(57)【要約】      （修正有）【課題】Cu母相中に固溶する元素を効果的に析出させることで、高強度と高導電率の両立を図った銅合金を提供する。【解決手段】析出強化元素を0.01質量％以上3質量％以下、析出促進元素を0.01質量％以上5質量％以下含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる。そして、前記析出強化元素の少なくとも一部が前記析出促進元素と共に析出し、導電率が40％IACS以上であることを特徴とする。前記析出強化元素として、例えばTi又はCrの少なくとも一方を用いることができる。また、前記析出促進元素として、例えばFe又はCoの少なくとも一方を用いることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
析出強化元素を0.01質量％以上3質量％以下、析出促進元素を0.01質量％以上5質量％以下含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、
前記析出強化元素の少なくとも一部が前記析出促進元素と共に析出しており、
導電率が40％IACS以上であることを特徴とする銅合金。
【請求項２】
前記析出強化元素の含有量が、前記析出促進元素の含有量より少ないことを特徴とする請求項１に記載の銅合金。
【請求項３】
前記析出強化元素が、Ti又はCrの少なくとも一方であり、
前記析出促進元素が、Fe又はCoの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１又は２に記載の銅合金。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の銅合金を導体として用いたことを特徴とするワイヤーハーネス用電線。
【請求項５】
前記電線は、引張強度が400MPa以上であることを特徴とする請求項４に記載のワイヤーハーネス用電線。
【請求項６】
前記電線は、伸びが10％以上であることを特徴とする請求項５に記載のワイヤーハーネス用電線。
【請求項７】
Cuに析出強化元素及び析出促進元素を添加した複合溶湯を準備する工程と、
前記複合溶湯を急冷凝固して、前記析出強化元素を0.01質量％以上3質量％以下、前記析出促進元素を0.01質量％以上5質量％以下含有する凝固体を作製する工程と、
前記凝固体に塑性加工を施した後、時効処理を施す工程とを備え、
前記凝固工程では、複合溶湯を150℃／sec以上の冷却速度で急冷して、前記析出強化元素及び析出促進元素が固溶された凝固体とし、
前記時効処理工程では、塑性加工した加工体を300℃以上600℃以下に1時間以上16時間以下保持し、前記析出強化元素の少なくとも一部を前記析出促進元素と共に析出させることを特徴とする銅合金の製造方法。
【請求項８】
析出強化元素を0.01質量％以上3質量％以下、析出促進元素を0.01質量％以上5質量％以下含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる鋳造体を準備する工程と、
前記鋳造体を溶体化処理して固溶体を作製する工程と、
前記固溶体に塑性加工を施した後、時効処理を施す工程とを備え、
前記溶体化処理工程では、鋳造材を800℃以上1000℃以下に10分以上10時間
以下に保持して、前記析出強化元素及び析出促進元素をCu母相中に固溶させ、
前記時効処理工程では、塑性加工した加工体を300℃以上600℃以下に1時間以上16時間以下保持し、前記析出強化元素の少なくとも一部を前記析出促進元素と共に析出させ、
導電率が40％IACS以上の銅合金を製造することを特徴とする銅合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅合金及びその製造方法に関するものである。特に、高強度・高導電率の銅合金及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Cu-Ti合金は、高強度銅合金として知られており、半導体用リードフレーム材料や電子機器用コネクタ材料として多く用いられている。Cu-Ti合金は、通常3％程度のTiを含有し、Cu母相中にTiの析出物（Cu4Ti）が分散することにより高強度化を図った、いわゆる析出強化型銅合金である。このようなCu-Ti合金は、一般的に、CuにTiを添加した鋳造体を溶体化処理してTiを固溶させた過飽和固溶体を作製し、この固溶体を時効処理してCu母相中にTiの析出物を析出させることで得られる。一方、一般的な時効温度である500℃付近でのCu-Ti合金へのTiの固溶限は1質量％程度であり、時効処理しても、Cu母相中にTiが0.5質量％〜1.0質量％程度固溶するため、Cu-Ti合金の導電率は20％IACS以下である。
