JP4566020B2

JP4566020B2 - 異方性の小さい電気電子部品用銅合金板

Info

Publication number: JP4566020B2
Application number: JP2005035327A
Authority: JP
Inventors: 章畚野; 勝仁荒川
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2005-02-14
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2025-02-14
Also published as: JP2006219733A

Description

本発明は、端子・コネクタ、リレーなど電気電子部品、半導体用材料（リードフレーム、放熱板）、電気回路用材料（自動車ＪＢ（ジャンクションブロック）、民生用電機部品用回路）等に用いられる電気電子部品用銅合金板の製造方法に関する。

自動車分野において環境規制対応、快適性、安全性の追求から、多くの電気電子部品が搭載されるようになり、使用される端子・コネクタやリレー部品等について、いっそうの挟ピッチ化や小型化が要求されている。また、情報通信や民生分野においても同様な要求がある。これらの用途には、高強度で比較的高い導電率を有するＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金が広く用いられている（下記特許文献１〜４参照）。

特開平５−５９５０５号公報特開平５−１７９３７７号公報特開２０００−７３１３０号公報特開２００２−２６６０４２号公報

しかし、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金は、圧延平行方向と圧延垂直方向の耐力差が大きく出て（圧延垂直方向が相対的に弱い）、端子・コネクタの場合に圧延垂直方向での接圧強度が不足したり、あるいは、圧延平行方向と圧延垂直方向で曲げ加工性に大きい異方性が出て、曲げが不均一となりやすく、そのため端子設計や曲げ加工金型の調整（クリアランス調整、曲げ角度調整など）が難しくなるという問題が起きている。
なお、前記特許文献１，２では、引張強さの異方性が小さいＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金が得られているが、接圧強度に関係する耐力の異方性については開示がなく、前記特許文献４では、耐力の異方性が小さいＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金が得られているが、耐力の大きさそのものが低く、また、これらの特許文献では、曲げ加工性そのものは調査されているが、その異方性については全く考慮されていない。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑み、高強度（耐力）と比較的高い導電率を備えるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金において、耐力と曲げ加工性の両方の異方性が小さい電気電子部品用銅合金板を得ることを目的とする。

本発明に係る電気電子部品用銅合金板の製造方法は、Ｎｉ：１．５〜４．５％、Ｓｉ：０．３〜１％を含み、残部が実質的にＣｕ及び不純物からなる組成の銅合金鋳塊に対し、熱間圧延及び冷間粗圧延を行い、冷間粗圧延後の銅合金板に、固溶量が最大のときの導電率をＸとしたとき溶体化焼鈍後の導電率ＹがＸ＜Ｙ≦１．５Ｘを満たし、かつ圧延平行方向及び圧延垂直方向の耐力がいずれも１５０ＭＰａ以上となる条件で連続溶体化焼鈍を行い、続いて５０％以下の加工率で仕上げ冷間圧延を行った後、時効焼鈍を行うことを特徴とする。

連続溶体化焼鈍において前記導電率及び耐力の条件を満たすには、該連続溶体化焼鈍を、昇温速度１０℃／秒以上、保持温度が実体温度で７００〜１０００℃、保持時間が３秒未満、冷却速度が３０℃／秒以上の範囲内で行う必要がある。保持時間で最適なのは０秒（焼鈍温度に到達後直ちに冷却）であり、昇温速度は望ましくは３０℃／秒以上、冷却速度は望ましくは１００℃／秒以上である。
また、溶体化焼鈍後の冷間圧延は５０％以下の加工率で行う。時効焼鈍は３５０〜６００℃に保持時間１〜２０時間の条件で行うことが望ましい。

本発明に係るＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系の合金板は、高強度（耐力）で比較的高い導電率という特性を有し、さらに耐力及び曲げ加工性について、圧延平行方向と圧延垂直方向の異方性が小さいという特性を有する。従って、端子・コネクタ等に加工したとき圧延垂直方向のバネ強度が不足したり、曲げ加工時に圧延平行方向と圧延垂直方向で大きい異方性が出て、曲げ加工金型の調整が難しくなるという問題が生じず、電気電子部品用、特に嵌合型の端子・コネクタ用として優れた特性を有する。

