WO2013105475A1 - 銅合金、及び銅合金線 - Google Patents

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copper alloy
strength
conductivity
wire
heat treatment
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寛 泉田
清水　健一
伸栄 高村
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住友電気工業株式会社
住友電工スチールワイヤー株式会社
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H01B1/026—Alloys based on copper
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon

Definitions

  • the present invention relates to a copper alloy used for a contact member or the like, and a copper alloy wire.
  • the present invention relates to a copper alloy that achieves both high strength and high electrical conductivity.
  • contact member used for electrical connection between electric / electronic devices and electric wires, electric connection between electric wires, etc., contact parts of connectors (pins, casings of a predetermined shape, etc.), terminal fittings, contact by urging force
  • contact springs compression springs, slant winding springs, leaf springs, etc.
  • Contact members such as contact springs are required to have high electrical conductivity, a large spring load (spring urging force), and difficulty in stress relaxation. In order to meet this requirement, it is desired that the conductivity is high and the strength is high.
  • Patent Document 1 discloses a Cu—Fe alloy to which Fe is added as a main additive element. Since Fe has a small solid solution amount with respect to Cu, the Cu—Fe alloy has Fe dispersed in the matrix. Therefore, when plastic processing such as wire drawing or rolling is performed on the cast material of the Cu—Fe alloy, the dispersed Fe is stretched into a fiber shape. The strength of the Cu-Fe alloy is increased by the fibrous Fe, and the Cu-Fe alloy has a high conductivity by Cu, which is the main component of the parent phase.
  • the contact member such as the contact spring has a high conductivity, preferably satisfies the conductivity of 50% IACS or more and further improves the strength.
  • the above contact member has a strength of 700 MPa or more and a conductivity of 50% IACS or more, a strength of 750 MPa or more and a conductivity of 50% IACS or more, particularly a strength of 900 MPa or more and a conductivity of It is desirable to achieve 50% IACS or higher.
  • one of the objects of the present invention is to provide a copper alloy having both high strength and high conductivity.
  • Another object of the present invention is to provide a copper alloy wire having both high strength and high conductivity.
  • the present inventors In developing a high-strength copper alloy having high conductivity, the present inventors have two types of elements, Cu and Fe, as the main components, and the Cu phase and the Fe phase separated into two phases. The structure of the alloy was examined for a Cu-Fe alloy, which is a two-phase alloy.
  • Cu is soft and has a high stacking fault energy, so it is difficult to introduce dislocations. As a result, it is not possible to introduce more than a certain degree of processing strain. Therefore, Cu has a limit in increasing strength even if the degree of plastic working (cold working) such as wire drawing or rolling is increased. Therefore, in the Cu-Fe alloy, Fe is used as an element for improving the strength. As the degree of processing is increased, Fe can be stretched into a fiber shape, and an effect of improving strength by fiber reinforcement can be expected. However, as the degree of processing increases, Fe slightly dissolves in Cu, causing a decrease in conductivity.
  • heat treatment aging at about 300 to 500 ° C
  • the processing strain introduced into the material before the heat treatment is zero. It can be. That is, while increasing the total workability, the total workability of the passes between heat treatments or the total workability from the final heat treatment to the final dimensions (wire diameter, thickness, cross-sectional area, etc.) can be reduced. As a result, it is considered that the solid solution amount of Fe can be reduced and the decrease in conductivity can be suppressed.
  • plastic working typically cold working
  • a texture is formed in which the orientation is primarily the ⁇ 111> orientation in Cu and the ⁇ 110> orientation in Fe. As shown in the example, the heat treatment in the middle of the processing does not affect the texture formed before the heat treatment.
  • the present inventors pay attention to the texture, and perform plastic working (cold working) such as wire drawing and rolling and heat treatment on the material made of Cu-Fe alloy under various conditions.
  • the orientation of each of Cu, Cu and Fe was adjusted.
  • processing strain can be effectively applied to the Cu-Fe alloy, and the strength can be improved.
  • a copper alloy that can be maintained, that is, excellent in both strength and conductivity, can be obtained.
  • this copper alloy has a correlation between the degree of work and strength before a predetermined heat treatment applied during plastic working (cold working) such as wire drawing or rolling (hereinafter referred to as work degree-strength correlation (previous )) And the correlation between the degree of processing and strength after the predetermined heat treatment (hereinafter referred to as processing degree-strength correlation (after)), the slope indicating the degree of processing-strength correlation (front) Rather, the slope indicating the degree of processing-intensity correlation (after) is larger. Moreover, a copper alloy with higher electrical conductivity is obtained by a small workability.
  • the present invention is based on the above findings.
  • the copper alloy of the present invention is a Cu-Fe alloy containing 50 mass% or more and 95 mass% or less of Cu, 5 mass% or more and 50 mass% or less of Fe, and the balance being a deoxidizer element and inevitable impurities.
  • the copper alloy of the present invention has a texture in which I Cu (111) is 0.70 or more and 1.0 or less and I Fe (110) is 0.90 or more and 1.0 or less in X-ray diffraction of a cross section.
  • the above-mentioned I Cu (111) is the intensity ratio of the diffraction peak in the ⁇ 111> orientation of Cu to the intensity of the entire Cu diffraction line
  • the above-mentioned I Fe (110) is ⁇ 110> of Fe to the intensity of the entire diffraction line of Fe.
