JPH09104935A - 高強度導電性Ｃｒ含有銅合金とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価なＣｒを添加元素とし、時効処理後冷間
加工した材料において、引張り強さ８００ＭＰａ以上、
並びに時効処理材において引張り強さ４００ＭＰａ以上
で異方性の少ない、共に導電率８０％以上で、５００℃
程度まで適当な耐熱性を有する高強度導電性Ｃｕ基合金
材を提供する。 【解決手段】 Ｃｒを１０〜２１ｗｔ％含有するＣｕ二
相合金の溶製材を７００℃以上１０００℃未満で熱間加
工した後、９００℃以上１０５０℃未満で２時間以内保
持して熱処理した後Ｃｒの析出が起こらないように急冷
して焼入れした後、加工率９０％以下で第１の冷間加工
を行い、次いで４５０℃以上７００℃以下で２時間以内
保持して時効処理し、さらに、加工率９９％以上の第２
の冷間加工を行い、引張り強さ８００ＭＰａ以上、導電
率８０％以上の図２に示すファイバー状分散Ｃｒ晶を１
０〜２１ｗｔ％含有するＣｕ二相合金材を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高強度導電性Ｃ
ｒ含有銅合金とその製造方法に関するものである。さら
に詳しくは、この発明は、Ｃｕが有する高導電性と共に
高強度を必要とするＣｕ基合金全般に係わり、特に、送
電線、水冷銅マグネット用コイル、ＩＣ（集積回路）リ
ードフレーム材をはじめとする電子材等に有用な、高強
度導電性Ｃｒ含有銅合金とその製造方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術とその課題】図１は従来のＣｕ基合金の引
張り強さに対する導電率の関係を示したものであるが、
これから分かるように、従来の固溶強化、析出強化を中
心とした銅合金では、高導電率のものは強度が低く、高
強度のものは導電率が低いという関係がある。しかし、
昨今の技術の発達にともない、引張り強さが８００ＭＰ
ａ以上の高強度であって、しかも導電率８０％以上の高
導電性を有する材料の開発が切望されているのが現状で
もある。

【０００３】このような条件を満足するために、銅線の
中に他の金属細線を挿入して複合化したものや、Ｍｏま
たはＷを真空中において溶融銅で鋳込んで複合化したも
のを細線に加工する方法等が試みられたが、これらは、
その製造方法ゆえに長尺物が得られず、また、得られた
線材も非常に高価になってしまうという欠点があった。

【０００４】一方、Ｃｕ基二相合金としては、Ｃｕ−Ａ
ｇ合金やＣｕ−Ｎｂ合金等が知られているが、これらに
添加されるＡｇやＮｂ等は概して高価であり、高強度化
のために多量を添加する必要があり、このため最終製品
は高価なものとなっていた。また、Ｃｕ−Ｎｂ合金は、
ＣｕとＮｂの融点の差が大きく、均一に溶解することが
難しかった。

【０００５】Ｃｒを最大２％程度添加して析出強化作用
を利用した高強度Ｃｕ−Ｃｒ合金も知られており、これ
はすでに実用化されてもいる。しかし、このＣｕ−Ｃｒ
合金の強度は、６００ＭＰａどまりであり、それ以上の
強度を達成したものは存在しない。この発明の発明者等
により１〜５０％のＣｒを添加してＣｒ晶による分散強
化作用を利用した高強度合金が検討されたが、その強度
はＣｕ−２０ａｔ％Ｃｒでも６００ＭＰａに達しなかっ
た。

【０００６】この発明は、以上の通りの事情に鑑みてな
されたものであって、従来技術の欠点、限界を克服し、
ステンレス等で既に工業的に量産使用されている安価な
Ｃｒを添加元素とし、これまでに達成することのできな
かった高いレベルの強度と導電性とを併せ持ったＣｕ基
合金材を、現在の工業設備にて量産可能な工程で製造す
ることができるものとして提供することを目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、引張り強さ８００ＭＰａ以上、
導電率８０％以上の、ファイバー状に分散されたＣｒ晶
を１０〜２１ｗｔ％含有するＣｕ二相合金からなること
を特徴とする高強度導電性Ｃｒ含有銅合金（請求項１）
を提供する。

