JP4355912B2 - 銅合金導体とその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、銅合金導体とその製造方法に関するものである。特に、強度と導電率に優れた銅合金導体とその製造方法に関するものである。
従来より、銅合金導体の関連技術として、いわゆるタフピッチ銅線が知られている（例えば特許文献１参照）。タフピッチ銅は、一般に、250ppm（0.025％）以上の酸素を含有する銅であり、不純物としてAg、Ni、Sb、As、Fe、Sn、Pb、Bi、Si、Sなどが含まれる。
その他、銅に所定の元素を添加することで、伸線時の断線を抑制する技術も知られている（例えば特許文献２参照）。
しかし、上記の従来技術では、強度と導電率とを両立した導体を得ることが難しい。
タフピッチ銅などに錫を添加すると強度を向上することができる。しかし、酸素含有量が多く、含有される錫が酸化錫になった場合、強度アップへの寄与度が低下する。このため所望とする強度を得るためには錫濃度を上昇させなければならない。ところが、錫濃度を上昇すると導電率の低下が生じ、導体としての電気特性が低下するという問題があった。
従って、本発明の主目的は、優れた強度と高い導電率とを兼備する銅合金導体とその製造方法とを提供することにある。
本発明は、錫濃度を限定すると共に、銅合金中に存在する酸化錫の錫成分と錫単体との割合を特定することで上記の目的を達成する。
すなわち、本発明銅合金導体は、錫が0.05〜0.80質量％含まれ、残部が不可避的不純物と銅とからなり、この錫が錫単体と酸化錫の状態で存在し、酸化錫中の錫成分重量／錫単体の重量が0.3以下であることを特徴とする。ここで、酸化錫中の錫成分重量（SnO中のSn）は、銅合金導体を60％の硝酸で溶解したときに、不溶分として残る残渣（SnO）中に含まれる錫（Sn）と定義している。
上記のように、錫濃度および酸化錫中の錫成分と錫単体との重量比を特定することで強度と導電率とを両立した銅合金導体とすることができ、特に電子機器用配線や自動車用配線の導体として好適に利用することができる。
以下、本発明をより詳しく説明する。
錫濃度が0.05質量％未満では、十分な引張強度を得ることが難しい。本発明導体において好ましい引張強度は550N/mm2以上、より好ましくは600N/mm2以上、さらに好ましくは700N/mm2以上である。
逆に錫濃度が0.80質量％を超えると、所定の導電率を得ることが難しい。本発明導体において好ましい導電率は55％以上、より好ましくは70％以上、さらに好ましくは80％以上である。この導電率は、20℃において、万国軟銅標準に規定する標準軟銅の導電率に対する百分率（％IACS）で示す。
本発明銅合金導体の化学成分には、不可避的不純物が含まれていてもよい。不可避的不純物には、Ag、Ni、Sb、As、Fe、Pb、Bi、P、Si、Zn、S、Se、Teなどが含まれる。
また、酸化錫の錫成分と錫単体との重量比を0.3以下とする。この比率が0.3を越えると、所定の引張強さを得るための錫濃度が高くなり、導電率の低下を招く傾向がある。SnO中のSnとSn単体の合計錫重量は、発光分光分析（Emission Spectro-photometric Analysis）にて測定する。Sn単体の重量は、銅合金導体の試料を60％硝酸で溶かしてSnOを沈殿させて分離し、上澄みを原子吸光分析(Atomic Absorption Spectrometry)にかけることで溶解されたSnの測定を行う。合計錫重量からSn単体の重量を減ずることでSnOに含まれる錫の重量を求めることができる。このSnOは、主に鋳造時の凝固過程において溶銅中に含まれる酸素との結合により生成する。
本発明銅合金導体における酸素濃度は0.08質量％以下であることが好ましい。酸素濃度が0.08質量％を超えるとSnOの量が増加し、得られる導体の伸線加工性に支障をきたす場合がある。より好ましい酸素濃度は0.04質量％以下である。酸素濃度の測定は、例えば赤外吸収分析：（Infrared Spectrum Absorbance）にて行うことができる。
