JP2020143376A - 強度及び導電性に優れる銅合金板 - Google Patents

Abstract

【課題】高強度、高導電性、曲げ加工性および優れた応力緩和特性を兼ね備えた銅合金板を提供する。【解決手段】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、０．２％耐力が６００ＭＰａ以上、導電率が８０％ＩＡＣＳ以上、材料表面のＸ線回折で求めたＩ（２２０）／Ｉ0（２２０）につき、５≦Ｉ（２２０）／Ｉ0（２２０）≦１５を満たし、ばね限界値Ｋｂ（ＭＰａ）と、０．２％耐力σ（ＭＰａ）との関係が、（σ−１５０）≦Ｋｂ≦（σ−５０）で与えられる銅合金板である。【選択図】なし

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。また、発熱しても接触力が低下しないように応力緩和特性により優れることも求められている。

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（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）。

特許第５８３４５２８号公報

しかしながら、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系銅合金は、比較的良好な応力緩和特性を有するとはいうものの、その応力緩和特性のレベルは大電流を通電する部品又は大熱量を放散する部品の用途として必ずしも十分とはいえない場合があった。また、特許文献１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、応力緩和特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、曲げ加工性および優れた応力緩和特性を兼ね備えた銅合金板を提供することを目的とし、具体的には、曲げ加工性及び応力緩和特性が改善された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、該銅合金板の製造方法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、材料表面のＸ線回折で求めたＩ（２２０）／Ｉ₀（２２０）につき、５≦Ｉ（２２０）／Ｉ₀（２２０）≦１５を満たし、ばね限界値Ｋｂ（ＭＰａ）と、０．２％耐力σ（ＭＰａ）との関係が、（σ−１５０）≦Ｋｂ≦（σ−５０）で与えられる。

本発明に係る銅合金板は一実施態様において、圧延平行断面において、結晶粒の厚みが１μｍ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、Ａｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、ＳｎおよびＢのうちの一種以上を合計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、曲げ加工性や応力緩和特性に優れた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。

応力緩和率の測定原理を説明する図である。 応力緩和率の測定原理を説明する図である。

以下、本発明の実施形態に係る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０．３％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％耐力および１５％以下の応力緩和率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、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、ＳｎおよびＢよりなる群から選ばれる一種以上を合計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、Ｆｅは０．１％以下、Ｃｏは０．１％以下、Ｎｉは０．２％以下、Ｍｎは０．１％以下、Ｚｎは０．５％以下、Ｍｇは０．１％以下、Ｓｉは０．１％以下、Ｐは０．０５％以下、Ｓｎは０．１％以下、Ｂは０．０５％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Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ−Ｔｉ系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。

（ばね限界値）
ばね限界値を指標に金属組織を調整することにより、銅合金板の曲げ加工性、応力緩和特性が改善される。本発明に係る銅合金板においては、製品のばね限界値をＫｂ（ＭＰａ）、０．２％耐力をσ（ＭＰａ）としたときに、（σ−１５０）≦Ｋｂ≦（σ−５０）の関係に調整することで、０．２％耐力、導電率、曲げ加工性、応力緩和特性のバランスが良好となる。本発明の実施の形態に係る銅合金によれば、０．２％耐力が６００ＭＰａ以上、導電率が８０％ＩＡＣＳ以上、ＭＢＲ／ｔが０、応力緩和率が１５％以下の各特性のバランスに優れた銅合金板が得られる。なお、Ｋｂ＜（σ−１５０）の場合は、応力緩和率が１５％を超える。Ｋｂ＞（σ−５０）の場合は、０．２％耐力が６００ＭＰａを下回る。

（圧延面の結晶方位）
圧延面に配向する結晶粒の方位を制御することで、銅合金板の応力緩和特性がより改善される。本発明に係る銅合金板においては、製品の圧延面において、Ｉ（２２０）／Ｉ₀（２２０）を５≦Ｉ（２２０）／Ｉ₀（２２０）≦１５に調整することにより、０．２％耐力、導電率、曲げ加工性、応力緩和特性のバランスが良好となる。ここで、Ｉ（２２０）はＸ線回折法を用いて銅合金板の厚み方向に求めた（２２０）面の回折積分強度であり、Ｉ₀（２２０）はＸ線回折で求めた微粉末銅の（２２０）回折ピークの積分強度である。Ｉ（２２０）／Ｉ₀（２２０）が１５を超えると、曲げ加工性が低下する。Ｉ（２２０）／Ｉ₀（２２０）が５未満となると、０．２％耐力が６００ＭＰａを下回る。

（結晶粒の厚み）
結晶粒径を制御することで、曲げ加工性、応力緩和特性を低下させることなく強度、０．２％耐力が改善される。圧延平行断面を観察した時の結晶粒の板厚方向の径を１μｍ以下に調整することにより０．２％耐力、曲げ加工性、応力緩和特性のバランスが良好となる。圧延平行断面の結晶粒の厚みが１μｍを超えると、曲げ加工性が低下する。

（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）
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、８５０〜９００℃で５秒〜２分の保持後、水冷することで行う。８５０℃を下回ると、銅中に固溶する添加元素の量が低下し、固溶量が不足すると（２２０）面の集合度が上昇し難く、その後の時効処理工程での析出量が少なくなり製品の０．２％耐力が低くなる。９００℃を超えると、結晶粒径が大きくなりすぎ、その後の冷間圧延で厚みを１μｍ以下にすることが難しくなる。

第２の冷間圧延は、加工度を８５％以上とし、溶体化処理で粗大化した結晶粒の厚みを１μｍ以下とする必要がある。冷間圧延加工度が９５％以上となると、Ｉ（２２０）／Ｉ₀（２２０）が高くなりすぎるため曲げ加工性が低下する。

