JP3864967B2

JP3864967B2 - 端子・コネクタ用銅合金の製造方法

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Publication number: JP3864967B2
Application number: JP2004229719A
Authority: JP
Inventors: 佳紀山本; 浩聡高野; 浩一古徳; 慶平 ▲冬▼; 詞之野本
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-08-05
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2024-08-05
Also published as: JP2006016686A

Description

本発明は、導電性、強度、ばね特性に優れた端子・コネクタ用銅合金の製造方法に関する。

電子・電気回路や部品の接続に用いられるコネクタの接続端子部分には、接続の信頼性を保つ必要から、ばね性の良好な高強度の銅合金が用いられる。近年、車両内の電気系統に使われている端子・コネクタでは、車両の電装化の進展によってリード及び端子・コネクタに流れる電流値が増加しており、ジュール熱の発生が問題になっている。

また、民生用の電子・電気機器で使用されるコネクタにおいても、機器の小型化と共にジュール熱の低減が必要になってきている。こうした背景によって、端子・コネクタの材料には、従来以上に高導電率の材料が求められている。従来、こうした端子・コネクタ用の材料としては、黄銅やりん青銅が一般的に使用されてきた。

従来、広く使用されてきた黄銅やりん青銅では、前記した端子・コネクタ材に対する要求に十分応えられない。すなわち、黄銅は導電性、強度、ばね性の不足によって端子・コネクタの通電電流の増加および小型化に対応することができない。また、りん青銅は、高強度でばね性にも優れるが、導電率が２０％ＩＡＣＳ程度と低いことから、通電電流の増加に対応できない。

こうした黄銅、りん青銅の持つ問題を改善する材料として、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉを主成分とする銅合金が提案され、使用されている（特許文献１及び２参照）。
特許第２５７２０４２号特許第２９７７８４５号

しかしながら、こうしたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉを主成分とする銅合金は、導電率はせいぜい５０％ＩＡＣＳ程度であり、［背景技術］で説明したような用途で使用するためには、導電率が低いため、他の特性を維持しながら、導電率の改善が要求されている。

従って、本発明の目的は、導電性、強度、ばね特性に優れた端子・コネクタ用銅合金の製造方法を提供することにある。

本発明は、上記の目的を実現するため、０．１〜０．５質量％のＦｅ、０．２〜１．０質量％のＮｉ、０．０３〜０．２質量％のＰ、０．０２〜０．１質量％のＳｉ、０．０１〜１．０質量％のＳｎ、０．１〜１．０質量％のＺｎ、および残部のＣｕから成り、前記ＦｅおよびＮｉの合計重量と前記ＰおよびＳｉの合計重量の比が、（Ｆｅ+Ｎｉ）/（Ｐ+Ｓｉ）＝３〜１０である合金素材を準備するステップと、その合金素材を７００〜９００℃に昇温した後、毎分２５℃以上の降温速度で３００℃以下まで冷却する第１の熱処理を施すステップと、前記第１の熱処理後の材料を冷間圧延した後、４００〜５５０℃に加熱して３０分〜５時間保持する第２の熱処理を施すステップと、前記第２の熱処理後の材料を冷間圧延した後、３００〜４５０℃に加熱して３０分〜５時間保持する第３の熱処理を施すステップを有することを特徴とする端子・コネクタ用銅合金の製造方法を提供する。

本発明は、上記の目的を実現するため、０．１〜０．５質量％のＦｅ、０．２〜１．０質量％のＮｉ、０．０３〜０．２質量％のＰ、０．０２〜０．１質量％のＳｉ、０．０１〜１．０質量％のＳｎ、０．１〜１．０質量％のＺｎ、合計０．０１〜１．０質量％のＭｇ．Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒから選択した１種以上の金属材料、および残部のＣｕから成り、前記ＦｅおよびＮｉの合計重量と前記ＰおよびＳｉの合計重量の比が（Ｆｅ＋Ｎｉ）／（Ｐ＋Ｓｉ）＝３〜１０である合金素材を準備するステップと、その合金素材を７００〜９００℃に昇温した後、毎分２５℃以上の降温速度で３００℃以下まで冷却する第１の熱処理を施すステップと、前記第１の熱処理後の材料を冷間圧延した後、４００〜５５０℃に加熱して３０分〜５時間保持する第２の熱処理を施すステップと、前記第２の熱処理後の材料を冷間圧延した後、３００〜４５０℃に加熱して３０分〜５時間保持する第３の熱処理を施すステップを有することを特徴とする端子・コネクタ用銅合金の製造方法を提供する。

