JP2020002439A

JP2020002439A - ヒューズ用銅合金

Info

Publication number: JP2020002439A
Application number: JP2018123948A
Authority: JP
Inventors: 康也得居; Koya Tokui
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2020-01-09

Abstract

【課題】導電率が高く、かつヒューズの溶断時間を短縮できる析出型ヒューズ用銅合金を提供する。【解決手段】Ｓｎ：０．１〜１．０質量％、Ｍｇ：０．１〜１．０質量％を含み、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金。【効果】該ヒューズ用銅合金を時効処理すると、ＳｎとＭｇがＳｎ−Ｍｇ金属間化合物を形成して銅マトリックス中に析出し、これによりヒューズ用銅合金は高い導電率を示す。析出したＳｎ−Ｍｇ金属間化合物は、３５０℃を超えた領域において銅マトリックス中に再固溶し、それに伴いヒューズ用銅合金の導電率が低下する。従来材よりかなり低温の領域において導電率が低下することから、ヒューズに過電流が流れたとき、昇温途中の比較的早い段階でジュール熱の発生量が増加し、その結果、ヒューズの溶断時間が短縮される。【選択図】図１

Description

本発明は、導電率が高く、かつ過電流に対する溶断特性に優れたヒューズ用銅合金に関する。

自動車、家電製品及び電子機器等に搭載される電気・電子部品の小型化が急速に進行している。これらの電子機器等において、過電流が流れたときに回路を保護し、装置や部品が焼損することを避けるため、瞬時に断線するよう機能する電力ヒューズが使用されている。ヒューズ材料の固有抵抗が大きければ、過電流が流れたときに発生するジュール熱が大きく、このジュール熱でヒューズが溶断し、電気回路が保護される。
特許文献１には、Ｚｎ：３７〜４３質量％、Ｓｎ：０．１〜１質量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金が記載されている。特許文献２には、Ｚｎ：２０〜４０質量％、Ｎｉ：２〜１０質量％、Ｍｎ：１〜１０質量％、Ｓｎ：０．０１〜３質量％を含み、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金が記載されている。また、特許文献３には、Ｎｉ：７〜２５質量％、Ｚｎ：５〜３２質量％を含み、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金が記載されている。これらのヒューズ用銅合金は、比較的固有抵抗が大きく（導電率が低い）、過電流が流れたとき短時間で溶断するヒューズを製造できる。

一方、自動車の電装化が進むことによって、電気回路に流れる電流値が増加し、ヒューズ用銅合金としても、高い導電率（小さい固有抵抗）が必要とされるようになっている。しかし、ヒューズの導電率が高いと、過電流が流れたときに発生するジュール熱が小さく、ヒューズが溶断するまでの時間が増加するという問題がある。この問題を解決する目的で、低温で比較的高い導電率を示し、温度が上昇したとき導電率が低下するヒューズ用銅合金が開発されている。このヒューズ用銅合金をヒューズとして用いた場合、定常時は導電率が高く、過電流が流れてジュール熱により温度が上昇すると導電率が低下する。ヒューズの導電率が低下することにより発生するジュール熱が増加し，ヒューズは短時間で溶断する。

特許文献４には、Ｚｎ：２５〜４０質量％、Ｐ：０．０１〜０．１質量％、Ｆｅ：０．０２〜０．５０質量％を含み、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金が記載されている。特許文献５には、Ｆｅ：１．５〜３．０質量％、Ｐ：０．０１〜０．１質量％、Ｚｎ：１．０〜５．０質量％を含み、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金が記載されている。特許文献６には、Ｎｉ：０．４〜４．０質量％、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｚｎ：０．０．５〜１．０質量％、Ｍｇ：０．００５〜０．１質量％、及びＣｒ、Ｔｉ、Ｚｒの１種以上を０．００１〜０．０１質量％含み、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金が記載されている。これらのヒューズ用銅合金では、定常時は金属間化合物（Ｆｅ−Ｐ，Ｎｉ−Ｓｉ）が析出した状態で導電率が比較的高く、温度が上昇すると金属間化合物が再固溶して導電率が低下する。

