JP4247922B2 - 電気・電子機器用銅合金板材およびその製造方法 - Google Patents

電気・電子機器用銅合金板材およびその製造方法 Download PDF

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    • C22F1/08Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon

Description

本発明は、電気・電子機器のリードフレーム、コネクタ、端子、リレー、スイッチなどに適したCu−Ni−Si系銅合金板材に関する。
従来、電気・電子機器用材料には、鉄系材料の他、電気および熱伝導性に優れるリン青銅、丹銅、黄銅、コルソン合金などの銅系材料が広く用いられている。近年、電気・電子機器には小型化、軽量化、高密度実装化などの要求が高まり、これに適用される銅系材料には、強度、導電性、耐応力緩和特性、曲げ加工性、めっき性、プレス性、耐熱性などの向上が求められている。
その中で、Cu中にNiとSiを加えてそのNi−Si系化合物の析出物を形成させたコルソン合金は、多くの析出型合金の中では強化能力の非常に高いCu−Ni−Si系合金で、例えば、CDA(Copper Development Association)登録のCDA70250合金が市販されている。
また、Cu−Ni−Si系合金でNi−Si系化合物の分布状態を規定して特性を改善した合金が提案されている(例えば、特許文献1、2)。
しかしながら、前記CDA70250合金や特許文献1、2記載のコルソン合金よっては、電気・電子機器用材料に要求される特性、特にめっき性、プレス性、耐熱性において十分な特性が得られなかった。
特開2005−298920号公報 特開2001−49369号公報
このような状況に鑑み、本発明の目的は、特に、めっき性、プレス性、耐熱性に優れる電気・電子機器用のリードフレーム、コネクタ、端子、リレー、スイッチ等に適した銅合金板材およびその製造方法を提供することにある。
本発明者等は、電気・電子機器用に適した銅合金板材について研究を行い、銅合金板材中に分散する化合物の粒径(化合物粒子の直径)およびその分散密度と、めっき性、プレス性、耐熱性などの特性との関係について検討し、前記粒径および分散密度を適正に規定することにより前記特性を改善し得ることを知見し、この知見を基にさらに検討を進めて本発明を完成させるに至った。
すなわち本発明は、
(1)Niを2.0〜5.0mass%、Siを0.43〜1.5mass%含有し、残部がCuと不可避不純物からなる銅合金で形成される銅合金板材であって、
(a)NiとSiを合計で50mass%以上含む3種類の金属間化合物A、B、Cを含有し、
前記金属間化合物Aの化合物径は0.3μm以上2μm以下であり、
前記金属間化合物Bの化合物径は0.05μm以上0.3μm未満であり、
前記金属間化合物Cの化合物径は0.001μmを越え0.05μm未満であり、かつ、
(b)前記銅合金板材の圧延方向に垂直な断面における結晶粒径の横長さx(μm)と縦長さy(μm)が、関係式[x/y≧2]を満足し、かつ、
(c)前記金属間化合物Aの分散密度a、前記金属間化合物Bの分散密度bおよび前記金属間化合物Cの分散密度cが、関係式[a/(b+c)≦0.010]および[0.001≦(b/c)≦0.10]をともに満足
することを特徴とする電気・電子機器用銅合金板材、
)前記銅合金板材が、更にB、Al、As、Hf、Zr、Cr、Ti、C、Co、Fe、P、In、Sb、Mn、Ta、V、Sn、ZnおよびMgからなる群から選ばれる少なくとも1つを合計で0.005〜1.5mass%含有することを特徴とする(1)項に記載の電気・電子機器用銅合金板材、
)Niを2.0〜5.0mass%、Siを0.43〜1.5mass%含有し、残部がCuと不可避不純物からなる銅合金鋳塊を850〜950℃で2〜10時間再熱するステップと、
