JP6221471B2 - 電子・電気機器用銅合金、電子・電気機器用銅合金塑性加工材、電子・電気機器用銅合金塑性加工材の製造方法、電子・電気機器用部品及び端子 - Google Patents

電子・電気機器用銅合金、電子・電気機器用銅合金塑性加工材、電子・電気機器用銅合金塑性加工材の製造方法、電子・電気機器用部品及び端子 Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置のコネクタ等の端子、あるいは電磁リレーの可動導電片や、リードフレームなどの電子・電気機器用部品として使用される電子・電気機器用銅合金と、それを用いた電子・電気機器用銅合金塑性加工材、電子・電気機器用銅合金塑性加工材の製造方法、電子・電気機器用部品及び端子に関するものである。
従来、電子機器や電気機器等の小型化にともない、これら電子機器や電気機器等に使用されるコネクタ等の端子、リレー、リードフレーム等の電子・電気機器用部品の小型化および薄肉化が図られている。このため、電子・電気機器用部品を構成する材料として、ばね性、強度、曲げ加工性に優れた銅合金が要求されている。特に、非特許文献1に記載されているように、コネクタ等の端子、リレー、リードフレーム等の電子・電気機器用部品として使用される銅合金としては、耐力が高いものが望ましい。
ここで、コネクタ等の端子、リレー、リードフレーム等の電子・電気機器用部品に使用される銅合金として、非特許文献2に記載されているCu−Mg合金、や、特許文献1に記載されているCu−Mg−Zn−B合金等が開発されている。
これらのCu−Mg系合金では、図1に示すCu−Mg系状態図から分かるように、Mgの含有量が3.3原子%以上の場合、溶体化処理と、析出処理を行うことで、CuとMgからなる金属間化合物を析出させることができる。すなわち、これらのCu−Mg系合金においては、析出硬化によって比較的高い導電率と強度を有することが可能となるのである。
しかしながら、非特許文献2および特許文献1に記載されたCu−Mg系合金では、母相中に多くの粗大なCuとMgを主成分とする金属間化合物が分散されていることから、曲げ加工時にこれらの金属間化合物が起点となって割れ等が発生しやすいため、複雑な形状の電子・電気機器用部品を成形することができないといった問題があった。
特に、携帯電話やパソコン等の民生品に使用される電子・電気機器用部品においては、小型化及び軽量化が求められており、強度と曲げ加工性とを両立した電子・電気機器用銅合金が求められている。しかしながら、上述のCu−Mg系合金のような析出硬化型合金においては、析出硬化によって強度及び耐力を向上させると曲げ加工性が著しく低下してしまうことになる。このため、薄肉で複雑な形状の電子・電気機器用部品を成形することはできなかった。
そこで、特許文献2には、Cu−Mg合金を溶体化後に急冷することによって作製したCu−Mg過飽和固溶体の加工硬化型銅合金が提案されている。
このCu−Mg合金は、優れた強度、導電率、曲げ性のバランスに優れており、上述の電子・電気機器用部品の素材として、特に適している。
特開平07−018354号公報 特許第5045783号公報
野村幸矢、「コネクタ用高性能銅合金条の技術動向と当社の開発戦略」、神戸製鋼技報Vol.54No.1(2004)p.2−8 掘茂徳、他2名、「Cu−Mg合金における粒界型析出」、伸銅技術研究会誌Vol.19(1980)p.115−124
ところで、最近では、電子・電気機器のさらなる軽量化にともない、これら電子機器や電気機器等に使用されるコネクタ等の端子、リレー、リードフレーム等の電子・電気機器用部品の薄肉化が図られている。このため、コネクタ等の端子においては、接圧を確保するために、厳しい曲げ加工を行う必要があり、従来よりも優れた耐力−曲げバランスが要求されている。さらに、これらの電子・電気機器用部品は、自動車のエンジンルーム等の高温環境下で使用されることがあり、従来にも増して、優れた耐応力緩和特性が要求されている。
ここで、銅合金においては、結晶粒径を微細にすることによって強度及び曲げ加工性が向上することが知られている。しかしながら、結晶粒径を微細化した場合、耐応力緩和特性が劣化するため、高温環境下での信頼性が低下してしまうおそれがあった。
以上のように、従来のCu−Mg合金においては、強度、曲げ加工性、耐応力緩和特性をバランス良く向上させることができなかった。
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、強度、曲げ特性、耐応力緩和特性に特に優れ、コネクタ等の端子、リレー、リードフレーム等の電子・電気機器用部品に適した電子・電気機器用銅合金、電子・電気機器用銅合金塑性加工材、電子・電気機器用銅合金塑性加工材の製造方法、電子・電気機器用部品及び端子を提供することを目的とする。
この課題を解決するために、本発明の電子・電気機器用銅合金は、Mgを3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含み、残部がCu及び不可避不純物とされ、圧延の幅方向に対して垂直な面を観察面として、EBSD法により1000μm以上の測定面積を測定間隔0.1μmステップで測定して、データ解析ソフトOIMにより解析されたCI値が0.1以下である測定点を除いて解析し、隣接する測定間の方位差が15°を超える測定点間を結晶粒界とし、全ての結晶粒界長さLに対するΣ3、Σ9、Σ27a、Σ27bの各粒界長さの和Lσの比率である特殊粒界長さ比率(Lσ/L)が10%以上80%以下の範囲内とされ、圧延の幅方向に対して垂直な面における平均結晶粒径(双晶を含む)が0.5μm以上50μm以下の範囲内とされ、0.2%耐力σ0.2が400MPa以上とされていることを特徴としている。
上述の構成とされた電子・電気機器用銅合金においては、全ての結晶粒界長さLに対するΣ3、Σ9、Σ27a、Σ27bの各粒界長さの和Lσの比率である特殊粒界長さ比率(Lσ/L)が10%以上とされているので、結晶性の高い粒界(原子配列の乱れが少ない粒界)が増加することにより、曲げ加工時の破壊の起点となる粒界の割合を少なくすることが可能となり、曲げ加工性に優れることになる。さらに、特殊粒界は、ランダム粒界と比べて粒界の拡散が遅いことから、耐応力緩和特性の劣化を抑制することができる。
