高強度ばね用の銅合金線、及び該銅合金線を用いた銅合金ばね
【課題】携帯電話や種々小形電子機器等に組み込まれて動作用又は接点用ばね等として用いられ、Ｂｅなどの有害な元素を含まず、導電性とばね特性、特に通電時の発熱に伴なう熱へたり性に優れた高強度かつ高導電性の銅合金線と、該合金線による銅合金ばねを提供する。
【解決手段】本発明は、質量で、Aｇ：１．０〜８．０％、Ni：０．５〜５．０％、Si：０．０５〜１．５％、Sn：０．１〜２．０％とMg：０．０４〜０．３０％を含有して残部Cuおよび不可避的不純物で構成され、かつ次式（Ａ）値が１．５〜８．０で、引張強さ９００〜１３００ＭＰａ、導電率２０％ＩＡＣＳ以上の特性を有することを特徴とする高強度ばね用の銅合金線、及び該合金線を用いた銅合金ばねである。
（Ａ）＝（２Ａｇ＋０．８Ｎｉ）／（３Ｓｉ＋１０Ｍｇ）
【解決手段】本発明は、質量で、Aｇ：１．０〜８．０％、Ni：０．５〜５．０％、Si：０．０５〜１．５％、Sn：０．１〜２．０％とMg：０．０４〜０．３０％を含有して残部Cuおよび不可避的不純物で構成され、かつ次式（Ａ）値が１．５〜８．０で、引張強さ９００〜１３００ＭＰａ、導電率２０％ＩＡＣＳ以上の特性を有することを特徴とする高強度ばね用の銅合金線、及び該合金線を用いた銅合金ばねである。
（Ａ）＝（２Ａｇ＋０．８Ｎｉ）／（３Ｓｉ＋１０Ｍｇ）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話や種々小型電子機器等に組み込まれ動作用又は接点用ばねなどとして用いられ、導電性とばね特性、特に通電時の発熱に伴なう熱へたり性に優れた高強度ばね用の銅合金線と、この銅合金線を用いた銅合金ばねに関する。
【背景技術】
【０００２】
銅や銅合金は電気抵抗が小さく、導電率に優れることから、急激な技術革新を続ける携帯電話や各種の電子機器等のコネクター、接点ばねなどの電気・電子用材料、部品への展開が期待され、従来からベリリウム銅合金（例えばＪＩＳ−Ｈ３２７０）が多用されてきた。
【０００３】
しかしながら、該ベリリウム銅合金はその組成に有害なベリリウムを含み、これをリサイクルする場合に環境上の問題があることからその使用が制限されており、こうした状況を踏まえて本出願人らは先の出願において、質量で、Ａｇ：５．０〜１６．０％，Ｎｉ：１．０〜５．０％，Ｓｉ：０．２〜１．２％を含有し、又はさらにＳｎ：０．２〜１．０％及び／又はＺｎ：０．３〜１．２％を添加して残部Ｃｕと不可避不純物で構成され、かつその組織内にＣｕとＡｇとの共晶相とＮｉ２Ｓｉ粒子を各々複合形成することで、耐へたり性にも優れた高強度の銅合金材料を提供している。（特許文献１：特開２００６−２９１２７１）
【０００４】
他方、特許文献２（特開２００６−２８３１０７）は、Ｎｉ：１．５〜４質量％，Ｓｉ：０．３０〜１．２質量％及びＭｎ，Ｍｇの１種もしくは２種を合計０．０３〜０．５質量％含有し、残部Ｃｕ及び不可避不純物で構成され、該合金組成中のＮｉとＳｉの質量濃度比（Ｎｉ／Ｓｉ比）が、４≦｛Ｎｉ／Ｓｉ｝≦５の範囲にある銅合金を開示し、その中で介在物の大きさが５μm以下であって、該介在物中のＮｉ，Ｓｉ及び酸素濃度の合計が１０質量％以上、かつ大きさが１μｍ以上の介在物の個数と大きさ０．１μｍ以上の介在物総個数との比が０．１以下である電子材料用のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金を開示している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９１２７１
【特許文献２】特開２００６−２８３１０７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、特許文献１による銅合金材料は、前記構成によって高強度でかつ導電性にすぐれ、特にばね用としての繰返し使用に伴なうへたりの問題を解決するものとして、その為に前記組成とともに、その組織内に共晶相とＮｉ２Ｓｉ粒子を複合形成し、その相乗効果によるものとしている。
【０００７】
しかしながら、該特許文献１が対象とする前記へたり性は、いわゆる無通電状態の常温状態で使用されることを前提とする場合の特性であって、実際の使用では線に流れる電流によって線材自体が発熱し、この熱が線材の機械的特性、特にばね発生力やへたり寿命特性を低下させることが懸念される為、ばね設計時にはこのような加熱状態での特性変化を考慮することが求められている。
【０００８】
このような発熱現象は、材料組成やその内部に含まれる例えば酸化物等の抵抗物質等による電気抵抗に伴なうもので、線材の種類によって若干の相違はあるものの、例えば前記特許文献１のようにＡｇ，Ｎｉを含む銅合金では１００℃以上（例えば１００〜１５０℃）にもなる為、仮に常温状態でいかに優れたばね特性を持つものであっても、加熱状態でそのまま特性を維持することはなかなか困難である。
【０００９】
ある試験によれば、例えば線材温度が５０℃上昇するとヘタリ性は７％程度低下し、１００℃では１０％程度低下することもある為、このような状態では導電用ばね材としては使用に適さない。また特に線径が例えば０．８ｍｍ以下のような細線でなる場合は、それ自体の断面積も小さいことから、短時間で熱影響を受けてしまい、結果的に想定ばね特性が得られないという問題が生ずる。したがって、このような加熱温度環境下でのへたり性（以下、熱へたり性という）を改善し、かつ高強度でばね特性に優れた銅合金材料の出現が望まれている。
【００１０】
また後者の特許文献２によるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金は、このような熱に対する影響を軽減するリードフレームやコネクタ、ピン、端子、リレー、スイッチ等の電子部品に使用されるものを対象とするもので、導電性には優れるものの、強度的には低くばね用としての適性、すなわち導電性と加熱状態での弾性ばね特性を合わせ持つばね製品用とすることまでは開示していない。
【００１１】
本発明は、このような従来の銅合金材料の課題を解決し、特に使用時の加熱に伴なう熱へたり性を改善するとともに、高強度で導電性に優れ、また環境上の有害元素を抑制した高強度導電ばね用とする銅合金線、並びに銅合金ばねの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するため、本願の請求項１に記載の発明は、質量で、Aｇ：１．０〜８．０％、Ni：０．５〜５．０％、Si：０．０５〜１．５％、Sn：０．１〜２．０％とMg：０．０４〜０．３０％を含有して残部Cuおよび不可避的不純物で構成され、かつ次式（Ａ）値が１．５〜８．０で、引張強さ９００〜１３００ＭＰａ、導電率２０％ＩＡＣＳ以上の特性を有することを特徴とする高強度ばね用の銅合金線である。
（Ａ）＝（２Ａｇ＋０．８Ｎｉ）／（３Ｓｉ＋１０Ｍｇ）＝１．５〜８．０
【００１３】
そしてより好ましい形態として、請求項２に係る発明は、質量で、前記Ａｇが１．０％以上、５．０％未満で、かつ前記（Ａ）値が２．５〜６．０に調整されてなることを特徴とし、請求項３に係る発明は、さらに、Ti：０．１〜０．８％、Co：０．１〜０．８％、Cr：０．１〜０．８％及びZn：０．３〜１．２％のいずれか１種又は２種以上を含有することを特徴とし、請求項４に係る発明は、その組織内にＣｕとＡｇとの共晶相及び／又はＮｉ２Ｓｉ粒子を含有するとともに、０．２％耐力が前記引張強さの７５〜８５％の特性を有することを特徴とし、さらに請求項５に係る発明は、線径が０．８ｍｍ以下の細線材で、かつその縦断面における結晶組織の平均アスペクト比（結晶長さ／結晶太さ）が4〜２０であることを各々特徴とする前記銅合金線である。
【００１４】
また請求項６に係る発明は、前記いずれかの銅合金線によって所定のばね形状に成形され、かつ温度１２５℃の加熱状態で、２５０Ｎ／ｍｍ２の負荷応力を付加して１週間保持した後、除荷したときの熱へたり率が８．０％以下の特性を有することを特徴とする銅合金ばねである。
