(57)【要約】  本発明は、Ｓｎを０．２〜０．８重量％、Ｎｉおよび／またはＣｏを０．１〜０．６重量％、Ｚｎを０〜０．０５重量％、Ｆｅを０〜０．２重量％、Ｐを０．００８〜０．０５重量％、および残部としてＣｕを含んでなる銅−スズ合金に関する。さらに本発明は、そのような合金でできた基材を有する、対応する複合材料およびその適切な使用に関する。技術的および物理的特性は、ＣｕＦｅ２Ｐ合金の特性に匹敵する。しかし、本発明の合金およびそれに由来するスズめっきされた複合材料は、容易にリサイクルすることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ：０．２〜０．８重量％、
Ｎｉおよび／またはＣｏ：０．１〜０．６重量％、
Ｚｎ：０〜０．０５重量％、
Ｆｅ：０〜０．０２重量％、
Ｐ：０．００８〜０．０５重量％、および
残部としてＣｕ
を含んでなる、銅−スズ合金。
【請求項２】
Ｓｎ含有量が０．３〜０．７重量％、特に０．４〜０．６重量％である、請求項１に記載の銅−スズ合金。
【請求項３】
Ｎｉおよび／またはＣｏ含有量が０．２〜０．５５重量％、特に０．３〜０．５重量％である、請求項１または２に記載の銅−スズ合金。
【請求項４】
Ｐ含有量が０．００８〜０．０３重量％、特に０．００８〜０．０１５重量％である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の銅−スズ合金。
【請求項５】
Ｓｎ：０．３〜０．７重量％、
Ｎｉおよび／またはＣｏ：０．２〜０．５５重量％、
Ｚｎ：０〜０．０４重量％、
Ｆｅ：０〜０．０１５重量％、
Ｐ：０．００８〜０．０３重量％、および
残部としてＣｕ
を含んでなる、請求項１に記載の銅−スズ合金。
【請求項６】
Ｓｎ：０．４〜０．６重量％、
Ｎｉおよび／またはＣｏ：０．３〜０．５重量％、
Ｚｎ：０〜０．０３重量％、
Ｆｅ：０〜０．０１重量％、
Ｐ：０．００８〜０．０１５重量％、および
残部としてＣｕ
を含んでなる、請求項５に記載の銅−スズ合金。
【請求項７】
不純物および他の添加物の総計が０．３重量％以下である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の銅−スズ合金。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の基材および前記基材に施されたスズ層を有する、複合材料。
【請求項９】
前記スズ層の厚さが１〜３μｍである、請求項８に記載の複合材料。
【請求項１０】
前記基材と前記スズ層との間に移行層を有し、前記移行層が、Ｃｕ、Ｎｉおよび／またはＣｏさらにはＳｎの金属間化合物相を含んでなる、請求項８または９に記載の複合材料。
【請求項１１】
前記移行層の厚さが０．１〜１μｍである、請求項１０に記載の複合材料。
【請求項１２】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の銅−スズ合金の、ストリップ、ワイヤ、ホイル、プロファイルストリップ、型打ち部品またはプラグインコネクタへの使用。
【請求項１３】
請求項８〜１１のいずれか一項に記載の複合材料の、ストリップ、ワイヤ、ホイル、プロファイルストリップ、型打ち部品またはプラグインコネクタへの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅−スズ合金、そのような銅−スズ合金を含んでなる複合材料、さらには銅−スズ合金および複合材料の使用に関する。銅−スズ合金およびこれを含んでなる複合材料は、特に電気工学および電子工学における部品の接続に好適である。