よって、結晶粒径を微細とするとともに、この結晶粒界における特殊粒界長さ比率を増加させることにより、強度、曲げ加工性、耐応力緩和特性に優れた電子・電気機器用銅合金を得ることができる。
上述の作用効果を確実に奏功せしめるためには、特殊粒界長さ比率を12%以上とすることが好ましく、15%以上とすることがさらに好ましい。
なお、EBSD法とは、後方散乱電子回折像システム付の走査型電子顕微鏡による電子線反射回折(Electron Backscatter Diffraction Patterns:EBSD)法を意味し、またOIMは、EBSD法による測定データを用いて結晶方位を解析するためのデータ解析ソフトOrientation Imaging Microscopy:OIM)である。さらにCI値とは、信頼性指数(Confidence Index)であって、EBSD装置の解析ソフトOIM Analysis(Ver.5.3)を用いて解析したときに、結晶方位決定の信頼性を表す数値として表示される数値である(例えば、「EBSD読本:OIMを使用するにあたって(改定第3版)」鈴木清一著、2009年9月、株式会社TSLソリューションズ発行)。ここで、EBSD法により測定してOIMにより解析した測定点の組織が加工組織である場合、結晶パターンが明確ではないため結晶方位決定の信頼性が低くなり、CI値が低くなる。特にCI値が0.1以下の場合にその測定点の組織が加工組織であると判断される。
また、特殊粒界とは、結晶学的にCSL理論(Kronberg et al:Trans.Met.Soc.AIME,185,501(1949))に基づき定義されるΣ値で3≦Σ≦29に属する対応粒界であって、かつ、当該対応粒界における固有対応部位格子方位欠陥Dqが、Dq≦15°/Σ1/2(D.G.Brandon:Acta.Metallurgica.Vol.14,p.1479,(1966))を満たす結晶粒界であるとして定義される。
一方、ランダム粒界とは、Σ値が29以下の対応方位関係があってかつDq≦15°/Σ1/2 を満たす特殊粒界以外、の粒界である。
ここで、本発明の電子・電気機器用銅合金においては、前記特殊粒界長さ比率(Lσ/L)が10%以上80%以下の範囲内で存在していることが好ましい。
上述の特殊粒界長さ比率は、冷間加工によって減少することになる。このため、特殊粒界長さ比率が80%を超える場合には、冷間加工が十分に実施されておらず、強度が向上していないおそれがある。よって、上述の特殊粒界長さ比率を80%以下と規定することにより、十分な強度を確保することができる。
上述の作用効果を確実に奏功せしめるためには、特殊粒界長さ比率の上限を70%以下とすることが好ましく、65%以下とすることがさらに好ましい。
また、本発明の電子・電気機器用銅合金においては、圧延の幅方向に対して垂直な面における平均結晶粒径(双晶を含む)が0.5μm以上50μm以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、平均結晶粒径(双晶を含む)が0.5μm以上50μm以下の範囲内と比較的微細にされているので、強度及び曲げ加工性を確実に向上させることができる。また、上述のように、特殊粒界長さ比率(Lσ/L)を規定していることから、耐応力緩和特性を維持することができる。
上述の作用効果を確実に奏功せしめるためには、平均結晶粒径(双晶を含む)を0.5μm以上30μm以下の範囲内とすることが好ましく、さらには0.5μm以上20μm以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、本発明の電子・電気機器用銅合金においては、0.2%耐力が400MPa以上の機械的特性を有することが好ましい。
0.2%耐力が400MPa以上である場合には、容易に塑性変形しなくなるため、コネクタ等の端子、リレー、リードフレーム等の電子機器用部品に特に適している。
また、本発明の電子・電気機器用銅合金においては、走査型電子顕微鏡観察において、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数が、1個/μm以下とされていることが好ましい。
この場合、図1の状態図に示すように、Mgを固溶限度以上の3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含有しており、かつ、走査型電子顕微鏡観察において、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数が、1個/μm以下とされていることから、CuとMgを主成分とする金属間化合物の析出が抑制されており、Mgが母相中に過飽和に固溶したCu−Mg過飽和固溶体となる。
なお、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数は、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、倍率:5万倍、視野:約4.8μmで10視野の観察を行って算出する。
また、CuとMgを主成分とする金属間化合物の粒径は、金属間化合物の長径(途中で粒界に接しない条件で粒内に最も長く引ける直線の長さ)と短径(長径と直角に交わる方向で、途中で粒界に接しない条件で最も長く引ける直線の長さ)の平均値とする。
このようなCu−Mg過飽和固溶体からなる銅合金においては、母相中には、割れの起点となる粗大なCuとMgを主成分とする金属間化合物が多く分散されておらず、曲げ加工性が向上することになる。よって、複雑な形状のコネクタ等の端子、リレー、リードフレーム等の電子・電気機器用部品等を成形することが可能となる。
さらに、Mgを過飽和に固溶させていることから、加工硬化によって強度を向上させることが可能となる。
また、本発明の電子・電気機器用銅合金においては、導電率σ(%IACS)が、Mgの含有量をX原子%としたときに、
σ≦1.7241/(−0.0347×X+0.6569×X+1.7)×100の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、図1の状態図に示すように、Mgを固溶限度以上の3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含有しており、かつ、導電率が上記の範囲内とされていることから、Mgが母相中に過飽和に固溶したCu−Mg過飽和固溶体となる。