【０００３】
また、このようなCu-Ti合金に関する技術が、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１には、Cu-Ti合金に第３元素としてFe、Co、Ni、Cr、V、Zr、B及びPの少なくとも１種の元素を0.01〜0.5質量％添加することで、銅合金の高強度化を図る技術が記載されている。例えば、特許文献１に記載の銅合金（表１に記載のNo.1）は、特許文献２の記載（表１,３に記載のNo.11）から導電率が20％IACS以下と推測され、従来と同様に、Cu母相中にTiが0.5質量％〜1.0質量％程度固溶していると考えられる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１７６１６２号公報
【特許文献２】特開２００２−３５６７２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、最近では、高強度のみならず、高導電率を有する銅合金が求められており、従来の合金では、その要求に応えることができなかった。例えば、自動車用ワイヤーハーネスの信号線では、引張強度が400MPa以上、導電率が40％IACS以上の銅合金が求められている。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的の一つは、Cu母相中に固溶する添加元素を効果的に析出させることで、高強度と高導電率の両立を図った銅合金を提供することにある。本発明の別の目的は、この銅合金を導体に用いたワイヤーハーネス用電線を提供することにある。本発明の他の目的は、この銅合金の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述したように、Cu-Ti合金といった析出強化型銅合金では、Cu母相中に固溶する添加元素が析出することで高強度化を図っているが、一定量の添加元素がCu母相中に固溶したままとなり、導電率が低下する。したがって、Cu母相中に固溶する添加元素を効果的に析出させ、Cu母相中の添加元素の固溶量を低減できれば、高強度化と高導電率化の両立を図ることが可能であると考えられる。
【０００８】
そこで、本発明者らは、上記目的を達成するために、析出強化元素の他に析出促進元素をCuに添加することで、この析出促進元素が析出強化元素を取り込んで析出し、導電率低下を抑制しつつ強度向上効果を発現することを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
なお、析出強化元素とは、Cu母相中に析出することで、Cu合金の強度を向上させる機能を発現する元素のことである。析出促進元素とは、析出する際にCu母相中に固溶する析出強化元素を取り込んで、析出強化元素の析出を促進する元素のことである。
【００１０】
本発明の銅合金は、析出強化元素を0.01質量％以上3質量％以下、析出促進元素を0.01質量％以上5質量％以下含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる。そして、前記析出強化元素の少なくとも一部が前記析出促進元素と共に析出し、導電率が40％IACS以上であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の銅合金によれば、析出強化元素の少なくとも一部が析出促進元素と共に析出することで、Cu母相中の析出強化元素の固溶量が低減し、導電率が向上する。一方、Cu母相中の析出強化元素の析出量が増加し、強度が向上する。
【００１２】
析出強化元素の含有量が0.01質量％未満の場合、析出強化元素の析出量が少なく、十分な強度向上効果が得られない。3質量％超の場合、析出強化元素の析出量が多く、加工性が低下する。また、析出促進元素の含有量が0.01質量％未満の場合、Cu母相中に固溶する析出強化元素を十分に析出することができず、十分な導電率向上効果が得られない。5質量％超の場合、析出促進元素の析出量が多く、加工性が低下する。
