JP4653239B2 - 電気電子機器用銅合金材料および電気電子部品 - Google Patents

電気電子機器用銅合金材料および電気電子部品 Download PDF

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Description

本発明は、電気電子機器用銅合金材料および電気電子部品に関する。
電気電子機器用の部品、例えばコネクタのばね接点材料には、強度、耐応力緩和特性・導電性・曲げ加工性・耐熱性・めっき密着性・マイグレーション特性などの特性が要求される。従来、リン青銅が多く用いられてきたが、リン青銅は上記の特性を完全に満足することができず、より高強度で耐応力緩和特性に優れるベリリウム銅が広く用いられるようになった。
しかしながら、ベリリウム銅は非常に高価でかつ金属ベリリウムは環境負荷物質として取り扱われている。そこで、これらの材料に代わる合金として、銅にニッケル(Ni)とシリコン(Si)を添加したコルソン合金(Cu−Ni−Si系合金)が注目されている。
コルソン合金はNiSi金属間化合物の微細粒子をCu内に分散析出させて強化する析出硬化型の合金であり、これまでにNiおよびSiの添加量やNi/Siを規定して、高強度および高導電性を図ることについての報告がある(特許文献1、2参照)。従来、コルソン合金において、NiとSiの含有量の質量%の比、すなわちNi(質量%)/Si(質量%)の値(以下Ni/Siと表記)は、主に強化に寄与するNiSi化合物の化学量論比である4.2を中心とした範囲にするのが良いとされており、Ni/Siは特許文献1ではNi/Si=3〜7となっており、また、特許文献2ではNi/Si=3.5〜5.5となっている。さらに特許文献1では固溶Siが導電率を低下することを懸念し、固溶Si量をできるだけ低減させるため、NiSi組成よりもNi量が過剰気味な方が良く、Ni/Si=4.5が最も良いとしている。特許文献2でもNi/Si=4.2から値が外れる際の固溶NiおよびSiの増加による導電率低下を懸念し、NiSiの化学量論比Ni/Si=4.2に近いことが好ましいとしている。
特開2001−181759号公報 特開2006−233314号公報
しかしながら、特許文献1〜2に示したように、Ni/Siは従来合金では、NiSiの化学量論比もしくはNiSiの化学量論比よりもNi過剰な値を良好としながらも、その範囲の規定は広く曖昧なものであった。また、強度と導電率のバランスを保つ検討は数多く行われていたが、高強度かつ良好な曲げ加工性を有する条件については、十分に検討されていなかった。
そこで、本発明は、高強度と極めて良好な曲げ加工性とを有する電気電子機器用銅合金材料およびそれを用いた電気電子部品を提供することを課題とする。
本発明者らは、従来のNi/Si範囲の中にもNiSi化学量論比よりもSiが過剰な側において結晶粒が微細になり、時効強度が向上する領域を見出した。本発明はこの知見に基づきなすに至ったものである。
本発明によれば、以下の手段が提供される:
(1)Niを2.0質量%以上3.3質量%未満含有し、Siの含有量がNiとSiの質量比(Ni/Si)で2.8〜3.8の範囲であり、Mgを0.01〜0.2質量%、Snを0.05〜1.5質量%、Znを0.2〜1.5質量%含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる電気電子機器用銅合金材料であって、厚さt=0.20mm、幅w=2.0mmの試験片に対して曲げ半径R(mm)の180°曲げを行った際に、割れの生じない最小の曲げ半径Rの値が0mm以上0.1mm以下であることを特徴とする電気電子機器用銅合金材料、
(2)Niを2.0質量%以上3.3質量%未満含有し、Siの含有量がNiとSiの質量比(Ni/Si)で2.8〜3.8の範囲であり、Mgを0.01〜0.2質量%、Snを0.05〜1.5質量%、Znを0.2〜1.5質量%含有し、さらにAg、Co、およびCrからなる群から選択される1種以上を合計で0.005〜2.0質量%含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる電気電子機器用銅合金材料であって、厚さt=0.20mm、幅w=2.0mmの試験片に対して曲げ半径R(mm)の180°曲げを行った際に、割れの生じない最小の曲げ半径Rの値が0mm以上0.1mm以下であることを特徴とする電気電子機器用銅合金材料、