  • the copper alloy of the present invention has a texture in which both Cu and Fe satisfy a specific orientation, so that it has high strength and excellent electrical conductivity, a tensile strength of 700 MPa or more, and a conductivity of 50% IACS or more. .
  • a form in which the I Cu (111) is 0.75 or more, or a form in which the I Cu (111) is 0.90 or more can be mentioned.
  • the above-described embodiment in which the above-described diffraction peak intensity ratio I Cu (111) is larger is further excellent in intensity.
  • some of the copper alloys of the present invention with I Cu (111) ⁇ 0.75 satisfy the tensile strength of 750 MPa or more and the conductivity of 50% IACS or more, and I Cu (111) ⁇ 0.90.
  • Some copper alloys have a tensile strength of 900 MPa or more and a conductivity of 50% IACS or more.
  • An embodiment of the present invention includes an embodiment in which the copper alloy has a tensile strength of 900 MPa or more and the copper alloy has a conductivity of 50% IACS or more.
  • the above form is superior in strength while having high conductivity.
  • the copper alloy of the present invention can take various forms by plastic working. For example, when a drawing process (drawing process) is performed as a plastic process, a wire made of the copper alloy of the present invention (a copper alloy wire of the present invention) can be obtained. Since the copper alloy wire of the present invention has high strength and high conductivity, it can be suitably used as a material for contact springs, for example. Since this contact spring is made of a high-strength material (a wire having a texture satisfying the above-mentioned specific orientation), a predetermined spring load can be applied over a long period of time, and stress relaxation is difficult.
  • the copper alloy of the present invention and the copper alloy wire of the present invention have high strength and excellent conductivity.
  • composition are all “mass ratio”.
  • the copper alloy of the present invention is a binary alloy in which the base is Cu and the main additive element is Fe, and the Cu content is 50% to 95% and the Fe content is 5% to 50%.
  • the Cu content is 50% or more, the conductivity is high, and when the Fe content is 5% or more, the strength is high.
  • the Fe content is more preferably 5% to 30%, particularly preferably 10% to 20%.
  • the remainder of Cu and Fe is a deoxidizer element and inevitable impurities.
  • the deoxidizer element include Mn, Al, Si, and P.
  • a deoxidizer element is a residue of a deoxidizer added at the time of manufacture, and the content of about 5% or less is permitted in total.
  • inevitable impurities include components of production equipment (such as crucibles, dies, and rolling rollers) and lubricants used during production.
  • each of Cu and Fe has a texture in which a specific orientation is oriented. Specifically, Cu is oriented in the ⁇ 111> orientation, and Fe is oriented in the ⁇ 110> orientation. Cu satisfies the diffraction peak intensity ratio I Cu (111) of 0.70 or more, and Fe satisfies the diffraction peak intensity ratio I Fe (110) of 0.90 or more.
  • I Cu (111) is 0.75 or more, more preferably 0.85 or more, particularly preferably 0.90 or more
  • I Fe (110) is preferably 0.92 or more, more preferably 0.95 or more, and particularly preferably 0.98 or more.
  • I Cu (111) and I Fe (110) mainly depend on the degree of work, and tend to increase as the degree of work increases.
  • the diffraction peak is examined by taking a cross section of the copper alloy of the present invention and performing X-ray diffraction on the cross section.
  • the copper alloy of the present invention is a wire or plate
  • X-ray diffraction is performed on a cross section (cross section) perpendicular to the processing direction (drawing direction, rolling direction, etc., typically the longitudinal direction).
  • the copper alloy of the present invention takes various forms depending on the type of plastic working, typically, a wire rod (the copper alloy wire of the present invention) when drawn, and a plate material when rolled. , Strips (relatively long), strips (relatively long), and foils (relatively thin).
  • Wire rods have various cross-sectional shapes depending on the shape of a wire drawing die or a wire drawing roller, and a cross-sectional circular shape (round line) and a cross-sectional rectangular shape (square line) are typical. In addition, there are wire rods having irregular shapes such as an elliptical cross section and a polygonal cross section.
  • the shape before cutting is generally rectangular.
  • the diameter (cross-sectional area) and length of the wire described above, and the thickness, width and length of the plate material described above are not particularly limited.
  • the degree of processing may be selected so as to obtain a desired size (diameter, thickness, etc.) or cut to a desired length, and the size is not particularly limited.
  • a round wire having a circular cross section may have a diameter of 0.1 mm or more and 1.2 mm or less, and a plate material or a strip may have a thickness of 0.1 mm or more and 0.5 mm or less.
  • the copper alloy of the present invention composed of the above specific structure has high tensile strength and satisfies 700 MPa or more.
  • Tensile strength generally depends on orientation, and the higher the orientation of both Cu and Fe (strength ratios I Cu (111) and I Fe (110) ), the greater the tensile strength. is there.
  • the copper alloy of the present invention has high electrical conductivity and satisfies 50% IACS or more. Depending on the composition and degree of processing, 55% IACS or higher, 60% IACS or higher can be used.
  • the copper alloy of the present invention can be typically produced through steps of melting ⁇ casting ⁇ cold working (appropriate heat treatment).
  • cold working include drawing (drawing) using a drawing die or a drawing roller, and rolling using a rolling roller.
  • the heat treatment before and during the cold working is an aging treatment, which actively separates Fe and restores toughness and conductivity. Further, the heat treatment during the processing can remove the processing strain introduced excessively in the alloy. Examples of the heat treatment conditions include a heating temperature of 300 ° C. or more and 500 ° C. or less, and a holding time of 1 minute or more and 3 hours or less (selected as appropriate depending on the shape). When the heating temperature of this heat treatment is less than 300 ° C., Fe separation becomes insufficient, and the processing strain cannot be sufficiently removed.