さらに、本発明銅合金導体に含まれる酸化錫の平均粒径は10μm以下であることが好ましい。平均粒径が10μmを超えると、得られる導体を細径まで伸線する際の加工性に支障をきたす場合がある。酸化錫の平均粒径は、走査電子顕微鏡：SEM（Scanning Electron Microscope）やエネルギー分散型Ｘ線分析装置：EDX（Energy-dispersive X-ray Spectroscopy）を用いて測定することができる。より好ましい酸化錫の平均粒径は5μm以下である。
上記のような銅合金導体は、次の方法により製造することが好適である。すなわち、本発明銅合金導体の製造方法は、錫が0.05〜0.80質量％含まれ、残部が不可避的不純物と銅とからなる原料を溶解鋳造する工程と、得られた鋳塊を圧延する工程とを有し、前記鋳造工程における溶解原料の凝固時、冷却速度を3℃／秒以上とすることを特徴とする。
上記錫含有量の原料を用い、溶解原料の凝固時における冷却速度を3℃／秒以上とすることで酸化錫の錫成分重量／錫単体の重量が0.3以下となる銅合金導体を得ることができる。冷却速度が3℃／秒未満となると、酸化錫の生成量が多くなり、導電率の低下を招く。通常、この冷却速度の上限は、50℃／秒程度である。
一般に、銅合金導体は、溶解→鋳造→熱間（冷間）圧延の工程により得られ、さらに後工程として伸線を行い所定の線径に加工される。ここで、凝固後の鋳塊が熱間圧延を経て200℃に至るまでの冷却速度あるいは鋳造後に冷間圧延を行う前の冷却速度を10℃／秒以上とすることが好ましい。このような冷却速度に制御することで、酸化錫の生成量を適正範囲とし、高い強度と導電率とを保持することができる。冷却速度が10℃／秒未満となると銅中に錫が拡散して酸化錫の生成量が多くなり、導電率の低下を招く。
本発明銅合金導体は、十分な強度を備えており、特に細径の導体として利用することが可能である。例えば、線径1.2mm以下、さらには0.5mm以下の導体を容易に得ることができる。
本発明銅合金導体によれば、酸化錫の割合を少なくすることにより、引張強さの増加に貢献する有効錫量を多くし、所定の引張強さを得るために必要な総錫量を少なくすることで導電率の低下を抑制する。そのため、高い強度と導電率とを両立する導体を実現できる。
また、本発明銅合金導体の製造方法は、本発明導体を製造するのに好適な製造方法である。
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施例1）
Sn含有量が0.075質量％で、残部がCuと不可避不純物とからなる銅合金を用意し、「溶解→鋳造→熱間圧延→冷間伸線」の工程を用いて銅合金導体を作製した。鋳造には、ツインベルト式鋳造機を用いた。
Sn含有量が0.075質量％で、残部がCuと不可避不純物とからなる銅合金を用意し、「溶解→鋳造→熱間圧延→冷間伸線」の工程を用いて銅合金導体を作製した。鋳造には、ツインベルト式鋳造機を用いた。
この製作過程において、凝固時の冷却速度は5.77℃／秒、凝固後200℃に至るまでの冷却速度（加工時の冷却速度）が21℃／秒であった。
工程の途中、圧延終了後試料をとり、発光分光分析（乾式分析）により、合金中の全Sn量を求めた。ついでこの試料を60％硝酸で溶解し、溶解不溶分を沈殿させ、上澄み液を原子吸光分析により分析して、溶解したSn単体量を求めた。全Sn量からSn単体量を差し引き、SnO中のSn量とした。この結果、SnO中のSn／Snの値は0.07であった。また、圧延後のサンプル断面を走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて観察し、SnOの平均粒径を求めたところ4μmであった。
別途試料を採取し、酸素含有量を赤外吸収分析により測定したところ、0.0230質量％であった。
伸線終了後の加工度は99.75％（減面率）であり、最終線径は0.4mmであった。なお、本実施例、比較例を総合して、加工中の断線率や、後工程における細線化時の加工のしやすさを総合判断して加工性とし、評価を5段階とし、良いものを5、良くないものを1と採点したところ、実施例1は評価5となった。
この銅合金導体を用いて、引張強度と導電率を求めたところ、引張強度は、552N／mm2であり、導電率は88.3％IACSであった。
（実施例2）
Sn含有量が0.624質量％である銅合金を用いた他は、実施例1と同じ工程で銅合金導体を作製した。ただし、凝固時の冷却速度は3.2℃／秒、加工時の冷却速度は23℃／秒であった。
