(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Cuを50質量％以上95質量％以下、Feを5質量％以上50質量％以下含み、残部が脱酸剤元素及び不可避不純物からなり、
前記脱酸剤元素は、Mn,Al,Si,Pから選択される1種以上であり、その含有量が合計で5質量％以下であり、
横断面をX線回折して、
Cuの回折線全体の強度に対するCuの＜111＞方位の回折ピークの強度比をICu(111)、
Feの回折線全体の強度に対するFeの＜110＞方位の回折ピークの強度比をIFe(110)とするとき、
前記ICu(111)が0.90以上1.0以下、かつ前記IFe(110)が0.90以上1.0以下である集合組織を有し、
導電率が50％IACS以上である銅合金線。
【請求項２】
引張強さが900MPa以上である請求項1に記載の銅合金線。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接点部材などに利用される銅合金、及び銅合金線に関するものである。特に、高強度と高導電率とを両立する銅合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気・電子機器と電線との電気的接続、電線同士の電気的接続などに利用される接点部材として、コネクタの接点部(ピンや所定の形状の筐体など)や端子金具、付勢力によって接触状態を維持する接点ばね(圧縮ばね、斜め巻きばね、板ばねなど)がある。接点ばねなどの接点部材には、高い電気伝導度と、ばね荷重(ばねの付勢力)が大きいことや応力緩和し難いこととが要求される。この要求に対応するためには、導電率が高いこと、及び強度が高いことが望まれる。
【０００３】
上記要求を満たすために、導電率が高いCu(銅)をベースとし、種々の添加元素を含有して銅合金化することがなされている。特許文献1は、主要な添加元素としてFeを添加したCu-Fe合金を開示している。FeはCuに対する固溶量が小さいため、Cu-Fe合金は、母相中にFeが分散して存在する。従って、Cu-Fe合金の鋳造材に伸線加工や圧延加工といった塑性加工を施すと、分散しているFeが繊維状に引き延ばされる。Cu-Fe合金は、この繊維状のFeによって強度が高められ、母相の主成分であるCuによって高い導電率を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平05-287417号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記接点ばねなどの接点部材に対して、導電率が高く、好ましくは導電率:50％IACS以上を満たし、かつ強度の更なる向上が望まれている。
【０００６】
強度の向上には、添加元素の含有量を多くする、つまり、高濃度な合金とすることが効果的である。しかし、強度と導電率とは、トレードオフの関係にあり、Cu以外の添加元素の増加は、ベースとなるCuの特性が失われ、導電率の低下を招く(特許文献1の明細書0019など)。そのため、用途にもよるが、上述の接点部材では、強度:700MPa以上及び導電率:50％IACS以上、更に強度:750MPa以上及び導電率:50％IACS以上、とりわけ強度:900MPa以上及び導電率:50％IACS以上を両立することが望まれる。
【０００７】
そこで、本発明の目的の一つは、高強度及び高導電率を両立する銅合金を提供することにある。また、本発明の他の目的は、高強度及び高導電率を両立する銅合金線を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
高い導電率を有しつつ、高強度な銅合金を開発するにあたり、本発明者らは、CuとFeとの二種類の元素を主成分とし、Cu相とFe相とが2相に分離した二相合金となるCu-Fe合金を対象として、合金の組織を検討した。
【０００９】