以下、本発明に係る異方性の小さい銅合金板の製造方法について詳細に説明する。まず、本発明に係る銅合金の添加元素の添加理由について説明する。
Ｎｉ，Ｓｉは、Ｎｉ_２Ｓｉの析出物を生成して合金の強度を向上させる元素である。しかし、Ｎｉが１．５％未満又は／及びＳｉが０．３％未満では強度が不足し、一方、Ｎｉが４．５％を越え又は／及びＳｉが１％を越えると、鋳造時にＮｉ又はＳｉが晶出又は析出し熱間加工性が劣化する。従って、Ｎｉの含有量は１．５〜４．５％、Ｓｉの含有量は０．３〜１．５％とする。なお、ＮｉとＳｉの含有量比率（Ｎｉ／Ｓｉ比）は４．０〜５．０、特に約４．５が望ましく、Ｎｉ／Ｓｉ比がこの比率から大きく外れると、過剰となったＮｉ又はＳｉがＣｕマトリックス中に固溶して導電率を低下させる。

本発明の銅合金は、副成分として、さらにＳｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃｒ、その他を添加してもよい。
ＳｎはＣｕマトリックス中に固溶し、強度を向上させる。しかし、１．５％を越えると導電率、曲げ加工性を劣化させ、また熱間加工性を劣化させるため、含有量は１．５％以下とする。
Ｚｎは、銅合金板のＳｎめっき剥離性を向上させる。しかし、１．５％を越えると導電率を低下させるため、含有量は１．５％以下とする。
ＭｇはＣｕマトリックス中に固溶し、強度を向上させる。しかし、０．５％を越えると導電率を低下させるため、含有量は０．５％以下とする。
Ｍｎ、Ｃｒは熱間圧延性を向上させる。しかし、Ｍｎは０．５％、Ｃｒは０．２％を越えると導電率を低下させるため、含有量はそれぞれ０．５％以下、０．２％以下とする。

Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｃａ、Ｖ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｂｉ、Ｐｂの各元素は、プレス打ち抜き性を向上させる作用を有する。これらの元素は０．０００１％未満では効果がなく、０．１％を越えると熱間圧延性が劣化する。また、Ｂｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ａｕの各元素は、プレス打ち抜き性を向上させる作用を有し、また、Ｎｉ_２Ｓｉの析出物との共存により強度を向上させる。Ｔｉ、Ｚｒについてはさらに熱間圧延性を向上させる効果がある。これらの元素は、０．００１％未満では効果がなく、１％を越えると熱間及び冷間圧延性が劣化する。従って、上記元素を添加する場合は、Ｂ〜Ｐｂについては各元素０．０００１〜０．１％（２種以上添加する場合は合計で０．１％以下）、Ｂｅ〜Ａｕについては各元素０．００１〜１％とし、両方の合計で１％以下とする。

次に、本発明の製造方法について詳細に説明する。
本発明の銅合金板は、鋳塊に対し熱間圧延及び冷間粗圧延を行い、冷間粗圧延後の銅合金板に対し連続溶体化焼鈍を施し、続いて仕上げ冷間圧延及び時効焼鈍を行うことにより製造する。
連続溶体化焼鈍前の熱間圧延及び冷間粗圧延は、従来と同様の条件で行うことができる。熱間圧延は、鋳塊を８００〜１０００℃×０．５〜４時間に均質化処理した後、８００〜１０００℃で行い、熱間圧延後は水冷又は放冷する。冷間粗圧延は仕上げ冷間圧延において５０％以下の加工率で製品板厚が得られるように、加工率を選択する。冷間粗圧延の途中に適宜中間焼鈍を挟むことができる。

