(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子％による組成が、一般式：（Ｃｕ1-x Ｚｒx ）100-y Ｔａy （０＜ｘ≦０．１、０≦ｙ≦１）により表され、平均粒子径が２０ｎｍ以上で５００ｎｍ以下のナノ結晶から成る合金組織を有していることを特徴とする、耐熱強度を有する導電性銅合金。
【請求項２】
５００Ｋの温度で１時間加熱を行った後のビッカース硬さが２５０Ｈｖ以上であることを特徴とする請求項１に記載の導電性銅合金。
【請求項３】
導電率が１５％ＩＡＣＳ以上であり、ビッカース硬さが７０Ｈｖ以上であり、しかも引張強さが２００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の導電性銅合金。
【請求項４】
母相中に平均粒子径が２０ｎｍ〜２００ｎｍである析出粒子が分散した合金組織を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の導電性銅合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた耐熱強度を有した導電性銅合金に関するものである。より詳しくは、高負荷下で使用される電気および電子部品に最適な高導電率と、高強度並びに高い耐熱温度を兼ね備えた高力高電導銅合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高負荷下で使用される電気、電子部品用の銅合金としては、これまでに、Ｃｕ−Ｂｅ、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｃｕ−Ａｇ、Ｃｕ−Ｔｉ、Ｃｕ−Ｚｒ等の合金が知られており、これらの材料は、材料特性により電気、電子部品の端子、コネクター、ケーブル等の様々な用途で使用されている。
一般に、材料の結晶粒が小さくなるほど結晶粒微細化強化機構（ホールペッチの関係）により機械的強度が大きくなることが知られており、母相中に分散粒子が存在すると分散強化機構により機械的強度がさらに高くなることも知られている。これまでに提案されている銅合金としては、例えば下記の特許文献１〜４に記載されているものが挙げられる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１７３５５６号公報
【特許文献２】
特開平９−３５７２号公報
【特許文献３】
特開平１１−１８１５６０号公報
【特許文献４】
特開２００１−２５４１５７号公報
【０００４】
前記特許文献１に記載されている高力銅合金は、銅と、銅を非晶質化するためのＬａ等の元素と、当該元素と銅合金中で共存した際に非晶質相が形成され易くなるＡｇ等の元素との合金であって、少なくとも体積比率で５０％以上の非晶質相を含むものであり、高い強度を有し、高応力下での使用に適した電気材料として好適であるが、耐熱強度が充分ではない。
又、前記特許文献２に記載されているＣｕ−Ｂｅ合金も、ステンレス鋼を凌ぐ強度と高い導電性を備え広く使用されているが、熱処理による時効析出硬化現象を利用して作製されているために耐熱強度が低いと言う問題がある。しかも、合金中のベリリウムは人体に非常に有害であり、将来、製造および環境面から使用できなくなる可能性がある。
更に、上記特許文献に記載の銅合金の中で、前記特許文献３に記載されているＣｕ−Ｚｒ合金は非常に高い機械的強度を備えているが、耐熱強度が低下するという問題があり、前記特許文献４に記載されているＣｕ−Ｍｇ合金も、同様に耐熱性に欠けるという問題点がある。
【０００５】
また、銅合金を急速凝固させることによる合金組織の非晶質化や微細結晶化によって高強度化を図ることも提案されてきているが、このようにして急速凝固された銅合金の場合、非晶質化や微細結晶化が銅の導電性を阻害して、導電率が低下するという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これまでに提案されている上記の銅合金は、優れた導電性と機械的強度を有しているが、近年、電気・電子機器の高性能、高密度化により使用環境が厳しくなり、これらの銅合金においても良好な導電性を保ちつつ、高強度、高耐熱、高耐磨耗性および高耐食性を有する高機能銅基合金の開発が望まれている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、これらの現状に鑑みて、高い導電率と機械的強度を兼ね備え、しかも高い耐熱強度のある銅合金を提供することを目的に鋭意検討を行った。
その結果、特定の組成比率を有したＣｕ−Ｚｒ合金に特定割合でＴａを添加し、更に、合金組織と分散粒子の微細化を図り、機械的強度を向上させるためにＣｕ−Ｚｒ−Ｔａ合金の急速凝固を行ったところ、良好な導電性が阻害されることなく、高強度、高耐熱、高耐磨耗性および高耐食性を有する高機能銅基合金が得られることが見い出された。尚、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｔａ合金の急速凝固は、溶解鋳造法ではＴａがＣｕに固溶せず、Ｚｒに僅か固溶することが知られていることから、ＴａのＣｕ−Ｚｒ合金への固溶源の拡張にも効果があると考えられる。