また、特許文献７，８には、特許文献４〜６に記載されたヒューズ用銅合金と同様の作用を有するヒューズ用銅合金材が記載されている。このヒューズ用銅合金材は、銅合金基材の表面に、Ｎｉ−Ｓｎ合金又は／及びＮｉ−Ｃｕ−Ｓｎ合金層からなるＮｉ，Ｓｎ含有合金層、及びＳｎ層をめっきしたものである。これらのヒューズ用銅合金材は、過電流が流れてジュール熱により温度が上昇すると、銅合金基材のＣｕとＳｎ層のＳｎが合金化し、銅合金基材が急速に減肉して電気抵抗が増加する。

特開昭６１−４１７３７号公報特開昭６３−２１３６２８平号公報特開昭６３−２３０８３７号公報特開平３−２５３５２７号公報特開平５−８６４２８号公報特開平５−１９８２４７号公報特開２００７−３５３１４号公報特開２００８−１６９４４５号公報

特許文献５，６に記載されたヒューズ用銅合金は析出型であり、金属間化合物が析出しているとき、比較的に導電率が高く（６０％ＩＡＣＳ程度）、その状態（金属間化合物を析出させた状態）でヒューズとして用いられる。
一方、特許文献５の図４及び特許文献６の図５を見ると、これらのヒューズ用銅合金において、金属間化合物（Ｆｅ−Ｐ，Ｎｉ−Ｓｉ）は５００℃を越える温度領域で固溶し、ヒューズ用銅合金の導電率が低下する（電気抵抗が増加する）。従って、これらのヒューズ用銅合金からなるヒューズに過電流が流れたとき発生するジュール熱は、ヒューズの温度が５００℃を超えるまでは増加せず、５００℃を越えてから増加する。このように、ヒューズの昇温途中でジュール熱の発生量が増加することで、ヒューズの溶断時間が短縮されるが、仮にヒューズ用銅合金の導電率が５００℃より低温の領域で低下するのであれば、昇温途中のより早い段階でジュール熱の発生量が増加し、ヒューズの溶断時間がより短縮されるはずである。

本発明は、上記のような考え方を基になされたもので、比較的導電率が高く、かつヒューズの溶断時間をより短縮できる析出型ヒューズ用銅合金を提供することを目的とする。なお、本発明においてヒューズ用とは、ヒューズ端子用（特許文献４〜８参照）を含む。

本発明に係るヒューズ用銅合金は、Ｓｎ：０．１〜１．０質量％、Ｍｇ：０．１〜１．０質量％を含み、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる。好ましくは、Ｓｎ：０．４〜０．６質量％、Ｍｇ：０．１〜０．３質量％である。

本発明に係るヒューズ用銅合金を時効処理すると、ＳｎとＭｇがＳｎ−Ｍｇ金属間化合物を形成して銅マトリックス中に析出し、これによりヒューズ用銅合金は高い導電率を示す。析出したＳｎ−Ｍｇ金属間化合物は、３５０℃を超えた領域において銅マトリックス中に再固溶し、それに伴いヒューズ用銅合金の導電率が低下する。従来材よりかなり低温の領域において導電率が低下することから、ヒューズに過電流が流れたとき、昇温途中の比較的早い段階でジュール熱の発生量が増加し、その結果、ヒューズの溶断時間が短縮される。

Ｃｕ−Ｓｎ−Ｍｇ合金板の保持温度（時効温度）と導電率の関係を示す図である。Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ合金板の保持温度（時効温度）と導電率の関係を示す図である。Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金の保持温度（時効温度）と導電率の関係を示す図である。

