粒界反応析出抑制による疲労特性に優れた CuTi 合金の開発
鎌 田 俊 哉佐々木史明
菅原1)
2)

章
3)

め，強度や加工性が著しく低下する．こうした b Cu4Ti は.

開 発

背景

疲労破壊の起点にもなるため， Cu Ti 合金の強度，加工性に加え疲労特性を向上させるためには粒界反応析出である

スマートフォンに代表される携帯情報通信機器の小型化，bCu4Ti の生成を抑制する必要がある．

高密度実装化に伴い，ばね・コネクタ材料として使用される

Cu Ti 合金の粒界反応析出を抑制する研究として，時効銅合金材料も薄肉，細幅化され，より高い強度，優れた曲げ条件との関係について種々の検討がされている．例えば，加工性を有することが求められている．加えて，繰り返し作

700°
Cでの時効処理により粒界反応析出が抑制され，粒内に動する可動片に用いられる材料には，高い信頼性，長寿命のWidmanst äatten 型の析出物が形成されるという報告(3)(4) がニーズに応える，優れた疲労特性を有することが強く求めらある．しかしながら，700°Cでの時効処理では時効硬化量がれる．

小さくなり，高強度を得ることが困難となる．また，結晶粒Cu Ti 合金( C19900 )は 800 ～ 1100 MPa の 0.2 耐力を得

界は不連続析出の核生成サイトになるため，第三元素の添加ることが可能であり，銅合金トップクラスの高強度，耐応力により，結晶粒界を改質し改善を図る報告(5)(6)もなされてい緩和特性ならびに疲労特性を有しており，さらに曲げ加工性るが，第三元素の添加は新たな介在物の形成を招くため，曲も優れていることから，スマートフォン向けのばね・コネクげ加工性や疲労特性，プレス打ち抜き性など，他の特性へのタ材料に適した銅合金であり，バッテリー端子や図に示す影響を慎重に調査する必要がある． Cu Ti 合金以外にも粒イヤホンジャックなどの多くの端子に採用されている．しか界反応析出を生じる合金として Cu Be 合金や Cu NiSn 合しながら，部品の小型化に伴う素材板厚，板幅の減少が進む

金などが知られているが，これらの合金系も含めて，第三元中で，高信頼性，長寿命のニーズに応えていくためには，強素を添加すること無く，時効処理以前の工程条件を調整する度，加工性や疲労特性といった材料に求められる諸特性をよことにより，粒界反応析出を抑制する方法については，これり一層向上していく必要がある．

まで十分に検討されてこなかった．

CuTi 合金は析出硬化型銅合金であり，800°C以上で溶体

著者らは， Cu Ti 二元系合金において，製造プロセス中化処理を施した後， 400 ～ 500 °C で時効処理を行うことで強度が大きく上昇する．時効処理では，スピノーダル分解による濃度変調組織を経て，ナノスケールの微細な準安定相( b′Cu4Ti)が Cu 母相中に連続析出する(1)．その後，時効時間の増加に伴い，粒界反応析出が生じ，結晶粒界から安定相である b Cu4Ti がセル状に不連続析出する(2) ．本合金の強度には微細な準安定相による析出強化が寄与するが，時効時間 の増加 に伴 い脆性 である b Cu4Ti が粒 内に 成長す るたDOWA メタルテック株式会社 金属加工事業部
1)主任 2)磐田技術センター長 3)金属加工事業部長
Development of Excellent Fatigue Characteristic CuTi Alloys
by Suppression of GrainBoundary Reaction Precipitates;
Toshiya Kamada, Fumiaki Sasaki, Akira Sugawara (DOWA
METALTECH Co., Ltd.)2015年10月22日受理[doi:10.2320/materia.55.15]

ま て り あ 第55巻 第 1 号(2016)
Materia Japan図1

イヤホンジャック模式図．



の各工程条件と時効処理時の粒界反応析出との関係について調質の板材を得る．前述の通り，時効処理時に時効時間の増研究を進めることで，第三元素を添加することなく粒界反応加に伴い粒界反応析出が生じる．種々の調査の結果，溶体化析出を抑制する技術を開発した．また，この技術を活用する条件を調整することにより，従来品以上の強度を維持しながことにより，従来の Cu Ti 合金の強度を維持しながら，加ら時効処理時の粒界反応析出の生成量を大幅に抑制すること工性ならびに疲労特性を向上させた新合金「YCuTGM」をを可能にした．
図に，開発品と従来品を450°Cにおいて時効処理した際開発した．のビッカース硬さの変化を示す．どちらの材料も 12 h 時効

.

粒界反応析出抑制処理後でピーク硬さが得られたが，開発品は従来品よりもHV15ほど高く，また 3 h から 24 h 時効処理後の全ての条件

Cu Ti 合 金の 一 般 的 な 製造 工 程 では ， 溶 解 ・ 鋳造 を 行で開発品の硬さが高かった．

い，得られた鋳塊に熱間圧延，冷間圧延を施した後に，溶体図に，ピーク硬さが得られた450°
Cで12 h 時効処理後の化処理を施す．溶体化処理後は冷間圧延，時効処理や低温焼組織を SEM により観察した結果を示す．一般的な溶体化条鈍といった圧延と熱処理を組み合わせ，所定の板厚，狙いの件である従来品に比べ，開発品は粒界反応析出を抑制することができている．
図に，時効処理後における粒界反応析出物の面積率の変化を示す．従来品，開発品ともに時効処理時間の増加に伴い粒界反応析出量は増加していく．時効時間 3 ～ 24 h において，従来品に比べて開発品の方が粒界反応析出物の面積率は小さく，ピーク時効の12 h 時効後には従来品の面積率 4に対し，開発品では 2と従来品の 1/2 以下の面積率に抑制することができた．また，過時効にあたる 24 h 時効での粒界反応析出物面積率の増加の度合いも開発品の方が小さい．したがって溶体化条件を調整することにより，粒界反応析出を抑制することが可能である．