本発明で最も重要な点は、冷間粗圧延後の銅合金板の連続溶体化焼鈍を、当該銅合金板組成において固溶量が最大のときの導電率をＸとしたとき、溶体化焼鈍後の導電率ＹがＸ＜Ｙ≦１．５Ｘを満たし、かつ圧延平行方向（以下、ＬＤ方向という）及び圧延垂直方向（以下、ＴＤ方向という）の耐力がいずれも１５０ＭＰａ以上となる条件で行う点である。
銅合金板を焼鈍温度に所定時間保持した後急冷し、導電率を測定すると、保持温度が高温であるほど溶体化が進行して（Ｎｉ_２Ｓｉの固容量が増え）導電率が低下する。それ以上実質的に下がらなくなったときの導電率がＸである。溶体化焼鈍後の銅合金板の導電率がＹ＝Ｘであれば、本発明からみると溶体化が過剰になされた状態である。このとき、最終的な銅合金板製品には、ＬＤ方向及びＴＤ方向の耐力に大きい異方性が発生する。一方、導電率がＹ＞１．５Ｘであれば、本発明からみると溶体化が不十分な状態である。このとき、銅合金板製品には、耐力の異方性とともに、ＬＤ方向及びＴＤ方向の曲げ加工性に大きい異方性が発生し、同時に、銅合金板製品の耐力自体が十分向上しない。従って、連続溶体化焼鈍は、溶体化焼鈍後の導電率がＸ＜Ｙ≦１．５Ｘを満たすように行う必要がある。好ましくは、Ｘ＜Ｙ≦１．２Ｘである。
また、溶体化焼鈍後の耐力を、ＬＤ方向、ＴＤ方向とも１５０ＭＰａ以上に保つのは、１５０ＭＰａに満たない耐力のとき、仕上げ冷間圧延後の銅合金板製品のＬＤ方向及びＴＤ方向の耐力に大きい異方性が発生するためである。

具体的な溶体化焼鈍条件は、１０℃／秒以上の昇温速度で実体温度７００〜１０００℃に加熱し、その温度で３秒未満保持した後、３０℃／秒以上の冷却速度で急冷する。保持時間は、特に０秒（保持温度に到達後直ちに冷却）に設定することが望ましく、また、昇温速度は３０℃／秒以上、冷却速度は１００℃／秒以上が望ましい。このように保持時間を極めて短時間とするのは、上記保持温度において溶体化が急激に進む中で、導電率及び耐力を上記範囲内にコントロールするためである。また、昇温速度と冷却速度を大きくするのは、昇温及び冷却中にも固溶や析出が起こり、昇温速度や冷却速度が遅すぎると、目標とする適正な導電率及び耐力にコントロールすることが困難だからである。
一方、上記条件内において、Ｎｉ及びＳｉ濃度が高いほど高い保持温度を選択するのが一般的に望ましい。最適な保持温度は昇温速度、保持時間及び冷却速度によっても変わってくるが、Ｎｉ及びＳｉ濃度が比較的高い領域（Ｎｉ：２．２〜４．５％、Ｓｉ：０．５〜１．０％）では概ね８００℃超〜１０００℃、望ましくは８００℃超〜９５０℃、濃度が比較的低い領域（Ｎｉ：１．５〜２．５％、Ｓｉ：０．３〜０．６％）では概ね７００〜８００℃以下が適正な範囲として挙げられ、その範囲内で調整すればよい。

なお、溶体化焼鈍後の冷間粗圧延材が前記導電率の条件及び耐力の条件を満たすとき、特にＮｉ及びＳｉ濃度が高い領域において、ＴＤ方向の耐力がＬＤ方向の耐力に対し比較的高く保たれる。続く仕上げ冷間圧延で両方向の耐力が向上するが、仕上げ冷間圧延ではＴＤ方向はＬＤ方向に比べ耐力の向上の程度が相対的に低く、また時効焼鈍でもＴＤ方向はＬＤ方向に比べ耐力の向上の程度が相対的に低いため、溶体化焼鈍後の段階でＴＤ方向の耐力が高く保たれていることは、銅合金板製品の耐力の異方性の改善に有効である。従って、本発明は、特にＮｉ及びＳｉ濃度が高い領域（Ｎｉ：２．２〜４．５％、Ｓｉ：０．５〜１．０％）の銅合金に好適といえる。

連続溶体化焼鈍後の仕上げ冷間圧延は、５０％以下の加工率で行う。５０％を越える加工率で冷間圧延すると、銅合金板製品の曲げ加工性が劣化し、同時にＬＤ方向及びＴＤ方向の曲げ加工性に大きい異方性が発生する。
時効焼鈍は従来同様、３５０〜６００℃×１〜２０時間で行うことが望ましい。保持温度が３５０℃未満であるとＮｉ_２Ｓｉの析出が不十分となり、６００℃を越えると材料が軟化し、いずれも銅合金板製品に必要な耐力が得られない。保持温度は、より望ましくは保持温度は４００〜５００℃である。保持時間は１時間未満ではＮｉ_２Ｓｉの析出が不十分となり、２０時間を越えると生産性が阻害される。
時効焼鈍後に、大きい異方性が発生せず、かつ曲げ加工性が劣化しない範囲でさらに冷間圧延を行うこともできる。時効焼鈍後の冷間圧延の加工率は、時効焼鈍前の冷間圧延の加工率と合わせて５０％以下とする。