特に、本発明は、リサイクル性の問題に対処するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、一般的にＣｕ−Ｚｎ、Ｃｕ−ＳｎおよびＣｕ−Ｆｅをベースとする銅合金が、電気工学および電子工学における部品の接続に大規模に使用されている。特に、そのような銅合金は、リードフレームおよびプラグインコネクタに使用される。これに関して、材料選択に重要な基準は、弾性率、降伏強度、緩和挙動および曲げ性である。十分な機械的強度に加えて、導電性および耐食性が、システム全体の耐用期間を通して部品が高い信頼性で作動するための重要な基準を示す。この場合、原則的に相容れない複数の特性、例えば良好な導電性と高い耐食性の組合せ、に関する要求が重複することがしばしばある。一方で、銅における合金化元素、例えばニッケルおよびクロム、が耐食性を改良する場合、他方で、これらの元素は導電性を大幅に下げる。
【０００３】
他の金属材料に対する溶接性の問題、特にレーザー溶接での溶接性、も益々重要になってきている。近年における金属価格の法外な上昇を考慮すると、特に使用された合金のリサイクル性の問題も益々重要になることになる。
【０００４】
Ｃｕ−Ｚｎまたは黄銅合金は、固溶強化材料である。これらの合金は、一般的に５〜４０重量％の亜鉛を含む二元合金である。引張強度および硬度は、亜鉛含有量の増加と共に増加する。伸長は、亜鉛が３０重量％の場合に最大値に達する。強度および硬度に関して、より高い値は、冷間成形によってのみ達成できる。
【０００５】
例えばＣｕＺｎ３０合金またはＣｕＺｎ３７合金から製造された、弾力性ストリップの形態にあるプラグインコネクタには、Ｈｖ＝１５０のビッカース硬度が通常必要とされる。さらに、曲げ角度９０°の場合に、シート厚さｓに対して標準化された最小曲げ半径ｒ／ｓ＝１が観察されなければならない。しかし、Ｃｕ−Ｚｎ合金の欠点は、合金化元素である亜鉛の蒸気圧が比較的高いので、溶接性が比較的乏しいことである。１．０１３ｂａｒで、純粋な亜鉛は９０７℃で既に沸騰する。さらに、Ｃｕ−Ｚｎ合金は、約１１０ｋＮ／ｍｍ２（ＳＩ単位：ＧＰａ）の低い弾性率を有する。さらに、腐食に対する保護の理由からスズめっきしてある黄銅ストリップは、導入されたスズのために、簡単にはリサイクルできない。Ｃｕ−Ｚｎ合金の緩和挙動も顕著であり、従って、使用できる温度が限られている。
【０００６】
Ｃｕ−Ｓｎ合金、すなわちスズ青銅、は、技術的に使用できる最も古い銅合金の一種である。Ｃｕ−Ｓｎ合金には、通常、ある量のリンが添加されるので、この合金はリン青銅とも呼ばれる。これらの合金の特性は、主としてスズ含有量によって決定され、その量は一般的に４〜８重量％である。Ｓｎ含有量に応じて、リン青銅の弾性率は、１１５〜１２０ｋＮ／ｍｍ２（ＳＩ単位：ＧＰａ）である。スズ青銅の曲げ性は傑出している。所与の焼戻し状態に関して、Ｓｎ含有量を増加することで曲げ挙動が改良される。リン青銅製の弾力性ストリップは、ビッカース硬度Ｈｖ＝２００の硬度レベルまで容易に強化されるとともに、９０°曲げ角度の場合にｒ／ｓ＝１の曲げ性も有しうる。スズまたはリン青銅は、容易に揮発する元素（特に亜鉛）または妨害的な第二相を全く含まないので、レーザー溶接可能である。スズまたはリン青銅の緩和挙動は、黄銅合金のそれより優れているが、焼き入れ可能な銅材料のレベルには達しない。
【０００７】
Ｃｕ−Ｓｎ合金は、良好ないし非常に良好な弾力性、良好な電気的および熱的負荷容量、低い応力緩和、良好な曲げ性、良好な溶接性およびはんだぬれ性が必要な場合に、型打ち部品およびプラグインコネクタ用のストリップの形態で使用される。リン青銅は、スズめっきされた形態で容易にリサイクルすることもできる。スズは、すでに合金中にそのようなものとして存在する。
【０００８】
