JP3260451B2 - 電気伝導率とバネ限界値に優れたＣｕ合金バネ用薄板およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気伝導率とバネ限界
値に優れたＣｕ合金バネ用薄板およびその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、バネ用薄板の需要は、着実な増加
を示している。この種の金属材料薄板としてはＣｕ基合
金が広く利用されており、例えば、バネ用材料のＪＩＳ
規格Ｃ１７２０−１のＣｕ−１．８１％Ｂｅ−０．０５
％ＦｅのＣｕ合金があり、あるいは特開平１−１６２７
３６号にはＣｕ２．５％〜５．５％ＴｉのＣｕ合金につ
いて開示されている。バネ用薄板は、高い電気伝導度に
加え、信頼性、実用性の面から、高いバネ限界値を併せ
もつことが要求されているが、上記既知のＣｕ合金は、
これらの特性を充分満足するものではない。

【０００３】また、バネ用薄板の製造方法として、現
在、Ｃｕ基合金を用いた析出強化法がよく知られてい
る。しかし、この方法は、前述したようなＢｅ，Ｆｅ，
Ｔｉに加えて、Ａｇ，Ｃｒ，Ｐ，Ｃｄ，Ｃｏなどの析出
強化元素が利用されるため、元素の種類により次のよう
な問題点を有している。 ＢｅやＣｄは、製造環境の制約が大きいために大量
生産に適していない。 Ａｇは、電気伝導率とバネ限界値の向上に最も有効
であるが、コスト高になる。 析出強化元素の増量によりバネ限界値増加を図った
場合には、元素の種類にかかわらず母相に残存する固溶
元素のために電気伝導率が大幅に低下する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、電気伝導率
８０以上［ＩＡＣＳ％］およびバネ限界値８０以上［kg
f/mm² ］を有するＣｕ合金バネ用薄板であって、これら
の特性を同時に兼ね備えたバネ用薄板を低コストで製造
する方法を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、前述した
問題点の解決に着目し、析出強化法に適したＣｕ基合
金の成分系とその製造方法について鋭意検討を行った。
その結果、下記の２つの事項について新たに知見し、本
発明を完成させるに至ったものである。 （１） Ｎｂ，Ｆｅ，Ｃｏの共存化では加算的な値以上
のバネ限界値増加が生じること：微量のＮｂは、ＣやＮ
と反応してＣｕと同じ面心立方構造を有するＮｂＣある
いはＮｂ（Ｃ，Ｎ）を形成するために母材バネ限界値を
増加せしめる効果があるが、Ｎｂ単独添加では８０kgf/
mm² 以上のバネ限界値を得ることはできない。このた
め、ＦｅとＣｏを複合添加する。Ｆｅは６００℃以下の
温度ではＣｕ中での固溶量が少ないために、二次冷間圧
延後の時効処理段階において微細な粒子として析出し、
母材バネ限界値を顕著に増加させる。また、Ｃｏは良く
知られているようにＦｅ粒子中に優先的に分配されるた
めに、Ｆｅ粒子の体積分率を増加させ、母材のバネ限界
値増加に間接的に寄与する。一般には、２種類以上の析
出強化粒子を利用する場合には加算効果以上の増加は期
待できないが、本発明者らはＮｂ，Ｆｅ，Ｃｏの共存化
ではＮｂ単独添加の場合とＦｅおよびＣｏのみの複合添
加の場合に比較して加算的な値以上のバネ限界値増加が
生じることを見いだした。そのようなＮｂ，Ｆｅ，Ｃｏ
の複合添加による特異なバネ限界値増加作用を利用すれ
ば、バネ限界値として８０kgf/mm² 以上を容易に得るこ
とが可能になる。 （２） Ｎｂ，Ｆｅ，Ｃｏが共存していれば、これらの
元素が固溶しなくなると共に析出に要する時間が短くな
り、また電気伝導度とバネ限界値のバランスが向上する
こと：前述したようにＮｂ，Ｆｅ，Ｃｏなどの析出強化
元素は、時効処理中に全てが析出するわけではなく、極
微量ながら母相中に固溶状態で残存するため、電気伝導
率を大きく低下させる。ところが本発明者らはこの場合
においてもＮｂ，Ｆｅ，Ｃｏが共存していれば、これら
元素が全く固溶しなくなると共に、ＮｂＣ，Ｎｂ（Ｃ，
Ｎ），（Ｆｅ，Ｃｏ）の析出に必要な時間が極めて短く
なり、Ｎｂ単独系，Ｆｅ−Ｃｏ複合系から予想される値
に比べて電気伝導度／バネ限界値バランスの向上が極め
て大きいことを見い出した。

