JP6175248B2

JP6175248B2 - 導電材及びその製造方法

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Publication number: JP6175248B2
Application number: JP2013029990A
Authority: JP
Inventors: 亮坂巻
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2013-02-19
Filing date: 2013-02-19
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2033-02-19
Also published as: JP2014159609A

Description

本発明は、導電材及びその製造方法に関する。

従来、銅系材料の強度を増加するためには銅に銀や錫を添加した銅合金とすることや加工によって硬化を促す方法が知られている。

例えば、下記特許文献１には、銀を０．５質量％以上１５．０質量％以下含有させた銅合金材料をφ８ｍｍからφ０．０２５ｍｍまで伸線加工することで８００ＭＰａ以上の引張強さを確保した電子機器用の導電材が開示されている。下記特許文献１には、伸線前と伸線後の径の差を大きくし、伸線加工歪を大きくすることで伸線材の強度を増加させることが開示されている。

特開２００９−２４９６６０号公報

しかし、例えばトロリー線などの架空電車線等のように、目標とする伸線材の径が大きい場合、伸線加工歪を大きくするためには伸線前の被伸線材の径も大きくしなければならないが、被伸線材の大径化にも限界がある。

従って、伸線加工歪を加えなくても十分に強度を向上させることができる銅合金体が求められていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、伸線加工歪を加えなくても十分に強度を向上させることができる導電材及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、Ａｇ、Ｉｎ、Ｍｇ又はＳｎなどの元素をＣｕに所定の割合で添加するとともに、結晶粒の平均粒径の大きさを所定の値以下にすることで、上記課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、Ａｇ、Ｉｎ、Ｍｇ及びＳｎからなる群より選択される少なくとも１種の元素を０．０１原子％以上０．２原子％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる銅合金体であって、結晶粒の平均粒径が２μｍ以下である銅合金体を伸線加工してなる導電材である。

本発明の導電材は、上述した銅合金体を伸線加工してなるものであり、伸線加工歪を加えなくても十分な強度を得ることができる。

上記銅合金体においては、Ｘ線回折スペクトル測定による（１１１）ピークの半価幅が０．３６°以上であることが好ましい。

この場合、Ｘ線回折スペクトル測定による（１１１）ピークの半価幅が０．３６°未満である場合に比べて、伸線加工歪を加えなくてもより十分に強度を向上させることができ、かつ高い耐疲労特性を得ることができる。

さらに本発明は、Ａｇ、Ｉｎ、Ｍｇ及びＳｎからなる群より選択される少なくとも１種の元素を０．０１原子％以上０．２原子％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる被加工材を強ひずみ加工することによって結晶粒の平均粒径が２μｍ以下となるように銅合金体を形成する工程と、前記銅合金体を伸線加工して導電材を得る工程とを含む、導電材の製造方法である。

この製造方法によれば、伸線加工歪を加えなくても十分に強度を向上させることができる導電材を得ることができる。

本発明によれば、伸線加工歪を加えなくても十分に強度を向上させることができる導電材及びその製造方法が提供される。

以下、本発明の実施形態について説明する。

（銅合金体）
本発明の銅合金体は、Ａｇ、Ｉｎ、Ｍｇ及びＳｎからなる群より選択される少なくとも１種の元素を０．０１原子％以上含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる銅合金体であって、結晶粒の平均粒径が２μｍ以下である。

この銅合金体によれば、伸線加工歪を加えなくても十分に強度を向上させることが可能となる。

本発明の銅合金体は、上述したように、上記元素を０．０１原子％以上含有する。上記元素の含有率が０．０１原子％未満であると、伸線加工歪を加えない場合には十分に強度を向上させることができない。

