JP4721067B2

JP4721067B2 - 電気・電子部品用銅合金材の製造方法

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Publication number: JP4721067B2
Application number: JP2007183018A
Authority: JP
Inventors: 佳紀山本; 登萩原; 真太田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2027-07-12
Also published as: JP2009019239A

Description

本発明は、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金からなる電気・電子部品用銅合金材の製造方法に関する。

コネクタ、リレー、スイッチ等の電気・電子部品に用いられる材料には、ばね材として高い接触圧を得るのに十分な高強度、曲げ加工によって割れが生じない曲げ加工性、通電時のジュール熱発生を抑えるとともに発生した熱を放散しやすくするための高導電性、高温下で長期間使用しても接触圧が維持できるような耐応力緩和性等の特性が求められる。

特に、近年、電気・電子部品に用いられる材料には、従来に比べてより導電性の高い材料に対する要求が生じている。なぜなら、部品の小型化に伴って材料に流れる電流密度は増大しており、それに対応するためである。
また、車載向けの部品では、より高温環境での使用に耐える必要から、耐応力緩和性の高い材料に対する要求が強まっている。

従来、これら用途には、黄銅、りん青銅などが使用されてきたが、これら材料では、上記のような高導電性や耐応力緩和性の要求に対して満足できる特性を得ることはできない。

そこで、高導電性と耐応力緩和性の要求に対応できる材料として、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金材が提案されている。Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金材は、合金成分であるＣｒやＺｒが単独又は化合物の形で母相となるＣｕ相中に析出する析出硬化型の合金であり、７０％ＩＡＣＳ前後の高導電率が得られるとともに耐応力緩和性にも優れた特性を持っている。
しかし、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金材は、同様の析出硬化型合金であるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系などに比べて析出硬化による強度の上昇が小さいことから、より一層の高強度化が求められている。

従来、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金の強度を更に向上させるために、析出硬化による強度向上のみでは不足であることから、冷間圧延を行って加工硬化させ、析出硬化と加工硬化とを併用することで強度の向上を図る方法が採られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開平７−２５８８０５号公報特開平９−８７８１４号公報

しかしながら、冷間圧延の加工硬化による強度の向上は材料の延性低下を招き、その結果として曲げ加工性を悪化させる問題がある。特許文献１、２の方法では、材料の延性を回復させる時効処理（析出硬化）を１回しか行っておらず、加工硬化による材料の延性・曲げ加工性の低下を十分に解消することは難しい。

本発明の目的は、高導電率や耐応力緩和性を維持しつつ、強度、曲げ加工性においても良好な特性をバランスよく備える電気・電子部品用銅合金材の製造方法を提供することにある。

本発明の第一の態様は、Ｃｒを０．１質量％以上０．４質量％以下、Ｚｒを０．０２質量％以上０．２質量％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金の素材を熱間圧延した後、加工度２０％以上６０％以下の冷間圧延と３５０℃以上６００℃以下で１０秒間以上６００秒間以下加熱する析出硬化処理とを組み合わせた圧延・析出硬化工程を３回以上実施することを特徴とする電気・電子部品用銅合金材の製造方法である。

本発明の第二の態様は、Ｃｒを０．１質量％以上０．４質量％以下、Ｚｒを０．０２質量％以上０．２質量％以下含有し、さらにＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｍｇから選択した１種以上の成分を合計０．０１質量％以上１質量％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金の素材を熱間圧延した後、加工度２０％以上６０％以下の冷間圧延と３５０℃以上６００℃以下で１０秒間以上６００秒間以下加熱する析出硬化処理とを組み合わせた圧延・析出硬化工程を３回以上実施することを特徴とする電気・電子部品用銅合金材の製造方法である。

本発明の第三の態様は、第一又は第二の態様に記載の発明において、前記熱間圧延後であって前記圧延・析出硬化工程の前に、加工度が６０％を超える冷間圧延と焼鈍温度８００℃以上の焼鈍とを行うことを特徴とする。

本発明によれば、高導電率、高強度、高い曲げ加工性、高い耐応力緩和性等の優れた特性をバランスよく兼ね備えた電気・電子部品用銅合金材が得られる。

本発明者らは、延性の低下を抑えつつ、加工硬化と析出硬化を組み合わせて強度の向上を図ることができる工程、及びＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系の好適な組成について検討した。その結果、所定の組成の銅合金の素材に対して、熱間圧延後に、冷間圧延と短時間の析出硬化処理を３回以上繰り返して行うことにより、高強度と、高い曲げ加工性・延性と、高導電率と、高い耐応力緩和性とを兼ね備えたＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系の銅合金材が得られることを見出した。