一般に、Cuは、柔らかく、積層欠陥エネルギーが高いことから転位が導入され難く、その結果、ある程度以上の加工歪みを導入できない。従って、Cuは、伸線加工や圧延加工といった塑性加工(冷間加工)の加工度を高めても、強度の上昇に限界がある。そこで、Cu-Fe合金では、Feを強度の向上元素に利用することになる。上記加工度を高めるほど、Feを繊維状に引き伸ばすことができ、繊維強化による強度の向上効果が期待できる。しかし、上記加工度の増加に伴い、FeがCuに僅かながら固溶して、導電率の低下を招く。
【００１０】
例えば、複数パスに亘って塑性加工を施す場合には、加工途中に熱処理(300〜500℃ぐらいの時効)を施すことで、当該熱処理前までに素材に導入されていた加工歪みをゼロの状態とすることができる。つまり、総加工度を大きくしつつ、熱処理間のパスの合計加工度、或いは最終熱処理後から最終寸法(線径や厚さ、断面積など)までの合計加工度を小さくすることができる。その結果、Feの固溶量を低減して、導電率の低下を抑制できる、と考えられる。また、Cu-Fe合金に塑性加工(代表的には冷間加工)を施すと、Cuでは主として＜111＞方位、Feでは主として＜110＞方位が配向する集合組織を形成するが、後述する試験例に示すように、上記加工途中の熱処理は、当該熱処理前までに形成されていた集合組織に影響を与えない。
【００１１】
上記知見から、本発明者らは、集合組織に着目し、Cu-Fe合金からなる素材に、伸線加工や圧延加工などの塑性加工(冷間加工)と熱処理とを種々の条件で施して、Cu及びFeのそれぞれの配向性を調整した。その結果、Cu及びFeのそれぞれが特定の配向性を満たす集合組織を有する場合、Cu-Fe合金に加工歪みを効果的に加えられて、強度の向上を図ることができながら、高い導電率を維持することができる、即ち、強度及び導電性の双方に優れる銅合金が得られる、との知見を得た。また、上記特定の配向性を満たす集合組織を具える銅合金を素材とし、熱処理後に塑性加工を更に施すとき、当該塑性加工の加工度が小さな場合(例えば50％程度)でも、大きな場合(例えば80％程度)と同程度の強度を有するという驚くべき知見を得た。一般に、熱処理により加工歪みが一旦キャンセルされて強度が低下し、熱処理後の加工により、強度が上昇する。上記特定の配向性を満たす集合組織を具える銅合金では、この強度の上昇度合いが大きく、加工度が小さい加工を施した場合でも、熱処理前の強度と同等以上の強度を有する銅合金が得られる。より具体的には、この銅合金は、伸線加工や圧延加工といった塑性加工(冷間加工)途中に施す所定の熱処理前における加工度と強度との相関(以下、加工度-強度相関(前)と呼ぶ)と、当該所定の熱処理後における加工度と強度との相関(以下、加工度-強度相関(後)と呼ぶ)とをとったとき、加工度-強度相関(前)を示す傾きよりも、加工度-強度相関(後)を示す傾きの方が大きい。また、加工度が小さいことで、導電率がより高い銅合金が得られる。本発明は、上記知見に基づくものである。
【００１２】
本発明の銅合金は、Cuを50質量％以上95質量％以下、Feを5質量％以上50質量％以下含み、残部が脱酸剤元素及び不可避不純物からなるCu-Fe合金である。本発明銅合金は、断面のX線回折において、ICu(111)が0.70以上1.0以下、かつIFe(110)が0.90以上1.0以下である集合組織を有する。上記ICu(111)は、Cuの回折線全体の強度に対するCuの＜111＞方位の回折ピークの強度比、上記IFe(110)は、Feの回折線全体の強度に対するFeの＜110＞方位の回折ピークの強度比とする。
【００１３】
本発明銅合金は、Cu及びFeの双方が特定の配向性を満たす集合組織を有することで、高強度で導電性に優れ、引張強さ:700MPa以上、導電率:50％IACS以上を満たす。
【００１４】
本発明の一形態として、上記ICu(111)が0.75以上である形態、或いは、上記ICu(111)が0.90以上である形態が挙げられる。
【００１５】
上述の回折ピークの強度比:ICu(111)が更に大きい上記形態は、強度に更に優れる。例えば、ICu(111)≧0.75である本発明銅合金は、引張強さ:750MPa以上、導電率:50％IACS以上を満たすものがあり、ICu(111)≧0.90である本発明銅合金は、引張強さ:900MPa以上、導電率:50％IACS以上を満たすものがある。
【００１６】