表１に示す組成の銅合金を、クリプトル炉において大気中で木炭被覆下に溶解、鋳造した。鋳塊を９５０℃で１時間保持する均質化加熱を行い、続いて熱間圧延して厚さ２０ｍｍとした後、直ちに水冷した。ただし、Ｎｏ．１１はＮｉ、Ｓｉ含有量が過剰、Ｎｏ．１２はＳｎ含有量が過剰であり、熱間圧延で割れが生じたため、以後の工程を中止した。

Ｎｏ．１〜１０，１３について、熱延材を冷間粗圧延し、この冷延材に対し、表２に示す種々の温度及び保持時間で連続溶体化焼鈍を施し、この焼鈍材から試料を切り出し、ＬＤ、ＴＤ方向の耐力、及び導電率Ｙを測定した。なお、すべてにおいて加熱速度は３０℃／秒、冷却速度は１００℃／秒に設定した。
一方、各冷延材の一部を用い、連続溶体化焼鈍の保持時間を０秒に設定し、加熱速度と冷却速度を上記と同じに設定し、保持温度を２５℃間隔で振って得られた各焼鈍材について導電率を測定し、導電率変化特性（導電率−溶体化焼鈍温度）のグラフを作成し、そのグラフから、温度に対して導電率がそれ以上下がらないときの導電率を読み取り、それを固溶量が最大のときの導電率Ｘとし、導電率Ｙと導電率Ｘの比Ｙ／Ｘを求めた。
続いて、焼鈍材を表２に示す加工率で冷間圧延して厚さ０．２５ｍｍとした後、４６０℃×４時間の時効焼鈍を行い、各板材から試料を切り出し、ＬＤ、ＴＤ方向の耐力、導電率、及びＬＤ、ＴＤ方向の曲げ加工性を測定した。以上の結果を表２に示す。

耐力、導電率及び曲げ加工性の測定要領を下記に示す。
耐力；各板材から長手方向がＬＤ、ＴＤ方向となるＪＩＳ５号引張り試験片を採取し、ＪＩＳ−Ｚ２２４１に準拠して引張り試験を実施して測定した。耐力は永久伸び０．２％に相当する引張り強さである。
導電率；ＪＩＳＨ０５０５に規定されている非鉄金属材料導電率測定法に準拠して、ダブルブリッジを用いた四端子法で測定した。
曲げ加工性；各板材から長手方向がＬＤ、ＴＤ方向となる幅１０ｍｍ、長さ３０ｍｍの試験片を採取し、ＪＩＳＨ３１１０に記載の方法に準じ、各曲げ半径を備えたＷブロック曲げ治具（曲げ角度９０°）で試験片を挟み、曲げ加工を行った。ＬＤ方向のものは曲げ軸が圧延方向に垂直であり、ＴＤ方向のものは曲げ軸が圧延方向に平行である。上記曲げ治具の各曲げ半径に対し、試験片の曲げ部に割れが発生していないかどうか実体顕微鏡で検鏡して判別し、割れのない最小曲げ半径Ｒを調査し、板厚ｔ（＝０．２５ｍｍ）との比Ｒ／ｔを求めた。

Ｎｏ．１〜６は、溶体化焼鈍後の導電率ＹがＸ＜Ｙ≦１．５Ｘを満たし、かつＬＤ方向及びＴＤ方向の耐力がいずれも１５０ＭＰａ以上であり、仕上げ圧延の加工率も５０％以下である。時効焼鈍後の銅合金板製品の特性をみると、ＬＤ方向とＴＤ方向の耐力差は６０ＭＰａ以下で異方性が小さく、ＬＤ方向とＴＤ方向のＷ曲げ加工性（Ｒ／ｔ）の差も１．０以下で異方性が小さい。また、曲げ加工性自体もＲ／ｔ：２．０以下で優れている。
一方、Ｎｏ．７は、溶体化焼鈍後の導電率Ｙが１．７６Ｘであり、Ｘ＜Ｙ≦１．５Ｘを満たしていない。そのため、時効焼鈍後の銅合金板製品において耐力の異方性が大きく、曲げ加工性の異方性も大きく出た。また、同じ組成で仕上げ冷間圧延の加工率も同じＮｏ．２に比べて耐力が低くなっている。