上記元素の含有率は好ましくは０．０３原子％以上であり、より好ましくは０．０５原子％以上である。

上記元素の含有率の好ましい上限は、元素の種類によって異なる。Ａｇ、Ｉｎ、Ｍｇ及びＳｎの含有率（原子％）の上限をそれぞれＸ_Ａｇ、Ｘ_Ｉｎ、Ｘ_Ｍｇ及びＸ_Ｓｎとした場合、Ｘ_Ａｇ、Ｘ_Ｉｎ、Ｘ_Ｍｇ及びＸ_Ｓｎは下記式を満たすことが好ましい。
（１／１４）Ｘ_Ａｇ＋（１／１１）Ｘ_Ｉｎ＋（１／７）Ｘ_Ｍｇ＋（１／９）Ｘ_Ｓｎ＝１
ここで、Ｘ_Ａｇ、Ｘ_Ｉｎ、Ｘ_Ｍｇ及びＸ_Ｓｎの各係数の分母は、Ａｇ、Ｉｎ、Ｍｇ及びＳｎの含有率の上限値である。例えば上記元素がＡｇからなる場合には、Ｘ_Ｉｎ＝０原子％、Ｘ_Ｍｇ＝０原子％、Ｘ_Ｓｎ＝０原子％であるから、Ｘ_Ａｇは１４原子％となる。また上記元素がＩｎからなる場合には、Ｘ_Ａｇ＝０原子％、Ｘ_Ｍｇ＝０原子％、Ｘ_Ｓｎ＝０原子％であるから、Ｘ_Ｉｎは１１原子％となる。上記元素がＭｇからなる場合には、Ｘ_Ａｇ＝０原子％、Ｘ_Ｉｎ＝０原子％、Ｘ_Ｓｎ＝０原子％であるから、Ｘ_Ｍｇ＝７原子％となる。上記元素がＳｎからなる場合には、Ｘ_Ａｇ＝０原子％、Ｘ_Ｍｇ＝０原子％、Ｘ_Ｉｎ＝０原子％であるから、Ｘ_Ｓｎ＝９原子％となる。

本発明の銅合金体においては、上述したように、結晶粒の平均粒径が２μｍ以下である。ここで、「結晶粒の平均粒径」とは、電子線後方散乱回折法（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒｉｎｇＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＥＢＳＤ）を用いて観察される結晶粒について、ＪＩＳＨ０５０１に記載の結晶粒度の測定方法のうちの切断法に基づいて測定される粒径の平均値（結晶粒度）を言う。ここで、ＥＢＳＤは、具体的には、極低加速電圧走査型電子顕微鏡（ＺＥＩＳＳ社製ＵＬＴＲＡ５５）に検出器（ＴＳＬ社製ＤｉｇｉＶｉｅｗ）を組み合せて行われる。このとき、電子線の加速電圧は１５〜２５ｋＶ、ＷＤ（ＷｏｒｄｋｉｎｇＤｉｓｔａｎｃｅ）は１５〜２５ｍｍとされる。

平均粒径は好ましくは１μｍ以下である。この場合、平均粒径が１μｍを超える場合に比べて、耐疲労特性がより向上する。平均粒径はより好ましくは０．５μｍ以下である。

但し、平均粒径は０．０５μｍ以上であることが好ましい。この場合、平均粒径が０．０５μｍ未満である場合に比べて、粒界すべりによる強度減少を避けることができるという利点が得られる。

この場合、Ｘ線回折スペクトル測定による（１１１）ピークの半価幅が０．３６°未満である場合に比べて、伸線加工歪を加えなくてもより十分に強度を向上させることができ、かつ高い耐疲労特性を得ることができる。この理由について本発明者は以下のように推測する。すなわち、Ｘ線回折スペクトル測定による半価幅は一般には、転位密度及び結晶粒径などによって決定され、転位密度が大きい或いは結晶粒径が小さいと広がる傾向にあり、転位密度はひずみ加工によって大きくなる。しかし、０．３６°以上の（１１１）ピークの半価幅は、銅合金体が強ひずみ加工されていないと実現することが難しい。従って、（１１１）ピークの半価幅が０．３６°以上であるということは、銅合金体が強ひずみ加工を施されたものであるということであると考えられ、強ひずみ加工によれば、強度を向上させることが可能である。従って、Ｘ線回折スペクトル測定による（１１１）ピークの半価幅が０．３６°以上であると、上記の通り、伸線加工歪を加えなくてもより十分に強度を向上させることができ、かつ高い耐疲労特性を得ることができるのではないかと本発明者は推測する。

