JP6140555B2 - Ｃｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系銅合金条 - Google Patents

Description

本発明は銅合金条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条、及び該銅合金条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大電流用コネクタや端子等の大電流用電子部品の用途、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条及び該銅合金条を用いた電子部品に関するものである。

電機・電子機器、自動車等には、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、放熱板等の電気又は熱を伝えるための部品が組み込まれており、これら部品には銅合金が用いられている。ここで、電気伝導性と熱伝導性は比例関係にある。

近年、電子部品の小型化に伴い、通電部における銅合金の断面積が小さくなる傾向にある。断面積が小さくなると、通電した際の銅合金からの発熱が増大する。また、成長著しい電気自動車やハイブリッド電気自動車で用いられる電子部品には、バッテリー部のコネクタ等の著しく高い電流が流される部品があり、通電時の銅合金の発熱が問題になっている。発熱が過大になると、銅合金は高温環境に晒されることになる。

コネクタ等の電子部品の電気接点では、銅合金条にたわみが与えられ、このたわみで発生する応力により、接点での接触力を得ている。たわみを与えた銅合金条を高温下に長時間保持すると、応力緩和現象により、応力すなわち接触力が低下し、接触電気抵抗の増大を招く。この問題に対処するため銅合金条には、発熱量が減ずるよう導電性により優れることが求められ、また発熱しても接触力が低下しないよう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（放熱板）が用いられている。このような放熱用途の銅合金条においても、応力緩和特性を高めると、外力による放熱板のクリープ変形が抑制され、放熱板周りに配置される液晶部品、ＩＣチップ等に対する保護性が改善される等の効果を期待できる。このため、放熱用途の銅合金条においても、応力緩和特性に優れることが望まれている。

ＣｕにＺｒやＴｉを添加すると応力緩和特性が向上することが知られていている（例えば、特許文献１参照）。導電率が高く比較的高い強度と良好な応力緩和特性を有する材料としては、例えばＣ１５１００（０．１質量％Ｚｒ−残Ｃｕ）、Ｃ１５１５０（０．０２質量％Ｚｒ−残Ｃｕ）、Ｃ１８１４０（０．１質量％Ｚｒ−０．３質量％Ｃｒ−０．０２質量％Ｓｉ−残Ｃｕ）、Ｃ１８１４５（０．１質量％Ｚｒ−０．２質量％Ｃｒ−０．２質量％Ｚｎ−残Ｃｕ）、Ｃ１８０７０（０．１質量％Ｔｉ−０．３質量％Ｃｒ−０．０２質量％Ｓｉ−残Ｃｕ）、Ｃ１８０８０（０．０６質量％Ｔｉ−０．５質量％Ｃｒ−０．１質量％Ａｇ−０．０８質量％Ｆｅ−０．０６質量％Ｓｉ−残Ｃｕ）等の合金が、ＣＤＡ（Ｃｏｐｐｅｒ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）に登録されている。

これらＣｕにＺｒまたはＴｉを添加した銅合金（以下、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系合金と記す）の特性は、引張強さ：３５０ＭＰａ以上、導電率：７０％ＩＡＣＳ以上、応力緩和率（１５０℃で１０００時間保持後）：３５％以下として特徴づけられる。

特開２０１１−１１７０５５号公報

しかしながら、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系合金は、導電性、強度および応力緩和特性に優れるものの、絞りや張り出しといった成形加工の際にクラックや形状不良が生じ易く、電子機器のコネクタや放熱板等にＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系合金を適用する場合の加工設計が困難になっていた。

そこで、本発明は、優れた導電性、強度、応力緩和特性及び成形加工性を兼ね備えたＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系合金条を提供すること、並びに該銅合金条を用いて製造される大電流用途又は放熱用途に好適な電子部品を提供することを目的とする。

本発明者は鋭意検討を重ねた結果、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系合金条について、そのランクフォード値を調整することにより、高導電性、高強度および優れた応力緩和特性を有するＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系合金条の成形加工性が向上することを見出した。

以上の知見を基礎として完成した本発明は一側面において、ＺｒおよびＴｉのうちの一種または二種を合計で０．０１〜０．５０質量％含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなり、次式で与えられるランクフォード（ｒ）値の面内異方性（Δｒ）の絶対値が、０．２以下であるＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系銅合金条である。
Δｒ＝（ｒ₀＋ｒ₉₀−２×ｒ₄₅）／２
（ただし、ｒ₀、ｒ₄₅およびｒ₉₀はそれぞれ圧延方向に対し、０度、４５度および９０度を成す方向のｒ値である。）

