JP4834781B1 - 電子材料用Cu−Co−Si系合金 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Coを0.5〜3.0質量%、及び、Siを0.1〜1.0質量%含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、Co及びSiの質量%比(Co/Si)が3.5≦Co/Si≦5.0であり、圧延方向に平行な断面において粒径が1〜50nmの範囲にある第二相粒子の平均粒径が2〜10nmであり、且つ、当該第二相粒子同士の平均距離が10〜50nmである電子材料用銅合金。
【選択図】なし
Description
本発明に係る電子材料用銅合金は、Coを0.5〜3.0質量%、及び、Siを0.1〜1.0質量%含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、Co及びSiの質量%比(Co/Si)が3.5≦Co/Si≦5.0である組成を有する。
Siは添加量が少なすぎるとコネクタなどの電子部品材料として必要とされる強度が得られない一方で、多すぎると導電率の低下が著しい。そこで0.1〜1.0質量%とした。好ましいSiの添加量は0.15〜0.6質量%である。
また、上記合金元素の含有量は各合金元素につき最大0.5質量%とするのが好ましい。各合金元素の添加量が0.5質量%を超えると、上記効果がそれ以上推進されないだけでなく、導電率の低下や製造性の劣化が顕著になるためである。
本発明において、「第二相粒子」とは、母相とは異なる組成を有する粒子全般を指し、Co及びSiの金属間化合物(コバルトシリサイド)で構成される第二相粒子のほか、Co及びSi以外にも他の添加元素や不可避的不純物が含まれる第二相粒子も含まれる。
また、平均粒径のみならず、当該第二相粒子同士の平均距離を制御することも重要である。第二相粒子同士の平均距離を小さくすると高い強度が得られ、第二相粒子同士の平均距離を50nm以下とするのが好ましく、30nm以下とするのがより好ましい。下限は析出し得る添加元素の量と析出物の径から10nmである。
本発明においては、第二相粒子同士の平均距離は、以下の手順によって測定する。透過電子顕微鏡にて100万倍で1〜50nmの第二相粒子が100個以上含まれるように撮影し、観察視野内の第2相粒子個数÷(観察面積×試料厚み)を1/3乗することで求められる。
結晶粒は、強度に影響を与え、強度が結晶粒の−1/2乗に比例するというホールペッチ則が一般的に成り立つため、結晶粒は小さい方が好ましい。しかしながら、析出強化型の合金においては、第二相粒子の析出状態に留意する必要がある。時効処理においては結晶粒内に析出した第二相粒子は、強度向上に寄与するが、結晶粒界に析出した第二相粒子はほとんど強度向上に寄与しない。したがって、結晶粒が小さいほど、析出反応における粒界反応の割合が高くなるため、強度向上に寄与しない粒界析出が支配的となり、結晶粒径が3μm未満の場合、所望の強度を得ることができない。一方、粗大な結晶粒は、曲げ加工性を低下させる。
そこで、所望の強度および曲げ加工性を得る観点から、平均結晶粒径が3〜30μmとするのが好ましい。さらに、平均結晶粒径は、高強度および良好な曲げ加工性の両立という観点から、5〜15μmに制御することがより好ましい。
本発明に係るCu−Co−Si系合金は一実施形態において、0.2%耐力(YS)が500〜600MPaで、且つ、導電率が65〜75%IACSを有することができ、好ましくは0.2%耐力(YS)が600〜650MPaで、且つ、導電率が65〜75%IACSを有することができ、より好ましくは0.2%耐力(YS)が650MPa以上で、且つ、導電率が65%IACS以上を有することができる。
次に本発明に係る銅合金の製造方法に関して説明する。
本発明に係る銅合金は一部の工程に工夫を加える他は、コルソン系合金の製造工程を採用することで製造可能である。
まず、材料温度が350℃から保持温度まで到達するときの昇温速度は、高すぎると析出サイトが少ないため、第二相粒子の数が少なくなり第二相粒子の粒子間距離が大きくなりやすい。一方で、低すぎると昇温中に第二相粒子が大きくなる。そこで、10〜160℃/h、好ましくは10〜100℃/h、より好ましくは10〜50℃/hとする。昇温速度は、(保持温度−350℃)/(材料温度が350℃から保持温度まで上昇するのに要した時間)で与えられる。
次に、材料の保持温度(℃)をx、保持温度における保持時間(h)をyとした場合に、次式:4.5×1016×exp(−0.075x)≦y≦5.6×1018×exp(−0.075x)を満たすように保持温度及び保持時間を設定する。y>5.6×1018×exp(−0.075x)となると、第二相粒子が成長し過ぎて平均粒径が10nm超となる傾向にあり、4.5×1016×exp(−0.075x)>yとなると、第二相粒子の成長が不十分で平均粒径が2nm未満になる傾向にある。
