高強度高導電率高耐熱性銅基合金の製造方法及び高強度高導電率高耐熱性銅基合金
【課題】めっき性やスタンピング性に優れる従来の電気・電子部品用銅基合金の化学成分と製造方法を改良することで、高強度高導電率高耐熱性銅基合金の製造方法を提供する。
【解決手段】所定の成分からなる銅基合金の鋳塊を、８００〜１０５０℃の温度に加熱して圧下率５０％以上の熱間圧延を施した後、圧下率３０％以上で冷間圧延し、９５０〜１０５０℃の温度に１分以上保持後、３００℃まで３０秒以下の時間で冷却し、その後圧下率３０％以上で冷間圧延した後、５５０〜６２５℃の温度で１〜４時間、更に４００〜５００℃の温度で１〜１０時間の時効焼鈍を施し、次いで圧下率７０〜９０％の冷間圧延後、３００〜４５０℃の温度で１〜５分の歪み除去焼鈍を行う方法である。
【解決手段】所定の成分からなる銅基合金の鋳塊を、８００〜１０５０℃の温度に加熱して圧下率５０％以上の熱間圧延を施した後、圧下率３０％以上で冷間圧延し、９５０〜１０５０℃の温度に１分以上保持後、３００℃まで３０秒以下の時間で冷却し、その後圧下率３０％以上で冷間圧延した後、５５０〜６２５℃の温度で１〜４時間、更に４００〜５００℃の温度で１〜１０時間の時効焼鈍を施し、次いで圧下率７０〜９０％の冷間圧延後、３００〜４５０℃の温度で１〜５分の歪み除去焼鈍を行う方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多ピンＩＣ用のリードフレームなどに代表される電気・電子部品材料に好適な高強度高導電率高耐熱性銅基合金の製造方法及び高強度高導電率高耐熱性銅基合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
銅および銅基合金は導電率・熱伝導性が非常に高いことからリードフレームを始めとする電気・電子部品用材料として利用されてきた。近年ではリードフレームの薄肉、狭ピン、狭ピッチ化が益々進み、一部は厚さ１００μｍ以下にまでなっており、非常に高い強度が要求されるようになっている。
【０００３】
またリードフレームの作製では、銅および銅基合金を所定の厚さに圧延した条材に、スタンピング加工やエッチング処理を施して所定の形状に加工することが行われる。スタンピング加工の際には、スタンピングによる歪みを除去するための歪み除去工程で４００℃以上の温度での加熱をするなど、高温加熱処理される場合も多い。さらに、各種めっき処理や、パッケージング加工でのダイ・ボンディングやワイヤ・ボンディング、樹脂モールディングが実施される。
【０００４】
従って、リードフレーム材料には導電率や強度（１次特性）のみならず、スタンピング性、耐熱性（高温に加熱した際の強度低下の度合い）、更にはエッチング性、各種めっき性、半田密着性、酸化膜密着性、樹脂密着性、ワイヤ・ボンディング性など（２次特性）が要求される。
【０００５】
これらの特性を全て充分に満足する材料はないが、多ピンＩＣのリードフレーム材料としては、特性、コスト、入手性といった観点から、Ｃｕ−２．２ｍａｓｓ％Ｆｅ−０．０３ｍａｓｓ％Ｐ−０．１２ｍａｓｓ％Ｚｎを標準化学組成とするＣＤＡ Ａｌｌｏｙ １９４（例えば、特許文献１参照）、Ｃｕ−３．０ｍａｓｓ％Ｎｉ−０．６５ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．１５ｍａｓｓ％Ｍｇを標準化学組成とするＣＤＡ Ａｌｌｏｙ ７０２５、またＣｕ−０．２３ｍａｓｓ％Ｃｒ−０．２５ｍａｓｓ％Ｓｎ−０．２０ｍａｓｓ％Ｚｎを標準化学組成とするＣＤＡ Ａｌｌｏｙ １８０４５に集約されつつある（ＣＤＡ：米国銅開発協会）。
【０００６】
ＣＤＡ Ａｌｌｏｙ １９４は最高強度の質別であるＥＳＨとしても、引張強さ５５０Ｎ／ｍｍ2程度、ビッカース硬さ１６０Ｈｖ程度であり、他の２種類の銅基合金よりも強度が低い。また耐熱性も低く、例えば４５０℃で５分程度加熱すると、元の強さの８０％以下に軟化してしまう。一方で２次特性に重大な欠陥が無く、入手性も良いため広く使用されている。
【０００７】
銅基合金の強度および耐熱性を向上させる方法としては、Ｍｇなど不純物元素（合金元素）の微量添加によるもの（例えば、特許文献２参照）や、製造方法の改良によるもの（例えば、特許文献３参照）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公昭４５−０１０６２３号公報
【特許文献２】特公昭６４−０００４４９号公報
