JP5376389B2 - Nitride dispersion strengthened Cu alloy, method for producing the same and conductor wire - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は窒化物分散強化Cu合金とその製造方法及び導体ワイヤに関するものである。特に、引張強度および導電率に優れた窒化物分散強化Cu合金とその製造方法及び導体ワイヤに関する。 The present invention relates to a nitride dispersion strengthened Cu alloy, a method for producing the same, and a conductor wire. In particular, it relates to a nitride dispersion strengthened Cu alloy having excellent tensile strength and electrical conductivity, a method for producing the same, and a conductor wire.
CuまたはCu合金は導電材としてリードワイヤ、リードフレーム、ケーブルなど多種多様に利用されており、電気・電子機器のさらなる薄型化、小型化、大容量化、高性能化の観点から、高強度かつ高導電率のCu合金が求められている。しかし、Cu合金の強度と導電率とはトレードオフの関係にあり、強度を高めようとすると導電率は低くなる傾向にある。一般的に実用化されているCu合金としてCu-Be合金、Cu-Ti合金、Cu-Sn合金、Cu-Cr合金、Cu-Zr合金などが挙げられる。例えば、実用化されているCu合金の中で高強度として知られるCu-Be合金の引張強度は1000MPa以上であるが、その導電率は50%IACSに満たない。 Cu or Cu alloys are widely used as conductive materials such as lead wires, lead frames, and cables. From the viewpoint of further thinning, miniaturization, large capacity, and high performance of electrical and electronic equipment, There is a need for high conductivity Cu alloys. However, the strength and conductivity of the Cu alloy are in a trade-off relationship, and the conductivity tends to decrease when the strength is increased. Examples of Cu alloys that are generally put into practical use include Cu—Be alloys, Cu—Ti alloys, Cu—Sn alloys, Cu—Cr alloys, and Cu—Zr alloys. For example, the Cu-Be alloy known as high strength among Cu alloys in practical use has a tensile strength of 1000 MPa or more, but its conductivity is less than 50% IACS.
また、CuにAgを添加することでCuの導電率をほとんど低下させることなく強度を改善したCu-Ag合金がある。Cu-Ag合金は、高強度と同時に良好な導電率を有しており、例えば、導電率を80%IACS以上に保ちながら引張強度が800MPa以上のものが開発されている。 In addition, there is a Cu-Ag alloy whose strength is improved by adding Ag to Cu without substantially reducing the conductivity of Cu. Cu-Ag alloys have high strength and good electrical conductivity. For example, alloys with a tensile strength of 800 MPa or more have been developed while maintaining the electrical conductivity at 80% IACS or higher.
さらに、母材となるCuやCu合金中に酸化物や窒化物などのセラミックスの微粒子を分散させることで、母材の導電性を保ちつつ強度を改善することが考えられている。このような分散強化Cu合金に関する技術が、例えば特許文献1や特許文献2に開示されている。 Furthermore, it is considered to improve the strength while maintaining the conductivity of the base material by dispersing fine particles of ceramics such as oxides and nitrides in Cu or Cu alloy as the base material. Techniques relating to such a dispersion strengthened Cu alloy are disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, for example.
特許文献1には、窒化物分散強化Cu合金の製造方法が開示されている。具体的には、CuにZrを加えて溶解した後、窒素を含む雰囲気中でその溶融合金の表面に高温アークを照射し、溶融合金を加熱すると共に雰囲気中の窒素と溶融合金中のZrとを反応させてZrを窒化する。そして、この溶融合金中にZrの窒化物が分散した状態で溶融合金を凝固する。 Patent Document 1 discloses a method for producing a nitride dispersion strengthened Cu alloy. Specifically, after melting by adding Zr to Cu, the surface of the molten alloy is irradiated with a high-temperature arc in an atmosphere containing nitrogen, and the molten alloy is heated and nitrogen in the atmosphere and Zr in the molten alloy To nitrify Zr. Then, the molten alloy is solidified with the nitride of Zr dispersed in the molten alloy.
また、特許文献2には、Cu-Cr合金を主成分とし、Cr、Ti、Alの酸化物や窒化物などを分散させたCu合金およびその製造方法が開示されている。特許文献2では鋳造法を用いて製造する場合、アルゴン雰囲気下でCuにCr、Ti、AlおよびAgを加えて溶解した後、脱ガスおよび酸化物形成のためにアルゴンガスや酸素ガス等を溶湯の下部よりバブリングする。次に、温度を下げて造塊した後、この造塊物を窒素の内部拡散を行うために3.5barの窒素雰囲気下で急速冷却する。 Patent Document 2 discloses a Cu alloy containing a Cu—Cr alloy as a main component and dispersing oxides, nitrides, and the like of Cr, Ti, and Al, and a method for manufacturing the same. In Patent Document 2, when manufacturing using a casting method, after adding Cr, Ti, Al, and Ag to Cu in an argon atmosphere and dissolving, molten argon gas, oxygen gas, etc. for degassing and oxide formation Bubbling from below. Next, after agglomerating at a reduced temperature, the agglomerated material is rapidly cooled under a 3.5 bar nitrogen atmosphere in order to perform internal diffusion of nitrogen.
しかし、Beは非常に毒性が強く、安全性の問題がある。また、Cu-Ag合金は、確かに強度と導電率のバランスに優れた高強度・高導電率のCu合金であるが、希少金属であるAgを用いるためコストパフォーマンスが低く、このようなCu合金を汎用製品にまで利用することは困難と言わざるをえない。 However, Be is very toxic and has safety issues. The Cu-Ag alloy is a high-strength and high-conductivity Cu alloy that has an excellent balance between strength and electrical conductivity. However, because it uses Ag, which is a rare metal, its cost performance is low. It must be said that it is difficult to use as a general-purpose product.
特許文献1の製造方法により得られたCu合金は、硬度が145Hvであり、導電率が88%IACSである。硬度と引張強度とはほぼ比例関係にあり、硬度(Hv)を1/3とした値が引張強度(kgf/mm2)とほぼ等しくなるから、この合金の引張強度は473MPa程度と推定される。確かにこの合金は良好な導電率を有しているが、十分な強度を有していない。特許文献1の方法では、高温アークが照射される溶融合金表面において雰囲気中の窒素と溶融合金中のZrとを反応させてZrを窒化している。このため、窒化物の微粒子をCu合金中に確実に均一分散させることが難しく、十分な強度が得られない一因となっていると思われる。また、特許文献1の製造方法では、高温アークを利用するために例えば多相多電極プラズマアーク発生装置が必要であり、作業が煩雑かつコストアップの原因となる。 The Cu alloy obtained by the manufacturing method of Patent Document 1 has a hardness of 145 Hv and a conductivity of 88% IACS. The hardness and tensile strength are almost proportional, and the value with 1/3 hardness (Hv) is almost equal to the tensile strength (kgf / mm 2 ), so the tensile strength of this alloy is estimated to be around 473 MPa. . Certainly this alloy has good electrical conductivity, but not enough strength. In the method of Patent Document 1, Zr is nitrided by reacting nitrogen in the atmosphere and Zr in the molten alloy on the surface of the molten alloy irradiated with the high-temperature arc. For this reason, it is difficult to surely disperse the nitride fine particles uniformly in the Cu alloy, which is considered to be a factor that a sufficient strength cannot be obtained. Moreover, in the manufacturing method of patent document 1, in order to utilize a high temperature arc, for example, a multi-phase multi-electrode plasma arc generator is required, and work becomes a cause and cost increase.
