WO2011152124A1 - 電子材料用Cu-Co-Si系銅合金及びその製造方法 - Google Patents

電子材料用Cu-Co-Si系銅合金及びその製造方法 Download PDF

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寛 桑垣
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Jx日鉱日石金属株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a precipitation hardening type copper alloy, and more particularly to a Cu—Co—Si based copper alloy suitable for use in various electronic parts.
  • Copper alloys for electronic materials used in various electronic parts such as connectors, switches, relays, pins, terminals, and lead frames are required to have both high strength and high conductivity (or thermal conductivity) as basic characteristics. Is done. In recent years, high integration and miniaturization / thinning of electronic components have been rapidly progressing, and the level of demand for copper alloys used in electronic device components has been increased accordingly.
  • the amount of precipitation hardening type copper alloys is increasing instead of conventional solid solution strengthened copper alloys such as phosphor bronze and brass as copper alloys for electronic materials.
  • precipitation-hardened copper alloys by aging the supersaturated solid solution that has undergone solution treatment, fine precipitates are uniformly dispersed, increasing the strength of the alloy and reducing the amount of solid solution elements in the copper. Electrical conductivity is improved. For this reason, a material excellent in mechanical properties such as strength and spring property and having good electrical conductivity and thermal conductivity can be obtained.
  • Cu-Ni-Si copper alloys commonly called Corson alloys
  • Corson alloys are representative copper alloys that have relatively high electrical conductivity, strength, and bending workability, and are currently active in the industry. It is one of the alloys being developed. In this copper alloy, the strength and conductivity can be improved by precipitating fine Ni—Si intermetallic compound particles in the copper matrix.
  • a Cu—Ni—Si alloy generally called a Corson copper alloy is conventionally known.
  • the strength and conductivity can be improved by precipitating fine Ni—Si intermetallic compound particles in the copper matrix.
  • a Cu—Co—Si alloy has attracted attention.
  • the Cu—Co—Si based alloy has an advantage that it can be made higher in conductivity than the Cu—Ni—Si based copper alloy because the amount of cobalt silicide (Co 2 Si) solid solution is small.
  • Processes that greatly affect the properties of Cu-Co-Si-based copper alloys include solution treatment, aging treatment, and final rolling work degree. Among these, aging conditions depend on the distribution and size of cobalt silicide precipitates. This is one of the processes that greatly affects.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-55977 describes a Cu—Co—Si based alloy focusing on the size and total amount of inclusions precipitated in the copper alloy as well as the composition of the copper alloy. It describes that after the solution treatment, an aging treatment is performed by heating at 400 ° C. to 600 ° C. for 2 hours to 8 hours. Accordingly, in this document, the size of inclusions precipitated in the copper alloy is 2 ⁇ m or less, and inclusions having a size of 0.05 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less in the copper alloy are controlled to 0.5% by volume or less. is doing.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-242814 discloses Cu—Co—Si as a precipitation-type copper alloy material that can stably realize a high conductivity of 50% IACS or more, which is difficult to achieve with a Cu—Ni—Si system.
  • System alloys are exemplified. Here, it is described that the aging treatment is performed at 400 to 800 ° C. for 5 seconds to 20 hours.
  • the second phase dispersion state is defined from the viewpoint of controlling the crystal grain size, and the second phase particles existing on the crystal grain boundary are present at a density of 10 4 to 10 8 particles / mm 2 , It is described that the value of r / f, which is the ratio of the particle diameter r (unit: ⁇ m) of all second phase particles including the inside of the crystal grains and the crystal grain boundary, to the volume fraction f of the particles is 1 to 100. Has been.
  • Patent Document 3 (WO2009-096546) describes a Cu—Co—Si alloy characterized in that the size of a precipitate containing both Co and Si is 5 to 50 nm. It is described that the aging treatment after the solution recrystallization heat treatment is preferably performed at 450 to 600 ° C. for 1 to 4 hours.
  • Patent Document 4 (WO2009-116649) describes a Cu—Co—Si alloy having excellent strength, electrical conductivity, and bending workability.
  • the aging treatment is performed at 525 ° C. ⁇ 120 minutes
  • the rate of temperature rise from room temperature to the maximum temperature is in the range of 3 to 25 ° C./min
  • the temperature drop is up to 300 ° C. Describes that cooling was performed in the furnace at a rate of 1 to 2 ° C./min.
  • the size of the precipitate is 5 to 50 nm
  • the average size of the precipitates described in the invention examples is all 10 nm or more. That is, there is still room for improvement in the precipitation state of the second phase particles represented by cobalt silicide.
  • the present inventor has made extensive studies to solve the above problems, and as a result of observing the structure of the Cu—Co—Si based alloy, the distribution state of extremely fine second phase particles having a particle size of about 50 nm or less. It has been found that it is important to appropriately control the temperature, and has an important influence on the improvement of strength, conductivity and sag resistance. Specifically, the second phase particles having a particle size in the range of 5 nm or more and less than 10 nm contribute to the improvement of strength and initial sag resistance, and the second phase particles having a particle size in the range of 10 nm to 50 nm. Has contributed to the improvement of sag resistance repeatedly, and it has been found that the strength and sag resistance can be improved in a balanced manner by controlling the number density and ratio thereof.
  • the present invention completed on the basis of the above knowledge includes, in one aspect, Co: 0.5 to 3.0 mass%, Si: 0.1 to 1.0 mass%, with the balance being Cu and inevitable impurities.
  • the number density of the second phase particles precipitated in the parent phase of the copper alloy for electronic materials having a particle size of 5 nm to 50 nm is 1 ⁇ 10 12 to 1 ⁇ 10 14 particles / mm 3
  • the number density of those having a particle size of 5 nm or more and less than 10 nm is a copper alloy for electronic materials having a particle size of 3 to 6 as a ratio to the number density of those having a particle size of 10 nm or more and 50 nm or less.
  • the number density of second phase particles having a particle size of 5 nm or more and less than 10 nm is 2 ⁇ 10 12 to 7 ⁇ 10 13 and the particle size is 10 nm or more and 50 nm or less.
  • the number density of the two-phase particles is 3 ⁇ 10 11 to 2 ⁇ 10 13 .
  • the copper alloy according to the present invention is a ratio of the minimum radius (MBR) to the plate thickness (t) at which cracks do not occur when performing a Badway W bending test according to JIS H 3130. / T value is 2.0 or less.
  • the copper alloy according to the present invention further contains a maximum of 2.5% by mass of Ni.
  • the copper alloy according to the present invention further contains up to 0.5% by mass of Cr.
  • the copper alloy according to the present invention is further selected from the group consisting of Mg, P, As, Sb, Be, B, Mn, Sn, Ti, Zr, Al, Fe, Zn, and Ag. Contains a maximum of 2.0% by mass of seeds or two or more species.
  • -Step 1 of melt casting an ingot having any of the above compositions A step 2 in which the material temperature is 950 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower and hot rolling is performed after heating for 1 hour or more; -Optional cold rolling process 3; A step 4 of performing a solution treatment in which the material temperature is heated to 850 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower; A first aging treatment step 5 in which the material temperature is heated to 400 ° C. or more and 600 ° C. or less for 1 to 12 hours, provided that the material temperature is 400 ° C.
  • a cold rolling step 6 with a rolling reduction of 10% or more A second aging treatment step 7 in which the material temperature is heated at 300 ° C. to 400 ° C. for 3 to 36 hours, and the heating time is 3 to 10 times the heating time in the first aging treatment; Is a method for producing a copper alloy for electronic materials.
  • the rolling reduction in the cold rolling step 6 is 10 to 50%.
  • the present invention is a copper drawn product made of the copper alloy according to the present invention.
  • the present invention is an electronic component including the copper alloy according to the present invention.
  • a Cu—Co—Si based copper alloy having an improved balance of strength, electrical conductivity, and sag resistance can be obtained, and in a preferred embodiment, Cu—Co—Si is further excellent in bending workability.
  • a copper alloy can be obtained.
  • a Cu—Co—Si based alloy according to the present invention includes, in one embodiment, 0.5 to 3.0 mass% of Co and 0.1 to 1.0 mass% of Si. The remainder has a composition composed of Cu and inevitable impurities.
  • Co and Si form an intermetallic compound by performing an appropriate heat treatment, and can increase the strength without deteriorating the electrical conductivity. If the added amounts of Co and Si are less than Co: 0.5% by mass and Si: less than 0.1% by mass, the desired strength cannot be obtained, and conversely, Co: more than 3.0% by mass, Si: 1. If it exceeds 0% by mass, the strength can be increased, but the electrical conductivity is remarkably lowered, and the hot workability is further deteriorated. Therefore, the addition amounts of Co and Si were set to Co: 0.5 to 3.0% by mass and Si: 0.1 to 1.0% by mass. The addition amounts of Co and Si are preferably Co: 0.5 to 2.0 mass% and Si: 0.1 to 0.5 mass%.
  • Ni of Ni can form an intermetallic compound with Si as in the case of Co, and although not as high as Co, the strength can be increased without degrading the conductivity. Therefore, Ni may be added to the Cu—Co—Si alloy according to the present invention. However, when the amount is too large, the decrease in conductivity becomes remarkable as in the case of excessive addition of Co. Therefore, the addition amount of Ni should be 2.5% by mass or less, preferably 2.2% by mass or less, and more preferably 2.0% by mass or less.
