JP4633380B2

JP4633380B2 - 導電部品用銅合金板の製造法

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Publication number: JP4633380B2
Application number: JP2004117479A
Authority: JP
Inventors: 一樹畠山
Original assignee: Dowa Holdings Co Ltd; Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 2004-04-13
Filing date: 2004-04-13
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2024-04-13
Also published as: JP2005298910A

Description

本発明は、コネクタ，スイッチ，リレー等の電気・電子部品であって、特に板厚の薄い導電性部品に好適な銅合金材料およびその製造法に関する。

近年の情報通信機器、家電製品、自動車用部品等の電気配線は複雑化，高集積化が進んでいる。それに伴いコネクタ，スイッチ，リレー等の電気・電子部品用に使用される伸銅品材料の需要が増大している。

従来、コネクタ等の導電部品には黄銅やりん青銅が一般的に使用されてきた。
黄銅は低コスト材料として選択される。しかし、引張強さは質別がＥＨでも６００Ｎ／ｍｍ²を超えず、薄板の電気接点材料としては強度面で必ずしも十分ではない。また、耐食性，耐応力腐食割れ性，耐応力緩和特性について多少劣る面があり、用途によっては使用に制約を受ける。
りん青銅は強度，耐食性，耐応力腐食割れ性，耐応力緩和特性のバランスに優れている。しかし、導電率が例えばばね用りん青銅で１２％ＩＡＣＳと小さい。また、素材コストが高い。

そこで、種々の銅合金が研究、開発され提案されている。なかでも下記特許文献１には、Ｎi−Ｐ系の析出物を均一分散させた端子用銅基合金が開示されている。これは、引張強さ，ばね限界値，導電率，耐応力緩和特性，曲げ加工性のすべてにおいて適度な高性能をバランスさせたものであり、コネクタ等の多くの導電用途に有用な材料である。

特開平１０−２２６８３５号公報

昨今、電気・電子部品は小型化、軽量化される傾向にあり、それに使用される導電部品には必然的に薄肉化，細線化の要求が高まっている。この要求に応えるためには、薄肉化した場合でも優れた耐久性・高信頼性を発揮する材料が望まれる。具体的には、従来よりも一層高レベルの強度，導電性を呈することはもちろんのこと、高い耐力や弾性（ヤング率）を有することも重要となるのである。また、それらを改善する際、耐食性や複雑形状へのプレス成形性を劣化させてはならない。加えて、材料コストの増大も避けなければならない。

特許文献１に開示の銅合金材料は前述のように、強度や導電性の良好なバランスを有しており、従来主流であった板厚が０.２ｍｍ前後の導電部品として使用するには特に問題はなかった。しかしながら、昨今では板厚０.１５ｍｍ以下、あるいはそれ未満のニーズが増加している。具体的には０.１０ｍｍ，０.０８ｍｍ，０.０５ｍｍといった薄板導電部品の要求が強くなっている。特許文献１の銅合金材料は、これらの極薄部品に使用するには強度レベルが不足する場合があり、ヤング率も１１５ｋＮ／ｍｍ²前後であり十分とは言えない。すなわち、極薄導電部品用としては信頼性に欠ける面があった。また、板厚をこのような薄い領域まで減少させるには、へリングボーンの発生防止に注力する必要がある。

本発明は、上記のような導電部品の薄肉化に十分対応できる優れた機械的特性を有し、かつ導電部品に要求される耐食性，導電性等の基本的特性も具備した銅合金材料をコスト増およびヘリングボーンの発生を抑えながら安定して供給しようというものである。

発明者らの検討の結果、上記目的は特許文献１に開示の組成を有する銅合金をベースとして実現可能であることが明らかになった。すなわち、本発明で提供する材料は、Ｎi：０.１〜３.０％，Ｓn：０.１〜２.０％，Ｐ：０.０１〜０.３％、残部がＣuおよび不可避的不純物からなり、好ましくは下記(1)式を満たし、０.２％耐力が６００Ｎ／ｍｍ²以上、導電率が３５％ＩＡＣＳ以上、ヤング率が１２０ｋＮ／ｍｍ²以上、ばね限界値が４００Ｎ／ｍｍ²以上、板厚が０.１５ｍｍ以下の薄板導電部品用銅合金板である。
１０≦Ｎi／Ｐ≦３０ ……(1)
ここで、(1)式のＮi，Ｐの箇所には質量％で表されたこれらの元素の含有量が代入される。「銅合金板」には帯板が含まれる。

この合金材料には導電性の被覆層を形成することができる。特に、厚さ０.３〜２.０μｍのＣuめっき層およびその上に厚さ０.５〜５.０μｍのＳnめっき層を有する材料が提供される。