【０００８】また、この発明は、上記の合金を熱処理し
て得られる引張り強さ４００ＭＰａ以上で異方性が少な
く、導電率８０％以上の、均一微細分散された球状化Ｃ
ｒ晶を１０〜２１ｗｔ％含有するＣｕ二相合金材からな
ることを特徴とする高強度導電性Ｃｒ含有銅合金（請求
項２）を提供する。そして、この発明は、上記の各合金
に対応する以下の通りの製造法をも提供する。

【０００９】Ｃｒを１０〜２１ｗｔ％含有するＣｕ二相
合金の溶製材を、７００℃以上１０００℃未満で熱間加
工した後、９００℃以上１０５０℃未満に保持して溶体
化処理した後Ｃｒの析出が起こらないように急冷して焼
入れし、その後加工率９０％以下で第１の冷間加工を行
い、次いで４５０℃以上７００℃以下に保持して時効処
理し、さらに、加工率９９％以上の第２の冷間加工を行
うことを特徴とする、引張り強さ８００ＭＰａ以上、導
電率８０％以上の、ファイバー状に分散されたＣｒ晶を
１０〜２１ｗｔ％含有するＣｕ二相合金からなる高強度
導電性Ｃｒ含有銅合金の製造方法（請求項３）。

【００１０】Ｃｒを１０〜２１ｗｔ％含有するＣｕ二相
合金の溶製材を、７００℃以上１０００℃未満で熱間加
工した後、９００℃以上１０５０℃未満に保持して溶体
化処理した後Ｃｒの析出が起こらないように急冷して焼
入れし、その後加工率９９％以上での冷間加工を行い、
１０００℃以上１０５０℃以下に保持し、Ｃｒの析出が
起こらない範囲で冷却してＣｒの球状化処理し、４５０
℃以上７００℃以下に保持して時効処理することを特徴
とする、引張り強さ４００ＭＰａ以上で異方性が少な
く、導電率８０％以上の、均一微細に分散された球状化
Ｃｒ晶を１０〜２１ｗｔ％含有するＣｕ二相合金からな
る高強度導電性Ｃｒ含有銅合金の製造方法（請求項
４）。

【００１１】以上の通りのこの出願の発明は、発明者が
８００ＭＰａ以上の高強度を達成し、導電率８０％以上
を確保するために、Ｃｕへの固溶度が小さく、第２相が
晶出する合金に注目し、その結果として、Ｃｒを１０％
以上添加することにより溶融域からの冷却凝固に際し、
第二相としてＣｒが晶出し、ＣｕとＣｒの二相複合材を
形成することを見出し、以下の知見を得たことにより導
かれている。

【００１２】（１）従来Ｃｒは、粒界脆性等の理由によ
り常温での加工が困難であると考えられていた。しか
し、溶融Ｃｕ中に晶出するＣｒは、 溶融Ｃｕ中にＣｒの粒界脆化元素が拡散する、 他のＣｒ晶との接触が見られず、粒界をもたない単結
晶であり、良好な加工性を有する、 各Ｃｒ晶を包むＣｕのために静水圧的応力により変形
する、 等の理由により、冷間線引き、冷間圧延などの常温加工
が充分に可能である。

【００１３】（２）（１）の結果としてＣｒを１５ｗｔ
％含有するＣｕ合金は、少なくとも冷間加工率９９．９
％までは加工が可能であり、図２に示したようにＣｒが
リボン状に延びたファイバーとなり、繊維分散強化がな
される。 （３）（２）におけるＣｒファイバーが分散した冷間加
工材を１０００℃で焼鈍することにより、Ｃｒは球状化
してＣｕマトリックス中に均一微細分散される。

【００１４】（４）ＣｒはＣｕ中に最大１％程度固溶可
能であるが、凝固後Ｃｕ中に固溶したＣｒおよび不純物
をほぼ１００％析出させることが可能であり、この析出
により導電率が回復し、更なる強度の増加がなされる。 （５）Ｃｒ晶の分散および微細なＣｒの析出により、Ｃ
ｕに比べてＣｕ−Ｃｒ二相合金の軟化温度が上昇する。

