JP4809935B2 - 低ヤング率を有する銅合金板材およびその製造法 - Google Patents
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Description
(1)NiとCoのどちらか一方または両方の合計で0.5〜5.0質量%、Siを0.2〜1.5質量%含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる合金組成を有してなり、圧延方向の0.2%耐力が500MPa以上、導電率が30%IACS以上、ヤング率が110GPa以下、曲げたわみ係数が105GPa以下であることを特徴とする電気・電子部品用銅合金板材。
(2)前記銅合金板材のEBSDを用いて解析することによって得られる圧延方向に向く(100)面の面積率が30%以上であることを特徴とする(1)に記載の電気・電子部品用銅合金板材。
(3)前記銅合金板材のEBSDを用いて解析することによって得られる圧延方向に向く(111)面の面積率が15%以下であることを特徴とする(1)又は(2)に記載の電気・電子部品用銅合金板材。
(4)さらに、Crを0.05〜0.5質量%含有することを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の電気・電子部品用銅合金板材。
(5)さらに、Zn、Sn、Mg、Ag、MnおよびZrからなる群から選ばれる1種または2種以上を合計で0.01〜1.0質量%含有することを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の電気・電子部品用銅合金板材。
(6)コネクタ用材料であることを特徴とする(1)〜(5)のいずれか1項に記載の電気・電子部品用銅合金板材。
(7)(1)〜(6)のいずれか1項に記載の電気・電子部品用銅合金板材からなるコネクタ。
なお、本発明の銅合金板材は、その特性を圧延板の所定の方向における原子面の集積率で規定するものであるが、これは銅合金板材として本発明のような特性を有していれば良いのであって、銅合金板材の形状は板材や条材に限定されるものではなく、本発明では、管材も板材として解釈して取り扱うことができるものとする。
上記の、低ヤング率および低曲げたわみ係数を有するコルソン系などの析出型銅合金材料である本発明の銅合金材料(代表的な形状としては、板材)について、まずその合金組成を、次いでその組織を説明する。
高強度を有するための前提となる、本発明の銅合金材料における化学成分組成の限定理由を説明する(ここで記載する含有量「%」は全て「質量%」である)。
Niは後述するSiと共に含有されて、時効処理で析出したNi2Si相を形成して、銅合金材料の強度の向上に寄与する元素である。Niの含有量が少なすぎる場合は、前記Ni2Si相が不足し、銅合金材料の引張強さを高めることができない。一方、Niの含有量が多すぎると、導電率が低下する。また、熱間圧延加工性が悪化する。したがって、Ni含有量は0.5〜5.0%の範囲とし、好ましくは1.5〜4.0%である。
CoはSiと共に含有されて、時効処理で析出したCo2Si相を形成して、銅合金材料の強度の向上に寄与する元素である。導電性を高めたい場合は、Niを含まずCoを単独で含有させることが好ましい。Coの含有量が少なすぎる場合は、前記Co2Si相が不足し、銅合金材料の引張強さを高めることができない。一方、Coの含有量が多すぎると、導電率が低下する。また、熱間圧延加工性が悪化する。したがって、Co含有量は0.5〜5.0%の範囲とし、好ましくは0.8〜3.0%、さらに好ましくは1.1〜1.7%である。
Siは前記Ni、Coと共に含有されて、時効処理で析出したNi2SiまたはCo2Si相を形成して、銅合金材料の強度の向上に寄与する。Siの含有量は、0.2〜1.5%とし、好ましくは0.2〜1.0%である。Siの含有量は化学量論比でNi/Si=4.2、Co/Si=4.2とするのが最も導電率と強度のバランスがよい。そのためSiの含有量は、Ni/Si、Co/Si、(Ni+Co)/Siが3.2〜5.2の範囲となるようにするのが好ましく、より好ましくは3.5〜4.8である。
上記組成に加えて、Crを0.05〜0.5質量%含有してもよい。Crは合金中の結晶粒を微細化する効果があり、銅合金材料の強度や曲げ加工性の向上に寄与する。少なすぎるとその効果が小さく、多すぎると鋳造時に晶出物を形成し時効強度が低下する。