  • the composition of cobalt silicide which is the second phase particle that leads to improvement in strength, is Co 2 Si with respect to the mass ratio of Co and Si (Co / Si).
  • the mass ratio is 4.2. The characteristics can be improved most efficiently. If the mass ratio of Co and Si is too far from this value, any element will be present in excess, but the excess element is not appropriate because it does not lead to an increase in strength or a decrease in conductivity. . Therefore, the mass% ratio of Co and Si is preferably 3.5 ⁇ Co / Si ⁇ 5.5, and more preferably 4 ⁇ Co / Si ⁇ 5.
  • the mass% ratio of (Co + Ni) and Si is preferably 3.5 ⁇ [Ni + Co] /Si ⁇ 5.5, and 4 ⁇ [Ni + Co] / Si. It is preferable that ⁇ 5.
  • the added amount Cr of Cr preferentially precipitates at the grain boundaries in the cooling process during melt casting, so that the grain boundaries can be strengthened, cracks during hot working are less likely to occur, and yield reduction can be suppressed. That is, Cr that has precipitated at the grain boundaries during melt casting is re-dissolved by solution treatment or the like, but during subsequent aging precipitation, precipitated particles having a bcc structure mainly composed of Cr or a compound with Si are generated. In a normal Cu—Ni—Si alloy, Si that did not contribute to aging precipitation of the added Si amount suppresses the increase in conductivity while being dissolved in the matrix, but the silicide-forming element Cr is reduced.
  • the amount of dissolved Si can be reduced, and the conductivity can be increased without impairing the strength.
  • Cr concentration exceeds 0.5% by mass, coarse second-phase particles are easily formed, so that product characteristics are impaired. Therefore, Cr can be added to the Cu—Co—Si alloy according to the present invention at a maximum of 0.5 mass%.
  • the effect is small if it is less than 0.03% by mass, it is preferably added in an amount of 0.03 to 0.5% by mass, more preferably 0.09 to 0.3% by mass.
  • Addition amounts of Mg, Mn, Ag and P Mg, Mn, Ag and P improve the product properties such as strength and stress relaxation characteristics without adding a small amount of addition by adding a small amount.
  • the effect of addition is exhibited mainly by solid solution in the matrix phase, but further effects can be exhibited by inclusion in the second phase particles.
  • the total concentration of Mg, Mn, Ag and P exceeds 2.0% by mass, the effect of improving characteristics is saturated and manufacturability is impaired. Therefore, it is preferable to add a total of 2.0% by mass or more of one or more selected from Mg, Mn, Ag and P to the Cu—Co—Si based alloy according to the present invention.
  • the effect is small at less than 0.01% by mass, more preferably 0.01 to 2.0% by mass in total, still more preferably 0.02 to 0.5% by mass in total, typically Add 0.04 to 0.2 mass% in total.
  • the addition of a small amount improves product properties such as strength, stress relaxation properties, and plating properties without impairing electrical conductivity.
  • the effect of addition is exhibited mainly by solid solution in the matrix.
  • the total amount of Sn and Zn exceeds 2.0% by mass, the effect of improving characteristics is saturated and manufacturability is impaired. Therefore, a maximum of 2.0% by mass in total of one or two selected from Sn and Zn can be added to the Cu—Co—Si based alloy according to the present invention.
  • the amount is less than 0.05% by mass, the effect is small. Therefore, the total amount is preferably 0.05 to 2.0% by mass, and more preferably 0.5 to 1.0% by mass in total.
  • Addition amounts of As, Sb, Be, B, Ti, Zr, Al, and Fe As, Sb, Be, B, Ti, Zr, Al, and Fe are also adjusted according to required product characteristics. This improves product properties such as conductivity, strength, stress relaxation properties, and plating properties.
  • the effect of addition is exhibited mainly by solid solution in the parent phase, but it can also be exhibited by forming the second phase particles having a new composition or contained in the second phase particles. However, if the total amount of these elements exceeds 2.0% by mass, the effect of improving characteristics is saturated and manufacturability is impaired.
  • the Cu—Co—Si based alloy according to the present invention one or more selected from As, Sb, Be, B, Ti, Zr, Al, and Fe are added up to 2.0 mass% in total. Can be added. However, if the amount is less than 0.001% by mass, the effect is small. Therefore, the total amount is preferably 0.001 to 2.0% by mass, and more preferably 0.05 to 1.0% by mass.
  • the total amount of Mg, P, As, Sb, Be, B, Mn, Sn, Ti, Zr, Al, Fe, Zn, and Ag exceeds 2.0% by mass, manufacturability is likely to be impaired.
  • the total of these is 2.0% by mass or less, more preferably 1.5% by mass or less, and still more preferably 1.0% by mass or less.
  • the second-phase particle mainly refers to silicide, but is not limited to this.
  • Crystallized substances generated in the solidification process of melt casting and precipitation generated in the subsequent cooling process This refers to precipitates generated in the cooling process after hot rolling, precipitates generated in the cooling process after solution treatment, and precipitates generated in the aging process.
  • fine second phase particles of nanometer order (generally less than 0.1 ⁇ m), mainly composed of intermetallic compounds, are deposited by applying an appropriate aging treatment, without deteriorating the conductivity. It is known that high strength can be achieved. However, among such fine second-phase particles, there are a particle size range that tends to contribute to strength and a particle size range that tends to contribute to sag resistance. It has not been known that the sag resistance can be improved in a well-balanced manner.
  • the present inventor has found that the number density of very fine second-phase particles having a particle size of about 50 nm or less has an important influence on the improvement of strength, conductivity and sag resistance.
  • the second phase particles having a particle size in the range of 5 nm or more and less than 10 nm contribute to the improvement of strength and initial sag resistance
  • the second phase particles having a particle size in the range of 10 nm or more and 50 nm or less are Since it contributes to the improvement of repeated sag resistance, it has been found that the strength and sag resistance can be improved in a balanced manner by controlling the number density and ratio thereof.
  • the number density of the second phase particles having a particle size of 5 nm to 50 nm is 1 ⁇ 10 12 to 1 ⁇ 10 14 particles / mm 3 , preferably 5 ⁇ 10 12 to 5 ⁇ 10 13 particles / mm 3 . It is important to control to mm 3 . If the number density of the second phase particles is less than 1 ⁇ 10 12 / mm 3 , the advantage of precipitation strengthening is hardly obtained, so that the desired strength and conductivity cannot be obtained, and sag resistance is obtained. Also gets worse. On the other hand, it is considered that the higher the number density of the second phase particles, the higher the feasible level, the better the characteristics. However, when the precipitation of the second phase particles is promoted to increase the number density, the second phase particles are improved. It becomes difficult to produce a number density exceeding 1 ⁇ 10 14 / mm 3 because the particles are easily coarsened.
  • the number density of second phase particles having a particle size of 5 nm or more and less than 10 nm which is likely to contribute to strength improvement, and particles that are likely to contribute to improvement of sag resistance. It is necessary to control the ratio of the number density of the second phase particles having a diameter of 10 nm to 50 nm. Specifically, the number density of second phase particles having a particle size of 5 nm or more and less than 10 nm is controlled to 3 to 6 in terms of the ratio to the number density of second phase particles having a particle size of 10 nm or more and 50 nm or less.
  • the ratio of the second phase particles that contribute to the strength becomes too small, and the balance between strength and sag resistance deteriorates, so the strength decreases and the initial sag resistance also deteriorates. Become.
  • the ratio is larger than 6, the ratio of the second phase particles that contribute to sag resistance becomes too small, and the balance between strength and sag resistance also deteriorates. Becomes worse.
  • the number density of second phase particles having a particle size of 5 nm or more and less than 10 nm is 2 ⁇ 10 12 to 7 ⁇ 10 13 particles / mm 3 , and the second phase having a particle size of 10 nm or more and 50 nm or less.
  • the number density of the particles is 3 ⁇ 10 11 to 2 ⁇ 10 13 particles / mm 3 .
  • the strength depends on the number density of second phase particles having a particle size exceeding 50 nm, but by controlling the number density of second phase particles having a particle size of 5 nm or more and 50 nm or less as described above, The number density of the second phase particles having a diameter exceeding 50 nm naturally settles in an appropriate range.
  • the copper alloy according to the present invention is a ratio of the minimum radius (MBR) to the plate thickness (t) where cracks do not occur when performing a Badway W bending test according to JIS H 3130.
  • the t value is 2.0 or less.
  • the MBR / t value can typically be in the range of 1.0 to 2.0.
  • a Corson copper alloy In a general manufacturing process of a Corson copper alloy, first, an atmospheric melting furnace is used to melt raw materials such as electrolytic copper, Ni, Si, and Co to obtain a molten metal having a desired composition. Then, this molten metal is cast into an ingot. Thereafter, hot rolling is performed, and cold rolling and heat treatment are repeated to finish a strip or foil having a desired thickness and characteristics.