以下に、本発明の一実施形態に係る電気・電子部品用銅合金材の製造方法について説明する。

（銅合金材の組成）
銅合金の素材には、Ｃｒを０．１質量％以上０．４質量％以下、Ｚｒを０．０２質量％以上０．２質量％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなるＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金材を用いる。ここで、Ｃｒは単独でＣｕからなる母相中に析出して、材料の強度を向上させるとともに耐熱性を向上させる。
Ｃｒの含有量は０．１質量％以上０．４質量％以下に規定する。０．１質量％より含有量が少ない場合、Ｃｒの析出物が不足することによって析出硬化が不十分になるとともに、耐応力緩和性も十分な特性を得ることができなくなる。また、０．４質量％より含有量が多い場合、Ｃｒ析出物の形状が粗大になりやすくなる。粗大な析出物は、強度向上の効果が得られないとともに、曲げ加工時の割れの起点となることから曲げ加工性低下の原因となる。さらに、Ｃｒの含有量は０．２質量％以上０．３質量％以下にあれば、より望ましいと言える。

また、ＺｒはＣｕと化合物を作ってＣｕからなる母相中に析出し、Ｃｒと同じく強度や耐熱性を向上させる。Ｚｒの含有量は０．０２質量％以上０．２質量％以下に規定する。Ｚｒの含有量もＣｒと同様の影響を持ち、０．０２質量％より含有量が少ない場合、強度
や耐応力緩和性が十分な特性を得ることができなくなる。また、０．２質量％より含有量が多い場合、曲げ加工時の割れの起点となることから曲げ加工性低下の原因となる。さらに、Ｚｒの含有量は０．０５質量％以上０．１質量％以下にあれば、より望ましいと言える。
Ｃｒ、Ｚｒの含有量は形成される析出粒子の量や大きさに影響を与えるが、上記の範囲内で含有させることによってバランスのよい特性が実現されやすくなる。

さらに、上記Ｃｒ、Ｚｒに加えて、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｍｇから選択した１種以上の成分（副成分）を０．０１質量％以上１質量％以下含有した材料を用いると、より好ましい特性が実現されやすくなる。つまり、これらの成分は材料の強度を向上させる効果を持ち、Ｃｒ、Ｚｒと併せて添加することで、より一層の強度向上が期待できるようになる。
上記副成分の合計量は０．０１質量％以上１質量％以下に規定したのは、規定範囲より含有量が少ない場合、添加する効果が得られず、また、規定範囲より含有量が多い場合、導電性の低下や曲げ加工性の悪化などの弊害が大きくなるからである。

（銅合金材の製造工程）
まず、上記組成を持つ銅合金の素材を、熱間圧延によって加工する。ここで、熱間圧延時の加熱は、鋳造工程で生じた銅合金材中のＣｒ、Ｚｒの析出物をいったん母相中に固溶させる溶体化の効果を有する。この溶体化により、この後の析出硬化処理（時効処理）で生成するＣｒ、Ｚｒの析出物の分布状態をより均一且つ微細な望ましい状態にすることができる。
熱間圧延時の加熱は、より好ましい溶体化状態を得るためには、加熱温度は９００℃以上にすることが望ましく、熱間圧延終了直後の温度は７００℃以上を維持できることが望ましい。また、熱間圧延後はできるだけ急速に冷却することが望ましい。

次に、上記熱間圧延した銅合金材に対して、冷間圧延と熱処理としての析出硬化処理とを組み合わせた圧延・析出硬化工程を３回以上繰り返して行う。これにより、延性ないし曲げ加工性の低下を抑えつつ、バランスよく冷間圧延による加工硬化と析出硬化を組み合わせることができ、強度、導電率などの特性を向上させることができる。

上記冷間圧延は、加工度が２０％以上６０％以下になる範囲で実施する。これによって、銅合金材は加工硬化して強度が向上する。冷間圧延の加工度が２０％未満である場合は、材料の加工効果が十分でないために最終材として得られる強度が低くなりやすい。加工度が６０％を超える場合には、延性の低下が大きくなるために最終材で十分な曲げ加工性を確保できなくなる。
また、冷間圧延によって材料中には多数の格子欠陥が導入され、これが次の析出硬化処理において析出物形成の起点として働くことから、均一に分散した析出を促進する効果も持つ。

