JP7133326B2 - 強度及び導電性に優れる銅合金板、通電用電子部品、放熱用電子部品 - Google Patents

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条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系銅合金として、Ｉ（２２０）を制御することで、曲げ加工性や応力緩和率に優れた銅合金が開示されている（特許文献１）。また、Ｃｕ－Ｃｒ－Ｚｒ系銅合金として、Ｉ（２００）を高くすることで、曲げ加工性に優れた銅合金が開示されている（特許文献１）。

特開２０１７－１７９５０３号公報 特許第５８３４５２８号公報

しかしながら、Ｃｕ－Ｃｒ－Ｚｒ系銅合金は、高導電率と比較的良好な耐力を有するとはいうものの、８０％ＩＡＣＳ以上の高導電率と良好な曲げ加工性を確保しつつ耐力を高めることには限界があり、コネクタとして用いられる場合に必ずしも十分な接圧を確保できない場合があった。また、特許文献１のようにＩ（２２０）／Ｉ₀（２２０）を制御して曲げ加工性を改善しても曲げ加工部にシワが生じ、高電流化に対応できない。また、特許文献２のように、強度を維持しつつ曲げ加工性を良好にするためには、ヤング率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、ヤング率が改善されたＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ－Ｔｉ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、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も目的とする。

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、ＥＢＳＤ測定における結晶方位解析において、Ｃｕｂｅ方位｛０ ０ １｝＜１ ０ ０＞の面積率が５％以下、Ｂｒａｓｓ方位｛１ １ ０｝＜１ １ ２＞の面積率が２０％以下、Ｃｏｐｐｅｒ方位｛１ １ ２｝＜１ １ １＞の面積率が３０％以上である銅合金板が提供される。

本発明に係る銅合金板は別の一実施態様において、銅合金板のヤング率が１２０ＧＰａ以上である。

本発明に係る銅合金板は更に別の一実施態様において、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、かつ、ヤング率が改善された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。

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％含み、残部が銅及び不可避的不純物からなる。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少なくとも１種を合計で１．０％以下含有することが好ましい。これら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、添加する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。

（結晶方位）
種々のＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ－Ｔｉ系合金板について、ＥＢＳＤ法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：電子後方散乱回折）により結晶方位分布を測定し、結晶方位分布関数を用い、発達している方位成分を求めたところ、Ｃｕｂｅ方位｛０ ０ １｝＜１ ０ ０＞、Ｂｒａｓｓ方位｛１ １ ０｝＜１ １ ２＞及びＣｏｐｐｅｒ方位｛１ １ ２｝＜１ １ １＞の３方位が検出された。ここで、例えば｛０ ０ １｝＜１ ０ ０＞方位とは、圧延面法線方向（ＮＤ）に（０ ０ １）面が、圧延方向（ＲＤ）に（１ ０ ０）面が向いている状態を示す。
各方位の発達度と曲げ加工性との関係について実験的に検討した結果、Ｃｕｂｅ方位｛０ ０ １｝＜１ ０ ０＞とＣｏｐｐｅｒ方位｛１ １ ２｝＜１ １ １＞が非常に有効であった。一方、Ｂｒａｓｓ方位｛１ １ ０｝＜１ １ ２＞は曲げ加工性に対し有害な成分であった。
また、各方位の発達度とヤング率との関係について実験的に検討した結果、Ｃｏｐｐｅｒ方位｛１ １ ２｝＜１ １ １＞が非常に有効であった。一方、Ｃｕｂｅ方位｛０ ０ １｝＜１ ０ ０＞はヤング率に対し有害な成分であった。
そこで、本発明者は、Ｃｕｂｅ方位の面積率を５％以下、Ｃｏｐｐｅｒ方位の面積率を３０％以上、Ｂｒａｓｓ方位の面積率を２０％以下とすることで、強度、導電率、曲げ加工性、ヤング率のバランスが取れたＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ－Ｔｉ系合金が得られることを見出した。
ＥＢＳＤ法による測定条件は後述する。

（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板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１の時効処理、第２の冷間圧延、第２の時効処理をこの順で行う。必要に応じて酸化膜等を除去するために表面研削や酸洗を熱間圧延後、時効処理、溶体化処理等の熱処理を実施する。

第１の冷間圧延は、第２の冷間圧延加工度が所定の範囲内となるように表面研削や酸洗による板厚減少を考慮し設定した目標板厚に加工する。

溶体化処理は、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。

平均昇温速度が３００℃／ｍｉｎ未満となると、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０．２％耐力（ＹＳ）が低くなる場合がある。９００℃を超えると、Ｃｕｂｅ方位が発達する。そのため、溶体化温度は８５０～９００℃とすることが好ましい。

第１の時効処理は、低温で長時間の実施が好ましく、３００℃～４００℃で１５～２５ｈが好ましい。３００℃未満や１５ｈ未満の時効処理では、第１の時効処理後の導電率が７５％ＩＡＣＳ未満となり、後の冷間圧延でＢｒａｓｓ方位が発達する。また、４００℃を超えるか２５ｈを超える時効処理では、第１の時効処理後の導電率が９０％ＩＡＣＳを超え、Ｃｕｂｅ方位が発達してヤング率が低下する。

第２の冷間圧延は、加工度を８５％以上とすることが好ましい。８５％未満ではＣｏｐｐｅｒ方位の発達が不足する。

第２の時効処理は、低温で長時間の実施が好ましく、３００℃～４００℃で５～１０ｈが好ましい。再結晶しない低温度域で長時間時効処理することで、第２の冷間圧延後のＣｏｐｐｅｒ方位粒の維持と、第２の冷間圧延で低下した導電率の回復が達成できる。