【０００６】本発明は、以上の知見に基づいてなされた
ものであり、その要旨とするところは、（１） 重量比
で、Ｎｂ ０．０００１〜０．５％、Ｆｅ ０．００１
〜４．５％、Ｃｏ ０．００１〜４．５％、Ｚｒ ０．
００１〜０．１％、Ｃ ０．０００１〜０．０５％、残
部Ｃｕおよび不可避不純物からなることを特徴とする電
気伝導率とバネ限界値に優れたＣｕ合金バネ用薄板、お
よび（２） 前記組成を有する鋳片を圧下率５０％以上
で、一次冷間圧延後に９００℃〜１０５０℃の温度範囲
で焼鈍を施し、次いで圧下率１％以上、９０％以下の二
次冷間圧延後に時効処理を行うことを特徴とする電気伝
導率とバネ限界値に優れたＣｕ合金バネ用薄板の製造方
法である。

【０００７】複合添加による前記２つの効果は、Ｎｂ，
Ｆｅがいずれも母相のＣｕとは異なる体心立方構造であ
ることに起因しているものと考えられ、それぞれの元素
が互いの固溶量を低下せしめた結果によるものである。
なお、Ｃｕ−Ｎｂ二元状態図から｛（Ｃ＋Ｎ）／Ｎｂ｝
＜１である場合にはＮｂが（Ｎｂ，Ｃｕ）粒子として析
出することが予測されるが、本発明材中の含有Ｎｂは、
すべて単独Ｎｂ粒子として析出していることが透過電子
顕微鏡ならびにアトムプローブ電界イオン顕微鏡により
確認されている。

【０００８】以下に、本発明のＣｕ合金の成分範囲の限
定理由について説明する。Ｎｂは、必須の元素であり、
ＮｂＣ，Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）としての析出強化作用、（Ｆ
ｅ，Ｃｏ）粒子の析出促進作用、さらにＦｅ，Ｃｏの固
溶量の低下作用の複合効果を有し、電気伝導度／バネ限
界値バランスを飛躍的に向上させる。また、ＮｂＣ，Ｎ
ｂ（Ｃ，Ｎ）を形成することにより、固溶ＣおよびＮを
トラップする効果も付随しており、この点に関しても電
気伝導率を向上させるうえで有効である。なお、Ｎｂは
析出強化としてでなく、焼鈍時に粒成長を抑制する働き
もしている。このようにＮｂは、極めて重要な元素であ
るが、０．５％を越えて添加しても材質上効果はなく、
また冷間圧延に有害であるので上限を０．５％に限定し
た。また、下限を０．０００１％としたのは、析出強化
作用の効果を有する最小量であるからである。Ｆｅの下
限０．００１％は、母材のバネ限界値確保のための最小
量である。しかし、Ｆｅの含有量が多すぎると、固溶状
態のＦｅが量が増大し、電気伝導率を劣化させるため、
上限を４．５％とした。Ｃｏの下限０．００１％は、母
材のバネ限界値確保のための最小量である。しかし、Ｃ
ｏの含有量が多すぎると、Ｆｅと同様に固溶状態の量が
増大し、電気伝導率を劣化させるため、上限を４．５％
とした。Ｚｒは、冷間圧延後の焼鈍時ならびに時効処理
時に再結晶温度を高める作用を有し、特に時効処理にお
ける軟化抑制を図るうえで重要な元素である。また、Ｚ
ｒはＣｕ中の有害不純物であるＯをトラップするため、
電気伝導率の向上にも効果的である。Ｚｒが０．００１
％以下では電気伝導率、バネ限界値のいずれもが劣化す
るため下限を０．００１％とした。しかし、Ｚｒが多す
ぎると特性劣化を招くためその上限を０．１％とした。
Ｃの下限０．０００１％は、Ｎｂの析出強化作用を十分
に発揮させるための最小量である。しかし、Ｃ含有量が
多すぎると電気伝導率に悪影響を及ぼすために、上限を
０．０５％に限定した。

