JP4254815B2

JP4254815B2 - 端子・コネクタ用銅合金材

Info

Publication number: JP4254815B2
Application number: JP2006171850A
Authority: JP
Inventors: 佳紀山本; 浩聡高野; 浩一古徳
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2026-06-21
Also published as: JP2008001937A

Description

本発明は、端子・コネクタ用銅合金材及びその製造方法に関し、特に、端子・コネクタの材料に用いられる銅合金材として最適な高い強度、耐力と優れた曲げ加工性を併せ持つ銅合金材及びその製造方法に関するものである。

近年、各種の電気・電子機器において小型・薄型化および軽量化が進行し、それに伴いそこで使用される部品の小型化が進んでおり、端子・コネクタ部品においては小型で電極間ピッチの狭いものが求められる傾向にある。

こうした小型化によって、使用される材料もより薄肉になっているが、薄肉であっても接続の信頼性を保つ必要から、より高いばね性を持った材料が要求されている。高いばね性を確保するためには、材料の強度および耐力を十分に高める必要がある。

さらに、こうした小型化に伴い、より小さく複雑な形状の部品を一体成形で製作する要求も強くなっており、より厳しい条件の曲げ加工に適用できる材料が強く求められている。

また、機器の高機能化に伴う電極数の増加や通電電流の増加によって、発生するジュール熱も増加傾向にあり、従来以上に導電性の良い材料への要求も強まっている。

すなわち、端子・コネクタ部品の材料としては、高強度、高耐力と良好な曲げ加工性を同時に満足し、さらに良好な導電性を兼備する材料が強く求められている。

従来、ばね性を要求される端子・コネクタ部品の材料には、りん青銅やベリリウム銅が広く使用されてきているが、りん青銅は導電率が２０％ＩＡＣＳ程度と低いことから前述したジュール熱の増加に対応できないという問題がある。また、ベリリウム銅は高いばね性と良好な導電性を兼備するものの価格が高く、汎用的な部品に広く適用していくには限界がある。

そこで、より高い強度や導電性の要求に低コストで対応できる材料としてＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系などの銅合金材が用いられてきている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉを主成分とする銅合金材は４０％ＩＡＣＳ前後の導電率を持ち、ジュール熱の増加に対応することができる。また、ベリリウム銅に比べて低コストでの製造が可能である。
特許第２５７２０４２号公報特許第２９７７８４５号公報

しかし、こうしたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金でも高強度、高耐力と曲げ加工性は二律背反的な関係にあり、強度を高めると曲げ加工性が大きく低下し、曲げ加工性を良くしようとすると強度が低下するという問題があった。

そのため、従来の材料では高強度、高耐力と良好な曲げ加工性を同時に満足させることは難しく、引張強さを８００Ｎ/ｍｍ^２以上にした材料で満足できる良好な曲げ加工性を得ることは非常に困難なことであった。

従って、本発明の目的は、従来の銅合金材と同等以上の機械的強度（単に「強度」と表記する場合もある。なお、機械的強度には引張強さと耐力を含む。）、を維持しながら、優れた曲げ加工性を兼備した端子・コネクタ用に最適な銅合金材およびその製造方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、１〜５質量％のＮｉ、０．２〜１質量％のＳｉを含有すると共に、合計０．０５〜０．５質量％のＴｉ、Ｆｅから選択した１種以上を含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなり、引張強さが８００Ｎ/ｍｍ^２以上、０．２％耐力が７００Ｎ/ｍｍ^２以上で、かつ、平均結晶粒径が１５μｍ以下であり、Ｗ曲げ試験で割れが発生しない曲げ半径の最小値Ｒと板厚ｔの比率Ｒ／ｔが１以下であることを特徴とする端子・コネクタ用銅合金材を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、１〜５質量％のＮｉ、０．２〜１質量％のＳｉを含有すると共に、合計０．０５〜０.５質量％のＴｉ、Ｆｅから選択した１種以上を含有し、さらに２質量％以下のＳｎ、５質量％以下のＺｎを含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなり、引張強さが８００Ｎ／ｍｍ^２以上、０．２％耐力が７００Ｎ／ｍｍ^２以上で、かつ、平均結晶粒径が１５μｍ以下であり、Ｗ曲げ試験で割れが発生しない曲げ半径の最小値Ｒと板厚ｔの比率Ｒ／ｔが１以下であることを特徴とする端子・コネクタ用銅合金材を提供する。