【００１５】そして、実際にこの発明の合金では、Ｈａ
ｌｌ−Ｐｅｔｃｈの関係に従うＣｒ線間隔減少による高
強度化とＣｕ中に固溶するＣｒの析出による導電率向上
を主目的としてその製造条件が以下の通りに決定されて
いる。 １）請求項１および３の発明において、Ｃｒの添加量の
下限を１０ｗｔ％としたのは、時効処理後に冷間加工し
た材料において、引張り強さ８００ＭＰａ以上の目標性
能を満たすためである。上限を２１ｗｔ％としたのは、
図３に示したようにＣｕ中に長手方向に伸びたＣｒが並
列に分布した場合を想定し、下記数式１の計算より、導
電率８０％の目標性能を確保するための上限が２０．５
６ｗｔ％と考えられるからであり、各Ｃｒ添加量の材料
において数式１より求められる導電率が得られることを
確認したためである。また、良好な加工性を確保するた
めにＣｒ晶同士の接触を避ける必要からである。

【００１６】

【数１】

【００１７】２）熱間加工温度を７００℃以上１０００
℃未満としたのは、５００℃前後でＣｕが脆化し、この
温度範囲で良好な熱間加工性が得られるためである。表
１は、Ｃｕ−１５ｗｔ％Ｃｒ材の各温度での熱間加工後
の端部の割れの有無を示したものである。Ｃｕ−１５ｗ
ｔ％Ｃｒ材は、７００℃以上１０００℃未満で割れのな
い良好な加工性を示した。これは、Ｃｕマトリックスの
５００℃前後での粒界脆化に起因したものである。ま
た、１０００℃を越えた場合には、一部溶融し始め加熱
脆化が生ずるためである。

【００１８】

【表１】

【００１９】３）熱処理温度を９００℃以上１０５０℃
以下に保持し、Ｃｒの析出が起こらない冷却速度とした
のは、Ｃｕマトリックス中に過飽和にＣｒを固溶させる
ためであり、それにより時効処理時のＣｒ析出を促進し
て導電率８０％以上を得るためである。また、保持時間
は２時間以内とするのが好ましいが、その理由は、各保
持温度での最大量のＣｒ固溶を確認したからである。な
お、さらに好ましくは、１時間保持である。図４は各温
度でのＣｒ固溶度と導電率の関係を示したものである。

【００２０】４）第１の冷間加工において、加工率を９
０％以下としたのは、加工歪みを加えて時効処理時のＣ
ｒ析出を促進するためであり、第２の冷間加工の加工率
を９９％以上とするためである。図はＣｕ−１５ｗｔ％
Ｃｒ材を用い、９００℃×１ｈの熱処理＋水焼入後の５
００℃時効処理時間の変化による導電率の変化、時効処
理前に２１％および８９％で冷間加工を施した後に５０
０℃×１ｈの時効処理を施した材料の導電率を示したも
のである。これより、熱処理直後の時効処理では導電率
７０％を得るために１０時間以上の処理時間が必要であ
ったのに対し、冷間加工を行うことで１時間で７８％が
得られ、時効処理前冷間加工によりＣｒ析出が促進して
導電率が向上していることが確認される。

【００２１】５）時効処理を温度４５０℃以上７００℃
以下で２時間以内保持するとしたのは、析出により導電
率８０％以上を得るとともに材料を強化するためであ
る。図６および図７は、９００℃熱処理水焼入れ後、加
工率２１％で冷間加工し、各条件で時効処理を施したＣ
ｕ−１５ｗｔ％Ｃｒ材の導電率、硬さの変化を示したも
のである。これらの図より、４５０℃以上７００℃以下
２時間以内時効処理で導電率８０％以上が得られ、硬さ
も増加していることが確認される。

【００２２】６）第２の冷間加工を加工率９９％以上と
したのは、Ｃｕ−Ｃｒ二相合金材において冷間加工率の
増加に伴う導電率の低下が殆ど見られないためであり、
析出による引張り強さの増加が無くとも８００ＭＰａを
越える引張り強さが得られるためである。図８は、Ｃｕ
−１５ｗｔ％Ｃｒ材の冷間加工率による引張り強さの変
化を、図９は、９００℃熱処理水焼入れ後に加工率２１
％で冷間加工を施し、５００℃で１〜５時間の時効処理
したＣｕ−１５ｗｔ％Ｃｒ材の冷間加工率による導電率
の変化を示したものである。この図８よりＣｕ−１５ｗ
ｔ％Ｃｒ材は、冷間加工率９９％以上で再度引張り強さ
が上昇し、８００ＭＰａを越えることが解る。また、図
９より、冷間加工率が増加しても導電率は大きな変化が
見られず、８０％を越える値が得られることが確認され
る。

