JPWO2010013790A1 - 電気電子部品用銅合金材料とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献2には、CoとSiのほか、Mg、Zn、Sn(スズ)を含む合金が開示されている。
特許文献3には、CoとSiのほか、Sn、Znを必須とする合金が開示されている。
特許文献4には、リードフレーム用途の析出強化型合金のCu−Co−Si系合金が開示されている。
特許文献5には、析出する介在物の大きさが2μm以下であるCu−Co−Si系合金が開示されている。
特許文献6には、Co2Si化合物を析出させたCu−Co−Si系合金が開示されている。
さらに、各特許文献に記載された技術は、いずれも強度、曲げ加工性、導電性(熱伝導性)のすべてを高いレベルで満足するものではない。
特許文献1に開示された技術は、本発明とは異なりSを必須構成元素とする銅合金であり、その目的も本発明と異なり熱間加工性の向上である。そのため、例えば、特許文献1には、析出物(特にCoとSiの析出物)については記載がなく、析出物がどのようなものであるか不明であり、これらの制御方法も不明である。また、電気電子部品として求められる強度や導電性等の諸特性を評価した結果は記載されていない。
特許文献2はCoとSiの析出物がCo2Si化合物であるとの記載はあるものの、その析出物の詳細(粒径等)や制御方法は不明である。なお、製法としては、500℃の温度で1時間または450℃の温度で1時間の焼鈍を行ったとの記載はあるが、再結晶処理についての記載はなく、この記載があったとしても母材の結晶粒径は不明である。すなわち、特許文献2に開示された技術による銅合金は、高導電率および高強度が要求される電気電子部品用途の銅合金として特性が不十分であると考えられる。
特許文献3もまた、CoとSiの析出物がCo2Si化合物であるとの記載はあるものの、その析出物の詳細(粒径等)や制御方法は不明であり、かつその導電率は30%IACS以下と比較的低い。なお、製法としては、400〜500℃の温度で1時間の焼鈍の前に950℃の温度で溶体化処理と冷間圧延を行っているとの記載があるが、導電率が30%IACS以下と比較的低く、高導電率および高強度が要求される電気電子部品用途の銅合金としては特性が不十分であるといえる。
特許文献4に記載のCu−Co−Si系合金はリードフレーム用途であり、析出強化型合金と記載されているものの、析出物を形成する具体的な化合物及びその詳細(粒径等)は不明である。なお、製法としては、500℃の温度で1時間の熱処理、その後に冷間圧延と300℃で1時間のひずみ取り焼鈍を行ったとの記載はあるが、再結晶処理についての記載はなく、この記載があったとしても母材の結晶粒径は不明である。すなわち、特許文献4に開示された技術による銅合金は、高導電率および高強度が要求される電気電子部品用途の銅合金として特性が不十分であると考えられる。
特許文献5に記載のCu−Co−Si合金はその合金中に析出する介在物の大きさが2μm以下との記載はあるが、介在物の規定方法等詳細は不明である。また、鋳塊をそのまま室温で圧延する工程を経て製造される例のみが示されている。ここで、所望の合金特性を得るために一般に厳密な粒径制御が必要とされることを考慮すると、特許文献5に開示された技術による銅合金は、高導電率および高強度が要求される電気電子部品用途の銅合金として特性が不十分であると考えられる。
特許文献6もまた、CoとSiの析出物がCo2Si化合物であるとの記載はあるものの、その析出物の詳細(粒径等)や制御方法や密度が不明である。なお、製法としては、最終圧延前に700〜1050℃の熱処理を行うことが記載されているが、この温度では析出した化合物が再固溶(溶体化処理温度)すると記載されており、最終的にCoとSiの析出物が存在するか否か不明である。その結果、高導電率および高強度が要求される電気電子部品用途の銅合金として特性が不十分であると考えられる。
さらに、特許文献5および特許文献6には、材料の内側曲げ半径をR、板厚をtとした際に、特定の強度レベルにおいてR/t=1の条件で曲げ加工性を評価した例があるが、この程度のレベルでは今後要求される曲げ加工性には必ずしも対応できない場合があると考えられる。
また、本発明者らは、特に高導電率および高強度が要求される電気電子部品用途に好適な銅合金材料を得るため、銅合金材料における導電性と強度、曲げ加工性、はんだ濡れ性、はんだ密着強度の関係についてさらに検討を重ね、本発明を完成させるに至った。
(1)Co(コバルト)を0.5〜2.0質量%(mass%)、Si(ケイ素)を0.1〜0.5質量%(mass%)それぞれ含み、残部Cu(銅)及び不可避的不純物からなる組成を有する電気電子部品用銅合金材料であって、母材の銅合金の結晶粒径が3〜35μmで、CoとSiからなる析出物の粒子径が5〜50nmで、前記析出物の密度が1×108〜1×1010個/mm2であり、かつ、銅合金材料としての引張強度が550MPa以上、導電率が50%IACS以上である電気電子部品用銅合金材料。