【特許文献３】特許第３７６３２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、例えばＭｇは０．０５ｍａｓｓ％程度の添加でも強度や耐熱性が著しく向上するが（特許文献２に開示される方法）、一方でめっき時に異常析出を助長させるなどし、合金元素の過度の添加は、強度および耐熱性以外の特性を劣化させるため望ましくない。また、従来の製造方法の改良（特許文献３に開示される方法）により製造される銅基合金も、その強度および耐熱性はＣＤＡ Ａｌｌｏｙ １８０４５よりも劣り、さらなる改良が求められている。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、めっき性やスタンピング性に優れる従来の電気・電子部品用銅基合金の化学成分と製造方法を改良し、高強度高導電率高耐熱性銅基合金の製造方法及び高強度高導電率高耐熱性銅基合金を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明の第１の態様は、Ｆｅ：１．８〜２．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１〜０．１ｍａｓｓ％、Ｚｎ：０．０１〜１．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．２ｍａｓｓ％、およびＭｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉからなる元素を総量で０．００１〜０．０５ｍａｓｓ％含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる銅基合金の鋳塊を、８００〜１０５０℃の温度に加熱して圧下率５０％以上の熱間圧延を施した後、圧下率３０％以上で冷間圧延し、９５０〜１０５０℃の温度に１分以上保持後、３００℃まで３０秒以下の時間で冷却し、その後圧下率３０％以上で冷間圧延した後、５５０〜６２５℃の温度で１〜４時間、更に４００〜５００℃の温度で１〜１０時間の時効焼鈍を施し、次いで圧下率７０〜９０％の冷間圧延後、３００〜４５０℃の温度で１〜５分の歪み除去焼鈍を行う高強度高導電率高耐熱性銅基合金の製造方法である。
【００１２】
また本発明の第２の態様は、上記の方法により製造される高強度高導電率高耐熱性銅基合金であって、導電率６５％ＩＡＣＳ以上、引張強さ５６０Ｎ／ｍｍ2以上、ビッカース硬さ１６５Ｈｖ以上を有し、５００℃で５分間加熱後の強度が、加熱前の９０％以上である高強度高導電率高耐熱性銅基合金である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、めっき性やスタンピング性に優れる従来の電気・電子部品用銅基合金の化学成分と製造方法を改良することで、高強度高導電率高耐熱性銅基合金の製造方法及びその銅基合金を提供できる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００１５】
まず、本発明に係る高強度高導電率高耐熱性銅基合金の化学組成について説明する。
【００１６】
本発明に係る銅基合金は、Ｆｅ，Ｐ，Ｚｎ，Ｓｎを主な合金元素として含有し、さらにＭｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉからなる元素を微量含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる。
【００１７】
Ｆｅは強度や耐熱性の向上に寄与する。添加量が１．８ｍａｓｓ％より少ないとＦｅの析出量が足りず、必要とする強度および耐熱性が得られない。また、熱間圧延加工性が著しく低下する。一方、２．５ｍａｓｓ％を超えると鋳造時のＦｅの粗大晶出物の生成や、溶解時のＦｅの溶け残りの発生が起こり、これらが最終製品にまで残存することで、変色、エッチング性やめっき性の低下、ボンディング不良、曲げ時の割れ等を引き起こす。また、導電率の低下も大きくなる。従って、Ｆｅの添加量は１．８〜２．５ｍａｓｓ％、望ましくは２．１〜２．３ｍａｓｓ％とする。
【００１８】
Ｐは脱酸剤として寄与するほか、Ｆｅとの化合物を形成し、強度の向上にも寄与する。添加量が０．０１ｍａｓｓ％より少ないと充分な効果が得られない。一方、０．１ｍａｓｓ％を超えると鋳造性や熱間加工性を低下させるとともに導電率の低下ももたらす。従って、Ｐの添加量は０．０１〜０．１ｍａｓｓ％、望ましくは０．０２〜０．０４ｍａｓｓ％とする。
【００１９】
Ｚｎは電気・電子部品に必要な半田密着性や半田耐熱剥離性の向上に寄与するほか、脱酸剤としても寄与する。添加量が０．０１ｍａｓｓ％より少ないと充分な効果が得られない。一方、１．５ｍａｓｓ％を超えると導電率の低下をもたらす。従って、Ｚｎの添加量は０．０１〜１．５ｍａｓｓ％、望ましくは０．１〜０．２ｍａｓｓ％とする。
【００２０】
ＳｎはＣｕ中に固溶して強度と耐熱性の向上に寄与する。添加量が０．０１ｍａｓｓ％より少ないと充分な効果が得られない。一方、０．２ｍａｓｓ％を超えると導電率の低下が顕著になるとともに、鋳造性が著しく低下する。従って、Ｓｎの添加量は０．０１〜０．２ｍａｓｓ％、望ましくは０．０５〜０．１０ｍａｓｓ％とする。
【００２１】
更に、Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉからなる元素を、総量で０．００１〜０．０５ｍａｓｓ％含有していても特性を満足するが、０．０５ｍａｓｓ％を超えると導電率の不足やめっき性の低下を引き起こす。
【００２２】
