JP2015226928A - アルミニウム材と銅材の積層材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、アルミニウム材と銅材の積層材の製造方法に関し、圧延の圧下率、圧延の回数、熱処理温度と時間について適正な条件を見出し、その製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】アルミニウム材と銅材を積層し、冷間圧延および熱処理をこの順序で行なう積層材を製造する方法において、前記冷間圧延は、第一の冷間圧延と第二の冷間圧延とからなり、第一の冷間圧延の前において、前記アルミニウム材の表面の硬さ（ＨＶ）が３５以下で、かつ前記銅材の表面の硬さ（ＨＶ）が７５以下とし、第一の冷間圧延は一回の圧下率を７５〜９０％で行い、第二の冷間圧延は累積圧下率を１０〜９０％でそれぞれ行い、前記熱処理の温度および時間がそれぞれ１５０〜３１０℃および１０〜３０時間とすることを特徴とする積層材の製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム材と銅材の積層材の製造方法に係り、特に電子部品と共に使用される車載向け基板用二層クラッド構造のリード線素材を好適に製造する方法に関する。ここで、基板用二層クラッド構造のリード線素材とは、二層クラッド構造を有する金属帯の材料である。金属帯とは、コイルに巻き取った状態の材料を云う。

一般に、自動車、ノートパソコン、モバイルのような電子機器には多くの回路基板が使用され、各電子機器の回路基板には種々の端子に伴い、多くのリード線が配線されている。このような回路基板や端子用の金属材料としては、使用環境に応じて導電性、軽量性、耐食性、耐熱性などの特性を必要とするため、それぞれアルミニウム材と銅材が使用されている。また、リチウムイオン電池の端子の構造上、正極にアルミニウム材、負極に銅材が使用されている。

いっぽう、リード線素材は端子と同種の金属であることが電食防止の観点から望しい。また、リード線素材は、板状の導線として製造出来れば、機能的に薄くて柔軟性があることから、機器に組み込む際の自由度が高く、特に車載向け基板などに使われやすくなる。リード線素材は、安価に提供出来れば工業的に有意義である。ここで、板状にカットする長手切断前の金属帯状の材料をリード線素材とも云う。

アルミニウム材と銅材のような異種金属の積層材を製造する方法は数多くあるが、圧延による方法が安価で効率よく製造できると考えられる。しかし、安定的に工業化するには、異種金属の接合界面の密着強度を上げて、曲げなどの加工性に富んだ積層材を如何に製造して得られるかが課題となる。

特に車載用の場合、エンジンルーム内は高温の環境であり、基板用の材料は特に耐熱性も必要とされる。

特許文献１には、圧延法によりアルミニウム材と銅材がＡｌ−Ｃｕ系金属間化合物を介して接合された積層材の製造方法が開示されている。圧延の一回で圧下率を４５〜７０％とし、その後の熱処理を１５０〜５５０℃で行い、接合界面の密着強度の向上を図っている。しかし、この製造方法は、一回の圧延で接合しているため、重ね合わせる前の素材の板厚を事前に薄く加工しておかなければならないという制限がある。また、一回の圧延で４５％以上の圧下率では圧下負荷が大きく、それに伴って多くの加工熱が生じるため、圧延ロールの幅中央部が膨張（ヒートクラウン）してしまい、積層材としての高い平坦度を得る事ができない。

特許文献２には、圧延法によりアルミニウム材と銅材を接合させた後、熱処理（２００〜３００℃、１〜１０時間）を行い、その後５０％以上の圧下率で圧延を行って積層材を製造する方法が開示されている。ただし、この技術により製造された積層材は基板材の用途であり、エッチングされて基板上の配線材として使用される。この方法は、熱処理をはさんで２回の圧延を行うので、熱処理時に生成した接合界面の金属間化合物が２回目の圧延で分断されてしまうため、密着強度が低下して剥離する恐れがある。よって、曲げなどの加工を必要とするリード線素材には不向きであり、フラット形状で使用されるエッチング用基板などの用途に限定される。