(2)Sn(スズ)、Mg(マグネシウム)の少なくとも1種を合計で0.1〜0.5質量%(mass%)含む、(1)記載の電気電子部品用銅合金材料。
(3)Zn(亜鉛)、Mn(マンガン)の少なくとも1種を合計で0.1〜0.5質量%(mass%)含む、(1)または(2)に記載の電気電子部品用銅合金材料。
(4)Fe(鉄)、Cr(クロム)、Ni(ニッケル)の群から選ばれる少なくとも1種を合計で0.1〜1.0質量%(mass%)含む、(1)〜(3)のいずれか1項に記載の電気電子部品用銅合金材料。
(5)温度150℃の大気雰囲気中で1000時間経過後の応力緩和率が40%未満である、(1)〜(4)のいずれか1項に記載の電気電子部品用銅合金材料。
(6)電気電子部品用銅合金材料を製造する方法であって、Coを0.5〜2.0質量%(mass%)、Siを0.1〜0.5質量%(mass%)それぞれ含み、残部Cu及び不可避的不純物からなる組成を有する銅合金材料に、500〜600℃で1〜4時間の時効熱処理を行う工程aと、前記工程a後に、前記時効熱処理時の温度から該銅合金材料の温度が300℃になるまでの冷却速度を20〜100K/時間(Kは絶対温度)の範囲とする工程bとを含んでなり、母材の銅合金の結晶粒径が3〜35μmで、CoとSiからなる析出物の粒子径が5〜50nmで、前記析出物の密度が1×108〜1×1010個/mm2であり、かつ、銅合金材料としての引張強度が550MPa以上、導電率が50%IACS以上である銅合金材料を得る、ことを特徴とする電気電子部品用銅合金材料の製造方法。
(7)銅合金材料として表面粗度がRaで0.2μm以下かつRtで2μm以下である、(1)記載の電気電子部品用銅合金材料。
(8)Zn、Sn、Mgの群から選ばれる少なくとも1種を合計で0.1〜1.0質量%(mass%)含む、(7)記載の電気電子部品用銅合金材料。
(9)Fe、Cr、Niの群から選ばれる少なくとも1種を合計で0.1〜1.0質量%(mass%)含む(7)または(8)記載の電気電子部品用銅合金材料。
(10)電気電子部品用銅合金材料を製造する方法であって、Coを0.5〜2.0質量%(mass%)、Siを0.1〜0.5質量%(mass%)含み、残部がCu及び不可避的不純物からなる組成を有する銅合金材料に、時効熱処理後に該材料表面を酸溶解後、研削する工程を含んでなり、母材の銅合金の結晶粒径が3〜35μm、CoとSiからなる析出物の粒子径が5〜50nmで、前記析出物の密度が1×108〜1×1010個/mm2であり、かつ銅合金材料として表面粗度がRaで0.2μm以下かつRtで2μm以下であって、引張強度が550MPa以上、導電率が50%IACS以上である銅合金材料を得る、ことを特徴とする電気電子部品用銅合金材料の製造方法。
(11)Co含有量が0.7〜2.0質量%(mass%)であり、CoのSiに対する質量比(Co/Si)が3以上5以下であり、かつ、母材の銅合金の結晶粒径の算術平均が3〜20μm、標準偏差が8μm以下であって、前記標準偏差が前記算術平均よりも小さい(1)記載の電気電子部品用銅合金材料。
(12)さらに、Cr、Ni、Fe群から選ばれる少なくとも1種を合計で0.01〜1.0質量%(mass%)含有し、残部が銅および不可避不純物である、(11)記載の電気電子部品用銅合金材料。
(13)さらに、Sn、Mg、Zn、Mnの群から選ばれる少なくとも1種を合計で0.01〜1.0質量%(mass%)含有し、残部が銅および不可避不純物である、(11)または(12)に記載の電気電子部品用銅合金材料。
(14)さらに、Zr(ジルコニウム)、Ti(チタン)の群から選ばれる少なくとも1種を合計で0.01〜1.0質量%含有し、残部が銅および不可避不純物である、(11)〜(13)のいずれか1項に記載の電気電子部品用銅合金材料。
以下、前記(1)〜(5)項に記載された電気電子部品用銅合金材料、及び前記(6)項に記載された電気電子部品用銅合金材料の製造方法を併せて本発明の第1の実施態様という。
前記(7)〜(9)項に記載された電気電子部品用銅合金材料、及び前記(10)項に記載された電気電子部品用銅合金材料の製造方法を併せて本発明の第2の実施態様という。
前記(11)〜(14)項に記載された銅合金材料を併せて本発明の第3の実施態様という。
ここで、特に断らない限り、本発明とは、前記第1、第2及び第3の実施態様を全て包含する意味である。
ここで、応力緩和率は日本伸銅協会技術標準「JCBA T309:2001(仮)」に準拠した片持ち梁法で測定する。今回の評価では応力緩和率が低いほど、銅合金材料をコネクタとして使用した際の接圧が低下せず、良好な材料であるといえる。