以上のような化学組成とされることで、めっき性やスタンピング性など２次特性が良好である銅基合金を提供できる。
【００２３】
次に、本発明に係る高強度高導電率高耐熱性銅基合金の製造方法について説明する。
【００２４】
通常坩堝式溶解炉やチャネル式溶解炉などの電気炉で上記化学組成に調整して溶解後、例えば連続鋳造により厚さ１５０〜２５０ｍｍ、幅４００〜１０００ｍｍ程度の矩形断面鋳塊を製造する。
【００２５】
次に、鋳塊を８００〜１０５０℃の温度に加熱して、圧下率５０％以上で熱間圧延を施す。
【００２６】
加熱により鋳造時の冷却過程で析出したＦｅやＦｅ−Ｐ系化合物をＣｕ中に再固溶させるが、加熱温度が８００℃より低いと充分に固溶せず、再結晶が充分に起こらずに熱間加工性が低下して割れが発生する。一方、加熱温度が１０５０℃より高いと酸化スケールの増大や結晶の粗大化を引き起こす。望ましくは９００〜９８０℃である。
【００２７】
また、圧下率が５０％より低いと均一に再結晶が起こらず、不均一な金属組織が最終製品にまで残存する可能性がある。望ましくは９０％以上である。
【００２８】
熱間圧延後の冷却速度は本発明においては特に規定せず、一般的な水冷シャワーなどによって熱間圧延終了後に冷却することができる。
【００２９】
この後、酸化スケールを除去し冷間圧延するが、望ましくは３０％以上の圧下率である。圧下率が３０％より低いと、この後に続く溶体化処理の際に均一な再結晶組織が得られない。
【００３０】
続いて９５０〜１０５０℃の温度に加熱して１分以上保持後、３００℃まで３０秒以下の時間で冷却する。以下、この操作を溶体化処理と呼ぶ。
【００３１】
本発明において溶体化処理の条件は最も重要で、高温から急冷することによりＣｕの母相中にＦｅ原子を過飽和に固溶させることと、焼き入れクラスターと呼ばれる原子空孔を多く導入させることを特徴とする。焼き入れクラスターはこの後の時効析出挙動に大きな影響を及ぼす。
【００３２】
溶体化処理の加熱温度が９５０℃より低いと目標の強度と耐熱性が得られず、一方１０５０℃を超えると再結晶粒の粗大化が顕著になる。また加熱の保持時間が１分より短くても目標の強度と耐熱性が得られない。加熱後の冷却速度は冷却中にＦｅが析出しないようにするためにできる限り速くすることが必要であり、冷却開始からＦｅの拡散速度が充分に遅くなる３００℃までは３０秒以下の時間で冷却させなければならない。
【００３３】
次に圧下率３０％以上で冷間圧延した後、５５０〜６２５℃の温度において１〜４時間（以下、時効１）、更に４００〜５００℃の温度において１〜１０時間（以下、時効２）加熱し、Ｃｕの母相中にＦｅおよびＦｅ−Ｐ系化合物を析出させる。以下、この操作を時効焼鈍と呼ぶ。時効１の温度が５５０℃より低いと、析出物が強度と耐熱性の向上に寄与するサイズにまで充分成長せず（時効不足）、一方６２５℃より高いと析出物が粗大化して（過時効）、強度と耐熱性が低下する。望ましくは５７５〜６００℃である。また時効１の時間が１時間より短いと時効不足、４時間より長いと過時効となり強度と耐熱性が低下する。望ましくは２〜３時間である。
【００３４】
時効２は時効１よりも低い温度で微細な析出物を多く析出させるためのもので、強度や耐熱性よりも導電率を向上させるための熱処理である。時効２の温度が４００℃より低いと析出速度が著しく低下して充分に導電率が向上せず、５００℃より高いと過時効となり強度や耐熱性を低下させてしまう可能性がある。望ましくは４２５〜４７５℃である。また時効２の時間が１時間より短いと充分に導電率が向上せず、１０時間より長いと過時効となり強度と耐熱性を低下させてしまう可能性がある。望ましくは４〜６時間である。また、時効２は時効１の冷却中に開始しても、一度室温まで下げてから開始してもよい。更に時効１と時効２の間には圧下率５０％以下の冷間圧延を加えてもよい。
【００３５】
時効焼鈍の後に圧下率７０〜９０％の冷間圧延を施す。ここでは加工硬化により強度を向上させる。従って、圧下率が７０％より低いと充分な強度が得られず、９０％より高いと強度の向上が飽和するとともに耐熱性の低下が顕著になる。望ましくは７５〜８５％である。
【００３６】
最後に３００〜４５０℃の温度において１〜５分保持することによる歪み除去焼鈍を行う。ここでは伸びを回復させる狙いがある。温度が３００℃より低いか、時間が１分より短いと伸びが充分に回復せず、温度が４５０℃より高いか、時間が５分より長いと強度が低下してしまう。
【００３７】
以上のようにされることで、本発明に係る製造方法は、Ｃｕ母相の金属組織と析出物の時効析出挙動とを制御し、導電率６５％ＩＡＣＳ以上、引張強さ５６０Ｎ／ｍｍ2以上、ビッカース硬さ１６５Ｈｖ以上と優れた特性を有する銅基合金を製造できる。
【００３８】
また、５００℃の高温に５分間加熱した後の強度が、加熱前の強度の９０％以上であり、優れた耐熱性を有する銅基合金を提供できる。
【００３９】
なお、本発明に係る高強度高導電率高耐熱性銅基合金の製造方法は上記実施の形態に限られるものではなく、例えば異なる合金元素を主成分として含有する銅基合金（Ｃｕ−Ｆｅ−Ｎｉ−Ｐ系合金など）にも適用可能であり、圧下率および溶体化処理温度などを適宜変更することにより、更に強度・導電率・耐熱性をバランス良く高めた銅基合金を提供することができる。