前記再熱された銅合金鋳塊を100〜500秒間熱間圧延して銅合金板材とするステップと、
前記熱間圧延された銅合金板材を600〜800℃となるまで急冷するステップと、
前記急冷された銅合金板材を400〜550℃で1〜4時間時効熱処理をするステップと
を有してなり、
(a)NiとSiを合計で50mass%以上含む3種類の金属間化合物A、B、Cを含有し、
前記金属間化合物Aの化合物径は0.3μm以上2μm以下であり、
前記金属間化合物Bの化合物径は0.05μm以上0.3μm未満であり、
前記金属間化合物Cの化合物径は0.001μmを越え0.05μm未満であり、かつ、
(b)前記銅合金板材の圧延方向に垂直な断面における結晶粒径の横長さx(μm)と縦長さy(μm)が、関係式[x/y≧2]を満足し、かつ、
(c)前記金属間化合物Aの分散密度a、前記金属間化合物Bの分散密度bおよび前記金属間化合物Cの分散密度cが、関係式[a/(b+c)≦0.010]および[0.001≦(b/c)≦0.10]をともに満足する銅合金板材を得る
ことを特徴とする電気・電子機器用銅合金板材の製造方法、及び
)前記銅合金鋳塊が、更にB、Al、As、Hf、Zr、Cr、Ti、C、Co、Fe、P、In、Sb、Mn、Ta、V、Sn、ZnおよびMgからなる群から選ばれる少なくとも1つを合計で0.005〜1.5mass%含有することを特徴とする(3)項に記載の電気・電子機器用銅合金板材の製造方法
を提供するものである。
本発明の銅合金板材は、Cu−Ni−Si系銅合金板材に含まれる金属間化合物(以下、単に「化合物」とする)の径(化合物径)を適正に規定したので、特にめっき性、プレス性、耐熱性などの特性を向上させたものとなり、電気・電子機器用途に有用である。また、前記化合物粒子の分散密度或いは銅基母相の結晶粒径を規定することにより前記特性はさらに向上する。前記銅合金にB、Al、As、Hf、Zr、Cr、Ti、C、Co、Fe、P、In、Sb、Mn、Ta、V、Sn、ZnおよびMgからなる群から選ばれる少なくとも1つを含有させることにより銅合金板材の強度が改善される。
本発明の銅合金板材は、熱間圧延前の再熱条件、熱間圧延条件、時効熱処理条件を規定することにより容易に製造できる。
本発明の電気・電子機器用に適した銅合金板材の好ましい実施の態様について詳細に説明する。先ず、本発明の銅合金板材における銅合金組成について各合金元素の作用効果とその含有量について説明する。
NiとSiはNi−Si化合物を析出して強度向上に寄与する。
Niの含有量は2.0〜5.0mass%、好ましい含有量は2.5〜3.5mass%ある。Siの含有量は0.43〜1.5mass%、好ましい含有量は0.5〜0.7mass%、より好ましくは0.8〜1.1mass%である。
これらの量を規定した理由は、いずれが下限値を下回っても十分な強度が得られず、いずれが上限値を上回っても強度が飽和するうえ、導電率が低下するためである。
NiとSiとの質量比は、特に制限するものではないがNi1に対し、Siは0.2〜0.3の範囲であるのが好ましい。またSiの含有量の上限は、Siの含有量がNiの含有量の約1/4のときに最も高強度になること、Siの含有量が1.5mass%を超えると熱間圧延割れが生じ易くなることを踏まえて規定した。
本発明の銅合金板材は、前記Ni、Siの他に、更にB、Al、As、Hf、Zr、Cr、Ti、C、Co、Fe、P、In、Sb、Mn、Ta、V、Sn、ZnおよびMgからなる群から選ばれる少なくとも1つを適量含有させることで強度向上が図れる。これらの元素の含有量は合計で0.005〜1.5mass%、好ましくは0.01〜1.0mass%である。その量が0.005mass%未満ではその効果が十分に得られず、1.5mass%を超えると導電率が低下する。