また、「析出物の粒子径(サイズ)」とは、後述する方法で求めた析出物の平均粒子径であり、「結晶粒径」とは、後述するJIS−H0501(切断法)に基づいて測定した値である。
また、本発明の第2の実施態様により、強度及び導電率が高く、はんだ濡れ性、はんだ密着強度、曲げ加工性に優れた電気・電子機器用途に好適な銅合金材料を提供することができる。
さらに、本発明の第3の実施態様により、強度、導電性、曲げ加工性に優れ、電気電子機器用途に好適な銅合金材料を提供することができる。
2 はんだ
3 供試材(銅合金材料)
なお、銅合金材料の好ましい具体例として板材、条材について説明するが、銅合金材料の形状は板材や条材に限られるものではない。
まず、銅合金材料を構成する銅合金素材の組成と構成元素について説明する。本発明の第1の実施態様における銅合金素材の組成において、必須の添加元素はCo(コバルト)とSi(ケイ素)である。これらの添加量について、Coを0.5〜2.0質量%、Siを0.1〜0.5質量%とした理由は、前記したようにこれらはCo2Siの金属間化合物を形成し、析出強化に寄与する。Co量が0.5質量%未満では析出強化量が小さいため目標強度の550MPaを得ることができず、2.0質量%より大きいと溶体化温度が高くなりその効果が飽和してしまう。また、この化合物の化学量論比から最適な添加比は、Co/Si≒4.2であり、この値から大きくはずれないように(具体的には3.5≦Co/Si≦4.8の範囲内となるように)Siの添加量を定めた。
好ましくは、前記析出密度は、Co添加量が0.5〜1.0質量%の場合は1×108〜8×108個/mm2で、Co添加量が1.0〜1.5質量%の場合は5×108〜7×109個/mm2、Co添加量が1.5〜2.0質量%の場合は1×109〜1010個/mm2である。
本発明の第1の実施態様の銅合金材料における不可避不純物としては、H、C、O、S等が挙げられる。
次いで、前記再結晶熱処理を行った温度からの冷却速度が50K/秒以上で冷却すると、Coを含有する析出物が整合に析出して材料の強度を向上させる。なお、この冷却速度は高温熱処理温度から300℃までの間における平均冷却速度を意味する。
前記時効熱処理後の冷却速度は、熱処理炉で温度管理することで調整できる。なお、急速に冷却したい場合は、熱処理炉の加熱帯から試料を取り出し、強制空冷や水焼入で対応することができる。
<溶解鋳造>
銅合金の原料となる銅、コバルト、ケイ素などを溶解し、鋳型に流し込んで10〜30K/秒の冷却速度で冷却しながら鋳造し、所定の大きさの銅合金鋳塊を得る。鋳塊のサイズは例えば、厚さ30mm、幅100mm、長さ150mmである。
<熱間圧延・面削・冷間圧延>
その後、この鋳塊を温度930〜1050℃(好ましくは950〜1050℃)で30分間〜60分間保持し、その後熱間圧延によって加工後、速やかに水冷却(急速冷却)にて焼入れを施し、表面上の酸化皮膜除去のため、圧延された表面を面削後、冷間圧延を行なう。
<再結晶熱処理>
この後、溶体化、再結晶させる目的で、温度800〜1025℃に保持されたソルトバス(塩浴炉)内で一定時間再結晶熱処理を行い、水冷却で焼き入れを行う。再結晶熱処理の際、昇温速度はサンプルを板厚の異なったステンレス板にはさむことで調整して熱処理を行う。このときの好ましい昇温速度は、温度300℃以上では10〜300K/秒である。また、好ましい冷却速度は、50〜200K/秒である。
<時効熱処理>
次に、時効析出させる目的で、500〜600℃で1〜4時間の時効熱処理を施す。その際の室温から最高温度に到達するまでの昇温速度は5〜50K/分の範囲内にあり、降温に際しては、析出に影響を与えると考えられる温度帯より十分低い温度である300℃までは炉内で20〜100K/分の範囲内で冷却を行う。
<仕上げ圧延(必要に応じて)>
時効熱処理が終了した銅合金材料に、さらに0〜40%の加工率で最終の冷間圧延(仕上げ圧延)を施して仕上げ圧延材を得る。なお、仕上げ圧延は実施してもしなくてもよい。加工率0%とは、仕上げ圧延を行わないことを意味する。
<歪取り焼鈍>
時効熱処理終了後(仕上げ圧延したものは仕上げ圧延終了後)に、必要に応じて歪取り焼鈍を施す。
<工程の繰り返しについて>
再結晶熱処理、時効熱処理及び冷間圧延は、いずれも、上記条件で2回以上繰り返してもよく、行なう順序を前後させても良い。
本発明の第2の実施態様の銅合金材料における不可避不純物としては、第1の実施態様の銅合金材料と同様に、H、C、O、S等が挙げられる。
<溶解鋳造>
銅合金の原料となる銅、コバルト、ケイ素などを溶解し、鋳型に流し込んで10〜30K/秒の冷却速度で冷却しながら鋳造し、銅合金鋳塊を得る。鋳塊のサイズは例えば、厚さ30mm、幅100mm、長さ150mmである。
<熱間圧延・面削・冷間圧延>