【０００９】次に、本発明のバネ用薄板の製造条件につ
いて説明する。まず、一次冷間圧延は、バネ用薄板に必
要な板厚を得ることと、圧下率５０％以上の圧延を施す
ことにより十分な加工歪を蓄積するためのものである。
下限値５０％は、その後の再結晶を行うための最小量で
ある。焼鈍工程の温度範囲を９００〜１０５０℃に限定
した理由は、加熱時の結晶粒を小さく保ち再結晶組織の
細粒化を図るためである。１０５０℃は加熱時の結晶粒
が粗大化しない上限温度であって、加熱温度がこれを越
えると結晶粒が粗大混粒化し、バネ限界値が著しく劣化
する。一方、加熱温度が余り低すぎるとＮｂ，Ｆｅ，Ｃ
ｏなどの析出強化元素が十分に固溶せず、電気伝導率／
バネ限界値バランスが劣化し十分な材質向上効果が期待
できない。このため下限を９００℃とする必要がある。
二次冷間圧延とその後の時効処理は、電気伝導率とバネ
限界値を向上させるために製造工程上必須のものであ
る。二次冷間圧延の圧下率と時効処理条件は、電気伝導
率／バネ限界値バランスの点から適性な条件を選定する
べきである。まず、二次冷間圧延の下限１％は、これ以
下では十分なバネ限界値が得られないために設定した。
また、９０％を越えた場合は、材質上の効果がなく、し
かも曲げ性での異方性が大きくなるという問題からその
上限を９０％にした。一方、時効処理の条件としては、
低温過ぎると電気伝導率が低下し、しかも高バネ限界値
を得るためには長時間の処理が必要になり、設備制約や
製造効率に影響してコスト増になる。また、高温過ぎる
と析出量が少なくなり十分なバネ限界値が得られないば
かりでなく、各合金添加元素の固溶量が増加するために
電気伝導率も大幅に低下する。それゆえ、２５０〜６５
０℃で５００分以下の時効処理が好ましい。

【００１０】以上、本発明では電気伝導率とバネ限界値
に優れたバネ用薄板とその製造方法について説明した
が、本発明はこれに限らず、電気伝導率とバネ限界値に
おいて向上効果を有する元素、例えば電気伝導率に有
効な元素としてＡｇ，Ａｕ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｍｇ，Ｒｈ，
Ｚｎ，Ｓｎなど、またバネ限界値に有効な体心立方構
造を有する元素もしくは析出強化元素としてＣｒ，Ｗ，
Ｍｏ，Ｔａ，Ｔｈ，Ｈｆ，Ｔｅ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｌａ，Ｃ
ｅ，Ｙ，Ｃａ，Ｂ，Ｓｂ，Ｐなど、の１種もしくは２種
以上を重量％で０．００１〜０．５％の範囲内で添加し
ても発明の特徴を損なうものではない。また、その添加
量については電気伝導率／バネ限界値バランスの面から
適宜選択すればよい。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明を実施例に基づいて説明す
る。本発明の組成範囲のＣｕ合金および比較材を、表１
に示す。

