■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■導電材料の基礎■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■千星 聡
東北大学 金属材料研究所 産学官広域連携センター / 准教授
大阪府立大学 工学研究科 マテリアル工学分野 / 客員准教授

導電材料とは導電材料とは電気を種々の分野で利用するために，電流を特定の個所に伝え導くのに用いられる材料。電流をできるだけ小さい損失で伝える必要があるので，まず第1に電気抵抗率が小さいことが要求される。常温では銀が最も電気抵抗率が小さく，次いで銅，アルミニウムの順に大きくなる。銀は高価であるから接点材料のように少量で間に合う分野に使用されているだけである。したがって，現在は銅が導電材料として最も広く使用されている。銅はそのままでは強度が低いので，多くの場合，電気抵抗率があまり上昇しない程度に少量の合金元素を添加したうえで熱処理を施して使用する。
【出展】： 世界大百科事典（第二版）

種々の材料の抵抗率，導電率 （20oC）* %IACS: 国際標準軟銅（抵抗率 1.7241 x 10-8 Ωm）の導電率を100%とした指標.

材料

抵抗率（10-6 Ωm）

導電率（% IACS*）

引張強度（MPa）

材料

抵抗率（10-6 Ωm）

導電率（% IACS*）

引張強度（MPa）

Ag

0.0162

106.4

150

Fe

0.098

17.6250Cu

0.0172

100

220

Pt

0.106

16.3

150

Au

0.0240

71.8

100

Sn

0.114

15.1

25Al

0.0275

61.7

80

Pb

0.210

8.2

15Mg

0.045

38.3120Ti

0.420

4.1340

W

0.055

31.3

1100

SUS3040.740

2.3710Mo0.056

30.8---

Nichrome~ 1.0~ 1.7---

Zn

0.059

29.2150Graphite

160.1---

Ni

0.072

23.8400

導電性
ポリマー

20～2000.01~0.1*ポリアセチレン

導電材料に求められる特性
AgCu

Au

Al

106.4% IACS

100 % IACS

71.8 % IACS

61.7 % IACS

加工性に優れている

◎◎

◎

◎

耐食性に優れている

〇〇

◎

◎

機械的強度が大きい

150 MPa(引張強さ)

220 MPa

100 MPa

80 MPa線膨張率が小さい18.9 x 10-6/K(20oC)

16.5 x 10-6/K

14.2 x 10-6/K

23.1 x 10-6/K△〇×〇

導電率が大きい

価格が安く、入手しやすい

導電材料

一般的に，銅，アルミニウム，その合金が利用銅地金の生産 【世界】
世界の銅地金生産
・地金生産 → ～2200万t(鉄の約1.3%)• No.1 中国 32％• No.2 チリ （銅鉱石生産量はNo.1）

世界の銅地金消費（2015）• 地金消費 No.1：中国 (世界の46％） 増加傾向
（中国は生産も輸入もNo.1）• 欧米，日本 地金消費は停滞気味

銅地金の生産 【日本】
日本の銅地金生産• 地金生産量：～150万トン (世界の7％)• 銅精鉱の輸入元
No.1 チリ （40％）
No.2 ペルー （12％）
No.3 インドネシア （12％）
No.4 カナダ （12％）
No.5 オーストラリア （10％）

日本の銅地金消費• 地金消費：～90万トン (世界の4％)• 地金生産の40%は輸出• 銅素材の内訳- 電線 （純銅） ：62%
- 伸銅品 （銅合金） ：36%
- その他 ：2%

銅のマテリアルフロー （2006年度）[出典] 現場で活かす金属材料「銅・銅合金」（日本伸銅学会編）

銅の製錬① （乾式法）【乾式法】 … 高温での化学反応を利用した手法
銅鉱石

焙焼転炉

【硫化鉱】

黄銅鉱（CuFeS2）（低品位）,輝銅鉱（Cu2S）, 銅藍（CuS）, …
【酸化鉱】

赤銅鉱（Cu2O）（高品位）,孔雀鉱（CuCO3・Cu(OH)）, …
* 浮遊選鉱法にて銅品位20～40％の銅精鉱にする（銅精鉱生産：No.1 チリ（30%）, 2. ペルー（9%）, 3. 中国(8%) ）精製炉

粗銅99.5%

電解製錬

電解銅>99.99%(1) 焙焼/転炉工程 … 硫化銅から硫黄を除去[焙焼] CuFeS2 + SiO2 + O2 →
銅品位
65 %

Cu2S・FeS + 2FeO ・SiO2 + SO2 + (反応熱)鈹（かわ）/マット鍰（からみ）/スラグ[転炉] Cu2S・FeS + SiO2 + O2 →
銅品位
99 %