(3)鋳造された鋳塊を熱間圧延、生地圧延、および溶体化処理を行った後、圧延率5〜50%の中間圧延、400〜600℃にて0.5〜12時間の時効処理、圧延率30%以下の仕上げ圧延、および低温焼鈍処理をこの順に施して製造されたことを特徴とする前記(1)または(2)項に記載の電気電子機器用銅合金材料、
(4)鋳造された鋳塊を熱間圧延、生地圧延、および溶体化処理を行った後、300〜400℃にて0.5〜8時間の時効処理を施し、さらに425〜600℃にて0.5〜12時間の時効を施し、仕上げ圧延、および低温焼鈍処理をこの順に施して製造されたことを特徴とする前記(1)または(2)項に記載の電気電子機器用銅合金材料、
(5)鋳造された鋳塊を熱間圧延、生地圧延、および溶体化処理を行った後、圧延率5〜50%の中間圧延、300〜400℃にて0.5〜8時間の時効処理を施し、さらに425〜600℃にて0.5〜12時間の時効処理を施し、圧延率30%以下の仕上げ圧延、および低温焼鈍処理をこの順に施して製造されたことを特徴とする前記(1)または(2)項に記載の電気電子機器用銅合金材料、
(6)Niを2.0質量%以上3.3質量%未満含有し、Siの含有量がNiとSiの質量比(Ni/Si)で2.8〜3.8の範囲であり、Mgを0.01〜0.2質量%、Snを0.05〜1.5質量%、Znを0.2〜1.5質量%含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる電気電子機器用銅合金材料を加工して得られる電気電子部品であって、前記銅合金材料は、厚さt=0.20mm、幅w=2.0mmの試験片に対して曲げ半径R(mm)の180°曲げを行った際に、割れの生じない最小の曲げ半径Rの値が0mm以上0.1mm以下であることを特徴とする電気電子部品、および、
(7)Niを2.0質量%以上3.3質量%未満含有し、Siの含有量がNiとSiの質量比(Ni/Si)で2.8〜3.8の範囲であり、Mgを0.01〜0.2質量%、Snを0.05〜1.5質量%、Znを0.2〜1.5質量%含有し、さらにAg、Co、およびCrからなる群から選択される1種以上を合計で0.005〜2.0質量%含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる電気電子機器用銅合金材料を加工して得られる電気電子部品であって、前記銅合金材料は、厚さt=0.20mm、幅w=2.0mmの試験片に対して曲げ半径R(mm)の180°曲げを行った際に、割れの生じない最小の曲げ半径Rの値が0mm以上0.1mm以下であることを特徴とする電気電子部品。
本発明の電気電子機器用銅合金材料は、従来のリン青銅よりは導電率は高くまたベリリウム銅(C17200、C17530)と同等以上の導電率を有し、コネクタ用途としては十分な導電率を有し、さらに高強度を有して、かつ、極めて良好な曲げ加工性を有するものである。また、本発明の電気電子部品は、前記電気電子機器用銅合金材料を加工して得られるものであるから、高強度を有しながら、かつ、コネクタ用途の部品に要求される極めて良好な曲げ加工性を有する。
本発明の上記及び他の特徴及び利点は、下記の記載からより明らかになるであろう。
本発明においては、Niの含有量を2.0質量%以上3.3質量%未満にすることで、十分な導電率を有し、高強度でありながら同時に極めて良好な曲げ加工性が達成できる。Ni含有量が下限値未満では、強度が十分に得られない。また、Ni含有量が上限値を超える場合は、高強度となるが導電率が低下する傾向がある。