本発明者等は、上記課題を解決するため、重ね合わせる前の素材の加工負荷を軽減し、かつ良好な平坦度と接合界面の密着強度を高め、更に曲げ加工性に富んだ積層材の開発を検討した。

特許４９６１５１２号公報 特開平６−３６６１５号公報

これら先行技術では、重ね合わせる前の素材の加工負荷が大きいことや平坦度の調整に難があること、接合界面の密着強度（加工性）が乏しいなどの点から、安価で効率よく品質が高い積層材を提供するに十分とは云えない。そこで、本発明は、重ね合わせる前の素材の加工負荷を軽減し、かつ良好な平坦度と接合界面の密着強度を高め、更に曲げ加工性に富んだ積層材の製造方法を検討し、圧延の圧下率、圧延の回数、熱処理温度と時間について適正な条件を見出し、その製造方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決するため鋭意研究を行い、アルミニウム材と銅材の積層材の製造方法に関し、以下の構成からなる発明を完成させた。
［１］アルミニウム材と銅材（金属）を積層し、冷間圧延および熱処理をこの順序で行なう積層材を製造する方法において、前記冷間圧延は、第一の冷間圧延と第二の冷間圧延とからなり、第一の冷間圧延の前において、前記アルミニウム材の表面の硬さ（ＨＶ）が３５以下で、かつ前記銅材の表面の硬さ（ＨＶ）が７５以下とし、第一の冷間圧延は一回の圧下率を７５〜９０％で、第二の冷間圧延は累積圧下率を１０〜９０％でそれぞれ行い、前記熱処理の温度および時間がそれぞれ１５０〜３１０℃および１０〜３０時間とすることを特徴とする積層材の製造方法。
［２］前記積層材は、車載向け基板用二層クラッド構造のリード線素材であり、板厚が０．２０〜０．８０ｍｍであることを特徴とする［１］に記載の積層材を製造する方法。
［３］前記アルミニウム材が質量％で、Ａｌ量が９５．００％以上含有することを特徴とする［１］または［２］に記載の積層材の製造方法。
［４］前記熱処理の温度が、２００〜２５０℃であることを特徴とする前記［１］〜［３］のいずれかに記載の積層材の製造方法。
［５］前記熱処理の時間が、１５〜２５時間であることを特徴とする前記［１］〜［４］のいずれかに記載の積層材の製造方法。

本発明によれば、重ね合わせる前の素材の加工負荷を軽減し、かつ良好な平坦度と接合界面の密着強度を高め、更に曲げ加工性に富んだ積層材を得ることができ、特に車載向け基板用二層クラッド構造のリード線素材として好適な材料を製造できる。

本発明による製造工程例を示す図

本発明に係る積層材の製造方法について、図１を用いて工程順に説明する。
Ａ）まず、圧延前の前処理工程（ａ）としてアルミニウム材と銅材の表面を活性させるため、常法に従いブラッシング処理などを素材表面の全面について行う。各素材の表面を活性化させる処理であれば酸洗のような化学的処理、グラインダ、ブラストのような研磨、研削などの機械的処理を行うことができる。

次工程の第一の冷間圧延工程（ｂ）は、表面の活性化の程度が減少する前に行うことが好ましい。表面の活性化が減少すると、第二の冷間圧延時において接合界面の密着強度が低下し、剥離する恐れがあるからである。

本発明に係る製造方法において、冷間圧延は合計２回行うことが必要である。
Ｂ）アルミニウム材の表面硬さ（ＨＶ）は当初から３５以下とすることが必要で、３５以下とするには、アルミニウム材を事前に完全焼鈍を行うことが好ましい。アルミニウム材の表面硬さ（ＨＶ）が３５を超えると、第一の冷間圧延後において接合界面の密着強度が低下し、剥離する恐れがあるからである。好ましくは表面硬さ（ＨＶ）は３０以下で、２５以上である。