よって、上述のように、母相中には、割れの起点となる粗大なCuとMgを主成分とする金属間化合物が多く分散されておらず、曲げ加工性が向上することになる。
さらに、Mgを過飽和に固溶させていることから、加工硬化によって強度を向上させることが可能となる。
また、本発明の電子・電気機器用銅合金においては、0.15原子%以下のSn,0.5原子%以下のZn,0.25原子%以下のAl,0.15原子%以下のNi,0.05原子%以下のSi,0.2原子%以下のMn,0.15原子%以下のLi,0.02原子%以下のTi,0.05原子%以下のFe,0.15原子%以下のCo,0.03原子%以下のCr,0.02原子%以下のZr,0.02原子%以下のPのうち1種または2種以上を含んでいてもよい。
これらの元素は、Cu−Mg合金の強度等の特性を向上させる作用効果を有することから、要求特性に応じて適宜添加することが好ましい。ここで、各元素の添加量が上述の範囲を超えると導電率が大きく低下することになる。そこで、本発明では、各元素の添加量を上述の範囲内に設定している。
本発明の電子・電気機器用銅合金塑性加工材は、上述の電子・電気機器用銅合金からなることを特徴としている。なお、この明細書において塑性加工材とは、いずれかの製造工程において、塑性加工が施された銅合金をいうものとする。
この構成の銅合金塑性加工材においては、上述のように、強度、曲げ加工性、耐応力緩和特性に優れた電子・電気機器用銅合金からなることから、電子・電気機器用部品の素材として特に適している。
また、本発明の電子・電気機器用銅合金塑性加工材においては、表面にSnめっきが施されている構成としてもよい。
本発明の電子・電気機器用銅合金塑性加工材の製造方法は、Mgを3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含み、残部がCu及び不可避不純物とされた組成の銅素材を400℃以上900℃以下の温度にまで加熱する加熱工程と、加熱された前記銅素材を60℃/min以上の冷却速度で200℃以下にまで冷却する急冷工程と、前記銅素材を塑性加工する塑性加工工程と、を有することを特徴としている。
この場合、上述の組成の銅素材を400℃以上900℃以下の温度にまで加熱する加熱工程により、Mgの溶体化を行うことができる。また、加熱された前記銅素材を、60℃/min以上の冷却速度で200℃以下にまで冷却する急冷工程により、冷却の過程で金属間化合物が析出することを抑制でき、銅素材をCu−Mg過飽和固溶体とすることが可能となる。
本発明の電子・電気機器用部品は、上述の電子・電気機器用銅合金塑性加工材からなることを特徴としている。なお、本発明における電子・電気機器用部品とは、コネクタ等の端子、リレー、リードフレーム等を含むものである。
また、本発明の端子は、上述の電子・電気機器用銅合金塑性加工材からなることを特徴としている。
この構成の電子・電気機器用部品及び端子は、強度、曲げ加工性、耐応力緩和特性に優れた電子・電気機器用銅合金塑性加工材を用いて製造されているので、高温環境下で使用しても劣化しにくく、信頼性が向上することになる。
本発明によれば、強度、曲げ特性、耐応力緩和特性に特に優れ、コネクタ等の端子、リレー、リードフレーム等の電子・電気機器用部品に適した電子・電気機器用銅合金、電子・電気機器用銅合金塑性加工材、電子・電気機器用銅合金塑性加工材の製造方法、電子・電気機器用部品及び端子を提供することができる。
Cu−Mg系状態図である。 本実施形態である電子・電気機器用銅合金の製造方法のフロー図である。
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態である電子・電気機器用銅合金の成分組成は、Mgを3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含み、残部が実質的にCu及び不可避不純物とされており、いわゆるCu−Mgの2元系合金とされている。
また、本実施形態である電子・電気機器用銅合金においては、0.2%耐力が400MPa以上とされている。
ここで、導電率σ(%IACS)が、Mgの含有量をX原子%としたときに、
σ≦1.7241/(−0.0347×X+0.6569×X+1.7)×100の範囲内とされている。
また、走査型電子顕微鏡観察において、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数が、1個/μm以下とされている。
すなわち、本実施形態である電子・電気機器用銅合金は、CuとMgを主成分とする金属間化合物がほとんど析出しておらず、Mgが母相中に固溶限度以上に固溶したCu−Mg過飽和固溶体とされているのである。
そして、本実施形態である電子・電気機器用銅合金においては、EBSD法により1000μm以上の測定面積を測定間隔0.1μmステップで測定して、データ解析ソフトOIMにより解析されたCI値が0.1以下である測定点を除いて解析し、隣接する測定間の方位差が15°を超える測定点間を結晶粒界とし、全ての結晶粒界長さLに対するΣ3、Σ9、Σ27a、Σ27bの各粒界長さの和Lσの比率である特殊粒界長さ比率(Lσ/L)が10%以上80%以下とされている。
また、本実施形態である電子・電気機器用銅合金においては、平均結晶粒径(双晶を含む)が0.5μm以上50μm以下の範囲内とされている。
ここで、上述のように成分組成、導電率、析出物、結晶組織を規定した理由について以下に説明する。
(組成)
Mgは、導電率を大きく低下させることなく、強度を向上させるとともに再結晶温度を上昇させる作用効果を有する元素である。また、Mgを母相中に固溶させることにより、優れた曲げ加工性が得られる。
ここで、Mgの含有量が3.3原子%未満では、その作用効果を奏功せしめることはできない。一方、Mgの含有量が6.9原子%を超えると、溶体化のために熱処理を行った際に、CuとMgを主成分とする金属間化合物が残存してしまい、その後の加工等で割れが発生してしまうおそれがある。このような理由から、Mgの含有量を、3.3原子%以上6.9原子%以下に設定している。