また、本発明においては、Ni/Si(含有量の質量比)を2.8〜3.8の範囲に規定する。この範囲にすることでNiSiの析出に加えてNiSiの析出が期待でき、NiSiおよびNiSiの析出密度も向上するため時効処理による引張強度が向上する。また、固溶Si量の増加によって、溶体化処理時の結晶粒径を小さく制御できるため、曲げ加工性においても良好に働く。上限値より大きい場合には要求する時効強度向上の効果が得られない。また、下限値未満では、要求する時効強度向上の効果が得られないと共に、固溶Si量が結晶粒制御の効果以上に導電率を低下させ悪影響を与える効果が大きい。より好ましい範囲はNi/Siが3.3を中心として、3.0〜3.5である。この範囲においては、引張強度、導電率、および曲げ加工性のバランスがよい材料を得ることができる。
Mgは耐応力緩和特性を改善するが、その含有量を0.01〜0.2質量%に規定する理由は、0.01質量%未満では耐応力緩和特性の改善が見られず、0.2質量%を超えると曲げ加工性に悪影響を及ぼすためである。Mgの含有量は好ましくは0.05〜0.15質量%である。
SnはMgと相互に関係しあって、耐応力緩和特性をよりいっそう向上させる。その含有量を0.05〜1.5質量%に規定する理由は、0.05質量%未満ではその効果が十分に得られず、1.5質量%を超えると導電率が低下するためである。Snの含有量は好ましくは0.1〜0.7質量%である。
Znは曲げ加工性を若干改善する。好ましくはZn量を0.2〜1.5質量%に規定することにより、Mgを最大0.2質量%まで添加しても実用上問題ないレベルの曲げ加工性が得られる。この他、ZnはSnめっきやはんだめっきの密着性やマイグレーション特性を改善する。Zn量が1.5質量%を超えると導電性が低下する。Znの含有量は、さらに好ましくは0.3〜1.0質量%である。
本発明の銅合金材料においては、上記の成分に加え、さらにAg、Co、Crの1種または2種以上を合計で0.005〜2.0質量%を含有させても良い。
Agは耐熱性および強度を向上させると同時に、結晶粒の粗大化を阻止して曲げ加工性を改善する。Ag量が0.005質量%未満ではその効果が充分に得られず、0.3質量%を超えて添加しても特性上に悪影響はないもののコスト高になる。これらの観点からAgの含有量は0.005〜0.3質量%とする。
Coは、Niと同様にSiと化合物を形成して強度を向上させる。Coの含有量は0.05質量%未満ではその効果が充分に得られず、2.0質量%を超えると、溶体化処理後にも強度に寄与しない晶出・析出物が存在して曲げ加工性が劣化する。
CrはNiやSiとの第二相として析出し、結晶粒径の制御に有効である。0.05質量%未満ではその効果が充分に得られず、1.0質量%を超えると曲げ加工性が劣化する。
上述Ag、Co、Crを2種以上添加する場合には、要求特性に応じて0.005〜2.0質量%の範囲内で決定される。
本発明の電気電子機器用銅合金材料は、好ましくは、鋳造、熱間圧延、生地圧延、溶体化処理を行った後、中間圧延、時効処理、仕上げ圧延、低温焼鈍処理を施す工程により製造されたものである。
本発明の電気電子機器用銅合金材料の形状は、特に限定されるものでなく、板、条、線、棒、箔などが挙げられる。
以下に、本発明の銅合金材料の好ましい製造方法について詳しく説明する。以下、代表例として銅合金板や銅合金条を製造する方法について詳述する。
本発明では、鋳造は一般的なDC法(Direct Chill Casting)などで行う。熱間圧延は、鋳塊を850〜1000℃の温度で0.5〜12時間の均質化処理を施した直後、700〜950℃の温度で圧延を行い、その後、冷却中の析出を防ぐために水冷することが好ましい。熱間圧延後酸化膜を面削後に冷間にて圧延を行う。以下、この冷間圧延を生地圧延と呼称する。生地圧延は中間圧延、仕上げ圧延において所定の加工率が得られる板厚に圧延を行う。
溶体化処理は材料実体温度が700〜880℃で行い、3〜60秒程度保持後、析出を防ぐため冷却速度は15℃/秒以上(より好ましくは30℃/秒以上)の冷却速度で冷却するのが好ましい。溶体化処理温度が700℃より低い場合には、健全な再結晶組織が得られずに曲げ加工性に悪影響を及ぼし、また、Ni,Siの固溶量が不十分になり時効処理時におけるNi−Si系析出物の析出量が不十分で耐力が得られないなどの問題がある。溶体化処理温度が880℃より高い場合には、再結晶粒の粗大化がおこり、強度の低下、異方性の発現、曲げ加工性の劣化をもたらす。