【０００８】
即ち、従来の銅合金における前述の問題点を解決可能な本発明の銅合金は、原子％による組成が、一般式：（Ｃｕ1-x Ｚｒx ）100-y Ｔａy （０＜ｘ≦０．１、０≦ｙ≦１）により表され、平均粒子径が２０ｎｍ以上で５００ｎｍ以下のナノ結晶から成る合金組織を有していることを特徴とし、この銅合金は、従来の銅合金に比べて格別の耐熱強度を示す。
【０００９】
又、本発明は、上記の特徴を有した銅合金において、５００Ｋ（２２７℃）の温度で１時間加熱を行った後のビッカース硬さが２５０Ｈｖ以上であることを特徴とするものである。
更に本発明は、上記の特徴を有した銅合金において、導電率が１５％ＩＡＣＳ（International Annealed Copper Standard）以上であり、ビッカース硬さが７０Ｈｖ以上であり、しかも引張強さが２００ＭＰａ以上であることを特徴とするものでもある。
又、本発明は、上記の特徴を有した銅合金において、母相中に平均粒子径が２０ｎｍ〜２００ｎｍである析出粒子が分散した合金組織を有していることを特徴とするものでもある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の銅合金（Ｃｕ−Ｚｒ合金及びＣｕ−Ｚｒ−Ｔａ合金）は、原子％による組成が一般式：（Ｃｕ1-x Ｚｒx ）100-y Ｔａy （０＜ｘ≦０．１、０≦ｙ≦１）により表され、この際、Ｚｒの比率を示すｘが０．１を極端に越えると合金の導電率が低下するので好ましくなく、又、Ｔａの比率を示すｙが１を越えても特性の向上が望めず、材料が高価になるので好ましくない。このため、本発明では、導電性、ビッカース硬さ、引張強さ及び耐熱強度の点から、特に好ましいｘ及びｙの範囲は０．０１≦ｘ≦０．０６、０．３≦ｙ≦０．７である。
ｙ＝０の場合、％ＩＡＣＳはほぼ同じであるが、ビッカース硬さおよび引張強さは約２５％減少する。それでも洋白（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｚｎ）、りん青銅（Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ）、黄銅（Ｃｕ70-60 −Ｚｎ30-40 ）、丹銅（Ｃｕ85-80 −Ｚｎ15-20 ）に比べて、高い耐熱強度を持っていることがわかった。
【００１１】
尚、本発明の導電性銅合金においては、合金組織が、平均粒子径２０〜５００ｎｍのナノ結晶から成っており、この銅合金は、上記の組成を有する合金を液体急冷法にて急冷凝固することにより製造できる。この際、液体急冷法としては、１０2 〜１０6 Ｋ／ｓの冷却速度が得られる単ロール法、双ロール法や高圧ガス噴霧法などが利用でき、単ロール法又は双ロール法による場合は、上記組成の合金溶湯をノズル孔を通して、周速２〜５０ｍ／ｓで回転する銅あるいは鋼製などロールに溶湯を噴出することにより、幅０．２〜１０ｍｍ、厚さ５〜５００μｍ以下の薄帯を容易に作製できる。上記の急冷凝固を行った場合には、母相中に平均粒子径が２０ｎｍ〜２００ｎｍである析出粒子が分散した合金組織となり、これにより、優れた導電性、ビッカース硬さ、引張強さ及び耐熱強度を有した銅合金が得られ、本発明の銅合金は、導電率が１５％ＩＡＣＳ以上で、ビッカース硬さが７０Ｈｖ以上で、しかも引張強さが２００ＭＰａ以上で、耐熱強度の点では、５００Ｋの温度で１時間加熱後のビッカース硬さが２５０Ｈｖ以上である。
また、本発明の銅合金は、液体急冷法や溶解鋳造法で得た銅合金を熱処理することによっても得られ、熱処理を行った場合には、引張強さ及びビッカース硬さを低下させることなく導電率をより一層向上させることができる。
【００１２】
一方、高圧ガス噴霧法による場合は、上記組成の合金溶湯をノズル孔から噴出させ、２〜１５ＭＰａのガス圧で噴霧・冷却することにより、直径５〜５００μｍの粉末を作製できる。
上記の方法の他に、スパッタリング、電子ビーム蒸着法により薄膜を作製することができ、回転液中防止法により線材を作製することができる。また、容器に入った合金溶湯を水などの溶液に焼き入れることにより棒状材が作製でき、さらに、合金溶湯をノズル孔を通して、銅などの鋳型に噴出することにより棒状材が作製できる。
【００１３】
前述のような合金組成と合金組織を有した本発明の銅合金は、商用の洋白（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｚｎ）、りん青銅（Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ）、黄銅（Ｃｕ70-60 −Ｚｎ30-40 ）、丹銅（Ｃｕ85-80 −Ｚｎ15-20 ）に比べて、同程度かそれを上回る導電率と機械的強度を有しており、商用の耐熱Ｃｕ−Ｃｒ系、Ｃｕ−Ｃｄ系、Ｃｕ−Ｚｒ系およびＣｕ−Ａｇ系などの銅合金を上回る耐熱性を示す。