本発明によれば、従来の銅合金材と同等以上の機械的強度を維持しながら、優れた曲げ加工性を兼備した端子・コネクタ用に最適な銅合金材を提供できる。

〔銅合金材の組成〕
本実施の形態における銅合金材は、１〜５質量％のＮｉ、０．２〜１質量％のＳｉを含有すると共に、合計０．０５〜０．５質量％のＴｉ、Ｆｅから選択した１種以上を含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなり、引張強さが８００Ｎ/ｍｍ^２以上、０．２％耐力が７００Ｎ/ｍｍ^２以上で、かつ、平均結晶粒径が１５μｍ以下であり、Ｗ曲げ試験で割れが発生しない曲げ半径の最小値Ｒと板厚ｔの比率Ｒ／ｔが１以下であることを特徴とする。

より望ましい本実施の形態においては、上記の組成に加えて２質量％以下のＳｎと５質量％以下のＺｎを含有させることを特徴とする。

本実施の形態において、銅合金材を構成する合金成分の添加理由と限定理由を以下に説明する。

（ＮｉとＳｉ）
ＮｉとＳｉは、Ｎｉ_２Ｓｉで表される化合物を作って材料中に分散析出する。これによって材料の機械的強度やばね性が高まると共に良好な導電率を保つことができる。この含有量が少ないと十分な強度を得ることができず、含有量が多すぎると鋳造時に大きな晶出物を作るため、その後の熱処理を高温で実施しても十分に固溶させることが不可能になる。

本実施の形態においては、Ｎｉの含有量を１〜５質量％、より望ましくは２．５〜４質量％に、Ｓｉの含有量を０．２〜１質量％、より望ましくは０．５〜０．８質量％に規定することにより、効果的に高強度と良好な導電率を両立させることができる。

なお、ＮｉとＳｉの化合物としては、Ｎｉ_２Ｓｉの他にＮｉ_５Ｓｉ_２、Ｎｉ_３Ｓｉ等も考えられるが、本発明においては実質的にＮｉ_２Ｓｉと考えてよい。

（Ｔｉ、Ｃｏ、Ｆｅ）
Ｔｉ、Ｃｏ、Ｆｅは、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金において、８００℃以上の高温の熱処理においても結晶粒の成長を抑え、微細な結晶粒を維持（本発明に規定する平均結晶粒径を実現）するために添加する。これらの添加量が少ない場合は結晶成長抑制効果が十分に得られず、添加量が多すぎる場合は導電率低下や曲げ加工性の悪化といった悪影響を引き起こす心配がある。

本実施の形態においては、Ｔｉ、Ｆｅから選択した１種以上の合計含有量を０．０５〜０．５質量％、より望ましくは０．１〜０．３質量％に規定することにより、悪影響の心配なしに効果的な結晶成長の抑制効果が期待できる。

（ＳｎとＺｎ）
さらに上記の元素に加えて、２質量％以下のＳｎおよび５質量％以下のＺｎを含有させた場合、より高強度を実現しやすくなると共に、めっき密着性やはんだ濡れ性、耐マイグレーションといった端子・コネクタ用材料に要求される副次的な特性を向上させることができる。これらの添加量が多すぎる場合は導電率低下などの悪影響を引き起こす心配がある。

本実施の形態においては、Ｓｎの添加量を２質量％以下（０質量％より大）、より望ましくは０．１〜１質量％、Ｚｎの添加量を５質量％以下（０質量％より大）、より望ましくは０．３〜２質量％に規定することにより、悪影響の心配なしに期待する効果を得ることができる。

（引張強さ、０．２％耐力、比率Ｒ／ｔ、平均結晶粒径）
上記の組成からなる銅合金（素材）を用いて適切な条件で加工および熱処理することにより、８００Ｎ／ｍｍ^２以上の引張強さと７００Ｎ／ｍｍ^２以上の０．２％耐力を持ち、かつ、その平均結晶粒径が１５μｍ以下で、Ｗ曲げ試験で割れが発生しない曲げ半径の最小値Ｒと試料の板厚ｔの比率Ｒ／ｔが１以下（０以上）になる材料を得ることができる。

ここで、８００Ｎ／ｍｍ^２以上の引張強さと７００Ｎ／ｍｍ^２以上の０．２％耐力は低ベリリウム銅に匹敵する強度であり、本発明の目的である端子・コネクタで高いばね性を確保するための強度として十分な値であるといえる。

