JP3797736B2

JP3797736B2 - 剪断加工性に優れる高強度銅合金

Info

Publication number: JP3797736B2
Application number: JP04161597A
Authority: JP
Inventors: 洋介三輪
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1997-02-10
Filing date: 1997-02-10
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2017-02-10
Also published as: JPH10219374A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばリードフレーム、端子、コネクター、ばねなど電気電子部品に用いられる銅合金において、特に、打抜き加工を含む複数の剪断加工により製造された電気電子部品の「ばり」、「だれ」及び残留応力が少なく、打抜き金型の摩耗が少ないなど、剪断加工性に優れる高強度銅合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に、上記の各種電気電子部品には、強度、伸び、ばね性、導電性、耐熱性、Ａｇめっき性及びはんだの耐熱剥離性などの特徴を具備することが要求されていることから、これらの特性をもった、例えばＣ６４７１０（Ｃｕ−３．２Ｎｉ−０．７Ｓｉ−０．３Ｚｎ）やＣ７０２５０（Ｃｕ−３．０Ｎｉ−０．６５Ｓｉ−０．１５Ｍｇ）をはじめ、その他多くの銅合金が製造に用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
最近の各種電気電子機器の軽薄短小化及び実装密度の向上要求に対して、使用部品の小形化、リード間距離の縮小などが加速している。そのため、リードフレーム、端子などに対しても、寸法精度の要求が非常に厳しくなり、たとえば、回路の短絡防止のために「ばり」及び「だれ」のないこと、打抜き後の平坦性を確保し例えばＩＣチップとリードフレームのワイヤボンディング精度の向上を図るために、打ち抜き後の残留応力も小さいことが切望されている。また、打抜き加工の生産性向上のために打抜き加工に用いられる金型の摩耗が小さく金型寿命が長いことが求められている。
【０００４】
しかし、上記の従来の銅合金を打抜き加工して各種電気電子部品を製造した場合、「ばり」及び「だれ」の量が大きく、残留応力も比較的大きいため寸法精度に関する厳しい要求を満足することが難しくなっている。
また、金型寿命についても、打抜き金型の摩耗が比較的大きく、したがって使用寿命が短くなる。
【０００５】
本発明はリードフレーム、端子、コネクターなど電気・電子部品用銅合金として要求される強度、導電率、はんだ付け性、めっき性などの特性を通常の銅合金以上に維持しながら、打抜き加工によって発生する「ばり」、「だれ」及び残留応力を小さくし、金型の摩耗を少なくして寿命を伸ばすなど、銅合金の剪断加工性を向上させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に関わる剪断加工性に優れる高強度銅合金は、Ｎｉ：１．０〜８．０ｗｔ％、Ｓｉ：０．１超〜２．０ｗｔ％、Ｚｎ：０．０５〜１．０ｗｔ％を含有し、Ｏが３００ｐｐｍ以下であり、残部が実質的にＣｕと不可避不純物からなる組成を有し、Ｎｉ−Ｓｉ化合物が析出している銅合金において、Ｎｉ−Ｓｉ化合物粒子の粒径が０．００３μｍ以上０．０３μｍ未満のもの（小粒子）及び０．０３μｍ〜１００μｍのもの（大粒子）が存在し、かつ小粒子／大粒子の数の比率が１．５以上であることを特徴とする。なお、本発明において上記の析出は、いわゆる晶出（溶湯からの析出）を含むものとする。つまり、本発明の組成では、Ｎｉ及びＳｉ含有量が多くなるとＮｉ−Ｓｉ化合物が晶出し、その場合、析出粒子と晶出粒子の双方が含まれることになるからである。
この銅合金では、小粒子／大粒子の粒径（いずれも中央値）の比率が０．５以下であることが好ましい。
【０００７】
