KR101612185B1

KR101612185B1 - Cu－Co－Si 계 구리 합금조 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101612185B1
Application number: KR1020140088298A
Authority: KR
Inventors: 야스히로 오카후지
Original assignee: 제이엑스 킨조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2014-07-14
Publication date: 2016-04-12
Also published as: TWI550107B; TW201518520A; CN104342581B; CN104342581A; KR20150015367A; JP2015028201A; JP5437519B1

Abstract

(과제) 도전율이나 강도를 유지하면서, 가공성이 우수한 Cu－Co－Si 계 구리 합금조 및 그 제조 방법 그리고 그 구리 합금판을 사용한 대전류용 전자 부품 및 방열용 전자 부품을 제공한다.
(해결 수단) Co : 0.5 ~ 3.0 질량%, Si : 0.1 ~ 1.0 질량% 를 함유하고, Co/Si 의 질량비 : 3.0 ~ 5.0 으로서, 잔부가 구리 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 랭크포드값 r 이 0.9 이상 (단, 압연 평행 방향에 대해 0 도, 45 도, 90 도 방향으로 시료를 인장 시험하여 얻어진 r 값을 각각 r0, r45, r90 으로 했을 때, r=(r0＋2×r45＋r90)/4) 인 Cu－Co－Si 계 구리 합금조이다.

Description

Cu－Co－Si 계 구리 합금조 및 그 제조 방법{CU-CO-SI-BASED COPPER ALLOY STRIP AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 전자재료 등의 전자 부품의 제조에 바람직하게 사용할 수 있는 Cu－Co－Si 계 구리 합금조 및 통전용 또는 방열용 전자 부품에 관한 것으로, 특히 전기·전자 기기, 자동차 등에 탑재되는 단자, 커넥터, 릴레이, 스위치, 소켓, 버스 바, 리드 프레임, 방열판 등의 전자 부품의 소재로 사용되는 Cu－Co－Si 계 구리 합금조, 및 그 구리 합금조를 사용한 전자 부품에 관한 것이다. 그 중에서도, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등에서 사용되는 대전류용 커넥터나 단자 등의 대전류용 전자 부품의 용도, 또는 스마트 폰이나 타블렛 PC 에서 사용되는 액정 프레임 등의 방열용 전자 부품의 용도에 바람직한 Cu－Co－Si 계 구리 합금조 및 그 구리 합금조를 사용한 전자 부품에 관한 것이다.

전자 기기의 단자, 커넥터, 스위치, 소켓, 릴레이, 버스 바, 리드 프레임, 방열판 등의 전기 또는 열을 전하기 위한 재료로서 강도와 도전율이 우수한 구리 합금조가 널리 사용되고 있다. 여기서, 전기 전도성과 열전도성은 비례 관계에 있다. 그런데, 최근 전자 기기의 커넥터에 있어서 고전류화가 진행되고 있어, 양호한 굽힘성을 가지고, 55 % IACS 이상의 도전율, 550 MPa 이상의 내력을 가질 필요가 있다고 생각되고 있다. 또, 땜납성을 확보하기 위해, 커넥터 재료에는 양호한 도금성이나 땜납 젖음성이 요구된다.

한편, 예를 들어 스마트 폰이나 타블렛 PC 의 액정에는 액정 프레임으로 불리는 방열 부품이 이용되고 있다. 이러한 방열 용도의 구리 합금조에 있어서도, 고열 전도율화가 진행되고 있어, 양호한 굽힘성을 가지고, 고강도를 가질 필요가 있다고 생각되고 있다. 이 때문에, 방열 용도의 구리 합금조에 있어서도, 55 % IACS 이상의 도전율, 550 MPa 이상의 내력을 가질 필요가 있다고 생각되고 있다.

그러나, 60 % IACS 이상의 도전율을 Ni-Si 계 구리 합금으로 달성하기는 어렵기 때문에 Co-Si 계 구리 합금의 개발이 진행되어 왔다. Co-Si 를 함유하는 구리 합금은 Co₂Si 의 고용량이 적기 때문에, Ni-Si 계 구리 합금보다 도전율을 높일 수 있다.

이 Co-Si 계 구리 합금으로서 개재물의 크기를 2 ㎛ 이하로 하여 조대한 석출물을 줄임으로써, 도금 밀착성이 우수한 구리 합금이 개시되어 있다 (특허문헌 1).