Sn含有量が0.624質量％である銅合金を用いた他は、実施例1と同じ工程で銅合金導体を作製した。ただし、凝固時の冷却速度は3.2℃／秒、加工時の冷却速度は23℃／秒であった。
伸線終了後の加工度は、99.75％（減面率）であり、0.4mmの最終線径を得た。実施例1と同様に、工程途中の圧延後、試料を採取し、SnO中のSn／Snを測定したところ0.28であり、SnOの平均粒径は12μmであった。また、酸素含有量は0.0298質量％となった。
得られた銅合金導体の引張強度は720N／mm2であり、導電率は62.5％IACSであった。また、加工性の評価は2であり、その理由は、SnOの粒径が大きくなったためと考えられる。
また、この実施例2は、後述する実施例5や実施例6に比べ、多くのSnを含有するが、引張強度が大きい値にならない。これもSnOの粒径が大きくなったためと考えられる。
（実施例3）
Sn含有量が0.187質量％の銅合金を用いた他は、実施例1と同じ工程で銅合金導体を作製した。ただし、凝固時の冷却速度は3.9℃／秒、加工時の冷却速度は18℃／秒であった。
Sn含有量が0.187質量％の銅合金を用いた他は、実施例1と同じ工程で銅合金導体を作製した。ただし、凝固時の冷却速度は3.9℃／秒、加工時の冷却速度は18℃／秒であった。
伸線終了後の加工度は、99.75％（減面率）であり、0.4mmの最終線径を得た。
実施例1と同様に、工程途中の圧延後、試料を採取し、SnO中のSn／Snを測定したところ0.18であり、SnOの平均粒径は6μmであった。また、酸素含有量は0.0820質量％となった。
得られた銅合金導体の引張強度は595N／mm2であり、導電率は82.6％IACSであった。加工性の評価は4であった。
実施例3は、次の実施例4よりも多くのSnを含むが、実施例4よりも多くの酸素含有量となったため、SnOの存在量が増加し、引張強度が実施例4より小さくなる値になったものと考えられる。
（実施例4）
Sn含有量が0.177質量％の銅合金を用いた他は、実施例1と同じ工程で銅合金導体を作製した。ただし、凝固時の冷却速度は5.47℃／秒、加工時の冷却速度は18℃／秒であった。
（実施例4）
Sn含有量が0.177質量％の銅合金を用いた他は、実施例1と同じ工程で銅合金導体を作製した。ただし、凝固時の冷却速度は5.47℃／秒、加工時の冷却速度は18℃／秒であった。
伸線終了後の加工度は、99.75％（減面率）であり、0.4mmの最終線径を得た。
実施例1と同様に、工程途中の圧延後、試料を採取し、SnO中のSn／Snを測定したところ0.07であり、SnOの平均粒径は6μmであった。また、酸素含有量は0.0350質量％となった。
得られた銅合金導体の引張強度は610N／mm2であり、導電率は82.8％IACSであった。非常にバランスのとれた材料となった。また、加工性は非常に良く、評価は5であった。
（実施例5）
Sn含有量が0.315質量％の銅合金を用いた他は、実施例1と同じ工程で銅合金導体を作製した。ただし、凝固時の冷却速度は5.47℃／秒、加工時の冷却速度は8℃／秒であった。
Sn含有量が0.315質量％の銅合金を用いた他は、実施例1と同じ工程で銅合金導体を作製した。ただし、凝固時の冷却速度は5.47℃／秒、加工時の冷却速度は8℃／秒であった。
伸線終了後の加工度は、99.75％（減面率）であり、0.4mmの最終線径を得た。
実施例1と同様に、工程途中の圧延後、試料を採取し、SnO中のSn／Snを測定したところ0.11であり、SnOの平均粒径は5μmであった。また、酸素含有量は0.0410質量％となった。
得られた銅合金導体の引張強度は700N／mm2であり、導電率は76.8％IACSであった。加工性の評価は3であった。これは加工時の冷却速度が起因すると考えられる。
また、この実施例5は、次の実施例6よりややSnの含有量が少ないにもかかわらず、導電率が実施例6より大きくなっていない。この理由は、加工時の冷却速度が10℃／秒以下であり、SnがCu中に拡散してSnOとなるため、導電率が低下したものと考えられる。
（実施例6）
Sn含有量が0.338質量％の銅合金を用いた他は、実施例1と同じ工程で銅合金導体を作製した。ただし、凝固時の冷却速度は5.47℃／秒、加工時の冷却速度は23℃／秒であった。
Sn含有量が0.338質量％の銅合金を用いた他は、実施例1と同じ工程で銅合金導体を作製した。ただし、凝固時の冷却速度は5.47℃／秒、加工時の冷却速度は23℃／秒であった。