次に、特許文献2のCu合金の引張強度は523MPaであり、導電率は88%IACSである。このCu合金も上記特許文献1のCu合金と同様に良好な導電率を有しているものの、十分な強度を有していない。特許文献2の方法では、造塊物を加圧した窒素ガス雰囲気下で冷却することにより窒素の内部拡散を行っている。よって、合金表面から窒素を合金内部に導入しているため、窒化物の微粒子をCu合金中に均一分散させることが難しい。また、特許文献2の方法では、加圧した窒素ガス雰囲気下で急冷凝固を行う必要があり、作業が複雑である。 Next, the tensile strength of the Cu alloy of Patent Document 2 is 523 MPa, and the conductivity is 88% IACS. Although this Cu alloy has good electrical conductivity as well as the Cu alloy of Patent Document 1, it does not have sufficient strength. In the method of Patent Document 2, internal diffusion of nitrogen is performed by cooling the agglomerate in a pressurized nitrogen gas atmosphere. Therefore, since nitrogen is introduced into the alloy from the alloy surface, it is difficult to uniformly disperse the nitride fine particles in the Cu alloy. Further, in the method of Patent Document 2, it is necessary to perform rapid solidification in a pressurized nitrogen gas atmosphere, and the operation is complicated.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、窒化物の微粒子を分散させた、強度と導電率のバランスに優れた高強度かつ高導電率の分散強化Cu合金を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and one of its purposes is a dispersion-strengthened Cu alloy having a high strength and high conductivity excellent in balance between strength and conductivity, in which nitride fine particles are dispersed. Is to provide.
本発明の別の目的は、従来の製造方法を改善し、微細な窒化物の粒子を形成すると共にそれらを母材中に容易に均一分散させることができる分散強化Cu合金の製造方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a method for producing a dispersion strengthened Cu alloy which improves the conventional production method and forms fine nitride particles and can be uniformly dispersed in a base material. There is.
本発明の他の目的は、高強度かつ高導電率の窒化物分散強化Cu合金を用いた導体ワイヤを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a conductor wire using a nitride dispersion strengthened Cu alloy having high strength and high conductivity.
本発明Cu合金は、CuまたはCu合金中に窒化物の微粒子を分散させたCu合金である。そして、この合金の引張強度は1000MPa以上であり、かつ、導電率は75%IACS以上であることを特徴とする。 The Cu alloy of the present invention is a Cu alloy in which fine particles of nitride are dispersed in Cu or a Cu alloy. The alloy has a tensile strength of 1000 MPa or more and a conductivity of 75% IACS or more.
従来、このような強度と導電率のバランスに優れたCu合金は、CuにAgを添加することにより得ることができた。しかし、Cu-Ag合金は、希少金属であるAgを用いるためコストパフォーマンスが低く、このようなCu合金を汎用製品にまで利用することは困難と言わざるをえなかった。本発明Cu合金は、母材であるCuまたはCu合金中に窒化物の微粒子が分散していることで、引張強度1000MPa以上、導電率75%IACS以上を達成する高強度・高導電率のCu合金である。母材は必ずしもCu単体に限らず、Cu-Ag合金、Cu-Sn合金、Cu-Cr合金、Cu−Zr合金などのCu合金としてもよい。例えば母材にCu-Ag合金を選択した場合、従来より少量のAg添加で同等以上の性能を有する高強度かつ高導電率のCu合金とすることも可能である。 Conventionally, such a Cu alloy having an excellent balance between strength and electrical conductivity could be obtained by adding Ag to Cu. However, the Cu-Ag alloy has a low cost performance because it uses Ag, which is a rare metal, and it has been difficult to use such a Cu alloy for general-purpose products. The Cu alloy of the present invention has a high strength and high conductivity Cu that achieves a tensile strength of 1000 MPa or more and a conductivity of 75% IACS or more by dispersing nitride fine particles in the base material Cu or Cu alloy. It is an alloy. The base material is not necessarily limited to Cu alone, but may be a Cu alloy such as a Cu—Ag alloy, a Cu—Sn alloy, a Cu—Cr alloy, or a Cu—Zr alloy. For example, when a Cu—Ag alloy is selected as the base material, it is possible to obtain a Cu alloy with high strength and high conductivity having equivalent or better performance with a smaller amount of Ag added than before.
前記本発明Cu合金中に存在する窒化物の粒子は、粒径が平均0.1μm以下であり、かつ、その粒子が平均1μm以下の間隔で分散していることが望ましい。 The nitride particles present in the Cu alloy of the present invention preferably have an average particle size of 0.1 μm or less and are dispersed at intervals of an average of 1 μm or less.
このような構成とすることで、引張強度が1000MPa以上であり、かつ、導電率が75%IACS以上のCu合金とすることを容易にする。なお、間隔とは隣り合う粒子の中心点間距離のことである。 With such a configuration, it is easy to obtain a Cu alloy having a tensile strength of 1000 MPa or more and a conductivity of 75% IACS or more. The interval is the distance between the center points of adjacent particles.
上記窒化物を形成する元素は、Zr、Ti、Ce、Al、Ta、B、VおよびNbの中から選択される少なくとも1種以上の元素であることが好ましい。 The element forming the nitride is preferably at least one element selected from Zr, Ti, Ce, Al, Ta, B, V, and Nb.
上記に列挙した元素はCuに比べて窒化物を形成し易い元素であり、また、その窒化物は安定しており、高硬度、高強度である。したがって、このような窒化物の微粒子が母材中に分散していることで、母材の導電性を保ちつつ強度をより改善することができる。 The elements listed above are elements that easily form nitrides compared to Cu, and the nitrides are stable and have high hardness and high strength. Therefore, since such nitride fine particles are dispersed in the base material, the strength can be further improved while maintaining the conductivity of the base material.
本発明Cu合金中に含有する窒化物の体積比は0.01vol%以上20vol%以下であることが好ましい。母材にCuまたはCu合金を用いた場合の本発明Cu合金の具体的な組成は、重量比wt%で表す場合、以下のような組成範囲の窒化物形成元素と窒素とを含有し、残部がCuおよび不可避的不純物であることが好ましい。 The volume ratio of the nitride contained in the Cu alloy of the present invention is preferably 0.01 vol% or more and 20 vol% or less. The specific composition of the Cu alloy of the present invention when Cu or a Cu alloy is used as the base material contains a nitride-forming element and nitrogen in the following composition range when expressed in terms of weight ratio wt%, and the balance Are preferably Cu and inevitable impurities.
(A) Zrを用いる場合
Zr:0.01〜15wt%、N:0.001〜2.5wt%。
(B) Tiを用いる場合
Ti:0.01〜10wt%、N:0.001〜3.0wt%。
(C) Ceを用いる場合
Ce:0.01〜15wt%、N:0.001〜1.5wt%。
(D) Alを用いる場合
Al:0.001〜6wt%、N:0.001〜3.0wt%。
(E) Taを用いる場合
Ta:0.01〜30wt%、N:0.001〜2.5wt%。
(F) Bを用いる場合
B :0.001〜4wt%、N:0.001〜5.5wt%。
(G) Vを用いる場合
V :0.01〜12wt%、N:0.001〜3.5wt%。
(H) Nbを用いる場合
Nb:0.01〜17wt%、N:0.001〜3.0wt%。
(A) When using Zr
Zr: 0.01 to 15 wt%, N: 0.001 to 2.5 wt%.
(B) When using Ti
Ti: 0.01 to 10 wt%, N: 0.001 to 3.0 wt%.
(C) When using Ce
Ce: 0.01 to 15 wt%, N: 0.001 to 1.5 wt%.
(D) When using Al
Al: 0.001 to 6 wt%, N: 0.001 to 3.0 wt%.
(E) When using Ta
Ta: 0.01-30 wt%, N: 0.001-2.5 wt%.
(F) When using B
B: 0.001 to 4 wt%, N: 0.001 to 5.5 wt%.
(G) When using V
V: 0.01 to 12 wt%, N: 0.001 to 3.5 wt%.
(H) When Nb is used
Nb: 0.01 to 17 wt%, N: 0.001 to 3.0 wt%.