【表１】

【００１２】供試材の製造条件と電気伝導率およびバネ
限界値の測定値を評価結果と併せて表２に示す。

【表２】

【００１３】バネ限界値は、モーメント法により、電気
伝導率は、４端子法でそれぞれ測定した。電気伝導率が
８０％以上、かつバネ限界値が８０kgf/mm² 以上を、○
印、電気伝導率またはバネ限界値のいずれかが達成した
ものを、△印、いずれも達成しないものを、×印として
評価した。また、表２には従来のＣｕ−Ｂｅ，Ｃｕ−Ｔ
ｉ，リン青銅の特性もあわせて比較して示した。表２か
ら明らかなように、本発明に従って製造した合金は、い
ずれも極めて優れた電気伝導率とバネ限界値を兼ね備え
ている。一方、比較材は、バネ用薄板として不適切であ
る。供試材１５，１６は、本発明の供試材３と同一のサ
ンプルを分割したものであり、いずれも冷間圧延時の圧
下率が低く、供試材１７，１８は供試材５のサンプルを
分割したものであり、焼鈍時あるいは時効処理時のいず
れかの加熱温度が低すぎ、それぞれ特性が劣っている。
また、従来バネ用薄板として用いられているＣｕ−Ｂ
ｅ，Ｃｕ−Ｔｉ，リン青銅は、電気伝導率とバネ限界値
のいずれもが本発明の合金に比べて劣っていた。

【００１４】なお、実施例に用いた鋳片は、真空溶解法
によって溶製した無酸素銅であり、板厚として０．１〜
１０mmの範囲のものを用いたが、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、電気銅、タフピッチ銅、リン脱酸
銅、さらに移動壁をもつ鋳型への鋳造方法（ロール、ド
ラム、ディスク、ベルト、キャタピラ式など）による急
冷凝固銅などの鋳片にも適用可能である。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、極めて優れた電気伝導
率とバネ限界値を兼ね備えたＣｕ合金バネ用薄板が得ら
れるものであり、その利点は、以下の通りである。 (1) 環境汚染、公害などで問題となるＢｅやＣｄなど
を使用しないので、製造環境はきわめて良い。 (2) 電気伝導率は８０（ＩＡＣＳ％）以上、かつバネ
限界値８０kgf/mm² 以上であり、しかも疲労限界値や耐
熱性などの諸特性も良好である。 (3) 高集積回路のリードフレームの他、重電機用の導
電材料、高電圧用接続端子などの用途にも適用可能であ
る。 (4) 製造コストは、従来のＣｕ合金と比較して安価で
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 潮 田 浩 作 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株 式会社 技術開発本部内 (72)発明者 西 村 哲 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株 式会社 技術開発本部内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 1/00 - 49/14 C22F 1/00 - 3/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量比で、Ｎｂ ０．０００１〜０．５
   ％、Ｆｅ ０．００１〜４．５％、Ｃｏ ０．００１〜
   ４．５％、Ｚｒ ０．００１〜０．１％、Ｃ ０．００
   ０１〜０．０５％、残部Ｃｕおよび不可避不純物からな
   ることを特徴とする電気伝導率とバネ限界値に優れたＣ
   ｕ合金バネ用薄板。
2. 【請求項２】重量比で、Ｎｂ ０．０００１〜０．５
   ％、Ｆｅ ０．００１〜４．５％、Ｃｕ ０．００１〜
   ４．５％、Ｚｒ ０．００１〜０．１％、Ｃ ０．００
   ０１〜０．０５％、残部Ｃｕおよび不可避不純物からな
   る鋳片を圧下率５０％以上で、一次冷間圧延後に９００
   ℃〜１０５０℃の温度範囲で焼鈍を施し、次いで圧下率
   １％以上、９０％以下の二次冷間圧延後に時効処理を行
   うことを特徴とする電気伝導率とバネ限界値に優れたＣ
   ｕ合金バネ用薄板の製造方法。