本発明に係る銅合金条は一実施態様において、加工硬化指数（ｎ値）が０．０４以上である。

本発明に係る銅合金条は別の一実施態様において、Ａｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、ＳｎおよびＢのうちの一種以上を１．０質量％以下含有する。

本発明は別の一側面において、上記銅合金条を用いた大電流用電子部品である。

本発明は別の一側面において、上記銅合金条を用いた放熱用電子部品である。

本発明によれば、優れた導電性、強度、応力緩和特性及び成形加工性を兼ね備えた銅合金条、並びに大電流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。この銅合金条は、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、放熱板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。

以下、本発明について説明する。
＜合金成分濃度＞
本発明の実施の形態に係る銅合金板は、Ｚｒ及びＴｉのうちの一種又は二種を合計で０．０１〜０．５０質量％、より好ましくは０．０２〜０．２０質量％含有する。Ｚｒ及びＴｉのうちの一種又は二種の合計が０．０１質量％未満になると、３５０ＭＰａ以上の引張強さ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０．５０質量％を超えると、熱間圧延割れ等により合金の製造が困難になる。Ｚｒを添加する場合にはその添加量を０．０１〜０．４５質量％に調整することが好ましく、Ｔｉを添加する場合にはその添加量を０．０１〜０．２０質量％に調整することが好ましい。添加量が下限値を下回ると３５０ＭＰａ以上の引張強さが得られにくく、添加量が上限値を超えると導電率や製造性の悪化を招くことがある。

Ｃｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系合金には、強度や耐熱性を改善するために、Ａｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、ＳｎおよびＢのうちの一種以上を含有させることができる。ただし、添加量が多すぎると、導電率が低下して７０％ＩＡＣＳを下回ったり、合金の製造性が悪化したりする場合があるので、添加量は総量で１．０質量％以下、より好ましくは０．５質量％以下とする。また、添加による効果を得るためには、添加量を総量で０．００１質量％以上にすることが好ましい。

＜条の厚み＞
本発明のＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系合金条の厚みは特に限定されないが、例えば０．０３〜２．０ｍｍとすることができる。

＜ランクフォード値の面内異方性、Δｒ＞
板材の異方性を表す特性値として、ランクフォード（ｒ）値が用いられる。ｒ値は引張試験により試験片に均一伸びを与えた時の幅方向の真歪と厚み方向の真歪との比であり、
ｒ＝ｌｎ（ｗ₀／ｗ）／ｌｎ（ｔ₀／ｔ） ・・・（１）
で与えられる。ここで、ｗ₀、ｗおよびｔ₀、ｔはそれぞれ引張前後の引張試験片平行部の幅および厚みである。

ｒ値は測定する方向によって変化し、条の面内におけるｒ値の異方性（Δｒ）は、
Δｒ＝（ｒ₀＋ｒ₉₀−２×ｒ₄₅）／２ ・・・（２）
で与えられる。ここで、ｒ₀、ｒ₄₅、ｒ₉₀はそれぞれ圧延方向に対し０度、４５度、９０度を成す方向のｒ値である。

Ｃｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系合金条では、Δｒが成形加工性と顕著な相関を示し、Δｒの絶対値（｜Δｒ｜）を０．２以下に制御することにより成形加工性が大幅に向上する。 ｜Δｒ｜の下限値については成型性の点からは特に規制されないが、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系合金条では０．０１以上の値をとることが多い。

＜加工硬化指数、ｎ値＞
｜Δｒ｜を０．２以下に制御したＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系合金条において、ｎ値を０．０４以上に調整することにより、成形加工性がさらに向上する。引張試験を行うと、試験片平行部に均一塑性歪みが生じる範囲内（弾性限を超え最高荷重点に達するまで）において、
σ＝Ｃ×εⁿ ・・・（３）
なる関係が成立する。ここで、σは真応力、εは真ひずみ、Ｃは定数である。ｎ値が大きいほど加工硬化の程度が大きいと評価される。

ｎ値の上限値については成型性の点からは特に規制されないが、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系合金条では０．５以下の値をとることが多い。

＜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、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、冷間圧延と熱処理とを繰り返し製品に仕上げる。