本発明Cu合金中に含有する窒化物形成元素は、窒化物を形成しているもの、窒化物を形成せずCu合金中に析出しているもの、Cu合金中に固溶しているもの等すべてを合わせたものである。窒化物形成元素が最小含有量に満たない場合は十分な強度を得ることができない傾向にあり、最大含有量を越える場合は導電率が大きく低下する傾向にある。Nは、そのほとんどがCuに固溶することなく、窒化物形成元素と反応して窒化物を形成すると考えられる。なお、本発明Cu合金は上記した各窒化物形成元素から選択される複数の元素をCu合金中に含有していてもよい。この場合の窒化物形成元素の総含有量は、形成される窒化物の総含有量が20vol%以下となるように、調整してあることが好ましい。 The nitride-forming elements contained in the Cu alloy of the present invention include those that form nitrides, those that do not form nitrides and are precipitated in Cu alloys, those that are solid-solved in Cu alloys, etc. All together. If the nitride-forming element is less than the minimum content, sufficient strength tends not to be obtained, and if it exceeds the maximum content, the conductivity tends to be greatly reduced. Most of N is considered to form nitride by reacting with a nitride-forming element without being dissolved in Cu. The Cu alloy of the present invention may contain a plurality of elements selected from the above-mentioned nitride forming elements in the Cu alloy. In this case, the total content of nitride-forming elements is preferably adjusted so that the total content of nitrides formed is 20 vol% or less.
また、上記窒化物は窒素を含むガスをバブリングすることにより形成されることが好ましい。 Further, the nitride is preferably formed by bubbling a gas containing nitrogen.
母材に窒化物形成元素を添加した溶湯に窒素を含むガスをバブリングすることで、微細な窒化物の粒子が形成されると共に、その撹拌作用により窒化物の粒子が溶湯中に均一に分散する。したがって、この溶湯を凝固して得られたCu合金は、窒化物の粒子が均一分散した状態となる。本発明Cu合金はバブリングといった簡単な手段を用いることで、製造が容易であり、製造コストを下げることができる。 By bubbling nitrogen-containing gas into the molten metal with the nitride-forming element added to the base material, fine nitride particles are formed, and the stirring particles uniformly disperse the nitride particles in the molten metal. . Therefore, the Cu alloy obtained by solidifying the molten metal is in a state in which nitride particles are uniformly dispersed. The Cu alloy of the present invention can be easily manufactured by using a simple means such as bubbling, and the manufacturing cost can be reduced.
本発明Cu合金の製造方法は、母材となるCuまたはCu合金中に窒化物の微粒子を分散させたCu合金の製造方法であり、以下の構成を具えることを特徴とする。本発明方法は、CuまたはCu合金に窒化物を形成し易い元素を添加して溶融する溶融工程と、溶融工程により得られた溶湯中に窒素を含むガスをバブリングするバブリング工程と、この溶湯を凝固する凝固工程とを具える。 The Cu alloy production method of the present invention is a Cu alloy production method in which fine particles of nitride are dispersed in Cu or a Cu alloy as a base material, and has the following configuration. The method of the present invention includes a melting step in which an element that easily forms a nitride is added to Cu or a Cu alloy and melted, a bubbling step in which a gas containing nitrogen is bubbled into the molten metal obtained by the melting step, and the molten metal. A coagulation process for coagulation.
本発明Cu合金の製造方法は、主として、窒化物の粒子の形成にバブリング手段を用いた点で従来の製造方法とは異なる。上記構成によれば、微細な窒化物の粒子を形成すると共にそれらを母材中に容易に均一分散させることができる。この製造方法を利用することで、引張強度が1000MPa以上であり、かつ、導電率が75%IACS以上の高強度・高導電率のCu合金を製造することができる。 The production method of the Cu alloy of the present invention is different from the conventional production method in that bubbling means is mainly used for forming nitride particles. According to the above configuration, fine nitride particles can be formed and can be easily and uniformly dispersed in the base material. By using this production method, it is possible to produce a Cu alloy having a high strength and high conductivity having a tensile strength of 1000 MPa or more and a conductivity of 75% IACS or more.
以下、本発明Cu合金の製造方法について詳しく説明する。 Hereafter, the manufacturing method of this invention Cu alloy is demonstrated in detail.
まず、母材となるCuまたはCu合金と窒化物を形成し易い元素とを所定量用意する。窒化物を形成し易い元素とは、例えばZr、Ti、Ce、Al、Ta、B、Mg、Hf、V、Nb等の周期表第2a族、第3a族、第4a族、第5a族および第3b族から選択される少なくとも1種以上の元素である。特に、窒素ガス1molあたりの窒化物の標準生成自由エネルギーが、1100℃で−100kJ以下、より好ましくは1100℃で−200kJ以下の元素であることが好ましい。また、窒化物形成元素の配合割合は、例えば以下の値とすることが好ましい。 First, a predetermined amount of Cu or Cu alloy as a base material and an element that easily forms a nitride are prepared. Elements that easily form nitrides include, for example, Zr, Ti, Ce, Al, Ta, B, Mg, Hf, V, Nb, etc. periodic table groups 2a, 3a, 4a, 5a and At least one element selected from Group 3b. In particular, it is preferable that the standard free energy of formation of nitride per 1 mol of nitrogen gas is an element of −100 kJ or less at 1100 ° C., more preferably −200 kJ or less at 1100 ° C. Further, the blending ratio of the nitride-forming element is preferably set to the following value, for example.
(A) Zrを用いる場合
Zr:0.02〜50wt%、残部はCuまたはCu合金。
(B) Tiを用いる場合
Ti:0.01〜20wt%、残部はCuまたはCu合金。
(C) Bを用いる場合
B :0.001〜5wt%、残部はCuまたはCu合金。
(D) Vを用いる場合
V :0.07〜15wt%、残部はCuまたはCu合金。
(E) Nbを用いる場合
Nb:0.10〜20wt%、残部はCuまたはCu合金。
(A) When using Zr
Zr: 0.02 to 50 wt%, balance is Cu or Cu alloy.
(B) When using Ti
Ti: 0.01-20wt%, the balance is Cu or Cu alloy.
(C) When using B
B: 0.001 to 5 wt%, balance is Cu or Cu alloy.
(D) When using V
V: 0.07 to 15 wt%, the balance being Cu or Cu alloy.
(E) When Nb is used
Nb: 0.10 to 20 wt%, balance is Cu or Cu alloy.
次に、溶融工程において用意したこれら原料を加熱して溶融状態とした後、この溶湯の下部から窒素を含むガスをバブリングする。バブリングする窒素を含むガスは窒素ガスのみとしてもよいし、アルゴンガスなどの不活性ガスと窒素ガスとの混合ガスとしてもよい。混合ガスを利用する場合、混合ガスは窒素ガスを30vol%以上含有することが好ましく、50vol%以上含有することがより好ましい。窒素ガスの割合を増加することで、窒化物形成元素と窒素との反応を促進させることができる。バブリングするガスの流量およびバブリング時間は、溶湯の量や添加した窒化物形成元素の量などに応じて適宜決めればよい。このバブリング工程により、溶湯中の窒化物形成元素を窒化して微細な窒化物の粒子を形成すると共に、溶湯中に窒化物の粒子を容易に均一分散することができる。溶融およびバブリングする際の雰囲気は大気として構わないが、スラグ(酸化物)の発生を抑制するために窒素ガスやアルゴンガスといった不活性ガスとすることが好ましい。より好ましくは、不可避的に存在する酸素を駆逐するために上記の不活性ガスに水素ガスを5〜15vol%加えた混合ガスとする。 Next, after heating these raw materials prepared in the melting step to a molten state, a gas containing nitrogen is bubbled from the lower part of the molten metal. The gas containing nitrogen to be bubbled may be only nitrogen gas or a mixed gas of an inert gas such as argon gas and nitrogen gas. When the mixed gas is used, the mixed gas preferably contains 30% by volume or more of nitrogen gas, and more preferably contains 50% by volume or more. By increasing the ratio of nitrogen gas, the reaction between the nitride-forming element and nitrogen can be promoted. The flow rate of the gas to be bubbled and the bubbling time may be appropriately determined according to the amount of the molten metal, the amount of the added nitride forming element, and the like. By this bubbling step, the nitride forming element in the molten metal is nitrided to form fine nitride particles, and the nitride particles can be easily and uniformly dispersed in the molten metal. The atmosphere for melting and bubbling may be air, but is preferably an inert gas such as nitrogen gas or argon gas in order to suppress the generation of slag (oxide). More preferably, a mixed gas in which 5 to 15 vol% of hydrogen gas is added to the above inert gas in order to drive out oxygen inevitably present.