また、その導電部品用銅合金板は、前記所定の組成を有する銅合金材料に対し、
３００〜７５０℃に加熱後急冷する熱処理、
１０％以上の圧延率で板厚を０.１５ｍｍ以下まで減じる仕上冷間圧延（ただし当該仕上冷間圧延では仕上冷間圧延直後の材料の０.２％耐力に対し３０％以上の張力を付与しながら最終板厚まで冷間圧延を行う）、
１５０〜６００℃に加熱する熱処理、
を順次施す方法により製造することができる。

表面に厚さ０.３〜２.０μｍのＣuめっき層およびその上に厚さ０.５〜５.０μｍのＳnめっき層を形成した場合は、その後、１００〜２００℃に加熱する熱処理を施す製造法が採用される。

本発明によれば、従来の材料では、機械的特性，導電性，耐食性を高レベルでバランスさせることが困難であったために実現できなかった、板厚０.１５ｍｍ以下あるいはそれ未満の薄板導電部品に適した銅合金材料を安定的に提供することが可能になった。したがって本発明は、電気・電子部品の小型化・軽量化に寄与するものである。

〔化学組成〕
Ｎiは、Ｃuマトリックス中に固溶して、母材の強度，弾性，耐熱性，耐応力緩和特性，耐マイグレーション性の向上に寄与する元素である。さらに、Ｐとの化合物を形成して分散析出させることにより電気伝導性の向上にも寄与する。これらの効果を十分に発揮させるためには、０.１質量％以上のＮi含有が必要である。ただし、３.０質量％を超えると前記効果は飽和し、不経済となる。したがって、Ｎi含有量は０.１〜３.０質量％に規定する。

Ｓnは、母材のマトリックス中に固溶して強度，弾性および耐食性を向上させる元素である。Ｓn含有量が０.１質量％未満では特に強度，弾性の向上が十分に達成できない。一方、２.０質量％を超えると前記効果は飽和し、不経済となる。したがって、Ｓn含有量は０.１〜２.０質量％に規定する。

Ｐは、溶湯の脱酸剤として作用するとともに、Ｎiとの化合物を分散析出させることにより、電気伝導性を向上させ、且つ引張強さ，弾性，耐応力緩和特性を向上させる。Ｐ含有量が０.０１質量％未満ではこれらの効果は十分に得られない。しかし、０.３質量％を超えるとＮi共存下でも電気伝導性，加工性，はんだ耐候性の低下が顕著となり、さらに耐マイグレーション性の低下を招く。したがって、Ｐ含有量は０.０１〜０.３質量％に規定する。

残部は実質的にＣuからなる。
なお、本発明では前述のようにＮiとＰの化合物（Ｎi−Ｐ系化合物）の分散析出を利用して強度や導電性を向上させることから、Ｎi／Ｐの含有量（質量％）の比は１０〜３０の範囲とすることが望ましい。

〔材料特性〕
導電部品としての重要な用途であるコネクタにおいては、挿入時の応力負荷や曲げに対して座屈や変形が生じない強度が必要であり、さらに電線の加締め，保持に対する強度も必要である。板厚０.１５ｍｍ以下あるいはそれ未満の薄板材料を想定した場合、０.２％耐力は６００Ｎ／ｍｍ²以上が必要であり、できれば６５０Ｎ／ｍｍ²以上が望まれる。ばね限界値は４００Ｎ／ｍｍ²以上が必要であり、できれば５００Ｎ／ｍｍ²以上、さらに好ましくは５２０Ｎ／ｍｍ²以上が望まれる。引張強さについては６３０Ｎ／ｍｍ²以上を確保することが望ましい。

また、最近はコネクタ自体が小型化され、ヤング率の大きな材料でばねの変位を小さくとる構造が有利になっている。つまり、小さな変位で大きな応力が得られる高ヤング率の材料が望まれている。特に板厚０.１５ｍｍ以下あるいはそれ未満の薄板材料を使用する場合は、ヤング率が１２０ｋＮ／ｍｍ²以上であることが要求され、できれば１３０ｋＮ／ｍｍ²以上が一層好ましい。
コネクタの小型化によりプレス成形性の要求も厳しくなり、曲げ部半径（Ｒ）と板厚（ｔ）の比Ｒ／ｔが１以下を満足するような加工性が望まれる。

導電性については、特に板厚０.１５ｍｍ以下あるいはそれ未満の導電部品における通電時のジュール熱発生を十分抑えるために、３５％ＩＡＣＳ以上の導電率が必要であり、できれば４０％ＩＡＣＳ以上が望まれるところである。

さらに、耐食性，耐応力腐食割れ性に優れていることが望まれ、またメス端子に至っては熱的負荷が加わることから耐応力緩和特性に優れることも重要となる。具体的には、応力腐食割れ寿命は従来の黄銅１種の３倍以上、応力緩和率は１５０℃×５００時間の緩和率が黄銅１種の半分である２５％以下であることが望ましい。