【００１３】
析出強化元素の好ましい含有量は、上限が、2.0質量％未満が好ましく、1.5質量％未満がより好ましく、1.0質量％以下がさらに好ましく、下限が、0.1質量％以上が好ましく、0.5質量％以上がより好ましい。また、析出促進元素の好ましい含有量は、上限が、4.0質量％以下が好ましく、3.0質量％以下がより好ましく、下限が、0.1質量％以上が好ましく、0.5質量％以上がより好ましい。
【００１４】
析出強化元素の含有量が、析出促進元素の含有量よりも少ないことが好ましい。
【００１５】
本発明では、析出促進元素がCu母相中に固溶する析出強化元素を取り込んで析出することで、析出強化元素を含む析出物が効果的に生成されるので、従来の銅合金と比較して、析出強化元素の含有量が少なくても、強度低下を十分に抑制することができる。また、析出促進元素の含有量が多いことで、析出強化元素と反応させ易い。より好ましくは、析出強化元素と析出促進元素の含有量の比が、0.5以下である。
【００１６】
析出強化元素が、Ti又はCrの少なくとも一方であり、析出促進元素が、Fe又はCoの少なくとも一方であることが好ましい。
【００１７】
Ti、Crは、Cu母相中に析出することで、強度を向上させる効果が大きい。Fe、Coは、析出強化元素と反応し易く、析出強化元素の析出を促進する効果が大きい。
【００１８】
本発明の銅合金は、強度と導電率のバランスに優れており、本発明のワイヤーハーネス用電線の導体に好適に利用することができる。この導体を備えるワイヤーハーネス用電線は、引張強度400MPa以上を満たすことができる。さらに、このワイヤーハーネス用電線は、靭性に優れ、伸び10％以上を得られる場合もある。
【００１９】
このような機械的特性を有することで、配線、取り付け作業や使用中に引っ張りや衝撃、振動を受けても、破断し難い。また、40％IACS以上の導電率を有しており、抵抗が小さい。
【００２０】
また、本発明の銅合金は、例えば以下に示す本発明の製造方法により製造することができる。
【００２１】
第一の本発明の銅合金の製造方法は、次の工程を備えることを特徴とする。
(1)Cuに析出強化元素及び析出促進元素を添加した複合溶湯を準備する工程
(2)前記複合溶湯を急冷凝固して、前記析出強化元素を0.01質量％以上3質量％以下、前記析出促進元素を0.01質量％以上5質量％以下含有する凝固体を作製する工程
(3)前記凝固体に塑性加工を施した後、時効処理を施す工程
前記凝固工程では、複合溶湯を150℃／sec以上の冷却速度で急冷して、前記析出強化元素及び析出促進元素が固溶された凝固体とする。
前記時効処理工程では、塑性加工した加工体を300℃以上600℃以下に1時間以上16時間以下保持し、前記析出強化元素の少なくとも一部を前記析出促進元素と共に析出させる。
【００２２】
第二の本発明の銅合金の製造方法は、次の工程を備え、導電率が40％IACS以上の銅合金を得ることを特徴とする。
(1)析出強化元素を0.01質量％以上3質量％以下、析出促進元素を0.01質量％以上5質量％以下含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる鋳造体を準備する工程
(2)前記鋳造体を溶体化処理して固溶体を作製する工程
(3)前記固溶体に塑性加工を施した後、時効処理を施す工程
前記溶体化処理工程では、鋳造材を800℃以上1000℃以下に10分以上10時間
以下に保持して、前記析出強化元素及び析出促進元素をCu母相中に固溶させる。
前記時効処理工程では、塑性加工した加工体を300℃以上600℃以下に1時間以上16時間以下保持し、前記析出強化元素の少なくとも一部を前記析出促進元素と共に析出させる。
【００２３】
第一の製造方法では、複合溶湯を急冷することで、添加元素の固溶状態が均一な凝固体とし、この凝固体に時効処理を施すことで、微細な析出物が均一に分散した銅合金を製造することができる。これにより導電率が40％IACS以上の銅合金を得ることが可能になる。また、第二の製造方法では、鋳造材を溶体化処理することで、添加元素の固溶状態が均一な固溶体とし、この固溶体に時効処理を施すことで、微細な析出物が均一に分散した導電率が40％IACS以上の銅合金を製造することができる。