前記バブリング工程において、溶湯の温度をCuの融点以上とすることが好ましく、1100℃以上とすることがより好ましい。 In the bubbling step, the temperature of the molten metal is preferably set to a melting point of Cu or higher, and more preferably set to 1100 ° C. or higher.
溶湯の温度を1100℃以上とすることで溶湯の均質化を促進させ、かつ、窒化物形成元素と窒素との反応を促進させることができる。なお、溶湯の温度を窒化物の融点を越える温度とした場合、窒化物の粒子が粗大化する傾向にあるため、溶湯の温度は窒化物の融点以下とすることが好ましい。 By setting the temperature of the molten metal to 1100 ° C. or higher, homogenization of the molten metal can be promoted, and the reaction between the nitride-forming element and nitrogen can be promoted. Note that when the temperature of the molten metal is higher than the melting point of the nitride, since the nitride particles tend to be coarse, the molten metal temperature is preferably set to be equal to or lower than the melting point of the nitride.
上記バブリング工程において、溶湯に供給するガスの気泡のサイズは直径10mm以下であることが好ましく、より好ましくは直径5mm以下であり、かつ、前記ガスの流量は溶湯1kgあたり10ml/min以上とすることが好ましく、より好ましくは50ml/min以上とする。 In the bubbling step, the size of the gas bubbles supplied to the molten metal is preferably 10 mm or less in diameter, more preferably 5 mm or less in diameter, and the gas flow rate is 10 ml / min or more per 1 kg of molten metal. Is preferable, and more preferably 50 ml / min or more.
気泡のサイズが直径10mm以下の細かな泡を用いることで、窒化物形成元素と窒素との反応を促進させることができる。さらに、気泡のサイズを微細化して直径5mm以下とすれば、気泡全体の表面積が増加することとなり、窒化物形成元素と窒素との反応をより促進させることができる。また、ガスの供給量を溶湯1kgあたり10ml/min以上とすることで、撹拌作用により溶湯中に窒化物の粒子を容易に均一分散させることができ、かつ、窒化物形成元素と窒素との反応を促進させることができる。さらに、ガスの供給量を増加して溶湯1kgあたり50ml/min以上とすれば、撹拌作用を向上せしめ、溶湯中に窒化物の粒子をより容易に均一分散させると共に、窒化物形成元素と窒素との反応をより促進させることができる。なお、気泡のサイズは、例えばガスが噴出するノズルの開口径により調整される。例えば、ノズルの開口部に多孔質セラミックスを取り付けることで、気泡のサイズをノズルの開口径より小さくすることができる。また、溶湯を攪拌翼などで攪拌するようにして、ノズルの開口径と攪拌速度の調整により気泡のサイズを調整することも可能である。攪拌翼の回転によって生じる剪断力で、ノズルから供給された気泡を分断して微細化することができ、気泡のサイズをノズルの開口径より小さくすることができる。 By using fine bubbles having a diameter of 10 mm or less, the reaction between the nitride-forming element and nitrogen can be promoted. Furthermore, if the bubble size is reduced to 5 mm or less, the surface area of the entire bubble increases, and the reaction between the nitride-forming element and nitrogen can be further promoted. Further, by setting the gas supply rate to 10 ml / min or more per 1 kg of molten metal, it is possible to easily and uniformly disperse the nitride particles in the molten metal by the stirring action, and the reaction between the nitride forming element and nitrogen. Can be promoted. Furthermore, if the gas supply rate is increased to 50 ml / min or more per 1 kg of the molten metal, the stirring action is improved, and the nitride particles are more easily and uniformly dispersed in the molten metal. This reaction can be further promoted. The bubble size is adjusted by, for example, the opening diameter of a nozzle from which gas is ejected. For example, by attaching porous ceramics to the opening of the nozzle, the size of the bubbles can be made smaller than the opening diameter of the nozzle. It is also possible to adjust the bubble size by adjusting the opening diameter of the nozzle and the stirring speed by stirring the molten metal with a stirring blade or the like. With the shearing force generated by the rotation of the stirring blade, the bubbles supplied from the nozzle can be divided and made finer, and the size of the bubbles can be made smaller than the opening diameter of the nozzle.
そして、凝固工程において、窒化物の粒子が均一分散した状態のまま溶湯を凝固する。 In the solidification step, the molten metal is solidified with the nitride particles uniformly dispersed.
上記凝固工程において、溶湯を10℃/min以上の冷却速度で凝固することが好ましく、より好ましくは60℃/min以上の冷却速度で凝固する。 In the solidification step, the molten metal is preferably solidified at a cooling rate of 10 ° C./min or more, more preferably at a cooling rate of 60 ° C./min or more.
10℃/min以上の冷却速度で凝固を行うことで、溶湯中に窒化物の粒子が均一に分散された状態で溶湯を凝固することができ、得られたCu合金は窒化物の粒子が均一分散した状態となる。さらに、冷却能力を高めて60℃/min以上の冷却速度で凝固を行えば、溶湯中に窒化物の粒子がより均一に分散された状態のまま溶湯を凝固することができ、得られたCu合金は窒化物の粒子がより均一分散した状態となる。このような冷却速度は、例えば水冷凝固することで実現できる。 By solidifying at a cooling rate of 10 ° C / min or more, the molten metal can be solidified with the nitride particles uniformly dispersed in the molten metal, and the resulting Cu alloy has uniform nitride particles. It becomes a distributed state. Furthermore, if the cooling capacity is increased and solidification is performed at a cooling rate of 60 ° C./min or more, the molten metal can be solidified while the nitride particles are more uniformly dispersed in the molten metal, and the obtained Cu The alloy is in a state in which nitride particles are more uniformly dispersed. Such a cooling rate can be realized by, for example, water-cooling solidification.
上記凝固工程において、溶湯を連続鋳造することが好ましい。 In the solidification step, it is preferable to continuously cast the molten metal.
連続鋳造によりCu合金の生産性を向上させることが可能となる。 It becomes possible to improve the productivity of Cu alloy by continuous casting.
本発明Cu合金は、ワイヤ状に成形することで、電気・電子機器などに利用する導体ワイヤとして好適に利用できる。特に、ワイヤに成形されたCu合金中に存在する窒化物の粒子は、粒径が平均0.1μm以下であり、かつ、その粒子が平均1μm以下の間隔で分散していることが望ましい。 The Cu alloy of the present invention can be suitably used as a conductor wire for use in electric / electronic devices and the like by forming into a wire shape. In particular, it is desirable that the nitride particles present in the Cu alloy formed on the wire have an average particle size of 0.1 μm or less and the particles are dispersed at an average interval of 1 μm or less.
このようなワイヤは、引張強度が1000MPa以上であり、かつ、導電率が75%IACS以上の高強度・高導電率のワイヤである。したがって、電気・電子機器のさらなる薄型化、小型化、大容量化に寄与することができる。特に高導電率であると共に屈曲性、捻回性にも優れているので、自動車、機器やロボットの可動部に好適に利用することができる。 Such a wire is a high-strength and high-conductivity wire having a tensile strength of 1000 MPa or more and a conductivity of 75% IACS or more. Therefore, it is possible to contribute to further reduction in thickness, size, and capacity of electric / electronic devices. In particular, since it has high conductivity and is excellent in flexibility and twistability, it can be suitably used for movable parts of automobiles, devices and robots.
本発明Cu合金及びその製造方法は次の効果を奏する。 The Cu alloy of the present invention and the manufacturing method thereof have the following effects.
本発明Cu合金は、窒化物の粒子がCuまたはCu合金中に分散していることで、引張強度が1000MPa以上であり、かつ、導電率が75%IACS以上である高強度・高導電率のCu合金である。本発明Cu合金は、添加元素にBeを一切用いる必要がなく製造上の安全性が高い。また、高価な銀を使用する必要がなく、製造コストが低い。仮に母材にCu-Ag合金を用いたとしても、添加するAgの量が従来より少量で済み、製造コストを低く抑えることが可能である。 The Cu alloy of the present invention has a high strength and high conductivity with a tensile strength of 1000 MPa or more and a conductivity of 75% IACS or more because nitride particles are dispersed in Cu or Cu alloy. Cu alloy. The Cu alloy of the present invention does not need to use Be as an additive element at all and has high manufacturing safety. Further, it is not necessary to use expensive silver, and the manufacturing cost is low. Even if a Cu-Ag alloy is used as the base material, the amount of Ag to be added is smaller than before, and the manufacturing cost can be kept low.