  • this heat treatment is preferably performed when it is close to the final dimension, that is, the plastic processing after the heat treatment is used as the final processing so that the degree of processing of the final processing is reduced. It is preferable to select the timing for performing the heat treatment such that the smaller the degree of final processing is, the easier it is to increase the conductivity and the degree of final processing is about 60% to 80%.
  • the copper alloy of the present invention will be described with reference to test examples.
  • plastic working is performed to produce a plastic working material.
  • orientation and tensile strength of Cu and Fe are measured.
  • the thickness (MPa) and conductivity (% IACS) were examined.
  • Test Example 1 In Test Example 1, copper alloys having different final wire diameters were produced by varying the degree of plastic working.
  • the raw material was prepared by melting and casting so that a Cu—Fe alloy having the composition shown in Table 1 was obtained, and the obtained cast material was cold-rolled to obtain a rolled wire having a diameter of 5.0 mm. Mn was used as a deoxidizer during casting.
  • the prepared material was heat-treated at 450 ° C. for 3 hours, and the working strain introduced by plastic working (here, cold rolling) before the heat treatment was zero (working degree 0%).
  • the material after the heat treatment was drawn using a wire drawing die with a degree of processing (cross-sectional reduction rate,%) shown in Table 1 to produce a plurality of wires having different degrees of processing.
  • the cross section (transverse section) perpendicular to the drawing direction was taken for the wire rod of each sample obtained, and the orientation of Cu and Fe as main components was examined by X-ray diffraction XRD.
  • the measurement conditions are shown below.
  • I Fe (110) peek intensity ratio I Fe (110) peek / I Fe total I Fe (110) is determined.
  • Table 1 shows I Cu (111) and I Fe (110) in the central portion of each sample. When the sample has a large wire diameter, the average of the diffraction peak near the surface of the sample (a point about 50 ⁇ m from the surface toward the center) and the diffraction peak at the center portion described above in the cross section described above. Values can be used for I Cu (111) and I Fe (110) . As in this example, when the sample is a thin wire, measurement is easy if the central portion is the measurement surface as described above.
  • a copper alloy having a texture satisfying I Cu (111) of 0.70 or more and I Fe (110) of 0.90 or more has high strength and high conductivity. It can be seen that the tensile strength is 700 MPa or more and the conductivity is 50% IACS or more. Moreover, it turns out that intensity
  • Test Example 2 In Test Example 2, a heat treatment was appropriately performed during plastic working to produce a copper alloy having the same final wire diameter.
  • the material (diameter ⁇ 5.0 mm) prepared in Test Example 1 was subjected to heat treatment (450 ° C. ⁇ 3 hours), and then subjected to drawing processing in the same manner as Test Example 1.
  • heat treatment 450 ° C. ⁇ 3 hours
  • drawing processing in the same manner as Test Example 1.
  • heat treatment was performed at 450 ° C. for 10 minutes, and then the drawing process was further performed to obtain the final wire diameter (mm) shown in Table 2.
  • Wire was produced.
  • the orientation (I Cu (111) , I Fe (110) ), tensile strength (MPa), and conductivity (% IACS) were examined in the same manner as in Test Example 1. The results are shown in Table 2.
  • a copper alloy having a texture satisfying I Cu (111) of 0.70 or more and I Fe (110) of 0.90 or more is high strength even when heat treatment is performed during the cold working.
  • the conductivity is high, specifically, the tensile strength is 700 MPa or more and the conductivity is 50% IACS or more.
  • I Cu (111 ) And I Fe (110) are comparable and the tensile strength is comparable.
  • the texture with a certain orientation (here, the texture with the ⁇ 111> orientation of Cu and the ⁇ 110> orientation of Fe preferentially oriented) is the case when heat treatment is performed during plastic working
  • the orientation does not greatly collapse.
  • this test result shows that in a Cu-Fe alloy that is a two-phase alloy, once a texture having a certain orientation is formed, the orientation can be improved by subsequent plastic working, and the strength can be improved.
  • the high conductivity can be maintained.
  • it can be seen from this test result that even when the heat treatment is performed during the plastic working and the strength is lowered after the processing strain is once reduced, the strength is increased by the processing after the heat treatment.
  • Test Example 3 Similarly to Test Example 2, Test Example 3 was appropriately heat-treated during plastic working to produce a copper alloy having the same final wire diameter. However, in Test Example 3, the final wire diameter was made smaller than that in Test Example 2 and the timing of heat treatment was varied. Except for this point, a wire made of a Cu-Fe alloy was prepared in the same manner as in Test Example 2, and the orientation (I Cu (111) , I Fe (110) ), tensile strength was the same as in Test Example 1. (MPa), conductivity (% IACS) was examined. The results are shown in Table 3.
  • Test Example 3 is a copper alloy having a texture satisfying I Cu (111) of 0.70 or more and I Fe (110) of 0.90 or more even when heat treatment is performed during cold working It can be seen that has high strength and high conductivity. Further, for example, the material subjected to the above heat treatment in Sample No. 3-3 is processed more than Sample No. 1-4 (sample having a final wire diameter of 1.58 mm) in Table 1 of Test Example 1 having the same composition. Therefore, the material has a texture satisfying that I Cu (111) is 0.70 or more and I Fe (110) is 0.90 or more, since the heat treatment wire diameter is 1.12 mm. It can be said that it has.