本発明の一形態として、当該銅合金の引張強さが900MPa以上、かつ当該銅合金の導電率:50％IACS以上である形態が挙げられる。
【００１７】
上記形態は、高い導電率を有しながら、強度により優れる。
【００１８】
本発明銅合金は、塑性加工によって種々の形態をとり得る。例えば、塑性加工として引抜加工(伸線加工)を行った場合、本発明銅合金からなる線材(本発明銅合金線)とすることができる。本発明銅合金線は、高強度及び高導電率を有することから、例えば、接点ばねの素材に好適に利用することができる。この接点ばねは、高強度な素材(上述の特定の配向性を満たす集合組織を有する線材)から構成されることで、長期に亘り、所定のばね荷重を付与できる上に、応力緩和し難い。
【発明の効果】
【００１９】
本発明銅合金及び本発明銅合金線は、高強度で導電性に優れる。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明をより詳細に説明する。なお、以下の説明において「組成」の含有量は全て「質量割合」である。
【００２１】
[銅合金]
(組成)
本発明銅合金は、ベースをCu、主要添加元素をFeとする二元合金であり、Cuの含有量を50％〜95％、Feの含有量を5％〜50％とする。Cuの含有量が50％以上であることで、導電率が高く、Feの含有量が5％以上であることで、強度が高い。Cuの含有量が多いほど導電率が高く、Feの含有量が多いほど強度が高い。Feの含有量は、5％以上30％以下、特に10％以上20％以下がより好ましい。
【００２２】
本発明銅合金においてCu及びFeの残部は、脱酸剤元素及び不可避不純物とする。脱酸剤元素は、Mn,Al,Si,Pなどが挙げられる。脱酸剤元素は、製造時に添加した脱酸剤の残滓であり、合計で5％以下程度の含有を許容する。不可避不純物は、製造設備(坩堝、ダイス、圧延ローラなど)の構成成分や製造時に使用する潤滑剤などが挙げられる。
【００２３】
(組織)
本発明銅合金は、Cu及びFeのそれぞれが、特定の方位が配向した集合組織を有する。具体的には、Cuは、＜111＞方位が配向し、Feは、＜110＞方位が配向している。そして、Cuは、上述の回折ピークの強度比:ICu(111)が0.70以上、Feは、上述の回折ピークの強度比:IFe(110)が0.90以上を満たす。Cu及びFeのいずれも、配向性が高いほど(上記強度比が大きいほど)、強度が高い傾向にあり、ICu(111)は0.75以上、更に0.85以上、特に0.90以上が好ましく、IFe(110)は0.92以上、更に0.95以上、特に0.98以上が好ましい。ICu(111)及びIFe(110)は、主として、加工度に依存し、加工度が高いほど大きくなる傾向にある。但し、ICu(111)≧0.70かつIFe(110)≧0.90を満たす集合組織を有する素材に熱処理を施した後、更に塑性加工を行った場合には、小さい加工度(例えば、50％程度)の加工を施した銅合金のICu(111)及びIFe(110)と、大きい加工度(例えば、80％程度)の加工を施した銅合金のICu(111)及びIFe(110)とが同程度になる。
【００２４】
なお、回折ピークは、本発明銅合金の断面をとり、当該断面にX線回折を行って調べる。本発明銅合金が線材や板材の場合には、加工方向(引抜方向、圧延方向など。代表的には長手方向)に直交する断面(横断面)についてX線回折を行う。
【００２５】
(形態)
本発明銅合金は、塑性加工の種類によって種々の形態をとり、代表的には、引抜加工を施した場合には線材(本発明銅合金線)、圧延加工を施した場合には板材、帯材(比較的長いもの)、条(比較的長いもの)、箔(比較的厚さが薄いもの)が挙げられる。
【００２６】
線材は、伸線ダイスや伸線ローラの形状によって種々の横断面形状のものがあり、断面円形状(丸線)や断面矩形状(角線)が代表的である。その他、断面楕円状、断面多角形状などの異形状の線材などがある。
【００２７】
板材は、所望の形状に切断することで、種々の平面形状のものがある。切断前の形状は、一般に、矩形状である。
【００２８】
(大きさ)