このようなCu合金をワイヤ状に成形することで得られた導体ワイヤは、電気・電子機器などに好適に利用することができる。特に、十分な引張強度を有しているのでロボットの可動部といった箇所にも利用することができる。また、高導電率を有しており、機器の消費電力を抑えることができる。 A conductor wire obtained by forming such a Cu alloy into a wire shape can be suitably used for electrical and electronic equipment. In particular, since it has sufficient tensile strength, it can also be used in places such as a movable part of a robot. In addition, it has high conductivity, so that power consumption of the device can be suppressed.
また、本発明Cu合金の製造方法は、窒化物の粒子の形成にバブリングといった簡単な手段を用いており、作業が容易であり、製造コストを低く抑えることができる。また、このバブリングにより溶湯を撹拌する効果もあるので、窒化物の粒子を溶湯中に均一に分散することができる。 In addition, the Cu alloy manufacturing method of the present invention uses simple means such as bubbling to form nitride particles, is easy to work, and can reduce manufacturing costs. Further, the bubbling also has an effect of stirring the molten metal, so that nitride particles can be uniformly dispersed in the molten metal.
以下、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
<Cu合金の作製とその評価>
本発明Cu合金の製造方法を用いて種々のCu合金を作製し、各合金の組成および機械的特性(引張強度)、電気的特性(導電率)について調べた。
<Preparation of Cu alloy and its evaluation>
Various Cu alloys were produced using the method for producing a Cu alloy of the present invention, and the composition, mechanical properties (tensile strength), and electrical properties (conductivity) of each alloy were examined.
(実施例1)
母材にはCu、窒化物形成元素にZrを用いた窒化物分散強化Cu合金を作製した。
Example 1
A nitride dispersion-strengthened Cu alloy using Cu as a base material and Zr as a nitride-forming element was prepared.
具体的な製造方法について述べる。 A specific manufacturing method will be described.
無酸素Cu980g、Cu-Zr合金(Zr含有量50wt%)20gを用意し、これら原料をアルミナるつぼに入れ、電気炉で1175℃まで加熱して溶融状態とした。その後、溶湯の温度を一定に保ちながら、この溶湯に対して下部から純窒素ガスをバブリングして、溶融したZrを窒化すると共に溶湯を撹拌することを行った。バブリングの条件は圧力0.1MPa、流量200ml/minとした。また、バブリングに使用するノズルは噴出口の開口径が4.5mmのものを用いて、気泡のサイズが直径4.5mmとなるようにした。なお、溶融およびバブリングする際の雰囲気は原料の酸化を防止するため、窒素90vol%、水素10vol%の混合ガスとした。このバブリング作業を5時間行った後、溶湯の中心部付近から石英製のピペットで溶湯を10〜20g採取し、即このピペットごと水中に投入することで溶湯を凝固することを行った。このときの冷却速度は約600℃/minであった。このピペットから凝固したCu合金を取り出し、表面に付着した石英を除去する作業を行って、Cu合金の鋳造塊を得た。この得られたCu合金を試料1とした。 Oxygen-free Cu980g and Cu-Zr alloy (Zr content 50wt%) 20g were prepared. These raw materials were put in an alumina crucible and heated to 1175 ° C in an electric furnace to be in a molten state. Thereafter, while keeping the temperature of the molten metal constant, pure nitrogen gas was bubbled from the lower portion of the molten metal to nitride the molten Zr and to stir the molten metal. The bubbling conditions were a pressure of 0.1 MPa and a flow rate of 200 ml / min. The nozzle used for bubbling was a nozzle with an opening diameter of 4.5 mm so that the bubble size was 4.5 mm in diameter. The atmosphere during melting and bubbling was a mixed gas of 90 vol% nitrogen and 10 vol% hydrogen in order to prevent oxidation of the raw material. After performing this bubbling operation for 5 hours, 10 to 20 g of molten metal was collected from the vicinity of the center of the molten metal with a quartz pipette and immediately poured into the water together with this pipette to solidify the molten metal. The cooling rate at this time was about 600 ° C./min. The solidified Cu alloy was taken out from this pipette, and the work of removing the quartz adhering to the surface was performed to obtain a cast ingot of Cu alloy. The obtained Cu alloy was designated as Sample 1.
また、比較するための試料として、試料1と同じ原料を溶融した後、バブリングを行うことなくすぐに溶湯を凝固することを行って、Cu合金を作製した。溶融作業および凝固作業は試料1の作製と同じように行った。得られたCu合金を試料2とした。 Further, as a sample for comparison, the same raw material as that of Sample 1 was melted, and then the molten metal was immediately solidified without bubbling to produce a Cu alloy. The melting operation and the solidification operation were performed in the same manner as the preparation of Sample 1. The obtained Cu alloy was designated as Sample 2.
さらに、別の比較試料として、無酸素Cu1000gを溶融して、バブリング作業を5時間行った後、この溶湯を凝固することを行って、Cu合金を作製した。溶融作業、バブリング作業および凝固作業は試料1の作製と同じように行った。得られたCu合金を試料3とした。 Further, as another comparative sample, 1000 g of oxygen-free Cu was melted, and after bubbling was performed for 5 hours, the molten metal was solidified to produce a Cu alloy. The melting operation, bubbling operation, and solidification operation were performed in the same manner as the preparation of Sample 1. The obtained Cu alloy was designated as Sample 3.
表1に試料1、試料2および試料3の組成を示す。 Table 1 shows the compositions of Sample 1, Sample 2, and Sample 3.
次に、得られた試料1、試料2および試料3の各々について加工処理を施して丸棒試験体(Cu合金線)を作製した。具体的には、各試料を減面率50%でスウェージ加工することで径がφ4.5mmのCu合金鋳造塊から径がφ3.26mmのCu合金線を作製した。各試験体について調べた引張強度および導電率を表2に示す。 Next, each of the obtained sample 1, sample 2 and sample 3 was processed to produce a round bar specimen (Cu alloy wire). Specifically, a Cu alloy wire with a diameter of φ3.26 mm was produced from a Cu alloy cast ingot with a diameter of φ4.5 mm by swaging each sample at a surface reduction rate of 50%. Table 2 shows the tensile strength and electrical conductivity examined for each specimen.
試料1は引張強度が1000MPa以上であり、かつ、導電率が75%IACS以上であった。これに対し、試料2は引張強度が496MPaであり、試料1の40%程度の引張強度しか有していなかった。また、試料3は引張強度が353MPaであり、試料1の30%程度の引張強度しか有していなかった。これは窒素の含有量が影響していると考えられ、この窒素はZrと反応してZrN(窒化ジルコニウム)を構成しているものと考えられる。そこで、本発明者らは、各試料について臭素メタノール溶液を用いて試料中の金属成分を溶解することを行い、溶解せずに残った非金属成分を回収、乾燥した後、その成分のX線回折による構造解析を行った。そして、試料1のCu合金中に複数のZrNの粒子が形成されていることを確認した。また、本発明者らは、走査型電子顕微鏡により試料1の断面の顕微鏡画像を取得して画像処理することで、Cu合金中のZrN粒子をその面積と等しい円に模式化することを行い、この円の径をZrN粒子の粒径、円の中心間距離をZrN粒子の間隔として、ZrNの平均粒径および平均間隔を求めた。そして、本発明者らは、このZrNが、(1)微細な粒子として形成されていること、(2)試料1のCu合金中に均一に分散していること、を確認した。具体的には、ZrNの粒子は粒径が平均0.08μmであり、かつ、その粒子が平均0.41μmの間隔で分散していた。 Sample 1 had a tensile strength of 1000 MPa or more and a conductivity of 75% IACS or more. In contrast, Sample 2 had a tensile strength of 496 MPa and had only a tensile strength of about 40% of Sample 1. Sample 3 had a tensile strength of 353 MPa, which was only about 30% that of Sample 1. This is considered to be due to the influence of the nitrogen content, and this nitrogen is considered to react with Zr to form ZrN (zirconium nitride). Therefore, the present inventors dissolved the metal component in the sample using a bromine methanol solution for each sample, recovered the non-metallic component remaining without being dissolved, dried, and then X-rays of the component Structural analysis by diffraction was performed. It was confirmed that a plurality of ZrN particles were formed in the Cu alloy of Sample 1. In addition, the inventors have obtained a microscopic image of the cross section of the sample 1 with a scanning electron microscope and image-processed to model the ZrN particles in the Cu alloy into a circle equal to the area, The average particle diameter and the average interval of ZrN were determined with the diameter of this circle as the particle size of ZrN particles and the distance between the centers of the circles as the interval between ZrN particles. Then, the present inventors confirmed that this ZrN was (1) formed as fine particles and (2) was uniformly dispersed in the Cu alloy of Sample 1. Specifically, the ZrN particles had an average particle size of 0.08 μm, and the particles were dispersed at an average interval of 0.41 μm.
