JP4132451B2

JP4132451B2 - 耐熱性に優れた高強度高導電性銅合金

Info

Publication number: JP4132451B2
Application number: JP22566399A
Authority: JP
Inventors: 義男逸見
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1999-08-09
Filing date: 1999-08-09
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2019-08-09
Also published as: JP2001049366A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は耐熱性に優れた高強度高導電性銅合金に関する。本発明の銅合金は、高強度および高導電性で、且つ耐熱性にも優れているので、半導体機器のリード材および端子、コネクタなどの電気・電子部品に好適に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
近年における電子機器の軽薄短小化傾向に伴い、リードフレーム、端子、コネクタなどの電気・電子部品についても小型化、軽量化が進められている。これらの電気・電子部品に使用される銅合金には、設計上、高強度で且つ高い熱放散性が要求される他、その製造工程においても変形しない、強度や熱履歴に耐え得る優れた耐熱性も要求されている。また、自動車エンジンの電子制御化に伴い、自動車などに搭載される電気・電子部品のうち特にエンジン回りの端子コネクタ類は、１００℃を超える高温下、及び過酷な振動環境下に常に曝されていることから耐熱性及び耐応力緩和性が要求されると共に、それに伴う高強度化、更には、駆動系回路用途に代表される比較的大電流用途にあっては高導電性も要求されている。
【０００３】
従って、電気・電子部品用銅合金として、高強度、高導電率及び耐熱性の全ての特性を兼ね備えた銅合金の提供が切望されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高強度（強度５５０Ｎ／ｍｍ²以上）且つ高導電率（導電率６５％以上）を有し、更に耐熱性にも優れた銅合金；好ましくは、更に浴湯状態での流動性（湯流れ性）も良好で歩留まり良く鋳塊が得られる銅合金を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し得た本発明の高強度高導電性銅合金は、Ｃｒ：０．１〜０．４％（重量％，以下、同じ）及びＭｇ：０．０３〜０．５％を含有する銅合金において、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％であり、
Ｔｉと、Ｆｅ，Ｃｏ及びＮｉよりなる群から選択される少なくとも一種の元素との原子比を
Ｔｉ／（Ｆｅ＋Ｃｏ＋Ｎｉ）＝０．７〜３．０
の範囲に制御することにより耐熱性が高められたものであるところに要旨を有するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、高強度・高導電性で、且つ耐熱性にも優れた銅合金を提供すべく、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｍｇ系合金を中心に鋭意検討してきた。Ｃｕ−Ｃｒ−Ｍｇ系合金は、強度及び導電率のバランスが比較的良いことが知られているからである。一方、Ｔｉは強度、導電率及び耐熱性を向上させる元素として周知であるが、過剰に添加すると導電率が極端に低下する点で、その添加量には充分留意する必要のある元素である。本発明者らは、上記Ｔｉ添加による作用効果を有効に発揮させながら、更に耐熱性も向上し得るＣｕ−Ｃｒ−Ｍｇ系合金を提供することができないか検討を重ねてきた。その結果、Ｔｉ量を適切に調整することにより高導電性を維持しつつ耐熱性及び高強度化を達成し得ると共に、Ｔｉ量を鉄族元素（Ｆｅ，Ｃｏ及びＮｉ）量との関係で制御することにより耐熱性が著しく高められることを見出し、本発明を完成した。Ｔｉと鉄族元素の比を適切に制御すれば耐熱性が著しく向上することは本発明者らによって始めて見出された知見であり、本発明はこの点に技術的意義を有するものである。