  • the material subjected to the above heat treatment in Test Example 3 is the sample No. 1-5, No. 1-14, No. 1-15, No. 1- 1 in Table 1 of Test Example 1. 24, No. 1-25, it can be said that it has a texture satisfying I Cu (111) of 0.70 or more and I Fe (110) of 0.90 or more. And it turns out that orientation can be further improved by using the copper alloy which has such a specific texture as a raw material, and also heat-processing and plastic processing. Specifically, as shown in Table 3, it has a texture satisfying I Cu (111) of 0.90 or more and I Fe (110) of 0.98 or more, a tensile strength of 900 MPa or more, and a conductivity of 50% IACS. It turns out that it is above. Therefore, it can be seen that further high strength can be achieved by providing a texture satisfying the above specific orientation.
  • a copper alloy having a texture in which both Cu and Fe satisfy a specific orientation has both high strength and high conductivity.
  • this copper alloy satisfies a tensile strength of 700 MPa or more and a conductivity of 50% IACS or more. Therefore, when this copper alloy is used for applications where high strength is desired in addition to high conductivity such as contact springs, it is possible to apply a predetermined spring load for a long period of time and it is difficult to relieve stress. It is expected to take
  • when producing a copper alloy having the specific texture described above in the middle of cold working, especially when it is close to the final wire diameter, when heat treatment is performed upstream of cold working The conductivity can be further increased while having the same high strength.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention.
  • the composition (Fe content), heat treatment conditions (implementation time, temperature, time, etc.), the degree of plastic working (cold working), the form of the copper alloy (rolled plate, etc.), etc. can be changed.
  • the copper alloy of the present invention is a member (connector female portion, connector contact portion, terminal fitting, electrical connection between various electric / electronic devices such as storage batteries, power generation devices, vehicle-mounted components, and wires. It can be suitably used for materials for contact springs, switches, sockets, relays, etc.) and other materials for conductive members that require high strength and high conductivity.
  • the copper alloy wire of the present invention can be suitably used as a material for contact springs such as compression springs and oblique winding springs.

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Abstract