低合金銅材料は、Ｃｕ−Ｆｅ合金を含む。少量の鉄およびリンを添加することにより、純粋銅の材料特性、例えば強度、軟化挙動または緩和挙動、を改良することができる。焼戻し段階ＦＨにあるＣｕＦｅ２Ｐ合金は、特に、自動車工業におけるリードフレームに一般的である。この焼戻し段階では、材料は引張強度Ｒｍ＝４２０〜５００Ｎ／ｍｍ２（ＳＩ単位：ＭＰａ）を有する。ビッカース硬度は、Ｈｖ＝１３０〜１５０である。それでも、鋭角曲げ性が与えられる。ＣｕＦｅ２Ｐ合金の利点としては、弾性率が約１２５ｋＮ／ｍｍ２（ＧＰａ）であり、従って、この材料は、良好な弾性特性を有することが挙げられる。導電率は、６０％〜７０％ＩＡＣＳ（International Annealed Copper Standard（国際軟銅規格）、１００％ＩＡＣＳは約５８ＭＳ／ｍに相当する）である。この材料の、腐食に対する保護のために行うスズめっきは、容易である。
【０００９】
ＣｕＦｅ２Ｐ合金の欠点としては、均質な材料を形成せず、代わりにＦｅ２Ｐ析出物を有するとの事実がある。特に、これによってレーザー溶接がより困難になる。スポット溶接の際にレーザー光線が比較的粗いＦｅ２Ｐ析出物に当たると、レーザー光線がそらされ、そのために、溶け込み溶接の結果が不十分になることがある。更なる欠点は、ＣｕＦｅ２Ｐ合金の、スズめっきされたスクラップのリサイクルが困難なことである。ＣｕＦｅ２Ｐ合金の導電率は、融解の場合、溶体中に約１重量％まで入り込むスズによって、２５％低下する。リードフレームの製造中に使用される材料の５０％〜７０％を通常構成するスズめっきされた型打ちスクラップは、融解プロセス中に直接リサイクルすることができず、代わりに、精錬し、複雑なプロセスで電気化学的に分離しなければならない。従って、スクラップは、マテリアルサイクルの中にカソードとしてリサイクルされる。この操作は、エネルギー消費が非常に高く、従って、スクラップの直接融解と比較して、非常に費用がかかる。
【００１０】
概略を説明したスズ含有量の導電率に対する影響は、図１から、ＣｕＦｅ２Ｐ合金に関して明らかである。導電率は、スズ含有量が僅か０．３重量％でも超えると、急激に低下する。例えば、ＣｕＦｅ２Ｐ合金から製造された厚さ０．４ｍｍのストリップが、腐食に対する保護の理由から、両側に、約３μｍのスズで被覆される場合、このスクラップを直接リサイクルすると、ＣｕＦｅ２Ｐ合金は約１．５重量％のスズで汚染されることになろう。導電率が大きく低下することに加えて、このスズ含有量は、凝固挙動にも大きな悪影響を及ぼす。
【発明の概要】
【００１１】
本発明の目的は、物理的および技術的特性に関してＣｕＦｅ２Ｐ合金の特性にできるだけ匹敵し、できるだけ容易にレーザー溶接することができ、容易にリサイクルできる合金および複合材料を特定することである。更なる目的は、そのような合金およびそのような複合材料に関する使用を特定することである。
【００１２】
合金に関して、上記の目的は、請求項１に規定される組成を有する銅−スズ合金により達成される。従って、銅−スズ合金は、スズ（Ｓｎ）を０．２〜０．８重量％、ニッケル（Ｎｉ）および／またはコバルト（Ｃｏ）を０．１〜０．６重量％、亜鉛（Ｚｎ）を０〜０．０５重量％、鉄（Ｆｅ）を０〜０．０２重量％、リン（Ｐ）を０．００８〜０．０５重量％、および残部として銅（Ｃｕ）を含んでなる。
【００１３】
ここで、本発明は、ＣｕＦｅ２Ｐ合金の代替品であり、同等の特性を有するが、スズめっきされた状態でも容易にリサイクルできる、新規な合金を特定するというコンセプトに基づくものである。純粋なＣｕ−Ｓｎ合金、例えばＣｕＳｎ０．１５合金は、疑いもなく、そのような代替品として使用できる。そのような合金のスクラップは、スズで被覆した場合、マテリアルサイクルの中に直接供給することができる。この場合、機械的および技術的特性は、ＣｕＦｅ２Ｐ合金の特性に比較的良く対応する。しかし、軟化挙動および緩和耐性には、明らかな欠点が生じる。