なお、Mgの含有量が少ないと、強度が十分に向上しない。また、Mgは活性元素であることから、過剰に添加されることによって、溶解鋳造時に、酸素と反応して生成されたMg酸化物を巻きこむおそれがある。したがって、Mgの含有量を、3.7原子%以上6.3原子%以下の範囲とすることが、さらに好ましい。
なお、不可避不純物としては、Ag,B,Ca,Sr,Ba,Sc,Y,希土類元素,Hf,V,Nb,Ta,Mo,W,Re,Ru,Os,Se,Te,Rh,Ir,Pd,Pt,Au,Cd,Ga,In,Ge,As,Sb,Tl,Pb,Bi,S,O,C,Be,N,H,Hg等が挙げられる。これらの不可避不純物は、総量で0.3質量%以下であることが望ましい。
(導電率σ)
CuとMgとの2元系合金において、導電率σが、Mgの含有量をX原子%としたときに、σ≦1.7241/(−0.0347×X+0.6569×X+1.7)×100の範囲内である場合には、金属間化合物がほとんど存在しないことになる。
すなわち、導電率σが上記式を超える場合には、金属間化合物が多量に存在し、サイズも比較的大きいことから、曲げ加工性が大幅に劣化することになる。よって、導電率σが、上記式の範囲内となるように、製造条件を調整する。
なお、上述の作用効果を確実に奏功せしめるためには、導電率σ(%IACS)を、
σ≦1.7241/(−0.0300×X+0.6763×X+1.7)×100の範囲内とすることが好ましく、
σ≦1.7241/(−0.0292×X+0.6797×X+1.7)×100の範囲内とすることがさらに好ましい。この場合、CuとMgを主成分とする金属間化合物がより少量であるために、曲げ加工性がさらに向上することになる。
(析出物)
本実施形態である電子・電気機器用銅合金においては、走査型電子顕微鏡で観察した結果、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数が、1個/μm以下とされている。すなわち、CuとMgを主成分とする金属間化合物がほとんど析出しておらず、Mgが母相中に固溶しているのである。
ここで、溶体化が不完全であったり、溶体化後にCuとMgを主成分とする金属間化合物が析出することにより、サイズの大きい金属間化合物が多量に存在すると、これらの金属間化合物が割れの起点となり、加工時に割れが発生したり、曲げ加工性が大幅に劣化することになる。
組織を調査した結果、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物が合金中に1個/μm以下の場合、すなわち、CuとMgを主成分とする金属間化合物が存在しないあるいは少量である場合、良好な曲げ加工性が得られることになる。
さらに、上述の作用効果を確実に奏功せしめるためには、粒径0.05μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の個数が合金中に1個/μm以下であることが、より好ましい。
なお、CuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数は、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、倍率:5万倍、視野:約4.8μmで10視野の観察を行い、その平均値を算出する。
また、CuとMgを主成分とする金属間化合物の粒径は、金属間化合物の長径(途中で粒界に接しない条件で粒内に最も長く引ける直線の長さ)と短径(長径と直角に交わる方向で、途中で粒界に接しない条件で最も長く引ける直線の長さ)の平均値とする。
ここで、CuとMgを主成分とする金属間化合物は、化学式MgCu、プロトタイプMgCu、ピアソン記号cF24、空間群番号Fd−3mで表される結晶構造を有するものである。
(特殊粒界長さ比率)
特殊粒界は結晶性の高い粒界(原子配列の乱れが少ない粒界)であり、加工時の破壊の起点となりにくくなるため、全ての結晶粒界長さLに対するΣ3、Σ9、Σ27a、Σ27bの各粒界長さの和Lσの比率である特殊粒界長さ比率(Lσ/L)を高くすると、曲げ加工時の破壊の起点となる粒界の割合を少なくすることができ、曲げ加工性を向上させることができる。さらに、特殊粒界はランダム粒界に比べて粒界の拡散が遅いことから、特殊粒界長さ比率(Lσ/L)を高くすることで結晶粒径を小さくしても、耐応力緩和特性が劣化することを抑制できる。そこで、本実施形態においては、特殊粒界長さ比率(Lσ/L)を10%以上に設定している。上述の作用効果を確実に奏功せしめるためには、特殊粒界長さ比率(Lσ/L)は、12%以上とすることが好ましく、15%以上とすることがさらに好ましい。
また、特殊粒界長さ比率(Lσ/L)は、冷間加工によって減少していくことから、特殊粒界長さ比率(Lσ/L)を高くするためには、冷間加工の加工率を低くする必要がある。冷間加工の加工率を低くした場合には強度が十分に向上しないおそれがある。そこで、強度を確保する観点から、特殊粒界長さ比率(Lσ/L)の上限は80%以下とすることが好ましく、70%以下、あるいは、65%以下とすることがさらに好ましい。
なお、EBSD装置の解析ソフトOIMにより解析したときのCI値(信頼性指数)は、測定点の結晶パターンが明確ではない場合にその値が小さくなり、CI値が0.1以下ではその解析結果を信頼することが難しい。よって、本実施形態では、CI値が0.1以下である信頼性の低い測定点を除いた。
(平均結晶粒径)
耐応力緩和特性には、材料の結晶粒径もある程度の影響を与えることが知られており、一般には結晶粒径が小さいほど耐応力緩和特性は低下する。本実施形態である電子・電気機器用銅合金の場合、成分組成と各合金元素の比率の適切な調整、及び、結晶性の高い特殊粒界の比率を適切にすることによって良好な耐応力緩和特性を確保できるため、結晶粒径を小さくして、強度と曲げ加工性の向上を図ることができる。したがって、製造プロセス中における再結晶および析出のための仕上げ熱処理後の段階で、平均結晶粒径が50μm以下となるようにすることが望ましい。強度と曲げバランスをさらに向上させるためには、0.5μm以上30μm以下、さらに好ましくは0.5μm以上20μm以下の範囲内とすることが好ましい。