本発明において、銅基母相中に微細なNi−Si系金属間化合物が生成し、それにより合金の強度が増加すると共に、電気伝導性も良好となるが、本発明ではこの化合物の大きさに注目し、その化合物の径の最小値と最大値の算術平均を化合物径とし、この化合物径に基づき化合物A、B、およびCに分類する。そして、本発明では銅合金板材中に化合物BおよびCが含まれていることが必須である。
化合物の直径(化合物径)は合金試料から直径3mmの円板を打ち抜き、ツインジェット研磨法により薄膜に研磨し、加速電圧300kVの透過型電子顕微鏡で50000倍と100000倍の写真を任意の3個所で撮影し、その写真上で化合物の直径と個数を測定する。これによりその化合物径(その化合物の径の最小値と最大値の算術平均)に応じて化合物A、BおよびCとした。
図1は、本発明の実施例2のNo.9を加速電圧300kVの透過型電子顕微鏡で観察した例であり、(a)、(b)は5万倍、(c)は10万倍の顕微鏡写真である。
化合物A、B、Cの分散密度は、以下のように求めた。
(1)まず、任意の3ヶ所で撮影した写真中に見られた化合物をサイズ別に分類した。ここで、化合物径はその化合物の径の最小値と最大値の算術平均とした。
(2)次いで、各サイズの化合物の個数を数え、各写真の面積で除し、さらに単位面積(mm)へ換算した。
(3)それを、5万倍、10万倍の写真のそれぞれ3枚で行って、合計6枚の平均値を求めた。
NiとSiを合計で50mass%以上含む化合物径が0.3μm以上2μm以下の化合物Aは、化合物Bや化合物Cと比較して銅合金板材の引張強度等の特性向上への寄与が小さい。化合物Aは銅合金板材に過剰に含まれることによりむしろめっき性などを劣化させる。また化合物Aが多いと特性向上に寄与する化合物Bおよび化合物Cが減る傾向があるため、化合物Aは少ないほど良い。化合物Aの分散密度aは、10個/mm以下が好ましい。
本発明において、化合物Aは、溶解鋳造時やその凝固過程、熱間加工時の非平衡的な熱処理時に生成するものであり、熱間圧延前の再熱処理或いは熱間圧延終了後の溶体化(均質化)処理を高温で施すか、長時間施すことにより容易に消失或いは小径化させることができる。前記再熱処理は、工業的には900℃以上、0.5時間以上の条件で施されているが、この条件では化合物Aが残存することがあり、また化合物Aは熱間圧延中に形成されることもある。
本発明において、NiとSiを合計で50mass%以上含む化合物径が0.05μm以上0.3μm未満の化合物Bはプレス性を向上させる。即ち、銅合金板材の銅基母相がプレス加工時にポンチとダイで挟まれて変形する際、化合物は硬度が高いため変形せずに化合物周辺の銅基母相に微細なクラックが発生し、このクラックが伝播することで剪断加工が容易となりプレス性が向上する。この効果は化合物の直径が0.05μm未満でも0.3μm以上でも十分には得られない。化合物Bの量を多くしてもその効果が飽和し、また他の特性に寄与する化合物Cの量が減ってしまう。
化合物Bの粒径と分散密度は、熱間圧延での圧延パス回数、圧延パスの間隔時間、熱間圧延終了温度、圧延終了後に水焼入するまでの時間などを変えることで制御することができる。化合物Bの分散密度bは、10〜10個/mmが好ましい。
本発明において、NiとSiを合計で50mass%以上含む化合物径が0.001μmを越え0.05μm未満の化合物Cは耐熱性向上に寄与する。プレス加工後のリードフレームは、プレス時に発生した残留応力を除去するため歪取り焼鈍が行われるが、耐熱性の高い材料は前記歪取り焼鈍での硬度の変化が小さいため好ましい。しかし化合物Cが多いと導電率が低下する。
化合物Cの化合物径と分散密度は、時効熱処理条件(温度と時間)を変えることで制御する。時効熱処理は温度が高く、時間が長いほど化合物の粒径は大きくなって、導電率は高くなるが、逆に引張強さは低くなる。一方、温度が低く、化合物の粒径が小さい場合は引張強さが高くなって導電率が低くなる。化合物Cの分散密度cは、10〜10個/mmが好ましく、10〜10個/mmがさらに好ましい。