また、Ｗ曲げ試験はＪＩＳＨ３１１０、Ｈ３１３０、および日本伸銅協会技術標準ＪＣＢＡＴ３０７に規定された銅合金板条の曲げ加工性を評価する試験方法であり、割れが発生しない曲げ半径の最小値Ｒと試料の板厚ｔの比率Ｒ／ｔが１以下（０以上）になる曲げ加工性があれば、本発明の目的である端子・コネクタで良好な曲げ加工性を持った材料として評価できる。より望ましくは比率Ｒ／ｔが０．５以下（０以上）である。

８００Ｎ／ｍｍ^２以上の引張強さを確保しつつ、この良好な曲げ加工性を達成するためには、材料の平均結晶粒径を１５μｍ以下（０μｍより大）にコントロールすることが必要である。より望ましくは平均結晶粒径を５〜１２μｍ、さらに望ましくは８〜１２μｍにコントロールする。

〔銅合金材の製造方法〕
図１は、本発明の実施の形態に係る銅合金材の製造工程のフローを示す図である。上記本実施の形態の銅合金材は、上記の平均組成を有する銅合金を素材として形成した後、形成した銅合金素材を８００〜９００℃に加熱した後、２５℃／分以上の速度で３００℃以下まで冷却する第１の熱処理を行い、続いて加工率２０％以下の冷間圧延を行い、その後３６０〜４６０℃で１〜２０時間加熱する第２の熱処理を行うことにより製造される。なお、銅合金素材の形成工程は、合金鋳造工程と鋳造後の熱間加工工程からなる工程が１例として挙げられ、例えば、目的とする最終板厚の１．２５倍以下の板厚まで材料を加工する。

（第１の熱処理）
第１の熱処理においては、合金元素を固溶させるために十分な高温で加熱すると共に、冷却過程で合金元素が再析出することを防ぐために速やかに冷却することが必要であることから、形成した銅合金素材をまず８００〜９００℃に加熱した後、２５℃／分以上の速度で３００℃以下まで冷却する。より望ましくは、８５０〜９００℃に加熱昇温後、３００℃以下まで１５０℃／分以上の速度で冷却する。これより低い加熱温度では合金元素の固溶が不十分になって最終的に高強度が得られず、これより高い加熱温度ではＴｉ等を添加しても結晶粒の成長を抑制できなくなる。また、これより遅い冷却速度では冷却中の再析出を防ぐことができなくなる。なお、８００〜９００℃での保持時間は０．５分〜１０分程度が望ましい。

第１の熱処理の目的は、Ｎｉ_２Ｓｉで表される化合物を制御された状態で分散析出させるための事前準備として、高温に加熱することで粗大な晶出物になっている合金元素をいったん十分に固溶させることにある。第１の熱処理では、高温に加熱するほど十分な固溶状態が得られ、最終材でより高い強度を得ることができるが、一方、高温で加熱すれば結晶粒の成長、粗大化が進行する。結晶粒が粗大化すると材料中の結晶粒界密度が低くなるため、曲げ加工の際に少ない結晶粒界に応力が集中して割れが発生しやすくなる。しかし、本発明では、適正量のＴｉ、Ｃｏ、Ｆｅを添加することによって結晶粒の成長が抑制され、高温で加熱しても微細な結晶粒を維持することができる。

（冷間圧延加工）
第１の熱処理後の冷間圧延加工においては、目的とする最終板厚まで冷間圧延を行う。この冷間圧延加工の目的は、材料中に格子欠陥を適度に導入して耐力の向上を図ることにあり、また、格子欠陥は次の第２の熱処理において析出物発生の核として働くため、より均一に析出物を発生させるための工程としても有効である。

冷間圧延加工率が高過ぎると材料の伸びが大きく低下する問題があり、この伸びの低下は曲げ加工時に割れが起こりやすくなることにつながるため、冷間圧延の加工率を低く抑える必要がある。本発明では、加工率を２０％以下、より望ましくは１０〜１８％に規定することによって、伸びの低下を抑えることができる。

（第２の熱処理）
冷間圧延加工後の第２の熱処理においては、Ｎｉ_２Ｓｉで表される化合物を微細な形状で均一かつ多量に析出させることが重要であることから、３６０〜４６０℃で１〜２０時間加熱する。より望ましくは、４００〜４４０℃で６〜１２時間加熱する。これより高温長時間では析出物が大きく成長しやすく、これより低温短時間では十分な量の析出物を生成させることができない。

第２の熱処理の目的は、上述の通りＮｉ_２Ｓｉで表される化合物を制御された状態で分散析出させることにある。この時、析出物が大きく成長すると曲げ加工時に析出物近傍に応力が集中して割れの起点となる恐れがあるため、均一かつ微細な析出物が多量に発生する加熱条件として上記範囲を選択して熱処理する必要がある。