【実施例】
【００４０】
以下に、本発明の実施例を説明する。
【００４１】
Ｆｅ：２．２ｍａｓｓ％，Ｐ：０．０３ｍａｓｓ％，Ｚｎ：０．１２ｍａｓｓ％，Ｓｎ：０．０５ｍａｓｓ％，Ｓｉ：０．０１ｍａｓｓ％の化学組成の銅基合金を中周波誘導加熱型坩堝炉で溶解調整後、銅製鋳型で半連続鋳造し、厚さ１８０ｍｍ×幅５００ｍｍの断面サイズの矩形断面鋳塊を鋳造した。
【００４２】
加熱炉で３００℃／ｈの昇温速度で９５０℃に加熱して３０分保持し、その後熱間圧延し、厚さ１２ｍｍとした（圧下率：約９３％）。最終パス後、約７００℃の温度から水冷シャワーで２００℃／分の冷却速度で１００℃以下まで冷却した。表面の酸化スケールを除去後、厚さ２ｍｍまで冷間圧延した（圧下率：約８３％）。
【００４３】
次に、コイルを長手方向に数本に切り分けた。これらのコイルをまず、連続焼鈍炉で種々の条件で溶体化処理を施した後、厚さ０．７５ｍｍまで冷間圧延した（圧下率：約６２％）。次に、バッチ式焼鈍炉で種々の条件で時効焼鈍を施した後、厚さ０．１５ｍｍまで冷間圧延した（圧下率：約８０％）。最後に連続焼鈍炉で４００℃×２分相当の歪み除去焼鈍を施した。
【００４４】
製造した種々の銅基合金に対し、直流４端子法での導電率の測定、断面のビッカース硬さ測定、引張試験（引張強さと破断伸びの測定）を実施した。また、銅基合金の耐熱性を評価するために、銅基合金を５００℃に保持したソルトバスに５分浸漬後、水槽に投入して急冷し、その断面のビッカース硬さを測定した。測定した加熱後のビッカース硬さの、加熱前のビッカース硬さに対する比を求め、これを百分率で表示したものを耐熱性とした。
【００４５】
銅基合金の製造条件と、それぞれの特性との関係を表１に示す。
【００４６】
【表１】
【００４７】
表１に示すように、本発明に係る銅基合金Ａ，Ｂではいずれも導電率６５％ＩＡＣＳ以上、引張強さ５６０Ｎ／ｍｍ2以上、ビッカース硬さ１６５Ｈｖ以上、耐熱性９０％以上と良好な特性を有する。さらにＡとＢとを比較すると、溶体化処理の加熱温度が高く、時効１の温度も高いＡの方がより高い強度と耐熱性を有している。一方、従来方法により製造された銅基合金Ｃ，Ｄ，Ｅは本発明（銅基合金Ａ，Ｂ）よりも溶体化処理温度が低く、および／あるいは、冷却速度が遅く、強度と耐熱性が本発明に係る銅基合金Ａ，Ｂよりも低くなった。つまり、銅基合金の強度、導電率、耐熱性を高めるためには、溶体化処理温度を高温として多くの焼き入れクラスターを導入すると共に、溶体化処理時の冷却速度をできるだけ速くして、合金元素が析出しないようにすることが重要であることが分かる。
【００４８】
更に、比較例の銅基合金Ｆは溶体化処理されておらず、Ｇは溶体化温度が９００℃未満であり、いずれも強度と耐熱性が本発明の銅基合金Ａ，Ｂよりも低く、硬さは１６０Ｈｖ未満、耐熱性は７５％未満と著しく低下する。
【００４９】
時効１の条件が本発明とは異なる比較例の銅基合金Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋは、時効不足か過時効のため強度と耐熱性が低く、硬さは１５５Ｈｖ以下、引張強さは５２０Ｎ／ｍｍ2未満、耐熱性は９０％未満である。
【００５０】
時効２の条件が本発明とは異なる比較例の銅基合金Ｌ，Ｍ，Ｎ，Ｏでは、Ｌ，Ｎは高い強度と耐熱性を有するが、時効不足のため導電率が６０％ＩＡＣＳ未満と低い。またＭ，Ｏは高い導電率を有するが、過時効のため硬さは１６０Ｈｖ未満、引張強さは５４０Ｎ／ｍｍ2未満、耐熱性は９０％未満である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多ピンＩＣ用のリードフレームなどに代表される電気・電子部品材料に好適な高強度高導電率高耐熱性銅基合金の製造方法及び高強度高導電率高耐熱性銅基合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
銅および銅基合金は導電率・熱伝導性が非常に高いことからリードフレームを始めとする電気・電子部品用材料として利用されてきた。近年ではリードフレームの薄肉、狭ピン、狭ピッチ化が益々進み、一部は厚さ１００μｍ以下にまでなっており、非常に高い強度が要求されるようになっている。
【０００３】
またリードフレームの作製では、銅および銅基合金を所定の厚さに圧延した条材に、スタンピング加工やエッチング処理を施して所定の形状に加工することが行われる。スタンピング加工の際には、スタンピングによる歪みを除去するための歪み除去工程で４００℃以上の温度での加熱をするなど、高温加熱処理される場合も多い。さらに、各種めっき処理や、パッケージング加工でのダイ・ボンディングやワイヤ・ボンディング、樹脂モールディングが実施される。
【０００４】