上述の線材の直径(断面積)や長さ、上述の板材などの厚さ・幅や長さは特に問わない。用途に応じて、所望の大きさ(直径や厚さなど)となるように加工度を選択したり、所望の長さに切断したりするとよく、大きさは特に問わない。例えば、横断面円形状の丸線として、その直径が0.1mm〜1.2mmのもの、板材や帯材として、その厚さが0.1mm〜0.5mmのものが挙げられる。
【００２９】
(強度)
上記特定の組織から構成される本発明銅合金は、引張強さが高く、700MPa以上を満たす。引張強さが高いほど、例えば、小型・軽量化が可能となる、ばね荷重を増大できる、大きなばね荷重を維持し易い、応力緩和性に優れる、破断し難いなどの格別の効果が得られることから、750MPa以上、更に800MPa以上、特に900MPa以上が好ましい。引張強さは、概ね、配向性に依存しており、Cu及びFeの双方の配向性(強度比:ICu(111)及びIFe(110)）が高いほど、引張強さが大きくなる傾向にある。
【００３０】
(導電率)
本発明銅合金は、導電率が高く、50％IACS以上を満たす。組成や加工度合いによっては、55％IACS以上、60％IACS以上、といった形態が挙げられる。
【００３１】
[製造方法]
本発明銅合金は、代表的には、溶解→鋳造→冷間加工(適宜、熱処理)という工程を経て製造することができる。冷間加工は、伸線ダイスや伸線ローラを用いた引抜加工(伸線加工)、圧延ローラを用いた圧延加工などが挙げられる。冷間加工に供する素材の大きさは、当該冷間加工を施して最終寸法を得るまでの総加工度(引抜加工の場合、加工度＝断面減少率、圧延加工の場合、加工度＝圧下率)を考慮して、適宜選択することができる。
【００３２】
冷間加工前や冷間加工途中に熱処理を施すことが好ましい。冷間加工前及び途中の熱処理は、時効処理とし、Feを積極的に分離させ、靭性、導電率を回復させる。また、加工途中の熱処理は、合金中に過剰に導入された加工歪を除去することができる。この熱処理条件として、加熱温度:300℃以上500℃以下、保持時間:1分以上3時間以下(形状に応じて適宜選択)が挙げられる。この熱処理の加熱温度が300℃未満であると、Feの分離が不十分となる上に、上記加工歪みを十分に除去できない。上記加熱温度が500℃超であると、酸化銅の形成が顕著となり、変色が生じる上に、加工時に変形不良を起こしたり、製品における導電性の低下を起こし易い。特に、この熱処理は、最終寸法に近いときに施すこと、つまり、当該熱処理後の塑性加工を最終加工とし、この最終加工の加工度が小さくなるように施すことが好ましい。最終加工の加工度が小さいほど、導電率を高め易く、最終加工の加工度が60％〜80％程度となるように上記熱処理を実施する時期を選択することが好ましい。
【００３３】
以下、試験例を挙げて、本発明Cu-Fe合金を説明する。以下の試験はいずれも、Cu-Fe合金からなる素材に熱処理を行った後、塑性加工を施して塑性加工材を作製し、得られた塑性加工材について、Cu及びFeの配向性、引張強さ(MPa)及び導電率(％IACS)を調べた。
【００３４】
[試験例1]
試験例1では、塑性加工の加工度を異ならせて、最終線径が異なる銅合金を作製した。
【００３５】
素材は、表1に示す組成のCu-Fe合金が得られるように原料を用意して溶解鋳造し、得られた鋳造材に冷間圧延を施し、得られた直径φ5.0mmの圧延線材とした。鋳造時、脱酸剤としてMnを用いた。用意した素材に、450℃×3時間の熱処理を施して、当該熱処理前の塑性加工(ここでは冷間圧延)によって導入された加工歪みをゼロ(加工度0％)とした。
【００３６】
上記熱処理後の素材に、伸線ダイスを用いて、表1に示す加工度(断面減少率:％)の引抜加工を施して、加工度が異なる複数の線材を作製した。
【００３７】
得られた各試料の線材について引抜方向に垂直な断面:横断面をとり、主要成分であるCu及びFeの配向性をX線回折:XRDによって調べた。測定条件を以下に示す。
【００３８】
使用装置：SmartLab-2D-PILATUS(株式会社リガク)
使用X線：Cu-Kα
励起条件：45  kV、200  mA
使用コリメータ：φ0.3mm
測定法：θ-2θ法、
【００３９】