【００２４】
凝固工程において、冷却速度が150℃／sec以上であれば、溶体化処理を行わなくても一定レベル以上の特性（例えば導電率が40％IACS以上）を有する銅合金を得ることができ、冷却速度が150℃／sec未満の場合であっても、溶体化処理を行うことで一定レベル以上の特性を有する銅合金を得ることができる。もちろん、冷却速度が150℃／sec以上の場合であっても溶体化処理を行うことは差し支えない。溶体化処理工程において、加熱温度が800℃未満の場合、十分に添加元素を固溶させることが難しく、加熱温度が1000℃超の場合、鋳造材が軟化するので好ましくない。また、溶体化処理工程において、保持時間が10分未満の場合、添加元素の固溶状態が均一な固溶体とすることが難しく、保持時間が10時間超の場合、生産性が低下する。時効処理工程において、加熱温度が300〜600℃の範囲外の場合、十分な導電率向上効果が得られ難い。また、時効処理工程において、保持時間が1時間未満の場合、十分な導電率向上効果が得られ難く、保持時間が16時間超の場合、生産性が低下する。
【００２５】
凝固工程では、冷却速度を175℃／sec以上とすることが好ましい。溶体化処理工程では、加熱温度を800℃以上950℃以下とすることが好ましく、保持時間を30分以上3時間以下とすることが好ましい。時効処理工程では、加熱温度を400℃以上550℃以下とすることが好ましく、保持時間を2時間以上10時間以下とすることが好ましい。
【００２６】
複合溶湯を作製するときや凝固させるときは、不活性ガス雰囲気中、或いは真空中で行うことが好ましい。また、溶体化処理や時効処理は、非酸化性雰囲気中で行うことが好ましい。
【００２７】
塑性加工としては、鍛造、金属プレス、圧延加工、押出加工、伸線加工、引き抜き加工、絞り加工などが挙げられる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の銅合金は、析出強化元素の少なくとも一部が析出促進元素と共に析出することで、従来にない強度と導電率40％以上を実現した銅合金であり、新たな電子部品材料として貢献することが期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
組成の異なる銅合金（試料No.1〜5）をそれぞれ作製し、各銅合金の機械的特性（引張強度、伸び）、電気的特性（導電率）について調べた。各銅合金は、以下のようにして作製した。
【００３０】
（試料No.1〜3）
純Cu(OFC)と、析出強化元素としてスポンジTi粒、析出促進元素として銑鉄(Fe-4質量％C合金)粒を坩堝に入れ、アーク溶解炉で溶解し、複合溶湯を作製した。溶解は、原料の酸化を防止するため、アルゴン雰囲気下で行った。この複合溶湯を銑鉄の融点(約1200℃)以上にすると共に、撹拌フィンで撹拌した。
【００３１】
この複合溶湯を水冷Cu製鋳型に鋳込み、180℃/secの冷却速度で急冷し、長さ70mm×幅40mm×厚さ25mmの凝固体を作製した。この凝固体を試料No.1とする。
【００３２】
また、添加するスポンジTi粒と銑鉄粒の量を変更した以外は、試料No.1と同様にして、試料No.2,3の凝固体を作製した。
【００３３】
（試料No.4,5）
純Cu(OFC)と、添加元素として銑鉄(Fe-4質量％C合金)粒のみを坩堝に入れ、アーク溶解炉で溶解し、複合溶湯を作製した。溶解は、原料の酸化を防止するため、アルゴン雰囲気下で行った。この複合溶湯を銑鉄の融点(約1200℃)以上にすると共に、撹拌フィンで撹拌した。
【００３４】
この複合溶湯を水冷Cu製鋳型に鋳込み、180℃/secの冷却速度で急冷し、長さ70mm×幅40mm×厚さ25mmの凝固体を作製した。この凝固体を試料No.4とする。
【００３５】
また、添加元素としてスポンジTi粒のみを用いた以外は、試料No.4と同様にして、試料No.5の凝固体を作製した。
【００３６】
試料No.1〜5の各組成を表１に示す。なお、組成はICP発光分光分析により調べた。
【００３７】
【表１】
2009167450.tif 000003
【００３８】
