JP2014077192A - 銅合金および高電流用コネクタ端子材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、Snを0.01質量%以上0.3質量%以下含有し、残部が銅、0.01質量%以下の酸素及び不可避的不純物からなり、X線回折法により求めた(113)面に対して圧延方向と平行な方向に生じる残留応力が250MPa以下であることを特徴とする銅合金である。
【選択図】なし
Description
近年、電子部品の小型化に伴い、通電部における銅合金の断面積が小さくなる傾向にある。断面積が小さくなると、通電した際の銅合金からの発熱が増大する。また、伸長著しい電気自動車やハイブリッド電気自動車で用いられる電子部品には、バッテリー部のコネクタ等、著しく高い電流が流されるものがあり、通電時の銅合金の発熱が問題になっている。
コネクタ等の電子部品の電気接点では、銅合金板にたわみが与えられ、このたわみで発生する応力により、接点での接触力を得ている。たわみを与えた銅合金を高温下で長時間保持すると、応力緩和現象により、応力すなわち接触力が低下し、接触電気抵抗の増大を招く。
そこで、前記発熱の問題に対処するため、銅合金には、発熱量が減ずるよう導電性により優れることが求められ、さらに発熱しても接触力が低下しないよう応力緩和特性により優れることも求められている。
応力緩和改善効果が顕著な元素として、例えばZrがあげられる。ところが、Zrは極めて活性であるため、インゴットの溶製時に添加したZrの一部が酸化する。このZr酸化物がインゴットに巻き込まれると、製品表面に傷が発生したり、圧延中の材料が切れたりする。また、Zrは固体銅中で析出物を形成し、その析出形態によって機械的特性や応力緩和特性が変化するため、熱間圧延や各熱処理の条件を厳密に調整する必要がある。このことから、Cu−Zr系合金の製造コストは極めて高価なものであった。
(1)Snを0.01質量%以上0.3質量%以下含有し、残部が銅、0.01質量%以下の酸素及び不可避的不純物からなり、X線回折法により求めた(113)面に対して圧延方向と平行な方向に生じる残留応力が250MPa以下であることを特徴とする銅合金。
(2)Snを0.01質量%以上0.3質量%以下含有し、Ag、Fe、P、Co、Ni、Cr、Mn、Zn、Mg、Siの少なくとも1種を合計で0.15質量%以下含有し、残部が銅、0.01質量%以下の酸素及び不可避的不純物からなり、X線回折法により求めた(113)面に対して圧延方向と平行な方向に生じる残留応力が250MPa以下であることを特徴とする銅合金。
(3)圧延方向と直交する断面の組織より求めた厚み方向の平均結晶粒径Aと幅方向の平均結晶粒径Bとの比(B/A)が1.2以上である(1)または(2)に記載の銅合金。
(4)圧延方向と直交する断面の組織より求めた平均結晶粒径が100μm以下である(1)〜(3)の何れかに記載の銅合金。
(5)引張強さが350MPa以上であり、導電率が75%IACS以上であり、150℃で1000時間保持後の応力緩和率が40%以下である(1)〜(4)の何れかに記載の銅合金。
(6)(1)〜(5)の何れかに記載の銅合金を用いた高電流用コネクタ端子材。
(7)(1)〜(5)の何れかに記載の銅合金を用いた放熱用電子部品。
<合金成分>
本発明の銅合金の一実施形態は、Snを0.01質量%以上0.3質量%以下含有し、残部は銅と0.01質量%以下の酸素及び不可避的不純物からなる。
本発明の銅合金は、端子、コネクタ、リレー、スイッチ、ソケット、バスバー、リードフレーム、放熱板などの電子部品用途、特に、電気自動車やハイブリッド自動車などで用いられる高電流用コネクタや端子などの用途、又はスマートフォンやタブレットPCで用いられる液晶フレーム等の放熱用電子部品の用途に好適に使用することができるよう、高強度および高導電性を有する。