【０００７】
尚、従来においても、高強度・高導電性で、且つ耐熱性に優れた銅合金の提供を目的として、Ｔｉや鉄族元素を含有するＣｕ−Ｃｒ−Ｍｇ系合金が開示されている。しかしながら、従来提案されている銅合金には、上述した本発明の技術的思想については全く開示されていない。
【０００８】
例えば▲１▼特開昭６２−５０４２８は、本発明と同じ課題のもとでなされた電子機器用銅合金であるが、上記公報を精査しても「Ｔｉと鉄族元素の比を適切に制御することにより耐熱性が向上する」という本発明特有の技術的思想は開示も示唆もされていない。この点については、上記公報の実施例には、Ｔｉと鉄族元素の比が本発明の範囲を下回るものしか開示されていないことからも確認することができる。
【０００９】
また、▲２▼特公平７−８４６３１には、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｍｇ合金に、Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ等の少なくとも一種の元素を含有する電子機器用銅合金が開示されている。上記公報によれば、Ｔｉや鉄族元素等は強度及び耐熱性向上の目的で添加されるが、本発明の如く、Ｔｉと鉄族元素の両方を添加させた実施例は一例もなく、このことからも上記公報には本発明の技術的思想は全く認識されていなかったことを確認することができる。
【００１０】
以下、本発明の銅合金を構成する各要件について説明する。
【００１１】
上述した通り、本発明は、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｍｇ系合金にＴｉ及び鉄族元素の両方を含むものであり、Ｔｉ量を適切に制御しつつ、Ｔｉと鉄族元素の比［Ｔｉ／（Ｆｅ＋Ｃｏ＋Ｎｉ）］を特定することにより耐熱性を著しく向上させた点に特徴を有するものである。
【００１２】
即ち、本発明のＣｒ−Ｍｇ系銅合金は、Ｔｉと鉄族元素を必須成分として含有することが必要である。本発明では、Ｔｉと鉄族元素の両方を添加することにより、Ｃｒの析出強化（後記する）をアシストさせようというものであり、この点でも、「Ｔｉ及び鉄族元素からなる化合物による析出強化」を意図する上記▲１▼の従来技術とは相違するものである。
【００１３】
このうちＴｉ量は０．００５〜０．２％の範囲に制御することが必要である。Ｔｉは金属間化合物形成元素であり、強度、導電率及び耐熱性を向上させる。しかしながら、０．００５％未満では上記効果を有効に発揮させることができない。好ましくは０．０１％以上である。尚、０．２％を超えると導電率が極端に低下する他、鋳造性が低下する様になる。好ましくは０．１％以下である。
【００１４】
また、本発明では、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅの鉄族元素を少なくとも一種含有することが必要である。上記元素とＴｉの共添により微細な金属間化合物が形成される結果、析出硬化ピークの現れる温度が高温側に移動し、耐熱性が改善されるからである（後記する図１を参照）。
【００１５】
更に本発明では、Ｔｉと、鉄族元素との原子比［Ｔｉ／（Ｆｅ＋Ｃｏ＋Ｎｉ）］を０．７〜３．０の範囲に制御することが必要である。
【００１６】
図１は、後記する実施例を基に、Ｔｉと鉄族元素の比［Ｔｉ／（Ｆｅ＋Ｃｏ＋Ｎｉ）］と、時効ピーク温度との関係をグラフ化したものである。ここで、「時効ピーク温度」とは、或る熱処理温度で強度がピークになる温度を意味する。この時効ピーク温度は耐熱性と密接に関係しており、耐熱性の指標となるものである。図１より、Ｔｉと鉄族元素の比が大きい程、時効ピーク温度も上昇するが、原子比換算でＴｉが過剰域となる０．７以上になると、それ以上時効ピーク温度は上昇せず、４５０℃付近で飽和することが分かる。従って、本発明で目標とする耐熱性レベル（時効ピーク温度で４４０℃）を得るためには上記比を０．７以上にすることが必要であり、Ｔｉ，Ｃｏ，Ｆｅの総量とは無関係であることが分かる。
【００１７】