【発明の効果】
【００１５】
本願請求項１の発明によれば、Ａｇ及びＮｉを基本にしてその他若干の添加元素を含むとともに、更に高強度化と熱に対するヘタリ性を高める為に特にＭｇを他の構成元素との関係を（Ａ）値で調整した銅合金で構成し、ベリリウム等の有害元素を含まず環境上の問題を解決している。またその特性は、引張強さ９００ＭＰａ以上の高強度特性と２０％ＩＡＣＳ以上の高導電性を具えることから、例えばコイルばね用としてのばね特性と成形性及び靭性向上を図りながら、熱へたり性を向上し得る高強度ばね用の銅合金線として、導電性にも優れた銅合金線が可能となる。
【００１６】
したがって、高強度で導電性及び熱へたり性を高めるとともに、環境的にも好ましいことから、その応用分野を拡大することができる。
【００１７】
また請求項２の発明では、前記Ａｇをより適正にするとともに前記関係値（Ａ）を好ましい範囲にすることで、特に細物ばね用としての特性向上を図り、請求項３及び４の発明では、さらに強度と熱へたり特性を改良した高強度特性の銅合金の提供を可能にする。
【００１８】
請求項５の発明では、特に熱へたりの影響を受けやすい線径０．８ｍｍ以下の細線を対象とし、更にその結晶組織のアスペクト比が大きいことから、繊維強化機能をもたらして弾性特性を更に高めることができ、高強度の導電ばね製品の線材として有効である。
【００１９】
さらにばね製品に関する請求項６の発明では、機械的特性及び導電特性に優れた前記銅合金細線でばね成形したもので、またその熱へたり率も８．０％以下であることから、長期に亙って安定した使用ができ、寿命特性に優れた銅合金ばね製品が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明するが、本明細書では特に指定する場合を除き、各構成元素の含有量の単位「％」は「質量％」を意味している。
【００２１】
本発明の銅合金材料は、Aｇ：１．０〜８．０％とNi：０．５〜５．０％、及びSi：０．０５〜１．５％、Sn：０．１〜２．０％と、更にMg：０．０４〜０．３０％を含有して残部Cuおよび不可避的不純物で構成するとともに、前記Ｍｇの添加量に係る次式（Ａ）値が１．５〜８．０の範囲内に調整され、かつ引張強さ９００〜１３００ＭＰａ、導電率２０％ＩＡＣＳ以上を有するもので、それによって高強度で導電率に優れるとともに、ばね用（特にコイルばね用）としての成形性とばね弾性率、熱へたり性に優れた高寿命の銅合金線としている。
（Ａ）＝（２Ａｇ＋０．８Ｎｉ）／（３Ｓｉ＋１０Ｍｇ）
【００２２】
本発明で各元素を前記分量に制限する理由は次による。
〔Ａｇ〕は銅合金において強度及び弾性係数を高め、また結晶粒の粗大化を防ぐとともに、ＡｇＣｕ相を晶出させて高強度化を図ることから、特にばね用の銅合金には有効であるが、１．０％未満のものでは晶出層の形成が少なく、十分な効果は得られ難い。一方、Ａｇは非常に高価で、しかもその添加は母相のＣｕを減少させることとなり、その添加は導電性の低下をもたらす為、上限を８．０％にしており、より好ましくは１．０以上、５．０％未満、更に好ましくは２．５〜５．０％とする。
【００２３】
〔Ｎｉ〕と〔Ｓｉ〕は、ともに熱処理によってＮｉ２Ｓｉの金属間化合物を形成でき、導電率を低下させることなく高強度化を図ることができる。そして、Ｎｉ：０．５乃至Ｓｉ：０．０５％未満のものではその効果は十分なものと言えず、化合物形成が困難で所望の強度アップを図ることができない。他方、Ｎｉ：５．０％乃至Ｓｉ：１．５％を超えるものでは高強度化はできるものの、その一方で多量の化合物が形成することから靭性を低下させ、それに伴なって熱間加工性及びばね特性を低下させるとともに、導電率も低下することとなる。こうした観点から、より好ましいＮｉは１．５〜３．０％であり、又Ｓｉは０．２５〜０．６５％とすることが望ましい。
【００２４】
〔Ｓｎ〕は、銅合金材料の強度及びばね特性を向上させるため、少なくとも０．１％以上の添加が好ましいが、２．０％を超えるほど添加したものでは導電性、加工性を低下させることとなる。したがって、より好ましくは０．１５〜０．６５％とする。
【００２５】
〔Ｍｇ〕は、０．０４％以上の添加によって熱特性、特に熱へたり性を改善してばね寿命を向上できるが、０．３０％を超えると良好な曲げ加工性が得られずコイリング性を低下させることから、その添加量は前記（Ａ）値との関係を満たす０．０４〜０．３０％とし、より好ましくは０．０６〜０．２０％とする。
【００２６】
このような基本組成の中で、本発明は前記Ｍｇの耐熱性及び強度向上効果に着目し、さらに種々実験に基づく試験の中で、該Ｍｇは他の添加元素との間にある関係が存在することを見出し、その関係を前記（Ａ）値として制限するものである。これによって、特に接点コイルばねのような細線ばね用途に用いる場合の一般的な材料強度、導電性以外に、例えばコイル成形性やばね弾性、熱に対するばね寿命特性などの特殊機能をもたらすことができる。
【００２７】
本発明では、前記計算式で算出される（Ａ）値は１．５〜８．０としており、この（Ａ）値が１．５未満のものでは強度及び導電率が満足できず、逆に８．０を超えるものでは加工性に劣る他、十分な熱へたり性が得られないこととなる為、より好ましくは２．５〜６．０とする。特にＭｇによる熱へたり性改善の効果は、他の元素では得られ難く、またわずかな添加によって例えばＡｇと同等以上に高強度化できる余剰効果もあることから、結果的に材料全体における銅の含有量（純度）を高めることができ、導電性の点でも有利である。
【００２８】
また本発明の銅合金線は、前記組成に加えて更にＴｉ：０．１〜０．８％，Ｃｏ：０．１〜０．８％，Ｃｒ：０．１〜０．８％、及びＺｎ：０．３〜１．２％のいずれか１種又は２種以上の添加を許容し、それら第三元素の添加によって熱へたり性、弾性特性、加工性を高めることもできる。しかし、これら第三元素の添加は却って導電性を低下させることからその添加は必要最小限に留めることが好ましく、例えば合計添加量は１．５％以下とする。
【００２９】
本発明はこうした成分元素で構成され、残部が不可避的不純物とＣｕでなる銅合金線であり、該不可避的不純物には、例えば酸素（０），鉄（Ｆｅ），イオウ（Ｓ）などを挙げることができる。特に０は酸化物を作って塑性加工性を悪化させるとともに導電性を低下させることとなり、またＳ及びＦｅも有害な粗大介在物を形成させることから、各々０．１％以下に抑制し、またその合計は０．２％以下となるように調整することが望ましい。
【００３０】
こうした成分調整とともに、引張強さ９００〜１３００ＭＰａで、かつ２０％ＩＡＣＳ以上の導電率を備える銅合金線であって、熱ヘタリ性を改善した高強度の導電ばね用線が提供できる。前記引張強さは例えばＪＩＳ−Ｚ２２４１「金属材料引張試験方法」により、また導電率はＪＩＳ−Ｃ３００２「電気用銅線及びアルミニウム線試験方法」に準拠した２０℃の恒温槽中での４端子法（試料長さ１００ｍｍ）により各々測定することができる。
【００３１】
また「熱へたり性」については、前記するように銅合金線の使用に伴なって加熱された状態での熱へたりを対象にすることから、本発明では試験ばね製品を温度１２５℃の加熱状態で、２５０Ｎ／ｍｍ２の負荷応力を付加して１週間保持した後、除荷したときのへたり量の、試験前の状態に対する比率を「熱へたり率」として示すこととする。
【００３２】
例えば、試験対象のばね製品が圧縮コイルばねの場合の特性としては、ばね自由長の変化量が用いられ、その計算は｛（試験前の自由長−試験後の自由長）／試験前の自由長｝×１００の計算式で求め得るものであり、その値（熱へたり率）が小さいものほど熱へたり性に優れることを意味する。また、その測定条件を一定にする観点から、本発明では１２５℃の加熱温度と、２５０Ｎ／ｍｍ２の負荷応力、及び放置時間として１週間を設定しており、この条件は本発明に基づくばね製品の適正な使用状態を前提に設定したものであり、また前記自由長の変化量に代えて、例えば圧縮や曲げに伴なう荷重ロスや曲げ角度の変化量を対象にすることもできる。