冷間圧延に引き続いて、３５０℃以上６００℃以下で１０秒間以上６００秒間以下加熱するという条件で析出硬化処理を行う。この析出硬化処理ではＣｒやＺｒ化合物の析出を促進し、導電率と強度を向上させることができる。また、冷間加工で低下した延性を回復させる効果も持つ。
上記範囲よりも低温、短時間の条件では、析出が十分に起こらないために充分な導電率や強度を得ることができない。また、上記範囲より高温、長時間の条件では、一度の析出硬化処理で一気に析出が進行して析出物が粗大化し、強度が低下するおそれがある。

上記の冷間圧延と析出硬化処理とを組み合わせた圧延・析出硬化工程を繰り返して実施すると、冷間圧延では、繰り返しを重ねるほど加工硬化によって強度が向上していく。そ
れとともに新たな析出物を生み出す起点となる格子欠陥を導入することとなり、初期の析出硬化処理で生成した析出物が粗大化するのを抑え、新たな微細析出物を形成させることができる。また、析出硬化処理では、直前の冷間圧延で低下した延性を回復させつつ、繰り返しを重ねる毎に数多くの微細な析出物が形成されて導電率が向上していく。
上記の冷間圧延と析出硬化処理とは、一度に急激に実施するのではなく、少しずつ３回以上に分けて繰り返し実施することで、両者の効果をバランス良く最大限に引き出すことができる。ただし、圧延・析出硬化工程は、上記効果を得るには３回又は４回でほぼ十分であり、また、工程数の増加は製造コストの上昇を伴うため、実用的にも３回又は４回の実施が望ましい。

上述した本実施形態で得られる銅合金材は、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金の優れた導電性と耐応力緩和性を損なうことなく、従来以上の強度と曲げ加工性をバランスよく兼ね備えた材料である。従って、車載向けコネクタ等の高温環境で使用される電気・電子部品への適用に最適であり、このような電気・電子部品の小型化、高機能化に大きく貢献することができる。

なお、上記実施形態において、銅合金材の板厚をより薄くする必要があるときには、上記熱間圧延後であって圧延・析出硬化工程前に、加工度が６０％を超える冷間圧延を行い、その後、焼鈍を行うことが好ましい。この場合、焼鈍において析出物が生成することは好ましくないため、焼鈍温度を８００℃以上にすることが好ましい。

以下に、本発明の実施例を説明する。
まず、種々の組成の銅合金材の試料（実施例、比較例）を作製して特性の評価を行い、銅合金材の組成を検討した。
（実施例１）
無酸素銅を母材にして、Ｃｒを０．２質量％、Ｚｒを０．１質量％含有した銅合金を、高周波溶解炉を用いて溶製し、インゴット（厚さ２５ｍｍ、幅３０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ）に鋳造した。このインゴットを９５０℃に加熱して厚さ８ｍｍまで熱間圧延した。その後、厚さ２ｍｍまで冷間圧延した後、８００℃で焼鈍した。
さらに、この銅合金材に、加工度５０％の冷間圧延と５００℃で６０秒加熱する析出硬化処理とを組み合わせた圧延・析出硬化工程を３回繰り返して行い、厚さ０．２５ｍｍの銅合金材の試料として実施例１を得た。なお、実施例１では、製造途中も含め、１回〜３回の各回の圧延・析出硬化工程終了後の試料に対して、特性を測定した。その結果を図１に示す。
実施例１では、図１に示すように、冷間圧延と析出硬化処理を繰り返す毎に導電率は上昇し、引張強さも向上しており、３回目の圧延・析出硬化工程終了後には、８０％ＩＡＣＳの高導電率を有し、且つ５８０Ｎ／ｍｍ^２を超える高強度を持った銅合金材が得られた。また、引張強さの上昇に伴って伸びは徐々に低下したが、伸びの低下量はわずかであり、３回目の析出硬化処理終了後でも１２％の伸びが確保され、良好な曲げ加工性を有していた。なお、特性の評価試験はＪＩＳに準拠して測定した。

（実施例２〜７）
実施例１と同じく無酸素銅を母材にして、Ｃｒを０．２質量％、Ｚｒを０．１質量％含有した銅合金に、さらに、図２に示す割合でＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｍｇを添加した銅合金を溶製し、上記実施例１と全く同一の工程を実施して作製した試料を実施例２〜７とした。実施例２〜７の組成及び特性を図２に示す。なお、図２には実施例１の組成及び特性も示す。
実施例２〜７においても、７５％ＩＡＣＳ以上の高い導電率と５８０Ｎ／ｍｍ^２を超える高強度とを併せ持ち、伸びも良好な優れた銅合金材が得られた。