その後、この鋳塊を温度930〜1050℃(好ましくは950〜1050℃)で30分間〜60分間保持し、その後熱間圧延によって加工後、速やかに水冷却(急速冷却)にて焼入れを施し、表面上の酸化皮膜除去のため、圧延された表面を面削後、冷間圧延を行なう。
<再結晶熱処理>
この後、溶体化、再結晶させる目的で、温度800〜1025℃に保持されたソルトバス(塩浴炉)内で一定時間再結晶熱処理を行い、水冷却で焼き入れを行う。再結晶熱処理の際、昇温速度はサンプルを板厚の異なったステンレス板にはさむことで調整して熱処理を行う。このときの好ましい昇温速度は、温度300℃以上では10〜300K/秒である。また、好ましい冷却速度は、30〜200K/秒である。
<時効熱処理>
次に、時効析出させる目的で、時効熱処理を施す。その際の室温から最高温度に到達するまでの昇温速度は5〜50K/分の範囲内にあり、降温に際しては、析出に影響を与えると考えられる温度帯より十分低い温度である300℃までは炉内で1〜10K/分の範囲内で冷却を行う。
<酸溶解、研削>
本発明の第2の実施態様の銅合金材料の製造方法においては、最終の冷間圧延前に材料表面を酸洗して材料表面に存在する酸化銅などを酸により溶解除去した後、該酸洗後の材料表面を研削する。酸溶解に用いられる酸としては、例えば、塩酸、硝酸、燐酸、ふっ酸などの混合希釈液が好ましく用いられる。酸洗後の表面研削法は特に制限はなく、常法によって行なうことができる。例えば、機械的手段などによって、材料両表面を0.2〜2mm研削することが好ましい。
<仕上げ圧延(必要に応じて)>
前記酸溶解とその後の研削処理が終了した銅合金材料に、さらに0〜40%の加工率で最終の冷間圧延を施して仕上げ圧延材を得る。なお、仕上げ圧延は実施してもしなくてもよい。加工率0%とは、仕上げ圧延を行わないことを意味する。
<歪取り焼鈍>
時効熱処理終了後(仕上げ圧延したものは仕上げ圧延終了後)に、必要に応じて歪取り焼鈍を施す。
<工程の繰り返しについて>
再結晶熱処理、時効熱処理及び冷間圧延は、いずれも、上記条件で2回以上繰り返してもよく、行なう順序を前後させても良い。
Fe、Cr、NiはCoと置換を行ってSiと化合物を形成し、強度向上に寄与する元素である。Fe、Ni、Crは、Coの一部と置換して、(Co、χ)2Si化合物(χはFe、Ni、Cr)を形成し、強度を向上させる働きがある。これらの元素の少なくとも1種(各元素、任意の2種類の元素の組合せ、3種類全てのいずれでも良い)を合計で0.01〜1.0質量%の範囲としている。0.01質量%以上であればその効果が顕著に発揮され、合計で1.0質量%以下であれば、鋳造時に晶出を起こしたり、強度に寄与しない金属間化合物を形成したりすることもなく、導電性低下などの影響もない。なお、これらの元素は複合して添加しても、単独で添加してもほぼ同じような効果が見られるが、Niを添加すると顕著な強度向上効果を示す。Fe、Ni、Crの添加量は、好ましくは、これらの元素の少なくとも1種の合計で0.05〜0.9質量%である。
なお、ZrやTiについても、Fe、Ni、Crとほぼ同様の効果を奏するが、ZrやTiは酸化しやすく、多量に添加すると製造中の材料に割れが発生することがあるので、ZrおよびTiの添加量については、これらの元素の少なくとも1種を合計で0.01〜0.1質量%の範囲とすることが好ましい。
本発明の第3の実施態様の銅合金材料における不可避不純物としては、第1または第2の実施態様の銅合金材料と同様に、H、C、O、S等が挙げられる。
<溶解鋳造>
銅合金の原料となる銅、コバルト、ケイ素などを溶解し、鋳型に流し込んで10〜30K/秒(Kは絶対温度を示す「ケルビン」である。以下同じ)の冷却速度で冷却しながら鋳造し、銅合金鋳塊を得る。ここでは幅160mm、厚さ30mm、長さ180mmとなるようにする。
<熱間圧延・面削・冷間圧延>
その後、この鋳塊を温度900〜1000℃で30分間〜60分間保持し、その後熱間圧延によって厚さ12mmになるまで加工後、速やかに水冷却(急速冷却)にて焼入れを施し、表面上の酸化皮膜除去のため、圧延された表面を片側1mm前後面削して約10mmにした後、冷間圧延にて厚さ約0.1〜0.3mmとなるように加工する。
<再結晶熱処理>
この後、溶体化、再結晶させる目的で、温度800〜1025℃に保持されたソルトバス(塩浴炉)内で一定時間(ここでは30秒間)再結晶熱処理を行い、水冷却で焼き入れを行う。再結晶熱処理の際、昇温速度はサンプルを板厚の異なったステンレス板にはさむことで調整して熱処理を行う。このときの好ましい昇温速度は、温度300℃以上では10〜300K/秒である。また、好ましい冷却速度は、30〜200K/秒である。
<時効熱処理>