次に、このような構成とされた本実施形態である電子・電気機器用銅合金の製造方法及び電子・電気機器用銅合金塑性加工材の製造方法について、図2に示すフロー図を参照して説明する。
(溶解・鋳造工程S01)
まず、銅原料を溶解して得られた銅溶湯に、前述の元素を添加して成分調整を行い、銅合金溶湯を製出する。なお、Mgの添加には、Mg単体やCu−Mg母合金等を用いることができる。また、Mgを含む原料を銅原料とともに溶解してもよい。また、本合金のリサイクル材およびスクラップ材を用いてもよい。
ここで、銅溶湯は、純度が99.99質量%以上とされたいわゆる4NCuとすることが好ましい。また、溶解工程では、Mgの酸化を抑制するために、真空炉、あるいは、不活性ガス雰囲気または還元性雰囲気とされた雰囲気炉を用いることが好ましい。
そして、成分調整された銅合金溶湯を鋳型に注入して鋳塊を製出する。なお、量産を考慮した場合には、連続鋳造法または半連続鋳造法を用いることが好ましい。
(加熱工程S02)
次に、得られた鋳塊の均質化および溶体化のために加熱処理を行う。鋳塊の内部には、凝固の過程においてMgが偏析で濃縮することにより発生したCuとMgを主成分とする金属間化合物等が存在することになる。そこで、これらの偏析および金属間化合物等を消失または低減させるために、鋳塊を400℃以上900℃以下にまで加熱する加熱処理を行うことで、鋳塊内において、Mgを均質に拡散させたり、Mgを母相中に固溶させたりするのである。なお、この加熱工程S02は、非酸化性または還元性雰囲気中で実施することが好ましい。
ここで、加熱温度が400℃未満では、溶体化が不完全となり、母相中にCuとMgを主成分とする金属間化合物が多く残存するおそれがある。一方、加熱温度が900℃を超えると、銅素材の一部が液相となり、組織や表面状態が不均一となるおそれがある。よって、加熱温度を400℃以上900℃以下の範囲に設定している。より好ましくは400℃以上850℃以下、更に好ましくは420℃以上800℃以下とする。
(急冷工程S03)
そして、加熱工程S02において400℃以上900℃以下にまで加熱された銅素材を、200℃以下の温度にまで、60℃/min以上の冷却速度で冷却する。この急冷工程S03により、母相中に固溶したMgが、CuとMgを主成分とする金属間化合物として析出することを抑制し、走査型電子顕微鏡観察において、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数を1個/μm以下とすることができる。すなわち、銅素材をCu−Mg過飽和固溶体とすることができるのである。
なお、粗加工の効率化と組織の均一化のために、前述の加熱工程S02の後に熱間加工を実施し、この熱間加工の後に上述の急冷工程S03を実施する構成としてもよい。この場合、加工方法に特に限定はなく、例えば圧延、線引き、押出、溝圧延、鍛造、プレス等を採用することができる。また、熱間加工温度は、400℃以上900℃以下の範囲内とすることが好ましい。
(第1中間加工工程S04)
加熱工程S02および急冷工程S03を経た銅素材を必要に応じて切断するとともに、加熱工程S02および急冷工程S03等で生成された酸化膜等を除去するために必要に応じて表面研削を行う。そして、所定の形状へと塑性加工を行う。
なお、この第1中間加工工程S04における温度条件は特に限定はないが、冷間または温間加工となる−200℃から200℃の範囲内とすることが好ましい。また、加工率は、最終形状に近似するように適宜選択されることになるが、50%以上とすることが好ましく、60%以上とすることがさらに好ましい。塑性加工方法は特に限定されないが、例えば圧延、線引き、押出、溝圧延、鍛造、プレス等を採用することができる。さらに、溶体化の徹底のために、S02〜S04を繰り返しても良い。
(第1中間熱処理工程S05)
第1中間加工工程S04後に、溶体化の徹底、再結晶組織化または加工性向上のための軟化を目的として熱処理を実施する。
熱処理の方法は特に限定はないが、好ましくは400℃以上900℃以下の条件で、非酸化雰囲気または還元性雰囲気中で熱処理を行う。より好ましくは400℃以上850℃以下、さらに好ましくは420℃以上800℃以下とする。
ここで、中間熱処理工程S05においては、400℃以上900℃以下にまで加熱された銅素材を、200℃以下の温度にまで、60℃/min以上の冷却速度で冷却することが好ましい。
(第2中間加工工程S06)
第1中間熱処理工程S05で生成された酸化膜等を除去するために必要に応じて表面研削を行う。そして、所定の形状へと塑性加工を行う。
なお、この第2中間加工工程S06における温度条件は特に限定はないが、冷間または温間加工となる−200℃から200℃の範囲内とすることが好ましい。また、加工率は、特殊粒界長さ比率(Lσ/L)を高くするために、50%未満が好ましく、40%以下がさらに好ましい。
塑性加工方法は特に限定されないが、例えば圧延、線引き、押出、溝圧延、鍛造、プレス等を採用することができる。
(第2中間熱処理工程S07)
第2中間加工工程S06後に、溶体化の徹底、再結晶組織化または加工性向上のための軟化を目的として熱処理を実施する。
熱処理の方法は特に限定はないが、好ましくは400℃以上900℃以下の条件で、非酸化雰囲気または還元性雰囲気中で熱処理を行う。より好ましくは400℃以上850℃以下、さらに好ましくは420℃以上800℃以下とする。
ここで、第2中間熱処理工程S07においては、400℃以上900℃以下にまで加熱された銅素材を、200℃以下の温度にまで、60℃/min以上の冷却速度で冷却することが好ましい。
なお、特殊粒界長さ比率(Lσ/L)を高くするために、第2中間加工工程S06と第2中間熱処理工程S07とを繰り返し行い、第2中間加工工程S06における加工率を低く設定してもよい。
(仕上加工工程S08)
第2中間熱処理工程S07後の銅素材を所定の形状に仕上加工を行う。なお、この仕上加工工程S08における温度条件は特に限定はないが、常温で行うことが好ましい。また、加工率は、最終形状に近似するように適宜選択されることになるが、特殊粒界長さ比率(Lσ/L)を高くするために、80%以下とすることが好ましく、70%以下とすることがさらに好ましい。
(最終熱処理工程S09)
次に、仕上加工工程S08によって得られた塑性加工材に対して、最終熱処理を実施する。