製品表面の残留応力を250MPa以下、好ましくは200MPa以下に調整することで、前記応力緩和率が40%以下になる。残留応力が250MPaを超えると所望の応力緩和特性が得られない。
本発明の銅合金の圧延方向と直交する断面(以下、圧延直角断面)において観察される平均結晶粒径は100μm以下であることが好ましい。結晶粒径が100μmを超えると引張強さが350MPa未満になることがある。また、残留応力を低減する点から、圧延直角断面の結晶粒径は5μm以上であることが好ましい。
本発明の銅合金板の厚み方向の平均結晶粒径Aと幅方向(圧延方向と厚み方向のそれぞれに対し直交する方向)の平均結晶粒径Bとの比(アスペクト比B/A)は1.2以上とすることが好ましい。アスペクト比が1.2未満になると引張強さが350MPa未満となることがある。また、残留応力が高くなり、応力緩和特性が悪化する傾向にある。
製品の厚みは0.1〜2.0mmであることが好ましい。厚みが小さすぎると、通電部断面積が小さくなることで通電時の発熱が増加するため、大電流を流す電子部品の素材として不適であり、また、僅かな外力で変形するようになるため、放熱板等の素材としても不適である。一方で、厚みが大きすぎると、曲げ加工性が困難になる。このような観点から、より好ましい厚みは0.2〜1.5mmである。厚みが上記範囲となることにより、製品の通電時の発熱を抑えつつ、曲げ加工性を良好なものとすることができる。
純銅原料として電気銅等を溶解し、カーボン脱酸等により酸素濃度を調整した後、Snおよび必要に応じ他の合金元素を添加し、厚み30〜300mm程度のインゴットに鋳造する。このインゴットを熱間圧延により厚み3〜30mm程度の板とした後、冷間圧延と焼鈍を繰り返し、最終の冷間圧延で所定の製品厚みに仕上げ、最後に歪取り焼鈍を施す。最終冷間圧延後の残留応力値は250MPaを超えるが、その後の歪取焼鈍により減少する。
また、最終冷間圧延では圧延ロールの径と、通板回数とを調整することにより、銅合金の残留応力を調整することができる。一般的に使用されている大径ロールを用いて圧延した場合、表面部に引張応力、厚み方向中央部に圧縮応力が残留する。一方、小径ロールを用いて低い加工度で圧延した場合、表面部に圧縮応力、厚み方向中央部に引張応力が残留する。
よって、大径ロールで圧延した後に小径ロールで軽圧下圧延を数回行えば、それまでの圧延で表面に蓄積した引張残留応力がキャンセルされ、銅合金の残留応力は減少する。
具体的には、最終冷間圧延後の銅合金板に対して200〜800℃で5秒〜3時間の範囲で歪取焼鈍を行う。ここで、炉内温度が200℃未満、あるいは焼鈍時間が5秒未満であると得られる銅合金の残留応力が減少せず、十分な応力緩和特性が得られない傾向がある。また、炉内温度が800℃を超える、あるいは焼鈍時間が3時間を超えると得られる銅合金の強度が大きく低下する傾向がある。
カーボン脱酸により酸素濃度を0.01質量%以下とした溶銅にSn成分および必要に応じてAg、Fe、P、Co、Ni、Cr、Mn、Zn、Mg、Siの成分を表1に示した量となるように添加した後、厚み100mmのインゴットを鋳造した。このインゴットを900℃で3時間加熱し、厚みが20mmとなるように熱間圧延を行い、表面の酸化スケールをグラインダーで研削、除去した。その後、焼鈍と冷間圧延を繰り返し、表1に示した加工度で最終冷間圧延を行った。最後に、表1に示した条件で歪取り焼鈍を行った。
(イ)最終冷間圧延前の再結晶焼鈍後の平均結晶粒径
圧延直角断面を機械研磨により鏡面に仕上げた後、エッチングにより結晶粒界を現出させた。この金属組織上において、JIS H 0501の切断法に従い測定し、平均結晶粒径を求めた。