前記アルミニウム材が質量％で、Ａｌ量が９５．００％以上含有することが好ましい。アルミニウム材は、一般に純アルミニウムと呼ばれる質量％で９５．００％以上のＡｌを含有する材料であることが好ましい。Ａｌが９５．００％以上の材料は展伸性に優れるため、圧延加工がしやすいばかりか放熱性、加工性、 耐食性などにも優れるからである。さらに、Ａｌ量は９９．００％以上が好ましい。ＪＩＳで規定するＡ１０００番台の表示は工業用純アルミニウムを示し、Ａ１１００、Ａ１２００が代表的で、いずれも９９．００％以上の純アルミニウム系材料である。Ａ１１００は陽極酸化処理（アルマイト）後光沢を良好にするＣｕが微量添加されているが本発明で使用することができる。Ａ１０５０、Ａ１０７０、Ａ１０８５はそれぞれ純度９９．５０、９９．７０、９９．８５％以上の純アルミニウム材料であるが、いずれの材料であっても使用することができる。特に添加した元素以外は、残部は不可避的不純物であることが好ましい。

銅材の表面の硬さ（ＨＶ）は当初から７５以下とすることが必要で、７５以下とするには、銅材を事前に完全焼鈍を行うことが好ましい。銅材の表面の硬さ（ＨＶ）が７５を超えると、第一の冷間圧延後において接合界面の密着強度が低下し、剥離する恐れがあるからである。好ましくは表面の硬さ（ＨＶ）は６０以下で、４５以上である。

前記銅材の種類は特に限定されないが、質量％で９９．９％以上の銅を含有する材料であることが好ましい。

ここで、アルミニウム材および銅材の表面硬さ（ＨＶ）の測定はＪＩＳ ２２４４に準じる。
Ｃ）第一の冷間圧延は一回の圧下率を７５〜９０％で行う。第一の冷間圧延は、一回の冷間圧延（一回の圧延パスで行う冷間圧延）でクラッド素材を機械的物理的に接合させる工程である。この第一の冷間圧延で一回の圧下率が７５％未満では、次の第二の冷間圧延時において接合界面の密着強度が低下して剥離しやすくなる。一回の圧下率が９０％を超える圧延は、圧延時に耳割れを生じて製造が困難となる。従って、第一の冷間圧延工程（ｂ）での一回の圧下率を７５〜９０％の範囲とした。また、この工程での圧延は、室温から１５０℃の範囲で行うことが好ましい。特に好ましくは、室温から１００℃の範囲である。

第一の冷間圧延工程（ｂ）で供される冷間圧延機の種類は特に限定しないが、板幅方向の圧下力分布や板厚プロフィールが均一となる圧延機が選ばれる。

第一の冷間圧延後の圧延材は、通常は巻取機（図示せず）により巻取られる。
Ｄ）第二の冷間圧延は、累積圧下率を１０〜９０％で行う。この工程（ｃ）で最も重要なのは、累積圧下率の下限を１０％にすることである。累積圧下率が１０％未満では平坦度の高い積層材が得られず、密着強度も低下する恐れがある。また、累積圧下率が９０％を超えるのは製造上困難となる。従って、第二の冷間圧延工程（ｃ）で累積圧下率を１０〜９０％の範囲とする。好ましくは、累積圧下率は３０〜７０％の範囲である。この第二の冷間圧延工程（ｃ）では一回または複数の圧延パスで行い、圧延パス回数は１０回以内で、各圧延パスの圧下率は、５〜３０％とすることが好ましい。ここで、この第二の冷間圧延工程（ｃ）で、一回の圧延パスで行った場合の圧下率も便宜上、累積圧下率という用語を用いることにする。

第二の冷間圧延工程（ｃ）で使用される冷間圧延機は、板幅方向の圧下力分布や板厚プロフィールが均一な圧延機が選ばれるが、より薄物材の圧延となるため、１２段〜２０段の多段圧延機を使用することが好ましい。