  • Heat treatment includes solution treatment and aging treatment. In the solution treatment, heating is performed at a high temperature of about 700 to about 1000 ° C. to cause the second phase particles to be dissolved in the Cu matrix and simultaneously to recrystallize the Cu matrix. The solution treatment may be combined with hot rolling.
  • the second phase particles that are heated in the temperature range of about 350 to about 550 ° C. for 1 hour or more and solid-dissolved by the solution treatment are precipitated as fine particles of nanometer order.
  • This aging treatment increases strength and conductivity.
  • cold rolling may be performed before and / or after aging.
  • strain relief annealing low temperature annealing
  • grinding, polishing, shot blast pickling and the like for removing oxide scale on the surface are appropriately performed.
  • the copper alloy according to the present invention basically undergoes the above manufacturing process, but in the finally obtained copper alloy, in order to set the distribution form of the second phase particles within the range specified by the present invention. It is important to strictly control the hot rolling, solution treatment and aging treatment conditions. Unlike the conventional Cu—Ni—Si based Corson alloy, the Cu—Co—Si based alloy of the present invention is Co (which in some cases may further be Cr) as the secondary phase particles are likely to be coarsened as an essential component for age precipitation hardening. ) Is actively added. This is because the generation and growth rate of the second phase particles formed by the added Co together with Ni and Si are sensitive to the holding temperature and the cooling rate during the heat treatment.
  • Hot rolling is performed after holding at 950 ° C. to 1050 ° C. for 1 hour or longer, and if the temperature at the end of hot rolling is 850 ° C. or higher, even if Co and further Cr are added, it is dissolved in the matrix. be able to.
  • the temperature condition of 950 ° C. or higher is a higher temperature setting than other Corson alloys. If the holding temperature before hot rolling is less than 950 ° C., solid solution is insufficient, and if it exceeds 1050 ° C., the material may be dissolved.
  • the purpose of the solution treatment is to increase the age-hardening ability after the solution treatment by solidifying the crystallized particles during melt casting and the precipitated particles after hot rolling.
  • the holding temperature and time during the solution treatment are important.
  • the holding time is constant, if the holding temperature is increased, the crystallized particles at the time of melting and casting and the precipitated particles after hot rolling can be dissolved, and the area ratio can be reduced.
  • the solution treatment temperature is less than 850 ° C., the solid solution is insufficient and the desired strength cannot be obtained, while if the solution treatment temperature exceeds 1050 ° C., the material can be dissolved. There is sex.
  • the material temperature is heated to 850 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower, and it is more preferable to perform a solution treatment in which the material temperature is heated to 900 ° C. or higher and 1020 ° C. or lower.
  • the solution treatment time is preferably 60 seconds to 1 hour.
  • the cooling rate after the solution treatment is preferably quenched in order to prevent precipitation of the solid phase second phase particles.
  • the Cu—Co—Si based alloy according to the present invention it is effective to perform a mild aging treatment in two stages after the solution treatment and to perform cold rolling between the two aging treatments. is there. Thereby, the coarsening of the precipitate is suppressed, and the distribution state of the second phase particles as defined in the present invention can be obtained.
  • the solution treatment is performed while selecting a temperature slightly lower than that conventionally used as useful for the refinement of precipitates, and promoting the precipitation of fine second-phase particles.
  • the first aging treatment is less than 400 ° C.
  • the density of the second phase particles having a size of 10 nm to 50 nm, which repeatedly improves sag resistance tends to be low.
  • the first aging treatment exceeds 500 ° C.
  • the suitable temperature for the aging treatment varies depending on the Ni content in the alloy.
  • the Cu—Co—Si alloy and the Cu—Co—Ni—Si alloy differ in the precipitation of the second phase particles, and the temperature at which Cu—Co—Si has the highest strength is Cu—Co—Ni—. This is because it shifts to a higher temperature side than Si.
  • the material temperature is preferably 400 ° C. or more and 500 ° C. or less, and heating is preferably performed for 3 to 9 hours, and the Ni content is 1.0% by mass. When it is less than%, it is preferably heated at 450 to 550 ° C. for 3 to 9 hours.
  • Cold rolling is performed after the first aging treatment.
  • insufficient age hardening in the first aging treatment can be supplemented by work hardening.
  • the rolling reduction at this time is less than 10%, the strain that becomes a precipitation site is small, and the second phase particles that precipitate in the second aging are difficult to precipitate uniformly.
  • the rolling reduction of cold rolling exceeds 50%, the bending workability tends to deteriorate.
  • the second phase particles precipitated by aging at the first time are dissolved again.
  • the rolling reduction of the cold rolling after the first aging treatment is preferably 10 to 50%, more preferably 15 to 40%.
  • the Ni content is 1.0 to 2.5% by mass, the ratio of the second phase particles having a particle size of 5 nm or more and less than 20 nm tends to be small if the rolling reduction is low. desirable.
  • the second phase particles precipitated in the first aging treatment are newly grown as much as possible without growing the second phase particles precipitated in the first aging treatment as much as possible. It is the purpose. If the second aging temperature is set high, the second phase particles already precipitated grow too much, and the number density distribution of the second phase particles intended by the present invention cannot be obtained. Therefore, it should be noted that the second aging treatment is performed at a low temperature. However, new second phase particles do not precipitate even if the temperature of the second aging treatment is too low. Therefore, the second aging treatment is preferably performed in a temperature range of 300 ° C. to 400 ° C. for 3 to 36 hours, and more preferably in a temperature range of 300 ° C. to 350 ° C. for 9 to 30 hours.
  • the second aging In order to control the number density of second phase particles having a particle size of 5 nm or more and less than 10 nm as a ratio to the number density of second phase particles having a particle size of 10 nm or more and 50 nm or less to 3 to 6, the second aging is used.
  • the relationship between the processing time and the time of the first aging treatment is also important. Specifically, by setting the time of the second aging treatment to be three times or more of the time of the first aging treatment, a relatively large amount of the second phase particles having a particle size of 5 nm or more and less than 10 nm are precipitated.
  • the density ratio can be 3 or more.
  • the time of the second aging treatment is less than 3 times the time of the first aging treatment, the second phase particles having a particle size of 5 nm or more and less than 10 nm are relatively reduced, and the number density ratio is less than 3.
  • the time of the second aging treatment is very long compared to the time of the first aging treatment (eg, 10 times or more), the second phase particles having a particle size of 5 nm or more and less than 10 nm increase.
  • Second phase particles having a particle size of 10 nm or more and 50 nm or less are also increased by growth of precipitates precipitated by the first aging treatment and growth of precipitates precipitated by the second aging treatment. It tends to be less than 3. Therefore, the time of the second aging treatment is preferably 3 to 10 times the time of the first aging treatment, and more preferably 3 to 5 times.
  • the Cu—Ni—Si—Co alloy of the present invention can be processed into various copper products, such as plates, strips, tubes, bars and wires, and the Cu—Ni—Si—Co based copper according to the present invention.
  • the alloy can be used for electronic parts such as lead frames, connectors, pins, terminals, relays, switches, and foil materials for secondary batteries, and is particularly suitable for use as a spring material.
  • Example of the present invention (without addition of Ni) Copper alloys having respective component compositions shown in Table 1 were melted at 1300 ° C. in a high-frequency melting furnace and cast into an ingot having a thickness of 30 mm. Next, this ingot was heated at 1000 ° C. for 3 hours, then hot-rolled to a plate thickness of 10 mm at an ascending temperature (hot rolling end temperature) of 900 ° C., and rapidly cooled to room temperature after the hot rolling was completed. Next, the surface was chamfered to a thickness of 9 mm for removing the scale, and then a plate having a thickness of 0.15 mm was formed by cold rolling.
  • solution treatment was performed at each temperature and time, and after the solution treatment was completed, the solution was quickly cooled to room temperature.
  • a first aging treatment is performed at each temperature and time in an inert atmosphere, and cold rolling is performed at each reduction rate.
  • a second aging treatment is performed at each temperature and time in an inert atmosphere. Each test piece was manufactured.
  • the number density of the second phase particles and the alloy characteristics were measured for each test piece thus obtained as follows.
  • the particle size of the second phase particles was (major axis + minor axis) / 2.
  • the major axis is the length of the longest line segment that passes through the particle's center of gravity and has the intersections with the particle boundary line at both ends.
  • the minor axis is the particle's boundary line through the particle's center of gravity. The length of the shortest line segment among the line segments that have the intersections with.
  • the electrical conductivity (EC;% IACS) was determined by volume resistivity measurement using a double bridge.
  • the sag resistance is sandwiched between each test piece processed 1mm wide x 100mm long x 0.08mm thick, using a knife edge with a bending distance of 5mm and a stroke of 1mm.
  • the amount of permanent deformation (sagging) shown in Table 2 after 5 seconds of loading at room temperature was measured.
  • the initial sag resistance was evaluated by setting the number of times of loading by the knife edge as 1, and the repeated sag resistance was evaluated by setting the number of times of load by the knife edge as 10.
  • MBR minimum radius
  • t thickness
  • MBR / t can be generally evaluated as follows. MBR / t ⁇ 1.0 Excellent 1.0 ⁇ MBR / t ⁇ 2.0 Excellent 2.0 ⁇ MBR / t Insufficient
  • Table 2 shows the measurement results for each test piece.