中間圧延は時効処理における引張強度、耐力を向上させる目的で冷間圧延を行う。中間圧延において銅合金母相中には転位が導入されるが、それらの一部は次工程の時効処理においてNi−Si系化合物の異質核生成サイトとして機能し、化合物が高密・微細に形成することを助け、Ni/Siの制御による析出密度増加の効果を更に向上する。中間圧延は時効強度も向上するために導入することが好ましいが、圧延率が高過ぎても時効強度向上の効果は飽和してしまい、また、曲げ加工性の劣化を引き起こす。そのため、中間圧延は圧延率5〜50%の範囲で行うのが好ましい。
時効処理は、銅母相にNiSiおよびNiSi化合物を均一に分散析出させ、強度、導電率を向上させる。バッチ式の炉を用い、材料の実体温度400〜600℃で0.5〜12時間保持することが好ましい。実体温度が400℃より低い場合は、十分なNi−Si系化合物の析出量を得るために非常に長時間を要する、または、耐力および導電率が不十分となる。実体温度が600℃より高い場合は、Ni−Si系化合物が粗大化するため、耐力を十分に得られない。
また、時効処理は材料の実体温度300〜400℃にて0.5〜8時間の時効の後、実体温度425〜600℃、0.5〜12時間の2段階の時効とすることで、Ni−Si化合物の析出密度を向上し強度と曲げ性をさらに向上させることが可能である。この2段階の時効処理を実施する場合、上記工程の中間圧延を実施しなくても良いが、中間圧延を行うことで更に強度を向上させることができる。
仕上げ圧延は、耐力の向上を目的として冷間圧延を行う。時効後の耐力が十分な場合には、仕上げ圧延およびその後の工程の低温焼鈍を導入しなくても良い。仕上げ圧延による圧延率が高過ぎると、曲げ加工性が劣化し、耐応力緩和特性を劣化させるため、圧延率を30%以下で施すことが好ましい。
低温焼鈍は、強度をある程度維持したまま、伸び、曲げ加工性およびバネ限界値を回復させる目的で行う。低温焼鈍時の実体温度が高過ぎる場合には、再結晶が起こり耐力の低下をもたらすので、実体温度300〜600℃で、5〜60秒の短時間での焼鈍を行うことが好ましい。実体温度が300℃より低い場合は、伸び、曲げ加工性およびバネ限界値の回復が不十分であり、実体温度が600℃より高い場合は、強度低下をもたらす。
また、本発明の電気電子部品は、前記電気電子機器用銅合金材料を適宜加工することによって得られる。この加工方法は特に制限されるものではなく、常法によって、例えば、プレス加工などの塑性加工により所望の部品形状にすればよい。
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
実施例1
表1に示す組成の銅合金を溶解し、DC法により鋳造して、厚さ30mm,幅100mm,長さ150mmの鋳塊を得た。次にこれら鋳塊を900℃に加熱し、この温度に1時間保持後、厚さ12mmに熱間圧延し、速やかに冷却した。次いで両面を各1.5mmずつ切削して酸化被膜を除去した後、生地圧延により厚さ0.25〜0.50mmに加工した。この後、750〜880℃の種々の条件で溶体化処理を行い、直ちに15℃/秒以上の冷却速度で冷却した。次いで圧延率5〜50%の中間圧延を施した。次に不活性ガス雰囲気中で、450〜550℃で2時間の時効処理を施し、その後圧延率30%以下の仕上げ圧延を行い、最終的な板厚を0.20mmに揃えた。仕上げ圧延後、500℃で30秒の低温焼鈍処理を施した材料で以下の各種特性評価を行った。なお、本明細書において、各表に示す銅合金の成分(Ni、Si等)の単位は、質量比であるNi/Siの値(単位なし)を除き、いずれも質量%(mass%)である。
次に、上述のとおりに製造した各々の銅合金板について、(1)結晶粒径、(2)引張強さ、(3)導電率、(4)曲げ加工性を調べた。結果をあわせて表1に示す。
(1)結晶粒径はJIS H 0501(切断法)により求めた。
(2)引張強さはJIS Z 2201記載の5号試験片を用い、JIS Z 2241に準拠して求めた。引張強度は5MPaの整数倍に丸めて示した。
(3)導電率はJIS H 0505に準拠して求めた。