【００３３】
また本発明は、このような構成に加えて更に材料マトリックス中のＣｕとＡｇとの共晶相及び／又は前記Ｎｉ２Ｓｉの粒子状化合物の複合形成を可能とし、その形態として例えば該共晶相及び／又はＮｉ２Ｓｉ粒子をその結晶組織内に均一に分布させたり、その長手方向に沿って連続又は断続的に点在配置した分布状態にすることができ、こうした第2相の形成によって、たわみ応力等の外力に抗してより大きなばね弾性をもたらすことができる。
【００３４】
特にこれら第2相となる析出物は、微細かつ硬質であることから分散強化あるいは繊維強化特性が付与でき、それによって材料自体の強度、ばねにおける弾性率、更には熱へたり性を高め得るが、必要以上の多量の形成は導電性を低下することから、実施においては他の特性を考慮しながら条件出しすることが必要である。
【００３５】
例えば前記Ｎｉ２Ｓｉ粒子では、その粒子は換算直径で３０ｎｍ以下（好ましくは５ｎm以下）程度の微細粒径を有し、かつこれを該銅マトリックス内に０．１〜３％の面積率で分布させることが好ましい。なお換算直径とは、該粒子の任意横断面面積を基に算出される真円直径を意味し、また図１には、本発明の実施例で得られた銅合金線の横断面における前記共晶相の分布状態の顕微鏡写真を示しており、この例では該共晶相は換算直径が０．５〜２０μｍ程度の大きさで、ほぼ均一に分布したものとなっている。
【００３６】
これら内容から、前記Ｎｉ２Ｓｉ粒子及び共晶相が微細形態で分布し、また本発明では、前記共晶相及びＮｉ２Ｓｉ粒子のいずれか一方だけを形成する場合を含むとともに、その効果として、例えばＮｉ２Ｓｉ粒子では、該粒子がＡｇとＣｕからなる共晶相の粒内及び粒界に分散析出することで応力が付加された際に交差すべりをピン止めする効果、すなわち熱へたり性を改善することとなる。
【００３７】
こうした作用によって、銅合金線の熱へたり性を高めるとともに、強度面においても更に０．２％耐力がその引張強さの７５〜８５％の耐力比をもたらすものが好ましく、それによって長寿命でばね弾性を向上することができる。かかる耐力比は、該線に歪（応力）を付加した時の弾性領域の範囲を意味する耐力が、引張強さのどの程度に相当するかを示すバロメーターとして示され、高強度で疲労寿命に優れたばね用とする場合は前記範囲に設定することが望ましい。
【００３８】
すなわち、この比率が７５％未満のものでは柔軟すぎてばねとしての弾性特性が得られず、逆に８５％を超えるものでは必要以上に剛性が増して疲労特性に劣り長寿命ばねとしての期待が得られ難いものとなる。なお該耐力比は、対象となる線材の化学組成やその後の加工条件によって種々変化し、例えば伸線加工率が３０％程度の比較的軽度な伸線加工での耐力比はせいぜい３０〜５０％程度に留まるのに対し、加工率９８％以上で強加工したものでは８５％を超える耐力比になるなど種々変化するものであり、その用途に応じて最適条件の選定が必要である。
【００３９】
また本発明の前記銅合金線は、特に軽薄短小用の小形機器に用いられる例えば線径が０．８ｍｍ以下の細線材として有用であり、前記耐力比との関係を考慮して該合金線は通常次のような熱処理と加工率５０％以上、好ましくは８０〜９７％程度の冷間加工によって得られ、その冷間加工は結晶組織を繊維状に微細化されることとなり、その縦断面における結晶の長さ(L)と太さ(d)との比率（アスペクト比：Ｌ／ｄ）の平均値が４〜２０であることが好ましい。なお、アスペクト比は、該銅合金線の例えば任意縦断面を１００〜４００倍程度に拡大した顕微鏡観察で、例えば無作為に抽出した５〜２０点程度の結晶粒毎に求めた各アスペクト比を平均化した値（平均アスペクト比）が用いられる。平均アスペクト比が４未満のものでは、ばね用として必要な強度を持たすことができず、一方、平均アスペクト比が２０を超える場合、その為に強度の加工が必要となることから、得られた線材は剛性が大きくなって、疲労寿命を低下させることが懸念されることとなり、より好ましくは６〜１８とする。
【００４０】
次に、該銅合金線の製造方法を説明すれば、前記するように熱処理と冷間加工が行なわれ、例えば銅マトリックス中に積極的にＡｇとＣｕからなる共晶相（ＡｇＣｕ相）やＮｉ２Ｓｉ化合物を析出させるものでは、温度３００〜６５０℃×１分〜１０時間で、真空又はアルゴンや窒素などの無酸化性雰囲気中での熱処理が推奨できる。
【００４１】
その温度が３００℃未満では加工性が改善されず、また６５０℃を超える程高温のものでは結晶粒が粗大化して高強度化が図れず、ばね用途への展開が困難である。より好ましくは４５０〜６００℃×５〜６０分とする。また冷間加工については、加工率５０％未満のものでは前記粒子等の好ましい分布状態が得られず、強度特性も満足するものとは成り得ない。
【００４２】
こうして処理された例えば線径０．８ｍｍ以下の銅合金細線は、引張強さ９００〜１３００ＭＰａ（好ましくは１０００〜１２００ＭＰａ）でかつその縦断面における結晶粒子が前記平均アスペクト比を有することから、高強度で良好な靭性を持つとともに、コイリング成形性にも優れるものとなる。
すなわち、引張強さが９００ＭＰａ未満のものでは高強度ばね用として満足できず、また本発明に係る銅合金の加工硬化特性は、ステンレス鋼など他の鉄鋼材料に比して低くいことから、必要以上に強加工してもその効果は飽和するとともに、歩留まり上昇によるコストアップとなることから、その上限を１３００ＭＰａとしている。また導電率についても、例えば接点ばね用として用いる場合は、特に重要な要素であり、わずかな接触面積でも十分な導電性をもたらす為には、少なくとも２０％ＩＡＣＳが必要である。そしてその上限については、本発明の銅合金線はＡｇやＮｉなどの添加元素を含み、また高強度化の為に種々の加工も行われることから軟銅より低い３６％ＩＡＣＳ程度とされる。
なお、この導電率については、例えば次段以降に説明するような低温度でのテンパー処理によってその特性を高めることができる。
【００４３】
またばね成形については、例えば通常のコイルばねや直線ばねなどの他、例えばコンタクトプローブなどでの接点ばね用として、直線ばねの一部をくの字形に折り曲げたものが実施され、これらばね製品は、さらに必要に応じてテンパーなどの第２次熱処理を行い、導電性ばねとして用いる際のへたり、弾性強度特性、熱へたり性等の諸特性を向上することも好ましい。熱へたり性については、本発明では前記するように、温度１２５℃での加熱状態で、負荷応力２５０Ｎ／ｍｍ２を付加した状態で１週間保持した後に取り出した時の熱へたり率で評価しており、その値が８．０％以下のものとしている。
【００４４】
この場合の評価方法としては、応力付加に伴なう曲げ角度、すなわちトーション角度の変化量が用いられ、測定は、例えばこのような所定応力を付加した状態で冶具にセットして、所定温度の熱処理炉内に放置する方法が用いられる。
【００４５】
本発明による銅合金材料は、高強度・高導電性で、特に使用に応じた加熱状態での熱へたり性に優れており、熱影響を受けやすい特に細線でなる銅合金線、及びその合金線を用いたばね製品での高機能化を図ることができ、かかる特性が要求される各種電気・電子部品の精密導電性ばねとして有用である。
【実施例１】
【００４６】
《試験１：原材料の明細》
周囲に水冷ジャケットを設けた黒鉛鋳型を有する連続鋳造機を用いて、表１に示す組成となる合計７種類の銅合金材料（実施例１Ａ〜３）を各々１１００℃以上で溶解し、連続鋳造して直径８．０ｍｍの鋳造ロッドを製造した。一方、比較材には、前記特許文献１に相当する銅合金材料（比較例１）、従来のベリリウム添加銅合金材料（比較例２）、その他２種類の銅合金材料（比較例３、４）による各直径８．０ｍｍロッドを比較用の原材料とした。
【００４７】
【表１】
【００４８】