本発明の端子・コネクタ用銅合金の製造方法では、ＦｅとＮｉはＰ，Ｓｉと共に添加することによってＰ化合物やＳｉ化合物を形成して材料中に分散析出する。ここで、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｐ，Ｓｉの組成比を特定の範囲に規定することにより、導電率を低下させる銅中の固溶元素量を抑えながら、析出物の分散強化による効果で強度とばね性を向上させることができる。Ｓｎは強度、ばね性の向上に大きな効果を持つとともに耐熱性を向上させて高温下での耐応力緩和性を改善する働きがある。Ｚｎは強度、ばね性の向上効果を持つとともに、耐マイグレーション性を大幅に向上させる働きを持つ。さらに、電子部品材料として必要なはんだ濡れ性やＳｎめっき密着性の改善にも大きな効果がある。またＭｇ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒは強度、ばね性、耐マイグレーション性、耐熱性のそれぞれをさらに改善する働きを持ち、かつ導電性に与える悪影響が少ない添加成分として有効である。

第１の熱処理は、７００〜９００℃に昇温した後３００℃以下まで２５℃／分以上の速度で冷却することにより、溶体化を実現する。

第２の熱処理は、引き続き冷間圧延を行い、その後４００〜５５０℃で３０分〜５時間保持することにより、時効を実現する。これによってＦｅ，ＮｉがＰ，Ｓｉとの化合物をつくり銅中に微細な形状で析出し、優れた強度、及びばね性と、高い導電率を両立させる。

第３の熱処理は、引き続き冷間圧延を行い、その後３００〜４５０℃で３０分〜５時間保持することにより時効を実現する。これによって、第２の熱処理の時効で析出しきれなかった成分をさらに析出させ、導電率をさらに高い値に引き上げる。

次に、本発明の端子・コネクタ用銅合金の製造方法における金属材料の質量百分率、第１より第３の熱処理の条件等を以下に説明する。

（１）Ｐの添加量を０．０３質量％未満にすると、十分な量のＰ化合物を形成することができず、満足できる強度、ばね性が得られない。０．２質量％を超えて添加すると鋳造時にＰ化合物の偏析に起因する鋳塊割れが起こりやすくなる。よってＰの組成範囲は０．０３〜０．２質量％に規定する。また、Ｓｉの添加量は、０．０２質量％未満では、効果的なＳｉ化合物が形成されず、０．１質量％を超えて添加すると、導電性に対する悪影響が大きくなる。よってＳｉの組成範囲は０．０２〜０．１質量％に規定する。

このＰおよびＳｉの組成範囲に対して効果的に化合物を形成させ、高強度と高導電性を両立させるためには、Ｆｅの組成範囲を０．１〜０．５質量％、Ｎｉの組成範囲を０．２〜１．０質量％にし、かつ、そのＦｅおよびＮｉの合計重量とＰおよびＳｉの合計重量の比が（Ｆｅ＋Ｎｉ）／（Ｐ＋Ｓｉ）＝３〜１０になるように規定する必要がある。Ｆｅ、とＮｉの含有量が、組成範囲の下限を下回る場合、化合物の形成量が不十分になり、強度、ばね性が不足する。また、ＦｅとＮｉの含有量が、組成範囲の上限を超える場合は余剰のＦｅおよびＮｉが銅中に固溶して導電率を低下させる。さらに、ＦｅとＮｉの合計量が、ＰおよびＳｉの合計量の３倍未満になる場合は、化合物形成時にＰおよびＳｉが過剰になり、１０倍を超える場合は、逆にＦｅおよびＮｉが過剰になる。このような過剰成分は銅中に固溶状態で存在するため、導電率を害する結果となる。

Ｓｎ、ＺｎおよびＭｇ、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒは、規定範囲より少ない含有量では添加の効果が小さく、規定範囲を超えて含有すると導電率の低下や鋳造性の低下などの悪影響が生じる。

（２）溶体化を目的とした第１の熱処理では、合金元素を銅中に十分固溶させる必要がある。本発明では、加熱温度を７００〜９００℃と高温に規定し、冷却速度を２５℃／分以上、好ましくは３００℃／分以上に規定することで冷却中に粗大な析出物が形成されることを防いでいる。

（３）溶体化処理に続いて冷間圧延を行うことにより、材料中には析出物形成の起点となる格子欠陥が導入される。これによって、次の熱処理での微細析出物の形成を促進することができる。