(4)曲げ加工性は、曲げ試験片幅wを2mm、板厚tを0.20mmとして、曲げ半径R(mm)=0〜0.6で180°曲げを行い、割れの生じない最小の曲げ半径(R)と板厚(t)の比をR/tとして定義した。R/t=3.0でも割れが生じた場合にはR/t>3と表記した。なお、曲げ部の評価は、日本伸銅協会技術標準「銅および銅合金薄板条の曲げ加工性評価方法(JBMA T307:1999)」に準拠した。
Figure 0004653239
表1に示すように、本発明例1〜10は、高い引張強度および優れた曲げ加工性を両立するという優れた特性を示している。本発明例1〜10は、すべて導電率が35%IACS以上、引張強度が750MPa以上、曲げ加工性がR/tの値で0以上0.5以下となった。
比較例11、12はNi/Siは規定の範囲内だが、Ni量が下限値未満であるため強度が不十分である。比較例13、15〜20および23はNi/Siが上限値より大きいために、それぞれ組成が対応する本発明例と比較して強度が低く、また、結晶粒径が大きいために曲げ加工性が低下した。比較例14、21、22および24はNi/Siが下限値未満のために、それぞれ組成が対応する本発明例と比較して強度が低く、また、導電率が低下した。比較例24では曲げ加工性も低下した。参考例25、26はNi量が規定値よりも多いために、本発明例における極めて良好な曲げ加工性は得られなかった。
実施例2
実施例1で製造した、No.4、15および22の鋳塊を用いて、溶体化処理後の工程を変化させた効果を調査した結果を表2に示す。表2に示した番号は、例えば4の鋳塊を用いて製造工程を変更した場合には4−2など子番号を記載して表記してある。
本発明例4−2、比較例15−2および22−2は、実施例1記載の製造工程のうち、時効処理を350℃にて2時間の時効処理の後に500℃にて2時間の2段階の時効処理を施して作製した。本発明例4−3、比較例15−3および22−3は、実施例1の製造工程のうち、時効処理直前の中間圧延を行わずに時効処理を350℃にて2時間の時効処理の後に500℃にて2時間の2段階の時効処理を施して作製した。参考例4−4は実施例1の製造工程のうち、時効処理直前の中間圧延を行わずに時効処理を500℃にて2時間の1段階のみで行った例であり、前記(3)項に係る発明については比較例である。
特性の調査は各々の銅合金板について、実施例1と同様に(1)結晶粒径、(2)引張強さ、(3)導電率、(4)曲げ加工性を調べた。結果をあわせて表2に示す。
Figure 0004653239
本発明例4−2および4−3は、各々実施例1の本発明例のNo.4より高い強度および優れた曲げ加工性を達成している。
それに対して、比較例15−2および15−3はNi/Siが上限値よりも大きいために本発明例4−2および4−3と比較して、工程変更の効果が得られず強度が低く、また結晶粒径が大きいために曲げ加工性が低下した。比較例22−2および22−3はNi/Siが下限値未満であるために、導電率が低く、本発明例4−2および4−3と比較して工程変更の効果が得られず強度が低かった。また、参考例4−4は強度を向上させようと仕上げ圧延率を高めた例であるが、むしろ強度は低下し、また、曲げ加工性が劣化した。
本発明の電気電子機器用銅合金材料は高強度を有し、かつ、曲げ加工性に優れるので、電気電子機器用の部品、特にコネクタのばね接点などに好適に用いることができる。また、本発明の電気電子部品は、前記電気電子機器用銅合金材料を加工して得られるものであるから、高強度を有しながら、極めて良好な曲げ加工性が要求されるコネクタ用途の部品として好適である。
本発明をその実施態様とともに説明したが、我々は特に指定しない限り我々の発明を説明のどの細部においても限定しようとするものではなく、添付の請求の範囲に示した発明の精神と範囲に反することなく幅広く解釈されるべきであると考える。
本願は、2008年3月31日に日本国で特許出願された特願2008−092314に基づく優先権を主張するものであり、ここに参照してその内容を本明細書の記載の一部として取り込む。

Claims (7)