  • Comparative example (without addition of Ni) Copper alloys having the respective component compositions shown in Table 3 were melted at 1300 ° C. in a high-frequency melting furnace and cast into an ingot having a thickness of 30 mm. Next, this ingot was heated at 1000 ° C. for 3 hours, then hot-rolled to a plate thickness of 10 mm at an ascending temperature (hot rolling end temperature) of 900 ° C., and rapidly cooled to room temperature after the hot rolling was completed. Next, the surface was chamfered to a thickness of 9 mm for removing the scale, and then a plate having a thickness of 0.15 mm was formed by cold rolling. Next, solution treatment was performed at each temperature and time, and after the solution treatment was completed, the solution was quickly cooled to room temperature. Next, a first aging treatment is performed at each temperature and time in an inert atmosphere, and cold rolling is performed at each reduction rate. Finally, a second aging treatment is performed at each temperature and time in an inert atmosphere. Each test piece was manufactured.
  • the temperature in the first aging is high and the second phase particles having a particle size of 5 nm or more and 50 nm or less are generally small, or the second phase particles having a particle size of 10 nm or more and 50 nm or less and the second phase having a particle size of 5 nm or more and less than 10 nm. Particle balance is bad. ⁇ No. 1-53, 1-63, 1-70, 1-74> While the temperature at the first aging was low, the temperature at the second aging was high, and the balance between the second phase particles having a particle size of 10 nm to 50 nm and the second phase particles having a particle size of 5 nm to less than 10 nm was deteriorated.
  • ⁇ No. 1-54, 1-64> The temperature in the second aging was high, and the ratio of the second phase particles having a particle size of 5 nm or more and less than 10 nm was reduced.
  • ⁇ No. 1-55, 1-65, 1-71, 1-75> Since the temperature in the first aging and the second aging was high, and the second phase particles were excessively developed as a whole, the second phase particles having a particle size of 5 nm to 50 nm specified in the present invention were generally insufficient. .
  • ⁇ No. 1-57, 1-67> The time in the first aging and the second aging was long, and the second phase particles having a particle size of 5 nm or more and less than 10 nm became insufficient. ⁇ No.
  • Example of the present invention (with addition of Ni) Copper alloys having respective component compositions shown in Table 5 were melted at 1300 ° C. in a high frequency melting furnace and cast into an ingot having a thickness of 30 mm. Next, this ingot was heated at 1000 ° C. for 3 hours, then hot-rolled to a plate thickness of 10 mm at an ascending temperature (hot rolling end temperature) of 900 ° C., and rapidly cooled to room temperature after the hot rolling was completed. Next, the surface was chamfered to a thickness of 9 mm for removing the scale, and then a plate having a thickness of 0.15 mm was formed by cold rolling.
  • solution treatment was performed at each temperature and time, and after the solution treatment was completed, the solution was quickly cooled to room temperature.
  • a first aging treatment is performed at each temperature and time in an inert atmosphere, and cold rolling is performed at each reduction rate.
  • a second aging treatment is performed at each temperature and time in an inert atmosphere. Each test piece was manufactured.
  • Comparative example (with addition of Ni) Copper alloys having the respective component compositions shown in Table 7 were melted at 1300 ° C. in a high-frequency melting furnace and cast into an ingot having a thickness of 30 mm. Next, this ingot was heated at 1000 ° C. for 3 hours, then hot-rolled to a plate thickness of 10 mm at an ascending temperature (hot rolling end temperature) of 900 ° C., and rapidly cooled to room temperature after the hot rolling was completed. Next, the surface was chamfered to a thickness of 9 mm for removing the scale, and then a plate having a thickness of 0.15 mm was formed by cold rolling. Next, solution treatment was performed at each temperature and time, and after the solution treatment was completed, the solution was quickly cooled to room temperature. Next, a first aging treatment is performed at each temperature and time in an inert atmosphere, and cold rolling is performed at each reduction rate. Finally, a second aging treatment is performed at each temperature and time in an inert atmosphere. Each test piece was manufactured.