従って、リードフレーム材料には導電率や強度（１次特性）のみならず、スタンピング性、耐熱性（高温に加熱した際の強度低下の度合い）、更にはエッチング性、各種めっき性、半田密着性、酸化膜密着性、樹脂密着性、ワイヤ・ボンディング性など（２次特性）が要求される。
【０００５】
これらの特性を全て充分に満足する材料はないが、多ピンＩＣのリードフレーム材料としては、特性、コスト、入手性といった観点から、Ｃｕ−２．２ｍａｓｓ％Ｆｅ−０．０３ｍａｓｓ％Ｐ−０．１２ｍａｓｓ％Ｚｎを標準化学組成とするＣＤＡ Ａｌｌｏｙ １９４（例えば、特許文献１参照）、Ｃｕ−３．０ｍａｓｓ％Ｎｉ−０．６５ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．１５ｍａｓｓ％Ｍｇを標準化学組成とするＣＤＡ Ａｌｌｏｙ ７０２５、またＣｕ−０．２３ｍａｓｓ％Ｃｒ−０．２５ｍａｓｓ％Ｓｎ−０．２０ｍａｓｓ％Ｚｎを標準化学組成とするＣＤＡ Ａｌｌｏｙ １８０４５に集約されつつある（ＣＤＡ：米国銅開発協会）。
【０００６】
ＣＤＡ Ａｌｌｏｙ １９４は最高強度の質別であるＥＳＨとしても、引張強さ５５０Ｎ／ｍｍ2程度、ビッカース硬さ１６０Ｈｖ程度であり、他の２種類の銅基合金よりも強度が低い。また耐熱性も低く、例えば４５０℃で５分程度加熱すると、元の強さの８０％以下に軟化してしまう。一方で２次特性に重大な欠陥が無く、入手性も良いため広く使用されている。
【０００７】
銅基合金の強度および耐熱性を向上させる方法としては、Ｍｇなど不純物元素（合金元素）の微量添加によるもの（例えば、特許文献２参照）や、製造方法の改良によるもの（例えば、特許文献３参照）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公昭４５−０１０６２３号公報
【特許文献２】特公昭６４−０００４４９号公報
【特許文献３】特許第３７６３２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、例えばＭｇは０．０５ｍａｓｓ％程度の添加でも強度や耐熱性が著しく向上するが（特許文献２に開示される方法）、一方でめっき時に異常析出を助長させるなどし、合金元素の過度の添加は、強度および耐熱性以外の特性を劣化させるため望ましくない。また、従来の製造方法の改良（特許文献３に開示される方法）により製造される銅基合金も、その強度および耐熱性はＣＤＡ Ａｌｌｏｙ １８０４５よりも劣り、さらなる改良が求められている。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、めっき性やスタンピング性に優れる従来の電気・電子部品用銅基合金の化学成分と製造方法を改良し、高強度高導電率高耐熱性銅基合金の製造方法及び高強度高導電率高耐熱性銅基合金を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明の第１の態様は、Ｆｅ：１．８〜２．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１〜０．１ｍａｓｓ％、Ｚｎ：０．０１〜１．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．２ｍａｓｓ％、およびＭｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉからなる元素を総量で０．００１〜０．０５ｍａｓｓ％含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる銅基合金の鋳塊を、８００〜１０５０℃の温度に加熱して圧下率５０％以上の熱間圧延を施した後、圧下率３０％以上で冷間圧延し、９５０〜１０５０℃の温度に１分以上保持後、３００℃まで３０秒以下の時間で冷却し、その後圧下率３０％以上で冷間圧延した後、５５０〜６２５℃の温度で１〜４時間、更に４００〜５００℃の温度で１〜１０時間の時効焼鈍を施し、次いで圧下率７０〜９０％の冷間圧延後、３００〜４５０℃の温度で１〜５分の歪み除去焼鈍を行う高強度高導電率高耐熱性銅基合金の製造方法である。
【００１２】
また本発明の第２の態様は、上記の方法により製造される高強度高導電率高耐熱性銅基合金であって、導電率６５％ＩＡＣＳ以上、引張強さ５６０Ｎ／ｍｍ2以上、ビッカース硬さ１６５Ｈｖ以上を有し、５００℃で５分間加熱後の強度が、加熱前の９０％以上である高強度高導電率高耐熱性銅基合金である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、めっき性やスタンピング性に優れる従来の電気・電子部品用銅基合金の化学成分と製造方法を改良することで、高強度高導電率高耐熱性銅基合金の製造方法及びその銅基合金を提供できる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００１５】
まず、本発明に係る高強度高導電率高耐熱性銅基合金の化学組成について説明する。
【００１６】