【００１４】
ここで、広範囲な試験により、合金化元素であるスズ、ニッケルおよび／またはコバルトおよびリンが狙い通りに配位した銅−スズ合金は、ＣｕＦｅ２Ｐ合金に匹敵する機械的および技術的特性の両方、さらには軟化挙動および緩和に関して、それぞれのさらなる加工および最終用途に必要な特性のプロファイル、すなわち、高温における応力下での成分のクリープ、も達成することが今般明らかになったのである。ここで、ニッケルまたはコバルトのいずれかが、所与の含有量で存在する。これに関連して、ニッケルの一部をコバルトで置き換えるのが好ましく、その場合、両合金化元素の総計が所与の含有量を与える。
【００１５】
下記の表は、本発明のＣｕ−Ｓｎ合金およびＣｕＦｅ２Ｐ合金の技術的特性と物理的特性の比較を示す。
【表１】
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【００１６】
この表から、本発明のＣｕ−Ｓｎ合金は、技術的および物理的特性に関する所与の必要条件を満たすことが明らかである。
【００１７】
本発明のＣｕ−Ｓｎ合金をスズめっきされた形態で使用する場合、基材とスズ被覆との間に合金層が形成される。この新規な材料に切り換える場合、製造装置を適合させる必要は無い。
【００１８】
さらに、上記のＣｕ−Ｓｎ合金は、軟化挙動および緩和に関して、ＣｕＦｅ２Ｐ合金に匹敵する特性のプロファイルを示す。これは、緩和％を温度℃に対してプロットする図２から明らかである。この図では、破線がＣｕＦｅ２Ｐ合金の挙動を示し、実線が上記の新規なＣｕ−Ｓｎ合金の挙動を示す。これらの試験は、負荷時間５０００時間および初期応力６５％Ｒｐ０．２下で行った。
【００１９】
この新規なＣｕ−Ｓｎ合金は、特に、サプライチェーンの個々の段階からスズめっきされたスクラップを直接リサイクルできることによって更に区別される。スズめっきされたスクラップは、融解工程に直接リサイクルすることができ、従って、リサイクルコストが、精錬と比較して遙かに低い。スクラップ含有量が７０％の場合、例えば、精錬コストは、製造コストのレベルにすぐに達してしまい、経済的な実現可能性に疑問符が付く。この理由から、銅−鉄合金、例えばＣｕＦｅ２Ｐ合金、と本発明のＣｕ−Ｓｎ合金との間の金属価値の調査によっても、経済的および生態学的観点の両方から（スクラップの電解調整を行うために、電力および酸をさらに使用せずに済む）、本発明の合金が、スズめっきされた銅−鉄合金の妥当な代替品である、という事実は変わらない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】
【図２】
【発明を実施するための形態】
【００２１】
必要とされる特性に関して、本発明の銅−スズ合金は、Ｓｎ含有量が０．３〜０．７重量％、特に０．４〜０．６重量％であるのが有利である。銅−スズ合金のＮｉおよび／またはＣｏ含有量が０．２〜０．５５重量％、特に０．３〜０．５重量％である場合に、特性をさらに有利に調節することができる。
【００２２】
好ましいリン含有量は０．００８〜０．０３重量％、特に０．００８〜０．０１５重量％であり、これにより強度を改良することができる。
【００２３】
好ましい合金組成物では、銅−スズ合金は、Ｓｎを０．３〜０．７重量％、Ｎｉおよび／またはＣｏを０．２〜０．５５重量％、Ｚｎを０〜０．０４重量％、Ｆｅを０〜０．０１５重量％、Ｐを０．０８〜０．０３重量％、および残部としてＣｕを含んでなる。
【００２４】
銅−スズ合金は、Ｓｎを０．４〜０．６重量％、Ｎｉおよび／またはＣｏを０．３〜０．５重量％、Ｚｎを０〜０．０３重量％、Ｆｅを０〜０．０１重量％、Ｐを０．００８〜０．０１５重量％、および残部としてＣｕを含んでなる場合に、さらに改良される。