  • the temperature in the first aging is high and the second phase particles having a particle size of 5 nm or more and 50 nm or less are generally small, or the second phase particles having a particle size of 10 nm or more and 50 nm or less and the second phase having a particle size of 5 nm or more and less than 10 nm. Particle balance is bad. ⁇ No. 2-60, 2-70, 2-77, 2-81> While the temperature at the first aging was low, the temperature at the second aging was high, and the balance between the second phase particles having a particle size of 10 nm to 50 nm and the second phase particles having a particle size of 5 nm to less than 10 nm was deteriorated.

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Abstract

 高次元で強度と導電率を達成するとともに、耐へたり性についても優れたCu-Co-Si系銅合金を提供する。Co:0.5~3.0質量%、Si:0.1~1.0質量%を含有し、残部がCu及び不可避不純物からなる電子材料用銅合金であって、母相中に析出した第二相粒子のうち、粒径が5nm以上50nm以下のものの個数密度が1×1012~1×1014個/mm3であり、粒径が5nm以上10nm未満のものの個数密度は、粒径が10nm以上50nm以下のものの個数密度に対する比で表して3~6である電子材料用銅合金。

Description

電子材料用Cu-Co-Si系銅合金及びその製造方法
 本発明は析出硬化型銅合金に関し、とりわけ各種電子部品に用いるのに好適なCu-Co-Si系銅合金に関する。
 コネクタ、スイッチ、リレー、ピン、端子、リードフレーム等の各種電子部品に使用される電子材料用銅合金には、基本特性として高強度及び高導電性(又は熱伝導性)を両立させることが要求される。近年、電子部品の高集積化及び小型化・薄肉化が急速に進み、これに対応して電子機器部品に使用される銅合金に対する要求レベルはますます高度化している。
 高強度及び高導電性の観点から、電子材料用銅合金として従来のりん青銅、黄銅等に代表される固溶強化型銅合金に替わり、析出硬化型の銅合金の使用量が増加している。析出硬化型銅合金では、溶体化処理された過飽和固溶体を時効処理することにより、微細な析出物が均一に分散して、合金の強度が高くなると同時に、銅中の固溶元素量が減少し電気伝導性が向上する。このため、強度、ばね性などの機械的性質に優れ、しかも電気伝導性、熱伝導性が良好な材料が得られる。
 析出硬化型銅合金のうち、コルソン系合金と一般に呼ばれるCu-Ni-Si系銅合金は比較的高い導電性、強度、及び曲げ加工性を兼備する代表的な銅合金であり、業界において現在活発に開発が行われている合金の一つである。この銅合金では、銅マトリックス中に微細なNi-Si系金属間化合物粒子を析出させることによって強度と導電率の向上が図れる。
 比較的高い導電性、強度、及び曲げ加工性を兼備する代表的な銅合金としてはコルソン系銅合金と一般に呼ばれるCu-Ni-Si系合金が従来知られている。この銅合金では、銅マトリックス中に微細なNi-Si系金属間化合物粒子を析出させることによって強度と導電率の向上が図れる。しかしながら、Cu-Ni-Si系では高強度を保持しながら60%IACS以上の導電率を達成することは難しいことから、Cu-Co-Si系合金が着目されている。Cu-Co-Si系合金は、コバルトシリサイド(Co2Si)の固溶量が少ないことから、Cu-Ni-Si系の銅合金よりも高導電化できるという利点がある。
 Cu-Co-Si系の銅合金の特性に大きく影響する工程として、溶体化処理、時効時処理、最終圧延加工度が挙げられ、その中でも時効条件はコバルトシリサイドの析出物の分布や大きさに大きく影響する工程の一つである。
 特許文献1(特開2008-56977号公報)には、銅合金の組成と共に、銅合金中に析出する介在物の大きさ及び総量に着目したCu-Co-Si系合金が記載されており、溶体化処理後に400℃以上600℃以下で2時間以上8時間以下加熱する時効処理を施すことが記載されている。これにより、該文献では、記銅合金中に析出する介在物の大きさが2μm以下とし、且つ前記銅合金における0.05μm以上2μm以下の大きさの介在物が0.5容積%以下に制御している。
 特許文献2(特開2009-242814号公報)には、Cu-Ni-Si系では実現し難い50%IACS以上の高い導電率を安定して実現できる析出型銅合金材としてCu-Co-Si系合金が例示されている。ここでは時効処理を400~800℃で5秒~20時間実施することが記載されている。また、結晶粒径を制御する観点から第二相分散状態を規定しており、結晶粒界上に存在する第二相粒子が104~108個/mm2の密度で存在することや、結晶粒内と結晶粒界上を含めた全第二相粒子の粒子径r(単位はμm)と粒子の体積分率fの比であるr/fの値が1~100であることが記載されている。
 特許文献3(WO2009-096546号)では、CoとSiの両方を含む析出物のサイズが5~50nmであることを特徴とするCu-Co-Si系合金が記載されている。溶体化再結晶熱処理後の時効処理は450~600℃×1~4時間で行うことが好ましいとの記載がある。
 特許文献4(WO2009-116649号)には、強度、導電率、及び曲げ加工性に優れたCu-Co-Si系合金が記載されている。当該文献の実施例には、時効処理を525℃×120分間で行い、室温から最高温度に到達するまでの昇温速度は3~25℃/分の範囲内にあり、降温に関しては300℃までは炉内で1~2℃/分の範囲で冷却をおこなったことが記載されている。
特開2008-56977号公報 特開2009-242814号公報 国際公開第2009/096546号パンフレット 国際公開第2009/116649号パンフレット
 このように、Cu-Co-Si系合金の特性改良が種々提案されているものの、未だ特性改善の余地がある。特に、ばね材料として使用するときに生じる永久変形である耐へたり性については、充分ではないという問題があった。WO2009-096546号には強度等に寄与する第二相粒子のサイズを制御することは記載されているが、実施例に記載されているのは10万倍の倍率での観察結果のみであり、このような倍率では10nm以下の微細な析出物のサイズを正確に測ることは困難である。また、WO2009-096546号には析出物のサイズが5~50nmであることが記載されているものの、発明例に記載の析出物の平均サイズはすべて10nm以上である。すなわち、コバルトシリサイドを代表とする第二相粒子の析出状態は未だ改善の余地が残されている。
 耐へたり性の改善はばね材としての信頼性向上に繋がることから、耐へたり性をも改善することができれば有利であろう。そこで、本発明は、高い強度、導電率及び好ましくは曲げ加工性を達成するとともに、耐へたり性についても優れたCu-Co-Si系銅合金を提供することを課題の一つとする。また、本発明はそのようなCu-Co-Si系合金の製造方法を提供することを別の課題の一つとする。
 本発明者は、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねたところ、Cu-Co-Si系合金の組織を観察すると、粒径が50nm以下程度の極めて微細な第二相粒子の分布状態を適切に制御することが重要であり、強度、導電率及び耐へたり性の向上に重要な影響を及ぼしていることを見出した。具体的には、5nm以上10nm未満の範囲の粒径をもつ第二相粒子は強度及び初期の耐へたり性の向上に寄与し、10nm以上50nm以下の範囲の粒径をもつ第二相粒子は繰り返し耐へたり性の向上に寄与することから、これらの個数密度及び割合を制御することで、強度及び耐へたり性をバランス良く向上できることを見出した。
 上記の知見を基礎として完成した本発明は一側面において、Co:0.5~3.0質量%、Si:0.1~1.0質量%を含有し、残部がCu及び不可避不純物からなる電子材料用銅合金であって、母相中に析出した第二相粒子のうち、粒径が5nm以上50nm以下のものの個数密度が1×1012~1×1014個/mm3であり、粒径が5nm以上10nm未満のものの個数密度は、粒径が10nm以上50nm以下のものの個数密度に対する比で表して3~6である電子材料用銅合金である。
 本発明に係る銅合金は一実施形態においては、粒径が5nm以上10nm未満の第二相粒子の個数密度が2×1012~7×1013であり、粒径が10nm以上50nm以下の第二相粒子の個数密度が3×1011~2×1013である。
 本発明に係る銅合金は別の一実施形態において、JIS H 3130に従って、BadwayのW曲げ試験を行ったときの、割れの発生しない最小半径(MBR)の板厚(t)に対する比であるMBR/t値が2.0以下である。
 本発明に係る銅合金は更に別の一実施形態において、更にNiを最大2.5質量%含有する。
 本発明に係る銅合金は更に別の一実施形態において、更にCrを最大0.5質量%含有する。
 本発明に係る銅合金は更に別の一実施形態において、更にMg、P、As、Sb、Be、B、Mn、Sn、Ti、Zr、Al、Fe、Zn及びAgよりなる群から選ばれる1種又は2種以上を総計で最大2.0質量%含有する。
 本発明は別の一側面において、
-上記何れかの組成をもつインゴットを溶解鋳造する工程1と、
-材料温度を950℃以上1050℃以下として1時間以上加熱後に熱間圧延を行う工程2と、
-随意的な冷間圧延工程3と、
-材料温度を850℃以上1050℃以下に加熱する溶体化処理を行う工程4と、
-材料温度を400℃以上600℃以下で1~12時間加熱する第一の時効処理工程5と、ただし、インゴットがNiを1.0~2.5質量%含有するときは材料温度400℃以上500℃以下とし、
-圧下率が10%以上である冷間圧延工程6と、
-材料温度を300℃以上400℃以下で3~36時間加熱し、当該加熱時間を第1の時効処理における加熱時間の3~10倍とする第二の時効処理工程7と、
を順に行なうことを含む電子材料用銅合金の製造方法である。
 本発明に係る銅合金の製造方法は一実施形態において、冷間圧延工程6における圧下率が10~50%である。
 本発明は更に別の一側面において、本発明に係る銅合金からなる伸銅品である。
 本発明は更に別の一側面において、本発明に係る銅合金を備えた電子部品である。
 本発明によって、強度、導電率、及び耐へたり性のバランスが向上したCu-Co-Si系銅合金を得ることができ、好ましい態様においては更に曲げ加工性にも優れたCu-Co-Si系銅合金を得ることができる。
耐へたり性試験の説明図である。
Co及びSiの添加量
 本発明に係るCu-Co-Si系合金は一実施形態において、Coを0.5~3.0質量%、及び、Siを0.1~1.0質量%含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる組成を有する。
 Co及びSiは、適当な熱処理を施すことにより金属間化合物を形成し、導電率を劣化させずに高強度化が図れる。