本発明に係る銅基合金は、Ｆｅ，Ｐ，Ｚｎ，Ｓｎを主な合金元素として含有し、さらにＭｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉからなる元素を微量含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる。
【００１７】
Ｆｅは強度や耐熱性の向上に寄与する。添加量が１．８ｍａｓｓ％より少ないとＦｅの析出量が足りず、必要とする強度および耐熱性が得られない。また、熱間圧延加工性が著しく低下する。一方、２．５ｍａｓｓ％を超えると鋳造時のＦｅの粗大晶出物の生成や、溶解時のＦｅの溶け残りの発生が起こり、これらが最終製品にまで残存することで、変色、エッチング性やめっき性の低下、ボンディング不良、曲げ時の割れ等を引き起こす。また、導電率の低下も大きくなる。従って、Ｆｅの添加量は１．８〜２．５ｍａｓｓ％、望ましくは２．１〜２．３ｍａｓｓ％とする。
【００１８】
Ｐは脱酸剤として寄与するほか、Ｆｅとの化合物を形成し、強度の向上にも寄与する。添加量が０．０１ｍａｓｓ％より少ないと充分な効果が得られない。一方、０．１ｍａｓｓ％を超えると鋳造性や熱間加工性を低下させるとともに導電率の低下ももたらす。従って、Ｐの添加量は０．０１〜０．１ｍａｓｓ％、望ましくは０．０２〜０．０４ｍａｓｓ％とする。
【００１９】
Ｚｎは電気・電子部品に必要な半田密着性や半田耐熱剥離性の向上に寄与するほか、脱酸剤としても寄与する。添加量が０．０１ｍａｓｓ％より少ないと充分な効果が得られない。一方、１．５ｍａｓｓ％を超えると導電率の低下をもたらす。従って、Ｚｎの添加量は０．０１〜１．５ｍａｓｓ％、望ましくは０．１〜０．２ｍａｓｓ％とする。
【００２０】
ＳｎはＣｕ中に固溶して強度と耐熱性の向上に寄与する。添加量が０．０１ｍａｓｓ％より少ないと充分な効果が得られない。一方、０．２ｍａｓｓ％を超えると導電率の低下が顕著になるとともに、鋳造性が著しく低下する。従って、Ｓｎの添加量は０．０１〜０．２ｍａｓｓ％、望ましくは０．０５〜０．１０ｍａｓｓ％とする。
【００２１】
更に、Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉからなる元素を、総量で０．００１〜０．０５ｍａｓｓ％含有していても特性を満足するが、０．０５ｍａｓｓ％を超えると導電率の不足やめっき性の低下を引き起こす。
【００２２】
以上のような化学組成とされることで、めっき性やスタンピング性など２次特性が良好である銅基合金を提供できる。
【００２３】
次に、本発明に係る高強度高導電率高耐熱性銅基合金の製造方法について説明する。
【００２４】
通常坩堝式溶解炉やチャネル式溶解炉などの電気炉で上記化学組成に調整して溶解後、例えば連続鋳造により厚さ１５０〜２５０ｍｍ、幅４００〜１０００ｍｍ程度の矩形断面鋳塊を製造する。
【００２５】
次に、鋳塊を８００〜１０５０℃の温度に加熱して、圧下率５０％以上で熱間圧延を施す。
【００２６】
加熱により鋳造時の冷却過程で析出したＦｅやＦｅ−Ｐ系化合物をＣｕ中に再固溶させるが、加熱温度が８００℃より低いと充分に固溶せず、再結晶が充分に起こらずに熱間加工性が低下して割れが発生する。一方、加熱温度が１０５０℃より高いと酸化スケールの増大や結晶の粗大化を引き起こす。望ましくは９００〜９８０℃である。
【００２７】
また、圧下率が５０％より低いと均一に再結晶が起こらず、不均一な金属組織が最終製品にまで残存する可能性がある。望ましくは９０％以上である。
【００２８】
熱間圧延後の冷却速度は本発明においては特に規定せず、一般的な水冷シャワーなどによって熱間圧延終了後に冷却することができる。
【００２９】
この後、酸化スケールを除去し冷間圧延するが、望ましくは３０％以上の圧下率である。圧下率が３０％より低いと、この後に続く溶体化処理の際に均一な再結晶組織が得られない。
【００３０】
続いて９５０〜１０５０℃の温度に加熱して１分以上保持後、３００℃まで３０秒以下の時間で冷却する。以下、この操作を溶体化処理と呼ぶ。
【００３１】
本発明において溶体化処理の条件は最も重要で、高温から急冷することによりＣｕの母相中にＦｅ原子を過飽和に固溶させることと、焼き入れクラスターと呼ばれる原子空孔を多く導入させることを特徴とする。焼き入れクラスターはこの後の時効析出挙動に大きな影響を及ぼす。
【００３２】
溶体化処理の加熱温度が９５０℃より低いと目標の強度と耐熱性が得られず、一方１０５０℃を超えると再結晶粒の粗大化が顕著になる。また加熱の保持時間が１分より短くても目標の強度と耐熱性が得られない。加熱後の冷却速度は冷却中にＦｅが析出しないようにするためにできる限り速くすることが必要であり、冷却開始からＦｅの拡散速度が充分に遅くなる３００℃までは３０秒以下の時間で冷却させなければならない。
【００３３】