(実施例2)
母材にはCu、窒化物形成元素にTiを用いた窒化物分散強化Cu合金を作製した。
(Example 2)
A nitride dispersion-strengthened Cu alloy using Cu as the base material and Ti as the nitride-forming element was prepared.
具体的には、無酸素Cu980g、Cu-Ti合金(Ti含有量50wt%)20gを用意し、実施例1で作製した試料1と同様の方法でCu合金を作製した。得られたCu合金を試料4とした。また、試料1と同様に試料4に加工処理を施して、試験体(Cu合金線)を作製した。表3に試料4の組成および試験体の引張強度と導電率を示す。 Specifically, oxygen-free Cu980 g and Cu-Ti alloy (Ti content 50 wt%) 20 g were prepared, and a Cu alloy was produced by the same method as Sample 1 produced in Example 1. The obtained Cu alloy was designated as Sample 4. Moreover, the sample 4 was processed similarly to the sample 1, and the test body (Cu alloy wire) was produced. Table 3 shows the composition of Sample 4 and the tensile strength and electrical conductivity of the specimen.
試料4は引張強度が1000MPa以上であり、かつ、導電率が75%IACS以上であった。本発明者らは、試料4について試料1と同様にして、試料中の非金属成分のX線回折による構造解析を行い、試料4のCu合金中に複数のTiN(窒化チタン)の粒子が形成されていることを確認した。また、本発明者らは、試料1と同様に試料4の断面の顕微鏡画像を取得して画像処理することで、このTiNが、(1)微細な粒子として形成されていること、(2)試料4のCu合金中に均一に分散していること、を確認した。具体的には、TiNの粒子は粒径が平均0.08μmであり、かつ、その粒子が平均0.52μmの間隔で分散していた。 Sample 4 had a tensile strength of 1000 MPa or more and a conductivity of 75% IACS or more. The present inventors conducted a structural analysis by X-ray diffraction of the nonmetallic component in the sample 4 in the same manner as the sample 1, and a plurality of TiN (titanium nitride) particles were formed in the Cu alloy of the sample 4. Confirmed that it has been. In addition, the present inventors acquired a microscopic image of the cross section of the sample 4 as in the case of the sample 1 and processed the image, whereby (1) the TiN is formed as fine particles, (2) It was confirmed that the Cu alloy of Sample 4 was uniformly dispersed. Specifically, TiN particles had an average particle size of 0.08 μm, and the particles were dispersed at an average interval of 0.52 μm.
(実施例3)
母材にはCu、窒化物形成元素にBを用いた窒化物分散強化Cu合金を作製した。
(Example 3)
A nitride dispersion strengthened Cu alloy was prepared using Cu as the base material and B as the nitride-forming element.
具体的には、無酸素Cu900g、Cu-B合金(B含有量2wt%)100gを用意し、実施例1で作製した試料1と同様の方法でCu合金を作製した。得られたCu合金を試料5とした。また、試料1と同様に試料5に加工処理を施して、試験体(Cu合金線)を作製した。表4に試料5の組成および試験体の引張強度と導電率を示す。 Specifically, 900 g of oxygen-free Cu and 100 g of Cu-B alloy (B content 2 wt%) were prepared, and a Cu alloy was produced by the same method as Sample 1 produced in Example 1. The obtained Cu alloy was designated as Sample 5. Further, the sample 5 was processed in the same manner as the sample 1 to prepare a test body (Cu alloy wire). Table 4 shows the composition of Sample 5 and the tensile strength and conductivity of the test specimen.
試料5は引張強度が1000MPa以上であり、かつ、導電率が75%IACS以上であった。本発明者らは、試料5について試料1と同様にして、試料中の非金属成分のX線回折による構造解析を行い、試料5のCu合金中に複数のBN(窒化ボロン)の粒子が形成されていることを確認した。また、本発明者らは、試料1と同様に試料5の断面の顕微鏡画像を取得して画像処理することで、このBNが、(1)微細な粒子として形成されていること、(2)試料5のCu合金中に均一に分散していること、を確認した。具体的には、BNの粒子は粒径が平均0.09μmであり、かつ、その粒子が平均0.4μmの間隔で分散していた。 Sample 5 had a tensile strength of 1000 MPa or more and a conductivity of 75% IACS or more. The present inventors conducted a structural analysis by X-ray diffraction of the nonmetallic component in the sample 5 in the same manner as in the sample 1, and a plurality of BN (boron nitride) particles were formed in the Cu alloy of the sample 5. Confirmed that it has been. In addition, the present inventors acquired a microscopic image of the cross section of the sample 5 and processed the image in the same manner as the sample 1, whereby (1) the BN was formed as fine particles, (2) It was confirmed that the sample was uniformly dispersed in the Cu alloy of Sample 5. Specifically, the BN particles had an average particle size of 0.09 μm, and the particles were dispersed at an average interval of 0.4 μm.
以上のように、作製した本発明Cu合金である試料1、試料4および試料5は、いずれも引張強度が1000MPa以上、導電率が75%IACS以上の高強度・高導電率のCu合金であることが確認できた。また、これら合金中にはそれぞれZrN、TiN、BNといった窒化物の微粒子が均一に分散していることが確認できた。 As described above, Sample 1, Sample 4 and Sample 5, which are the inventive Cu alloys of the present invention, are high strength and high conductivity Cu alloys having a tensile strength of 1000 MPa or more and a conductivity of 75% IACS or more. I was able to confirm. In addition, it was confirmed that nitride fine particles such as ZrN, TiN, and BN were uniformly dispersed in these alloys.
(実施例4)
試料1と同じ原料を用いて、バブリングの条件や凝固時の冷却速度を変更して窒化物分散強化Cu合金を作製した。
Example 4
Using the same raw material as Sample 1, a nitride dispersion strengthened Cu alloy was produced by changing the bubbling conditions and the cooling rate during solidification.
[バブリングの条件を変更しての実施]
バブリング作業時のガス流量を溶湯1kgあたり50ml/min、5ml/minの各ガス流量でそれぞれ20時間、200時間のバブリング作業を行った後、それぞれの溶湯を凝固して、バブリング条件の異なるCu合金を作製した。これらのバブリングの条件以外は試料1と同様の方法で、溶融、バブリング、および凝固の各作業を行った。得られたCu合金を試料6、試料7とし、試料1と同様に加工処理を施して、試験体(Cu合金線)をそれぞれ作製した。表5に試料6と試料7の組成および試験体の引張強度と導電率を示す。
[Implementation after changing bubbling conditions]
Cu alloy with different bubbling conditions after bubbling work for 20 hours and 200 hours respectively at a gas flow rate of 50 ml / min and 5 ml / min per kg of molten metal for bubbling work, and then solidifying each molten metal Was made. Except for these bubbling conditions, the melting, bubbling, and solidification operations were performed in the same manner as Sample 1. The obtained Cu alloys were used as Sample 6 and Sample 7, and were processed in the same manner as Sample 1 to prepare specimens (Cu alloy wires). Table 5 shows the compositions of Sample 6 and Sample 7, and the tensile strength and conductivity of the test specimens.