高強度と高導電率とを両立する銅合金、及び銅合金線を提供する。Cuを50質量％以上95質量％以下、Feを5質量％以上50質量％以下含み、残部が脱酸剤元素及び不可避不純物からなる銅合金であり、断面をX線回折したとき、Cuの＜111＞方位及びFeの＜110＞方位の回折ピークが大きい集合組織を有する。Cuの回折線全体の強度に対するCuの＜111＞方位の回折ピークの強度比ICu(111)が0.70以上1.0以下、Feの回折線全体の強度に対するFeの＜110＞方位の回折ピークの強度比IFe(110)が0.90以上1.0以下である。上記の特定の集合組織となるように配向性を制御することで、この銅合金は、高強度でありながら、50％IACS以上という高い導電率を有する。

Description

銅合金、及び銅合金線
　本発明は、接点部材などに利用される銅合金、及び銅合金線に関するものである。特に、高強度と高導電率とを両立する銅合金に関するものである。
　電気・電子機器と電線との電気的接続、電線同士の電気的接続などに利用される接点部材として、コネクタの接点部(ピンや所定の形状の筐体など)や端子金具、付勢力によって接触状態を維持する接点ばね(圧縮ばね、斜め巻きばね、板ばねなど)がある。接点ばねなどの接点部材には、高い電気伝導度と、ばね荷重(ばねの付勢力)が大きいことや応力緩和し難いこととが要求される。この要求に対応するためには、導電率が高いこと、及び強度が高いことが望まれる。
　上記要求を満たすために、導電率が高いCu(銅)をベースとし、種々の添加元素を含有して銅合金化することがなされている。特許文献1は、主要な添加元素としてFeを添加したCu-Fe合金を開示している。FeはCuに対する固溶量が小さいため、Cu-Fe合金は、母相中にFeが分散して存在する。従って、Cu-Fe合金の鋳造材に伸線加工や圧延加工といった塑性加工を施すと、分散しているFeが繊維状に引き延ばされる。Cu-Fe合金は、この繊維状のFeによって強度が高められ、母相の主成分であるCuによって高い導電率を有する。
特開平05-287417号公報
　上記接点ばねなどの接点部材に対して、導電率が高く、好ましくは導電率が50％IACS以上を満たし、かつ強度の更なる向上が望まれている。
　強度の向上には、添加元素の含有量を多くする、つまり、高濃度な合金とすることが効果的である。しかし、強度と導電率とは、トレードオフの関係にあり、Cu以外の添加元素の増加は、ベースとなるCuの特性が失われ、導電率の低下を招く(特許文献1の明細書0019など)。そのため、用途にもよるが、上述の接点部材では、強度が700MPa以上及び導電率が50％IACS以上、更に強度が750MPa以上及び導電率が50％IACS以上、とりわけ強度が900MPa以上及び導電率が50％IACS以上を両立することが望まれる。
　そこで、本発明の目的の一つは、高強度及び高導電率を両立する銅合金を提供することにある。また、本発明の他の目的は、高強度及び高導電率を両立する銅合金線を提供することにある。
　高い導電率を有しつつ、高強度な銅合金を開発するにあたり、本発明者らは、CuとFeとの二種類の元素を主成分とし、Cu相とFe相とが2相に分離した二相合金となるCu-Fe合金を対象として、合金の組織を検討した。
　一般に、Cuは、柔らかく、積層欠陥エネルギーが高いことから転位が導入され難く、その結果、ある程度以上の加工歪みを導入できない。従って、Cuは、伸線加工や圧延加工といった塑性加工(冷間加工)の加工度を高めても、強度の上昇に限界がある。そこで、Cu-Fe合金では、Feを強度の向上元素に利用することになる。上記加工度を高めるほど、Feを繊維状に引き伸ばすことができ、繊維強化による強度の向上効果が期待できる。しかし、上記加工度の増加に伴い、FeがCuに僅かながら固溶して、導電率の低下を招く。
　例えば、複数パスに亘って塑性加工を施す場合には、加工途中に熱処理(300～500℃ぐらいの時効)を施すことで、当該熱処理前までに素材に導入されていた加工歪みをゼロの状態とすることができる。つまり、総加工度を大きくしつつ、熱処理間のパスの合計加工度、或いは最終熱処理後から最終寸法(線径や厚さ、断面積など)までの合計加工度を小さくすることができる。その結果、Feの固溶量を低減して、導電率の低下を抑制できる、と考えられる。また、Cu-Fe合金に塑性加工(代表的には冷間加工)を施すと、Cuでは主として＜111＞方位、Feでは主として＜110＞方位が配向する集合組織を形成するが、後述する試験例に示すように、上記加工途中の熱処理は、当該熱処理前までに形成されていた集合組織に影響を与えない。
　上記知見から、本発明者らは、集合組織に着目し、Cu-Fe合金からなる素材に、伸線加工や圧延加工などの塑性加工(冷間加工)と熱処理とを種々の条件で施して、Cu及びFeのそれぞれの配向性を調整した。その結果、Cu及びFeのそれぞれが特定の配向性を満たす集合組織を有する場合、Cu-Fe合金に加工歪みを効果的に加えられて、強度の向上を図ることができながら、高い導電率を維持することができる、即ち、強度及び導電性の双方に優れる銅合金が得られる、との知見を得た。また、上記特定の配向性を満たす集合組織を具える銅合金を素材とし、熱処理後に塑性加工を更に施すとき、当該塑性加工の加工度が小さな場合(例えば50％程度)でも、大きな場合(例えば80％程度)と同程度の強度を有するという驚くべき知見を得た。一般に、熱処理により加工歪みが一旦キャンセルされて強度が低下し、熱処理後の加工により、強度が上昇する。上記特定の配向性を満たす集合組織を具える銅合金では、この強度の上昇度合いが大きく、加工度が小さい加工を施した場合でも、熱処理前の強度と同等以上の強度を有する銅合金が得られる。より具体的には、この銅合金は、伸線加工や圧延加工といった塑性加工(冷間加工)途中に施す所定の熱処理前における加工度と強度との相関(以下、加工度-強度相関(前)と呼ぶ)と、当該所定の熱処理後における加工度と強度との相関(以下、加工度-強度相関(後)と呼ぶ)とをとったとき、加工度-強度相関(前)を示す傾きよりも、加工度-強度相関(後)を示す傾きの方が大きい。また、加工度が小さいことで、導電率がより高い銅合金が得られる。本発明は、上記の知見に基づくものである。