〔表面処理〕
以上の銅合金板には導電性の表面被覆を施すことができる。例えば、表面に厚さ０.３〜２.０μｍのＣuめっき層およびその上に厚さ０.５〜５.０μｍのＳnめっき層を有するものは、コネクタ等において一層高い耐久性を呈する。

〔製造法〕
前記のような特性を有する導電部品用銅合金板は、以下のようにして製造することができる。
まず、前述の組成を有する銅合金を溶製し、通常の手法で熱間圧延し、冷間圧延と焼鈍を繰り返して中間製品（焼鈍材）を作る。この中間製品の板厚は、その後に行う最終的な冷間圧延（以下、これを「仕上冷間圧延」という）において、０.１５ｍｍあるいはそれ未満の目標板厚まで中間焼鈍なしで冷間圧延が可能となる板厚とする必要がある。ただし、仕上冷間圧延で少なくとも１０％以上の圧延率が確保できるように、中間製品の板厚を設定する。

中間製品を作る際の最後の熱処理では、材料を３００〜７５０℃に加熱したのち、水冷等により急冷することが重要である。上記温度範囲での保持時間は１〜３６０分とすることができるが、通常、３０〜１２０分程度とすることが望ましい。加熱温度範囲は４５０〜６５０℃とすることが好ましく、５００〜６００℃が一層好ましい。冷却後は酸洗等により表面の酸化スケールを除去しておく。

次に仕上冷間圧延を施す。ここでは板厚を０.１５ｍｍ以下あるいはそれ未満に減少させること、および少なくとも１０％以上の圧延率を確保することが必要である。できれば５０％以上の圧延率を確保することが望ましい。板厚をこのような薄い領域まで減少させるには、へリングボーンの発生防止に注力する必要がある。また、特に０.１０ｍｍ，０.０５ｍｍといった極薄材の場合、板厚精度の確保にも注意が必要である。このような薄板の圧延は、板に通常の冷間圧延の２倍前後の張力を加えることで可能となる。具体的には仕上冷間圧延直後の材料の０.２％耐力に対し、その３０％以上の張力を加えることが望ましい。

次いで、材料を１５０〜６００℃に加熱する熱処理を施す。上記温度範囲での保持時間は５秒〜１８０分の広範囲で実施できるが、通常、１０〜６０分程度とすることが望ましい。加熱温度範囲は２００〜３５０℃とすることが一層好ましい。この熱処理後も酸洗することが望ましい。
このようにして、前記の優れた特性を有する銅合金板を得ることができる。

この銅合金板の表面に前述した厚さ０.３〜２.０μｍのＣuめっき層およびその上に厚さ０.５〜５.０μｍのＳnめっき層を施す場合は、めっき後に１００〜２００℃の温度範囲で材料を加熱することが望ましい。この熱処理により、ばね限界値が向上し、また、曲げ加工部での硬化が大きくなるのでコネクタ材料として一層有利となる。

なお、合金の原料としてＳnめっき層を有する材料のプレス打ち抜き屑を使用する場合は、予め溶解前に当該屑を大気中または不活性ガス雰囲気中で３００〜６００℃，０.５〜２４時間保持する熱処理に供しておくことが望ましい。

Ｎi，Ｓn，Ｐの含有量を調整した銅合金を高周波誘導溶解炉を用いて溶製し、４０ｍｍ×４０ｍｍ×１５０ｍｍの鋳塊を得た。その際、溶解から鋳造までの雰囲気はＡrガス雰囲気とし、鋳造後直ちに水冷した。
各鋳塊を熱間圧延したのち、冷間圧延と焼鈍を繰り返して板厚０.５〜１.４ｍｍの中間製品（焼鈍材）を得た。中間製品を作る際の最後の熱処理は、５５０℃×６０分保持後、水急冷する方法で行った。

その後、酸洗し、１０％以上の圧延率で最終的に板厚０.０８ｍｍ，０.１０，あるいは０.２５ｍｍまで冷間圧延した（仕上冷間圧延）。なお、この仕上冷間圧延時には、張力を各材料の仕上冷間圧延直後の０.２％耐力に対し１９％，２７％，３７％，４４％の各水準で付与しながら最終板厚まで冷間圧延を試み、ヘリングボーンの発生状況を調べた。

次いで、前記仕上圧延で張力を０.２％耐力の４４％付与して圧延した材料について、１５０〜３５０℃×３０分保持の熱処理を行った。この熱処理をここでは「低温焼鈍」と称する。その後、酸洗した。