伸線終了後の加工度は、99.75％（減面率）であり、0.4mmの最終線径を得た。
実施例1と同様に、工程途中の圧延後、試料を採取し、SnO中のSn／Snを測定したところ0.07であり、SnOの平均粒径は4μmであった。また、酸素含有量は0.0215質量％となった。
得られた銅合金導体の引張強度は710N／mm2であり、導電率は78.0％IACSであった。加工性は評価4であった。
（比較例1）
Sn含有量が0.030質量％である銅合金を用いた他は、実施例1と同じ工程で銅合金導体を作製した。ただし、凝固時の冷却速度は5.47℃／秒、加工時の冷却速度は18℃／秒であった。
Sn含有量が0.030質量％である銅合金を用いた他は、実施例1と同じ工程で銅合金導体を作製した。ただし、凝固時の冷却速度は5.47℃／秒、加工時の冷却速度は18℃／秒であった。
伸線終了後の加工度は、99.75（減面率）であり、0.4mmの最終線径を得た。
実施例1と同様に、工程途中の圧延後、試料を採取し、SnO中のSn／Snを測定したところ0.03であり、SnOの平均粒径は3μmであった。また、酸素含有量は0.0240質量％となった。
得られた銅合金導体の引張強度は535N／mm2であり、導電率は97.8％IACSであった。比較例１は純銅に近い素材のため、導電率は大きい値を示すが、引張強度は十分な強度を得られない。また、加工性は問題なく、評価5であった。
（比較例2）
Sn含有量が0.680質量％の銅合金を用いた他は、実施例1と同じ工程で銅合金導体を作製した。ただし、凝固時の冷却速度は2.1℃／秒、加工時の冷却速度は23℃／秒であった。
Sn含有量が0.680質量％の銅合金を用いた他は、実施例1と同じ工程で銅合金導体を作製した。ただし、凝固時の冷却速度は2.1℃／秒、加工時の冷却速度は23℃／秒であった。
伸線終了後の加工度は、99.75％（減面率）であり、0.4mmの最終線径を得た。
実施例1と同様に、工程途中の圧延後、試料を採取し、SnO中のSn／Sn測定したところ0.37であり、SnOの平均粒径は20μmと大きかった。また、酸素含有量は0.0850質量％となった。
得られた銅合金導体の引張強度は710N／mm2であったが、導電率は52.5％IACSと低下した。この素材はSn含有量が多いため、引張強度は大きいが、導電率はやや不足している。また、加工性は後工程における断線率が大きくなり、評価1であった。SnO粒径が大きくなったためと考えられる。
以上の実施例および比較例に示すように、いずれの実施例も高い引張強さと導電率を両立している。また、比較例1のように、素材自体においてSn含有量が好ましい範囲にない場合には、加工条件に関係なく、引張強度と導電率が両立しない。また、SnO中のSn／Snが0.3を超えても同様に引張強度と導電率が両立しない。
錫濃度および酸化錫中の錫成分と錫単体との重量比を特定することで強度と導電率とを両立した銅合金導体とすることができ、特に電子機器用配線や自動車用配線の導体として好適に利用することができる。
Claims (5)
- 錫が0.05〜0.80質量％含まれ、残部が不可避的不純物と銅とからなり、この錫が錫単体と酸化錫の状態で存在し、
酸化錫中の錫成分重量／錫単体の重量が0.3以下で、
引張強度が600N/mm 2 以上であることを特徴とする銅合金導体。 - 酸素濃度が0.08質量％以下であることを特徴とする請求項1に記載の銅合金導体。
- 酸化錫の平均粒径が10μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の銅合金導体。
- 酸化錫中の錫成分重量／錫単体の重量が0.07以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の銅合金導体。
- 錫が0.05〜0.80質量％含まれ、残部が不可避的不純物と銅とからなる原料を溶解鋳造する工程と、
得られた鋳塊を圧延する工程とを有し、
前記鋳造工程における溶解原料の凝固時、冷却速度を3℃／秒以上（但し10℃／秒以上は除く）とし、
前記凝固後の鋳塊が200℃に至るまでの冷却速度を10℃／秒以上とすることを特徴とする銅合金導体の製造方法。
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