本発明において、化合物Aの分散密度aと化合物Bの分散密度bと化合物Cの分散密度cが、[a/(b+c)≦0.010]の関係式を満足するとき、プレス性と強度が向上することが明らかになった。a/(b+c)が0.010を超えるとプレス性と強度が低下するうえ、めっき性も低下する。
また、本発明において、化合物Bの分散密度bと化合物Cの分散密度cが[0.001≦(b/c)≦0.10]の関係式を満足するとき、プレス性が向上することも分かった。0.001未満では十分なプレス性が得られず、0.10を超えると析出強化が不足し十分な強度が得られない。
本発明において、化合物A、BおよびCは、NiとSiが合計で50mass%以上含まれていれば本発明の効果が得られる。NiとSiは合計75mass%以上含まれていることが好ましい。NiとSiの他にCuや他の元素が含まれていても良い。
本発明において、化合物A、BおよびCの成分組成は前記透過電子顕微鏡(TEM)に付属したEDS(エネルギー分散型分析器)により適正に分析できる。その際、銅母相の影響を受けるため、得られたチャートで銅ピーク値とバックグランドを除いて、NiとSiとその他の検出された元素のピーク値を加算した数値で規格化し、化合物に含まれるNiおよびSiの含有%を求めた。
上記関係式を満足する化合物A、BおよびCの分散密度を有する銅合金板材は、例えば下記のような態様で製造することができる。
Niを2.0〜5.0mass%、Siを0.43〜1.5mass%を含有する銅合金鋳塊を850〜950℃で2〜10時間再熱し、次いで熱間圧延を100〜500秒間施し、熱間圧延終了温度を600〜800℃として急冷することにより得られる。前記急冷条件は300℃以上の温度範囲において冷却速度を5〜100℃/秒とするのが好ましい。その後、冷間圧延と焼鈍を必要に応じて繰り返し、次いで時効熱処理を400〜550℃で1〜4時間の条件で施す。これによりめっき性、プレス性、耐熱性に優れた銅合金板材を得ることができる。
より好ましい条件としては、再熱条件は875〜925℃×4〜6時間、熱間圧延時間は400〜600秒、熱間圧延終了温度は650〜750℃、急冷条件は20〜50℃/秒(300℃以上の温度範囲)、時効熱処理条件は425〜500℃×1.5〜3.5時間である。
本発明において、銅合金板材の圧延方向に垂直な断面における結晶粒径の横長さx(μm)と縦長さy(μm)の比[x/y]を2以上に規定するとプレス性が向上する。より好ましい比[x/y]は4以上である。ここで横長さxは、図2に示すように、板幅方向に平行な方向の長さであり、縦長さyは板厚方向に平行な方向の長さである。この比[x/y]は熱間圧延条件により制御することができる。
以下に本発明を実施例により詳細に説明する。なお本発明はこれに限定されるものではない。
[実施例1]
Niを2.0〜5.0mass%、Siを0.43〜1.08mass%含有し、残部がCuと不可避不純物からなる表1に記載の組成をもつ銅合金(No.1〜6)を高周波溶解炉により溶解し、これを10〜30℃/秒の冷却速度で鋳造して厚さ30mm、幅100mm、長さ150mmの鋳塊を製造した。表1に示す条件で再熱処理し、これに表1記載の熱間圧延を施して板厚12mmの熱延板とした。次いで、その両面を各1mm面削して板厚を10mmとし、これを冷間圧延して厚み0.167mmの冷延板とした。次に950℃で20秒間溶体化処理し、その後直ちに水焼入れし、次いで表1に示す時効熱処理を施し、最後に圧延率10%の冷間圧延を施して厚み0.15mmの各供試材を得た。得られた各々の供試材の特性を調査した。
得られた各々の供試材について種々特性を下記方法により調査した。
a.導電率:
20℃(19.5℃〜20.5℃)に保持した恒温漕中で四端子法により比抵抗を測定して導電率を算出した。端子間距離は100mmとした。
b.引張強さ:
圧延方向に平行に切り出したJIS Z2201−5号の試験片をJIS Z2241に準じて各3本ずつ測定し、その平均値を求めた。
c.耐熱性:
供試材から切り出した板材を不活性ガス中で400℃から700℃まで50℃毎の温度で30分間熱処理し、ビッカース硬度計により表面硬度を測定した。各5箇所測定しその平均値を求め、熱処理を行わない非熱処理材(As材)の硬度と硬度が最も低い材料の硬度のちょうど半分の硬度になる温度を半軟化温度とした。前記半軟化温度が500℃を超えたものはA、450℃〜500℃のものはB、450℃未満のものはCと評価した。耐熱性の高い材料はプレス加工後の歪取り焼鈍での安定性が優れ好ましい。
d.プレス性:
簡易プレス機のポンチとダイのクリアランスを10%に設定して供試材を切断し、この切断部分を樹脂埋めして、機械研磨、湿式研磨を行ったのち、切断面を400倍の光学顕微鏡で観察してバリの長さを測定した。バリの長さは、圧延方向に平行な方向と垂直な方向の2方向について各5個ずつ測定しそれを平均(n=10)して求めた。
バリの長さが1μm未満をA、1〜3μmをB、3μm超をCと評価した。バリは短いほど良好とされている。
e.めっき性:
供試材に約2μmのAgめっきを施し、350℃、400℃、450℃で、各10分間加熱した後、Agめっき上の膨れを200倍の光学顕微鏡で30mm×30mmの領域に渡って観察した。膨れが0個の場合はA、1〜5個の場合はB、5個を超える場合はCと評価した。めっき膨れが存在するとボンディング性が劣る。
[実施例2]
Niを3.0mass%およびSiを0.65mass%に加えて、更にMgまたはZnを表1に示す量添加し、残部がCuと不可避不純物からなる表1に記載の組成をもった銅合金(No.7〜17)を、表示の製造条件を用いた他は実施例1と同じ方法により供試材を作製し、実施例1と同じ調査を行った。
[実施例3]
Niを2.4〜3.3mass%、Siを0.43〜1.08mass%含有し、更にMg、Zn、Snを表2に示す量含有し、残部がCuと不可避不純物からなる表2に記載の組成をもつ銅合金(No.21〜30)を用いた他は実施例1と同じ方法により供試材を作製し、実施例1と同じ調査を行った。
[比較例1]
Niを3.0mass%およびSiを0.65mass%に加えて、更にMgまたはZnを表2に示す量添加し、残部がCuと不可避不純物からなる表1に記載の組成をもった銅合金(No.31〜37)を製造条件のいずれかを本発明の規定値外とした他は、実施例1と同じ方法により供試材を作製し、実施例1と同じ調査を行った。
実施例1、2の調査結果を表1に示し、実施例3および比較例1の調査結果を表2に示した。表1、2には、製造条件、a/(b+c)、b/c、化合物A、B、C中のNiとSiの合計濃度(mass%)、および結晶粒の横縦比x/yを併記した。
表1、2から明らかなように、本発明の銅合金板材(No.1〜30)はめっき性、プレス性、耐熱性とも優れた特性を示した。また導電率、引張強さも所要の特性が得られた。
これに対し、比較例のNo.31、32は[a/(b+c)]が本発明の規定値を外れたためプレス性、強度、めっき性が低下した。No.32は[x/y]が小さかったためプレス性が特に低下した。No.33〜35は[b/c]が小さかったためプレス性が低下した。No.36、37は[b/c]が大きかったため強度が低下し、さらに[x/y]が小さかったためプレス性が低下した。
なお、本発明の銅合金板材(No.1〜30)については、別途、電気・電子機器用材料に要求される耐応力緩和特性および曲げ加工性についても調査した。その結果いずれも実用上問題ない特性を有することが確認された。
[実施例4]