また、上記銅合金は、上記成分に加えてＭｎ、Ｍｇ、Ｃａの群（Ａ群）とＦｅ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｐｔの群（Ｂ群）を合わせたうちから１種又は２種以上を選択し、Ａ群から選択した場合は合計で０．０００１〜１．０ｗｔ％、Ｂ群から選択した場合は合計で０．００１〜５．０ｗｔ％、Ａ群及びＢ群の双方から選択した場合は合計で５．０ｗｔ％以下を含有することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明において、成分及び析出粒子の状態（小粒子と大粒子の粒径、数の比率、粒径の比率）を上記のように限定した理由を以下に説明する。
【０００９】
［Ｎｉ量］
Ｎｉには、合金の強度及び耐熱性を確保する作用があると共に、化合物を後述する状態に析出及び晶出させることにより剪断加工性を向上させる。しかし、その含有量が１．０ｗｔ％未満であると所望の強度及び耐熱性及び剪断加工性が得られず、一方、８．０ｗｔ％を越える割合でＮｉを含有させると熱間圧延時の加工性が低下すると共に、製品の曲げ加工性及び導電率の低下が著しくなり、好ましくない。従って、Ｎｉの含有量は１．０〜８．０ｗｔ％と定めた。その中でも特に好ましい範囲は１．０〜３．２ｗｔ％である。
【００１０】
［Ｓｉ量］
Ｓｉは、Ｎｉとの化合物を析出して強度及び耐熱性を向上させると共に、化合物を後述する状態に析出及び晶出させることにより剪断加工性を向上させる。Ｓｉの含有量が０．１ｗｔ％以下の場合は、化合物の析出及び晶出が不十分であるため、所望の強度及び耐熱性並びに剪断加工性が得られない。一方、Ｓｉの含有量が２．０ｗｔ％を越える場合には、熱間加工時の加工性が低下すると共に導電率の低下が生じるため、好ましくない。従って、Ｓｉの含有量は０．１超〜２．０ｗｔ％と定めた。その中でも特に好ましい範囲は０．２〜０．７ｗｔ％である。
【００１１】
［Ｚｎ量］
Ｚｎは銅合金のはんだ及びＳｎめっきの耐熱剥離性を改善する。この効果は含有量が０．０５ｗｔ％未満の場合、所望の効果が得られない。一方、その含有量が５．０ｗｔ％を越えるとはんだ濡れ性が低下する。また、導電率の低下も激しくなる。従って、Ｚｎの含有量は０．０５〜５．０ｗｔ％と定めた。その中でも特に好ましい範囲は０．３〜２．０％である。
【００１２】
［Ｏ量］
Ｏは、Ｓｉと合金中で反応しやすくＳｉが合金中に酸化した状態で捕らえられていると後述する化合物の析出を阻害し、そのため剪断加工性の向上効果が低下する。また、はんだ付け性、めっき性などが低下する。従って、Ｏの含有量は３００ｐｐｍ以下と定めた。好ましくは、１００ｐｐｍ以下、より好ましくは５０ｐｐｍ以下である。
【００１３】
［小粒子／大粒子の状態］
粒径が０．０３μｍ未満の小粒子は、主に合金の強度及び耐熱性を向上させるが剪断加工性にはあまり寄与しない。
一方、粒径が０．０３μｍ以上の大粒子は合金の強度及び耐熱性の向上にはあまり寄与しないが、剪断加工時に応力を集中的に受け、ミクロクラックの発生源となり剪断加工性を著しく向上させる。また、剪断面に露出したものは、工具と切屑間の潤滑作用をもたらし剪断抵抗を減少させ、ひいては金型摩耗を減少させる。しかし、粒径が１００μｍを越えるような粒子が存在すると、材料にＡｇめっきなどを行った場合に、局所的にめっき厚が厚くなる（突起）などの不具合が発生するため、好ましくない。粒子の上限は、好ましくは５０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下である。なお、５μｍを越す粒子はほぼ全てが晶出粒子である。
また、小粒子／大粒子の数の比率が１未満の場合、強度及び耐熱性の向上効果が少ない。一方、この比率が余り大きいと理論上剪断加工性の向上効果が少なくなるが、大粒子を析出させるための具体的加工熱処理条件（後述）では、この比率は大きくても１００〜１００００程度までの値であり、その比率でも優れた剪断加工性が得られているので、現実には上限値は問題にならない。強いていえば、１０^８以下の比率であれば剪断加工性の向上効果があるといえる。
従って、析出粒子の粒径を１００μｍ以下に限定し、その中に粒径が０．００３μｍ以上０．０３μｍ未満の小粒子と０．０３μｍ〜１００μｍの大粒子が存在することとし、かつ、小粒子／大粒子の数の比率を１以上と定めた。
さらに、小粒子／大粒子の粒径（いずれも中央値）の比率が０．５より大きい場合、同様に所望の剪断加工性の向上効果が少ない。従って、小粒子／大粒子の粒径の比率を０．５以下と定めた。