.
図2時効硬化曲線．

曲げ加工性，疲労特性を向上した CuTi 合金の開発

表に強度(引張強さ， 0.2耐力)が同等になるように最終圧延加工率を調整した開発品および従来品の機械的特性を示す．また，表 1 に90°
W 曲げにより割れを生じない最小曲げ半径，106回疲労強度も併せて記載した．
図は，R/t＝0.6で90°
W 曲げ(BadWay 方向)試験を行った後の表面写真である．従来品は曲げ加工部表面に割れが生じたが，開発品は割れがなく，曲げ加工性に優れているのが

図3

表112 h 時効処理後の組織写真．
(左開発品 右従来品)

引張強さ 0.2耐力 伸び90°
W 曲げ
106回疲労強度(MPa)(MPa) () MBR/t(B.W.)
(MPa)
開発品

960855150.6721

従来品

961851151.0609

図5
図4

粒界反応析出物の面積率の比較．

機械的特性．

90 °W 曲げ(曲げ幅 W ＝ 10 mm ，曲げ半径 R / t ＝0.6)後の表面写真(左開発品 右従来品)．

新技術・新製品

る．一般に多結晶金属の疲労強度は，引張強さに比例することが知られている．また，析出物や微小欠陥，結晶粒の大きさ等の影響を受けることが知られているが(7)，その定量的な関係は明確にされていない．これまで示したように，溶体化処理条件を調整し，時効後の粒界反応析出を抑制した開発品
は，疲労強度が大きく上昇する効果が得られた．
ここで，開発品と従来品の引張強さ，結晶粒径は同程度であり，したがって開発品は，粒界反応析出物の生成を抑制したことにより，粒内破壊を呈し疲労特性が大幅に向上したと考えられる．
これに対し，粒界反応析出量の多い従来品は，粒界反応析
図6SN 曲線．

出物が生成した粒界をクラックが伝播し，粒界破壊に至っていると考えられる．曲げ加工に対しても，開発品は粒界反応析出物の生成を抑制したことで脆性部が減少し，曲げ加工時に粒界におけるクラックの発生が抑制され，曲げ加工性が向上したと考えられる．

.

実績，将来性，発展性第三元素を添加することなく， Cu Ti 合金の粒界反応析出を抑制する技術ならびに疲労特性を大きく向上させた Cu
Ti 合金に関する特許(8) は，現段階で世界各国に合計 7 件出願しており，研究成果が特許の面でも大きく展開されている．
Cu Ti 合金は，強度，曲げ加工性，耐応力緩和特性，環境面にも優れており，スマートフォン等の携帯情報通信機器向けのばね・コネクタ向けに確固たる地位を築いており，年間1,000トン以上の販売実績がある．
粒界反 応析出 を抑 制し ，疲労 特性 を向上 させた 新製 品
「 YCuTGM」は携帯情報通信機器向けのばね・コネクタ材料として採用が拡大しており，今後，通信機器のさらなる小型化や高密度実装化へ貢献できる可能性がある．
図7

疲労試験後の破面 SEM 写真．

さらに本技術は，粒界反応析出を効果的に抑制する手段として，多くの銅合金にも応用できる可能性を秘めており，その価値は極めて大きいと言える．

分かる．
図にプーリ曲げ疲労試験機による開発品および従来品の文

献疲労特性( S N 曲線)を示す．図 6 より， 600 ～ 800 MPa の負荷応力において，開発品は従来品に比べ 2 倍以上の耐久回数が得られた．また，106 回耐久可能な疲労強度は，従来品の 609 MPa に対し，開発品は721 MPa と100 MPa 以上疲労強度が上昇しており，粒界反応析出の抑制による疲労特性向上の効果が確認された．
図に疲労試験後の破面を SEM 観察した結果を示す．図7 ( a) , ( b )の開発品の破面は，疲労破壊の一般的な特徴を示すストライエーションが観察されており，粒内破壊をしていることが分かる．これに対し，図 7(c), (d)の従来品の破面は，粒状の組織が観察され，粒界破壊していることが分か

ま て り あ 第55巻 第 1 号(2016)
Materia Japan( 1 ) W. A. Soffa and D. E. Laughlin: Prog. Mater. Sci., 49(2004),
347366.
( 2 ) 千星 聡，石黒三岐雄，佐藤成男，我妻和明，高杉隆幸，高維林，菅原 章銅と銅合金，52(2013), 30
35.
( 3 ) 斎藤一男，飯田恵一，渡辺亮治日本金属学会誌31(1967),641646.
( 4 ) 土井俊雄日本金属学会誌23(1959), 347351.
( 5 ) 古田 遼，里 達雄，小林郁夫，手塚裕康銅と銅合金， 53(2014), 5561.
( 6 ) 池野 進，佐治重興，堀 茂徳日本金属学会誌，40(1976),
11051110.
( 7 ) Morris E. Fine (訳 森 勉)日本金属学会会報， 20 ( 1981 ) ,668677.
( 8 ) 例えば，特開2014185370.