時効処理は、好ましくは次式:4.5×1016×exp(−0.075x)≦y≦7.1×1017×exp(−0.075x)を満たすように保持温度及び保持時間を設定する。当該条件で時効処理を実施すると第二相粒子の平均粒径が2〜5nmに入りやすい。
図4に、上記の式を、x軸を材料の保持温度(℃)とし、y軸を保持温度における保持時間(h)としてグラフに表した。
最後に、材料温度が保持温度から350℃まで低下するときの降温速度は、低くすることで導電率の向上が見込める。ただし、低すぎると強度が低下する。そこで、5〜200℃/h、好ましくは10〜150℃/h、より好ましくは20〜100℃/hとする。降温速度は、(保持温度−350℃)/(降温を開始した後、材料温度が保持温度から350℃まで低下するのに要した時間)で与えられる。
なお、溶体化、冷間圧延、時効処理の順で実施する場合には、時効処理前に歪が加わっており、析出速度が速いため、時効温度を加工度(%)×2℃程度下げるとよい。
詳細な条件としては、1段目の時効処理を上記条件で行った後、段間の温度差を20℃〜100℃、各段の保持時時間を3〜20hとして低温側に向かって多段時効を行うのが好ましい。
表1に記載の質量濃度のCo及びSiを含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる成分組成を有するCu−Co−Si系銅合金を、高周波溶解炉を用いてAr雰囲気中で1300℃で溶製し、厚さ30mmのインゴットに鋳造した。
次いで、このインゴットを1000℃に加熱して3時間保持後、板厚10mmまで熱間圧延した。熱間圧延終了時の材料温度は850℃であった。その後、水冷した。
次いで、第一時効処理を材料温度600℃、加熱時間10時間の条件で実施した。
次いで、第一冷間圧延を95%以上の加工度で実施した。
次いで、溶体化処理をCo濃度が0.5〜1.0質量%のものは材料温度850℃、加熱時間100秒、Co濃度が1.2質量%のものは材料温度900℃、加熱時間100秒、Co濃度が1.5〜1.9質量%のものは加熱温度950℃、加熱時間100秒、Co濃度が2.0質量%以上のものは加熱温度1000℃、加熱時間100秒の条件で実施し、その後は水冷した。
次いで、第二時効処理を表1に記載の条件で実施した。
次いで、第二冷間圧延を圧下率20%の条件で実施し、板厚0.3mmのものと板厚0.2mmのものの二種類を得た。
最後に、歪み取り焼鈍を材料温度400℃、加熱時間30秒の条件で実施して、各試験片とした。同一番号の試験片には板厚0.2mmと板厚0.3mmの二種類が存在する。
なお、各工程の合間には適宜面削、酸洗、脱脂を行った。
(1)0.2%耐力(YS)及び引張強さ(TS)
圧延平行方向の引張り試験をJIS−Z2241に従って行い、0.2%耐力(YS:MPa)及び引張強さ(TS);MPaを測定した。
(2)導電率(EC)
ダブルブリッジによる体積抵抗率測定を行って、導電率(EC:%IACS)を求めた。
(3)平均結晶粒径(GS)
試験片を観察面が圧延方向に対し平行な厚み方向の断面となるように樹脂埋めし、観察面を機械研磨にて鏡面仕上げを行い、続いて水100容量部に対して質量濃度36%の塩酸10容量部の割合で混合した溶液に、その溶液の重量に対して5%の重量の塩化第二鉄を溶解させた。こうして出来上がった溶液中に、試料を10秒間浸漬して金属組織を現出させた。次に、この金属組織を光学顕微鏡で100倍に拡大して観察視野0.5mm2の範囲の写真を撮った。続いて、当該写真に基づいて個々の結晶粒の圧延方向の最大径と厚み方向の最大径との平均を各結晶について求め、各観察視野に対して平均値を算出し、さらに観察視野15箇所の平均値を平均結晶粒径とした。
(4)曲げ加工性
<W曲げ>
0.2mmと0.3mmの厚みの試料を幅100mm、長さ200mmに切り出したものを曲げ用試験片として用いた。試験片をW字型の金型を用いてBadway(曲げ軸が圧延方向と同一方向)のW曲げ試験を行い、曲げ部分に亀裂が発生しない最小曲げ半径(MBR)を板厚(t)で除した値であるMBR/tを求めた。
<180°曲げ>
0.2mmの厚みの試料を幅100mm、長さ200mmに切り出したものを曲げ用試験片として用いた。所定の曲げ半径(R)で170°程度にBadwayに曲げた後、曲げ内側半径(R)の2倍の挟み物をし180°に押し曲げて180°曲げ試験を行い、曲げ部分に亀裂が発生しない最小曲げ半径(MBR)を板厚(t)で除した値であるMBR/tを求めた。
(5)粒径が1〜50nmの範囲にある第二相粒子の平均粒径及び平均距離
各試験片の一部を用いて、ツインジェット式電解研磨装置によって、厚み10〜100nmの観察用試料の作成を行い、透過型電子顕微鏡(HITACHI−H−9000)により先述した方法に従って測定した。10視野の平均値を測定値とした。
本実施例では、透過型電子顕微鏡の試料作成において一般に用いられる電解研磨法を使用したが、FIB(Focused Ion Beam:集束イオンビーム)による薄膜作成を行って測定しても良い。