次に圧下率３０％以上で冷間圧延した後、５５０〜６２５℃の温度において１〜４時間（以下、時効１）、更に４００〜５００℃の温度において１〜１０時間（以下、時効２）加熱し、Ｃｕの母相中にＦｅおよびＦｅ−Ｐ系化合物を析出させる。以下、この操作を時効焼鈍と呼ぶ。時効１の温度が５５０℃より低いと、析出物が強度と耐熱性の向上に寄与するサイズにまで充分成長せず（時効不足）、一方６２５℃より高いと析出物が粗大化して（過時効）、強度と耐熱性が低下する。望ましくは５７５〜６００℃である。また時効１の時間が１時間より短いと時効不足、４時間より長いと過時効となり強度と耐熱性が低下する。望ましくは２〜３時間である。
【００３４】
時効２は時効１よりも低い温度で微細な析出物を多く析出させるためのもので、強度や耐熱性よりも導電率を向上させるための熱処理である。時効２の温度が４００℃より低いと析出速度が著しく低下して充分に導電率が向上せず、５００℃より高いと過時効となり強度や耐熱性を低下させてしまう可能性がある。望ましくは４２５〜４７５℃である。また時効２の時間が１時間より短いと充分に導電率が向上せず、１０時間より長いと過時効となり強度と耐熱性を低下させてしまう可能性がある。望ましくは４〜６時間である。また、時効２は時効１の冷却中に開始しても、一度室温まで下げてから開始してもよい。更に時効１と時効２の間には圧下率５０％以下の冷間圧延を加えてもよい。
【００３５】
時効焼鈍の後に圧下率７０〜９０％の冷間圧延を施す。ここでは加工硬化により強度を向上させる。従って、圧下率が７０％より低いと充分な強度が得られず、９０％より高いと強度の向上が飽和するとともに耐熱性の低下が顕著になる。望ましくは７５〜８５％である。
【００３６】
最後に３００〜４５０℃の温度において１〜５分保持することによる歪み除去焼鈍を行う。ここでは伸びを回復させる狙いがある。温度が３００℃より低いか、時間が１分より短いと伸びが充分に回復せず、温度が４５０℃より高いか、時間が５分より長いと強度が低下してしまう。
【００３７】
以上のようにされることで、本発明に係る製造方法は、Ｃｕ母相の金属組織と析出物の時効析出挙動とを制御し、導電率６５％ＩＡＣＳ以上、引張強さ５６０Ｎ／ｍｍ2以上、ビッカース硬さ１６５Ｈｖ以上と優れた特性を有する銅基合金を製造できる。
【００３８】
また、５００℃の高温に５分間加熱した後の強度が、加熱前の強度の９０％以上であり、優れた耐熱性を有する銅基合金を提供できる。
【００３９】
なお、本発明に係る高強度高導電率高耐熱性銅基合金の製造方法は上記実施の形態に限られるものではなく、例えば異なる合金元素を主成分として含有する銅基合金（Ｃｕ−Ｆｅ−Ｎｉ−Ｐ系合金など）にも適用可能であり、圧下率および溶体化処理温度などを適宜変更することにより、更に強度・導電率・耐熱性をバランス良く高めた銅基合金を提供することができる。
【実施例】
【００４０】
以下に、本発明の実施例を説明する。
【００４１】
Ｆｅ：２．２ｍａｓｓ％，Ｐ：０．０３ｍａｓｓ％，Ｚｎ：０．１２ｍａｓｓ％，Ｓｎ：０．０５ｍａｓｓ％，Ｓｉ：０．０１ｍａｓｓ％の化学組成の銅基合金を中周波誘導加熱型坩堝炉で溶解調整後、銅製鋳型で半連続鋳造し、厚さ１８０ｍｍ×幅５００ｍｍの断面サイズの矩形断面鋳塊を鋳造した。
【００４２】
加熱炉で３００℃／ｈの昇温速度で９５０℃に加熱して３０分保持し、その後熱間圧延し、厚さ１２ｍｍとした（圧下率：約９３％）。最終パス後、約７００℃の温度から水冷シャワーで２００℃／分の冷却速度で１００℃以下まで冷却した。表面の酸化スケールを除去後、厚さ２ｍｍまで冷間圧延した（圧下率：約８３％）。
【００４３】
次に、コイルを長手方向に数本に切り分けた。これらのコイルをまず、連続焼鈍炉で種々の条件で溶体化処理を施した後、厚さ０．７５ｍｍまで冷間圧延した（圧下率：約６２％）。次に、バッチ式焼鈍炉で種々の条件で時効焼鈍を施した後、厚さ０．１５ｍｍまで冷間圧延した（圧下率：約８０％）。最後に連続焼鈍炉で４００℃×２分相当の歪み除去焼鈍を施した。
【００４４】
製造した種々の銅基合金に対し、直流４端子法での導電率の測定、断面のビッカース硬さ測定、引張試験（引張強さと破断伸びの測定）を実施した。また、銅基合金の耐熱性を評価するために、銅基合金を５００℃に保持したソルトバスに５分浸漬後、水槽に投入して急冷し、その断面のビッカース硬さを測定した。測定した加熱後のビッカース硬さの、加熱前のビッカース硬さに対する比を求め、これを百分率で表示したものを耐熱性とした。
【００４５】
銅基合金の製造条件と、それぞれの特性との関係を表１に示す。
【００４６】
【表１】
【００４７】
表１に示すように、本発明に係る銅基合金Ａ，Ｂではいずれも導電率６５％ＩＡＣＳ以上、引張強さ５６０Ｎ／ｍｍ2以上、ビッカース硬さ１６５Ｈｖ以上、耐熱性９０％以上と良好な特性を有する。さらにＡとＢとを比較すると、溶体化処理の加熱温度が高く、時効１の温度も高いＡの方がより高い強度と耐熱性を有している。一方、従来方法により製造された銅基合金Ｃ，Ｄ，Ｅは本発明（銅基合金Ａ，Ｂ）よりも溶体化処理温度が低く、および／あるいは、冷却速度が遅く、強度と耐熱性が本発明に係る銅基合金Ａ，Ｂよりも低くなった。つまり、銅基合金の強度、導電率、耐熱性を高めるためには、溶体化処理温度を高温として多くの焼き入れクラスターを導入すると共に、溶体化処理時の冷却速度をできるだけ速くして、合金元素が析出しないようにすることが重要であることが分かる。