ここで、Δｒおよびｎ値を上記範囲に調整する手段は、特定の方法に制限されないが、例えば、下記の条件で冷間圧延および熱処理を行うことで可能となる。

すなわち、熱間圧延の後、中間焼鈍、中間冷間圧延、溶体化処理、時効処理を順次行ない、かつ中間焼鈍と中間冷間圧延は２回以上繰り返す。また、中間焼鈍は引張強さが１０〜４０％低下する条件で行ない、中間冷間圧延の加工度は１０％以上とする。以上の条件で製造することにより、｜Δｒ｜≦０．２が得られる。ここで、引張強さの低下量（Ａ）は、焼鈍前の引張強さをｓ₀、焼鈍後の引張強さをｓとし、Ａ（％）＝（ｓ₀−ｓ）／ｓ₀×１００、で与えられる。また、加工度（Ｒ）は圧延前の厚みをｔ₀、圧延後の厚みをｔとし、Ｒ（％）＝（ｔ₀−ｔ）／ｔ₀×１００、で与えられる。

上記製造プロセスにおいて、中間焼鈍での引張強さ低下量を１５〜３０％、中間冷間圧延の加工度を１５％以上に設定することにより、ｎ値を０．０４以上に制御することも可能となる。

中間焼鈍と中間冷間圧延との繰り返し回数が２回未満であると｜Δｒ｜＞０．２、ｎ＜０．０４となることがある。中間焼鈍での引張強さ低下量が１０％未満の場合、４０％超の場合とも、｜Δｒ｜＞０．２となることがある。また、中間焼鈍での引張強さ低下量が１５％未満の場合、３０％超の場合とも、ｎ＜０．０４となることがある。

中間冷間圧延の加工度が１０％未満の場合、｜Δｒ｜＞０．２となることがある。また、中間冷間圧延の加工度が１５％未満の場合、ｎ＜０．０４となることがある。

中間冷間圧延の加工度の上限は、例えば９７％とすることが好ましい。一方の中間冷間圧延加工度が９７％を超えると、他方の中間冷間圧延加工度を１０％以上に設定することが難しくなるためである。より好ましい中間冷間圧延の加工度の上限は５０％である。

熱間圧延と中間焼鈍との間に冷間圧延（初期冷間圧延）を行ってもよい。その加工度は０〜９８％とすることができる。

溶体化処理と時効処理との間に冷間圧延を行ってもよい。また、時効処理の後に冷間圧延を行ってもよい。これら冷間圧延の加工度は、合計で９５％以下にすることが好ましい。両加工度の合計値が９５％を超えると｜Δｒ｜＞０．２、ｎ＜０．０４となることがある。時効処理の後に冷間圧延を行う場合は、この冷間圧延の後、圧延で低下するばね限界値等を回復させるために歪取焼鈍を施してもよい。

その他の製造条件については、通常のＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系合金条の条件を適用することができる。

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。

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、９５０℃で熱間圧延を行い、板表面の酸化スケールを研削・除去し、厚みを２０ｍｍとした。次に、以下の順で溶体化処理までの工程を実施した。
（１）表２に示す加工度で初期冷間圧延を行った（一部の試料は初期冷間圧延を行わなかった）。
（２）表２に示す条件で中間焼鈍及び中間冷間圧延を０〜３回繰り返し行った。
（３）８００℃で溶体化処理を行った。溶体化処理後の平均結晶粒径が１０〜３０μｍになるように、加熱時間を５〜１００秒の範囲で調整した。
その後、以下に示す工程Ａ、工程Ｂまたは工程Ｃを施し、製品試料を得た。
＜工程Ａ＞
（Ａ−４）５時間の時効処理を行った。時効温度は、強度が最大となる温度とし、３００〜６００℃の範囲で調整した。
（Ａ−５）表２に示す加工度で冷間圧延を行ない、表１に示す製品厚みに仕上げた。
＜工程Ｂ＞
（Ｂ−４）５時間の時効処理を行った。時効温度は、強度が最大となる温度とし、３００〜６００℃の範囲で調整した。
（Ｂ−５）表２に示す加工度で冷間圧延を行ない、表１に示す製品厚みに仕上げた。
（Ｂ−６）５００℃で歪取焼鈍を行った。歪取焼鈍前後で引張強さが２０〜３０ＭＰａ低下するように、加熱時間を５〜１００秒の範囲で調整した。
＜工程Ｃ＞
（Ｃ−４）表２に示す加工度で冷間圧延を行ない、表１に示す製品厚みに仕上げた。
（Ｃ−５）５時間の時効処理を行った。時効温度は、強度が最大となる温度とし、３００〜６００℃の範囲で調整した。