Cu + 2FeO・SiO2 + SO2 + (反応熱)(2) 精製炉工程 … ブタンガスにて粗銅中の酸素を除去

銅の精錬② （電解製錬）【電解精錬】

銅鉱石

焙焼転炉

精製炉

粗銅99.5%

電解製
錬

電解銅>99.9%

電解製錬

金 10 g/t, 銀 200 g/t[陽極] Cu → Cu2+ + 2e-, [陰極] Cu2+ + 2e-→ Cu[出典] 最新「銅」の基本と仕組み(秀和システム)[出典] 岡山県教育センターHP

純銅の種類
還元剤/天然ガス

電解銅

還元
雰囲気

P, Si, Mn

電気銅（タフピッチ銅）-

電解銅を溶解・鋳造して目的の形状にしたもの-

酸素量: 0.02-0.05% （結晶粒界にCu2Oとして残存）-

Cu2Oによる水素脆性*を示す

無酸素銅 （OFHC: Oxygen Free High Conductivity）-

電解銅を、真空、水素などの還元性雰囲気溶解法で溶製-

酸素量: < 0.002%-

耐水素脆性に優れる。中間温度脆化*を示す。

脱酸銅-

P, Si, Mnの脱酸材添加により酸素量低減。

-

耐水素脆性に優れる。中間温度脆化を抑制する。

-

微量の元素固溶、介在物生成のため導電率は低下。

* 水素脆性（水素病） … 高温（600℃以上）において、銅中の酸素と環境中の水素が反応してH2Oを生じ、粒界が破壊し、母材が脆化する現象。
* 中間温度脆性 … 中間温度（200～700℃以上）の低ひずみ条件において、純銅（無酸素銅）が脆化する現象。

銅・銅合金の特徴
長 所

短 所

 高い導電率 （低い電気抵抗率）

 重い（比重が大きい） 高い熱伝導性

 鉄鋼材料より強度が低い

 良好な耐食性 表面酸化が早い

 美しい外観、色彩

 価格が高い 比較的高い強度、硬さ（スクラップ鉄：20 円/kg, 銅: 500円/kg)

 優れた塑性・切削加工性

 入手しにくい 良好な溶接性

 熱膨張率が大きい

 優れた耐摩耗性・摺動性（鉄: 10.8 x 10-6/K, 銅：16.5 x 10-6/K ） 非磁性 めっき、はんだ付けが容易
 抗菌性がある

銅の強度性質 （純銅）
純銅の機械的特性_温度依存性* 低温脆化しない （fcc金属）* 中間温度脆性（タフピッチ）* 純銅の引張強度：220MPa～* 高温ほど軟化[出典] 非鉄材料（日本金属学会編）* 中間温度脆性 … 200～700℃以上、低ひずみ条件において、純銅（無酸素銅）が脆化する現象。元素添加により低減（リン脱酸銅では抑制）

銅の強度性質 （不純物元素の影響）
酸素含有量の影響

延性、電気伝導度 : 低下

純銅の引張強度… 220 MPa～
強度 ： 増加

無酸素銅

電気銅(タフピッチ)[*] 金属データブック（日本金属学会編）

強度性質の向上 （純銅の強化 ①）
加工硬化
焼鈍し材

結晶粒微細化による強化（粒界強化）

冷間圧延材

通常の圧延/再結晶材

圧延率≈50% 転位密度が大きくなるほど高強度化

 結晶粒径が細かくなるほど高強度化

強度性質の向上 （合金の強化 ②）
固溶硬化

分散強化 （析出強化）λ[*] 銅および銅合金の基本と工業技術（日本伸銅協会）

 固溶元素、添加量に依存して高強度化

 分散粒子の数密度が大きくなるほど強化【強度特性】 ： 各種強化機構，特に分散強化（析出強化）の活用

純銅の物理的性質（電気・熱伝導率）
各種金属の導電率と熱伝導率 （室温）

【銅製スプーン】 （新潟県燕市）* カチカチのアイスもするりと !
* 美しく、しなやかなデザイン !!