  1. Niを2.0質量%以上3.3質量%未満含有し、Siの含有量がNiとSiの質量比(Ni/Si)で2.8〜3.8の範囲であり、Mgを0.01〜0.2質量%、Snを0.05〜1.5質量%、Znを0.2〜1.5質量%含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる電気電子機器用銅合金材料であって、厚さt=0.20mm、幅w=2.0mmの試験片に対して曲げ半径R(mm)の180°曲げを行った際に、割れの生じない最小の曲げ半径Rの値が0mm以上0.1mm以下であることを特徴とする電気電子機器用銅合金材料。
  2. Niを2.0質量%以上3.3質量%未満含有し、Siの含有量がNiとSiの質量比(Ni/Si)で2.8〜3.8の範囲であり、Mgを0.01〜0.2質量%、Snを0.05〜1.5質量%、Znを0.2〜1.5質量%含有し、さらにAg、Co、およびCrからなる群から選択される1種以上を合計で0.005〜2.0質量%含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる電気電子機器用銅合金材料であって、厚さt=0.20mm、幅w=2.0mmの試験片に対して曲げ半径R(mm)の180°曲げを行った際に、割れの生じない最小の曲げ半径Rの値が0mm以上0.1mm以下であることを特徴とする電気電子機器用銅合金材料。
  3. 鋳造された鋳塊を熱間圧延、生地圧延、および溶体化処理を行った後、圧延率5〜50%の中間圧延、400〜600℃にて0.5〜12時間の時効処理、圧延率30%以下の仕上げ圧延、および低温焼鈍処理をこの順に施して製造されたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電気電子機器用銅合金材料。
  4. 鋳造された鋳塊を熱間圧延、生地圧延、および溶体化処理を行った後、300〜400℃にて0.5〜8時間の時効処理を施し、さらに425〜600℃にて0.5〜12時間の時効を施し、仕上げ圧延、および低温焼鈍処理をこの順に施して製造されたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電気電子機器用銅合金材料。
  5. 鋳造された鋳塊を熱間圧延、生地圧延、および溶体化処理を行った後、圧延率5〜50%の中間圧延、300〜400℃にて0.5〜8時間の時効処理を施し、さらに425〜600℃にて0.5〜12時間の時効処理を施し、圧延率30%以下の仕上げ圧延、および低温焼鈍処理をこの順に施して製造されたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電気電子機器用銅合金材料。
  6. Niを2.0質量%以上3.3質量%未満含有し、Siの含有量がNiとSiの質量比(Ni/Si)で2.8〜3.8の範囲であり、Mgを0.01〜0.2質量%、Snを0.05〜1.5質量%、Znを0.2〜1.5質量%含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる電気電子機器用銅合金材料を加工して得られる電気電子部品であって、前記銅合金材料は、厚さt=0.20mm、幅w=2.0mmの試験片に対して曲げ半径R(mm)の180°曲げを行った際に、割れの生じない最小の曲げ半径Rの値が0mm以上0.1mm以下であることを特徴とする電気電子部品。
  7. Niを2.0質量%以上3.3質量%未満含有し、Siの含有量がNiとSiの質量比(Ni/Si)で2.8〜3.8の範囲であり、Mgを0.01〜0.2質量%、Snを0.05〜1.5質量%、Znを0.2〜1.5質量%含有し、さらにAg、Co、およびCrからなる群から選択される1種以上を合計で0.005〜2.0質量%含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる電気電子機器用銅合金材料を加工して得られる電気電子部品であって、前記銅合金材料は、厚さt=0.20mm、幅w=2.0mmの試験片に対して曲げ半径R(mm)の180°曲げを行った際に、割れの生じない最小の曲げ半径Rの値が0mm以上0.1mm以下であることを特徴とする電気電子部品。
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