製品試料につき、次の評価を行った。
＜引張強さ＞
ＪＩＳ Ｚ ２２４１：２０１１に準拠し、圧延方向と平行に引張強さを測定した。

＜導電率＞
ＪＩＳ Ｈ ０５０５：１９７５に準拠し、四端子法により導電率を測定した。

＜Δｒ値＞
ＪＩＳ Ｚ ２２５４：２００８に準拠しΔｒを求めた。まず、引張試験によりｒ値を測定した。ただし、試料に与える塑性ひずみ量は５％（破断伸びが５％以下の場合は２．５％）とした。引張前後の試験片平行部の幅および長さ（標点距離）を測定し、（４）式によりｒ値を求めた。
ｒ＝ｌｎ（ｗ₀／ｗ）／ｌｎ（（ｗ・ｌ）／（ｗ₀・ｌ₀）） ・・・ （４）
（４）式は体積一定の条件を用いて（１）式から導出されるものであり、ｌ₀、ｌは引張前後の標点距離である。

引張方向が圧延方向に対し０度、４５度および９０度の方向になるように引張試験片を採取し、それぞれの試験片で得られたｒ値をｒ₀、ｒ₄₅およびｒ₉₀とした。そして（２）式によりΔｒを求めた。

＜ｎ値＞
ＪＩＳ Ｚ ２２５３：２０１１に準拠し、ｎ値の測定を行った。引張試験は圧延方向と平行に行った。

＜深絞り性＞
エリクセン社製試験機を用い、ブランク径：φ６４ｍｍ、ポンチ（パンチ）径：φ３３ｍｍ、シート圧力：３．０ｋＮ、潤滑剤：グリスの条件で、カップを作製した。

このカップを開放端側を下にしてガラス板上に置き、耳同士の間の凹部とガラス板との間隙を読み取り顕微鏡で測定し、カップに発生した４個の耳の間の凹部の間隙の平均値を求め、耳の高さとした。 又、カップの外観を目視観察し、肌荒れの有無を判定した。

以下の基準で絞り加工性を評価した。
◎：耳の高さが０．５ｍｍ以下で、肌荒れがないもの
○：耳の高さが０．５ｍｍ以下で、わずかに肌荒れが生じたもの
×：耳の高さが０．５ｍｍを超え、肌荒れが生じたもの

各試料の合金組成を表１に、各試料の製造条件及び評価結果を表２に示す。

表２から明らかなように、中間焼鈍と中間冷間圧延とを２回以上繰り返し、中間焼鈍での引張強さの低下量を１０〜４０％とし、中間冷間圧延の加工度を１０％以上とした発明例１〜２５では、｜Δｒ｜≦０．２となり、耳の高さが０．５ｍｍ以下となった。

これらのうち、中間焼鈍での引張強さの低下量を１５〜３０％とし、中間冷間圧延の加工度を１５％以上とした発明例１〜２１では、ｎ≧０．０４が得られ、加工部に肌荒れ等は認められず、加工部の外観は非常に良好であった。一方、ｎ＜０．０４となった発明例２２〜２５の場合、加工部に若干の肌荒れが認められたものの、厳しい外観が要求される用途でなければ、許容できるレベルであった。

比較例１、２は中間焼鈍と中間冷間圧延を行わなかったものであり、従来のＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系合金条に相当する。比較例３、４は中間焼鈍と中間冷間圧延を一回しか行なわなかったものである。比較例５〜１２は中間焼鈍と中間冷間圧延を２回行った例であるが、比較例５〜８ではいずれかの中間焼鈍での引張強さ低下量が１０％未満または４０％超であり、比較例９〜１１ではいずれかの中間冷間圧延の加工度が１０％未満であり、比較例１２では時効後の圧延の加工度が９５％を超えた。これらいずれの比較例においても、｜Δｒ｜＞０．２、ｎ＜０．０４となり、耳の高さが０．５ｍｍを超え、加工部には許容できないレベルの肌荒れが生じた。

Claims (5)

1. ＺｒおよびＴｉのうちの一種または二種を合計で０．０１〜０．５０質量％含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなり、次式で与えられるランクフォード（ｒ）値の面内異方性（Δｒ）の絶対値が、０．２以下であることを特徴とするＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系銅合金条。
   Δｒ＝（ｒ₀＋ｒ₉₀−２×ｒ₄₅）／２
   （ただし、ｒ₀、ｒ₄₅およびｒ₉₀はそれぞれ圧延方向に対し、０度、４５度および９０度を成す方向のｒ値である。）
2. 加工硬化指数（ｎ値）が０．０４以上であることを特徴とする請求項１に記載のＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系銅合金条。
3. Ａｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、ＳｎおよびＢのうちの一種以上を１．０質量％以下含有する請求項１又は２に記載のＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系銅合金条。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の銅合金条を用いた大電流用電子部品。
5. 請求項１〜３の何れか１項に記載の銅合金条を用いた放熱用電子部品。