（４）時効を目的とした第２の熱処理では、微細析出物を形成することで導電率、強度を向上させることが重要である。処理条件が規定範囲である４００〜５５０℃で３０分〜５時間の保持より高温、長時間になった場合、析出物が粗大化して十分な強度が得られなくなる。また、低温、短時間になった場合、析出が十分に進行せず、導電率、強度とも十分な値が得られない。

（５）時効を目的とした第２の熱処理に続いて冷間圧延を行うことにより、材料中には再び析出物形成の起点となる格子欠陥が導入される。これに引き続いて再び時効を目的とした第３の熱処理を行い、これによって第２の熱処理で析出しきれなかった固溶成分を新たな微細析出物として析出させ、導電率をより高い値に向上させる。熱処理条件が規定範囲である３００〜４５０℃で３０分〜５時間の保持より高温、長時間になった場合、析出物が粗大化して十分な強度が得られず、低温、短時間になった場合、導電率の向上効果が不十分になる。

本発明の端子・コネクタ用銅合金製造方法によると、製造された銅合金は、高い強度、ばね性を確保すると同時に従来の端子・コネクタ用材料を大きく上回る優れた導電率を兼備している。このことによって本発明は、端子・コネクタ部品についてその製造技術の向上を安価で高特性の材料を供給するという面からささえ、その発展に大きく寄与するものである。

本発明の端子・コネクタ用銅合金の製造方法を実施例に基づいて説明する。

（１）試料Ｎｏ．１の作成（実施例）
Ｆｅ：０．３質量％、Ｎｉ：０．６質量％、Ｐ：０．１５質量％、Ｓｉ：０．０６質量％、Ｓｎ：０．５質量％、Ｚｎ：０．５質量％の組成をもつ銅合金を無酸素銅を母材にして高周波溶解炉で溶解し、直径３０ｍｍ、長さ２５０ｍｍのインゴットに鋳造した。これを８５０℃に加熱して押出加工し、幅２０ｍｍ、厚さ８ｍｍの板状にした後、厚さ２．０ｍｍまで冷間圧延した。これを８５０℃で１０分間保持した後、水中に投入して約３００℃／分の速度で室温（約２０℃）まで冷却する第１の熱処理を行った。冷却した材料を厚さ０．７ｍｍまで冷間圧延した後、４７０℃で２時間保持する第２の熱処理を行った。さらにこれを厚さ０．３ｍｍまで冷間圧延した後、３８０℃で１時間保持する第３の熱処理を行った。

（２）試料Ｎｏ．２の作成（実施例）
次に、Ｆｅ：０．３質量％、Ｎｉ：０．６％質量、Ｐ：０．１５質量％、Ｓｉ：０．０６質量％、Ｓｎ：０．５質量％、Ｚｎ：０．５質量％に加えてＭｇ：０．０５質量％を添加した銅合金を上記（１）と同様に鋳造し、同じ工程で厚さ０．３ｍｍの試料に加工した。

（３）試料Ｎｏ．１及びＮｏ．２の特性
以上のようにして製造した試料Ｎｏ．１およびＮｏ．２について、導電率、引張強さ、ばね限界値の各特性値を測定した。ここで、ばね限界値はＪＩＳＨ３１３０のモーメント式試験によって測定した。その結果、試料Ｎｏ．１は導電率７２％ＩＡＣＳ、引張強さ６５６Ｎ／ｍｍ^２、ばね限界値５７０Ｎ／ｍｍ^２、また試料Ｎｏ．２は導電率７２％ＩＡＣＳ、引張強さ６７０Ｎ／ｍｍ^２、ばね限界値５９４Ｎ／ｍｍ^２という良好な特性を持つ材料が得られた。

試料Ｎｏ．１およびＮｏ．２の第１及び第３の熱処理条件を表１に示し、その特性を表２に示す。

（４）試料Ｎｏ．３乃至Ｎｏ．８の作成（比較例）
試料Ｎｏ。１と同じ組成の銅合金を使用し、第１より第３の熱処理を表１に示す条件に設定して試料Ｎｏ．３乃至Ｎｏ．８を作成した。
試料Ｎｏ．１及びＮｏ．２と同じようにして試料Ｎｏ．３乃至Ｎｏ．８の特性を測定したところ、表２の結果が得られた。