また、上記比が０．７未満では上記鉄族元素がＴｉと金属間化合物を形成せず、マトリクッスに固溶してしまい、所望の効果が得られない。但し、上記比が３．０を超えるとＴｉ量が過剰になり過ぎ、導電率が著しく低下してしまう。好ましくは２．０以下である。
【００１８】
この様に本発明では、Ｔｉと鉄族元素の両方をうまく組合わせることにより、Ｔｉ添加による導電率等の向上作用を有効に発揮させつつ、Ｔｉと鉄族元素の比を制御することによる耐熱性向上作用をも具備することができるのである。
【００１９】
尚、本発明合金はＣｕ−Ｃｒ−Ｍｇ合金をベースとするものである。
【００２０】
このうちＣｒは、析出強化元素であり、且つその析出効果も高いため、導電率と強度バランスに優れた合金が得られる点で極めて有効である。この様な効果を有効に発揮させるためには、０．１％以上添加することが必要である。好ましくは０．２％以上である。但し、０．４％を超えて添加しても析出強化効果が飽和するのみならず、過剰に添加すると粗大な晶出物や析出物が出現し、板の打抜き加工時に金型摩耗を促進するなどの悪影響を及ぼす他、鋳造性が極端に悪くなる等の弊害をもたらす。
【００２１】
また、Ｍｇは固溶して加工硬化能を高める一方、導電率の低下が比較的小さい元素である。この様な作用を有効に発揮するためには０．０３％以上の添加が必要である。好ましくは０．２％以上である。但し、０．５％を超えると導電率が低下する他、鋳造性も低下してしまう。好ましくは０．４％以下である。
【００２２】
本発明は上記元素を必須成分とし、残部：Ｃｕからなる銅合金であるが、これらの元素の他、本発明の作用を損なわない範囲で、析出強化に悪影響を及ぼさない固溶元素であるＺｎ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ａｇ等を添加することができる。これらの固溶元素は、強度上昇、加工性改善、耐はんだ剥離性などに効果があることから、製造上許容される範囲で、且つ導電率を著しく低下させない範囲で添加することが推奨される。
【００２３】
その他、本発明では、Ｐを積極的に添加することができる。Ｐは、主として湯流れなど鋳塊の健全性を保持する作用を有すると共に、Ｃｒと析出物を形成し、析出強化に寄与するからである。この様な作用を有効に発揮させるためには、０．００２％以上添加することが好ましく、０．００５％を超えて添加することが一層好ましい。但し、過剰に添加すると導電率や半田付け性の低下を招くのみならず、析出強化に最も有効なＣｒ単体の析出量を低減させる恐れがあることから、その上限を０．０５％にすることが推奨される。より好ましくは０．００３％以下である。本発明では、Ｐ添加による浴湯時の湯流れ性向上作用を有効に発揮させる範囲での添加が可能になった点で、前記▲２▼の従来技術と相違するものである。即ち、前記▲２▼に開示されたＣｕ−Ｃｒ−Ｍｇ系合金は、高い導電性を得るためにＰ含有量を５０ｐｐｍ以下に制限しており、そのため、浴湯時の湯流れ性が十分でなく、連続鋳造時に破断が発生するなど、生産性に問題がある。これに対し、本発明合金ではＰ添加による湯流れ性向上作用を具備させるべくＰを積極的に添加するものであり、これにより、強度、導電性及び耐熱性の全てに優れるのみならず、Ｐ添加による湯流れ性向上作用も得られ、良好な鋳塊が製造される点で、Ｐ添加による導電率低下を回避すべく、Ｐを積極的に排除する前記▲２▼の従来技術とは基本的に技術的思想を異にするものである。後記する実施例に示す通り、本発明によれば、Ｐ添加により強度が若干低下することになるが、Ｔｉと鉄族元素の共添効果により、Ｐ添加による強度低下を充分補って余りある程の効果が得られる一方、懸念されたＰ添加による導電性や半田付け性の低下は特に認められなった。その理由は詳細には不明であるが、ＰがＣｒとCｒ₃Ｐの析出物を形成することにより無毒化されたからではないかと思料される。
【００２４】
尚、本発明の銅合金を製造する方法は特に限定されず、一般に、銅合金の製造方法として使用されている方法を適宜選択すれば良く、鋳造→熱延→冷延→析出処理といった基本工程を経て製造することができる。