この中で、試験材１Ａ〜１ＣはＭｇを約０．１５％程度添加してＡｇを各々変化させることで前記（Ａ）値を７．６〜２．８にまで変化させたもので、特に試験材１Ａは前記先行特許文献１に単にＭｇを添加した場合の効果を見る為に、意図的にＡｇ量を本発明の範囲外にしており、試験材２Ａ〜２Ｃは前記試験材１Ａ〜１ＣよりもＭｇを半分近く減少させた場合の効果を見る為に、Ａｇ及びＮｉ量を各々変化させ、更に試験材３ではＭｇの下限量に相当する０．０４％に設定したものである。網掛け数値は本発明の範囲外であることを示す。
【００４９】
《試験２：伸線加工性》
そして、これら原材料ロッドを冷間伸線加工と３５０〜４５０℃での中間熱処理を繰返し行ないながら線径３．０ｍｍに細径化して、更に温度４５０℃×６ｍｉｎ．の条件で熱処理を行なって軟質素線とし、そして、この軟質素線を連続伸線機で各々加工率９５％の冷間伸線加工を行なうことで、本発明に係る最終仕上げ径０．７ｍｍの硬質銅合金線を得た。
【００５０】
次に、該合金線がばね製品に用いられることを前提として、ばね成形後に行なう低温熱処理（ＨＴ処理）による機械的特性の効果を確認する為に、該合金線を温度３００℃×６０ｍｉｎ．の条件でＨＴ処理した時の特性の変化を調べた。
【００５１】
こうした処理に伴なう各特性は表２に示しており、本発明に係わる実施例材は、引張強さ約１０００〜１１００ＭＰａで、２４〜３２％ＩＡＣＳの高い導電性が得られている。この特性は前記先行特許文献１に係わる比較例材１との比較ではさほど異なるものではないが、従来使用されていたベリリウム銅合金に相当する比較例材２より優れ、特に、Ｍｇを０．０４〜０．０８％含有する試験材２Ｂ，２Ｃ及び３では導電性にも優れた特性であった。またこの中で、試験材1Ｃ及び2Ｃの合金線について結晶組織を調べた結果、平均結晶粒径１．１〜５．５μmでかつアスペクト比８〜１５程度の繊維状組織を有し、また図1に見られるような共晶相とＮｉ２Ｓｉ粒子が確認された。
【００５２】
【表２】
【００５３】
《試験３：コイリングばね加工性》
次に、その具体的用途として次の仕様のコイルばねをコイリング加工し、加工性及び得られたばね製品の特性評価を合わせて行なったので、その結果を前記表２に併記している。
ばね形状 圧縮コイルばね
コイル外径 ７．６６ｍｍ（Ｄ／ｄ＝１０）
自由長 １３．５ｍｍ
総巻数 ６．５ （ピッチ１．６ｍｍ）
【００５４】
コイリングは、前記仕様のコイルばねを各試験材毎に新興機械工業社製のばね成形機（ＶＦ７１２ＥＬ型）によって、速度６０個／ｍｉｎ．の条件で連続的に成形加工し、加工作業性とばね自由長のバラツキ程度をＡ（良好）〜Ｄ（不可）の４段階で官能的評価したものであリ、特に試験材１Ｃ及び試験材２Ｃ，試験材３などが良好であった。
【００５５】
《試験４：熱へたり特性試験》
そこで、こうして得られた前記コイルばねを、各々コンベア炉によって連続的に低温テンパー処理し、目的のばね製品を得た。 テンパー処理は、温度３００℃×30分の条件で加熱した後に空冷する条件で行い、これによって加工歪を解消して特性向上を図るものとしている。
【００５６】
またばね製品に対する熱へたり特性試験については、予め設定した負荷応力（１５０〜４００ＭＰａ）を加えた状態で試験型具に装着するとともに、これを試験温度１２５℃に加熱した炉内に挿入して約１週間に亙って加熱放置する方法を採用し、試験前後のコイルばねの自由長の変化を前記算式で比較したものであり、各応力に対する熱へたり率の変化を図２に示している。
【００５７】
この結果に見られるように、本発明による試験材の応力２５０Ｎ／ｍｍ２では、いずれも６〜８％の熱へたり率に留まり、比較材の１０〜１３％より大幅な低減が見られた。
【実施例２】
【００５８】
《試験１：原材料の明細・伸線加工性》
他の試験例として、実施例１で用いた原材料ロッドの中で、試験材1Ｃ，2Ｃ及び3と、比較材1，3を用いて、前記実施例1と同様に冷間伸線加工とその後の熱処理（中間熱処理）を繰返し行いながら線径３．０ｍｍに細径化し、更に温度５００℃×１０ｍｉｎ．の条件で各々熱処理をして軟質素線を得た。次に、この各軟質素線を各々加工率９０％の連続伸線機で冷間加工して最終仕上げ径０．０６０ｍｍの硬質銅合金細線に加工した。いずれの線材も伸線加工性は良好で、特に断線等の問題はなく、スムーズな細径処理ができた。
【００５９】
《試験２：真直加工》
そして、得られた０．０６０ｍｍの各硬質銅合金細線を、各々ロールタイプの直線加工機にセットして真直処理するとともに、長さ１５ｍｍにカットして直線ばねを得た。その直線度について、各ロッド毎に抽出した２０点のばねサンプル毎に各々円弧高さを測定し、その平均値を長さ１００ｍｍに換算することで行なったが、各試験材とも２／１００ｍｍ程度で、比較材ばねの５／１００ｍｍより大幅に良好なものであった。
【００６０】
《試験３：熱へたり特性試験》
こうして得られた直線カット品の端部を治具にセットしもう一方の端部に予め設定した曲げ応力（２００〜８００ＭＰａ）を付与して、各々試験温度１２５℃に加熱した炉内に挿入して１週間放置し、その後炉内から取り出して除荷したときの直線度を試験前の直線度と比較することで、熱へたり特性を評価した。
【００６１】
この結果から、本発明による試験材はいずれも負荷応力２５０Ｎ／ｍｍ２で６〜８％の熱へたり率に留まり、比較材より良好であった。
【００６２】
次に、この実施例で得られたばね製品の使用性能を評価する為に、半導体の回路検査用の検査冶具に取り付けて使用性能を確認した。その結果、本発明によるばね製品は高強度でしかも熱へたり性にも優れていることから、従来懸念されるようなばね特性の低下が見られず、長寿命を有するものであることが確認された。さらに、優れた導電率を有していることから、細線であるにも係らず微妙な低電流の検出ができ、特性的に優れるものであった。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
以上の結果から明らかなように、本発明による銅合金材料は、ばね成形用として十分な特性を有し、また熱の影響を受けにくいこと、十分な導電性を有することから、例えば半導体や精密電子機器用のばね用材料として使用し得るものであり、さらにベリリウムなどの有害物質を含む従来の銅合金の代替材料として優れた有益性を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明に係わる高強度銅合金線材の共晶相の分布状態の一例を示す顕微鏡写真である。
【図２】実施例に基づく銅合金線材の負荷応力に対する熱へたり特性の変化を示す線図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話や種々小型電子機器等に組み込まれ動作用又は接点用ばねなどとして用いられ、導電性とばね特性、特に通電時の発熱に伴なう熱へたり性に優れた高強度ばね用の銅合金線と、この銅合金線を用いた銅合金ばねに関する。
【背景技術】
【０００２】
銅や銅合金は電気抵抗が小さく、導電率に優れることから、急激な技術革新を続ける携帯電話や各種の電子機器等のコネクター、接点ばねなどの電気・電子用材料、部品への展開が期待され、従来からベリリウム銅合金（例えばＪＩＳ−Ｈ３２７０）が多用されてきた。
【０００３】
しかしながら、該ベリリウム銅合金はその組成に有害なベリリウムを含み、これをリサイクルする場合に環境上の問題があることからその使用が制限されており、こうした状況を踏まえて本出願人らは先の出願において、質量で、Ａｇ：５．０〜１６．０％，Ｎｉ：１．０〜５．０％，Ｓｉ：０．２〜１．２％を含有し、又はさらにＳｎ：０．２〜１．０％及び／又はＺｎ：０．３〜１．２％を添加して残部Ｃｕと不可避不純物で構成され、かつその組織内にＣｕとＡｇとの共晶相とＮｉ２Ｓｉ粒子を各々複合形成することで、耐へたり性にも優れた高強度の銅合金材料を提供している。（特許文献１：特開２００６−２９１２７１）
【０００４】