本発明の銅合金材料は、上記基本組成の他に添加元素として、質量%で、Sn:0.01〜1.0%、Zn:0.01〜1.0%、Ag:0.01〜1.0%、Mn:0.01〜1.0%、Zr:0.1〜1.0%、Mg:0.01〜1.0%の一種または二種以上を合計で0.01〜1.0%の量で、必要に応じて含有することができる。これらの元素は、いずれも本発明の銅合金材料が奏しようとする高い強度や導電率あるいは低いヤング率のいずれかを向上させる共通の効果があるか、これに加えてあるいはこれに代えて、さらに他の性質(耐応力緩和特性など)を向上させる元素である。以下に、各元素の特徴的な作用効果と含有範囲の意義を記載する。
Snは主に銅合金材料の強度を向上させる元素であり、これらの特性を重視する用途に使用する場合には、選択的に含有させる。Snの含有量が少なすぎるとその強度向上効果が小さい。一方、Snを含有させると銅合金材料の導電率が低下する。特に、Snが多すぎると、銅合金材料の導電率を30%IACS以上とすることが難しくなる。したがって、含有させる場合には、Snの含有量を0.01〜1.0%の範囲とする。
Zn添加により、半田の耐熱剥離性や耐マイグレーション性を向上させることができる。Znの含有量が少なすぎるとその効果が小さい。一方、Znを含有させると銅合金材料の導電率が低下し、Znが多すぎると、銅合金材料の導電率を30%IACS以上とすることが難しくなる。したがって、Znの含有量を0.01〜1.0%の範囲とする。
Agは強度の上昇に寄与する。Agの含有量が少なすぎるとその効果が小さい。一方、Agを多く含有させても、強度上昇効果が飽和するだけである。したがって、含有させる場合には、Agの含有量を0.01〜1.0%の範囲とする。
Mnは主に熱間圧延での加工性を向上させる。Mnの含有量が少なすぎるとその効果が小さい。一方、Mnが多すぎると、銅合金の造塊時の湯流れ性が悪化して造塊歩留まりが低下する。したがって、含有させる場合には、Mnの含有量を0.01〜1.0%の範囲とする。
Zrは主に結晶粒を微細化させて、銅合金材料の強度や曲げ加工性を向上させる。Zrの含有量が少なすぎるとその効果が小さい。一方、Zrが多すぎると、化合物を形成し、銅合金材料の圧延などの加工性が低下する。したがって、含有させる場合には、Zrの含有量を0.01〜1.0%の範囲とする。
Mgは耐応力緩和特性を向上させる。したがって、耐応力緩和特性が必要な場合には、0.01〜1.0%の範囲で選択的に含有させる。少なすぎると、添加した効果が小さく、多すぎると導電率が低下する。したがって、含有させる場合には、Mgの含有量を0.01〜1.0%の範囲とする。
なお、Mg、Sn、Znは、Cu−Ni−Si系、Cu−Ni−Co−Si系、Cu−Co−Si系銅合金に添加することで、いずれも耐応力緩和特性が向上する。それぞれを単独で添加した場合よりも併せて添加した場合に相乗効果によってさらに耐応力緩和特性が向上する。また、半田脆化を著しく改善する効果がある。
また、本発明の銅合金材料で実現される圧延方向の0.2%耐力として好ましい範囲は500MPa以上であり、650MPa以上であることが好ましく、更に好ましい範囲は800MPa以上である。上限は特にないが1100MPa以下であることが実際的である。
曲げたわみ係数は、105GPa以下であることが好ましく、100GPa以下であることがより好ましい。下限は特にないが60GPa以上であることが実際的である。
ヤング率は110GPa以下であり、100GPa以下であることがより好ましい。下限は特にないが70GPa以上であることが実際的である。
本発明の銅合金材料の集合組織は、特に、低ヤング率および低曲げたわみ係数を実現するために、SEM−EBSD法による圧延方向(RD)からの解析結果で、RDに向く(100)面の面積率が30%以上である集合組織を有するものとすることが好ましい。なお、板材圧延方向(RD)と当該面の法線とのなす角の角度が10°以下の方位を有する結晶粒はすべて当該RDに向く(100)面を有するものとする。
Cube方位 {001}<100>
Rotated−Cube方位 {012}<100>
Goss方位 {011}<100>
Rotated−Goss方位 {011}<011>
Brass方位 {011}<211>
Copper方位 {112}<111>
S方位 {123}<634>
P方位 {011}<111>
すなわち、本発明において、圧延板の圧延方向(RD)に向く原子面の集積に関し、(100)面の法線とRDのなす角の角度が10°以下である原子面を有する領域とは、圧延板の圧延方向(RD)に向く、つまりRDに対向する原子面の集積に関して、理想方位である圧延板の圧延方向(RD)を法線とする(100)面自体と、(100)面の法線とRDのなす角の角度が10°以下である原子面の各々とを合わせた領域(これらの面積の和)をいう。以下、これらの面を合わせて、RDに向く(100)面ともいい、また、これらの領域を、単に、RDに(100)面が向く原子面の領域ともいう。また、RDに向く(111)面についても同様である。