以上のような製造方法を採ることにより、目的の銅合金材を得ることができる。

〔実施の形態の効果〕
上記の本発明の実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）８００Ｎ／ｍｍ^２以上の高い引張強さと７００Ｎ/ｍｍ^２以上の高い０．２％耐力を兼備し、かつ、優れた曲げ加工性を併せ持った端子・コネクタ用銅合金材を得ることができる。
（２）上記（１）の優れた性質を併せ持つため、本実施の形態に係る銅合金材を使用する端子・コネクタにおいては小型化への対応が容易となり、設計の自由度を大幅に広げることができる。
（３）上記（１）および（２）の優れた性質を兼備するにもかかわらず、従来材と同等のコストで製造することができるため、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支え、その発展に大きく寄与することが可能である。

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

〔実施例・参考例１〜８、比較例１〜２２〕
表１に示す合金組成からなる試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８（実施例・参考例１〜８）、および試料Ｎｏ．９〜Ｎｏ．２２（比較例１〜１４）を、表３に示す製造条件にて製造し、それらの特性の評価を行なった。以下、各々について説明する。なお、表１において、不可避不純物はＣｕに含めて表記した。

（実施例１）
Ｎｉ：３．０質量％、Ｓｉ：０．７質量％、Ｔｉ：０．１質量％を含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる銅合金を無酸素銅を母材にして高周波溶解炉で溶製し、直径３０ｍｍ、長さ２５０ｍｍのインゴットに鋳造した。

このインゴットを８５０℃に加熱して押出加工（熱間加工）し、幅２０ｍｍ、厚さ８ｍｍの板状にした後、厚さ０．３６ｍｍまで冷間圧延した。

次に、冷間圧延した材料を８６０℃に加熱して１分間保持した後、水中に投入して約１５０℃／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。次に、冷却した材料を厚さ０．３ｍｍまで冷間圧延した。その後、これに４４０℃で８時間保持する第２の熱処理を行った（試料Ｎｏ．１）。

以上のようにして製造した試料Ｎｏ．１について、引張強さ、０．２％耐力、平均結晶粒径を測定すると共にＷ曲げ試験を実施した。測定方法に関して、引張強さと０．２％耐力はＪＩＳＺ２２４１に準拠した引張試験で測定した。平均結晶粒径は圧延方向に垂直な試料断面を金属顕微鏡で観察し、ＪＩＳＨ０５０１の切断法による結晶粒径評価に準拠した方法で測定した。Ｗ曲げ試験は、曲げ軸が試料の圧延方向と平行になるように採取した試験片を用いてＪＩＳＨ３１１０、Ｈ３１３０に準拠した方法で行い、試料表面に割れが発生しない曲げ半径の最小値Ｒ（ｍｍ）を求めて試料の厚さｔ（ｍｍ）との比率Ｒ／ｔで評価結果を表した。その結果、引張強さ８１２Ｎ／ｍｍ^２、０．２％耐力７３８Ｎ／ｍｍ^２、平均結晶粒径８μｍ、Ｒ／ｔ＝０．５の結果となり、本発明の目的である高強度、高耐力と優れた曲げ加工性を兼ね備えた材料が得られた。測定した結果を表２に示す。

（実施例・参考例２〜８）
次に、表１の実施例および参考例２〜８に示す組成の銅合金を同様に鋳造し、試料Ｎｏ．１と同じ工程で厚さ０．３ｍｍの試料を製造した（試料Ｎｏ．２〜８）。ここで、参考例２はＴｉに替えてＣｏを添加した試料であり、実施例３はＴｉに替えてＦｅを添加した試料であり、実施例・参考例４〜６は実施例・参考例１〜３にさらにＳｎ、Ｚｎを添加した試料である。また、参考例７および８は、参考例２について本発明の規定範囲内でＮｉとＳｉの量を増減した例である。

これらの試料についても実施例１と同様に、引張強さ、０．２％耐力、平均結晶粒径を測定すると共に、Ｗ曲げ試験を実施した。測定した結果を表２に示す。得られた試料はいずれも本発明の目的に適合した良好な特性を兼ね備えており、またＳｎ、Ｚｎの添加は強度の向上に寄与していることがわかる。

（比較例１〜１４）
次に、本発明の材料について、その合金組成の限定理由を、比較例を挙げて説明する。

表１の比較例１〜１４に示す合金組成の銅合金を高周波溶解炉で溶製し、直径３０ｍｍ、長さ２５０ｍｍのインゴットに鋳造し、このインゴットを実施例１（試料Ｎｏ．１）と同じ条件で加工、熱処理して厚さ０．３ｍｍの試料を製造した（試料Ｎｏ．９〜Ｎｏ．２２）。

