍの試料に仕上げた。
なお、表中の冷間圧延の平均加工度及び圧延速度は、溶体化処理前の冷間圧延の最終パス及び最終パスより１つ前のパスの値である。

実施例２についての結果を表２に示す。

同様に、表２中、溶体化処理前の冷間圧延（以下、単に「冷間圧延」という）の最終パス、及び最終パスより１つ前のパスの平均加工度を３２〜４０％、圧延速度を２２０〜３２０ｍｐｍとし、溶体化処理温度８５０〜１０８０℃、溶体化処理時間５〜２０秒とした発明例６１〜７１の場合、強度、導電性および曲げ加工性に優れ、繰返し曲げ回数も１．５回を超えて優れていた。
一方、冷間圧延の平均加工度が３２％未満である比較例３１の場合、及び圧延速度が２２０ｍｐｍ未満である比較例３３の場合、双晶境界頻度が４０％未満となり、繰返し曲げ回数も１．５回未満に劣化した。
冷間圧延の平均加工度が４０％を超えた比較例３２の場合、及び圧延速度が３２０ｍｐｍを超えた比較例３４の場合、圧延時（溶体化前の圧延時）に耳割れが発生して破断し、試料を作製できなかった。
溶体化処理温度が８５０℃未満である比較例３５の場合、及び溶体化処理時間が５秒未満である比較例３６の場合、組織に未再結晶部が残存し、双晶境界頻度が４０％未満となり、繰返し曲げ回数も１．５回未満に劣化した。
溶体化処理時間が２０秒を超えた比較例３７の場合、結晶粒の著しい粗大化が起こり、双晶境界頻度が４０％未満となり、繰返し曲げ回数も１．５回未満に劣化した。

なお、熱間圧延の終了温度が６００〜７５０℃の範囲内である発明例６４の場合、双晶境界頻度が同程度であるが熱間圧延の終了温度が上記範囲を外れた発明例６９に比べ、結晶粒径のアスペクト比ｄ／ｃがより好ましい範囲（0.65〜0.88）となり、繰返し曲げ性もより一層向上した。
熱間圧延の最終加工度が３０〜５５％の範囲内である発明例６７の場合、双晶境界頻度が同程度であるが熱間圧延の最終加工度が上記範囲を外れた発明例７０，７１に比べ、結晶粒径のアスペクト比ｄ／ｃがより好ましい範囲（0.65〜0.88）となり、繰返し曲げ性もより一層向上した。

Claims

０．５〜３．０質量％のＣｏ、０．１〜１．０質量％のＳｉを含有し、残部が銅及び不可避不純物から成り、双晶境界頻度が４０〜７０％であるＣｕ−Ｃｏ−Ｓｉ系合金条。
更にＣｒ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｚｒ及びＭｎの群から選ばれる１種以上を合計で０．１〜２．０質量％含有する請求項１に記載のＣｕ−Ｃｏ−Ｓｉ系合金条。
圧延平行方向及び圧延直角方向の結晶粒径のアスペクト比が０．４５〜０．８８である請求項１〜２のいずれかに記載のＣｕ−Ｃｏ−Ｓｉ系合金条。
表面に０．３〜２．０μｍのＳｎ層が設けられている請求項１〜３のいずれかに記載のＣｕ−Ｃｏ−Ｓｉ系合金条。