（比較例１〜６）
図２に示す組成の銅合金を溶製し、上記実施例１と全く同一の工程を実施して作製した試料を比較例１〜６とした。比較例１〜６の特性を図２に示す。
比較例１〜４は、それぞれＣｒ、Ｚｒの含有量が、上記実施形態で規定した範囲（Ｃｒの含有量：０．１質量％以上０．４質量％以下、Ｚｒの含有量：０．０２質量％以上０．２質量％以下）から外れたものである。比較例１、２は、Ｃｒ、Ｚｒの含有量が低い例であり、引張強さが低く、十分な強度が得られない。また、比較例３、４は、Ｃｒ、Ｚｒの含有量が高い例であり、特に伸びの値が低く、曲げ加工で割れが発生しやすい。
比較例５、６は、副成分であるＮｉ、Ｓｎの添加量が上記実施形態で規定した範囲（副成分の合計の含有量：０．０１質量％以上１質量％以下）から外れた例である。比較例５、６のようにＮｉ、Ｓｎの含有量が過剰なものは、引張強さは高いものの、導電率が低く、また伸びも低く十分な曲げ加工性を確保できないおそれがある。
以上のように、上記実施形態で規定した規定範囲から外れた組成の比較例は、いずれも実施例に比べて不十分な特性しか得られなかった。

次に、銅合金材の加工熱処理条件について検討した。
（実施例８，９、比較例７〜１２）
実施例１と同じ組成の材料を溶製し、実施例１と全く同様に熱間圧延まで行った後、図３に示す加工度、条件及び回数で冷間圧延と析出硬化処理とを組み合わせた圧延・析出硬化工程を実施して作製した試料を実施例８、９、比較例７〜１２とした。図３には、実施例８、９、比較例７〜１２の特性値を示すと共に、実施例１の圧延・析出硬化工程の加工度、条件、回数及び特性値も示す。

実施例８、９は、上記実施例１と同様の高導電率、高強度が得られ、伸びの値も良好である。実施例９は、圧延・析出硬化工程の繰り返し回数が６回であるが、導電率、強度が共に優れ、伸びも良好な値に維持された。
比較例７、８は、冷間圧延の加工度が上記実施形態で規定した規定範囲（２０％以上６０％以下）よりも低い例であり、引張強さが低かった。比較例９は、冷間圧延の加工度が上記規定範囲よりも高い例であり、伸びが小さく、十分な曲げ加工が得られない。比較例１０は、析出硬化処理の温度が上記実施形態で規定した規定範囲（３５０℃以上６００℃以下）よりも低い例であり、導電率及び伸びが低かった。比較例１１は、析出硬化処理の温度が上記規定範囲よりも高い例であり、引張強さが低かった。比較例１２は、析出硬化処理の時間が上記実施形態で規定した規定範囲（１０秒以上６００秒以下）よりも長い例であり、引張強さ及び伸びが低かった。
以上のように、上記実施形態で規定した加工熱処理条件を外れた比較例は、いずれも実施例に比べて不十分な特性しか得られなかった。

実施例の１回、２回、３回の各圧延・析出硬化工程後における導電率、引張強さ及び伸びの特性を示す図である。実施例及び比較例における銅合金材の組成と、導電率、引張強さ及び伸びの特性を示す図である。実施例及び比較例における銅合金材の冷間圧延および析出硬化処理の加工熱処理条件と、導電率、引張強さ及び伸びの特性を示す図である。

Claims

Ｃｒを０．１質量％以上０．４質量％以下、Ｚｒを０．０２質量％以上０．２質量％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金の素材を熱間圧延した後、加工度２０％以上６０％以下の冷間圧延と３５０℃以上６００℃以下で１０秒間以上６００秒間以下加熱する析出硬化処理とを組み合わせた圧延・析出硬化工程を３回以上実施することを特徴とする電気・電子部品用銅合金材の製造方法。
Ｃｒを０．１質量％以上０．４質量％以下、Ｚｒを０．０２質量％以上０．２質量％以下含有し、さらにＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｍｇから選択した１種以上の成分を合計０．０１質量％以上１質量％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金の素材を熱間圧延した後、加工度２０％以上６０％以下の冷間圧延と３５０℃以上６００℃以下で１０秒間以上６００秒間以下加熱する析出硬化処理とを組み合わせた圧延・析出硬化工程を３回以上実施することを特徴とする電気・電子部品用銅合金材の製造方法。
前記熱間圧延後であって前記圧延・析出硬化工程の前に、加工度が６０％を超える冷間圧延と焼鈍温度８００℃以上の焼鈍とを行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気・電子部品用銅合金材の製造方法。