【００４８】
更に、比較例の銅基合金Ｆは溶体化処理されておらず、Ｇは溶体化温度が９００℃未満であり、いずれも強度と耐熱性が本発明の銅基合金Ａ，Ｂよりも低く、硬さは１６０Ｈｖ未満、耐熱性は７５％未満と著しく低下する。
【００４９】
時効１の条件が本発明とは異なる比較例の銅基合金Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋは、時効不足か過時効のため強度と耐熱性が低く、硬さは１５５Ｈｖ以下、引張強さは５２０Ｎ／ｍｍ2未満、耐熱性は９０％未満である。
【００５０】
時効２の条件が本発明とは異なる比較例の銅基合金Ｌ，Ｍ，Ｎ，Ｏでは、Ｌ，Ｎは高い強度と耐熱性を有するが、時効不足のため導電率が６０％ＩＡＣＳ未満と低い。またＭ，Ｏは高い導電率を有するが、過時効のため硬さは１６０Ｈｖ未満、引張強さは５４０Ｎ／ｍｍ2未満、耐熱性は９０％未満である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅ：１．８〜２．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１〜０．１ｍａｓｓ％、Ｚｎ：０．０１〜１．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．２ｍａｓｓ％、およびＭｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉからなる元素を総量で０．００１〜０．０５ｍａｓｓ％含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる銅基合金の鋳塊を、８００〜１０５０℃の温度に加熱して圧下率５０％以上の熱間圧延を施した後、圧下率３０％以上で冷間圧延し、９５０〜１０５０℃の温度に１分以上保持後、３００℃まで３０秒以下の時間で冷却し、その後圧下率３０％以上で冷間圧延した後、５５０〜６２５℃の温度で１〜４時間、更に４００〜５００℃の温度で１〜１０時間の時効焼鈍を施し、次いで圧下率７０〜９０％の冷間圧延後、３００〜４５０℃の温度で１〜５分の歪み除去焼鈍を行うことを特徴とする高強度高導電率高耐熱性銅基合金の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載される方法により製造される高強度高導電率高耐熱性銅基合金であって、導電率６５％ＩＡＣＳ以上、引張強さ５６０Ｎ／ｍｍ2以上、ビッカース硬さ１６５Ｈｖ以上を有し、５００℃で５分間加熱後の強度が、加熱前の９０％以上であることを特徴とする高強度高導電率高耐熱性銅基合金。
【請求項１】
Ｆｅ：１．８〜２．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１〜０．１ｍａｓｓ％、Ｚｎ：０．０１〜１．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．２ｍａｓｓ％、およびＭｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉからなる元素を総量で０．００１〜０．０５ｍａｓｓ％含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる銅基合金の鋳塊を、８００〜１０５０℃の温度に加熱して圧下率５０％以上の熱間圧延を施した後、圧下率３０％以上で冷間圧延し、９５０〜１０５０℃の温度に１分以上保持後、３００℃まで３０秒以下の時間で冷却し、その後圧下率３０％以上で冷間圧延した後、５５０〜６２５℃の温度で１〜４時間、更に４００〜５００℃の温度で１〜１０時間の時効焼鈍を施し、次いで圧下率７０〜９０％の冷間圧延後、３００〜４５０℃の温度で１〜５分の歪み除去焼鈍を行うことを特徴とする高強度高導電率高耐熱性銅基合金の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載される方法により製造される高強度高導電率高耐熱性銅基合金であって、導電率６５％ＩＡＣＳ以上、引張強さ５６０Ｎ／ｍｍ2以上、ビッカース硬さ１６５Ｈｖ以上を有し、５００℃で５分間加熱後の強度が、加熱前の９０％以上であることを特徴とする高強度高導電率高耐熱性銅基合金。
【公開番号】特開２０１２−５７２４２（Ｐ２０１２−５７２４２Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０４５０３（Ｐ２０１０−２０４５０３）
【出願日】平成２２年９月１３日（２０１０．９．１３）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１３日（２０１０．９．１３）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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