ここで、EBSD測定の特徴について、X線回折測定との対比として説明する。まず1点目に挙げられるのは、X線回折測定によったのでは測定することができない結晶方位があり、それがS方位及びBR方位である。換言すれば、EBSDを採用することにより、初めて、S方位及びBR方位に関する情報が得られ、それにより特定される合金組織と作用との関係が明らかになる。2点目は、X線回折はND//{hkl}の±0.5°程度に含まれる結晶方位の分量を測定している。一方、EBSDは当該方位から±10°に含まれる結晶方位の分量を測定している。したがって、EBSD測定によれば桁違いに広範な合金組織に関する情報が網羅的に得られ、合金材料全体としてX線回折では特定することが難しい状態が明らかになる。以上のとおり、EBSD測定とX線回折測定とで得られる情報はその内容及び性質が異なる。なお、本明細書において特に断らない限り、EBSDの結果は、銅合金板材のND方向に対して行ったものである。
次に、本発明の銅合金材料の好ましい製造条件について以下に説明する。本発明の銅合金材料は、例えば、鋳造、熱間圧延、徐冷、冷間圧延1、中間焼鈍、冷間圧延2、溶体化熱処理、時効熱処理、仕上げ冷間圧延、低温焼鈍、の各工程を経て製造される。本発明の銅合金材料は、従来のコルソン系合金とほぼ同様の設備で製造できる。所定の物性とさらには集合組織を得るには、各工程の製造条件を適宜調整する必要がある。この点、本発明の銅合金材料は、熱間圧延後の処理か、溶体化処理前の冷間圧延と中間焼鈍の、少なくともいずれかの処理もしくは加工を所定の条件で行なうことで製造することができる。
銅合金板試料の組織について、RDに向く(100)面の面積率を次のように求めた。
すなわち、RD方向からEBSD解析したときの(100)面の法線がRDとなす角についてその角度が10°以下の結晶方位を有する結晶粒を、RDに向く(100)面を有する粒とした。前記RDに向く(100)面の面積率は、具体的には次のように求めた。EBSD法により、約800μm四方の試料測定領域で、スキャンステップが1μmの条件で測定を行った。測定面積は結晶粒を400個以上含むことを基準として調整した。上記の通り、板材試料の圧延方向(RD)とのなす角が10°以下となるような(100)面の法線を有する結晶粒の(100)面についてその面積の和を求めて、該面積の和を全測定面積で割ることでRDに向く(100)面の面積率(%)を得た。ここで、前記なす角が10°以下の結晶粒については同一方位粒とした。
また、RDに向く(111)面の面積率(%)についても同様に求めた。
(2)0.2%耐力
0.2%耐力は、各供試材からJIS Z 2201記載の5号試験片を切り出して、JIS Z 2241に準拠して求めた。0.2%耐力は5MPaの整数倍に丸めて示した。
(3)導電率
導電率はJIS H 0505に準拠して求めた。
(4)ヤング率
ヤング率は、幅20〜30mmの短冊状試験片を用い、引張試験機にて0.2%耐力以下の強度領域のヤング率を、ひずみゲージを用いて測定した。なお、試験片は圧延方向に対して平行に採取した。
(5)曲げたわみ係数
曲げたわみ係数は、日本伸銅協会(JCBA)技術標準に準拠して測定した。試験片の幅は10mm、長さ15mmとし、片持ち梁の曲げ試験を行い、荷重とたわみ変位から、たわみ係数を測定した。
これらの結果を表1、2に示す。
以下の比較例は実施例2と同一の鋳塊を用いた例である。
・比較例2−2は、熱間圧延後ただちに水冷し、中間焼鈍と冷間圧延2を省略し、その他については実施例2と同様に作製した例であるが、RDに向く(100)面の面積率が低く、また(111)面の面積率が高く、ヤング率および曲げたわみ係数が本発明例よりも高くなった。
・比較例2−3は、熱間圧延後ただちに水冷すること以外は実施例2と同様に作製した例であるが、RDに向く(100)面の面積率が低く、ヤング率が本発明例よりも高くなった。
実施例10−3、18−3、25−3は、表1の実施例10、18、25とそれぞれ同一の鋳塊を用いて、中間焼鈍と冷間圧延2を2度繰り返し、その他については表1の各実施例と同様に作製し、同様に各特性を評価した例である。これらはRDに向く(100)面の面積率が特に高く、ヤング率が100GPa以下と特に低く、曲げたわみ係数が90GPaと特に低く、かつ、0.2%耐力と導電率が優れるものであった。