以下、実施例により本発明をより詳しく説明する。
【００１４】
【実施例】
〔実施例１〕
本発明による合金組成（Ｃｕ1-x Ｚｒx ）100-y Ｔａy （０＜ｘ≦０．１、０≦ｙ≦１）を有した銅合金における、単ロール法および双ロール法で作製した薄帯の導電率（ＩＡＣＳ）と引張強さの関係を図１に示す。図１には、比較例として各種銅合金（洋白、りん青銅、黄銅、丹銅）の値も示した。この結果より、本発明による銅合金は従来からの銅合金に比べて、同じ導電率（％ＩＡＣＳ）で比較した場合、高い引張強さを有しており、高導電率と高強度を兼ね備えていることがわかる。尚、本発明における導電率は、四端子法により測定されたものであり、引張強さはＪＩＳ規格に準じて測定されたものである。
電子顕微鏡による観察から、双ロール法で作製した（Ｃｕ0.96Ｚｒ0.04）99.5Ｔａ0.5 合金の時の結晶の粒子径は１００〜３５０ｎｍであり、２０〜１７０ｎｍ径の析出粒子が分散した合金組織を有していることがわかった。
【００１５】
〔実施例２〕
双ロール法で作製した本発明による合金組成（Ｃｕ1-x Ｚｒx ）100-y Ｔａy （０＜ｘ≦０．１、０≦ｙ≦１）を有した銅合金を、３００〜９００Ｋの各温度で１時間保持後、空冷することにより得られた熱処理材のビッカース硬さの変化を図２に示す。図２には、比較として商用Ｃｕ−Ｃｒ合金、Ｃｕ・Ａｌ2 Ｏ3 複合材、純Ｃｕの値も示されている。尚、本発明におけるビッカース硬さは、ビッカース硬度計を用いて荷重５０ｇにて測定されたものである。
この図２の結果から、本発明による銅合金は、商用の銅合金に比べて各段に高い耐熱温度を有しており（特にＣｕの場合、５００Ｋ×１時間の加熱により急激なビッカース硬さの減少が見られる）、５００〜９００Ｋ×１時間の熱処理後においても１８０Ｈｖ以上のビッカース硬さを有していることがわかる。
【００１６】
〔実施例３〕
双ロール法で作製した本発明の（Ｃｕ0.96Ｚｒ0.04）99.5Ｔａ0.5 合金と、これを８５０Ｋ（約５７７℃）で１時間加熱を行って得られた熱処理材の引張強さ、ビッカース硬さおよび導電率の変化を表１に示す。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
この表１の結果は、本発明による銅合金にあっては、熱処理を行うことによって引張強さとビッカース硬さが大きく損なわれることなく、導電率の向上が達成できることを示している。
【００１９】
〔実施例４〕
合金組成が（Ｃｕ1-x Ｚｒx ）99.5Ｔａ0.5 で、ｘ＝０．０１、０．０２、０．０３、０．０４である本発明の銅合金を単ロール法及び双ロール法にて作製した。一方、比較としてｘ＝０の銅合金も同様に作製した。
そして、上記の５種類の銅合金についてそれぞれ、ビッカース硬さ、導電率、引張強さを測定した。この測定結果を図３〜図５に示す。又、図６及び図７は、実施例４で得られた測定結果を基にして作成した、導電率とビッカース硬さとの関係、導電率と引張強さとの関係を示すグラフである。
【００２０】
【発明の効果】
上記図３〜図７の実験結果からもわかるように、本発明の導電性銅合金は、従来の銅合金に比べて、高い導電率と強度を備えた上に高い耐熱強度を有しており、合金中におけるＺｒの割合及びＴａの割合を、本発明にて規定される範囲内で適宜選択することによって、高負荷下で使用される各種の電気・電子部品の高性能・高密度化と世の中の環境対応に最適な材料として広く利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】単ロール法および双ロール法にて作製した、本発明の導電性銅合金より成る薄帯（厚さ１０〜５００μｍ）の導電率と引張強さの関係を示す図であり、従来の商用の銅合金との物性比較が示されている。
【図２】種々の温度にて熱処理された後の、双ロール法にて作製した本発明の導電性銅合金のビッカース硬さの変化を示す図であり、従来の商用の銅合金の場合との比較が示されている。
【図３】合金中におけるＺｒの割合を変化させた時のビッカース硬さの変化を示す図である。
【図４】合金中におけるＺｒの割合を変化させた時の導電率の変化を示す図である。
【図５】合金中のＺｒの割合を変化させた時の引張強さの変化を示す図である。
【図６】実施例４で得られた測定結果を基にして作成した、導電率とビッカース硬さとの関係を示すグラフである。
【図７】実施例４で得られた測定結果を基にして作成した、導電率と引張強さとの関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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