 Co及びSiの添加量がそれぞれCo:0.5質量%未満、Si:0.1質量%未満では所望の強度が得られず、逆に、Co:3.0質量%超、Si:1.0質量%超では高強度化は図れるが導電率が著しく低下し、更には熱間加工性が劣化する。よってCo及びSiの添加量はCo:0.5~3.0質量%、Si:0.1~1.0質量%とした。Co及びSiの添加量は好ましくは、Co:0.5~2.0質量%、Si:0.1~0.5質量%である。
Niの添加量
 NiはCoと同様にSiと金属間化合物を形成することができ、Coほどではないが導電率を劣化させずに高強度化が図れる。従って、本発明に係るCu-Co-Si系合金には、Niを添加してもよい。ただし、その量が多すぎるとCoの過剰添加と同様に導電率の低下が著しくなる。従って、Niの添加量は2.5質量%以下とするべきであり、好ましくは2.2質量%以下であり、より好ましくは2.0質量%以下である。
 Niを添加しない場合は、Co及びSiの質量比(Co/Si)について、強度の向上につながる第二相粒子であるコバルトシリサイドの組成は、Co2Siであり、質量比では4.2が最も効率よく特性を向上し得る。Co及びSiの質量比がこの値から遠くなり過ぎると何れかの元素が過剰に存在することになるが、過剰元素は強度向上に結びつかない他、導電率の低下につながるため、不適切である。そこで、Co及びSiの質量%比を3.5≦Co/Si≦5.5とすることが好ましく、4≦Co/Si≦5とするのがより好ましい。一方、Niを添加する場合は、同様の理由により、(Co+Ni)及びSiの質量%比を3.5≦[Ni+Co]/Si≦5.5とすることが好ましく、4≦[Ni+Co]/Si≦5とするのが好ましい。
Crの添加量
 Crは溶解鋳造時の冷却過程において結晶粒界に優先析出するため粒界を強化でき、熱間加工時の割れが発生しにくくなり、歩留低下を抑制できる。すなわち、溶解鋳造時に粒界析出したCrは溶体化処理などで再固溶するが、続く時効析出時にCrを主成分としたbcc構造の析出粒子またはSiとの化合物を生成する。通常のCu-Ni-Si系合金では添加したSi量のうち、時効析出に寄与しなかったSiは母相に固溶したまま導電率の上昇を抑制するが、珪化物形成元素であるCrを添加して、珪化物をさらに析出させることにより、固溶Si量を低減でき、強度を損なわずに導電率を上昇できる。しかしながら、Cr濃度が0.5質量%を超えると粗大な第二相粒子を形成しやすくなるため、製品特性を損なう。従って、本発明に係るCu-Co-Si系合金には、Crを最大で0.5質量%添加することができる。但し、0.03質量%未満ではその効果が小さいので、好ましくは0.03~0.5質量%、より好ましくは0.09~0.3質量%添加するのがよい。
Mg、Mn、Ag及びPの添加量
 Mg、Mn、Ag及びPは、微量の添加で、導電率を損なわずに強度、応力緩和特性等の製品特性を改善する。添加の効果は主に母相への固溶により発揮されるが、第二相粒子に含有されることで一層の効果を発揮させることもできる。しかしながら、Mg、Mn、Ag及びPの濃度の総計が2.0質量%を超えると特性改善効果が飽和するうえ、製造性を損なう。従って、本発明に係るCu-Co-Si系合金には、Mg、Mn、Ag及びPから選択される1種又は2種以上を総計で最大2.0質量%添加するのが好ましい。但し、0.01質量%未満ではその効果が小さいので、より好ましくは総計で0.01~2.0質量%、更により好ましくは総計で0.02~0.5質量%、典型的には総計で0.04~0.2質量%添加する。
Sn及びZnの添加量
 Sn及びZnにおいても、微量の添加で、導電率を損なわずに強度、応力緩和特性、めっき性等の製品特性を改善する。添加の効果は主に母相への固溶により発揮される。しかしながら、Sn及びZnの総計が2.0質量%を超えると特性改善効果が飽和するうえ、製造性を損なう。従って、本発明に係るCu-Co-Si系合金には、Sn及びZnから選択される1種又は2種を総計で最大2.0質量%添加することができる。但し、0.05質量%未満ではその効果が小さいので、好ましくは総計で0.05~2.0質量%、より好ましくは総計で0.5~1.0質量%添加するのがよい。
As、Sb、Be、B、Ti、Zr、Al及びFeの添加量
 As、Sb、Be、B、Ti、Zr、Al及びFeにおいても、要求される製品特性に応じて、添加量を調整することで、導電率、強度、応力緩和特性、めっき性等の製品特性を改善する。添加の効果は主に母相への固溶により発揮されるが、第二相粒子に含有され、若しくは新たな組成の第二相粒子を形成することで一層の効果を発揮させることもできる。しかしながら、これらの元素の総計が2.0質量%を超えると特性改善効果が飽和するうえ、製造性を損なう。従って、本発明に係るCu-Co-Si系合金には、As、Sb、Be、B、Ti、Zr、Al及びFeから選択される1種又は2種以上を総計で最大2.0質量%添加することができる。但し、0.001質量%未満ではその効果が小さいので、好ましくは総計で0.001~2.0質量%、より好ましくは総計で0.05~1.0質量%添加する。
 上記したMg、P、As、Sb、Be、B、Mn、Sn、Ti、Zr、Al、Fe、Zn及びAgの添加量が合計で2.0質量%を超えると製造性を損ないやすいので、好ましくはこれらの合計は2.0質量%以下とし、より好ましくは1.5質量%以下とし、更により好ましくは1.0質量%以下とする。
第二相粒子の分布条件
 本発明において、第二相粒子とは主にシリサイドを指すが、これに限られるものではなく、溶解鋳造の凝固過程に生ずる晶出物及びその後の冷却過程で生ずる析出物、熱間圧延後の冷却過程で生ずる析出物、溶体化処理後の冷却過程で生ずる析出物、及び時効処理過程で生ずる析出物のことを言う。
 一般的なコルソン合金では適切な時効処理を施すことにより金属間化合物を主体とするナノメートルオーダー(一般には0.1μm未満)の微細な第二相粒子が析出し、導電率を劣化させずに高強度化が図れることが知られている。しかしながら、このように微細な第二相粒子の中でも強度に寄与しやすい粒径範囲と耐へたり性に寄与しやすい粒径範囲とがあり、これらの析出状態を適正に制御することによって更に強度と耐へたり性をバランス良く向上させることができることは知られていなかった。
 本発明者は、粒径が50nm以下程度の極めて微細な第二相粒子の個数密度が強度、導電率及び耐へたり性の向上に重要な影響を及ぼしていることを見出した。そして、その中でも5nm以上10nm未満の範囲の粒径をもつ第二相粒子は強度及び初期の耐へたり性の向上に寄与し、10nm以上50nm以下の範囲の粒径をもつ第二相粒子は繰り返しの耐へたり性の向上に寄与することから、これらの個数密度及び割合を制御することで、強度及び耐へたり性をバランス良く向上できることを見出した。
 具体的には、まず、粒径が5nm以上50nm以下の第二相粒子の個数密度を1×1012~1×1014個/mm3、好ましくは5×1012~5×1013個/mm3に制御することが重要である。当該第二相粒子の個数密度が1×1012/mm3未満であると、析出強化による利益がほとんど得られないことから、所望の強度と導電率を得ることが出来ず、耐へたり性も悪くなる。一方、当該第二相粒子の個数密度は実現可能なレベルでは高くすればするほど特性が向上すると考えられるが、個数密度を上げようとするとして第二相粒子の析出を促進させると第二相粒子が粗大化しやすくなり、1×1014/mm3を超える個数密度を作製するのは困難である。
 また、強度と耐へたり性をバランス良く向上させるためには、強度向上に寄与しやすい粒径が5nm以上10nm未満の第二相粒子の個数密度と、耐へたり性向上に寄与しやすい粒径が10nm以上50nm以下の第二相粒子の個数密度の比率を制御する必要がある。具体的には、粒径が5nm以上10nm未満の第二相粒子の個数密度が、粒径が10nm以上50nm以下の第二相粒子の個数密度に対する比で表して3~6に制御する。当該比が3より低いと、強度に寄与する第二相粒子の比率が小さくなり過ぎ、強度と耐へたり性のバランスが悪くなるため、強度が低下し、更に初期の耐へたり性も悪くなる。一方、当該比が6より大きいと、耐へたり性に寄与する第二相粒子の比率が小さくなり過ぎ、やはり強度と耐へたり性のバランスが悪くなるため、今度は繰り返しの耐へたり性が悪くなる。
 好ましい一実施形態においては、粒径が5nm以上10nm未満の第二相粒子の個数密度が2×1012~7×1013個/mm3であり、粒径が10nm以上50nm以下の第二相粒子の個数密度が3×1011~2×1013個/mm3である。
 また、強度は粒径が50nmを超える第二相粒子の個数密度によっても左右されるが、粒径が5nm以上50nm以下の第二相粒子の個数密度を上記のように制御することで、粒径が50nmを超える第二相粒子の個数密度は自然と適切な範囲に落ち着く。
 本発明に係る銅合金は好ましい一実施形態において、JIS H 3130に従って、BadwayのW曲げ試験を行ったときの、割れの発生しない最小半径(MBR)の板厚(t)に対する比であるMBR/t値が2.0以下である。MBR/t値は典型的には1.0~2.0の範囲とすることができる。
製造方法
 コルソン系銅合金の一般的な製造プロセスでは、まず大気溶解炉を用い、電気銅、Ni、Si、Co等の原料を溶解し、所望の組成の溶湯を得る。そして、この溶湯をインゴットに鋳造する。その後、熱間圧延を行い、冷間圧延と熱処理を繰り返して、所望の厚み及び特性を有する条や箔に仕上げる。熱処理には溶体化処理と時効処理がある。溶体化処理では、約700~約1000℃の高温で加熱して、第二相粒子をCu母地中に固溶させ、同時にCu母地を再結晶させる。溶体化処理を、熱間圧延で兼ねることもある。時効処理では、約350~約550℃の温度範囲で1時間以上加熱し、溶体化処理で固溶させた第二相粒子をナノメートルオーダーの微細粒子として析出させる。この時効処理で強度と導電率が上昇する。より高い強度を得るために、時効前及び/又は時効後に冷間圧延を行なうことがある。また、時効後に冷間圧延を行なう場合には、冷間圧延後に歪取焼鈍(低温焼鈍)を行なうことがある。
 上記各工程の合間には適宜、表面の酸化スケール除去のための研削、研磨、ショットブラスト酸洗等が適宜行なわれる。
 本発明に係る銅合金においても基本的には上記の製造プロセスを経るが、最終的に得られる銅合金において、第二相粒子の分布形態を本発明で規定するような範囲とするためには、熱間圧延、溶体化処理および時効処理条件を厳密に制御して行なうことが重要である。従来のCu-Ni-Si系コルソン合金とは異なり、本発明のCu-Co-Si系合金は、時効析出硬化のための必須成分として第二相粒子が粗大化しやすいCo(場合によっては更にCr)を積極的に添加しているためである。これは、添加したCoがNiやSiと共に形成する第二相粒子の生成及び成長速度が、熱処理の際の保持温度と冷却速度に敏感であるという理由による。