以上のようにして得られた銅合金板を試験材として、導電率，ビッカース硬さ，引張特性（引張強さσ_B，０.２％耐力σ_0.2），ばね限界値，曲げ加工性，ヤング率を求めた。
導電率はＪＩＳＨ０５０５、ビッカース硬さはＪＩＳＺ２２４４、引張特性はＪＩＳＺ２２４１、ばね限界値はＪＩＳＨ３１３０の繰り返したわみ式試験、ヤング率はＪＩＳＺ２２８０にそれぞれ準じて求めた。
曲げ加工性は、９０°Ｗ曲げ試験（ＣＥＳ−Ｍ−０００２−６，Ｒ＝０.１ｍｍ，Ｒ／ｔ＝１.２５，Ｗ＝１０ｍｍ，圧延方向）を行い、中央部の山表面が良好なものを○評価、シワが発生したものを△評価、割れの発生したものを×評価とした。

結果を表１に示す。
なお、引張強さσ_B，０.２％耐力σ_0.2，ばね限界値，ヤング率の試験片はいずれも長手方向が圧延方向と直角方向（ＴＤ）になるようにした。
表１の曲げ加工性において、「G.W.(R=0)」は曲げ軸が圧延方向に垂直、曲げ半径Ｒが０の場合を意味し、「B.W.(R=0.1)」は曲げ軸が圧延方向に平行、曲げ半径Ｒが０.１ｍｍの場合を意味する。

表１からわかるように、本発明例であるＮｏ.１〜１０は、板厚が０.０８〜０.１０ｍｍと薄いにもかかわらず、０.２％耐力は６００Ｎ／ｍｍ²以上を十分クリアし、また、ヤング率も１２０ｋＮ／ｍｍ²を余裕をもって上回った。比較例のＣ５２１０は従来のりん青銅であるが、これと比べると優れた導電率を呈し、曲げ加工性，ヤング率も勝った。
比較例Ｎｏ.１１は仕上冷間圧延で板厚を０.２５ｍｍまでしか減じなかったため、０.２％耐力が６００Ｎ／ｍｍ²に達しなかった。

表２に、仕上冷間圧延時のヘリングボーン発生に及ぼす張力の影響を示す。

表２からわかるように、０.２５ｍｍ程度の板厚までなら、特に高い張力を付与することなく容易にへリングボーンのない良好な表面を得ることができる。これに対し、目標板厚が０.０８〜０.１０ｍｍの極薄レベルになると、張力を高めなければヘリングボーンの発生を防止することは困難である。

Claims

質量％で、Ｎi：０.１〜３.０％，Ｓn：０.１〜２.０％，Ｐ：０.０１〜０.３％、残部がＣuおよび不可避的不純物からなり、かつ下記(1)式を満たす組成の銅合金板材に対し、
３００〜７５０℃に加熱後急冷する熱処理、
１０％以上の圧延率で板厚を０.１５ｍｍ以下まで減じる仕上冷間圧延（ただし当該仕上冷間圧延では仕上冷間圧延直後の材料の０.２％耐力に対し３０％以上の張力を付与しながら最終板厚まで冷間圧延を行う）、
１５０〜６００℃に加熱する熱処理、
を順次施す、０.２％耐力が６００Ｎ／ｍｍ²以上、導電率が３５％ＩＡＣＳ以上、ヤング率が１２０ｋＮ／ｍｍ²以上、ばね限界値が４００Ｎ／ｍｍ²以上である導電部品用銅合金板の製造法。
１０≦Ｎi／Ｐ≦３０ ……(1)
質量％で、Ｎi：０.１〜３.０％，Ｓn：０.１〜２.０％，Ｐ：０.０１〜０.３％、残部がＣuおよび不可避的不純物からなり、かつ下記(1)式を満たす組成の銅合金板材に対し、
３００〜７５０℃に加熱後急冷する熱処理、
１０％以上の圧延率で板厚を０.１５ｍｍ以下まで減じる仕上冷間圧延（ただし当該仕上冷間圧延では仕上冷間圧延直後の材料の０.２％耐力に対し３０％以上の張力を付与しながら最終板厚まで冷間圧延を行う）、
１５０〜６００℃に加熱する熱処理、
を順次施して得られた０.２％耐力が６００Ｎ／ｍｍ²以上、導電率が３５％ＩＡＣＳ以上、ヤング率が１２０ｋＮ／ｍｍ²以上、ばね限界値が４００Ｎ／ｍｍ²以上である銅合金板の表面に、厚さ０.３〜２.０μｍのＣuめっきを施し、さらにその上に厚さ０.５〜５.０μｍのＳnめっきを施し、その後、１００〜２００℃に加熱する熱処理を施す、導電部品用銅合金板の製造法。
１０≦Ｎi／Ｐ≦３０ ……(1)