以下、本発明に係るヒューズ用銅合金について、より詳細に説明する。
Ｓｎ及びＭｇを含む銅合金は、それ自体、例えば特開平１１−８０８６３号公報に記載されているように公知であり、端子、コネクタ、リードフレーム等の電気・電子部品用として用いられる。
本発明に係るヒューズ用銅合金において、ＳｎとＭｇはそれぞれ０．１〜１．０質量％の範囲で含まれる。ＳｎとＭｇは銅合金中に固溶状態で存在し、又はＳｎ−Ｍｇ金属間化合物を形成して析出する。Ｓｎ−Ｍｇ金属間化合物が析出することにより、銅合金の導電率が増加する。本発明に係るヒューズ用銅合金は、ヒューズとして使用されるとき、Ｓｎ−Ｍｇ金属間化合物が析出した状態とされる。

本発明に係るヒューズ用銅合金は、定常時において高い導電率を有するが、過電流が流れジュール熱により昇温したとき導電率が低下する。このときの導電率の低下は、銅合金が昇温してＳｎ−Ｍｇ金属間化合物が再固溶するためである。Ｓｎ−Ｍｇ金属間化合物の析出及び再固溶に伴う導電率の変動を実現するため、本発明に係るヒューズ用銅合金は、Ｓｎ及びＭｇをそれぞれ０．１質量％以上含有する。また、Ｓｎ及びＭｇは固溶状態で又はＳｎ−Ｍｇ金属間化合物として析出することにより、銅合金の強度を向上させる作用があり、その作用のためにもＳｎ及びＭｇの含有量はそれぞれ０．１質量％以上必要とされる。一方、Ｓｎ及びＭｇの含有量が多くなると、Ｓｎ−Ｍｇ金属間化合物を析出させても、十分高い導電率が得られない。特許文献５〜８に開示されたヒューズ用銅合金及び銅合金材を越える導電率６０％ＩＡＣＳ以上を達成するため、Ｓｎ及びＭｇの含有量は、それぞれ１．０質量％以下とする。Ｓｎ含有量は好ましくは０．４〜０．６質量％、Ｍｇ含有量は好ましくは０．１〜０．３質量％である。

本発明に係るヒューズ用銅合金は、不可避不純物として又は副成分として、導電率６０％ＩＡＣＳを達成し得る範囲内で、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｐ、Ｚｒ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｎｉ、Ｓｉ等を含み得る。一般的に、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ａｇ、Ｃａ、Ｎｉ、Ｓｉは銅合金の強度を向上させる効果を有し、Ｐは銅合金溶解時の脱酸効果を有し、Ａｌは溶解時の脱硫効果を有し、ＺｎはＳｎめっき及びはんだめっきの耐熱剥離防止効果を有する。各元素の含有量は、好ましくは、Ｆｅが０．００１〜０．０２質量％、Ｚｎが０．０１〜１．０質量％、Ｃｒが０．００１〜０．０４質量％、Ｍｎが０．０１〜０．１質量％、Ｐが０．００１〜０．１質量％、Ｚｒ，Ａｇ，Ａｌ，Ｃａ，Ｎｉ，Ｓｉがいずれも０．００１〜０．０１質量％の範囲である。

本発明に係るヒューズ用銅合金は、鋳造−均質化処理−熱間圧延−冷間圧延−時効処理の工程で製造することができる。各工程の好ましい条件は下記のとおりである。
均質化処理は８５０〜９５０℃、保持時間３０分〜２時間の範囲から選択する。均質化熱処理後、そのまま熱間圧延を行う。熱間圧延後は７００℃以上の温度から水冷し、両面を面削して酸化スケールを除去する。時効処理は３００〜４００℃、保持時間３０分〜５時間の範囲から選択する。この時効処理によりＳｎ−Ｍｇ金属間化合物が析出し、銅合金の導電率が向上する。時効処理後のヒューズ用銅合金がヒューズとして使用される。
時効処理後、耐食性向上のため、必要に応じてＳｎめっきを行う。Ｓｎめっきの厚さは０．１〜３μｍの範囲から選択する。