上記本発明例1−1と同様の金属元素を配合し、残部がCuと不可避不純物から成る合金を高周波溶解炉により溶解し、これを0.1〜100℃/秒の冷却速度で鋳造して鋳塊を得た。これを900〜1020℃で3分から10時間の保持後、熱間加工を行った後に水焼き入れを行い、酸化スケール除去のために面削を行った。この後の工程は、次に記載する工程A−3,B−3の処理を施すことによって銅合金c01を製造した。
製造工程には、1回または2回以上の溶体化熱処理を含み、ここでは、その中の最後の溶体化熱処理の前後で工程を分類し、中間溶体化までの工程でA−3工程とし、中間溶体化より後の工程でB−3工程とした。
工程B−3:断面減少率が50%以下の冷間加工を施し、400〜700℃で5分〜10時間の熱処理を施し、断面減少率が30%以下の冷間加工を施し、200〜550℃で5秒〜10時間の調質焼鈍を施す。
上記本発明例1−1の組成の銅合金を、電気炉により大気中にて木炭被覆下で溶解し、鋳造可否を判断した。溶製した鋳塊を熱間圧延し、厚さ15mmに仕上げた。つづいてこの熱間圧延材に対し、冷間圧延及び熱処理(冷間圧延1→溶体化連続焼鈍→冷間圧延2→時効処理→冷間圧延3→短時間焼鈍)を施し、所定の厚さの銅合金薄板(c02)を製造した。
上記本発明例1−1の組成をもつ合金について、クリプトル炉において大気中で木炭被覆下で溶解し、鋳鉄製ブックモールドに鋳造し、厚さが50mm、幅が75mm、長さが180mmの鋳塊を得た。そして、鋳塊の表面を面削した後、950℃の温度で厚さが15mmになるまで熱間圧延し、750℃以上の温度から水中に急冷した。次に、酸化スケールを除去した後、冷間圧延を行い、所定の厚さの板を得た。
溶体化処理温度: 900℃
人工時効硬化処理温度×時間: 450℃×4時間
板厚: 0.6mm
実施例1に示す銅合金を溶製し、縦型連続鋳造機を用いて鋳造した。得られた鋳片(厚さ180mm)から厚さ50mmの試料を切り出し、これを950℃に加熱したのち抽出して、熱間圧延を開始した。その際、950〜700℃の温度域での圧延率が60%以上となり、かつ700℃未満の温度域でも圧延が行われるようにパススケジュールを設定した。熱間圧延の最終パス温度は600〜400℃の間にある。鋳片からのトータルの熱間圧延率は約90%である。熱間圧延後、表層の酸化層を機械研磨により除去(面削)した。
700℃未満〜400℃での熱間圧延率: 56%(1パス)
溶体化処理前 冷間圧延率: 92%
中間冷間圧延 冷間圧延率: 20%
仕上げ冷間圧延 冷間圧延率: 30%
100℃から700℃までの昇温時間: 10秒
Claims (7)
- NiとCoのどちらか一方または両方の合計で0.5〜5.0質量%、Siを0.2〜1.5質量%含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる合金組成を有してなり、圧延方向の0.2%耐力が500MPa以上、導電率が30%IACS以上、ヤング率が110GPa以下、曲げたわみ係数が105GPa以下であることを特徴とする電気・電子部品用銅合金板材。
- 前記銅合金板材のEBSDを用いて解析することによって得られる圧延方向に向く(100)面の面積率が30%以上であることを特徴とする請求項1に記載の電気・電子部品用銅合金板材。
- 前記銅合金板材のEBSDを用いて解析することによって得られる圧延方向に向く(111)面の面積率が15%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の電気・電子部品用銅合金板材。
- さらに、Crを0.05〜0.5質量%含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電気・電子部品用銅合金板材。
- さらに、Zn、Sn、Mg、Ag、MnおよびZrからなる群から選ばれる1種または2種以上を合計で0.01〜1.0質量%含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電気・電子部品用銅合金板材。
- コネクタ用材料であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の電気・電子部品用銅合金板材。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の電気・電子部品用銅合金板材からなるコネクタ。
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