No.1〜33は発明例であり、溶体化処理後に行った第2時効処理条件が適切であったため、強度、導電率、及び曲げ加工性のバランスに優れていた。また、時効処理の段数を増やすことでこのバランスが更に向上したことが分かる。特に曲げ性については、0.2mm厚での評価結果はMBR/t=0であり、0.3mmと厚い板厚でも良好な結果が得られている。
一方、No.34は、時効処理時の温度が低く、時間も短かったために第二相粒子の成長が不十分で平均粒子径が2nm以下となった。そのため、発明例に比べて特性のバランスが劣った。
No.35は、時効処理時の温度が高く、時間も長かったために第二相粒子が成長し過ぎて平均粒子径が10nm以上となった。そのため、発明例に比べて特性のバランスが劣った。
No.36は、時効処理時の昇温速度が低すぎたために昇温中に第二相粒子が成長し過ぎて平均粒子径が10nm以上となった。そのため、発明例に比べて特性のバランスが劣った。
No.37は、時効処理時の昇温速度が高すぎたために析出サイトの数が少なくなり、粒子間距離が50nm以上となった。そのため、発明例に比べて特性のバランスが劣った。
No.38とNo.39は、時効処理時の昇温速度が高すぎたために析出サイトの数が少なくなり、粒子間距離が50nm以上となった。そのため、発明例に比べて曲げ性が劣った。
No.40は、No.34に対して二段目の時効処理を追加した例であるが、一段目の時効処理時の温度が低く、時間も短かったために第二相粒子の成長が不十分で平均粒子径が2μm以下となった。そのため、発明例に比べて特性のバランスが劣った。
No.41は、No.35に対して二段目の時効処理を追加した例であるが、一段目の時効処理時の温度が高く、時間も長かったために第二相粒子が成長し過ぎて平均粒子径が10μm以上となった。そのため、発明例に比べて特性のバランスが劣った。
No.42は、No.34に対して二段目及び三段目の時効処理を追加した例であるが、一段目の時効処理時の温度が低く、時間も短かったために第二相粒子の成長が不十分で粒子径が2μm以下となった。そのため、発明例に比べて特性のバランスが劣った。
No.43は、No.35に対して二段目及び三段目の時効処理を追加した例であるが、一段目の時効処理時の温度が高く、時間も長かったために第二相粒子が成長し過ぎて平均粒子径が10μm以上となった。そのため、発明例に比べて特性のバランスが劣った。
表3に記載の質量濃度のCo、Si及びその他の元素を含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる成分組成を有するCu−Co−Si系銅合金について、例1のNo.27と同様の製造方法によって試験片を製造した。得られた試験片について、例1と同様に特性評価を行った。結果を表4に示す。各種の元素を添加しても本発明の効果が得られることが分かる。
表5に記載の質量濃度のCo、Siを含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる成分組成を有するCu−Co−Si系銅合金について、第一時効処理までは例1のNo.5と同じ製造方法で、第一時効処理後に、第一冷間圧延を95%以上の加工度で実施した。
次いで、溶体化処理を材料温度900℃、加熱時間100秒の条件で実施し、その後は水冷した。
次いで、第二冷間圧延を表5に記載の所定の加工度で行い、その後に第二時効処理をおこなって板厚0.2mmのものと板厚0.3mmの試験片を製造した。なお、各工程の合間には適宜面削、酸洗、脱脂を行った。
得られた試験片について例1と同様に特性評価を行った。結果を表6に示す。時効処理と冷間圧延の順を変更しても、時効温度を加工度×2℃下げて時効処理することで本発明の効果が得られることがわかる。
Claims (5)
- Coを0.5〜3.0質量%、及び、Siを0.1〜1.0質量%含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、Co及びSiの質量%比(Co/Si)が3.5≦Co/Si≦5.0であり、圧延方向に平行な断面において粒径が1〜50nmの範囲にある第二相粒子の平均粒径が2〜10nmであり、且つ、当該第二相粒子同士の平均距離が10〜50nmである電子材料用銅合金。
- 圧延方向に対し平行な断面における平均結晶粒径が3〜30μmである請求項1記載の電子材料用銅合金。
- Ni、Cr、Sn、P、Mg、Mn、Ag、As、Sb、Be、B、Ti、Zr、Al及びFeよりなる群から選ばれる少なくとも1種の合金元素を更に含有し、且つ、当該合金元素の総量が2.0質量%以下である請求項1又は2記載の電子材料用銅合金。
- 請求項1〜3何れか一項記載の電子材料用銅合金を加工して得られた伸銅品。
- 請求項1〜3何れか一項記載の電子材料用銅合金を備えた電子部品。
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