【００２５】
銅−スズ合金の特性は、不純物および他の添加物の総計が０．３重量％以下である場合に、さらに有利に、正確に調節することができる。
【００２６】
特に代表的な傑出した特性を有する態様として、Ｓｎを０．３８重量％、Ｎｉおよび／またはＣｏを０．３０重量％、Ｚｎを０．００３重量％、Ｆｅを０．００８重量％、Ｐを０．０１４重量％、および残部としてＣｕを含んでなる銅−スズ合金が挙げられる。
【００２７】
この新規な銅−スズ合金は、容易に揮発し得る元素を全く含まず、合金が第二相を含まないので、非常に容易にレーザー溶接することができる。特に、この合金は、ＮｉＰ析出物を全く含まない。
【００２８】
この合金は、特にリードフレームに使用できる、容易にレーザー溶接できる複合材料に非常に好適である。現在、そのようなリードフレームは、例えば自動車工業においてＡＢＳおよびＥＳＰ装置に使用される。この目的には、上記の銅−スズ合金から製造された基材を用意するか、またはスズの層で被覆するが、これは、特に高温スズめっき製法で行うことができる。これに関して、本発明の銅−スズ合金から製造された基材上に純粋または遊離スズの層がある。この複合材料は、１００℃の温度まで、緩和に対する高い耐性を有するのが特徴である。この複合材料は、内側にコアとして、本発明の、請求項に記載する組成を有する銅−スズ合金を含んでなる。外側のスズ被覆または外被は、腐食に対する高い耐性を確保する。スズ層の厚さは、好ましくは１〜３μｍである。
【００２９】
本発明の銅−スズ合金をスズめっきする際、基材とスズ層との間に移行層（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｌａｙｅｒ）が形成される。スズの層は、この移行層がＣｕ、Ｎｉおよび／またはＣｏさらにはＳｎの金属間化合物相を含んでなるように施すのが好ましい。移行層は、特に、厚さが０．１〜１μｍになるように形成する。これに関して、内側に、またはコアとして、複合材料は、本発明の、適切な含有量のニッケルおよび／またはコバルトさらにはリンを含む銅−スズ合金を含んでなる。コアの合金は、移行層を経由して、純粋なスズから製造された層の中に融合する。スズ層の良好な結合は、形成された移行層または合金層を経由して達成される。
【００３０】
三次元的構造、例えば複合材料から製造されたリードフレーム、を考える場合、全体として５つの層を有する構造になる。ＣｕＮｉＣｏＳｎからなり、厚さが０．１〜１．０μｍの金属間化合物相の層が、基材として本発明の銅−スズ合金から製造されたコアの両側に施される。腐食に対する保護の理由から、複合材料は、遊離または純粋なスズから製造された、厚さ１．０〜３．０μｍの層で最終的に被覆される。合計で、層状複合材料は、全体的な厚さが０．２〜１ｍｍ、好ましくは２ｍｍ、特に好ましくは３ｍｍである。
【００３１】
本発明による複合材料の導電率は、今日まで使用されている同等の材料であるＣｕＦｅ２Ｐの導電率に相当する。同様に、複合材料の熱伝導率および他の技術的値も十分に匹敵する。
【００３２】
本発明の銅−スズ合金およびスズめっきされた複合材料の両方共は、特に電気工学または電子工学における用途向けの、ストリップ、ホイル、プロファイルストリップ、型打ち部品またはプラグインコネクタに非常に好適である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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2012506952.tif 000007
2012506952.tif 000008
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