３種類の銅合金をそれぞれ大気造塊して、表１に示す成分組成を有する銅合金鋳塊を作製した。これらの鋳塊を前記条件で均質化処理後、そのまま熱間圧延して厚さ２０ｍｍとし、７００℃以上の温度から水冷し、両面を面削して厚さ１８ｍｍの熱延材を作製した。この熱延材を、冷間圧延して厚さ０．８ｍｍの冷延材を作製した。
得られた冷延材（銅合金板）を供試材として、下記要領で導電率を測定した。その結果を図１〜図３に示す。

（導電率の測定）
導電率は、各供試材から採取した試験片（幅１０ｍｍ、長さ１８０ｍｍ）を用いて、ＪＩＳＨ０５０５の規定に基づき、室温にて、平均断面積法を用いて測定した。
また、各供試材から採取した複数の試験片（幅１０ｍｍ、長さ１８０ｍｍ）を、３００℃以上６５０℃以下の温度領域において２５℃又は５０℃刻みの保持温度に保持し、それぞれ４時間の保持後急冷した。次いで、各試験片の導電率を、ＪＩＳＨ０５０５の規定に基づき、室温にて、平均断面積法を用いて測定した。

図１によれば、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｍｇ合金は、保持温度が３５０℃のとき導電率が最も高く、７２％ＩＡＣＳを示し、保持温度が３５０℃を超えると導電率が低くなる。保持温度が３５０℃においてＣｕ−Ｓｎ−Ｍｇ合金の導電率が高くなったのは、Ｓｎ−Ｍｇ金属間化合物が他の保持温度に比べて相対的に多く析出したためである。
図２によれば、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ合金は、保持温度が５５０℃で導電率が最も高い。また、保持温度が６００℃、６５０℃になっても導電率がほとんど低下しない。
図３によれば、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金は、保持温度が４５０℃及び５００℃において導電率が最も高い。保持温度が５５０℃を超えると導電率が低くなる。

図１より、適切な時効処理（例えば３５０℃×４時間の時効処理）を行ったＣｕ−Ｓｎ−Ｍｇ合金からなるヒューズは、定常時において高い導電率を有し、過電流が流れジュール熱により昇温したとき、昇温過程の早い段階（３５０℃超の温度）で導電率が急速に低下することが分かる。導電率の低下は、Ｓｎ−Ｍｇ金属間化合物が母相に再固溶することにより生じる。昇温過程の早い段階で導電率が低下し、高いジュール熱が発生することにより、溶断までの時間が短縮される。
一方、図２より、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ合金からなるヒューズは、５５０℃超の高温になっても導電率があまり低下せず、溶断までの時間が、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｍｇ合金に比べて短縮されないことが分かる。また、図３より、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金からなるヒューズは、５００℃超の高温にならなければ導電率が低下せず、溶断までの時間が、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｍｇ合金に比べて短縮されないことが分かる。

次に、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｍｇ合金の供試材に３５０℃×４時間の時効処理を行った後、下記要領で引張強さ及び溶断特性の測定を行った。
（引張強さ）
引張強さは、ＪＩＳＺ２２４１の規定に基づき、時効処理後の供試材から長手方向が圧延方向になるようにＪＩＳ５号引張試験片を採取し、引張試験を行って求めた。
（溶断特性の測定）
時効処理後の供試材から幅０．５ｍｍ、長さ２２ｍｍの試験片を採取し、５Ｖ、８０Ａの定電圧・定電流条件下で溶断試験を行い、試験開始から溶断までに要する時間（溶断時間）を測定した。

測定された引張強さは３７５Ｎ／ｍｍ^２、溶断時間は４秒であった。このＣｕ−Ｓｎ−Ｍｇ合金は、ヒューズ用銅合金として十分な強度を有し、導電率が高く（図１より７２％ＩＡＣＳ）、溶断時間が短く溶断特性に優れる。

Claims

Ｓｎ：０．１〜１．０質量％、Ｍｇ：０．１〜１．０質量％を含み、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなることを特徴とするヒューズ用銅合金。
Ｓｎ：０．４〜０．６質量％、Ｍｇ：０．１〜０．３質量％である請求項１に記載されたヒューズ用銅合金。