(ロ)歪取焼鈍後の平均結晶粒径、アスペクト比
圧延直角断面を機械研磨により鏡面に仕上げた後、エッチングにより結晶粒界を現出させた。この金属組織上において、厚み方向に直線を引き、直線によって切断された結晶粒の個数を求めた。そして、直線の長さをこの結晶粒個数で割った値をAとした。同様に、幅方向に直線を引き、直線によって切断される結晶粒の個数を求め、直線の長さをこの結晶粒径個数で割った値をBとした。B値を平均結晶粒径とし、(B/A)値をアスペクト比とした。
JIS B 7721に規定される引張試験機を用いて、JIS Z 2241に準拠して測定した。
JIS H 0505に準拠して測定した。
X線回折法により(113)面に対し、圧延方向と平行な方向に生じている残留応力を求めた。応力測定の原理および計算式を以下に示す。
・残留応力測定原理
図1のように、試料面法線Nと格子面法線N’とのなす角度ψを変化させてその回折角度(2θ)の変化を調査すると、次式によって残留応力σを求めることができる。
歪取焼鈍後の材料から、幅10mm、長さ100mmの短冊形状の試験片を、試験片の長手方向が圧延方向と平行になるように採取した。図2のように、l=50mmの位置を作用点として、試験片にy0のたわみを与え、0.2%耐力の80%に相当する応力(s)を負荷した。y0は次式により求めた。
y0=(2/3)・l2・s / (E・t)
ここで、Eはヤング率であり、tは試料の厚みである。150℃にて1000時間加熱後に除荷し、図3のように永久変形量(高さ)yを測定し、応力緩和率{[y(mm)/y0(mm)]×100(%)}を算出した。
ただし、大径ロールで圧延後に小径ロールで圧延を行わなかった発明例19、および板厚方向の平均結晶粒径が5μm未満であった発明例15の場合、残留応力が200MPaを超える比較的高い値であり、応力緩和率も35%を超える比較的高い値であった。
Sn濃度が0.3質量%を超えた比較例2は、引張強さが350MPa以上、応力緩和率が40%未満であるが、導電率が75%IACS未満であった。
歪取焼鈍の焼鈍時間が3時間を越えた比較例7、炉内温度が800℃を超えた比較例8はいずれも残留応力が250MPa以下となり、応力緩和率は40%以下であったが、引張強さが350MPa未満となった。
Claims (7)
- Snを0.01質量%以上0.3質量%以下含有し、残部が銅、0.01質量%以下の酸素及び不可避的不純物からなり、X線回折法により求めた(113)面に対して圧延方向と平行な方向に生じる残留応力が250MPa以下であることを特徴とする銅合金。
- Snを0.01質量%以上0.3質量%以下含有し、Ag、Fe、P、Co、Ni、Cr、Mn、Zn、Mg、Siの少なくとも1種を合計で0.15質量%以下含有し、残部が銅、0.01質量%以下の酸素及び不可避的不純物からなり、X線回折法により求めた(113)面に対して圧延方向と平行な方向に生じる残留応力が250MPa以下であることを特徴とする銅合金。
- 圧延方向と直交する断面の組織より求めた厚み方向の平均結晶粒径Aと幅方向の平均結晶粒径Bとの比(B/A)が1.2以上である請求項1または2に記載の銅合金。
- 圧延方向と直交する断面の組織より求めた平均結晶粒径が100μm以下である請求項1〜3の何れか1項に記載の銅合金。
- 引張強さが350MPa以上であり、導電率が75%IACS以上であり、150℃で1000時間保持後の応力緩和率が40%以下である請求項1〜4の何れか1項に記載の銅合金。
- 請求項1〜5の何れか1項に記載の銅合金を用いた高電流用コネクタ端子材。
- 請求項1〜5の何れか1項に記載の銅合金を用いた放熱用電子部品。
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