以上より、本発明に係る銅合金板の製造方法は、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る銅合金インゴットを熱間圧延した後、第１の冷間圧延工程、溶体化処理工程、第１の時効処理工程、第２の冷間圧延工程、第２の時効処理工程を含む銅合金板の製造方法であって、
前記第１の時効処理は、３００℃～４００℃で１５～２５ｈ行い、
前記第２の冷間圧延は、加工度を８５％以上とし、
前記第２の時効処理は、３００℃～４００℃で５～１０ｈ行うことを特徴とする銅合金板の製造方法である。

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３ｈ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１．５ｍｍの厚みの板とした後、溶体化処理を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、水冷することで行った。その後、第１の時効処理を３００℃～４００℃で１５～２５ｈ実施し、第２の冷間圧延にて０．１ｍｍの板とし、第２の時効処理を３００℃～４００℃で５～１０ｈ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、ＪＩＳ－Ｚ２２４１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、ＪＩＳ－Ｚ２２４１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（ＥＣ、単位：％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、ＪＩＳ－Ｈ０５０５に準拠し四端子法により２０℃での導電率を測定した。

＜ＥＢＳＤ＞
ＥＢＳＤ測定を用いて｛０ ０ １｝＜１ ０ ０＞、｛１ １ ０｝＜１ １ ２＞及び｛１ １ ２｝＜１ １ １＞の各方位の面積率を測定した。
表層の結晶方位を解析するための試料として、試料表面を機械研磨した後、電解研磨により鏡面に仕上げた。
ＥＢＳＤ測定では、結晶粒を２００個以上含む、５００μｍ四方の試料面積に対し、０．５μｍのステップでスキャンし、結晶方位分布を測定した。そして、結晶方位分布関数解析を行って、｛０ ０ １｝＜１ ０ ０＞、｛１ １ ０｝＜１ １ ２＞及び｛１ １ ２｝＜１ １ １＞の各方位から１０°以内の方位差を持つ領域の面積率を求めた。以上の解析にはＴＳＬ社製ＯＩＭ Ａｎａｌｙｓｉｓ ５．３を使用した。

＜ヤング率＞
ＪＩＳ－Ｚ２２０１に規定する１３Ｂ号試験片を引張方向が圧延方向と平行になるように採取し、引張試験を行った。得られた応力歪曲線から、弾性範囲における直線部の傾きを求め、この値をヤング率とした。

＜曲げ加工性＞
試料を幅１０ｍｍ、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。ＪＩＳ－Ｈ３１３０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、光学顕微鏡で５０倍に拡大して日本伸銅協会技術標準ＪＣＢＡ Ｔ３０７（２００７）の評価基準に従い、Ａ：しわなし、Ｂ：しわ小、Ｃ：しわ大、Ｄ：割れ小、Ｅ：割れ大の５段階の評価とした。

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。なお、比較例については、表１に記載の製造条件以外は実施例と同様の条件で製造した。

表１及び表２から明らかなように、第１の時効処理を３００℃～４００℃で１５～２５ｈ実施し、第２の冷間圧延加工度を８５％以上とし、第２の時効処理を３００℃～４００℃で５～１０ｈ実施した各実施例の場合、ＹＳが６００ＭＰａ以上、導電率が８０％ＩＡＣＳ以上、曲げ加工性の評価がＢ以上、ヤング率が１２０ＧＰａ以上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。

第１の時効処理時間が短い比較例５や、第１の時効処理温度が低い比較例６、８、９の場合、時効処理後の導電率が低くＣｏｐｐｅｒ方位の面積率が少なくなり曲げ加工性、ヤング率が劣った。

第１の時効処理時間が長い比較例１３や、第１の時効処理温度が高い比較例７の場合、時効処理後の導電率が高くＣｕｂｅ方位の面積率が多くなり耐力、ヤング率が劣った。

第２の時効処理温度が低い比較例８や、第２の時効処理時間が短い比較例９の場合、Ｃｏｐｐｅｒ方位の面積率が少なくなり曲げ加工性、ヤング率が劣った。

第２の時効処理温度が高い比較例１０の場合、Ｃｕｂｅ方位の面積率が多くなり耐力、ヤング率が劣った。

第２の冷間圧延加工度が低い比較例１１、１２の場合、Ｃｏｐｐｅｒ方位の面積率が少なくなり曲げ加工性、ヤング率が劣った。

Claims (5)

1. 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、ＥＢＳＤ測定における結晶方位解析において、Ｃｕｂｅ方位｛０ ０ １｝＜１ ０ ０＞の面積率が５％以下、Ｂｒａｓｓ方位｛１ １ ０｝＜１ １ ２＞の面積率が２０％以下、Ｃｏｐｐｅｒ方位｛１ １ ２｝＜１ １ １＞の面積率が３０％以上である銅合金板。
2. ヤング率が１２０ＧＰａ以上である請求項１に記載の銅合金板。
3. 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種の合金元素を含有し、ただし、Ａｇは０．０１％以下、Ｂは０．０１％以下、Ｃｏは０．０１％以下、Ｆｅは０．０１％以下、Ｍｇは０．０１％以下、Ｍｎは０．０１％以下、Ｎｉは０．０１％以下、Ｐは０．０１％以下、Ｓｉは０．０３％以下、Ｓｎは０．０１％以下、Ｚｎは０．０１％以下である、請求項１又は２に記載の銅合金板。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の銅合金板を用いた通電用電子部品。
5. 請求項１～３のいずれか１項に記載の銅合金板を用いた放熱用電子部品。