次に、時効析出させる目的で、温度525℃で120分間の時効熱処理を施す。その際の室温から最高温度に到達するまでの昇温速度は3〜25K/分の範囲内にあり、降温に際しては、析出に影響を与えると考えられる温度帯より十分低い温度である300℃までは炉内で1〜2K/分の範囲内で冷却を行う。
<仕上げ圧延(必要に応じて)>
時効熱処理が終了した銅合金材料に、さらに0%〜40%(上限は好ましくは20%)の加工率で最終の冷間圧延を施して仕上げ圧延材を得る。なお、仕上げ圧延は実施してもしなくてもよい。加工率0%とは、仕上げ圧延を行わないことを意味する。
<歪取り焼鈍>
時効熱処理終了後(仕上げ圧延したものは仕上げ圧延終了後)に、必要に応じて歪取り焼鈍を施す。
<工程の繰り返しについて>
再結晶熱処理と時効熱処理は、上記条件で2回以上繰り返してもよい。
よって、上述の添加元素や製造条件(特に再結晶熱処理と時効熱処理の条件)は、結晶粒径の算術平均および標準偏差の条件を満足するように適宜調整される。特に、結晶粒径の算術平均が3μm未満の場合においては、未再結晶領域が残存し、曲げ特性の劣化に直結するため、結晶粒径の標準偏差は結晶粒径の算術平均より小さい値であることが好ましく、3μm以上となるようにすることがより好ましい。
なお、曲げ加工性をさらに高めたい場合には、母材の銅合金の結晶粒径の算術平均から標準偏差を引いた値が0μmより大きいことが好ましく、また、標準偏差を算術平均で割った値が0.65以下であることがより好ましく、0.4以下であることがさらに好ましい。なお、標準偏差を算術平均で割った値の下限は0.2以上であることが、実際の製造上現実的である。
昇温速度が遅すぎると加熱処理が過ぎてしまい、析出物や晶出物の粗大化が起き、強度低下が起きてしまうおそれがある。また、過熱による結晶粒粗大化がおきるおそれがある。一方、昇温速度が速すぎると、結晶粒粗大化を防ぐ析出物生成量数が少なくなり、結晶粒の粗大化がおきてしまうおそれがある。このため、好ましい昇温速度は上記のようになる。
(B1)Coを0.5〜2.0質量%、Siを0.1〜0.5質量%含み、残部がCu及び不可避的不純物からなる組成を有する電気電子部品用銅合金材料であって、母材の銅合金の結晶粒径が3〜35μm、CoとSiからなる析出物の粒子径が5〜50nmであり、かつ銅合金材料として表面粗度がRaで0.2μm以下かつRtで2μm以下であって、引張強度が550MPa以上、導電率が50%IACS以上である電気電子部品用銅合金材料。
(B2)電気電子部品用銅合金材料を製造する方法であって、Coを0.5〜2.0質量%、Siを0.1〜0.5質量%含み、残部がCu及び不可避的不純物からなる組成を有する銅合金材料に、最終の冷間圧延前に該材料表面を酸溶解後、研削する工程を含んでなり、母材の銅合金の結晶粒径が3〜35μm、CoとSiからなる析出物の粒子径が5〜50nmであり、かつ銅合金材料として表面粗度がRaで0.2μm以下かつRtで2μm以下であって、引張強度が550MPa以上、導電率が50%IACS以上である銅合金材料を得る、ことを特徴とする電気電子部品用銅合金材料の製造方法。
(C3)Coを0.7〜2.5質量%(上限は好ましくは2.0質量%)であり、CoのSiに対する質量比(Co/Si)が3以上5以下である銅合金材料であって、
母材の銅合金の結晶粒径の算術平均が3〜20μm、標準偏差が8μm以下であって、前記標準偏差が前記算術平均よりも小さいことを特徴とする銅合金材料。
前記(B1)及び(B2)の実施態様については、例えば、その合金組成、添加元素、結晶粒と析出物の状態、表面粗度、その製造方法(各製造工程、製造条件など)について、さらにそれらの具体例や好ましい範囲など、前記本発明の第2の実施態様と異なる構成要素に関することを除いて全て同様である。また、前記(B1)及び(B2)の実施態様は、前記本発明の第2の実施態様と同様の効果を奏するものである。
前記(C3)の実施態様については、例えば、その合金組成、添加元素、結晶粒と析出物の状態、その製造方法(各製造工程、製造条件など)について、さらにそれらの具体例や好ましい範囲など、前記本発明の第3の実施態様と異なる構成要素に関することを除いて全て同様である。また、前記(C3)の実施態様は、前記本発明の第3の実施態様と同様の効果を奏するものである。
表1、2に示した成分を含有し、残部がCuと不可避不純物から成る合金(1a〜36a、1b〜24b)を高周波溶解炉により溶解し、これを10〜30K/秒の冷却速度で鋳造して厚さ30mm、幅100mm、長さ150mmの鋳塊を得た。
得られた鋳塊を温度930〜970℃で0.5〜1.0時間保持した後、熱間圧延を行い板厚t=12mmの熱間圧延板を作製し、その両面を各1mm面削して板厚t=10mmとし、次いで冷間圧延により板厚t=0.3mmに仕上げ、700℃以上1025℃以下の温度で再結晶熱処理を行った。この準備した材料を次の2工程のいずれかの処理を施してで最終製品を作成した。