　本発明の銅合金は、Cuを50質量％以上95質量％以下、Feを5質量％以上50質量％以下含み、残部が脱酸剤元素及び不可避不純物からなるCu-Fe合金である。本発明の銅合金は、断面のX線回折において、ICu(111)が0.70以上1.0以下、かつIFe(110)が0.90以上1.0以下である集合組織を有する。上記ICu(111)は、Cuの回折線全体の強度に対するCuの＜111＞方位の回折ピークの強度比、上記IFe(110)は、Feの回折線全体の強度に対するFeの＜110＞方位の回折ピークの強度比とする。
　本発明の銅合金は、Cu及びFeの双方が特定の配向性を満たす集合組織を有することで、高強度で導電性に優れ、引張強さが700MPa以上、導電率が50％IACS以上を満たす。
　本発明の一形態として、上記ICu(111)が0.75以上である形態、或いは、上記ICu(111)が0.90以上である形態が挙げられる。
　上述の回折ピークの強度比ICu(111)が更に大きい上記形態は、強度に更に優れる。例えば、ICu(111)≧0.75である本発明の銅合金は、引張強さが750MPa以上、導電率が50％IACS以上を満たすものがあり、ICu(111)≧0.90である本発明の銅合金は、引張強さが900MPa以上、導電率が50％IACS以上を満たすものがある。
　本発明の一形態として、当該銅合金の引張強さが900MPa以上、かつ上記銅合金の導電率が50％IACS以上である形態が挙げられる。
　上記形態は、高い導電率を有しながら、強度により優れる。
　本発明の銅合金は、塑性加工によって種々の形態をとり得る。例えば、塑性加工として引抜加工(伸線加工)を行った場合、本発明の銅合金からなる線材(本発明の銅合金線)とすることができる。本発明の銅合金線は、高強度及び高導電率を有することから、例えば、接点ばねの素材に好適に利用することができる。この接点ばねは、高強度な素材(上述の特定の配向性を満たす集合組織を有する線材)から構成されることで、長期に亘り、所定のばね荷重を付与できる上に、応力緩和し難い。
　本発明の銅合金及び本発明の銅合金線は、高強度で導電性に優れる。
　以下、本発明をより詳細に説明する。なお、以下の説明において「組成」の含有量は全て「質量割合」である。
　[銅合金]
　(組成)
　本発明の銅合金は、ベースをCu、主要添加元素をFeとする二元合金であり、Cuの含有量を50％以上95％以下、Feの含有量を5％以上50％以下とする。Cuの含有量が50％以上であることで、導電率が高く、Feの含有量が5％以上であることで、強度が高い。Cuの含有量が多いほど導電率が高く、Feの含有量が多いほど強度が高い。Feの含有量は、5％以上30％以下、特に10％以上20％以下がより好ましい。
　本発明の銅合金においてCu及びFeの残部は、脱酸剤元素及び不可避不純物とする。脱酸剤元素は、Mn,Al,Si,Pなどが挙げられる。脱酸剤元素は、製造時に添加した脱酸剤の残滓であり、合計で5％以下程度の含有を許容する。不可避不純物は、製造設備(坩堝、ダイス、圧延ローラなど)の構成成分や製造時に使用する潤滑剤などが挙げられる。
　(組織)
　本発明の銅合金は、Cu及びFeのそれぞれが、特定の方位が配向した集合組織を有する。具体的には、Cuは、＜111＞方位が配向し、Feは、＜110＞方位が配向している。そして、Cuは、上述の回折ピークの強度比ICu(111)が0.70以上、Feは、上述の回折ピークの強度比IFe(110)が0.90以上を満たす。Cu及びFeのいずれも、配向性が高いほど(上記回折ピークの強度比が大きいほど)、強度が高い傾向にあり、ICu(111)は0.75以上、更に0.85以上、特に0.90以上が好ましく、IFe(110)は0.92以上、更に0.95以上、特に0.98以上が好ましい。ICu(111)及びIFe(110)は、主として、加工度に依存し、加工度が高いほど大きくなる傾向にある。但し、ICu(111)≧0.70かつIFe(110)≧0.90を満たす集合組織を有する素材に熱処理を施した後、更に塑性加工を行った場合には、小さい加工度(例えば、50％程度)の加工を施した銅合金のICu(111)及びIFe(110)と、大きい加工度(例えば、80％程度)の加工を施した銅合金のICu(111)及びIFe(110)とが同程度になる。
　なお、回折ピークは、本発明の銅合金の断面をとり、当該断面にX線回折を行って調べる。本発明の銅合金が線材や板材の場合には、加工方向(引抜方向、圧延方向など。代表的には長手方向)に直交する断面(横断面)についてX線回折を行う。
　(形態)
　本発明の銅合金は、塑性加工の種類によって種々の形態をとり、代表的には、引抜加工を施した場合には線材(本発明の銅合金線)、圧延加工を施した場合には板材、帯材(比較的長いもの)、条(比較的長いもの)、箔(比較的厚さが薄いもの)が挙げられる。
　線材は、伸線ダイスや伸線ローラの形状によって種々の横断面形状のものがあり、断面円形状(丸線)や断面矩形状(角線)が代表的である。その他、断面楕円状、断面多角形状などの異形状の線材などがある。
　板材は、所望の形状に切断することで、種々の平面形状のものがある。切断前の形状は、一般に、矩形状である。
　(大きさ)
　上述の線材の直径(断面積)や長さ、上述の板材などの厚さ・幅や長さは特に問わない。用途に応じて、所望の大きさ(直径や厚さなど)となるように加工度を選択したり、所望の長さに切断したりするとよく、大きさは特に問わない。例えば、横断面円形状の丸線として、その直径が0.1mm以上1.2mm以下のもの、板材や帯材として、その厚さが0.1mm以上0.5mm以下のものが挙げられる。
　(強度)
　上記特定の組織から構成される本発明の銅合金は、引張強さが高く、700MPa以上を満たす。引張強さが高いほど、例えば、小型・軽量化が可能となる、ばね荷重を増大できる、大きなばね荷重を維持し易い、応力緩和性に優れる、破断し難いなどの格別の効果が得られることから、750MPa以上、更に800MPa以上、特に900MPa以上が好ましい。引張強さは、概ね、配向性に依存しており、Cu及びFeの双方の配向性(強度比ICu(111)及びIFe(110)）が高いほど、引張強さが大きくなる傾向にある。
　(導電率)
　本発明の銅合金は、導電率が高く、50％IACS以上を満たす。組成や加工度合いによっては、55％IACS以上、60％IACS以上、といった形態が挙げられる。
