JP6835636B2

JP6835636B2 - 強度及び導電性に優れる銅合金板

Info

Publication number: JP6835636B2
Application number: JP2017054779A
Authority: JP
Inventors: 康弘岡藤
Original assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Current assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2021-02-24
Anticipated expiration: 2037-03-21
Also published as: JP2018154910A

Description

本発明は電子材料などの電子部品の製造に好適に使用可能な銅合金板及び通電用又は放熱用電子部品に関し、特に、電機・電子機器、自動車等に搭載される端子、コネクタ、リレー、スイッチ、ソケット、バスバー、リードフレーム、放熱板等の電子部品の素材として使用される銅合金板、及び該銅合金板を用いた電子部品に関する。中でも、電気自動車、ハイブリッド自動車等で用いられるコネクタや端子等の通電用電子部品の用途、又はスマートフォンやタブレットＰＣで用いられる液晶フレーム等の放熱用電子部品の用途に好適な銅合金板及び該銅合金板を用いた電子部品に関するものである。

電子機器の端子、コネクタ、スイッチ、ソケット、リレー、バスバー、リードフレーム、放熱板等の電気又は熱を伝えるための材料として、強度と導電率に優れた銅合金板が広く用いられている。ここで、電気伝導性と熱伝導性は比例関係にある。ところで、近年、電子機器のコネクタにおいて高電流化が進んでおり、良好な曲げ性を有し、８０％ＩＡＣＳ以上の導電率、６００ＭＰａ以上の耐力を有することが必要と考えられている。

一方、例えばスマートフォンやタブレットＰＣの液晶には液晶フレームと呼ばれる放熱部品が用いられている。このような放熱用途の銅合金板においても、高熱伝導率化が進んでおり、良好な曲げ性を有し、高強度を有することが必要と考えられている。このため、放熱用途の銅合金板においても、８０％ＩＡＣＳ以上の導電率、６００ＭＰａ以上の耐力を有することが必要と考えられている。

しかしながら、８０％ＩＡＣＳ以上の導電率をコルソン合金系銅合金で達成することは難しいため、Ｃｕ−Ｃｒ系やＣｕ−Ｚｒ系の銅合金の開発が進められてきた。例えば、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系銅合金において添加元素を追加することで結晶粒径を小さくした銅合金が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−１８４６６６号公報

しかしながら、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系銅合金は、曲げ加工性に課題が残されており、特許文献１のように、添加元素の追加によって結晶粒径を微細化しようとすると、Ｃｒ、Ｚｒの析出量が不足し、溶体化後の加工度を高くする必要が生じ、曲げ加工性の低下が懸念される場合もある。

そこで、本発明は、高強度、高導電性、曲げ加工性を兼ね備えた銅合金板において、曲げ加工性が改善されたＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金板を提供することを課題とする。さらには、本発明は、該銅合金板及び通電用途又は放熱用途に好適な電子部品を提供することを目的とする。

本発明に係る銅合金板は一側面において、Ｃｒを０．１〜０．６質量％、ＺｒおよびＴｉのうちの一種または二種を合計で０．０１〜０．３０質量％含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなり、母相中に存在する第二相粒子のうち、粒径が０．１μｍ以上の第二相粒子が１０００〜１０００００００個／ｍｍ²存在する銅合金板が提供される。

本発明に係る銅合金板は一実施態様において、圧延方向に対し、平行な断面における平均結晶粒径が１０μｍ以下である。

本発明に係る銅合金板は別の一実施態様において、ＪＩＳＨ３１３０に従うＢａｄｗａｙのＷ曲げ試験を行い、曲げ部の表面を観察した場合の表面粗さＲａが２．０μｍ以下である。

本発明に係る銅合金板は更に別の一実施態様において、Ａｇ、Ｂ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓｉ、ＳｎおよびＺｎよりなる群から選ばれる少なくとも１種の合金元素を合計で１．０質量％以下含有する。

本発明は別の一側面において、上記銅合金板を用いた通電用電子部品である。

本発明は更に別の一側面において、上記銅合金板を用いた放熱用電子部品である。

本発明によれば、導電率や強度を維持しつつ、曲げ加工性に優れたＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ−Ｔｉ系合金板、並びに通電用途又は放熱用途に好適な電子部品を提供することが可能である。この銅合金板は、端子、コネクタ、スイッチ、ソケット、リレー、バスバー、リードフレーム等の電子部品の素材として好適に使用することができ、特に大電流を通電する電子部品の素材又は大熱量を放散する電子部品の素材として有用である。