熱処理温度は、200℃以上800℃以下の範囲内とすることが好ましい。なお、この最終熱処理工程S07においては、溶体化されたMgが析出しないように、熱処理条件(温度、時間、冷却速度)を設定する必要がある。例えば200℃では1分〜24時間程度、800℃では1秒〜5秒程度とすることが好ましい。この熱処理は、非酸化雰囲気または還元性雰囲気中で行うことが好ましい。
また、冷却方法は、水焼入など、加熱された前記銅素材を、60℃/min以上の冷却速度で、200℃以下にまで冷却することが好ましい。このように急冷することにより、母相中に固溶したMgがCuとMgを主成分とする金属間化合物として析出することが抑制されることになり、走査型電子顕微鏡観察において、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数を1個/μm以下とすることができる。すなわち、銅素材をCu−Mg過飽和固溶体とすることができるのである。
さらに、上述の仕上加工工程S08と最終熱処理工程S09とを、繰り返し実施してもよい。
このようにして、本実施形態である電子・電気機器用銅合金及び電子・電気機器用銅合金塑性加工材が製出されることになる。なお、電子・電気機器用銅合金塑性加工材の表面にSnめっきを形成してもよい。
また、本実施形態である電子・電気機器用部品及び端子は、上述の電子・電気機器用銅合金塑性加工材に対して、打ち抜き加工、曲げ加工等を施すことによって製造される。
以上のような構成とされた本実施形態である電子・電気機器用銅合金によれば、特殊粒界長さ比率(Lσ/L)が10%以上とされているので、結晶粒界を微細化した場合でああっても、結晶性の高い粒界(原子配列の乱れが少ない粒界)が多く存在することになり、強度、曲げ加工性、耐応力緩和特性に優れた電子・電気機器用銅合金を得ることができる。特に、本実施形態では、特殊粒界長さ比率(Lσ/L)の上限を80%以下と規定しているので、十分な強度を確保することができる。
また、本実施形態である電子・電気機器用銅合金においては、平均結晶粒径(双晶を含む)が0.5μm以上50μm以下の範囲内とされているので、強度及び曲げ加工性を確実に向上させることができる。また、特殊粒界長さ比率(Lσ/L)を10%以上としているので、耐応力緩和特性が劣化することを抑制できる。よって、強度、曲げ加工性、耐応力緩和特性をバランス良く向上させることができる。
また、本実施形態の電子・電気機器用銅合金においては、走査型電子顕微鏡観察において、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数が、1個/μm以下とされるとともに、導電率σ(%IACS)が、Mgの含有量をX原子%としたときに、
σ≦1.7241/(−0.0347×X+0.6569×X+1.7)×100の範囲内とされており、Mgが母相中に過飽和に固溶したCu−Mg過飽和固溶体とされている。
このため、母相中には、割れの起点となる粗大なCuとMgを主成分とする金属間化合物が多く分散されておらず、曲げ加工性が向上することになる。よって、複雑な形状のコネクタ等の端子、リレー、リードフレーム等の電子・電気機器用部品等を成形することが可能となる。さらに、Mgを過飽和に固溶させていることから、加工硬化によって強度を向上させることが可能となる。
ここで、本実施形態では、上述の組成とされた銅素材を400℃以上900℃以下の温度にまで加熱するとともに、加熱された銅素材を60℃/min以上の冷却速度で、200℃以下にまで冷却する加熱工程S02及び急冷工程S03、第1中間熱処理工程S05、第2中間熱処理工程S07と、銅素材を塑性加工する第1中間加工工程S04、第2中間加工工程S06、仕上加工工程S08と、を有する製造方法によって製造されているので、電子・電気機器用銅合金を、上述のように、Mgが母相中に過飽和に固溶したCu−Mg過飽和固溶体とすることができる。
さらに、本実施形態である電子・電気機器用銅合金においては、0.2%耐力が400MPa以上の機械的特性を有しているので、容易に塑性変形しなくなり、コネクタ等の端子、リレー、リードフレーム等の電子機器用部品の素材として好適に用いることが可能となる。
また、本実施形態である電子・電気機器用部品及び端子は、上述の電子・電気機器用銅合金塑性加工材を用いて製造されているので、耐力が高く、かつ、曲げ加工性に優れており、複雑な形状であっても割れ等がなく、信頼性が向上することになる。
以上、本発明の実施形態である電子・電気機器用銅合金、電子・電気機器用銅合金塑性加工材、電子・電気機器用部品及び端子について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上述の実施形態では、電子・電気機器用銅合金の製造方法及び電子・電気機器用銅合金塑性加工材の製造方法の一例について説明したが、製造方法は本実施形態に限定されることはなく、既存の製造方法を適宜選択して製造してもよい。
また、本実施形態では、Cu−Mgの2元系合金を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、Sn、Zn、Al、Ni、Si、Mn、Li、Ti、Fe、Co、Cr、Zr、Pのうち1種または2種以上を合計で0.01原子%以上3.0原子%以下の範囲内で含んでいてもよい。
Sn、Zn、Al、Ni、Si、Mn、Li、Ti、Fe、Co、Cr、Zr、Pといった元素は、Cu−Mg合金の強度等の特性を向上させる元素であることから、要求特性に応じて適宜添加することが好ましい。ここで、添加量の合計を0.01原子%以上としているので、Cu−Mg合金の強度を確実に向上させることができる。一方、添加量の合計を3.0原子%以下としているので、導電率を確保することができる。
なお、上述の元素を含有する場合には、実施形態で説明した導電率の規定は適用されないが、析出物の分布状態からCu−Mgの過飽和固溶体であることを確認することができる。
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
純度99.99質量%以上の無酸素銅(ASTM B152 C10100)からなる銅原料を準備し、これを高純度グラファイト坩堝内に装入して、Arガス雰囲気とされた雰囲気炉内において高周波溶解した。得られた銅溶湯内に、各種添加元素を添加して表1に示す成分組成に調製し、カーボン鋳型に注湯して鋳塊を製出した。ここで、鋳塊の大きさは、厚さ約120mm×幅約220mm×長さ約300mmとした。