他方、特許文献２（特開２００６−２８３１０７）は、Ｎｉ：１．５〜４質量％，Ｓｉ：０．３０〜１．２質量％及びＭｎ，Ｍｇの１種もしくは２種を合計０．０３〜０．５質量％含有し、残部Ｃｕ及び不可避不純物で構成され、該合金組成中のＮｉとＳｉの質量濃度比（Ｎｉ／Ｓｉ比）が、４≦｛Ｎｉ／Ｓｉ｝≦５の範囲にある銅合金を開示し、その中で介在物の大きさが５μm以下であって、該介在物中のＮｉ，Ｓｉ及び酸素濃度の合計が１０質量％以上、かつ大きさが１μｍ以上の介在物の個数と大きさ０．１μｍ以上の介在物総個数との比が０．１以下である電子材料用のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金を開示している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９１２７１
【特許文献２】特開２００６−２８３１０７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、特許文献１による銅合金材料は、前記構成によって高強度でかつ導電性にすぐれ、特にばね用としての繰返し使用に伴なうへたりの問題を解決するものとして、その為に前記組成とともに、その組織内に共晶相とＮｉ２Ｓｉ粒子を複合形成し、その相乗効果によるものとしている。
【０００７】
しかしながら、該特許文献１が対象とする前記へたり性は、いわゆる無通電状態の常温状態で使用されることを前提とする場合の特性であって、実際の使用では線に流れる電流によって線材自体が発熱し、この熱が線材の機械的特性、特にばね発生力やへたり寿命特性を低下させることが懸念される為、ばね設計時にはこのような加熱状態での特性変化を考慮することが求められている。
【０００８】
このような発熱現象は、材料組成やその内部に含まれる例えば酸化物等の抵抗物質等による電気抵抗に伴なうもので、線材の種類によって若干の相違はあるものの、例えば前記特許文献１のようにＡｇ，Ｎｉを含む銅合金では１００℃以上（例えば１００〜１５０℃）にもなる為、仮に常温状態でいかに優れたばね特性を持つものであっても、加熱状態でそのまま特性を維持することはなかなか困難である。
【０００９】
ある試験によれば、例えば線材温度が５０℃上昇するとヘタリ性は７％程度低下し、１００℃では１０％程度低下することもある為、このような状態では導電用ばね材としては使用に適さない。また特に線径が例えば０．８ｍｍ以下のような細線でなる場合は、それ自体の断面積も小さいことから、短時間で熱影響を受けてしまい、結果的に想定ばね特性が得られないという問題が生ずる。したがって、このような加熱温度環境下でのへたり性（以下、熱へたり性という）を改善し、かつ高強度でばね特性に優れた銅合金材料の出現が望まれている。
【００１０】
また後者の特許文献２によるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金は、このような熱に対する影響を軽減するリードフレームやコネクタ、ピン、端子、リレー、スイッチ等の電子部品に使用されるものを対象とするもので、導電性には優れるものの、強度的には低くばね用としての適性、すなわち導電性と加熱状態での弾性ばね特性を合わせ持つばね製品用とすることまでは開示していない。
【００１１】
本発明は、このような従来の銅合金材料の課題を解決し、特に使用時の加熱に伴なう熱へたり性を改善するとともに、高強度で導電性に優れ、また環境上の有害元素を抑制した高強度導電ばね用とする銅合金線、並びに銅合金ばねの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するため、本願の請求項１に記載の発明は、質量で、Aｇ：１．０〜８．０％、Ni：０．５〜５．０％、Si：０．０５〜１．５％、Sn：０．１〜２．０％とMg：０．０４〜０．３０％を含有して残部Cuおよび不可避的不純物で構成され、かつ次式（Ａ）値が１．５〜８．０で、引張強さ９００〜１３００ＭＰａ、導電率２０％ＩＡＣＳ以上の特性を有することを特徴とする高強度ばね用の銅合金線である。
（Ａ）＝（２Ａｇ＋０．８Ｎｉ）／（３Ｓｉ＋１０Ｍｇ）＝１．５〜８．０
【００１３】
そしてより好ましい形態として、請求項２に係る発明は、質量で、前記Ａｇが１．０％以上、５．０％未満で、かつ前記（Ａ）値が２．５〜６．０に調整されてなることを特徴とし、請求項３に係る発明は、さらに、Ti：０．１〜０．８％、Co：０．１〜０．８％、Cr：０．１〜０．８％及びZn：０．３〜１．２％のいずれか１種又は２種以上を含有することを特徴とし、請求項４に係る発明は、その組織内にＣｕとＡｇとの共晶相及び／又はＮｉ２Ｓｉ粒子を含有するとともに、０．２％耐力が前記引張強さの７５〜８５％の特性を有することを特徴とし、さらに請求項５に係る発明は、線径が０．８ｍｍ以下の細線材で、かつその縦断面における結晶組織の平均アスペクト比（結晶長さ／結晶太さ）が4〜２０であることを各々特徴とする前記銅合金線である。
【００１４】
また請求項６に係る発明は、前記いずれかの銅合金線によって所定のばね形状に成形され、かつ温度１２５℃の加熱状態で、２５０Ｎ／ｍｍ２の負荷応力を付加して１週間保持した後、除荷したときの熱へたり率が８．０％以下の特性を有することを特徴とする銅合金ばねである。
【発明の効果】
【００１５】
本願請求項１の発明によれば、Ａｇ及びＮｉを基本にしてその他若干の添加元素を含むとともに、更に高強度化と熱に対するヘタリ性を高める為に特にＭｇを他の構成元素との関係を（Ａ）値で調整した銅合金で構成し、ベリリウム等の有害元素を含まず環境上の問題を解決している。またその特性は、引張強さ９００ＭＰａ以上の高強度特性と２０％ＩＡＣＳ以上の高導電性を具えることから、例えばコイルばね用としてのばね特性と成形性及び靭性向上を図りながら、熱へたり性を向上し得る高強度ばね用の銅合金線として、導電性にも優れた銅合金線が可能となる。
【００１６】
したがって、高強度で導電性及び熱へたり性を高めるとともに、環境的にも好ましいことから、その応用分野を拡大することができる。
【００１７】
また請求項２の発明では、前記Ａｇをより適正にするとともに前記関係値（Ａ）を好ましい範囲にすることで、特に細物ばね用としての特性向上を図り、請求項３及び４の発明では、さらに強度と熱へたり特性を改良した高強度特性の銅合金の提供を可能にする。
【００１８】
請求項５の発明では、特に熱へたりの影響を受けやすい線径０．８ｍｍ以下の細線を対象とし、更にその結晶組織のアスペクト比が大きいことから、繊維強化機能をもたらして弾性特性を更に高めることができ、高強度の導電ばね製品の線材として有効である。
【００１９】
さらにばね製品に関する請求項６の発明では、機械的特性及び導電特性に優れた前記銅合金細線でばね成形したもので、またその熱へたり率も８．０％以下であることから、長期に亙って安定した使用ができ、寿命特性に優れた銅合金ばね製品が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明するが、本明細書では特に指定する場合を除き、各構成元素の含有量の単位「％」は「質量％」を意味している。
【００２１】
本発明の銅合金材料は、Aｇ：１．０〜８．０％とNi：０．５〜５．０％、及びSi：０．０５〜１．５％、Sn：０．１〜２．０％と、更にMg：０．０４〜０．３０％を含有して残部Cuおよび不可避的不純物で構成するとともに、前記Ｍｇの添加量に係る次式（Ａ）値が１．５〜８．０の範囲内に調整され、かつ引張強さ９００〜１３００ＭＰａ、導電率２０％ＩＡＣＳ以上を有するもので、それによって高強度で導電率に優れるとともに、ばね用（特にコイルばね用）としての成形性とばね弾性率、熱へたり性に優れた高寿命の銅合金線としている。
（Ａ）＝（２Ａｇ＋０．８Ｎｉ）／（３Ｓｉ＋１０Ｍｇ）
【００２２】
本発明で各元素を前記分量に制限する理由は次による。
〔Ａｇ〕は銅合金において強度及び弾性係数を高め、また結晶粒の粗大化を防ぐとともに、ＡｇＣｕ相を晶出させて高強度化を図ることから、特にばね用の銅合金には有効であるが、１．０％未満のものでは晶出層の形成が少なく、十分な効果は得られ難い。一方、Ａｇは非常に高価で、しかもその添加は母相のＣｕを減少させることとなり、その添加は導電性の低下をもたらす為、上限を８．０％にしており、より好ましくは１．０以上、５．０％未満、更に好ましくは２．５〜５．０％とする。