【００１４】
なお、上記の析出の状態を得る方法としては、たとえば以下の方法による。
１）Ｎｉの含有量が４ｗｔ％、Ｓｉの含有量が１ｗｔ％以上になると、晶出粒子の粗大化が特に発生しやすくなるので、晶出粒子の寸法を目的の範囲内とするには、Ｎｉ及びＳｉ添加後溶湯を１３００℃以上の温度に５分以上保持し、両者を完全に溶解させ、鋳造温度〜凝固温度まで鋳型内での冷却速度を０．３℃／秒以上とする。
２）熱間圧延後の熱延材を水中急冷し、さらに冷間圧延した材料を５００〜７００℃で１分〜２時間の加熱を行って大粒子を析出させる。その後、さらに冷間圧延を加え、今度は３００〜６００℃で３０分以上の加熱を行い小粒子を析出させる。
３）熱間圧延終了時に冷却する際に急冷せず、５００〜７００℃で１分〜２時間保持して大粒子を析出させた後急冷する。さらに冷間圧延を加えた後、今度は３００〜６００℃で３０分以上の加熱を行って小粒子を析出させる。
【００１５】
また、上記の析出及び晶出の状態を観察し、小粒子と大粒子の数及び粒径を測定する方法としては、例えば以下の方法が挙げられる。
透過電子線顕微鏡（ＴＥＭ）、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）及び光学顕微鏡によりそれぞれ３０視野程度の観察を行い、画像解析装置を用いて観察写真中の粒子サイズに対する粒子の数の分布を測定する。透過電子線顕微鏡は０．１μｍ未満の粒子の観察に、走査電子顕微鏡は０．１〜５μｍの粒子の観察に、光学顕微鏡は５μｍ以上の大粒子の観察に用いる。
【００１６】
「Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａ量］
Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａは、銅合金の熱間加工性の向上に寄与する。しかし、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａの１種又は２種以上の含有量が合計で０．０００１ｗｔ％未満の場合、所望の効果が得られない。一方、その含有量が合計で１．０ｗｔ％を越えてくると上述した化合物の析出及び晶出を阻害し、ひいては剪断加工性の向上を妨げる。また、導電率の低下も激しくなる。従って、これらの元素の含有量は総量で０．０００１〜１．０ｗｔ％と定めた。
【００１７】
［Ｆｅ、Ｚｒ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｐｔ量］
これらの成分は銅合金の強度を向上させる効果がある。しかし、これらの成分の１種又は２種以上の含有量が合計で０．００１ｗｔ％未満の場合、所望の効果が得られない。一方、その含有量が合計で５．０ｗｔ％を越えてくると上述した化合物の析出及び晶出を阻害し、ひいては剪断加工性の向上効果を妨げる。また、導電率の低下も激しく、好ましくない。従って、これらの元素の含有量は合計で０．００１〜５．０ｗｔ％と定めた。なお、これらの成分を上記Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａと共に含有する場合、合計含有量は５．０ｗｔ％以下とする。
【００１８】
［Ｈｆ、Ｔｈ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｓｒ、Ｐｄ、Ｗ、Ｓ、Ｐ、Ｃ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｖ、Ｙ、Ｍｏ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｂ、ミッシュメタル量］
これらの成分は、その１種又は２種以上の含有量が合計で０．１ｗｔ％を越えた場合、上述した化合物の析出を阻害し、ひいては剪断加工性の向上効果を妨げる。従って、これらの元素の含有量は合計で０．１ｗｔ％以下と定めた。
【００１９】
【実施例】
本発明に係わる剪断加工性に優れる高強度銅合金の実施例について、その比較例及び従来例と共に説明する。
表１〜２に示す成分組成の銅合金を、クリプトル炉にて木炭被覆下で大気溶解し、ブックモールドに鋳造し、５０ｍｍ×８０ｍｍ×２００ｍｍの鋳塊を作製した。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【表２】