この試験では、試料ごとに、横断面における中心近傍の中央部分を測定面としてX線回折を行った。測定面におけるCuの回折線全体の強度:ICutotal、Cuの＜111＞方位の回折ピーク:ICu(111)peekを求め、回折線全体の強度:ICutotalに対する＜111＞方位の回折ピーク:ICu(111)peekの強度比:ICu(111)peek/ICutotal＝ICu(111)を求める。また、測定面におけるFeの回折線全体の強度:IFetotal、Feの＜110＞方位の回折ピーク:IFe(110)peekを求め、回折線全体の強度:IFetotalに対する＜110＞方位の回折ピーク:IFe(110)peekの強度比:IFe(110)peek/IFetotal＝IFe(110)を求める。各試料において上記中央部分のICu(111)及びIFe(110)を表1に示す。なお、試料の線径が大きい場合には、上述の横断面において、試料の表面近傍(表面から中心に向かって50μm程度入った地点)における回折ピークと、上述の中央部分の回折ピークとの平均値をICu(111)やIFe(110)に利用することができる。本例のように、試料が細い線材の場合には、上述のように中央部分を測定面とすると測定し易い。
【００４０】
得られた各試料の線材について、JIS  Z  2241(2011)の規定に基づいて引張強さを測定し、4端子法で測定した電気抵抗から算出して導電率を求めた。その結果を表1に示す。
【００４１】
【表１】
0006050588.tif 000002
【００４２】
表1に示すように、ICu(111)が0.70以上、かつIFe(110)が0.90以上を満たす集合組織を有する銅合金は、高強度でかつ高導電率であること、具体的には、引張強さが700MPa以上、導電率が50％IACS以上であることが分かる。また、ICu(111)やIFe(110)が大きくなるほど、強度が向上することが分かる。この試験では、ICu(111)≧0.75では、引張強さ:750MPa以上、ICu(111)≧0.85では、引張強さ:800MPa以上、ICu(111)≧0.90では、引張強さ:900MPa以上である。更に、Feの含有量が多いほど強度が高く、Cuの含有量が多いほど導電率が高いことが分かる。従って、Feを特定の範囲で含有し、かつICu(111)≧0.70かつIFe(110)≧0.90を満たす集合組織を有する銅合金は、高強度と高導電率とを両立することが確認された。
【００４３】
[試験例2]
試験例2では、塑性加工途中で適宜熱処理を施し、最終線径が同じ銅合金を作製した。
【００４４】
具体的には、試験例1で用意した素材(直径φ5.0mm)に熱処理:450℃×3時間を施した後、試験例1と同様に引抜加工を施した。引抜加工の途中、表2に示す「熱処理線径(mm)」になったとき、450℃×10分の熱処理を施し、その後、引抜加工を更に施して、表2に示す最終線径(mm)の線材を作製した。得られた各試料の線材について、試験例1と同様にして配向性(ICu(111),IFe(110))、引張強さ(MPa)、導電率(％IACS)を調べた。その結果を表2に示す。
【００４５】
【表２】
0006050588.tif 000003
【００４６】
表2に示すように、冷間加工の途中に熱処理を行った場合も、ICu(111)が0.70以上、かつIFe(110)が0.90以上を満たす集合組織を有する銅合金は、高強度で、かつ高導電率であること、具体的には、引張強さが700MPa以上、導電率が50％IACS以上であることが分かる。そして、この試験では、同じ組成において加工度が低い場合:50％と高い場合:80％とを比較すると、ICu(111)及びIFe(110)が同程度であり、引張強さが同程度であることが分かる。
【００４７】