Ｎｏ．８は、溶体化焼鈍後の耐力がＬＤ、ＴＤ方向とも１５０ＭＰａ未満であるため、時効焼鈍後の銅合金板製品において耐力の異方性が大きく出ている。
Ｎｏ．９は、溶体化焼鈍までは適正に処理されているが、溶体化焼鈍後の仕上げ冷間圧延の加工率が大きすぎるため、曲げ加工性が劣り、また曲げ加工性の異方性も大きく出ている。
Ｎｏ．１０は、溶体化焼鈍後の導電率Ｙが最小導電率Ｘに等しく（Ｙ＝Ｘ）、同時に耐力が１５０ＭＰａ未満である。そのため、時効焼鈍後の銅合金板製品において耐力の異方性が大きく出ている。
Ｎｏ．１４は、Ｎｉ及びＳｉの含有量が不足し、溶体化焼鈍後の耐力がＴＤ方向で１５０ＭＰａ未満であり、時効焼鈍後の銅合金板製品において耐力が不足し、その異方性も大きく出ている。

Claims

Ｎｉ：１．５〜４．５％（質量％、以下同じ）、Ｓｉ：０．３〜１％を含み、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる組成の銅合金鋳塊に対し、熱間圧延及び冷間粗圧延を行い、冷間粗圧延後の銅合金板に、固溶量が最大のときの導電率をＸとしたとき溶体化焼鈍後の導電率ＹがＸ＜Ｙ≦１．５Ｘを満たし、かつ圧延平行方向及び圧延垂直方向の耐力がいずれも１５０ＭＰａ以上となるように、１０℃／秒以上の昇温速度で実体温度７００〜１０００℃に加熱し、その温度で３秒未満保持した後、３０℃／秒以上の冷却速度で急冷する連続溶体化焼鈍を行い、続いて５０％以下の加工率で仕上げ冷間圧延を行った後、時効焼鈍を行うことを特徴とする異方性の小さい電気電子部品用銅合金板の製造方法。
銅合金が、Ｎｉ：２．２〜４．５％、Ｓｉ：０．５〜１．０％を含むことを特徴とする請求項１に記載された異方性の小さい電気電子部品用銅合金板の製造方法。
銅合金の組成に、Ｓｎ：１．５％以下、Ｚｎ：１．５％以下、Ｍｇ：０．５％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｃｒ：０．２％以下の１種又は２種以上が含まれることを特徴とする請求項１又は２に記載された異方性の小さい電気電子部品用銅合金板の製造方法。
時効焼鈍を３５０〜６００℃に保持時間１〜２０時間の条件で行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された異方性の小さい電気電子部品用銅合金板の製造方法。
請求項１〜４のいずれかに記載された方法により製造された異方性の小さい電気電子部品用銅合金板。
Ｎｉ：１．５〜４．５％、Ｓｉ：０．３〜１％を含み、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる組成を有し、熱間圧延、冷間粗圧延及び溶体化焼鈍を施した銅合金の冷間粗圧延材であり、その導電率Ｙが、固溶量が最大のときの導電率をＸとしたときＸ＜Ｙ≦１．５Ｘを満たし、かつ圧延平行方向及び圧延垂直方向の耐力がいずれも１５０ＭＰａ以上であることを特徴とする銅合金の冷間粗圧延材。
銅合金が、Ｎｉ：２．２〜４．５％、Ｓｉ：０．５〜１．０％を含むことを特徴とする請求項６に記載された銅合金の冷間粗圧延材。
銅合金の組成に、Ｓｎ：１．５％以下、Ｚｎ：１．５％以下、Ｍｇ：０．５％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｃｒ：０．２％以下の１種又は２種以上が含まれることを特徴とする請求項６又は７に記載された銅合金の冷間粗圧延材。