得られた試料について実施例１と同様に、引張強さ、０．２％耐力、平均結晶粒径を測定すると共に、Ｗ曲げ試験を実施した。測定した結果を表２に示す。

比較例１および２は、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｆｅを含有しない例である。この場合、結晶粒径が大きくなり、曲げ加工性が悪くなることがわかる。

比較例３〜８は、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｆｅに替えて各種の元素を添加した例である。いずれの元素においても結晶粒の成長を十分に抑制することができず、曲げ加工性を改善することができていない。

比較例９および１０は、ＮｉとＳｉの量が本発明の規定範囲を外れた例である。Ｎｉ、Ｓｉの量が少ない場合は十分な強度が得られず、結晶粒も大きく成長しやすい。また、Ｎｉ、Ｓｉの量が多い場合は強度は高くなるものの、曲げ加工性が大きく低下する。

比較例１１および１２は、Ｃｏの量が本発明の規定範囲を外れた例である。Ｃｏの量が少ない場合は、結晶成長を抑制する効果が不十分で曲げ加工性が低下する。また、Ｃｏの量が多過ぎる場合も曲げ加工性の低下を引き起こす。ＴｉおよびＦｅの量の影響もＣｏと同様である。

比較例１３および１４は、ＳｎとＺｎの量が本発明の規定範囲を外れた例である。Ｓｎ、Ｚｎの量が規定範囲を超える場合、良好な曲げ加工性を得ることができない。

（比較例１５〜２２）
次に、本発明の銅合金材の製造条件についての限定理由を、比較例を挙げて説明する。

実施例１の試料Ｎｏ．１と同じ組成の銅合金について、実施例１と同様の手順で加工する際、第１の熱処理温度および冷却速度、その後の冷間加工度、第２の熱処理条件をそれぞれ表３に示す条件で実施して厚さ０．３ｍｍの試料を製造した（試料Ｎｏ．２３〜Ｎｏ．３０）。

得られた試料について実施例１と同様に、引張強さ、０．２％耐力、平均結晶粒径を測定すると共に、Ｗ曲げ試験を実施した。測定した結果を表４に示す。

比較例１５および比較例２２は、第１の熱処理温度が本発明の規定範囲を外れた例である。第１の熱処理温度が低いと十分な強度が得られなくなる。また、第１の熱処理温度が高過ぎる場合は、Ｔｉなどの元素を添加しても結晶粒の成長を抑えることができなくなる。

比較例１６は、第１の熱処理の冷却条件が規定範囲を外れた例である。冷却速度が遅いと冷却中に再析出が起こり、最終的に高い強度を得ることができない。

比較例１７は、第１の熱処理後の冷間加工度が規定範囲を外れた例である。加工度が高くなると良好な曲げ加工性を得ることができなくなる。

比較例１８〜２１は、第２の熱処理条件が本発明の規定範囲を外れた例である。第２の熱処理条件が適正な範囲を外れた場合、十分な強度を得ることができなくなる。

本発明の実施の形態の銅合金材の製造工程のフローを示す図である。

Claims

１〜５質量％のＮｉ、０．２〜１質量％のＳｉを含有すると共に、合計０．０５〜０．５質量％のＴｉ、Ｆｅから選択した１種以上を含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなり、引張強さが８００Ｎ/ｍｍ^２以上、０．２％耐力が７００Ｎ/ｍｍ^２以上で、かつ、平均結晶粒径が１５μｍ以下であり、Ｗ曲げ試験で割れが発生しない曲げ半径の最小値Ｒと板厚ｔの比率Ｒ／ｔが１以下であることを特徴とする端子・コネクタ用銅合金材。
１〜５質量％のＮｉ、０．２〜１質量％のＳｉを含有すると共に、合計０．０５〜０.５質量％のＴｉ、Ｆｅから選択した１種以上を含有し、さらに２質量％以下のＳｎ、５質量％以下のＺｎを含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなり、引張強さが８００Ｎ／ｍｍ^２以上、０．２％耐力が７００Ｎ／ｍｍ^２以上で、かつ、平均結晶粒径が１５μｍ以下であり、Ｗ曲げ試験で割れが発生しない曲げ半径の最小値Ｒと板厚ｔの比率Ｒ／ｔが１以下であることを特徴とする端子・コネクタ用銅合金材。