（１１１）ピークの半価幅は好ましくは０．３６５°以上であり、より好ましくは０．３７０°以上である。但し、（１１１）ピークの半価幅は好ましくは０．５４０°以下であり、より好ましくは０．４６０°以下である。

（銅合金体の製造方法）
次に、上記銅合金体の製造方法について説明する。

本発明の銅合金体の製造方法は、Ａｇ、Ｉｎ、Ｍｇ及びＳｎからなる群より選択される少なくとも１種の元素を０．０１原子％以上含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる被加工材を強ひずみ加工することによって結晶粒の平均粒径が２μｍ以下となるように銅合金体を得る工程を含む。

この製造方法によれば、伸線加工歪を加えなくても十分に強度を向上させることができる銅合金体を得ることができる。

上記被加工材は、Ａｇ、Ｉｎ、Ｍｇ及びＳｎからなる群より選択される少なくとも１種の元素を０．０１原子％以上含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなるものであればよい。

被加工材は、例えばＡｇ、Ｉｎ、Ｍｇ及びＳｎからなる群より選択される少なくとも１種の元素を０．０１原子％以上含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる原料合金材を伸線加工した後、焼鈍熱処理することによって得ることができる。但し、伸線加工及び焼鈍熱処理は必ずしも行わなくてもよい。この場合、上記原料合金材がそのまま被加工材となる。

強ひずみ加工としては、例えばＥＣＡＰ（ＥｑｕａｌＣｈａｎｎｅｌＡｎｇｕｌａｒＰｒｅｓｓｉｎｇ）加工法が用いられる。

ＥＣＡＰ加工法は、金型に形成された貫通孔に被加工材を繰り返し通過させる加工法であり、繰返し押出加工法とも呼ばれる。貫通孔は、その延び方向に沿って同じ断面積を保ちながら屈曲部で屈曲するように形成されている。被加工材が屈曲部を通過する際、被加工材に強度のせん断変形が与えられ、これにより平均粒径の微細化が可能となる。

得られる銅合金体における平均粒径を２μｍ以下にするためには、例えば金型に形成された貫通孔に被加工材を通過させる回数（以下、必要に応じて「パス数」と呼ぶ）を２回以上行えばよい。パス数は、好ましくは３回以上であり、より好ましくは４回以上である。但し、パス数は通常、１６回以下である。

金型は、例えば半割り金型で構成される。金型の形状は特に制限されないが、通常は直方体である。

貫通孔は、屈曲部と、屈曲部の一端に形成される第１被加工材通過部と、屈曲部の他端に形成される第２被加工材通過部とで構成される。第１被加工材通過部の延び方向と第２被加工材通過部の延び方向とのなす角（屈曲角）は６０〜１２０°であれば良いが、通常は９０°である。

被加工材を貫通孔に通過させる際には、例えば油圧プレス等で被加工材を押し込めばよい。この際、押込速度は特に制限されないが、例えば１０〜２００ｃｍ／ｈとすればよい。また押込圧も特に制限されないが、例えば５００〜２０００ＭＰａとすればよい。

（導電材）
本発明の導電材は、上述した銅合金体を伸線加工してなるものである。

本発明の導電材は、上述した銅合金体を伸線加工してなるものであるため、上述した銅合金体よりも、より優れた強度を有する。

本発明の導電材は、高い強度が要求される用途、例えばトロリー線、ケーブルの信号線などに適用することができる。

以下、本発明の内容を実施例及び比較例を挙げてより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１〜２７及び比較例１〜２４）
Ａｇ、Ｓｎ、Ｉｎ又はＭｇが表１〜４に示す含有率となるように鋳造機にて銅合金を鋳造して、酸素含有量が２０ｐｐｍ以下で線径２４ｍｍの原料合金材を作製した。次に、原料合金材を、直径が６ｍｍとなるまで伸線加工した後、焼鈍熱処理を行った。こうして直径６ｍｍの被加工材を得た。