특허문헌 1 : 일본 공개특허공보2008-056977호

그런데, Co-Si 계 구리 합금은 도전율이나 강도는 우수하지만, 드로잉이나 장출과 같은 가공에 적합하지 않아 가공 시에 크랙이나 형상 불량이 생기기 쉽다. 이 때문에, 전자 기기의 커넥터나 방열판 등에 Co-Si 계 구리 합금을 적용하는 경우의 가공 설계가 곤란해지거나 가공이 어려운 경우에는 도전율 (열전도율) 이 부족한 다른 합금을 이용함으로 인해 필요한 기능이 얻어지지 않거나 하는 문제가 있었다.

즉, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 도전율이나 강도를 유지하면서, 가공성이 우수한 Cu－Co－Si 계 구리 합금조 및 그 제조 방법의 제공을 목적으로 한다. 나아가, 본 발명은 그 구리 합금조의 제조 방법, 및 대전류 용도 또는 방열 용도에 적합한 전자 부품을 제공하는 것도 목적으로 한다.

본 발명의 Cu－Co－Si 계 구리 합금조는 Co : 0.5 ~ 3.0 질량%, Si : 0.1 ~ 1.0 질량% 를 함유하고, Co/Si 의 질량비 : 3.0 ~ 5.0 으로서, 잔부가 구리 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 랭크포드값 r 이 0.9 이상 (단, 압연 평행 방향에 대해 0 도, 45 도, 90 도 방향으로 시료를 인장 시험하여 얻어진 r 값을 각각 r0, r45, r90 으로 했을 때, r=(r0＋2×r45＋r90)/4) 이다.

본 발명의 Cu－Co－Si 계 구리 합금조에 있어서, 압연 평행 방향에 대해 0 도, 45 도, 90 도의 연신을 각각 E1, E45, E90 으로 했을 때, E1, E45, E90 이 모두 5 % 이상인 것이 바람직하다.

(항복 강도/인장 강도) 로 나타내는 항복비가 0.95 이하인 것이 바람직하다. 단, 항복 강도 및 인장 강도의 단위를 MPa 로 하여 항복비를 구한다.

Ni, Cr, Mg, Mn, Ag, P, Sn, Zn, As, Sb, Be, B, Ti, Zr, Al 및 Fe 로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상을 합계 0.001 ~ 2.5 질량% 함유하는 것이 바람직하다.

본 발명의 Cu－Co－Si 계 구리 합금조의 제조 방법은, 상기 Cu－Co－Si 계 구리 합금조의 제조 방법으로서, 열간 압연, 제 1 어닐링, 가공도 10 % 이상의 제 1 냉간압연, 용체화 처리, 시효 처리를 이 순서로 실시하고, 또한 상기 제 1 어닐링과 상기 제 1 냉간압연을 2 회 이상 반복하고, 상기 제 1 어닐링은 어닐링 전후로 인장 강도가 10 ~ 40 % 감소되는 조건으로 한다.

본 발명은 또 다른 한 측면에 있어서, 상기 Cu－Co－Si 계 구리 합금조를 사용한 대전류용 전자 부품이다.

본 발명은 또 다른 한 측면에 있어서, 상기 Cu－Co－Si 계 구리 합금조를 사용한 방열용 전자 부품이다.

본 발명에 의하면, 도전율이나 강도를 유지하면서, 가공성이 우수한 Cu－Co－Si 계 구리 합금조 및 그 제조 방법, 그리고 대전류 용도 또는 방열 용도에 적합한 전자 부품을 제공할 수 있다. 이 구리 합금판은, 단자, 커넥터, 스위치, 소켓, 릴레이, 버스 바, 리드 프레임 등의 전자 부품 소재로서 바람직하게 사용할 수 있고, 특히 대전류를 통전하는 전자 부품의 소재 또는 대열량을 방산하는 전자 부품의 소재로서 유용하다.

이하, 본 발명의 실시형태에 관련된 Cu－Co－Si 계 구리 합금조에 대해 설명한다. 또한, 본 발명에서 % 란 특별한 언급이 없는 한 질량% 를 나타낸다.

먼저, 구리 합금조의 조성의 한정 이유에 대해 설명한다.