また、表1に示す組成のat%(原子%)は、Cu、Mgおよびその他の添加元素の身からなると仮定し、測定された質量%の値から原子%濃度を算出した。
得られた鋳塊から鋳肌近傍を10mm面削し、100mm×200mm×100mmのブロックを切り出した。
上述のブロックを、Arガス雰囲気中において、表2に記載の温度条件で4時間の加熱処理を行った。その後、60℃/min以上の冷却速度で200℃以下にまで冷却する急冷工程として水焼入れを実施した。
熱処理を行った銅素材を、適宜、最終形状に適した形にするために、それぞれ切断するとともに、酸化被膜を除去するために表面研削を実施した。その後、第1中間加工工程として、常温で、表2に記載された圧延率で冷間圧延を実施した。
次いで、第1中間熱処理として、ソルトバスを用いて表2に記載された温度条件で熱処理を行い、水焼入れを実施した。
第1中間熱処理を行った銅素材を切断するとともに、酸化被膜を除去するために表面研削を実施した。その後、第2中間加工工程として、常温で、表2に記載された圧延率で冷間圧延を実施した。
そして、第2中間熱処理として、得られた条材に対して、表2に記載された条件でソルトバスにて熱処理を実施した。その後、水焼入れを実施した。
次に、仕上加工工程として、表2に示す圧延率で冷間圧延を実施し、厚さ0.25mm、幅約200mm、長さ200mmの薄板を製出した。
そして、最終熱処理工程として、表2に示す条件で、Ar雰囲気中で熱処理を実施し、その後、水焼入れを行い、特性評価用薄板を作成した。
(加工性評価)
加工性の評価として、前述の第1中間加工、第2中間加工及び仕上加工時における耳割れの有無を観察した。目視で耳割れが全くあるいはほとんど認められなかったものを◎、長さ1mm未満の小さな耳割れが発生したものを○、長さ1mm以上3mm未満の耳割れが発生したものを△、長さ3mm以上の大きな耳割れが発生したものを×、耳割れに起因して圧延途中で破断したものを××とした。
なお、耳割れの長さとは、圧延材の幅方向端部から幅方向中央部に向かう耳割れの長さのことである。
(析出物観察)
各試料の圧延面に対して、鏡面研磨、イオンエッチングを行った。CuとMgを主成分とする金属間化合物の析出状態を確認するため、FE−SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)を用い、1万倍の視野(約120μm/視野)で観察を行った。
次に、CuとMgを主成分とする金属間化合物の密度(個/μm)を調査するために、金属間化合物の析出状態が特異ではない1万倍の視野(約120μm/視野)を選び、その領域で、5万倍で連続した10視野(約4.8μm/視野)の撮影を行った。金属間化合物の粒径については、金属間化合物の長径(途中で粒界に接しない条件で粒内に最も長く引ける直線の長さ)と短径(長径と直角に交わる方向で、途中で粒界に接しない条件で最も長く引ける直線の長さ)の平均値とした。そして、粒径0.05μm以上および粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の密度(個/μm)を求めた。
(特殊粒界長さ比率)
圧延の幅方向に対して垂直な面、すなわちTD面(Transverse direction)を観察面として、EBSD測定装置及びOIM解析ソフトによって、次のように結晶粒界および結晶方位差分布を測定した。耐水研磨紙、ダイヤモンド砥粒を用いて機械研磨を行った後、コロイダルシリカ溶液を用いて仕上げ研磨を行った。そして、EBSD測定装置(FEI社製Quanta FEG 450,EDAX/TSL社製(現 AMETEK社) OIM Data Collection)と、解析ソフト(EDAX/TSL社製(現 AMETEK社)OIM Data Analysis ver.5.3)によって、電子線の加速電圧20kV、測定間隔0.1μmステップで1000μm以上の測定面積で、CI値が0.1以下である測定点を除いて、各結晶粒の方位差の解析を行ない、隣接する測定点間の方位差が15°以上となる測定点間を結晶粒界とした。
また、測定範囲における結晶粒界の全粒界長さLを測定し、隣接する結晶粒の界面が特殊粒界を構成する結晶粒界の位置を決定するとともに、特殊粒界のうちΣ3、Σ9、Σ27a、Σ27b粒界の各長さの和Lσと、上記測定した結晶粒界の全粒界長さLとの粒界長さ比率Lσ/Lを求め、特殊粒界長さ比率(Lσ/L)とした。
(結晶粒径)
圧延の幅方向に対して垂直な面、すなわちTD面(Transverse direction)を観察面として、EBSD測定装置及びOIM解析ソフトによって、次のように結晶粒界および結晶方位差分布を測定した。
耐水研磨紙、ダイヤモンド砥粒を用いて機械研磨を行った後、コロイダルシリカ溶液を用いて仕上げ研磨を行った。そして、EBSD測定装置(FEI社製Quanta FEG 450,EDAX/TSL社製(現 AMETEK社) OIM Data Collection)と、解析ソフト(EDAX/TSL社製(現 AMETEK社)OIM Data Analysis ver.5.3)によって、電子線の加速電圧20kV、測定間隔0.1μmステップで1000μm以上の測定面積で、各結晶粒の方位差の解析を行った。解析ソフトOIMにより各測定点のCI値を計算し、結晶粒径の解析からはCI値が0.1以下のものは除外した。結晶粒界は、二次元断面観察の結果、隣り合う2つの結晶間の配向方位差が15°以上となる測定点間を結晶粒界として結晶粒界マップを作成し、JIS H 0501の切断法に準拠し、結晶粒界マップに対して、縦、横の所定長さの線分を5本ずつ引き、完全に切られる結晶粒数を数え、その切断長さの平均値を平均結晶粒径とした。
(機械的特性)
特性評価用条材からJIS Z 2241に規定される13B号試験片を採取し、JIS Z 2241のオフセット法により、0.2%耐力を測定した。また、弾性域の傾きからヤング率を算出した。なお、試験片は、圧延方向に垂直な方向で採取した。
(耐応力緩和特性)