（５）試料Ｎｏ．１及びＮｏ．２（実施例）と試料Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．８（比較例）の対比本発明による試料Ｎｏ．１及びＮｏ．２が、６５０Ｎ／ｍｍ^２以上の引張強さと、５７０Ｎ／ｍｍ^２以上の良好なばね限界値を持ちながら、なおかつ７０％ＩＡＣＳを超える良好な導電率を兼ね備えているのに対して、比較例となる資料Ｎｏ．３乃至Ｎｏ．８はいずれも特性が劣っている。

試料Ｎｏ．３及びＮｏ．４は第１の熱処理の加熱温度が規定範囲から外れた例である。加熱温度が低すぎると、引張強さ、ばね限界値が低くなるとともに、導電率も低めの値になっている。加熱温度が高すぎると結晶組織が粗大になることにより、引張強さ、ばね限界値が不十分な値になる。

試料Ｎｏ．５及びＮｏ．６は第２の熱処理の加熱温度が規定範囲から外れた例である。加熱温度が低すぎる場合は導電率、引張強さ、ばね限界値のいずれの特性も低い値しか得られなくなる。加熱温度が高すぎる場合は引張強さ、ばね限界値が低い値にとどまる。

試料Ｎｏ．７及びＮｏ．８は第３の熱処理の加熱温度が規定範囲から外れた例である。加熱温度が低すぎる場合は導電率を十分に向上させることができず、加熱温度が高すぎる場合は引張強さ、ばね限界値が低下する。

以上説明した通り、本発明の端子・コネクタ用銅合金の製造方法によると、得られた銅合金は、端子・コネクタ用材料として用いられている従来の黄銅、りん青銅、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金に比べて十分に高い導電率を持ち、なおかつりん青銅、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金並みの良好な強度、ばね性を確保している。高導電率を実現したことで通電時のジュール熱発生を抑制でき、従来は通電量の増加が小型化に対する障害となっていた端子・コネクタにおいて、その設計自由度を大幅に広げることができる。また、製造コストの面でも、本発明による銅合金は従来のものと同等のコストで製造することが可能であり、実用上の問題とはならない。

Claims

０．１〜０．５質量％のＦｅ、０．２〜１．０質量％のＮｉ、０．０３〜０．２質量％のＰ、０．０２〜０．１質量％のＳｉ、０．０１〜１．０質量％のＳｎ、０．１〜１．０質量％のＺｎ、および残部のＣｕから成り、前記ＦｅおよびＮｉの合計重量と前記ＰおよびＳｉの合計重量の比が、（Ｆｅ+Ｎｉ）/（Ｐ+Ｓｉ）＝３〜１０である合金素材を準備するステップと、その合金素材を７００〜９００℃に昇温した後、毎分２５℃以上の降温速度で３００℃以下まで冷却する第１の熱処理を施すステップと、前記第１の熱処理後の材料を冷間圧延した後、４００〜５５０℃に加熱して３０分〜５時間保持する第２の熱処理を施すステップと、前記第２の熱処理後の材料を冷間圧延した後、３００〜４５０℃に加熱して３０分〜５時間保持する第３の熱処理を施すステップを有することを特徴とする端子・コネクタ用銅合金の製造方法。
０．１〜０．５質量％のＦｅ、０．２〜１．０質量％のＮｉ、０．０３〜０．２質量％のＰ、０．０２〜０．１質量％のＳｉ、０．０１〜１．０質量％のＳｎ、０．１〜１．０質量％のＺｎ、合計０．０１〜１．０質量％のＭｇ．Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒから選択した１種以上の金属材料、および残部のＣｕから成り、前記ＦｅおよびＮｉの合計重量と前記ＰおよびＳｉの合計重量の比が（Ｆｅ＋Ｎｉ）／（Ｐ＋Ｓｉ）＝３〜１０である合金素材を準備するステップと、その合金素材を７００〜９００℃に昇温した後、毎分２５℃以上の降温速度で３００℃以下まで冷却する第１の熱処理を施すステップと、前記第１の熱処理後の材料を冷間圧延した後、４００〜５５０℃に加熱して３０分〜５時間保持する第２の熱処理を施すステップと、前記第２の熱処理後の材料を冷間圧延した後、３００〜４５０℃に加熱して３０分〜５時間保持する第３の熱処理を施すステップを有することを特徴とする端子・コネクタ用銅合金の製造方法。
前記第１の熱処理が、前記合金素材を水中に投入して室温まで冷却するステップからなる、請求項１または２の端子・コネクタ用銅合金の製造方法。