＜Co 및 Si＞

Co 및 Si 는 시효 처리를 실시함으로써 Co 와 Si 가 미세한 Co₂Si 를 주로 한 금속간 화합물의 석출 입자를 형성하여 합금의 강도를 현저하게 증가시킨다. 또, 시효 처리에 의한 Co₂Si 의 석출에 수반하여 도전성이 향상된다. 단, Co 농도가 0.5 % 미만인 경우, 또는 Si 농도가 0.1 (Co % 의 1/5) % 미만인 경우에는 타방의 성분을 첨가해도 원하는 강도가 얻어지지 않는다. 또, Co 농도가 3.0 % 를 초과하는 경우, 또는 Si 농도가 1.0 (Co % 의 1/3) % 를 초과하는 경우에는 충분한 강도는 얻어지지만, 도전성이 낮아지고, 나아가서는 강도의 향상에 기여하지 않는 조대한 Co－Si 계 입자 (정출물 및 석출물) 가 모상중에 생성되어, 굽힘 가공성, 에칭성 및 도금성의 저하를 초래한다. 따라서, Co 의 함유량을 0.5 ~ 3.0 질량% 로 한다. 바람직하게는 Co 의 함유량을 1.0 ~ 2.0 질량% 로 한다. 마찬가지로, Si 의 함유량을 0.1 ~ 1.0 질량% 로 한다. 바람직하게는 Si 의 함유량을 0.2 ~ 0.7 질량% 로 한다.

Co/Si 의 질량비를 3.0 ~ 5.0 으로 하면, 석출 경화 후의 강도와 도전율을 함께 향상시킬 수 있다. Co/Si 의 질량비가 3.0 미만이면 Co₂Si 로서 석출되지 않는 Si 의 농도가 많아져 도전율이 저하된다. Co/Si 의 질량비가 5 를 초과하면 Co₂Si 로서 석출되지 않는 Co 의 농도가 많아져 도전율이 저하된다.

또한, Ni, Cr, Mg, Mn, Ag, P, Sn, Zn, As, Sb, Be, B, Ti, Zr, Al 및 Fe 로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상을 합계 0.001 ~ 2.5 질량% 함유하는 것이 바람직하다. 이들 원소는 고용 강화나 석출 강화 등에 의해 강도 상승에 기여한다. 이들 원소의 합계량이 0.001 질량% 미만이면 상기 효과가 얻어지지 않는 경우가 있다. 또, 이들 원소의 합계량이 2.5 질량% 를 초과하면 도전율이 저하되거나 열간 압연에서 균열되는 경우가 있다.

본 발명의 Cu－Co－Si 계 구리 합금조의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 0.03 ~ 0.6 ㎜ 로 할 수 있다.

＜랭크포드값 r＞

다음으로, 구리 합금조의 특징이 되는 규정에 대해 설명한다. 본 발명자들은 Cu－Co－Si 계 구리 합금조를 소정의 조건으로 제조함으로써, 랭크포드값 r 이 0.9 이상이 되는 합금이 얻어지는 것을 알아냈다. 이는 하기 조건으로 어닐링과 압연을 반복함으로써, 압연 방향과 판두께 방향의 결정립의 형상이나 찌그러짐의 도입 방식이 균일해져, 변형시의 판두께 방향의 감소가 억제되기 때문으로 생각된다.

여기서, r 은 판의 두께 방향과 판폭방향의 어느 쪽으로 변형되기 쉬운지와 같은 소성 변형값을 나타내고, r 이 높을 정도 딥 드로잉성이 우수하다.

r 은 이론적으로는 다음 식에 의해 구해진다.

r=ln(Wo/W)/ln(to/t)

여기서, Wo, W 는 변형 전, 후의 판폭이며, to, t 는 변형 전, 후의 판두께이다. 단, 시험편을 추출하는 지점에 따라 r 이 변화되기 때문에, 본 발명에 있어서는

식 1 : r=(r0＋2×r45＋r90)/4

(단, 압연 평행 방향에 대해 0 도, 45 도, 90 도 방향으로 시료를 인장 시험하여 얻어진 r 값을 각각 r0, r45, r90 으로 한다) 에 의해 r 을 구한다.

그리고, Cu－Co－Si 계 구리 합금조를 제조하는 조건으로서 잉곳을 열간 압연, 제 1 어닐링, 가공도 10 % 이상의 제 1 냉간압연, 용체화 처리, 시효 처리를 이 순서로 실시하고, 또한 제 1 어닐링과 제 1 냉간압연을 2 회 이상 반복하고, 제 1 어닐링은, 어닐링 전후로 인장 강도가 10 ~ 40 % 감소되는 조건으로 하면, r≥0.9 의 합금조가 얻어진다.

또한, 용체화 처리와 시효 처리 사이에 최종 냉간압연을 실시해도 된다.