【００２２】
この鋳塊を約８５０℃にて熱間圧延し、直ちに水中急冷し、厚さ１５ｍｍの熱延材を作製した。この熱延材の表面の酸化スケールを除去するため、軽く表面切削した後、実施例については、冷間圧延−大粒子析出処理：５００〜６００℃×３０分−冷延−小粒子析出処理：４００〜５００℃×２〜４時間−冷延によって、厚さ０．２５ｍｍ、幅２０ｍｍの条を作製した。また、大粒子析出処理及び小粒子析出処理条件を変えることにより比較例の条を準備した。
【００２３】
得られた条について、強度、導電率、耐熱温度、Ａｇめっき性、はんだ耐熱剥離性、剪断加工性、小粒子及び大粒子の状態（透過電子顕微鏡、走査電子顕微鏡及び光学顕微鏡で観察）について測定した。結果は表３〜４に示す通りである。
【００２４】
【表３】

【００２５】
【表４】

【００２６】
なお、Ａｇめっき性は、シアン系Ａｇめっきを厚さ１μｍ行った時に、局所的に厚さが厚くなる現象（突起）の有無を実態顕微鏡で観察した。
はんだ耐熱剥離性は、６Ｓｎ／４Ｐｂはんだを２４５±５℃×５秒にてはんだ付けした後、１５０℃のオーブンで１０００Ｈｒまで加熱した。この試験片を１８０゜曲げ戻しにて加工を加え加工部のはんだが剥離するか観察した。
耐熱温度は、５分間加熱してＨｖの低下量が加熱前のＨｖの１０％となる時の温度である。
剪断加工性は、プレスにより長さ３０ｍｍ、幅０．５ｍｍのリードを打抜き、リード幅、「ばり」及び「だれ」量を測定して表した。
【００２７】
析出及び晶出粒子は、透過電子線顕微鏡、走査電子顕微鏡及び光学顕微鏡によりそれぞれ３０視野の観察を行い、画像解析装置（株式会社ニレコ製、商品名ルーゼックス）を用いて観察写真中の粒子サイズ（粒径）に対する粒子の数の分布を測定した。具体的には、透過電子線顕微鏡は、観察倍率６００００倍（観察面積２μｍ2）で０．０３μｍより大きい粒子の粒径と数を求め、０．０３μｍ以下の粒子については同一視野をさらに１５００００倍で観察し、最小粒径０．００３μｍまでの粒子を測定した。走査電子顕微鏡では５０００倍で０．１〜５μｍの粒子を、光学顕微鏡では４００倍で５μｍ以上の粒子を観察した。
なお、小粒子及び大粒子のサイズはそれぞれ最も数の多い粒子の値（中央値）を用いた。また、小粒子と大粒子のサイズの比は中央値の比とした。
【００２８】
表３〜４より、本発明（参考例含む）合金Ｎｏ．１〜１２は、強度、導電率、耐熱温度、Ａｇめっき性など電気電子部品が要求する特性を具備した上で、剪断加工性が共に優れている。なお、剪断加工性の向上は、「ばり」及び「だれ」が小さい、リード幅寸法の高い精度という効果となって表れ、また、「ばり」及び「だれ」が小さいことから、打ち抜き加工後の残留応力が小さくなっていることが推定できる。
一方、比較例Ｎｏ．１３〜２３はいずれかの性能が低いことがわかる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の銅合金は電気電子部品用銅合金として要求される特性を具備し、しかも、例えば半導体装置のリード材や、端子及びコネクタなどの各種の電気電子部品を剪断加工（打抜き加工など）により製造したとき、「ばり」、「だれ」並びに残留応力が小さく、その寸法精度が良い。また、剪断加工性に優れるため、打抜き金型の摩耗を抑制し、打抜き金型の使用寿命を長くする。したがって、各種電気電子機器の微細化による寸法精度に対する厳しい要求に対応が可能となる。また、打抜き金型の使用寿命が長くなるので、スタンピングの生産性も向上する。

Claims

Ｎｉ：１．０〜８．０ｗｔ％、Ｓｉ：０．１超〜２．０ｗｔ％、Ｚｎ：０．０５〜１．０ｗｔ％を含有し、Ｏが３００ｐｐｍ以下であり、残部が実質的にＣｕと不可避不純物からなる組成を有し、Ｎｉ−Ｓｉ化合物が析出している銅合金において、Ｎｉ−Ｓｉ化合物粒子の粒径が０．００３μｍ以上０．０３μｍ未満のもの（以後、小粒子という）及び０．０３μｍ〜１００μｍのもの（以後、大粒子という）が存在し、かつ小粒子／大粒子の数の比率が１．５以上であることを特徴とする剪断加工性に優れる高強度銅合金。
小粒子／大粒子の粒径（いずれも中央値）の比率が０．５以下であることを特徴とする請求項１に記載された剪断加工性に優れる高強度銅合金。
さらに、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａのうち１種又は２種以上を合計で０．０００１〜１．０ｗｔ％含有することを特徴とする請求項１又は２に記載された剪断加工性に優れる高強度銅合金。
さらに、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｐｔのうち１種又は２種以上を合計で０．００１〜５．０ｗｔ％含有することを特徴とする請求項１又は２に記載された剪断加工性に優れる高強度銅合金。
さらに、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａのうち１種又は２種以上を合計で０．０００１〜１．０ｗｔ％と、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｐｔのうち１種又は２種以上を合計で０．００１〜５．０ｗｔ％を、全体の合計で５．０ｗｔ％以下含有することを特徴とする請求項１又は２に記載された剪断加工性に優れる高強度銅合金。
Ｈｆ、Ｔｈ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｓｒ、Ｐｄ、Ｗ、Ｓ、Ｐ、Ｃ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｖ、Ｙ、Ｍｏ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｂ、ミッシュメタルのうち１種又は２種以上が合計で０．１ｗｔ％以下（Ｎｂ，Ｔｅ，ミッシュメタルの合計が０．０１ｗｔ％以上になる場合を除く）であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載された剪断加工性に優れる高強度銅合金。