 まず、鋳造時の凝固過程では粗大な晶出物が、その冷却過程では粗大な析出物が不可避的に生成するため、その後の工程においてこれらの第二相粒子を母相中に固溶する必要がある。950℃~1050℃で1時間以上保持後に熱間圧延を行い、熱間圧延終了時の温度を850℃以上とすればCo、更にCrを添加した場合であっても母相中に固溶することができる。950℃以上という温度条件は他のコルソン系合金の場合に比較して高い温度設定である。熱間圧延前の保持温度が950℃未満では固溶が不十分であり、1050℃を超えると材料が溶解する可能性がある。また、熱間圧延終了時の温度が850℃未満では固溶した元素が再び析出するため、高い強度を得ることが困難となる。よって高強度を得るためには850℃で熱間圧延を終了し、急冷することが望ましい。急冷は水冷により達成可能である。
 溶体化処理では、溶解鋳造時の晶出粒子や、熱延後の析出粒子を固溶させ、溶体化処理以降の時効硬化能を高めることが目的である。このとき、第二相粒子の個数密度を制御するには、溶体化処理時の保持温度と時間が重要となる。保持時間が一定の場合には、保持温度を高くすると、溶解鋳造時の晶出粒子や、熱延後の析出粒子を固溶させることが可能となり、面積率を低減することが可能となる。具体的には、溶体化処理温度が850℃未満だと固溶が不十分であり、所望の強度を得ることが出来ない一方で、溶体化処理温度が1050℃超だと材料が溶解する可能性がある。従って、材料温度を850℃以上1050℃以下に加熱する溶体化処理を行うのが好ましく、900℃以上1020℃以下に加熱する溶体化処理を行うのがより好ましい。溶体化処理の時間は60秒~1時間とするのが好ましい。溶体化処理後の冷却速度は固溶した第二相粒子の析出を防止するために急冷するのが好ましい。
 本発明に係るCu-Co-Si系合金を製造する上では、溶体化処理後に軽度の時効処理を2段階に分けて行ない、2回の時効処理の間に冷間圧延を行うことが有効である。これにより、析出物の粗大化が抑制され、本発明で規定するような第二相粒子の分布状態を得ることができる。
 まず、第1の時効処理では析出物の微細化に有用であるとして慣用的に行われている条件よりも若干低い温度を選択し、微細な第二相粒子の析出を促しながら、溶体化処理で析出した可能性のある析出物の粗大化を防止する。第1の時効処理を400℃未満にすると、繰り返し耐へたり性を向上する10nm~50nmの大きさの第二相粒子の密度が低くなりやすい一方で、1回目の時効を500℃超にすると、過時効条件になり、強度及び初期耐へたり性に寄与する5nm~10nmの大きさの第二相粒子の密度が低くなりやすい。よって、第1の時効処理は400℃以上600℃以下の温度範囲で1~12時間とするのが好ましい。ただし、合金中のNiの含有量によって時効処理の好適な温度は変化してくる。Cu-Co-Si系合金とCu-Co-Ni-Si系合金では、第2相粒子の析出のしかたが異なり、Cu-Co-Siの最も強度が高くなる温度は、Cu-Co-Ni-Siよりも高温側にシフトするからである。具体的には、Niの含有量が1.0~2.5質量%の場合は材料温度400℃以上500℃以下として3~9時間加熱するのが好ましく、Niの含有量が1.0質量%未満のときは450℃以上550℃以下として3~9時間加熱するのが好ましい。
 第1の時効処理後には冷間圧延を行う。この冷間圧延では第1の時効処理での不十分な時効硬化を加工硬化により補うことができる。このときの圧下率は、10%未満だと析出サイトとなる歪が少ないため、2回目の時効で析出する第二相粒子が均一に析出しにくい。冷間圧延の圧下率が50%を超えると曲げ加工性が悪くなりやすい。また、1回目に時効で析出した第二相粒子が再固溶してしまう。第1の時効処理後の冷間圧延の圧下率は10~50%とするのが好ましく、15~40%とするのがより好ましい。ただし、Niの含有量が1.0~2.5質量%のときは圧下率が低いと粒径5nm以上20nm未満の第二相粒子の比率が小さくなりやすいため、30%以上とするのが望ましい。
 第2の時効処理では、第1の時効処理で析出した第二相粒子を極力成長させずに、第1の時効処理で析出した第二相粒子よりも微細な第二相粒子を新たに析出させることが目的である。第2の時効温度を高く設定すると、すでに析出している第二相粒子が成長し過ぎてしまい、本発明が意図する第二相粒子の個数密度分布が得られなくなる。よって第2の時効処理は低温で行うことに留意する。但し、第2の時効処理の温度が低すぎても新たな第二相粒子が析出しない。よって、第2の時効処理は300℃以上400℃以下の温度範囲で3~36時間とするのが好ましく、300℃以上350℃以下の温度範囲で9~30時間とするのがより好ましい。
 粒径が5nm以上10nm未満の第二相粒子の個数密度を、粒径が10nm以上50nm以下の第二相粒子の個数密度に対する比で表して3~6に制御する上では、第2の時効処理の時間と第1の時効処理の時間の関係も重要となる。具体的には第2の時効処理の時間を第1の時効処理の時間の3倍以上とすることで、粒径が5nm以上10nm未満の第二相粒子が相対的に多く析出し、上記個数密度比を3以上にすることができる。第2の時効処理の時間が第1の時効処理の時間の3倍未満であると、粒径が5nm以上10nm未満の第二相粒子が相対的に少なくなり、上記個数密度比が3未満となりやすい。
 しかし、第2の時効処理の時間が第1の時効処理の時間に比べて非常に長い場合(例:10倍以上)には、粒径が5nm以上10nm未満の第二相粒子は増加するものの、1回目の時効処理で析出した析出物の成長及び2回目の時効処理で析出した析出物の成長により粒径が10nm以上50nm以下の第二相粒子も増加するため、上記個数密度比はやはり3未満となりやすい。
 よって、第2の時効処理の時間を第1の時効処理の時間の3~10倍とするのが好ましく、3~5倍とするのがより好ましい。
 本発明のCu-Ni-Si-Co系合金は種々の伸銅品、例えば板、条、管、棒及び線に加工することができ、更に、本発明によるCu-Ni-Si-Co系銅合金は、リードフレーム、コネクタ、ピン、端子、リレー、スイッチ、二次電池用箔材等の電子部品に使用でき、特にばね材としての使用に好適である。
 以下に本発明の実施例を比較例と共に示すが、これらの実施例は本発明及びその利点をよりよく理解するために提供するものであり、発明が限定されることを意図するものではない。
1.本発明の実施例(Niの添加無し)
 表1に記載の各成分組成の銅合金を、高周波溶解炉で1300℃で溶製し、厚さ30mmのインゴットに鋳造した。次いで、このインゴットを1000℃で3時間加熱後、上り温度(熱間圧延終了温度)を900℃として板厚10mmまで熱間圧延し、熱間圧延終了後は速やかに室温まで水冷した。次いで、表面のスケール除去のため厚さ9mmまで面削を施した後、冷間圧延により厚さ0.15mmの板とした。次に各温度及び時間で溶体化処理を行い、溶体化処理終了後は速やかに室温まで水冷した。次いで、不活性雰囲気中、各温度及び時間で第一の時効処理を施し、各圧下率で冷間圧延し、最後に、不活性雰囲気中、各温度及び時間で第二の時効処理をして、各試験片を製造した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 このようにして得られた各試験片につき、第二相粒子の個数密度、合金特性を以下のようにして測定した。
 各試験片を0.1~0.2μm程度の厚みに薄膜研磨した後、透過型顕微鏡(HITACHI-H-9000)で100,000倍の写真を任意に5視野観察(入射方位は任意の方位)して、その写真上で第二相粒子のそれぞれの粒径を測定した。第二相粒子の粒径は、(長径+短径)/2とした。長径とは、粒子の重心を通り、粒子の境界線との交点を両端にもつ線分のうち、もっとも長い線分の長さを指し、短径とは粒子の重心を通り、粒子の境界線との交点を両端にもつ線分のうち、もっとも短い線分の長さを指す。粒径の測定後、各粒径範囲の個数を単位体積あたりに換算し、各粒径範囲の個数密度を求めた。
 強度については圧延平行方向の引っ張り試験を行って0.2%耐力(YS:MPa)を測定した。
 導電率(EC;%IACS)についてはダブルブリッジによる体積抵抗率測定により求めた。
 耐へたり性は、図1の様に幅1mm×長さ100mm×厚み0.08mmに加工した各試験片にバイスで挟み、標点距離=5mmでストローク=1mmの曲げ応力をナイフエッジを使って室温で5秒負荷した後の表2に示す永久変形量(へたり)を測定した。初期の耐へたり性はナイフエッジによる負荷の回数を1回とし、繰り返し耐へたり性はナイフエッジによる負荷の回数を10回として評価した。
 曲げ加工性の評価は、JIS H 3130に従って、Badway(曲げ軸が圧延方向と同一方向)のW曲げ試験を行って割れの発生しない最小半径(MBR)の板厚(t)に対する比であるMBR/t値を測定した。MBR/tは概ね以下のように評価することができる。
 MBR/t≦1.0      大変優れている
 1.0<MBR/t≦2.0  優れている
 2.0<MBR/t      不充分である
 各試験片の測定結果を表2に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
2.比較例(Niの添加無し)
 表3に記載の各成分組成の銅合金を、高周波溶解炉で1300℃で溶製し、厚さ30mmのインゴットに鋳造した。次いで、このインゴットを1000℃で3時間加熱後、上り温度(熱間圧延終了温度)を900℃として板厚10mmまで熱間圧延し、熱間圧延終了後は速やかに室温まで水冷した。次いで、表面のスケール除去のため厚さ9mmまで面削を施した後、冷間圧延により厚さ0.15mmの板とした。次に各温度及び時間で溶体化処理を行い、溶体化処理終了後は速やかに室温まで水冷した。次いで、不活性雰囲気中、各温度及び時間で第一の時効処理を施し、各圧下率で冷間圧延し、最後に、不活性雰囲気中、各温度及び時間で第二の時効処理をして、各試験片を製造した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 このようにして得られた各試験片につき、本発明の実施例と同様に、第二相粒子の個数密度、合金特性を測定した。測定結果を表4に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
3.考察
<No.1-1~1-47>
 第二相粒子の個数密度が適切であったため、強度、導電率、耐へたり性及び曲げ加工性が共に優れていた。
<No.1-48、1-58、1-68、1-72>
 第1時効及び第2時効における温度が低く、粒径5nm以上50nm以下の第二相粒子が全体的に不十分となった。
<No.1-49、1-59>
 第2時効における温度が低く、粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子の比率が小さくなった。
<No.1-50、1-60、1-69、1-73>
 第1時効における温度が高い一方で、第2時効における温度が低く、粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子の比率が小さくなった。
<No.1-51、1-61>
 第1時効における温度が低く、粒径5nm以上50nm以下の第二相粒子が全体的に不十分となった。
<No.1-52、1-56、1-62、1-66>