제 1 어닐링과 제 1 냉간압연을 상기 조건으로 실시함으로써, 상기한 바와 같이, 압연 방향과 판두께 방향과 판폭방향의 결정립의 형상이나 찌그러짐의 도입 방식이 균일해져, 변형시의 판두께 방향의 감소가 억제된다고 생각된다.

제 1 어닐링과 제 1 냉간압연의 반복 횟수가 2 회 미만이면 상기 효과가 얻어지지 않고, r 이 0.9 미만이 된다.

제 1 어닐링에 있어서, 어닐링 전후로 인장 강도가 10 % 미만 밖에 감소되지 않는 경우, 상기 효과가 얻어지지 않고, r 이 0.9 미만이 된다. 한편, 어닐링 전후로 인장 강도가 40 % 를 초과하여 감소하면 결정립 직경이 너무 커져 r 이 0.9 미만이 된다. 제 1 어닐링은 어닐링 전후로 인장 강도가 15 ~ 30 % 감소되는 조건으로 하면 바람직하다.

제 1 냉간압연의 가공도가 10 % 미만인 경우, 상기 효과가 얻어지지 않고, r 이 0.9 미만이 된다. 또한, 제 1 냉간압연의 가공도의 상한은 예를 들어 97 % 이다. 가공도가 97 % 를 초과하면 2 회째의 냉간압연의 가공도가 10 % 미만이 된다. 제 1 냉간압연의 가공도가 15 ~ 50 % 이면 바람직하다.

열간 압연과 제 1 어닐링 사이에 냉간압연 (초기 냉간압연) 을 실시해도 되고, 그 가공도는 0 ~ 98 % 로 할 수 있다.

그 밖의 조건은, 통상적인 Cu－Co－Si 계 구리 합금조의 제조 조건과 동등하게 할 수 있다.

E1, E45, E90 이 모두 5 % 이상이면 r 을 확실하게 0.9 이상으로 할 수 있고, 구리 합금조의 가공성이 향상되므로 바람직하다.

(항복 강도/인장 강도) 로 나타내는 항복비가 0.95 이하이면 균일 연신 영역 (힘의 증가에 따라 찌그러짐이 증가하는 영역) 이 얻어지는 하중영역이 넓어져 양호한 성형 형상이 얻어지기 때문에 바람직하다.

실시예

전기 구리를 원료로 하고, 대기 용해로를 이용하여 표 1, 표 2 에 나타내는 조성의 구리 합금을 용제하여 잉곳으로 주조했다. 이 잉곳을 850 ~ 1000℃ 에서 열간 압연을 행하고, 적절히 면삭 등을 실시하여 10 ㎜ 의 두께로 했다. 그 후, 표 1, 표 2 에 나타내는 조건으로 초기 냉간압연을 실시했다 (일부 시료는 초기 냉간압연을 실시하지 않았다).

다음으로, 각각 표 1, 표 2 에 나타내는 조건으로, 제 1 어닐링 및 제 1 냉간압연을 2 회 또는 3 회 반복 실시했다. 또한, 850 ~ 1000℃ 에서 5 ~ 100 초의 용체화 처리를 실시하고, 다음으로 가공도 0 ~ 20 % 의 최종 냉간압연을 실시하고, 나아가 시효 처리 (강도가 최대가 되는 온도에서 5 시간) 를 실시하여 0.2 ㎜ 두께의 시료를 제조했다.

각 시료에 대해 다음과 같은 평가를 실시했다.

＜인장 강도 (TS)＞

인장 시험기에 의해, JIS－Z2241 에 따라, 압연 방향과 평행한 방향에 있어서의 인장 강도 (TS) 를 측정했다.

＜0.2 % 내력 (YS)＞

인장 시험기에 의해, JIS－Z2241 에 따라, 압연 방향과 평행한 방향에 있어서의 0.2 % 내력 (YS) 을 측정했다. 0.2 % 내력 (YS) 을 항복 강도로 했다.

＜파단 연신＞

인장 시험기에 의해, JIS－Z2241 에 따라, 압연 평행 방향에 대해 0 도, 45 도, 90 도 방향으로 인장하여 시험편이 파단되었 때의 표점간 길이 L 과 시험전의 표점 거리 L0 의 차이를 % 로 구했다. 압연 평행 방향에 대해 0 도, 45 도, 90 도의 파단 연신을 각각 E1, E45, E90 으로 했다.