試料6は引張強度が1000MPa以上、導電率が75%IACS以上であったが、試料7は引張強度が426MPaであり、試料1の35%程度の引張強度しか有していなかった。そこで、本発明者らは、試料1と同様に試料6および試料7の断面の顕微鏡画像を取得して画像処理することで、ZrNの粒子の状態を調査した。その結果、試料6では試料1と同じようにZrNの粒子が均一に分散していたが、試料7ではZrNの粒子が不均一に分散していた。このことから、試料7では十分な撹拌作用が得られなかったものと考えられる。 Sample 6 had a tensile strength of 1000 MPa or more and an electrical conductivity of 75% IACS or more, while Sample 7 had a tensile strength of 426 MPa, which was only about 35% of that of Sample 1. Therefore, the present inventors investigated the state of ZrN particles by acquiring microscopic images of the cross sections of Sample 6 and Sample 7 and performing image processing in the same manner as Sample 1. As a result, ZrN particles were uniformly dispersed in Sample 6 as in Sample 1, but ZrN particles were nonuniformly dispersed in Sample 7. From this, it is considered that Sample 7 did not obtain a sufficient stirring action.
[凝固時の冷却速度を変更しての実施]
凝固作業時の冷却速度を60℃/min、5℃/minの各冷却速度で行った以外は試料1と同様の方法で、溶融、バブリング、および凝固の各作業を行って、冷却速度の異なるCu合金をそれぞれ作製した。得られたCu合金を試料8、試料9とし、試料1と同様に加工処理を施して、試験体(Cu合金線)をそれぞれ作製した。表6に試料8と試料9の組成および試験体の引張強度と導電率を示す。
[Implementation by changing the cooling rate during solidification]
Different cooling rates are obtained by performing the melting, bubbling, and solidification operations in the same manner as Sample 1, except that the cooling rates during solidification are 60 ° C / min and 5 ° C / min. Cu alloys were prepared respectively. The obtained Cu alloys were designated as Sample 8 and Sample 9, and processed in the same manner as Sample 1 to prepare test bodies (Cu alloy wires). Table 6 shows the compositions of Sample 8 and Sample 9, and the tensile strength and conductivity of the test specimens.
試料8は引張強度が1000MPa以上、導電率が75%IACS以上であったが、試料9は引張強度が413MPaであり、試料1の35%程度の引張強度しか有していなかった。そこで、本発明者らは、試料1と同様に試料8および試料9の断面の顕微鏡画像を取得して画像処理することで、ZrNの粒子の状態を調査した。その結果、試料8では試料1と同じようにZrNの粒子が均一に分散していたが、試料9ではZrNの粒子が不均一に分散していた。このことから、試料9は凝固時の冷却速度が遅いために、ZrNの粒子の分散状態が不均一になったものと考えられる。 Sample 8 had a tensile strength of 1000 MPa or more and an electrical conductivity of 75% IACS or more, while Sample 9 had a tensile strength of 413 MPa, which was only about 35% of that of Sample 1. Therefore, the present inventors investigated the state of ZrN particles by acquiring microscopic images of the cross sections of the sample 8 and the sample 9 and performing image processing in the same manner as the sample 1. As a result, the sample 8 had the ZrN particles uniformly dispersed as in the sample 1, but the sample 9 had the ZrN particles dispersed non-uniformly. From this, it is considered that the dispersion state of the ZrN particles became non-uniform because the cooling rate of Sample 9 was slow during solidification.
次に、窒素ガス1molあたりの窒化物の標準生成自由エネルギーが1100℃で−100kJ以下−200kJ超の元素であるVとNbを窒化物形成元素に用いたCu合金について調べた。 Next, a Cu alloy using V and Nb, which are elements having a standard free energy of formation of nitride per 1 mol of nitrogen gas of −100 kJ or less and more than −200 kJ at 1100 ° C., was investigated.
(実施例5)
母材にはCu、窒化物形成元素にVを用いた窒化物分散強化Cu合金を作製した。
(Example 5)
A nitride dispersion strengthened Cu alloy was prepared using Cu as the base material and V as the nitride-forming element.
具体的には、無酸素Cu980g、Cu-V合金(V含有量50wt%)20gを用意し、実施例1で作製した試料1と同様の方法でCu合金を作製した。得られたCu合金を試料10とした。また、試料1と同様に試料10に加工処理を施して、試験体(Cu合金線)を作製した。表7に試料10の組成および試験体の引張強度と導電率を示す。 Specifically, oxygen-free Cu980 g and Cu-V alloy (V content 50 wt%) 20 g were prepared, and a Cu alloy was produced by the same method as Sample 1 produced in Example 1. The obtained Cu alloy was designated as Sample 10. Further, the sample 10 was processed in the same manner as the sample 1 to prepare a test body (Cu alloy wire). Table 7 shows the composition of Sample 10 and the tensile strength and conductivity of the test specimen.
試料10は引張強度が1000MPa以上であり、かつ、導電率が75%IACS以上であった。本発明者らは、試料10について試料1と同様にして、試料中の非金属成分のX線回折による構造解析を行い、試料10のCu合金中に複数のVN(窒化バナジウム)の粒子が形成されていることを確認した。また、本発明者らは、試料1と同様に試料10の断面の顕微鏡画像を取得して画像処理することで、このVNが、(1)微細な粒子として形成されていること、(2)試料10のCu合金中に均一に分散していること、を確認した。具体的には、VNの粒子は粒径が平均0.08μmであり、かつ、その粒子が平均0.49μmの間隔で分散していた。 Sample 10 had a tensile strength of 1000 MPa or more and a conductivity of 75% IACS or more. The present inventors conducted a structural analysis of the sample 10 by X-ray diffraction of the nonmetallic component in the same manner as the sample 1, and a plurality of VN (vanadium nitride) particles were formed in the Cu alloy of the sample 10. Confirmed that it has been. In addition, the present inventors obtain a microscope image of a cross section of the sample 10 and perform image processing in the same manner as the sample 1, and (1) the VN is formed as fine particles, (2) It was confirmed that the sample was uniformly dispersed in the Cu alloy of Sample 10. Specifically, VN particles had an average particle size of 0.08 μm, and the particles were dispersed at an average interval of 0.49 μm.
(実施例6)
母材にはCu、窒化物形成元素にNbを用いた窒化物分散強化Cu合金を作製した。
(Example 6)
A nitride dispersion strengthened Cu alloy was prepared using Cu as the base material and Nb as the nitride-forming element.
具体的には、無酸素Cu980g、Cu-Nb合金(Nb含有量50wt%)20gを用意し、実施例1で作製した試料1と同様の方法でCu合金を作製した。得られたCu合金を試料11とした。また、試料1と同様に試料11に加工処理を施して、試験体(Cu合金線)を作製した。表8に試料11の組成および試験体の引張強度と導電率を示す。 Specifically, oxygen-free Cu980 g and Cu-Nb alloy (Nb content 50 wt%) 20 g were prepared, and a Cu alloy was produced by the same method as Sample 1 produced in Example 1. The obtained Cu alloy was designated as Sample 11. Further, the sample 11 was processed in the same manner as the sample 1 to prepare a test body (Cu alloy wire). Table 8 shows the composition of Sample 11 and the tensile strength and conductivity of the test specimen.
試料11は引張強度が1000MPa以上であり、かつ、導電率が75%IACS以上であった。本発明者らは、試料11について試料1と同様にして、試料中の非金属成分のX線回折による構造解析を行い、試料11のCu合金中に複数のNbN(窒化ニオブ)の粒子が形成されていることを確認した。また、本発明者らは、試料1と同様に試料11の断面の顕微鏡画像を取得して画像処理することで、このNbNが、(1)微細な粒子として形成されていること、(2)試料11のCu合金中に均一に分散していること、を確認した。具体的には、NbNの粒子は粒径が平均0.08μmであり、かつ、その粒子が平均0.39μmの間隔で分散していた。 Sample 11 had a tensile strength of 1000 MPa or more and a conductivity of 75% IACS or more. The present inventors conducted a structural analysis by X-ray diffraction of the nonmetallic component in the sample 11 in the same manner as the sample 1, and formed a plurality of NbN (niobium nitride) particles in the Cu alloy of the sample 11. Confirmed that it has been. In addition, the present inventors acquired a microscopic image of the cross section of the sample 11 as in the case of the sample 1 and processed the image, whereby (1) the NbN is formed as fine particles, (2) It was confirmed that the sample 11 was uniformly dispersed in the Cu alloy. Specifically, the NbN particles had an average particle size of 0.08 μm, and the particles were dispersed at an average interval of 0.39 μm.