次に、試料No.1〜5に伸線加工を施して伸線材を作製し、各伸線材の引張強度(MPa)、破断伸び(％)、導電率(％IACS)を測定した。伸線材は、試料を表面切削して直径φ12mmの棒状体とし、この棒状体を直径φ0.2mmまで伸線した後、時効処理を施すことにより作製した。時効処理は、加熱温度：20〜550℃、保持時間：8時間とし、冷却は炉冷とした。各特性の測定は、それぞれの加熱温度で時効処理した各伸線材について行った。その結果を表２に示す。
【００３９】
【表２】
2009167450.tif 000004
【００４０】
試料No.1〜5は、いずれも、時効処理の加熱温度が高くなるにつれて導電率が高くなり、450℃でピークとなり、以降低くなる傾向が見られた。そこで、加熱温度が450℃のときの各試料の特性を比較する。試料No.1〜3（本発明例）は、導電率が70％IACS以上であるのに対し、試料No.5は、導電率が40％IACS程度と低い。また、本発明例は、引張強度が440MPa以上であるのに対し、試料No.4は、引張強度が400MPa程度と低い。
【００４１】
図１は、表２の結果から、引張強度と導電率の関係を示したグラフである。図１において、導電率が40％IACS以上の領域を見たとき、本発明例は、試料No.5と比較して、導電率が大幅に向上しており、強度と導電率のバランスに優れていることが分かる。また、本発明例は、試料No.4と比較して、導電率がほぼ同じであるが、強度が向上していることが分かる。
【００４２】
次に、試料No.3の伸線材について、断面をEDXが装備されたSEMにより観察した。図２は、SEMにより観察された範囲内のEDX分析結果を示す。EDXによる元素分析の結果、図２（I）〜（III）は、それぞれCu、Ti、Feの元素マッピングを示し、図２（I）〜（III）において、色の薄い（明るい）部分では元素濃度が高く、色の濃い（暗い）部分では元素濃度が低くなっている。試料No.3は、図２（I）から、Cu母相中に微細な析出物が存在しており、図２(II),（III）から、この析出物がTi及びFeを構成元素として含むことが分かる。また、Feが析出する位置にTiが集中していることから、FeがTiを取り込んで析出することでTiの析出を促進させたものと考えられる。この析出物は、詳しいことは明らかではないが、Fe-Ti合金、或いはFe-Ti化合物の状態で存在していると考えられる。
【００４３】
以上の結果から、本発明例（試料No.1〜3）は、高強度、高導電率を実現していることが分かる。従って、本発明例は、自動車用ワイヤーハーネスの信号線に好適に利用することができると考えられる。また、本発明例は、導電率が70％IACS以上であることから、自動車用ワイヤーハーネスの電力線にも利用することができると考えられる。特に、試料No.3は伸びが10％以上と靭性にも優れており、破断し難い電線とすることができる。
【００４４】
ここで、本発明例では、Feを銑鉄の状態で添加しているため、同時にCも添加されている。そこで、上記SEMにより観察したところ、Cu母相中に微細なTiCが分散していることが認められた。このTiCは母相中に分散することで、強度向上に寄与しているものと考えられる。
【００４５】
なお、本発明は、上述の実施例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、Ti及びFeの含有量、析出強化元素及び析出促進元素の種類や含有量を変更してもよいし、凝固体に伸線加工を施す前に時効処理を施してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の銅合金は、高強度・高導電率の銅合金であり、新たな電子部品材料として利用することが可能である。例えば、自動車用ワイヤーハーネスの信号線の導体に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】試料No.1〜5の引張強度と導電率の関係を示したグラフである。
【図２】試料No.3断面のEDXによる元素マッピングを示す顕微鏡写真(50万倍)であり、（I）はCuの分布状態、（II）はTiの分布状態、（III）はFeの分布状態を示す。
【図１】
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【図２】
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