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。従来のように４００℃より高いと再結晶が進行し、Ｉ（２２０）／Ｉ₀（２２０）が低下する。３００℃より低いと時間が長くなりすぎ、非効率である。この時効処理において、（σ−１５０）≦Ｋｂ≦（σ−５０）が得られる。

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１ｍｍの厚みの板とした後、溶体化処理を行った。溶体化処理では、炉内温度を８５０〜９００℃に調整し、５秒〜２分間保持後水冷した。その後、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。

比較例では、熱間圧延後の冷間圧延での板厚（溶体化板厚）、溶体化温度、時効温度、時効時間を表１に示す条件に変化させて試料を作成した。

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（％ＩＡＣＳ）（ＥＳ）＞
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。

＜積分強度比＞
株式会社リガク社製ＲＩＮＴ−ＴＴＲを用いて、銅合金板表面の厚み方向のＸ線回折で（２２０）回折ピークの積分強度：Ｉ（２２０）を評価し、さらに微粉末銅のＸ線回折で（２２０）回折ピークの積分強度：Ｉ₀（２２０）を評価した。続いて、これらの比：Ｉ（２２０）／Ｉ₀（２２０）を算出した。

＜ばね限界値＞
幅１０ｍｍ、長さ１００ｍｍの短冊形状の試験片を、試験片の長手方向が圧延方向と平行になるように採取し、ＪＩＳ−Ｈ３１３０に規定されているモーメント式試験により圧延方向と平行な方向のばね限界値を測定した。

＜応力緩和率＞
幅１０ｍｍ、長さ１００ｍｍの短冊形状の試験片を、試験片の長手方向が圧延方向と平行になるように採取した。図１のように、ｌ＝５０ｍｍの位置を作用点として、試験片にｙ₀のたわみを与え、圧延方向の０．２％耐力（ＪＩＳ−Ｚ２２４１に準拠して測定）の８０％に相当する応力（ｓ）を負荷した。ｙ₀は次式により求めた。
ｙ₀＝（２／３）・Ｉ² ・ｓ／（Ｅ・ｔ）
ここで、Ｅは圧延方向のヤング率であり、ｔは試料の厚みである。１５０℃にて１０００時間加熱後に除荷し、図２のように永久変形量（高さ）ｙを測定し、応力緩和率｛［ｙ（ｍｍ）／ｙ₀（ｍｍ）］×１００（％）｝を算出した。

＜結晶粒の厚み＞
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倍に拡大して観察視野０．５ｍｍ²の範囲の写真を撮った。続いて、当該写真に基づいて個々の結晶粒の厚み方向の最大径との平均を各結晶について求め、各観察視野に対して平均値を算出し、観察視野１５箇所の平均値（平均結晶厚み）を「結晶粒の厚み」として評価し、１μｍ以下のものを「○」、１μｍを超えるものを「×」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。試験片をＷ字型の金型を用いて曲げ軸が圧延方向と垂直となる方向のＷ曲げ試験を行い、曲げ部分に亀裂が発生しない最小曲げ半径（ＭＢＲ）を板厚（ｔ）で除した値であるＭＢＲ／ｔを求めた。

各試験片の組成と得られた結果を表２に示す。なお、各実施例は、いずれもＹＳが６００ＭＰａ以上、導電率が８０％ＩＡＣＳ以上、ＭＢＲ／ｔが０、応力緩和率が１５％以下であった。

表２から明らかなように、溶体化処理を８５０〜９００℃で５秒〜２分間、第２の冷間圧延加工度を９０％、時効処理を３００℃〜４００℃で１５〜２０ｈ実施した各実施例の場合、ＹＳが６００ＭＰａ以上、導電率が８０％ＩＡＣＳ以上、ＭＢＲ／ｔが０、応力緩和率が１５％以下と良好な特性を得ることができた。

一方、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉの成分濃度が高い比較例１、２の場合、曲げ加工性が劣った。 Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉの成分濃度が低い比較例３、４の場合、０．２％耐力及び応力緩和特性が劣った。

溶体化温度が低い比較例５の場合、固溶量が少なくＩ（２２０）／Ｉ₀（２２０）が低くなり、０．２％耐力が劣った。

第２の圧延加工度が高い比較例６の場合、曲げ加工性が劣り、Ｉ（２２０）／Ｉ₀（２２０）が高くなった。第２の冷間圧延加工度が５０％の比較例７の場合、Ｉ（２２０）／Ｉ₀（２２０）が低く、結晶粒も厚くなり０．２％耐力に劣った。

時効温度が高い比較例８や時効時間が長い比較例９の場合、時効処理で結晶粒が大きくなり０．２％耐力に劣った。

時効時間が短い比較例１０や時効温度が低い比較例１１の場合、Ｋｂが低くなり導電率、応力緩和特性（率）、曲げ加工性に劣った。

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、０．２％耐力が６００ＭＰａ以上、導電率が８０％ＩＡＣＳ以上、材料表面のＸ線回折で求めたＩ（２２０）／Ｉ₀（２２０）につき、５≦Ｉ（２２０）／Ｉ₀（２２０）≦１５を満たし、ばね限界値Ｋｂ（ＭＰａ）と、０．２％耐力σ（ＭＰａ）との関係が、（σ−１５０）≦Ｋｂ≦（σ−５０）で与えられる銅合金板。
2. 圧延平行断面において、結晶粒の厚みが１μｍ以下である請求項１記載の銅合金板。
3. Ａｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、ＳｎおよびＢのうちの一種以上を合計１．０質量％以下含有する請求項１又は２記載の銅合金板。
4. 請求項１〜３の何れか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の何れか１項に記載の銅合金板を用いた放熱用電子部品。