【００２３】７）なお、請求項２および請求項４の発明
に関しては、その製造において冷間加工を加工率９９％
以上としたのは、Ｃｒに加工歪みを加え再結晶を促進
し、充分に延ばしてファイバー状Ｃｒ晶の断面積を減少
させておくことにより球状化するＣｒを微細にするため
である。 ８）そして、上記７）の場合、Ｃｒの球状化熱処理を１
０００℃以上で２４時間以上保持するのは、この条件で
Ｃｒの球状化が確認されたからである。図１０は、Ｃｕ
−１５ｗｔ％Ｃｒ材を９９．９％の冷間線引きによりＣ
ｒをファイバー状に加工した後に、１０００℃２４時間
保持で球状化したＣｒを示したものである。

【００２４】９）軟化温度 図１１は、Ｃｕ−１５ｗｔ％Ｃｒ材の各焼鈍温度での焼
鈍後の硬さの変化を示したものである。この発明の上記
６）７）８）に係わる合金は、軟化温度が高く、５００
℃程度までの軟化しないことが解る。

【００２５】

【発明の実施の形態】以上のことを踏まえ、改めてこの
発明実施例を示し、さらに詳しくこの発明の実施の形態
について説明する。

【００２６】

【実施例】実施例１ Ｃｒを１０〜２１ｗｔ％含有するＣｕ二相合金の溶製材
を７００℃以上１０００℃未満で熱間加工する。次い
で、９００℃以上１０５０℃未満で２時間以内保持して
熱処理した後、Ｃｒの析出が起こらないように急冷して
焼入れした後、加工率９０％以下の第１の冷間加工、例
えば引き抜き加工を行う。次いで、４５０℃以上７００
℃以下で２時間以内保持して時効処理する。さらに、加
工率９９％以上の第２回目の冷間加工、例えば再度引き
抜き加工をして、引張り強さ８００ＭＰａ以上、導電率
８０％以上でファイバー状に分散しているＣｒ晶を１０
〜２１ｗｔ％含有するＣｕ二相合金線材或いは板材を得
る。

【００２７】表２は、実施例及び比較例で得たＣｕ−Ｃ
ｒ材の導電率、引張り強さも示す表である。これらの例
における合金組成は、Ｃｕ−５ｗｔ％Ｃｒ、Ｃｕ−１０
ｗｔ％Ｃｒ、Ｃｕ−１５ｗｔ％Ｃｒ、Ｃｕ−２０ｗｔ％
Ｃｒ、Ｃｕ−２５ｗｔ％Ｃｒとした。各製造工程は表２
中に併せて示した。以上の結果、引張り強さ８００ＭＰ
ａ以上、導電率８０％以上の導電率を有する材料が得ら
れたことが解る。

【００２８】

【表２】

【００２９】実施例２ Ｃｒを１０〜２１ｗｔ％含有するＣｕ二相合金の溶製材
を７００℃以上１０００℃未満で熱間加工する。次い
で、９００℃以上１０５０℃未満で２時間以内保持して
熱処理した後、Ｃｒの析出が起こらないように急冷して
焼入れした後、加工率９９％以上の冷間加工、例えば引
き抜き加工を行いＣｒ晶をファイバー状に分散させる。
次いで、１０００℃以上１０５０℃以下で２４時間以上
保持し、Ｃｒの析出が起こらない範囲で冷却してファイ
バー上のＣｒを球状化処理した後、４５０℃以上７００
℃以下で２時間以内保持して時効処理して、引張り強さ
４００ＭＰａ以上で異方性の少ない、導電率８０％以上
で均一微細に分散している球状化したＣｒ晶を１０〜２
１ｗｔ％含有するＣｕ二相合金線材或いは板材を得る。

【００３０】表３は実施例及び比較例で得たＣｕ−１５
ｗｔ％Ｃｒ材のＣｒの球状化、導電率、引張り強さを示
す表である。これらの例における合金組成はＣｕ−１５
ｗｔ％Ｃｒ材のみとした。各製造工程は表３中に併せて
示した。球状化は、冷間加工率９９％以上において、１
０００℃×２４時間焼鈍で確認された。以上の結果、引
張り強さ４００ＭＰａ以上、導電率８０％以上の材料が
得られることが解る。