第二の冷間圧延を行うのは、平坦度を高めると同時に目的とする製品板厚に板厚を調整させるためである。これにより、重ね合わせる前の素材の加工負荷を軽減させることができる。また、本発明では第一の冷間圧延工程（ｂ）と第二の冷間圧延工程（ｃ）の間に熱処理を行わないのは、積層材の接合界面の密着強度を低下させないためである。すなわち、第一の冷間圧延工程（ｂ）と第二の冷間圧延工程（ｃ）の間に熱処理を行うと、アルミニウム材と銅材との接合界面に金属間化合物が生成される。この金属間化合物は熱処理後の圧延により分断され、接合界面の密着強度が低下する。この金属間化合物はＣｕＡｌまたはＣｕＡｌ_２と云われ、圧延時の展性が非常に乏しい。したがって、本発明法では第一の冷間圧延工程（ｂ）と第二の冷間圧延工程（ｃ）の中間に熱処理を行わない。

このように製造された積層材を車載向け基板用二層クラッド構造のリード線素材とする場合には、積層材の板厚が０．２０〜０．８０ｍｍであることが好ましい。板厚をこの範囲としたのは、リード線の配線組立の作業に効果的であるからである。さらに好ましくは、板厚は０．３０〜０．７０ｍｍである。
Ｅ）熱処理の温度および時間は、それぞれ１５０〜３１０℃および１０〜３０時間の範囲で行う。この熱処理工程（ｄ）は、積層材の金属元素の相互拡散および焼鈍を目的としている。これにより、接合界面には連続した金属間化合物を生成させることができる。

熱処理温度が１５０℃未満では、接合界面の相互拡散が生じにくく、密着強度が不十分であると同時に曲げなどの加工性に乏しい。また、３１０℃を超えると接合界面の金属間化合物が過度に成長するため、接合界面の脆化が進行して曲げなどの加工性が低下する。したがって、熱処理温度は１５０〜３１０℃の範囲とするが、好ましくは、２００〜２５０℃である。

本熱処理工程（ｄ）に用いる熱処理形式は長時間加熱を必要とする為、バッチ式を用いることが好ましい。加熱時間は１０〜３０時間の範囲で選択する。１０時間未満では、接合界面の相互拡散が生じにくく、密着強度が不十分であると同時に曲げなどの加工性に乏しい。３０時間を超えると熱処理工程（ｄ）の負荷が増大し、製造コストが増大する。この観点から、密着強度と曲げ加工性をさらに向上させるには、好ましくは、１５〜２５時間である。

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。しかし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的想定内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。

製造された積層材は、ＪＩＳ Ｚ ２２４８に規定する曲げ試験に準じて、９０度曲げ（押金具の先端部の半径Ｒ＝０．４ｍｍ）を実施し、同様の曲げを繰り返し行ってその回数Ｎを比較して曲げの加工性評価を行った（以後、繰り返し９０°曲げとも云う）。

この試験における評価の基準としては、繰り返し９０°曲げ回数（Ｎ）が１４回以上の場合には積層材の加工性が優れていると判断した。

表１に示す種類と表面硬さのアルミニウム材と銅材を用いて、第一の冷間圧延工程（ｂ）で圧下率７３〜９０％の範囲で冷間圧延を一回行った。

ここで、表中の素材の種類とは、規格記号を意味し、アルミニウム材（表ではアルミと称す）の規格Ａ１０５０（Ａｌ含有量９９．５質量％、残部不可避的不純物）、Ａ１１００（Ａｌ含有量９９．１質量％、Ｃｕ０．１質量％残部不可避的不純物）およびＡ１０７０（Ａｌ含有量９９．７質量％、残部不可避的不純物）であり、銅材の規格Ｃ１０２０（Ｃｕ含有量９９．９６質量％、残部不可避的不純物）、Ｃ１２２０（Ｃｕ含有量９９．９質量％、Ｐ含有量０．０２８質量％残部不可避的不純物）およびＣ２６８０（Ｃｕ含有量６４質量％、Ｚｎ含有量３５質量％残部不可避的不純物）である。なお、重ね合わせ前の素材の幅は１００ｍｍ、板厚は１．５ｍｍとした。圧下率が７５％未満（番号１）では、接合界面の密着強度が弱いため、第二の冷間圧延時に剥離した事により製造することができなかった（製造不可と称す）。第一の冷間圧延で圧下率が９０％を超える圧延は、この冷間圧延時に耳割れが生じ製造が困難（製造不可）となった。