＜r 값＞

인장 시험기에 의해, JIS－Z2241 에 따라, 압연 평행 방향에 대해 각각 0 도, 45 도, 90 도 방향으로 인장했다. 연신이 5 % (파단 연신이 5 % 이하인 경우에는 2.5 %) 일 때의 판폭과 길이를 측정하고, 인장 시험 전후의 판폭을 각각 Wo, W 로 하고, 인장 시험 전후의 길이를 각각 Lo, L 로 하여 r 값=ln(Wo/W)/ln(WL/WoLo) 에 의해 r 값을 산출했다. 압연 평행 방향에 대해 0 도, 45 도, 90 도의 r 값을 각각 r0, r45, r90 으로 하고, r=(r0＋2×r45＋r90)/4 에 의해 산출했다.

＜항복비＞

상기 YS/TS 의 비로 구했다.

＜도전율 (% IACS)＞

얻어진 시료의 도전율 (% IACS) 을 4 단자법에 의해 측정했다.

＜드로잉 가공성＞

JIS-Z2247 에 따른 에릭센 시험법에 의해, 시료에 균열이 생기기까지의 압입 깊이가 3 ㎜ 이상인 것을 드로잉 가공성 ○ (양호) 으로 하고, 3 ㎜ 미만인 것을 드로잉 가공성 × (불량) 로 했다.

얻어진 결과를 표 1 에 나타낸다. 또한, 각 실시예는 모두 TS 가 550 MPa 이상, 도전율이 55 % IACS 이상이었다.

표 1, 표 2 로부터 분명한 바와 같이, 제 1 어닐링과 가공도 10 % 이상의 제 1 냉간압연을 2 회 이상 반복하고, 제 1 어닐링을 어닐링 전후로 인장 강도가 10 ~ 40 % 감소되는 조건으로 하여 제조한 각 실시예의 경우, r 이 0.9 이상이 되어 드로잉 가공성이 향상되었다.

한편, 제 1 어닐링을 어닐링 전후로 인장 강도가 40 % 를 넘게 감소되도록 한 비교예 1 ~ 4 의 경우, r 이 0.9 미만이 되어 드로잉 가공성이 열등하였다.

제 1 어닐링과 제 1 냉간압연을 1 회만 반복한 비교예 5 의 경우에도 r 이 0.9 미만이 되어 드로잉 가공성이 열등하였다.

제 1 어닐링과 제 1 냉간압연을 실시하지 않은 비교예 6 의 경우에도 r 이 0.9 미만이 되어 드로잉 가공성이 열등하였다.

제 1 냉간압연의 가공도를 10 % 미만으로 한 비교예 7 의 경우에도 r 이 0.9 미만이 되어 드로잉 가공성이 열등하였다.

Claims

Co : 0.5 ~ 3.0 질량%, Si : 0.1 ~ 1.0 질량% 를 함유하고, Co/Si 의 질량비 : 3.0 ~ 5.0 으로서, 잔부가 구리 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
랭크포드값 r 이 0.9 이상 (단, 압연 평행 방향에 대해 0 도, 45 도, 90 도 방향으로 시료를 인장 시험하여 얻어진 r 값을 각각 r0, r45, r90 으로 했을 때, r=(r0＋2×r45＋r90)/4) 인 Cu－Co－Si 계 구리 합금조.
제 1 항에 있어서,
압연 평행 방향에 대해 0 도, 45 도, 90 도의 연신을 각각 E1, E45, E90 으로 했을 때, E1, E45, E90 이 모두 5 % 이상인 Cu－Co－Si 계 구리 합금조.
제 1 항에 있어서,
(항복 강도/인장 강도) 로 나타내는 항복비가 0.95 이하인 Cu－Co－Si 계 구리 합금조.
제 1 항에 있어서,
Ni, Cr, Mg, Mn, Ag, P, Sn, Zn, As, Sb, Be, B, Ti, Zr, Al 및 Fe 로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상을 합계 0.001 ~ 2.5 질량% 함유하는 Cu－Co－Si 계 구리 합금조.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 Cu－Co－Si 계 구리 합금조의 제조 방법으로서,
열간 압연, 제 1 어닐링, 가공도 10 % 이상의 제 1 냉간압연, 용체화 처리, 시효 처리를 이 순서로 실시하고, 또한 상기 제 1 어닐링과 상기 제 1 냉간압연을 2 회 이상 반복하고,
상기 제 1 어닐링은 어닐링 전후로 인장 강도가 10 ~ 40 % 감소되는 조건으로 하는 Cu－Co－Si 계 구리 합금조의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 Cu－Co－Si 계 구리 합금조를 사용한 대전류용 전자 부품.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 Cu－Co－Si 계 구리 합금조를 사용한 방열용 전자 부품.