【００３１】

【表３】

【００３２】

【発明の効果】この発明の合金は、通常では加工が困難
な材料でも加工性に優れる材料との複合材とすることで
静水圧的応力による変形等の理由により加工が可能とな
ることを示す合金系である。そして、この合金は送電
線、水冷銅マグネット用コイル、リードフレーム等様々
な電子材での実用化が期待されるものであって、ステン
レス等で既に工業的に量産使用されるＣｒを添加元素と
する安価な合金であり、現在の工業設備による製造が可
能である。これらは、本合金の工業的実用化の可能性が
高いことを示す事実である。この発明は、切望される高
強度高導電性を有する優れたＣｕ合金およびその製造方
法を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＣｕ基合金の引張り強さと導電率の関係
を示す図である。

【図２】冷間加工率９９．９％でリボン状に延びたＣｒ
ファイバーを示す図面に代わる電子顕微鏡（ＳＥＭ）写
真である。

【図３】ＣｒがＣｕ中に長手方向に平行に分布している
場合を示す図である。

【図４】Ｃｕ−１５ｗｔ％Ｃｒ合金のＣｕマトリックス
中へのＣｒ固溶度による導電率の変化を示す図である。

【図５】Ｃｕ−１５ｗｔ％Ｃｒ材の９００℃×１ｈ熱処
理後５００℃時効処理時間の変化による導電率の変化、
同熱処理後に加工率２１％および８９％で冷間加工を施
し、５００℃×１ｈ時効を施した材料の導電率を示す図
である。

【図６】９００℃×１ｈ熱処理水焼き入れし、加工率２
１％で冷間加工後、各条件で時効熱処理を施したＣｕ−
１５ｗｔ％Ｃｒ材の導電率の変化を示す図である。

【図７】９００℃×１ｈ熱処理水焼き入れし、加工率２
１％で冷間加工後、各条件で時効熱処理を施したＣｕ−
１５ｗｔ％Ｃｒ材の硬さの変化を示す図である。

【図８】Ｃｕ−１５ｗｔ％Ｃｒ材の冷間加工率による引
張り強さの変化を示す図である。

【図９】９００℃熱処理水焼き入れ後に加工率２１％で
冷間加工を施し、５００℃×１．５ｈ時効処理したＣｕ
−１５ｗｔ％Ｃｒ材の冷間加工率による導電率の変化を
示す図である。

【図１０】加工率９９．９％で冷間加工した後に１００
０℃×２４ｈ焼鈍したＣｕ−１５ｗｔ％Ｃｒの球状化し
た組織を示す図面に代わる光学顕微鏡写真である。

【図１１】Ｃｕ−１５ｗｔ％Ｃｒ材の各温度での１ｈ焼
鈍後の硬さの変化を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 洋夫 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 引張り強さ８００ＭＰａ以上、導電率８
   ０％以上の、ファイバー状に分散されたＣｒ晶を１０〜
   ２１ｗｔ％含有するＣｕ二相合金からなることを特徴と
   する高強度導電性Ｃｒ含有銅合金。
2. 【請求項２】 請求項１の合金を熱処理して得られる引
   張り強さ４００ＭＰａ以上で異方性が少なく、導電率８
   ０％以上の、均一微細分散された球状化Ｃｒ晶を１０〜
   ２１ｗｔ％含有するＣｕ二相合金からなることを特徴と
   する高強度導電性Ｃｒ含有銅合金。
3. 【請求項３】 Ｃｒを１０〜２１ｗｔ％含有するＣｕ二
   相合金の溶製材を、７００℃以上１０００℃未満で熱間
   加工した後、９００℃以上１０５０℃未満に保持して熱
   処理した後Ｃｒの析出が起こらないように急冷して焼入
   れし、その後加工率９０％以下の第１の冷間加工を行
   い、次いで４５０℃以上７００℃以下に保持して時効処
   理し、さらに、加工率９９％以上の第２の冷間加工を行
   うことを特徴とする請求項１記載の合金の製造方法。
4. 【請求項４】 Ｃｒを１０〜２１ｗｔ％含有するＣｕ二
   相合金の溶製材を７００℃以上１０００℃未満で熱間加
   工した後、９００℃以上１０５０℃未満に保持して熱処
   理した後Ｃｒの析出が起こらないように急冷して焼入れ
   し、その後加工率９９％以上の冷間加工を行い、１００
   ０℃以上１０５０℃以下に保持し、Ｃｒの析出が起こら
   ない範囲で冷却してＣｒの球状化処理し、４５０℃以上
   ７００℃以下に保持して時効処理することを特徴とする
   請求項２記載の合金の製造方法。