【００２３】
〔Ｎｉ〕と〔Ｓｉ〕は、ともに熱処理によってＮｉ２Ｓｉの金属間化合物を形成でき、導電率を低下させることなく高強度化を図ることができる。そして、Ｎｉ：０．５乃至Ｓｉ：０．０５％未満のものではその効果は十分なものと言えず、化合物形成が困難で所望の強度アップを図ることができない。他方、Ｎｉ：５．０％乃至Ｓｉ：１．５％を超えるものでは高強度化はできるものの、その一方で多量の化合物が形成することから靭性を低下させ、それに伴なって熱間加工性及びばね特性を低下させるとともに、導電率も低下することとなる。こうした観点から、より好ましいＮｉは１．５〜３．０％であり、又Ｓｉは０．２５〜０．６５％とすることが望ましい。
【００２４】
〔Ｓｎ〕は、銅合金材料の強度及びばね特性を向上させるため、少なくとも０．１％以上の添加が好ましいが、２．０％を超えるほど添加したものでは導電性、加工性を低下させることとなる。したがって、より好ましくは０．１５〜０．６５％とする。
【００２５】
〔Ｍｇ〕は、０．０４％以上の添加によって熱特性、特に熱へたり性を改善してばね寿命を向上できるが、０．３０％を超えると良好な曲げ加工性が得られずコイリング性を低下させることから、その添加量は前記（Ａ）値との関係を満たす０．０４〜０．３０％とし、より好ましくは０．０６〜０．２０％とする。
【００２６】
このような基本組成の中で、本発明は前記Ｍｇの耐熱性及び強度向上効果に着目し、さらに種々実験に基づく試験の中で、該Ｍｇは他の添加元素との間にある関係が存在することを見出し、その関係を前記（Ａ）値として制限するものである。これによって、特に接点コイルばねのような細線ばね用途に用いる場合の一般的な材料強度、導電性以外に、例えばコイル成形性やばね弾性、熱に対するばね寿命特性などの特殊機能をもたらすことができる。
【００２７】
本発明では、前記計算式で算出される（Ａ）値は１．５〜８．０としており、この（Ａ）値が１．５未満のものでは強度及び導電率が満足できず、逆に８．０を超えるものでは加工性に劣る他、十分な熱へたり性が得られないこととなる為、より好ましくは２．５〜６．０とする。特にＭｇによる熱へたり性改善の効果は、他の元素では得られ難く、またわずかな添加によって例えばＡｇと同等以上に高強度化できる余剰効果もあることから、結果的に材料全体における銅の含有量（純度）を高めることができ、導電性の点でも有利である。
【００２８】
また本発明の銅合金線は、前記組成に加えて更にＴｉ：０．１〜０．８％，Ｃｏ：０．１〜０．８％，Ｃｒ：０．１〜０．８％、及びＺｎ：０．３〜１．２％のいずれか１種又は２種以上の添加を許容し、それら第三元素の添加によって熱へたり性、弾性特性、加工性を高めることもできる。しかし、これら第三元素の添加は却って導電性を低下させることからその添加は必要最小限に留めることが好ましく、例えば合計添加量は１．５％以下とする。
【００２９】
本発明はこうした成分元素で構成され、残部が不可避的不純物とＣｕでなる銅合金線であり、該不可避的不純物には、例えば酸素（０），鉄（Ｆｅ），イオウ（Ｓ）などを挙げることができる。特に０は酸化物を作って塑性加工性を悪化させるとともに導電性を低下させることとなり、またＳ及びＦｅも有害な粗大介在物を形成させることから、各々０．１％以下に抑制し、またその合計は０．２％以下となるように調整することが望ましい。
【００３０】
こうした成分調整とともに、引張強さ９００〜１３００ＭＰａで、かつ２０％ＩＡＣＳ以上の導電率を備える銅合金線であって、熱ヘタリ性を改善した高強度の導電ばね用線が提供できる。前記引張強さは例えばＪＩＳ−Ｚ２２４１「金属材料引張試験方法」により、また導電率はＪＩＳ−Ｃ３００２「電気用銅線及びアルミニウム線試験方法」に準拠した２０℃の恒温槽中での４端子法（試料長さ１００ｍｍ）により各々測定することができる。
【００３１】
また「熱へたり性」については、前記するように銅合金線の使用に伴なって加熱された状態での熱へたりを対象にすることから、本発明では試験ばね製品を温度１２５℃の加熱状態で、２５０Ｎ／ｍｍ２の負荷応力を付加して１週間保持した後、除荷したときのへたり量の、試験前の状態に対する比率を「熱へたり率」として示すこととする。
【００３２】
例えば、試験対象のばね製品が圧縮コイルばねの場合の特性としては、ばね自由長の変化量が用いられ、その計算は｛（試験前の自由長−試験後の自由長）／試験前の自由長｝×１００の計算式で求め得るものであり、その値（熱へたり率）が小さいものほど熱へたり性に優れることを意味する。また、その測定条件を一定にする観点から、本発明では１２５℃の加熱温度と、２５０Ｎ／ｍｍ２の負荷応力、及び放置時間として１週間を設定しており、この条件は本発明に基づくばね製品の適正な使用状態を前提に設定したものであり、また前記自由長の変化量に代えて、例えば圧縮や曲げに伴なう荷重ロスや曲げ角度の変化量を対象にすることもできる。
【００３３】
また本発明は、このような構成に加えて更に材料マトリックス中のＣｕとＡｇとの共晶相及び／又は前記Ｎｉ２Ｓｉの粒子状化合物の複合形成を可能とし、その形態として例えば該共晶相及び／又はＮｉ２Ｓｉ粒子をその結晶組織内に均一に分布させたり、その長手方向に沿って連続又は断続的に点在配置した分布状態にすることができ、こうした第2相の形成によって、たわみ応力等の外力に抗してより大きなばね弾性をもたらすことができる。
【００３４】
特にこれら第2相となる析出物は、微細かつ硬質であることから分散強化あるいは繊維強化特性が付与でき、それによって材料自体の強度、ばねにおける弾性率、更には熱へたり性を高め得るが、必要以上の多量の形成は導電性を低下することから、実施においては他の特性を考慮しながら条件出しすることが必要である。
【００３５】
例えば前記Ｎｉ２Ｓｉ粒子では、その粒子は換算直径で３０ｎｍ以下（好ましくは５ｎm以下）程度の微細粒径を有し、かつこれを該銅マトリックス内に０．１〜３％の面積率で分布させることが好ましい。なお換算直径とは、該粒子の任意横断面面積を基に算出される真円直径を意味し、また図１には、本発明の実施例で得られた銅合金線の横断面における前記共晶相の分布状態の顕微鏡写真を示しており、この例では該共晶相は換算直径が０．５〜２０μｍ程度の大きさで、ほぼ均一に分布したものとなっている。
【００３６】
これら内容から、前記Ｎｉ２Ｓｉ粒子及び共晶相が微細形態で分布し、また本発明では、前記共晶相及びＮｉ２Ｓｉ粒子のいずれか一方だけを形成する場合を含むとともに、その効果として、例えばＮｉ２Ｓｉ粒子では、該粒子がＡｇとＣｕからなる共晶相の粒内及び粒界に分散析出することで応力が付加された際に交差すべりをピン止めする効果、すなわち熱へたり性を改善することとなる。
【００３７】
こうした作用によって、銅合金線の熱へたり性を高めるとともに、強度面においても更に０．２％耐力がその引張強さの７５〜８５％の耐力比をもたらすものが好ましく、それによって長寿命でばね弾性を向上することができる。かかる耐力比は、該線に歪（応力）を付加した時の弾性領域の範囲を意味する耐力が、引張強さのどの程度に相当するかを示すバロメーターとして示され、高強度で疲労寿命に優れたばね用とする場合は前記範囲に設定することが望ましい。
【００３８】
すなわち、この比率が７５％未満のものでは柔軟すぎてばねとしての弾性特性が得られず、逆に８５％を超えるものでは必要以上に剛性が増して疲労特性に劣り長寿命ばねとしての期待が得られ難いものとなる。なお該耐力比は、対象となる線材の化学組成やその後の加工条件によって種々変化し、例えば伸線加工率が３０％程度の比較的軽度な伸線加工での耐力比はせいぜい３０〜５０％程度に留まるのに対し、加工率９８％以上で強加工したものでは８５％を超える耐力比になるなど種々変化するものであり、その用途に応じて最適条件の選定が必要である。
【００３９】