【００２５】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施することは全て本発明の技術的範囲に包含される。
【００２６】
【実施例】
実施例
表１に示す種々の組成からなる合金を溶解し、厚さ５０ｍｍ、幅７０ｍｍの鋳塊を得た。この鋳塊を９７０℃で３０分加熱保持した後、厚さ１８ｍｍまで熱延してから直ちに水冷してから冷間圧延することにより１ｍｍ厚の板を得た。この様にして得られた板につき、３００〜６００℃まで５０℃間隔で２時間熱処理した後、時効ピーク温度を測定した。尚、Ｔｉと鉄族元素の比［Ｔｉ／（Ｆｅ＋Ｃｏ＋Ｎｉ）］と、時効ピーク温度との関係をグラフ化したのが図１である。
【００２７】
また、夫々の時効ピーク温度における強度、導電率、及び耐熱性を調べた。このうち耐熱性は、５分間加熱により初期強度の８０％となる温度をもって定義した。表２に、各合金の強度、導電率および耐熱性を示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【００３０】
表より以下の様に考察することができる。
【００３１】
まず、Ｎｏ．１〜１０は本発明の要件を満足する本発明例であるが、いずれも、強度が５５０Ｎ／ｍｍ²で且つ６５％以上の導電率を有しており、更に耐熱性についても、いずれも６００℃を超えていることから優れた耐熱性を示すことが分かる。
【００３２】
これに対し、本発明の要件を満足しないＮｏ．１１〜２５は、以下の様な不具合を抱えている。このうちＮｏ．１１はＣｒが少ない例であり、引張強度及び耐熱性の点で所望の効果が得られない。Ｎｏ．１２はＣｒが過剰な例であり、鋳塊としたとき、割れが観察された。Ｎｏ．１３はＭｇが少ない例であり、引張強度及び導電率が低下した。Ｎｏ．１４はＴｉのみを単独添加した例；Ｎｏ．１５はＴｉ及び（Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ）の両方とも含有しない例；Ｎｏ．１７はＴｉとＮｉを共に含有しているが、Ｔｉの量が少ない例であり、ＴｉとＮｉ，Ｃｏ、Ｆｅの共添効果が発揮されず、引張強度及び耐熱性が低下した。Ｎｏ．１６はＣｒ及びＭｇを含有しない例であり、引張強度及び耐熱性が低下した。Ｎｏ．１８はＴｉが多い例、Ｎｏ．１９及び２０は［Ｔｉ／（Ｃｏ＋Ｆｅ＋Ｎｉ）］の比が本発明の範囲を外れる例、Ｎｏ．２１はＭｇが多い例であり、いずれも所望の導電率が得られなかった。尚、Ｎｏ．１９では耐熱性も低下した。また、Ｎｏ．２２はＰが本発明の好ましい範囲を下回る例であり、鋳塊としたときに割れが観察された。Ｎｏ．２３はＰが本発明の好ましい範囲を超える例であり、引張強度、導電率及び耐熱性が低下した。Ｎｏ．２４および２５は従来合金であるが、いずれも所望の耐熱性が得られなかった。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は上記の様に構成されており、高強度（強度５５０Ｎ／ｍｍ²以上）且つ高導電率（導電率６５％以上）を有し、更に耐熱性にも優れた銅合金；好ましくは、更に浴湯状態での流動性（湯流れ性）も良好で歩留まり良く鋳塊が得られる銅合金を提供することができた。本発明合金は、強度、導電率及び耐熱性の諸特性をバランス良く兼ね備えているため、電子機器用銅合金や端子コネクタ用合金として好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】［Ｔｉ／（Ｆｅ＋Ｃｏ＋Ｎｉ）］と、時効ピーク温度との関係を示すグラフ。

Claims

Ｃｒ：０．１〜０．４％（質量％，以下、同じ）、Ｍｇ：０．０３〜０．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％及びＰ：０．００２〜０．０７％を含有し、更にＦｅ，Ｃｏ及びＮｉよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有し、残部が銅及び不可避不純物からなる銅合金において、
Ｔｉと、Ｆｅ，Ｃｏ及びＮｉよりなる群から選択される少なくとも一種の元素との原子比を
Ｔｉ／（Ｆｅ＋Ｃｏ＋Ｎｉ）＝０．７〜３．０
の範囲に制御することにより耐熱性が高められたものであることを特徴とする高強度高導電性銅合金。