電気，熱伝導率ともに銅は実用材料でNo. 1[出典] 伸銅品データブック（日本伸銅協会）** Wiedemann-Franzの法則 … 熱伝導と電気伝導はともに自由電子に強く依存するため、金属材料では両者は一定比で表せる。

銅・銅合金の物理的性質（電気・熱伝導率）
純銅の電気比抵抗への添加元素の寄与
元素Δ ρi[10 Ωm/at%]

元素

Δ ρi
[10 Ωm/at%]

Ag0.14Cr

3.6Zn

0.32

Si

3.95-8-8Au0.55

Co

6.35

Be

0.62

P

6.70

Mg

0.65

As6.8

Al1.25Zr～7.6Ni1.25FeSn2.88Ti【Nordheimの法則】

r = ro + Dri Ci
左表の値

固溶元素量(at.%)

純銅の抵抗率（1.72 x 10-8 Ωm）

導電率 (%IACS)
無酸素銅100～102

電気銅～1009.35

リン脱酸銅

85～9810.2Cu-0.8Cr

37 (*熱処理により >80)

【電気，熱伝導率】 不純物の混入，固溶元素の添加により低下

銅合金の利用
コネクタ部材・電線の要求特性

代表的な銅合金の強度と導電率

アルミナ分散銅

軽量化，高密度実装化 → 高強度，高導電率化への要求

銅合金の利用 「小型電子部品用端子・コネクタ」
携帯電話のコネクタに使用される素材と割合*

代表的な銅合金の強度と導電率[ref]最新 銅の基本と仕組み(秀和システム) 201013％
アルミナ分散銅「汎用」「廉価」：リン青銅, 黄銅 → 「高品位」：ベリリウム銅, チタン銅, コルソン銅(Cu-Ni-Si)時効析出型銅合金
 熱処理（時効）により母相中に析出物を分散
時効析出型銅合金

 分散（析出）強化 → 効率的な強化 析出による溶質元素量の減少 → 導電率も良好
代表的な銅合金の強度と導電率
1600
1400
・Cu-Be

銅母相中の固溶量は減少

第二相の生成（析出量は天秤則）

引張強度/ MPa

1200

析出強化型・Cu-Ti

1000800

・洋白 ・黄銅(Cu-Zn)・アルミ青銅(Cu-Al)600400アルミナ分散銅・低濃度青銅(Cu-Sn)

固溶強化型

2000・Cu-Ni-Si

・リン青銅(Cu-Sn)0204060
導電率 / %IACS*

・Cu-Fe・Cu-Cr・Cu-Zr・純銅80100

時効析出型銅合金 ① （組織変化） 【Cu-Ti系】（変調組織）

Cu-Ti系状態図
母相単相（Ti固溶量: 4at.%）

母相中のTi固溶量: < 1at.%）時効析出型銅合金② （組織と特性の関係）【Cu-Ti系】
450oC時効材中の析出物-体積分率450 oC時効材のビッカース硬さ

0.20.15

析出物の総量各析出物相の体積分率,

Ti濃化固溶体

0.1b’-Cu4Ti
b-Cu4Ti

0.050.020.0101101001000

時効時間/ h- b’-Cu4Ti の微細分散 → 効率的な硬化，- 析出相（b’-Cu4Ti + b’-Cu4Ti）の生成 → 母相中の固溶Ti量：枯渇 → 導電率：向上

銅合金の利用 「電線・ケーブル」
コネクタ部材・電線の要求特性

代表的な銅合金の強度と導電率

アルミナ分散銅

純アルミニウム

軽量化，高密度実装化 → 高強度，高導電率化への要求

銅合金の利用 「鉄道」

[ref] 大和合金_資料より

銅合金の利用 「自動車」

ワイヤーハーネス
Wire harness

プランジャーキャップ

スポット抵抗溶接電極

シーム溶接用円板電極[ref] 現場で活かす銅・銅合金（丸善）

送配電用アルミ電線
CuAl

導電率

100 % IACS

61.7 % IACS

加工性◎◎

耐食性〇◎

強度（引張強さ）

220 MPa

80 MPa線膨張率16.5 x 10-6/K

23.1 x 10-6/K

価格（2016/1）

52 万円/t

18 万円/t

比重8.9 g/cm3

2.7 g/cm3

Cuに対する強度/比重(1)1.2

Cuに対する導電率/比重(1)2.0

亜鉛メッキ鋼線

硬アルミ線[ref] 電線総合技術センター_HP

まとめ
導電材料
高導電性

加工性

耐食性

強度

物理特性
（線膨張・比重）価格

銅，アルミニウム，その合金の利用

リードフレーム

電子部品

圧縮端子・電力用コネクタ

水熱交換器

配線，ケーブル

送配電用アルミ電線

ご清聴ありがとうございました
東北大学金属材料研究所
千星 聡(semboshi@imr.tohoku.ac.jp)