また本発明の前記銅合金線は、特に軽薄短小用の小形機器に用いられる例えば線径が０．８ｍｍ以下の細線材として有用であり、前記耐力比との関係を考慮して該合金線は通常次のような熱処理と加工率５０％以上、好ましくは８０〜９７％程度の冷間加工によって得られ、その冷間加工は結晶組織を繊維状に微細化されることとなり、その縦断面における結晶の長さ(L)と太さ(d)との比率（アスペクト比：Ｌ／ｄ）の平均値が４〜２０であることが好ましい。なお、アスペクト比は、該銅合金線の例えば任意縦断面を１００〜４００倍程度に拡大した顕微鏡観察で、例えば無作為に抽出した５〜２０点程度の結晶粒毎に求めた各アスペクト比を平均化した値（平均アスペクト比）が用いられる。平均アスペクト比が４未満のものでは、ばね用として必要な強度を持たすことができず、一方、平均アスペクト比が２０を超える場合、その為に強度の加工が必要となることから、得られた線材は剛性が大きくなって、疲労寿命を低下させることが懸念されることとなり、より好ましくは６〜１８とする。
【００４０】
次に、該銅合金線の製造方法を説明すれば、前記するように熱処理と冷間加工が行なわれ、例えば銅マトリックス中に積極的にＡｇとＣｕからなる共晶相（ＡｇＣｕ相）やＮｉ２Ｓｉ化合物を析出させるものでは、温度３００〜６５０℃×１分〜１０時間で、真空又はアルゴンや窒素などの無酸化性雰囲気中での熱処理が推奨できる。
【００４１】
その温度が３００℃未満では加工性が改善されず、また６５０℃を超える程高温のものでは結晶粒が粗大化して高強度化が図れず、ばね用途への展開が困難である。より好ましくは４５０〜６００℃×５〜６０分とする。また冷間加工については、加工率５０％未満のものでは前記粒子等の好ましい分布状態が得られず、強度特性も満足するものとは成り得ない。
【００４２】
こうして処理された例えば線径０．８ｍｍ以下の銅合金細線は、引張強さ９００〜１３００ＭＰａ（好ましくは１０００〜１２００ＭＰａ）でかつその縦断面における結晶粒子が前記平均アスペクト比を有することから、高強度で良好な靭性を持つとともに、コイリング成形性にも優れるものとなる。
すなわち、引張強さが９００ＭＰａ未満のものでは高強度ばね用として満足できず、また本発明に係る銅合金の加工硬化特性は、ステンレス鋼など他の鉄鋼材料に比して低くいことから、必要以上に強加工してもその効果は飽和するとともに、歩留まり上昇によるコストアップとなることから、その上限を１３００ＭＰａとしている。また導電率についても、例えば接点ばね用として用いる場合は、特に重要な要素であり、わずかな接触面積でも十分な導電性をもたらす為には、少なくとも２０％ＩＡＣＳが必要である。そしてその上限については、本発明の銅合金線はＡｇやＮｉなどの添加元素を含み、また高強度化の為に種々の加工も行われることから軟銅より低い３６％ＩＡＣＳ程度とされる。
なお、この導電率については、例えば次段以降に説明するような低温度でのテンパー処理によってその特性を高めることができる。
【００４３】
またばね成形については、例えば通常のコイルばねや直線ばねなどの他、例えばコンタクトプローブなどでの接点ばね用として、直線ばねの一部をくの字形に折り曲げたものが実施され、これらばね製品は、さらに必要に応じてテンパーなどの第２次熱処理を行い、導電性ばねとして用いる際のへたり、弾性強度特性、熱へたり性等の諸特性を向上することも好ましい。熱へたり性については、本発明では前記するように、温度１２５℃での加熱状態で、負荷応力２５０Ｎ／ｍｍ２を付加した状態で１週間保持した後に取り出した時の熱へたり率で評価しており、その値が８．０％以下のものとしている。
【００４４】
この場合の評価方法としては、応力付加に伴なう曲げ角度、すなわちトーション角度の変化量が用いられ、測定は、例えばこのような所定応力を付加した状態で冶具にセットして、所定温度の熱処理炉内に放置する方法が用いられる。
【００４５】
本発明による銅合金材料は、高強度・高導電性で、特に使用に応じた加熱状態での熱へたり性に優れており、熱影響を受けやすい特に細線でなる銅合金線、及びその合金線を用いたばね製品での高機能化を図ることができ、かかる特性が要求される各種電気・電子部品の精密導電性ばねとして有用である。
【実施例１】
【００４６】
《試験１：原材料の明細》
周囲に水冷ジャケットを設けた黒鉛鋳型を有する連続鋳造機を用いて、表１に示す組成となる合計７種類の銅合金材料（実施例１Ａ〜３）を各々１１００℃以上で溶解し、連続鋳造して直径８．０ｍｍの鋳造ロッドを製造した。一方、比較材には、前記特許文献１に相当する銅合金材料（比較例１）、従来のベリリウム添加銅合金材料（比較例２）、その他２種類の銅合金材料（比較例３、４）による各直径８．０ｍｍロッドを比較用の原材料とした。
【００４７】
【表１】
【００４８】
この中で、試験材１Ａ〜１ＣはＭｇを約０．１５％程度添加してＡｇを各々変化させることで前記（Ａ）値を７．６〜２．８にまで変化させたもので、特に試験材１Ａは前記先行特許文献１に単にＭｇを添加した場合の効果を見る為に、意図的にＡｇ量を本発明の範囲外にしており、試験材２Ａ〜２Ｃは前記試験材１Ａ〜１ＣよりもＭｇを半分近く減少させた場合の効果を見る為に、Ａｇ及びＮｉ量を各々変化させ、更に試験材３ではＭｇの下限量に相当する０．０４％に設定したものである。網掛け数値は本発明の範囲外であることを示す。
【００４９】
《試験２：伸線加工性》
そして、これら原材料ロッドを冷間伸線加工と３５０〜４５０℃での中間熱処理を繰返し行ないながら線径３．０ｍｍに細径化して、更に温度４５０℃×６ｍｉｎ．の条件で熱処理を行なって軟質素線とし、そして、この軟質素線を連続伸線機で各々加工率９５％の冷間伸線加工を行なうことで、本発明に係る最終仕上げ径０．７ｍｍの硬質銅合金線を得た。
【００５０】
次に、該合金線がばね製品に用いられることを前提として、ばね成形後に行なう低温熱処理（ＨＴ処理）による機械的特性の効果を確認する為に、該合金線を温度３００℃×６０ｍｉｎ．の条件でＨＴ処理した時の特性の変化を調べた。
【００５１】
こうした処理に伴なう各特性は表２に示しており、本発明に係わる実施例材は、引張強さ約１０００〜１１００ＭＰａで、２４〜３２％ＩＡＣＳの高い導電性が得られている。この特性は前記先行特許文献１に係わる比較例材１との比較ではさほど異なるものではないが、従来使用されていたベリリウム銅合金に相当する比較例材２より優れ、特に、Ｍｇを０．０４〜０．０８％含有する試験材２Ｂ，２Ｃ及び３では導電性にも優れた特性であった。またこの中で、試験材1Ｃ及び2Ｃの合金線について結晶組織を調べた結果、平均結晶粒径１．１〜５．５μmでかつアスペクト比８〜１５程度の繊維状組織を有し、また図1に見られるような共晶相とＮｉ２Ｓｉ粒子が確認された。
【００５２】
【表２】
【００５３】
《試験３：コイリングばね加工性》
次に、その具体的用途として次の仕様のコイルばねをコイリング加工し、加工性及び得られたばね製品の特性評価を合わせて行なったので、その結果を前記表２に併記している。
ばね形状 圧縮コイルばね
コイル外径 ７．６６ｍｍ（Ｄ／ｄ＝１０）
自由長 １３．５ｍｍ
総巻数 ６．５ （ピッチ１．６ｍｍ）
【００５４】
コイリングは、前記仕様のコイルばねを各試験材毎に新興機械工業社製のばね成形機（ＶＦ７１２ＥＬ型）によって、速度６０個／ｍｉｎ．の条件で連続的に成形加工し、加工作業性とばね自由長のバラツキ程度をＡ（良好）〜Ｄ（不可）の４段階で官能的評価したものであリ、特に試験材１Ｃ及び試験材２Ｃ，試験材３などが良好であった。
【００５５】
《試験４：熱へたり特性試験》
そこで、こうして得られた前記コイルばねを、各々コンベア炉によって連続的に低温テンパー処理し、目的のばね製品を得た。 テンパー処理は、温度３００℃×30分の条件で加熱した後に空冷する条件で行い、これによって加工歪を解消して特性向上を図るものとしている。
【００５６】