次に、被加工材に対してＥＣＡＰ加工法を用いて強ひずみ加工を施した。ＥＣＡＰ加工法は以下のようにして行った。すなわち、まずＬ字型の貫通孔が形成されている金型を用意した。このとき、金型の材質、寸法、貫通孔の直径、及び貫通孔の屈曲角は下記の通りとした。

金型の材質：ＤＣ５３（大同特殊鋼株式会社製、冷間工具鋼）
金型の寸法：１５ｍｍ×１５ｍｍ×２０ｍｍ
貫通孔の孔径：６ｍｍ
貫通孔の屈曲角：９０°

そして、この金型の貫通孔に上記被加工材を、室温にて油圧プレスを用い３０ｃｍ／ｈの速度で且つ１２００ＭＰａの押込圧で押し込み、貫通孔を通過させた。そして、上記被加工材が貫通孔を通過する回数（パス数）は、表１〜４に示す通りとした。こうして直径６ｍｍの銅合金体を得た。

その後、銅合金体に対し、表１〜４に示す伸線加工歪を加えるように伸線加工を行った。こうして金属体を得た。このとき、加えた伸線加工歪が０であることは、銅合金体に伸線加工歪を加えなかったことを意味する。すなわち、金属体は銅合金体である。加えた伸線加工歪が０より大きいことは、銅合金体に伸線加工歪を加えたことを意味する。すなわち、金属体は導電材である。なお、伸線加工歪は、下記式で表される。
伸線加工歪＝２×ｌｎ（銅合金体の直径／金属体の直径）

［特性評価］
（引張強度）
実施例１〜２７及び比較例１〜２４で得られた導電材について、ＪＩＳＣ３００２に準拠して、２０℃での引張試験を行い、引張強度を求めた。結果を表１〜４に示す。

（Ｘ線回折スペクトル測定による（１１１）ピークの半価幅）
実施例１〜２７及び比較例１〜２４で得られた導電材について、Ｘ線回折スペクトルの測定を行い、（１１１）ピークの半価幅を求めた。結果を表１〜４に示す。なお、Ｘ線回折スペクトル測定は、ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ社製のＸ‘ＰｅｒｔＰＲＯを用いて、加速電圧４５ｋＶ、電流値４０ｍＡの測定条件で行った。

（回転曲げ疲労試験による破断回数）
実施例１〜２７及び比較例１〜２４で得られた導電材について、ＪＩＳＺ２２７４に準拠した回転曲げ疲労試験を行い、そのときの破断回数を求めた。このとき、回転曲げ疲労試験は、中村式回転曲げ疲労試験機（島津製作所社製）を用い、導電材表面に最大２２５０×１０^−６の歪がかかるように導電材を曲げて実施した。破断回数の結果を表１〜４に示す。なお、表１〜４において、「２２５０μＳＴ」とは、回転曲げ疲労試験において、導電材表面にかかる最大の歪を意味する。

表１〜４に示す結果より、実施例１〜２７で得られた銅合金体及び導電材については、伸線加工歪を加えなくても５００ＭＰａ以上の引張強度を達成することができた。これに対し、比較例１〜２４においては、伸線加工歪を加えても、５００ＭＰａ以上の引張強度を達成することができなかった。

このことから、本発明の銅合金によれば、伸線加工歪を加えなくても十分に強度を向上させることができることが可能となることが分かった。

Claims

Ａｇ、Ｉｎ、Ｍｇ及びＳｎからなる群より選択される少なくとも１種の元素を０．０１原子％以上０．２原子％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる銅合金体であって、結晶粒の平均粒径が２μｍ以下である銅合金体を伸線加工してなる導電材。
前記銅合金体において、Ｘ線回折スペクトル測定による（１１１）ピークの半価幅が０．３６°以上である請求項１記載の導電材。
Ａｇ、Ｉｎ、Ｍｇ及びＳｎからなる群より選択される少なくとも１種の元素を０．０１原子％以上０．２原子％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる被加工材を強ひずみ加工することによって結晶粒の平均粒径が２μｍ以下となるように銅合金体を形成する工程と、前記銅合金体を伸線加工して導電材を得る工程とを含む、導電材の製造方法。