実施例5、6に示すように、窒化物形成元素にV、Nbを用いた試料10、11は、高強度でありながら、高導電率を兼ね備えたCu合金であり、窒化物の標準生成自由エネルギーが1100℃で−200kJを超えるVやNbであっても、窒素と効率よく反応して窒化物の粒子を形成すること確認できた。また、これら合金中にはそれぞれVN、NbNといった窒化物の微粒子が均一に分散していることが確認できた。 As shown in Examples 5 and 6, Samples 10 and 11 using V and Nb as nitride-forming elements are Cu alloys having high strength and high conductivity, and are free of standard generation of nitrides. It was confirmed that even if the energy is V or Nb exceeding −200 kJ at 1100 ° C., it reacts efficiently with nitrogen to form nitride particles. It was also confirmed that nitride fine particles such as VN and NbN were uniformly dispersed in these alloys.
<導体ワイヤの作製とその評価>
次に、上記した試料1、試料4、試料5、試料10および試料11のそれぞれの試験体をワイヤ状に成形することを行った。具体的には、減面率99.9%で伸線加工を施すことで径がφ3.26mmのCu合金線から径がφ0.1mmの導体ワイヤを作製した。試料1のCu合金を用いて作製した導体ワイヤをワイヤ1、試料4のCu合金を用いて作製した導体ワイヤをワイヤ2、試料5のCu合金を用いて作製した導体ワイヤをワイヤ3、試料10のCu合金を用いて作製した導体ワイヤをワイヤ4、試料11のCu合金を用いて作製した導体ワイヤをワイヤ5とした。ワイヤ1〜5のそれぞれの引張強度と導電率を測定した結果を表9に示す。また、比較例として、一般的に利用されているCu-0.3Sn(Snを0.3wt%含有するCu合金)でできた導体ワイヤの引張強度と導電率を測定した結果も併せて示す。
<Production of conductor wire and its evaluation>
Next, each of the specimens of Sample 1, Sample 4, Sample 5, Sample 10, and Sample 11 was formed into a wire shape. Specifically, a conductor wire having a diameter of φ0.1 mm was produced from a Cu alloy wire having a diameter of φ3.26 mm by performing wire drawing at a surface reduction rate of 99.9%. Conductor wire produced using the Cu alloy of Sample 1 is Wire 1, Conductor wire produced using the Cu Alloy of Sample 4 is Wire 2, Conductor wire produced using the Cu alloy of Sample 5 is Wire 3, Sample 10 The conductor wire produced using the Cu alloy of No. 4 was designated as wire 4, and the conductor wire produced using the Cu alloy of Sample 11 was designated as wire 5. Table 9 shows the results of measuring the tensile strength and conductivity of each of the wires 1 to 5. As a comparative example, the results of measuring the tensile strength and conductivity of a conductor wire made of Cu-0.3Sn (Cu alloy containing 0.3 wt% Sn) that is generally used are also shown.
本発明Cu合金を成形して得られたワイヤ1〜5は、いずれも75%IACS以上の高導電率を有しており、特に、引張強度が1000MPa以上のものであった。これらは、比較例に用いたCu-0.3Snのワイヤの引張強度と比較して約2倍であった。さらに、本発明者らが走査型電子顕微鏡によりワイヤ1〜5の断面の顕微鏡画像を取得し、画像処理を施して確認したところ、それぞれの合金中に存在する窒化物の粒子は粒径が平均0.05μmであり、かつ、その粒子が平均0.3μmの間隔で分散していた。 The wires 1 to 5 obtained by molding the Cu alloy of the present invention all had a high conductivity of 75% IACS or higher, and in particular, had a tensile strength of 1000 MPa or higher. These were about twice the tensile strength of the Cu-0.3Sn wire used in the comparative example. Furthermore, when the present inventors acquired a microscopic image of the cross section of the wires 1 to 5 with a scanning electron microscope and confirmed by performing image processing, the average particle size of the nitride particles present in each alloy was The average particle size was 0.05 μm, and the particles were dispersed at an average interval of 0.3 μm.
本発明Cu合金は、高強度と高導電率といった両方の性質を兼ね備えており、自動車、電気・電子機器、ロボットなどに利用されるリードワイヤ、リードフレーム、ケーブルとして好適に利用できる。 The Cu alloy of the present invention has both properties such as high strength and high conductivity, and can be suitably used as a lead wire, a lead frame, and a cable used in automobiles, electrical / electronic devices, robots, and the like.
また、本発明Cu合金の製造方法は、上記したCu合金を容易に製造することができる。 Moreover, the manufacturing method of this invention Cu alloy can manufacture the above-mentioned Cu alloy easily.
Claims (8)
溶湯を凝固した溶製合金であり、
前記窒化物の粒子は、粒径が平均0.1μm以下であり、かつ、その粒子が平均1μm以下の間隔で分散しており、
この合金の引張強度は1000MPa以上であり、かつ、導電率は75%IACS以上であることを特徴とする分散強化Cu合金。 A dispersion strengthened Cu alloy in which nitride is dispersed in Cu or Cu alloy,
It is a molten alloy that solidifies molten metal,
The nitride particles have an average particle size of 0.1 μm or less, and the particles are dispersed at an average interval of 1 μm or less,
Dispersion strengthened Cu alloy characterized in that the tensile strength of this alloy is 1000 MPa or more and the electrical conductivity is 75% IACS or more.
CuまたはCu合金に窒化物を形成し易い元素を添加して溶融する溶融工程と、
溶融工程により得られた溶湯中に窒素を含むガスをバブリングするバブリング工程と、
この溶湯を10℃/min以上の冷却速度で凝固する凝固工程とを具え、
前記バブリング工程において、溶湯に供給するガスの気泡のサイズを直径10mm以下とし、かつ、前記ガスの流量を溶湯1kgあたり10ml/min以上として、
これら工程により得られた分散強化Cu合金において、
前記窒化物の粒子の粒径を平均0.1μm以下とし、かつ、その粒子を平均1μm以下の間隔で分散させ、
引張強度を1000MPa以上とし、かつ、導電率を75%IACS以上とすることを特徴とする分散強化Cu合金の製造方法。 A method for producing a dispersion strengthened Cu alloy in which nitride is dispersed in Cu or a Cu alloy,
A melting process in which an element that easily forms nitride is added to Cu or a Cu alloy and melted;
A bubbling step of bubbling a gas containing nitrogen in the molten metal obtained by the melting step;
A solidification process for solidifying this molten metal at a cooling rate of 10 ° C / min or more,
In the bubbling step, the size of the gas bubbles supplied to the molten metal is 10 mm or less in diameter, and the flow rate of the gas is 10 ml / min or more per 1 kg of the molten metal,
In the dispersion strengthened Cu alloy obtained by these processes ,
The average particle size of the nitride particles is 0.1 μm or less, and the particles are dispersed at an average interval of 1 μm or less,
A method for producing a dispersion strengthened Cu alloy, characterized by having a tensile strength of 1000 MPa or more and an electrical conductivity of 75% IACS or more.
ワイヤに成形された分散強化Cu合金中に存在する窒化物の粒子は、粒径が平均0.1μm以下であり、かつ、その粒子が平均1μm以下の間隔で分散していることを特徴とする導体ワイヤ。 It is formed by drawing the dispersion strengthened Cu alloy according to any one of claims 1 to 3,
Nitride particles present in a dispersion strengthened Cu alloy formed on a wire have an average particle size of 0.1 μm or less, and the particles are dispersed at an average interval of 1 μm or less. Wire.
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