本発明の実施の形態に係る銅合金板の母相中に析出する第二相粒子の例を示す観察写真である。

以下、本発明の実施形態に係る銅合金板（Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ−Ｔｉ系合金板）について説明する。なお、本発明において「％」とは、特に断らない限り、質量％を示すものとする。

＜成分濃度＞
本発明の実施の形態に係る銅合金板は、Ｃｒを０．１〜０．６％、Ｚｒ及びＴｉのうちの一種又は二種を合計で０．０１〜０．３０％含む。一実施態様においては、Ｃｒを０．１５〜０．３％含み、Ｚｒ及びＴｉのうちの一種又は二種を合計で０．０５〜０．２０％含有することが好ましい。Ｃｒが０．６％を超えると曲げ加工性が低下し、０．１％未満になると６００ＭＰａ以上の０．２％耐力を得ることが難しくなる。Ｚｒ及びＴｉのうちの一種又は二種の合計が０．３０％を超えると曲げ加工性が低下し、０．０１％未満になると、６００ＭＰａ以上の０．２％耐力を得ることが難しくなる。

さらに、本発明の実施の形態に係る銅合金板は、Ａｇ、Ｂ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓｉ、ＳｎおよびＺｎよりなる群から選ばれる１種以上を合計１．０％以下含有することが好ましい。これらの元素は固溶強化や析出強化等により強度上昇に寄与する。これらの元素の合計量が１．０％を超えると導電率が低下する、或いは、熱間圧延で割れる場合がある。

なお、高強度および高導電性を有する銅合金板において、添加元素の組み合わせによって個々の添加量が変更されることは当業者によって理解可能なものである。典型的な一実施態様においては、例えば、Ａｇは１．０％以下、Ｂは０．０５％以下、Ｃｏは０．１％以下、Ｆｅは０．１％以下、Ｍｇは０．１％以下、Ｍｎは０．１％以下、Ｎｉは０．２％以下、Ｐは０．０５％以下、Ｓｉは０．１％以下、Ｓｎは０．１％以下、Ｚｎは０．５％以下添加することができるが、導電率が８０％ＩＡＣＳを下回らない添加元素の組み合わせおよび添加量であれば、本発明の銅合金板は必ずしもこれらの上限値に限定されるものではない。

本発明の実施の形態に係る銅合金板の厚みは特に限定されないが、例えば０．０３〜０．６ｍｍとすることができる。

（０．１μｍ以上の第二相粒子の個数密度）
本発明の実施の形態に係る銅合金板は、母相中に存在する第二相粒子のうち、粒径が０．１μｍ以上の第二相粒子の個数密度を１０００〜１０００００００個／ｍｍ²に調整することにより、銅合金板の曲げ加工性が改善される。ここで、第二相粒子とは、Ｃｒ、Ｃｕ−Ｚｒ化合物等のＣｕ母相とは異なる粒子を指し、例えば図１に示すように、走査電子顕微鏡を用いて観察することが可能である。第二相粒子の個数密度が１０００個／ｍｍ²を下回ると、母材の結晶粒径が大きくなり、曲げ加工時の表面粗さが高くなりすぎる場合がある。一方、第二相粒子の個数密度が１０００００００個／ｍｍ²を上回ると、強度に寄与する微細な析出物が不足し、０．２％耐力（ＹＳ）が６００ＭＰａを下回る場合がある。本発明において、第二相粒子の粒径とは、顕微鏡写真において、母相中に存在する第二相粒子を取り囲む最小円の直径を指す。

（結晶粒径）
本発明の実施の形態に係る銅合金板は、圧延方向に対し、平行な断面における平均結晶粒径が１０μｍ以下であることが好ましい。平均結晶粒径が１０μｍを超えると、曲げ加工時の表面粗さが高くなりすぎる場合がある。平均結晶粒径が小さいほど曲げ加工時の表面粗さが小さくなり、強度向上の観点からも小さい方が好ましい。以下に制限されるものではないが、本実施形態においては典型的には結晶粒径が８μｍ以下であり、より典型的には５μｍ以下、更に典型的には３μｍ以下である。

（表面粗さ）
本発明の実施の形態に係る銅合金板は、ＪＩＳＨ３１３０に従うＢａｄｗａｙのＷ曲げ試験を行い、曲げ部の表面を観察した場合の表面粗さＲａが２．０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは表面粗さＲａが１．５μｍ以下とすることができ、更に好ましくは表面粗さＲａが１．０μｍ以下とすることができる。表面粗さＲａの測定は、ＪＩＳＨ３１３０に従うＢａｄｗａｙのＷ曲げ試験において、曲げ部の表面を共焦点レーザー顕微鏡で観察し、ＪＩＳＢ０６０１（２００１）に準拠した算術平均粗さＲａを測定した結果を示す。