 第1時効における温度が高く、粒径5nm以上50nm以下の第二相粒子が全体的に少ないか、又は、粒径10nm以上50nm以下の第二相粒子と粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子のバランスが悪い。
<No.1-53、1-63、1-70、1-74>
 第1時効における温度が低い一方で、第2時効における温度が高く、粒径10nm以上50nm以下の第二相粒子と粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子のバランスが悪くなった。
<No.1-54、1-64>
 第2時効における温度が高く、粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子の比率が小さくなった。
<No.1-55、1-65、1-71、1-75>
 第1時効及び第2時効における温度が高く、第二相粒子が全体的に発達しすぎたため、本発明で規定する粒径5nm以上50nm以下の第二相粒子は全体的に不十分となった。
<No.1-57、1-67>
 第1時効及び第2時効における時間が長く、粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子が不十分となった。
<No.1-76、1-77>
 第1時効と第2時効の間の冷間圧延の圧下率が低く、第2時効の効果が薄れ、粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子の比率が小さくなった。
<No.1-78、1-79>
 No.1-78及び1-79は発明例ではあるが、第1時効と第2時効の間の冷間圧延の圧下率が高く、第2時効の効果が高くなり、曲げ加工性が低下した。
<No.1-80、1-81>
 第2時効を省略したため、粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子の比率が小さくなった。
<No.1-82>
 第1時効に比べて第2時効の時効時間が短かったため、粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子の比率が小さくなった。
<No.1-83>
 第1時効に比べて第2時効の時効時間が長すぎたため、粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子の比率が小さくなった。
4.本発明の実施例(Niの添加有り)
 表5に記載の各成分組成の銅合金を、高周波溶解炉で1300℃で溶製し、厚さ30mmのインゴットに鋳造した。次いで、このインゴットを1000℃で3時間加熱後、上り温度(熱間圧延終了温度)を900℃として板厚10mmまで熱間圧延し、熱間圧延終了後は速やかに室温まで水冷した。次いで、表面のスケール除去のため厚さ9mmまで面削を施した後、冷間圧延により厚さ0.15mmの板とした。次に各温度及び時間で溶体化処理を行い、溶体化処理終了後は速やかに室温まで水冷した。次いで、不活性雰囲気中、各温度及び時間で第一の時効処理を施し、各圧下率で冷間圧延し、最後に、不活性雰囲気中、各温度及び時間で第二の時効処理をして、各試験片を製造した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
 このようにして得られた各試験片につき、先と同様に、第二相粒子の個数密度、合金特性を測定した。測定結果を表6に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
5.比較例(Niの添加有り)
 表7に記載の各成分組成の銅合金を、高周波溶解炉で1300℃で溶製し、厚さ30mmのインゴットに鋳造した。次いで、このインゴットを1000℃で3時間加熱後、上り温度(熱間圧延終了温度)を900℃として板厚10mmまで熱間圧延し、熱間圧延終了後は速やかに室温まで水冷した。次いで、表面のスケール除去のため厚さ9mmまで面削を施した後、冷間圧延により厚さ0.15mmの板とした。次に各温度及び時間で溶体化処理を行い、溶体化処理終了後は速やかに室温まで水冷した。次いで、不活性雰囲気中、各温度及び時間で第一の時効処理を施し、各圧下率で冷間圧延し、最後に、不活性雰囲気中、各温度及び時間で第二の時効処理をして、各試験片を製造した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
 このようにして得られた各試験片につき、先と同様に、第二相粒子の個数密度、合金特性を測定した。測定結果を表8に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
6.考察
<No.2-1~2-54>
 第二相粒子の個数密度が適切であったため、強度、導電率、耐へたり性及び曲げ加工性が共に優れていた。
<No.2-55、2-65、2-75、2-79>
 第1時効及び第2時効における温度が低く、粒径5nm以上50nm以下の第二相粒子が全体的に不十分となった。
<No.2-56、2-66>
 第2時効における温度が低く、粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子の比率が小さくなった。
<No.2-57、2-67、2-76、2-80>
 第1時効における温度が高い一方で、第2時効における温度が低く、粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子の比率が小さくなった。
<No.2-58、2-68>
 第1時効における温度が低く、粒径5nm以上50nm以下の第二相粒子が全体的に不十分となった。
<No.2-59、2-63、2-69、2-73>
 第1時効における温度が高く、粒径5nm以上50nm以下の第二相粒子が全体的に少ないか、又は、粒径10nm以上50nm以下の第二相粒子と粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子のバランスが悪い。
<No.2-60、2-70、2-77、2-81>
 第1時効における温度が低い一方で、第2時効における温度が高く、粒径10nm以上50nm以下の第二相粒子と粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子のバランスが悪くなった。
<No.2-61、2-71>
 第2時効における温度が高く、粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子の比率が小さくなった。
<No.2-62、2-72、2-78、2-82>
 第1時効及び第2時効における温度が高く、第二相粒子が全体的に発達しすぎたため、本発明で規定する粒径5nm以上50nm以下の第二相粒子は全体的に不十分となった。
<No.2-64、2-74>
 第1時効及び第2時効における時間が長く、粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子が不十分となった。
<No.2-83、2-84>
 第1時効と第2時効の間の冷間圧延の圧下率が低く、第2時効の効果が薄れ、粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子の比率が小さくなった。
<No.2-85、2-86>
 No.2-85及び2-86は発明例ではあるが、第1時効と第2時効の間の冷間圧延の圧下率が高く、第2時効の効果が高くなり、曲げ加工性が低下した。
<No.2-87、2-88>
 第1時効における温度が高く、粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子の比率が小さくなった。
<No.2-89、2-90>
 第2時効を省略したため、粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子の比率が小さくなった。
<No.2-91>
 第1時効に比べて第2時効の時効時間が短かったため、粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子の比率が小さくなった。
<No.2-92>
 第1時効に比べて第2時効の時効時間が長すぎたため、粒径5nm以上10nm未満の第二相粒子の比率が小さくなった。
11   試験片
12   ナイフエッジ
13   標点距離
14   バイス
15   ストローク
16   へたり

Claims (10)

  1.  Co:0.5~3.0質量%、Si:0.1~1.0質量%を含有し、残部がCu及び不可避不純物からなる電子材料用銅合金であって、母相中に析出した第二相粒子のうち、粒径が5nm以上50nm以下のものの個数密度が1×1012~1×1014個/mm3であり、粒径が5nm以上10nm未満のものの個数密度は、粒径が10nm以上50nm以下のものの個数密度に対する比で表して3~6である電子材料用銅合金。
  2.  粒径が5nm以上10nm未満の第二相粒子の個数密度が2×1012~7×1013であり、粒径が10nm以上50nm以下の第二相粒子の個数密度が3×1011~2×1013である請求項1記載の電子材料用銅合金。
  3.  JIS H 3130に従って、BadwayのW曲げ試験を行ったときの、割れの発生しない最小半径(MBR)の板厚(t)に対する比であるMBR/t値が2.0以下である請求項1又は2記載の電子材料用銅合金。
  4.  更にNiを最大2.5質量%含有する請求項1~3何れか一項記載の電子材料用銅合金。
  5.  更にCrを最大0.5質量%含有する請求項1~4何れか一項記載の電子材料用銅合金。
  6.  更にMg、P、As、Sb、Be、B、Mn、Sn、Ti、Zr、Al、Fe、Zn及びAgよりなる群から選ばれる1種又は2種以上を総計で最大2.0質量%含有する請求項1~5何れか一項記載の電子材料用銅合金。
  7. -請求項1、4~6何れか一項に記載の組成をもつインゴットを溶解鋳造する工程1と、
    -材料温度を950℃以上1050℃以下として1時間以上加熱後に熱間圧延を行う工程2と、
    -随意的な冷間圧延工程3と、
    -材料温度を850℃以上1050℃以下に加熱する溶体化処理を行う工程4と、
    -材料温度を400℃以上600℃以下で1~12時間加熱する第一の時効処理工程5と、ただし、インゴットがNiを1.0~2.5質量%含有するときは材料温度400℃以上500℃以下とし、
    -圧下率が10%以上である冷間圧延工程6と、
    -材料温度を300℃以上400℃以下で3~36時間加熱し、当該加熱時間を第1の時効処理における加熱時間の3~10倍とする第二の時効処理工程7と、
    を順に行なうことを含む電子材料用銅合金の製造方法。
  8.  冷間圧延工程6における圧下率が10~50%である請求項7に記載の電子材料用銅合金の製造方法。
  9.  請求項1~6何れか一項記載の電子材料用銅合金からなる伸銅品。
  10.  請求項1~6何れか一項記載の電子材料用銅合金を備えた電子部品。
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