第二の冷間圧延において、累積圧下率１０％未満（番号５）では平坦度の高い積層材を得ることができなかった。また、第二の冷間圧延の累積圧下率が９０％を超える条件では製造が困難となるため実施はしていない。

第一の冷間圧延後に比較例として、第一の冷間圧延と第二の冷間圧延の中間に熱処理（中間熱処理）を施した積層材（番号９）を製造した。中間熱処理は、２５０℃で１０時間の条件で実施した。その他の組み合わせについては、本発明の製法に沿って中間熱処理は実施していない。この積層材（番号９）は繰り返し９０°曲げで１２回となり、曲げ加工性の評価は低かった。

さらに、重ね合わせ前の素材の表面硬さについて、アルミニウム材がＨＶ３５より高い（番号２４）、または銅材がＨＶ７５より高い（番号２３）素材では、第一の冷間圧延の一回の圧下率が７５〜９０％を満たしていても、接合界面の密着強度が弱いため、第二の冷間圧延時に剥離した事により製造することができなかった（製造不可）。

また、第二の冷間圧延後、熱処理を表１の条件で実施した。比較例として、本発明例よりも高温側短時間の熱処理条件で処理を施した積層材（番号１６〜２２）を製造した。本発明の製法により製造した実施例は、繰り返し９０°曲げの回数（Ｎ）が１４回以上であるのに対し、本発明例よりも高温側短時間の比較例はＮが最大で１２回であり安定した曲げ加工性を得ることができなかった。なお、５４０℃以上の熱処理温度（番号２２）では、積層材表面にブリスターとも云われるフクレが多数発生し、外観品質の上で非常に悪い結果となった。

熱処理温度が１５０℃未満（番号１２、１３）および３１０℃を超える（番号１４〜２２）積層材では、繰り返し９０°曲げの回数（Ｎ）は、１２回が最大であった。また、熱処理時間について、１０時間未満（番号１０、１１）の積層材についても繰り返し９０°曲げの回数（Ｎ）は、１２回が最大であった。３０時間を超える熱処理は、熱処理工程の負荷が増して積層材製造のコストが増大するため実施していない。

以上の実施例より、本発明による製法で製造した積層材は、平坦度が良好な上に接合界面の密着強度が高く、更に先行技術の製法により製造した積層材よりも曲げ加工性に優れており、リード線として充分な性能を有していると云える。

１ アルミニウム材
２ 銅材
３ ロール

Claims (5)

1. アルミニウム材と銅材（金属）を積層し、冷間圧延および熱処理をこの順序で行なう積層材を製造する方法において、前記冷間圧延は、第一の冷間圧延と第二の冷間圧延とからなり、第一の冷間圧延の前において、前記アルミニウム材の表面の硬さ（ＨＶ）が３５以下で、かつ前記銅材の表面の硬さ（ＨＶ）が７５以下とし、第一の冷間圧延は一回の圧下率を７５〜９０％で、第二の冷間圧延は累積圧下率を１０〜９０％でそれぞれ行い、前記熱処理の温度および時間がそれぞれ１５０〜３１０℃および１０〜３０時間とすることを特徴とする積層材の製造方法。
2. 前記積層材は、車載向け基板用二層クラッド構造のリード線素材であり、板厚が０．２０〜０．８０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の積層材の製造方法。
3. 前記アルミニウム材が質量％で、Ａｌ量が９５．００％以上含有することを特徴とする請求項１または２に記載の積層材の製造方法。
4. 前記熱処理の温度が、２００〜２５０℃であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層材の製造方法。
5. 前記熱処理の時間が、１５〜２５時間であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層材の製造方法。

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