（用途）
本発明の実施の形態に係る銅合金板は、端子、コネクタ、リレー、スイッチ、ソケット、バスバー、リードフレーム、放熱板などの電子部品の用途に好適に使用することができ、特に、電気自動車、ハイブリッド自動車等で用いられるコネクタや端子等の通電用途、またはスマートフォンや他タブレットＰＣで用いられる液晶フレーム等の放熱用電子部品の用途に有用である。

（製造方法）
本発明の実施の形態に係る銅合金は以下の製造工程により製造することができる。まず、純銅原料として電気銅等を溶解し、カーボン脱酸等により酸素濃度を低減した後、Ｃｒと、Ｚｒ及びＴｉのうちの一種又は二種と、必要に応じて他の合金元素を添加し、厚み３０〜３００ｍｍ程度のインゴットに鋳造する。このインゴットを例えば８００〜１０００℃の熱間圧延により厚み３〜３０ｍｍ程度の板とした後、第１の冷間圧延、溶体化処理、第２の冷間圧延、時効処理をこの順で行う。

溶体化処理は、３００℃〜６００℃までの材料の平均昇温速度を５〜３０℃／ｍｉｎとし、６００℃以上の材料の平均昇温速度を３００℃／ｍｉｎ以上とし、８５０〜９００℃で５秒〜２分の保持後、水冷することで行う。３００℃〜６００℃までの材料の平均昇温速度が５℃／ｍｉｎを下回ると、０．１μｍ以上の粒径の第二相粒子が多くなりすぎて強度強化に寄与する析出量が不足し、ＹＳが低下する場合がある。３０℃／ｍｉｎを上回ると昇温中の析出量が不足し、０．１μｍ以上のサイズの第二相粒子が不足する。３００℃〜６００℃までの材料の平均昇温速度は、一実施態様においては１０〜２５℃／ｍｉｎとすることができ、別の一実施態様においては１５〜２５℃／ｍｉｎとすることができる。

６００℃以上の平均昇温速度が３００℃／ｍｉｎ未満となると、０．１μｍ以上の粒径の第二相粒子が固溶して少なくなり結晶粒径が大きくなりすぎる場合がある。６００℃以上の材料の平均昇温速度は、一実施態様においては４００℃／ｍｉｎ以上とすることができ、別の一実施態様においては５００℃／ｍｉｎ以上、又は６００℃／ｍｉｎ以上とすることができる。

溶体化温度は、８５０℃を下回ると、銅中に固溶する添加元素の量が低下し、製品のＹＳが低くなる場合がある。９００℃を超えると、０．１μｍ以上の粒径の第二相粒子が固溶して少なくなり、製品の結晶粒径を１０μｍ以下にすることが難しくなる。そのため、溶体化温度は８５０〜９００℃とすることが好ましい。

第２の冷間圧延は、加工度を１０〜５０％とすることが好ましい。１０％未満だと加工硬化量が不足し、ＹＳが低くなる場合がある。加工度が５０％を超えるとひずみが蓄積しすぎて曲げ加工時の表面粗さが高くなりすぎる場合がある。

時効処理は、低温で長時間の実施が好ましく、３００℃〜４００℃で１５〜２０ｈが好ましい。４００℃より高いと過時効となり、ＹＳが低くなり、３００℃を下回ると析出量が不足し、ＹＳが低くなる場合がある。

以下に本発明の実施例を比較例と共に示すが、これらの実施例は本発明及びその利点をよりよく理解するために提供するものであり、発明が限定されることを意図するものではない。

溶銅に合金元素を添加した後、厚みが２００ｍｍのインゴットに鋳造した。インゴットを９５０℃で３時間加熱し、熱間圧延により厚み１５ｍｍの板にした。熱間圧延板表面の酸化スケールをグラインダーで研削、除去した後、冷間圧延で０．１５ｍｍの厚みの板とした後、溶体化処理を行った。溶体化処理は、３００℃〜６００℃までの平均昇温速度、６００℃以上の平均昇温速度、保持温度を表１に示す条件とし、５秒〜２分の保持後水冷する方法で行った。その後、第２の冷間圧延にて０．１ｍｍの板とし、時効処理を３００℃〜４００℃で１５〜２０ｈ実施した。

各試料につき、以下の評価を行った。
＜引張強度（ＴＳ）＞
引張試験機により、ＪＩＳＺ２２４１に従い、圧延方向と平行な方向における引張強度（ＴＳ）を測定した。

＜０．２％耐力（ＹＳ）＞
引張試験機により、ＪＩＳＺ２２４１に従い、圧延方向と平行な方向における０．２％耐力（ＹＳ）を測定した。０．２％耐力（ＹＳ）を降伏強度とした。