工程A:再結晶熱処理−時効熱処理(温度500〜600℃で1〜4時間)−冷間加工(5〜25%)
※この後、必要に応じて、温度300〜400℃で1〜2時間のひずみ取り焼鈍を実施した。
工程B:再結晶熱処理−冷間圧延(加工率:5〜25%)−時効熱処理(温度450〜550℃で1〜4時間)
なお、以下の表には、前記工程AとBで述べた加工率を示した。
a.引張強度:
供試材の圧延平行方向から切り出したJIS Z2201−13B号の試験片をJIS Z2241に準じて3本測定しその平均値を示した。
b.導電率測定:
四端子法を用いて、20℃(±1℃)に管理された恒温槽中で、各試験片の2本について導電率を測定し、その平均値(%IACS)を表1〜表2に示した。このとき端子間距離は100mmとした。
c.曲げ加工性:
供試材から圧延方向に垂直に幅10mm、長さ35mmに試験片を切出し、これに曲げの軸が圧延方向に平行に曲げ半径R=0〜0.5(mm)の6水準で90°W曲げ(Bad−way曲げ)し、曲げ部における割れの有無を50倍の光学顕微鏡で目視観察および走査型電子顕微鏡(SEM)によりその曲げ加工部位を観察し割れの有無を調査した。表1中のR/tのRは曲げ半径でtは板厚を示し、この値が小さいほど良好な曲げ加工性を示す。ここでは、R/tの値が2.5以下であるものを、良好な曲げ加工性を有する銅合金材料であるとする。好ましくはR/tの値が2以下であるものとする。
d.結晶粒径:
供試材(試験片)の圧延方向に垂直な断面を湿式研磨、バフ研磨により鏡面に仕上げた後、クロム酸:水=1:1の液で数秒研磨面を腐食した後、光学顕微鏡で200〜400倍の倍率または、走査型電子顕微鏡(SEM)の二次電子像を用いて500〜2000倍の倍率で写真をとり、この断面の結晶粒径をJIS H0501(伸銅品結晶粒度測定方法)の切断法に準じて測定した。なお、写真の倍率については、観測される結晶粒の大きさにより変化させた。なお、表中の「混粒」とは、再結晶と未再結晶(圧延加工残留)の両方が混在した組織で、混粒の場合には粒径は測定しなかった。未再結晶が存在すると曲げ加工性が劣化すると言われている。そのため、混粒は望ましくない組織である。
e.時効熱処理後の冷却速度
時効熱処理時の温度から300℃まで冷却される間の冷却速度は、熱処理炉で温度管理することで調整した。なお、急速に冷却する場合は、熱処理炉の加熱帯から試料を取りだし、強制空冷や水焼入で対応した。
f.析出物のサイズと密度
析出物のサイズは透過電子顕微鏡(TEM)を用いて評価を行った。最終製品では加工歪みの影響を受けて観察しにくくなるため時効熱処理後の材料の組織観察を実施した。熱処理材の任意の場所からTEM用試験片を切り出し、硝酸(20%)のメタノール溶液を用いて、温度−20〜−25℃の範囲で電解研磨(ツインジェット式電解研磨装置による)を行って観察用の試験片を完成させた。
その後、加速電圧:300kVで観察を行って、電子線の入射方位を(001)近傍に合わせて、100000倍の写真を任意に3枚撮影した。その写真を用いて析出物(約100個)の平均サイズをと個数を求めた。
g.耐応力緩和特性(応力緩和率)
応力緩和率(SRR)は日本伸銅協会技術標準「JCBA T309:2001(仮)」に準拠した片持ち梁法で、各供試材にJIS Z2241に準じて0.2%耐力の80%の応力を温度150℃で1000時間負荷し、初期のたわみ変位に対する経時後の永久たわみ変位を3本の供試材について測定して、各供試材の初期のたわみ変位に対する経時後の永久たわみ変位の割合(%)の平均値として求めた。
表3、4に示した成分を含有し、残部がCuと不可避不純物から成る銅合金素材を高周波溶解炉により溶解した後、10〜30K/秒の冷却速度で冷却して厚さ30mm、幅100mm、長さ150mmの鋳塊を得た。
なお、Siを添加するCuにおいて、原料中や材料中のO(酸素)を規定する公知文献が多々あるが、Cuより酸化性の高い元素を添加する場合は、OがあればCuよりも先に酸化するため添加元素であるSiの歩留まりが安定しない。よって、原料や材料中のO濃度を規定することはCuより酸化性の強い元素を添加する場合には当業者として周知の技術である。同様に、Oと共にH(水素)を規定する公知文献も多々あるが、HとOは原料の表層に水分として付着していることが多く、Oを取り除く前処理を行うとHも除去でき、さらに、H濃度が高いと、鋳塊製造時に内部にガス気泡が多く発生して良好な板材を得ることができない。よって、H濃度を低減させることは銅合金製造における当業者としては周知の技術の一つである。
得られた鋳塊を930〜1050℃の温度で0.5〜1.0時間保持後、熱間圧延を行い板厚t=12mmの熱延板を作製し、その両面を各1mm面削して板厚t=10mmとし、次いで冷間圧延により板厚t=0.3mmに仕上げ、700〜1025℃の温度で再結晶熱処理を行った。この再結晶熱処理後の材料に次の工程を施して最終製品となる供試材を作成した。