またばね製品に対する熱へたり特性試験については、予め設定した負荷応力（１５０〜４００ＭＰａ）を加えた状態で試験型具に装着するとともに、これを試験温度１２５℃に加熱した炉内に挿入して約１週間に亙って加熱放置する方法を採用し、試験前後のコイルばねの自由長の変化を前記算式で比較したものであり、各応力に対する熱へたり率の変化を図２に示している。
【００５７】
この結果に見られるように、本発明による試験材の応力２５０Ｎ／ｍｍ２では、いずれも６〜８％の熱へたり率に留まり、比較材の１０〜１３％より大幅な低減が見られた。
【実施例２】
【００５８】
《試験１：原材料の明細・伸線加工性》
他の試験例として、実施例１で用いた原材料ロッドの中で、試験材1Ｃ，2Ｃ及び3と、比較材1，3を用いて、前記実施例1と同様に冷間伸線加工とその後の熱処理（中間熱処理）を繰返し行いながら線径３．０ｍｍに細径化し、更に温度５００℃×１０ｍｉｎ．の条件で各々熱処理をして軟質素線を得た。次に、この各軟質素線を各々加工率９０％の連続伸線機で冷間加工して最終仕上げ径０．０６０ｍｍの硬質銅合金細線に加工した。いずれの線材も伸線加工性は良好で、特に断線等の問題はなく、スムーズな細径処理ができた。
【００５９】
《試験２：真直加工》
そして、得られた０．０６０ｍｍの各硬質銅合金細線を、各々ロールタイプの直線加工機にセットして真直処理するとともに、長さ１５ｍｍにカットして直線ばねを得た。その直線度について、各ロッド毎に抽出した２０点のばねサンプル毎に各々円弧高さを測定し、その平均値を長さ１００ｍｍに換算することで行なったが、各試験材とも２／１００ｍｍ程度で、比較材ばねの５／１００ｍｍより大幅に良好なものであった。
【００６０】
《試験３：熱へたり特性試験》
こうして得られた直線カット品の端部を治具にセットしもう一方の端部に予め設定した曲げ応力（２００〜８００ＭＰａ）を付与して、各々試験温度１２５℃に加熱した炉内に挿入して１週間放置し、その後炉内から取り出して除荷したときの直線度を試験前の直線度と比較することで、熱へたり特性を評価した。
【００６１】
この結果から、本発明による試験材はいずれも負荷応力２５０Ｎ／ｍｍ２で６〜８％の熱へたり率に留まり、比較材より良好であった。
【００６２】
次に、この実施例で得られたばね製品の使用性能を評価する為に、半導体の回路検査用の検査冶具に取り付けて使用性能を確認した。その結果、本発明によるばね製品は高強度でしかも熱へたり性にも優れていることから、従来懸念されるようなばね特性の低下が見られず、長寿命を有するものであることが確認された。さらに、優れた導電率を有していることから、細線であるにも係らず微妙な低電流の検出ができ、特性的に優れるものであった。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
以上の結果から明らかなように、本発明による銅合金材料は、ばね成形用として十分な特性を有し、また熱の影響を受けにくいこと、十分な導電性を有することから、例えば半導体や精密電子機器用のばね用材料として使用し得るものであり、さらにベリリウムなどの有害物質を含む従来の銅合金の代替材料として優れた有益性を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明に係わる高強度銅合金線材の共晶相の分布状態の一例を示す顕微鏡写真である。
【図２】実施例に基づく銅合金線材の負荷応力に対する熱へたり特性の変化を示す線図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量で、Aｇ：１．０〜８．０％、Ni：０．５〜５．０％、Si：０．０５〜１．５％、Sn：０．１〜２．０％とMg：０．０４〜０．３０％を含有して残部Cuおよび不可避的不純物で構成され、
かつ次式（Ａ）値が１．５〜８．０で、引張強さ９００〜１３００ＭＰａ、導電率２０％ＩＡＣＳ以上の特性を有することを特徴とする高強度ばね用の銅合金線。
（Ａ）＝（２Ａｇ＋０．８Ｎｉ）／（３Ｓｉ＋１０Ｍｇ）
【請求項２】
質量で、前記Ａｇが１．０％以上、５．０％未満で、かつ前記（Ａ）値が、２．５〜６．０に調整されてなることを特徴とする請求項１記載の銅合金線。
【請求項３】
さらに、Ti：０．１〜０．８％、Co：０．１〜０．８％、Cr：０．１〜０．８％及びZn：０．３〜１．２％のいずれか１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の銅合金線。
【請求項４】
その組織内にＣｕとＡｇとの共晶相及び／又はＮｉ２Ｓｉ粒子を含有するとともに、０．２％耐力が前記引張強さの７５〜８５％の特性を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銅合金線。
【請求項５】
線径が０．８ｍｍ以下の細線材で、かつその縦断面における結晶組織の平均アスペクト比（結晶長さ／結晶太さ）が４〜２０であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の銅合金線。
【請求項６】
請求項1〜５のいずれかに記載の銅合金線によって所定のばね形状に成形され、かつ温度１２５℃の加熱状態で、２５０Ｎ／ｍｍ２の負荷応力を付加して１週間保持した後、除荷したときの熱へたり率が８．０％以下の特性を有することを特徴とする銅合金ばね。
【請求項１】
質量で、Aｇ：１．０〜８．０％、Ni：０．５〜５．０％、Si：０．０５〜１．５％、Sn：０．１〜２．０％とMg：０．０４〜０．３０％を含有して残部Cuおよび不可避的不純物で構成され、
かつ次式（Ａ）値が１．５〜８．０で、引張強さ９００〜１３００ＭＰａ、導電率２０％ＩＡＣＳ以上の特性を有することを特徴とする高強度ばね用の銅合金線。
（Ａ）＝（２Ａｇ＋０．８Ｎｉ）／（３Ｓｉ＋１０Ｍｇ）
【請求項２】
質量で、前記Ａｇが１．０％以上、５．０％未満で、かつ前記（Ａ）値が、２．５〜６．０に調整されてなることを特徴とする請求項１記載の銅合金線。
【請求項３】
さらに、Ti：０．１〜０．８％、Co：０．１〜０．８％、Cr：０．１〜０．８％及びZn：０．３〜１．２％のいずれか１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の銅合金線。
【請求項４】
その組織内にＣｕとＡｇとの共晶相及び／又はＮｉ２Ｓｉ粒子を含有するとともに、０．２％耐力が前記引張強さの７５〜８５％の特性を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銅合金線。
【請求項５】
線径が０．８ｍｍ以下の細線材で、かつその縦断面における結晶組織の平均アスペクト比（結晶長さ／結晶太さ）が４〜２０であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の銅合金線。
【請求項６】
請求項1〜５のいずれかに記載の銅合金線によって所定のばね形状に成形され、かつ温度１２５℃の加熱状態で、２５０Ｎ／ｍｍ２の負荷応力を付加して１週間保持した後、除荷したときの熱へたり率が８．０％以下の特性を有することを特徴とする銅合金ばね。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００９−２４２８８４（Ｐ２００９−２４２８８４Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９１７９３（Ｐ２００８−９１７９３）
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（０００２３１５５６）日本精線株式会社 (47)
【出願人】（３０６０１３１２０）昭和電線ケーブルシステム株式会社 (218)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（０００２３１５５６）日本精線株式会社 (47)
【出願人】（３０６０１３１２０）昭和電線ケーブルシステム株式会社 (218)
【Ｆターム（参考）】
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