＜導電率（％ＩＡＣＳ）＞
試験片の長手方向が圧延方向と平行になるように試験片を採取し、ＪＩＳＨ０５０５に準拠し四端子法により２０℃での導電率を測定した。

＜粒径０．１μｍ以上の第二相粒子の個数密度＞
粒径０．１μｍ以上の第二相粒子の個数密度は、最終時効後のサンプル表面を機械研磨して鏡面に仕上げた後、電解研磨や酸洗エッチングをし、走査電子顕微鏡を用いて１０００〜１００００倍の顕微鏡写真１０枚に対して行った。長径が０．１μｍ以上となる第二相粒子の個数をカウントし、評価面積で除した数値を個数密度とした。

＜結晶粒径＞
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１００〜１０００倍に拡大して観察視野０．００５〜０．５ｍｍ²の範囲の写真を撮り、ＪＩＳＨ０５０１に従い切断法にて平均結晶粒径を測定した。

＜曲げ加工性＞
試料を幅１ｍｍ、長さ２００ｍｍに切り出したものを曲げ用試験片として用いた。曲げ加工性は、曲げ部の肌荒れにより評価した。ＪＩＳＨ３１３０に従って、Ｂａｄｗａｙ（曲げ軸が圧延方向と同一方向）のＷ曲げ試験を行い、曲げ部の表面を共焦点レーザー顕微鏡で解析し、ＪＩＳＢ０６０１（２００１）規定の表面粗さＲａ（μｍ）を求めた。

各試験片の組成と製造条件を表１に示し、各実施例及び比較例に対して得られた結果を表２に示す。

表１及び表２から明らかなように、溶体化処理時の３００〜６００℃の昇温速度を５〜３０℃／ｍｉｎ、６００℃以上の昇温速度を３００℃／ｍｉｎ以上、溶体化処理温度を８５０〜９００℃で５秒〜２分間実施した各実施例の場合、０．２％耐力が約６００ＭＰａ以上、導電率（ＥＣ）が８０％ＩＡＣＳ以上、曲げ加工後のＲａが２μｍ以下と良好な特性を得ることができた。

一方、Ｃｒ、Ｚｒの成分濃度が高い比較例１、２の場合は、曲げ加工性が劣った。Ｃｒ、Ｔｉの成分濃度が低い比較例３、４の場合、０．２％耐力が劣った。

溶体化処理時の３００〜６００℃の昇温が速い比較例５、１１の場合、昇温中の析出量が不足し、０．１μｍ以上の粒径の第二相粒子の密度が少なくなり、曲げ加工性が劣った。

溶体化処理時の３００〜６００℃の昇温が遅い比較例６の場合、昇温中の析出量が多すぎて、０．１μｍ以上の粒径の第二相粒子の密度が多くなり、０．２％耐力が劣った。

溶体化処理時の６００℃以上の昇温が遅い比較例７、８の場合、昇温中に析出した第二相粒子が再固溶して０．１μｍ以上のサイズの第二相粒子の密度が少なくなり、曲げ加工性が劣った。

溶体化保持温度が高い比較例９の場合、昇温中に析出した第二相粒子が再固溶して０．１μｍ以上のサイズの第二相粒子の密度が少なくなり、曲げ加工性が劣った。

溶体化保持温度が低い比較例１０の場合、固溶量が不足して０．１μｍ以上のサイズの第二相粒子の密度が多くなり、０．２％耐力が劣った。

Claims

Ｃｒを０．１〜０．６質量％、ＺｒおよびＴｉのうちの一種または二種を合計で０．０１〜０．３０質量％含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなり、母相中に存在する第二相粒子のうち、粒径が０．１μｍ以上の第二相粒子が１０００〜１０００００００個／ｍｍ²存在する銅合金板。
圧延方向に対し、平行な断面における平均結晶粒径が１０μｍ以下である請求項１記載の銅合金板。
ＪＩＳＨ３１３０に従うＢａｄｗａｙのＷ曲げ試験を行い、曲げ部の表面を観察した場合の表面粗さＲａが２．０μｍ以下である請求項１又は２記載の銅合金板。
Ａｇ、Ｂ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓｉ、ＳｎおよびＺｎよりなる群から選ばれる少なくとも１種の合金元素を合計で１．０質量％以下含有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の銅合金板。
請求項１〜４の何れか１項に記載の銅合金板を用いた通電又は放熱用電子部品。