　[製造方法]
　本発明の銅合金は、代表的には、溶解→鋳造→冷間加工(適宜、熱処理)という工程を経て製造することができる。冷間加工は、伸線ダイスや伸線ローラを用いた引抜加工(伸線加工)、圧延ローラを用いた圧延加工などが挙げられる。冷間加工に供する素材の大きさは、当該冷間加工を施して最終寸法を得るまでの総加工度(引抜加工の場合、加工度＝断面減少率、圧延加工の場合、加工度＝圧下率)を考慮して、適宜選択することができる。
　冷間加工前や冷間加工途中に熱処理を施すことが好ましい。冷間加工前及び途中の熱処理は、時効処理とし、Feを積極的に分離させ、靭性、導電率を回復させる。また、加工途中の熱処理は、合金中に過剰に導入された加工歪みを除去することができる。この熱処理条件として、加熱温度が300℃以上500℃以下、保持時間が1分以上3時間以下(形状に応じて適宜選択)、が挙げられる。この熱処理の加熱温度が300℃未満であると、Feの分離が不十分となる上に、上記加工歪みを十分に除去できない。上記加熱温度が500℃超であると、酸化銅の形成が顕著となり、変色が生じる上に、加工時に変形不良を起こしたり、製品における導電性の低下を起こしたりし易い。特に、この熱処理は、最終寸法に近いときに施すこと、つまり、当該熱処理後の塑性加工を最終加工とし、この最終加工の加工度が小さくなるように施すことが好ましい。最終加工の加工度が小さいほど、導電率を高め易く、最終加工の加工度が60％以上80％以下程度となるように上記熱処理を実施する時期を選択することが好ましい。
　以下、試験例を挙げて、本発明の銅合金を説明する。以下の試験はいずれも、Cu-Fe合金からなる素材に熱処理を行った後、塑性加工を施して塑性加工材を作製し、得られた塑性加工材について、Cu及びFeの配向性、引張強さ(MPa)及び導電率(％IACS)を調べた。
　[試験例1]
　試験例1では、塑性加工の加工度を異ならせて、最終線径が異なる銅合金を作製した。
　素材は、表1に示す組成のCu-Fe合金が得られるように原料を用意して溶解鋳造し、得られた鋳造材に冷間圧延を施し、直径φ5.0mmの圧延線材とした。鋳造時、脱酸剤としてMnを用いた。用意した素材に、450℃×3時間の熱処理を施して、当該熱処理前の塑性加工(ここでは冷間圧延)によって導入された加工歪みをゼロ(加工度0％)とした。
　上記熱処理後の素材に、伸線ダイスを用いて、表1に示す加工度(断面減少率、％)の引抜加工を施して、加工度が異なる複数の線材を作製した。
　得られた各試料の線材について引抜方向に垂直な断面(横断面)をとり、主要成分であるCu及びFeの配向性をX線回折XRDによって調べた。測定条件を以下に示す。
　使用装置　SmartLab-2D-PILATUS(株式会社リガク)
　使用X線　Cu-Kα
　励起条件　45　kV、200　mA
　使用コリメータ　φ0.3mm
　測定法　θ-2θ法
　この試験では、試料ごとに、横断面における中心近傍の中央部分を測定面としてX線回折を行った。測定面におけるCuの回折線全体の強度ICutotal、Cuの＜111＞方位の回折ピークICu(111)peekを求め、回折線全体の強度ICutotalに対する＜111＞方位の回折ピークICu(111)peekの強度比ICu(111)peek/ICutotal＝ICu(111)を求める。また、測定面におけるFeの回折線全体の強度IFetotal、Feの＜110＞方位の回折ピークIFe(110)peekを求め、回折線全体の強度IFetotalに対する＜110＞方位の回折ピークIFe(110)peekの強度比IFe(110)peek/IFetotal＝IFe(110)を求める。各試料において上記中央部分のICu(111)及びIFe(110)を表1に示す。なお、試料の線径が大きい場合には、上述の横断面において、試料の表面近傍(表面から中心に向かって50μm程度入った地点)における回折ピークと、上述の中央部分の回折ピークとの平均値をICu(111)やIFe(110)に利用することができる。本例のように、試料が細い線材の場合には、上述のように中央部分を測定面とすると測定し易い。
　得られた各試料の線材について、JIS　Z　2241(2011)の規定に基づいて引張強さを測定し、4端子法で測定した電気抵抗から算出して導電率を求めた。その結果を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表1に示すように、ICu(111)が0.70以上、かつIFe(110)が0.90以上を満たす集合組織を有する銅合金は、高強度でかつ高導電率であること、具体的には、引張強さが700MPa以上、導電率が50％IACS以上であることが分かる。また、ICu(111)やIFe(110)が大きくなるほど、強度が向上することが分かる。この試験では、ICu(111)≧0.75では、引張強さが750MPa以上、ICu(111)≧0.85では、引張強さが800MPa以上、ICu(111)≧0.90では、引張強さが900MPa以上である。更に、Feの含有量が多いほど強度が高く、Cuの含有量が多いほど導電率が高いことが分かる。従って、Feを特定の範囲で含有し、かつICu(111)≧0.70かつIFe(110)≧0.90を満たす集合組織を有する銅合金は、高強度と高導電率とを両立することが確認された。
　[試験例2]
　試験例2では、塑性加工途中で適宜熱処理を施し、最終線径が同じ銅合金を作製した。
　具体的には、試験例1で用意した素材(直径φ5.0mm)に熱処理(450℃×3時間)を施した後、試験例1と同様に引抜加工を施した。引抜加工の途中、表2に示す「熱処理線径(mm)」になったとき、450℃×10分の熱処理を施し、その後、引抜加工を更に施して、表2に示す最終線径(mm)の線材を作製した。得られた各試料の線材について、試験例1と同様にして配向性(ICu(111),IFe(110))、引張強さ(MPa)、導電率(％IACS)を調べた。その結果を表2に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表2に示すように、冷間加工の途中に熱処理を行った場合も、ICu(111)が0.70以上、かつIFe(110)が0.90以上を満たす集合組織を有する銅合金は、高強度で、かつ高導電率であること、具体的には、引張強さが700MPa以上、導電率が50％IACS以上であることが分かる。そして、この試験では、同じ組成において加工度が低い場合(ここでは、加工度が50％の場合)と高い場合(ここでは、加工度が80％の場合)とを比較すると、ICu(111)及びIFe(110)が同程度であり、引張強さが同程度であることが分かる。