工程:再結晶熱処理−時効熱処理(500〜600℃の温度で1〜4時間)
−表面酸洗・研削−冷間加工(加工率:5〜25%)
※この後、必要に応じて、300〜400℃の温度で1〜2時間のひずみ取り焼鈍を実施した。
なお、以下の表には、前記工程で述べた加工率を示した。
また、再結晶熱処理と時効熱処理との間に、加工率5〜25%の冷間圧延を追加した工程も行った。
なお、表面酸洗工程は常法により行った。
a.引張強度、b.導電率測定、c.曲げ加工性、d.結晶粒径は実施例1と同様に測定した。
なお、この実施例2における曲げ加工性としては、R/tの値が2.5以下であるものを、良好な曲げ加工性を有する銅合金材料であるとする。好ましくはR/tの値が2以下であるものとする。
e2.析出物の粒子径
析出物の粒子径は透過電子顕微鏡(TEM)を用いて評価を行った。最終製品では加工歪みの影響を受けるため時効熱処理後の材料の組織観察を実施した。熱処理材の任意の場所からTEM用試験片を切り出し、硝酸(20%)のメタノール溶液を用いて、温度−20〜−25℃の範囲で電解研磨(ツインジェット式電解研磨装置による)を行って観察用の試験片を完成させた。
その後、加速電圧:300kVで観察を行って、電子線の入射方位を(001)近傍に合わせて、倍率が100000倍の写真を任意に3枚撮影した。その写真を用いて析出物(約100個)の平均粒子径を求めた。
f2.はんだ濡れ試験(メニスコグラフ)
JIS C 600068−2−54に準拠
試験サイズは、10×25mmで幅10mm側を準備したPbフリーはんだ(Sn−3.0Ag−0.5Cu)のはんだ浴に浸けた。この時の条件は、フラックスとして、ロジン系のR100−40を使い、浸ける速度は10mm/秒で、試験片の10mmまで浸ける試験を実施した。なお、はんだ浴の温度は245℃(±2℃)に制御した。試験はサンプル数n=5で実施し、濡れ時間と濡れ荷重を測定し、濡れ時間を評価基準とした。今回は、濡れ時間が2秒以下のものを「良(○)」、3秒以下のものを「可(△)」、3秒を超えるものを「不良(×)」とし、n=5の平均時間で評価した。
g2.はんだ密着強度の評価
はんだ密着強度の評価は以下の方法で行った。はんだ種はPbフリーはんだ(Sn−3.0Ag−0.5Cu)を用い、材料は予め電解脱脂と10%硫酸溶液で約1分間の洗浄を行って十分に乾燥させた。その後、この材料を25mm×25mmに切断し、専用の治具を用いて供試材となる銅合金材料の片面表面にφ6mmの上記のはんだを盛ってφ1mmのEF線(鋼線の周りに純銅を被覆した線:銅被覆鋼線)を固定した。この状態を図1に示す。図1において、1はEF線、2ははんだ、3は供試材である。
次に、そのEF線を掴んで、引張試験を行いはんだが材料から剥離する強度を測定した。その時の引張試験の速度は、10mm/分でサンプル数n=5の試験を行って平均値を求めた。
一方、経時変化は、加速試験の意味で150℃の大気高温槽中に上記のEF線を固定した材料を500時間放置し、その後、室温まで自然冷却して上記と同様に引張試験を5回行って、その平均値を求めた。その時、剥離強度の経時変化を、以下の式(1)で求めた。
式(1)
経時変化率=(500時間後の剥離強度/初期の剥離強度)×100(%)
上記の式(1)で、経時変化率≧50%を「優(◎)」、≧30%を「良(○)」、≧10%を「可(△)」、<10%を「不良(×)」とし、評価した。
表5に示した成分を含有し、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10〜30K/秒の冷却速度で鋳造して幅160mm、厚さ30mm、長さ180mmの鋳塊を得た。なお、冷却温度は鋳塊に割れなどが発生しない条件下で行った。
得られた鋳塊を温度1000℃で30分間保持し、熱間圧延を行い板厚t=12mmの熱延板を作製し、その両面を各1mm面削して板厚t=10mmとし、次いで冷間圧延により板厚t=0.3mmに仕上げ、その後800〜1025℃の範囲の温度で再結晶熱処理を行った。再結晶熱処理の温度はCoの添加量などに応じて、表5〜表6に記載のとおり変化させた。そして、再結晶熱処理後の材料に対して次の2工程を施し、最終製品に相当する供試材を作成した。
工程A:再結晶熱処理−時効熱処理(温度525℃で2時間)−冷間加工(0〜20%)
※この後、必要に応じて、温度300〜400℃の範囲で1〜2時間の歪取り焼鈍を実施した。
工程B:再結晶熱処理−冷間圧延(0〜20%)−時効熱処理(温度525℃で2時間)
a.引張強度、b.導電率測定、c.曲げ加工性は、実施例1と同様に測定した。
d3.結晶粒径(算術平均):