NiおよびSiに加えて、更にCoを添加し、残部がCuと不可避不純物からなる表3に記載の組成をもった銅合金(No.38〜41)を、表示の製造条件用いた他は実施例1と同じ方法により供試材を作製し、実施例1と同じ調査を行った。
表3から明らかなように、本発明の銅合金板材(No.38〜41)は、実施例1〜3の銅合金板材と同様、めっき性、プレス性、耐熱性とも優れた特性を示した。また導電率、引張強さも所要の特性が得られた。
銅合金を加速電圧300kVの透過型電子顕微鏡で観察した例であり、(a)、(b)は5万倍、(c)は10万倍の顕微鏡写真である。 銅合金板材の結晶粒径の説明図である。

Claims (4)

  1. Niを2.0〜5.0mass%、Siを0.43〜1.5mass%含有し、残部がCuと不可避不純物からなる銅合金で形成される銅合金板材であって、
    (a)NiとSiを合計で50mass%以上含む3種類の金属間化合物A、B、Cを含有し、
    前記金属間化合物Aの化合物径は0.3μm以上2μm以下であり、
    前記金属間化合物Bの化合物径は0.05μm以上0.3μm未満であり、
    前記金属間化合物Cの化合物径は0.001μmを越え0.05μm未満であり、かつ、
    (b)前記銅合金板材の圧延方向に垂直な断面における結晶粒径の横長さx(μm)と縦長さy(μm)が、関係式[x/y≧2]を満足し、かつ、
    (c)前記金属間化合物Aの分散密度a、前記金属間化合物Bの分散密度bおよび前記金属間化合物Cの分散密度cが、関係式[a/(b+c)≦0.010]および[0.001≦(b/c)≦0.10]をともに満足する
    ことを特徴とする電気・電子機器用銅合金板材。
  2. 前記銅合金板材が、更にB、Al、As、Hf、Zr、Cr、Ti、C、Co、Fe、P、In、Sb、Mn、Ta、V、Sn、ZnおよびMgからなる群から選ばれる少なくとも1つを合計で0.005〜1.5mass%含有することを特徴とする請求項に記載の電気・電子機器用銅合金板材。
  3. Niを2.0〜5.0mass%、Siを0.43〜1.5mass%含有し、残部がCuと不可避不純物からなる銅合金鋳塊を850〜950℃で2〜10時間再熱するステップと、
    前記再熱された銅合金鋳塊を100〜500秒間熱間圧延して銅合金板材とするステップと、
    前記熱間圧延された銅合金板材を600〜800℃となるまで急冷するステップと、
    前記急冷された銅合金板材を400〜550℃で1〜4時間時効熱処理をするステップと
    を有してなり、
    (a)NiとSiを合計で50mass%以上含む3種類の金属間化合物A、B、Cを含有し、
    前記金属間化合物Aの化合物径は0.3μm以上2μm以下であり、
    前記金属間化合物Bの化合物径は0.05μm以上0.3μm未満であり、
    前記金属間化合物Cの化合物径は0.001μmを越え0.05μm未満であり、かつ、
    (b)前記銅合金板材の圧延方向に垂直な断面における結晶粒径の横長さx(μm)と縦長さy(μm)が、関係式[x/y≧2]を満足し、かつ、
    (c)前記金属間化合物Aの分散密度a、前記金属間化合物Bの分散密度bおよび前記金属間化合物Cの分散密度cが、関係式[a/(b+c)≦0.010]および[0.001≦(b/c)≦0.10]をともに満足する銅合金板材を得る
    ことを特徴とする電気・電子機器用銅合金板材の製造方法。
  4. 前記銅合金鋳塊が、更にB、Al、As、Hf、Zr、Cr、Ti、C、Co、Fe、P、In、Sb、Mn、Ta、V、Sn、ZnおよびMgからなる群から選ばれる少なくとも1つを合計で0.005〜1.5mass%含有することを特徴とする請求項に記載の電気・電子機器用銅合金板材の製造方法。
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