　このことから、一定の配向性を有する集合組織(ここでは、Cuの＜111＞方位、Feの＜110＞方位が優先配向している集合組織)は、塑性加工の途中に熱処理を行った場合でも配向性が大きく崩れることが無い、といえる。つまり、この試験結果は、二相合金であるCu-Fe合金において、一旦、一定の配向性を有する集合組織が形成されていれば、その後の塑性加工により配向性が高められ、強度を向上できる上に、高導電率を維持できることを裏付けている、といえる。また、この試験結果から、塑性加工の途中に熱処理を施して、加工歪みを一旦ゼロにして強度が低下した状態となっても、熱処理後の加工による強度の上昇度合いが大きいことが分かる。このことは、同じ最終線径の銅合金を製造する場合、最終線径に近いときに熱処理を行って最終加工の加工度を小さくできることを裏付けている、といえる。最終加工の加工度が小さいながらも、強度が十分に高く(この試験では最終加工の加工度が高い場合と同程度の強度を有している)、当該加工度が小さいことで、導電率がより高い。
　[試験例3]
　試験例3も試験例2と同様に、塑性加工の途中で適宜熱処理を施し、最終線径が同じ銅合金を作製した。但し、試験例3では、最終線径を試験例2よりも小さくし、熱処理を施す時期を異ならせた。この点以外は、試験例2と同様にして、Cu-Fe合金からなる線材を作製し、試験例1と同様にして、配向性(ICu(111),IFe(110))、引張強さ(MPa)、導電率(％IACS)を調べた。その結果を表3に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　試験例3も試験例2と同様に、冷間加工の途中に熱処理を行った場合も、ICu(111)が0.70以上、かつIFe(110)が0.90以上を満たす集合組織を有する銅合金は、高強度で、かつ高導電率であることが分かる。また、例えば、試料No.3-3における上記熱処理を施した素材は、同じ組成である試験例1の表1の試料No.1-4(最終線径が1.58mmの試料)よりも加工されて線径が小さくなっている(熱処理線径が1.12mmになっている)ことから、当該素材は、ICu(111)が0.70以上、かつIFe(110)が0.90以上を満たす集合組織を有するといえる。同様に同じ組成で比較すると、試験例3における上記熱処理を施した素材は、試験例1の表1の試料No.1-5,No.1-14,No.1-15,No.1-24,No.1-25よりも加工されていることから、ICu(111)が0.70以上、かつIFe(110)が0.90以上を満たす集合組織を有するといえる。そして、このような特定の集合組織を有する銅合金を素材とし、更に熱処理及び塑性加工を施すことで、配向性を更に高められることが分かる。具体的には、表3に示すようにICu(111)が0.90以上、かつIFe(110)が0.98以上を満たす集合組織を有し、引張強さが900MPa以上、導電率が50％IACS以上であることが分かる。従って、上述の特定の配向性を満たす集合組織を具えることで、更なる高強度が図れることが分かる。
　[効果]
　上記試験結果に示すように、Cu及びFeの双方が特定の配向性を満たす集合組織を具える銅合金は、高強度かつ高導電率を両立する。具体的には、この銅合金は、引張強さが700MPa以上、かつ導電率が50％IACS以上を満たす。従って、この銅合金を接点ばねなどの高導電性に加えて、高強度が望まれる用途に利用した場合、長期に亘り、所定のばね荷重を付与でき、応力緩和もし難いことから、十分に導通をとれると期待される。また、上述の特定の集合組織を有する銅合金を製造するにあたり、冷間加工の途中において、特に最終線径に近いときに熱処理を施すことで、冷間加工の上流で熱処理を施した場合と同程度の高い強度を有していながら、導電率をより高くすることができる。
　なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、組成(Feの含有量)、熱処理条件(実施時期、温度、時間など)、塑性加工(冷間加工)の加工度、銅合金の形態(圧延板など)などを変更することができる。
　本発明の銅合金は、蓄電池、発電機器、車載部品などの種々の電気・電子機器と電線間、電線間を電気的に接続するための部材(コネクタメス部、コネクタの接点部、端子金具、接点ばね、スイッチ、ソケット、リレーなど)の素材、その他、高強度と高導電率とが求められる導電部材の素材に好適に利用することができる。本発明の銅合金線は、圧縮ばねや斜め巻きばねなどの接点ばねの素材に好適に利用することができる。

Claims (5)

  1. 　Cuを50質量％以上95質量％以下、Feを5質量％以上50質量％以下含み、残部が脱酸剤元素及び不可避不純物からなり、
    　断面をX線回折して、
    　　Cuの回折線全体の強度に対するCuの＜111＞方位の回折ピークの強度比をICu(111)、
    　　Feの回折線全体の強度に対するFeの＜110＞方位の回折ピークの強度比をIFe(110)とするとき、
    　前記ICu(111)が0.70以上1.0以下、かつ前記IFe(110)が0.90以上1.0以下である集合組織を有する銅合金。
  2. 　前記ICu(111)が0.75以上である請求項1に記載の銅合金。
  3. 　前記ICu(111)が0.90以上である請求項1又は2に記載の銅合金。
  4. 　前記銅合金の引張強さが900MPa以上、かつ前記銅合金の導電率が50％IACS以上である請求項3に記載の銅合金。
  5. 　請求項1～4のいずれか1項に記載の銅合金からなる銅合金線。
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