耐応力緩和特性試験は、日本伸銅協会技術標準JCBA−T309:2004の片持はりねじ式に準じた方法によって応力を負荷し、150℃の温度で所定時間保持後の残留応力率を測定した。
試験方法としては、各特性評価用条材から圧延方向に対して直交する方向に試験片(幅10mm)を採取し、試験片の表面最大応力が耐力の80%となるよう、初期たわみ変位を2mmと設定し、スパン長さを調整した。上記表面最大応力は次式で定められる。
表面最大応力(MPa)=1.5Etδ0/Ls 2
ただし、
E:ヤング率(MPa)
t:試料の厚み(t=0.25mm)
δ:初期たわみ変位(2mm)
:スパン長さ(mm)
である。
150℃の温度で、1000h保持後の曲げ癖から、残留応力率を測定し、耐応力緩和特性を評価した。なお残留応力率は次式を用いて算出した。
残留応力率(%)=(1−δt0)×100
ただし、
δ:150℃で1000h保持後の永久たわみ変位(mm)−常温で24h保持後の永久たわみ変位(mm)
δ:初期たわみ変位(mm)
である。
(導電率)
特性評価用条材から幅10mm×長さ150mmの試験片を採取し、4端子法によって電気抵抗を求めた。また、マイクロメータを用いて試験片の寸法測定を行い、試験片の体積を算出した。そして、測定した電気抵抗値と体積とから、導電率を算出した。なお、試験片は、その長手方向が特性評価用条材の圧延方向に対して垂直になるように採取した。
(曲げ加工性)
日本伸銅協会技術標準JCBA−T307:2007の4試験方法に準拠して曲げ加工を行った。
圧延方向と試験片の長手方向が垂直になるように、特性評価用条材から幅10mm×長さ30mmの試験片を複数採取し、曲げ角度が90度、曲げ半径0.5mmのW型の治具を用い、W曲げ試験を行った。
そして、曲げ部の外周部を目視で確認し割れが観察された場合は×、破断や微細な割れを確認できない場合を○として判定を行った。
条件、評価結果について、表2、3に示す。
Figure 0006221471
Figure 0006221471
Figure 0006221471
Mgの含有量が本発明の範囲よりも低い比較例1においては、0.2%耐力が390 MPaと低かった。
Mgの含有量が本発明の範囲よりも高い比較例2においては、第1中間加工時に大きな耳割れが発生し、その後の特性評価を実施することが不可能であった。
また、特殊粒界長さ比率(Lσ/L)が本発明の範囲よりも少ない比較例3においては、曲げ加工性、耐応力緩和特性が不十分であることが確認された。
これに対して、特殊粒界長さ比率(Lσ/L)が本発明の範囲内とされた本発明例1−15においては、0.2%耐力が高く、かつ、曲げ加工性、耐応力緩和特性も良好であった。
以上のことから、本発明例によれば、強度、曲げ特性、耐応力緩和特性に特に優れ、コネクタ等の端子、リレー、リードフレーム等の電子・電気機器用部品に適した電子・電気機器用銅合金を提供することができることが確認された。

Claims (9)

  1. Mgを3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含み、残部がCu及び不可避不純物とされ、
    圧延の幅方向に対して垂直な面を観察面として、EBSD法により1000μm以上の測定面積を測定間隔0.1μmステップで測定して、データ解析ソフトOIMにより解析されたCI値が0.1以下である測定点を除いて解析し、隣接する測定間の方位差が15°を超える測定点間を結晶粒界とし、全ての結晶粒界長さLに対するΣ3、Σ9、Σ27a、Σ27bの各粒界長さの和Lσの比率である特殊粒界長さ比率(Lσ/L)が10%以上80%以下の範囲内とされ、
    圧延の幅方向に対して垂直な面における平均結晶粒径(双晶を含む)が0.5μm以上50μm以下の範囲内とされ、
    0.2%耐力σ0.2が400MPa以上とされていることを特徴とする電子・電気機器用銅合金。
  2. 走査型電子顕微鏡観察において、粒径0.1μm以上のCuとMgを主成分とする金属間化合物の平均個数が、1個/μm以下とされていることを特徴とする請求項1に記載の電子・電気機器用銅合金。
  3. 導電率σ(%IACS)が、Mgの含有量をX原子%としたときに、
    σ≦1.7241/(−0.0347×X+0.6569×X+1.7)×100の範囲内とされていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電子・電気機器用銅合金。
  4. 0.15原子%以下のSn,0.5原子%以下のZn,0.25原子%以下のAl,0.15原子%以下のNi,0.05原子%以下のSi,0.2原子%以下のMn,0.15原子%以下のLi,0.02原子%以下のTi,0.05原子%以下のFe,0.15原子%以下のCo,0.03原子%以下のCr,0.02原子%以下のZr,0.02原子%以下のPのうち1種または2種以上を含んでいることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電子・電気機器用銅合金。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の電子・電気機器用銅合金からなることを特徴とする電子・電気機器用銅合金塑性加工材。
  6. 表面にSnめっきが施されていることを特徴とする請求項5に記載の電子・電気機器用銅合金塑性加工材。
  7. 請求項5又は請求項6のいずれか一項に記載の電子・電気機器用銅合金塑性加工材を製造する電子・電気機器用銅合金塑性加工材の製造方法であって、
    Mgを3.3原子%以上6.9原子%以下の範囲で含み、残部がCu及び不可避不純物とされた組成の銅素材を400℃以上900℃以下の温度にまで加熱する加熱工程と、加熱された前記銅素材を60℃/min以上の冷却速度で200℃以下にまで冷却する急冷工程と、前記銅素材を塑性加工する塑性加工工程と、を有することを特徴とする電子・電気機器用銅合金塑性加工材の製造方法。
  8. 請求項5又は請求項6に記載された電子・電気機器用銅合金塑性加工材からなることを特徴とする電子・電気機器用部品。
  9. 請求項5又は請求項6に記載された電子・電気機器用銅合金塑性加工材からなることを特徴とする端子。
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