このことから、一定の配向性を有する集合組織(ここでは、Cuの＜111＞方位、Feの＜110＞方位が優先配向している集合組織)は、塑性加工の途中に熱処理を行った場合でも配向性が大きく崩れることが無い、といえる。つまり、この試験結果は、二相合金であるCu-Fe合金において、一旦、一定の配向性を有する集合組織が形成されていれば、その後の塑性加工により配向性が高められ、強度を向上できる上に、高導電率を維持できることを裏付けている、といえる。また、この試験結果から、塑性加工の途中に熱処理を施して、加工歪みを一旦ゼロにして強度が低下した状態となっても、熱処理後の加工による強度の上昇度合いが大きいことが分かる。このことは、同じ最終線径の銅合金を製造する場合、最終線径に近いときに熱処理を行って最終加工の加工度を小さくできることを裏付けている、といえる。最終加工の加工度が小さいながらも、強度が十分に高く(この試験では最終加工の加工度が高い場合と同程度の強度を有している)、当該加工度が小さいことで、導電率がより高い。
【００４８】
[試験例3]
試験例3も試験例2と同様に、塑性加工の途中で適宜熱処理を施し、最終線径が同じ銅合金を作製した。但し、試験例3では、最終線径を試験例2よりも小さくし、熱処理を施す時期を異ならせた。この点以外は、試験例2と同様にして、Cu-Fe合金からなる線材を作製し、試験例1と同様にして、配向性(ICu(111),IFe(110))、引張強さ(MPa)、導電率(％IACS)を調べた。その結果を表3に示す。
【００４９】
【表３】
0006050588.tif 000004
【００５０】
試験例3も試験例2と同様に、冷間加工の途中に熱処理を行った場合も、ICu(111)が0.70以上、かつIFe(110)が0.90以上を満たす集合組織を有する銅合金は、高強度で、かつ高導電率であることが分かる。また、例えば、試料No.3-3における上記熱処理を施した素材は、同じ組成である試験例1の表1の試料No.1-4(最終線径:1.58mm)よりも加工されて線径が小さくなっている(熱処理線径:1.12mm)ことから、当該素材は、ICu(111)が0.70以上、かつIFe(110)が0.90以上を満たす集合組織を有するといえる。同様に同じ組成で比較すると、試験例3における上記熱処理を施した素材は、試験例1の表1の試料No.1-5,1-14,1-15,1-24,1-25よりも加工されていることから、ICu(111)が0.70以上、かつIFe(110)が0.90以上を満たす集合組織を有するといえる。そして、このような特定の集合組織を有する銅合金を素材とし、更に熱処理及び塑性加工を施すことで、配向性を更に高められることが分かる。具体的には、表3に示すようにICu(111)が0.90以上、かつIFe(110)が0.98以上を満たす集合組織を有し、引張強さが900MPa以上、導電率が50％IACS以上であることが分かる。従って、上述の特定の配向性を満たす集合組織を具えることで、更なる高強度が図れることが分かる。
【００５１】
[効果]
上記試験結果に示すように、Cu及びFeの双方が特定の配向性を満たす集合組織を具える銅合金は、高強度かつ高導電率を両立する。具体的には、この銅合金は、引張強さが700MPa以上、かつ導電率が50％IACS以上を満たす。従って、この銅合金を接点ばねなどの高導電性に加えて、高強度が望まれる用途に利用した場合、長期に亘り、所定のばね荷重を付与でき、応力緩和もし難いことから、十分に導通をとれると期待される。また、上述の特定の集合組織を有する銅合金を製造するにあたり、冷間加工の途中において、特に最終線径に近いときに熱処理を施すことで、冷間加工の上流で熱処理を施した場合と同程度の高い強度を有していながら、導電率をより高くすることができる。
【００５２】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、組成(Feの含有量)、熱処理条件(実施時期、温度、時間など)、塑性加工(冷間加工)の加工度、銅合金の形態(圧延板など)などを変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明銅合金は、蓄電池、発電機器、車載部品などの種々の電気・電子機器と電線間、電線間を電気的に接続するための部材(コネクタメス部、コネクタの接点部、端子金具、接点ばね、スイッチ、ソケット、リレーなど)の素材、その他、高強度と高導電率とが求められる導電部材の素材に好適に利用することができる。本発明銅合金線は、圧縮ばねや斜め巻きばねなどの接点ばねの素材に好適に利用することができる。