試験片の圧延方向に垂直な断面を湿式研磨、バフ研磨により鏡面に仕上げた後、クロム酸:水=1:1の液で数秒研磨面を腐食した後、光学顕微鏡で200〜400倍の倍率か、走査型電子顕微鏡(SEM)の二次電子像を用いて500〜2000倍の倍率で写真をとり、断面粒径をJIS H0501の切断法に準じて結晶粒径を測定した。そして、その測定母数を200として算術平均を求め、この値を結晶粒径の算術平均の値とした。なお、表中では「平均結晶粒径」と表記している。
e3.結晶粒径の偏差:
上記結晶粒径測定と同様の手法で粒径を1個ずつ測定し、その測定母数を200として結晶粒径の標準偏差を求めた。
Claims (14)
- Co(コバルト)を0.5〜2.0質量%、Si(ケイ素)を0.1〜0.5質量%それぞれ含み、残部Cu(銅)及び不可避的不純物からなる組成を有する電気電子部品用銅合金材料であって、母材の銅合金の結晶粒径が3〜35μmで、CoとSiからなる析出物の粒子径が5〜50nmで、前記析出物の密度が1×108〜1×1010個/mm2であり、かつ、銅合金材料としての引張強度が550MPa以上、導電率が50%IACS以上である電気電子部品用銅合金材料。
- Sn(スズ)、Mg(マグネシウム)の少なくとも1種を合計で0.1〜0.5質量%含む、請求項1記載の電気電子部品用銅合金材料。
- Zn(亜鉛)、Mn(マンガン)の少なくとも1種を合計で0.1〜0.5質量%含む、請求項1または請求項2に記載の電気電子部品用銅合金材料。
- Fe(鉄)、Cr(クロム)、Ni(ニッケル)の群から選ばれる少なくとも1種を合計で0.1〜1.0質量%含む、請求項1〜請求項3のいずれかに記載の電気電子部品用銅合金材料。
- 温度150℃の大気雰囲気中で1000時間経過後の応力緩和率が40%未満である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の電気電子部品用銅合金材料。
- 電気電子部品用銅合金材料を製造する方法であって、Coを0.5〜2.0質量%、Siを0.1〜0.5質量%それぞれ含み、残部Cu及び不可避的不純物からなる組成を有する銅合金材料に、500〜600℃で1〜4時間の時効熱処理を行う工程aと、前記工程a後に、前記時効熱処理時の温度から該銅合金材料の温度が300℃になるまでの冷却速度を20〜100K/時間(Kは絶対温度)の範囲とする工程bとを含んでなり、母材の銅合金の結晶粒径が3〜35μmで、CoとSiからなる析出物の粒子径が5〜50nmで、前記析出物の密度が1×108〜1×1010個/mm2であり、かつ、銅合金材料としての引張強度が550MPa以上、導電率が50%IACS以上である銅合金材料を得る、ことを特徴とする電気電子部品用銅合金材料の製造方法。
- 銅合金材料として表面粗度がRaで0.2μm以下かつRtで2μm以下である、請求項1記載の電気電子部品用銅合金材料。
- Zn、Sn、Mgの群から選ばれる少なくとも1種を合計で0.1〜1.0質量%含む、請求項7記載の電気電子部品用銅合金材料。
- Fe、Cr、Niの群から選ばれる少なくとも1種を合計で0.1〜1.0質量%含む請求項7または請求項8記載の電気電子部品用銅合金材料。
- 電気電子部品用銅合金材料を製造する方法であって、Coを0.5〜2.0質量%、Siを0.1〜0.5質量%含み、残部がCu及び不可避的不純物からなる組成を有する銅合金材料に、時効熱処理後に該材料表面を酸溶解後、研削する工程を含んでなり、母材の銅合金の結晶粒径が3〜35μm、CoとSiからなる析出物の粒子径が5〜50nmで、前記析出物の密度が1×108〜1×1010個/mm2であり、かつ銅合金材料として表面粗度がRaで0.2μm以下かつRtで2μm以下であって、引張強度が550MPa以上、導電率が50%IACS以上である銅合金材料を得る、ことを特徴とする電気電子部品用銅合金材料の製造方法。
- Co含有量が0.7〜2.0質量%であり、CoのSiに対する質量比(Co/Si)が3以上5以下であり、かつ、母材の銅合金の結晶粒径の算術平均が3〜20μm、標準偏差が8μm以下であって、前記標準偏差が前記算術平均よりも小さい請求項1記載の電気電子部品用銅合金材料。
- さらに、Cr、Ni、Feの群から選ばれる少なくとも1種を合計で0.01〜1.0質量%含有し、残部が銅および不可避不純物である、請求項11記載の電気電子部品用銅合金材料。
- さらに、Sn、Mg、Zn、Mnの群から選ばれる少なくとも1種を合計で0.01〜1.0質量%含有し、残部が銅および不可避不純物である、請求項11または請求項12に記載の電気電子部品用銅合金材料。
- さらに、Zr、Tiの群から選ばれる少なくとも1種を合計で0.01〜1.0質量%含有し、残部が銅および不可避不純物である、請求項11〜請求項13のいずれか1項に記載の電気電子部品用銅合金材料。
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