专利名称：高强度高导电性铜合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及弯曲加工性优良、高强度、高导电性的电子电机部件用铜合金，特别涉及在小型高集成化的半导体仪器导线用及端子连接器弹簧用铜合金中，具有优良的电·热传导性、特别是优良的高强度特性的电子部件用铜合金。
背景技术：
铜及铜合金作为连接器、导线端子等电子部件及软性电路基板用的材料被广泛应用，快速发展的IT化为了适应信息仪器的高性能化及小型化·薄壳化，正在对铜及铜合金提出更高特性(强度、弯曲加工性、导电性)的要求。
在电子电机部件中使用的端子及连接器随着电子仪器等小型化、轻质化，要求具有高强度、良好的弯曲加工性。另外，随着LSI的高集成化，开始较多地使用耗电高的半导体元件，在半导体仪器的导线架材料中开始使用放热性及导电性好的Cu-Ni-Si系铜合金。但是，一般地在IC等导线架加工中，将原材料利用冲压法、或者蚀刻法等成形导线端子部、与IC的导电连接部等，然后，将导线端子部弯曲成直角，因此，对导线架的要求是，不仅具有导电性而且要有强度，特别是优良的弯曲加工性。为此，在将析出固化型铜合金应用在导线架时，在导电性之外还要求具有强度、弯曲加工性，但是，导电性和强度一般不能兼顾。
在现有技术中，已知的合金是调整Cu-Ni-Si系铜合金中的Ni、Si、O成分含量，调整析出物的粒径及粒径小于0.03μm的析出物和0.03～100μm的析出物的数量比(例如专利文献1)。但是，该专利文献1所述的发明是制造适合冲压加工等剪切加工的Cu-Ni-Si系铜合金，虽然具有优良的导电性、剪切加工性，但是，不具有足够的弯曲加工性。
专利文献特开平10-219374号公报
发明内容
本发明的目的在于，提供一种不影响Cu-Ni-Si系铜合金的优良的热传导性、导电性，具有弹簧材料及半导体仪器的导线架材料所需的足够的强度，也具有弯曲行的铜合金。
本发明者为了实现上述目的，进行了反复研究，结果发现，在调整具有优良的强度、导电性及弹性等的Cu-Ni-Si系铜合金的成分的后，通过将析出物的形状、大小及面积率调整在特定的范围，可以得到具有前所未有的高强度的铜合金。
本发明是在上述理解的基础上完成的，在铜合金中，含有Ni1.5％以上4.0％以下(应说明的是，表示本发明记载的成分比例％是质量％。)、Si0.15％以上1.0％以下，Ni和Si的含量比率Ni/Si为3以上7以下，O为0.0050％以下，剩余部分是由Cu和不可避免的杂质构成的成分组成，同时，对于Ni-Si系析出物的大小，设长径为a、短径为b时，a为20nm以上200nm以下且长宽比a/b为1以上3以下的析出物以铜合金中含有的总析出物的面积率计算占80％以上，由此具有兼备可充分满足作为导电性弹簧材料、或半导体仪器的导线材料的优良的导电性及热传导性、强度、弹性、弯曲加工性的特征，优选显示拉伸强度800～1000Mpa、导电率35～55％IACS的特性值。当上述成分组成中含有0.01％以上1.0％以下的Zn、Mg、Sn及In中的一种以上时，可以得到不影响导电性及热传导性或弯曲加工性，具有更优良强度和弹性的材料。
本发明的铜合金不影响常规的Cu-Ni-Si系铜合金的优良的导电性及热传导性，同时兼有迄今为止没有的优良的强度、良好的弯曲加工性。因此，可以提供适应快速发展的IT化，特别是适合应用在小型、高集成化的导线架、端子及连接器等的各种电气电子部件材料。
图1为实施例1的析出物的长径测定值的频率分布的示意图。
图2为实施例1的析出物的短径测定值的频率分布的示意图。
图3为比较例16的析出物的长径测定值的频率分布的示意图。
图4为比较例16的析出物的短径测定值的频率分布的示意图。
具体实施例方式
下面，对限定本发明中铜合金的组成、析出物的大小、长宽比等数值范围的原因及其作用进行说明。
Ni量Ni具有确保合金的强度和耐热性的作用，同时使其与后述Si形成的化合物析出，提高合金的强度。但是，其含量小于1.5％时，不具有理想的强度，相反，超过4.0％，使其含有Ni时，热轧时的加工性降低，同时制品的弯曲加工性及导电率明显降低。而且，更高时，析出物的大粒子的面积率增加而不优选。因此，本发明的合金的Ni含量为1.5％以上4.0％以下，优选2.5～3.5％。
Si量Si和Ni形成化合物析出，使合金的强度及耐热性提高。当Si含量小于0.15％时，化合物的析出不充分，故不能得到理想的强度。相反，当Si含量超过1.0％时，热轧时的加工性降低，同时导电性显著降低。而且，更高时，析出物的大粒子的面积率增加而不优选。因此，本发明的合金的Si含量为0.15％以上1.0％以下，优选0.4～0.9％。
Ni/Si比即使Ni和Si的含量在上述范围内，但当Ni和Si的含有比率不足3或超过7时，因为超过Ni-Si系析出物的适当的组成比，故在小于3的情况下Si的固溶量、超过7的情况下Ni的固溶量增大，导电率显著降低，不优选。因此，本发明的合金的Ni/Si比为3以上7以下，优选4.0～5.5。
O量O在合金中容易与Si反应，Si在合金中以氧化物的状态存在时，阻碍Ni和Si的化合物的析出，得不到高的强度，弯曲加工性劣化。因此，本发明的合金的O含量为0.0050％以下，优选0.0030％以下。
Zn、Mg、Sn、In量Zn、Mg、Sn及In量的作用在于，均不大幅度降低合金的导电性，主要通过强化固溶提高强度。因此，根据需要添加上述金属一种以上，但当其含量的总量小于0.01％时，不能得到通过强化固溶来提高强度的效果，相反，当总量添加1.0％以上时，合金的导电率及弯曲加工性显著降低。为此，单独添加或复合添加两种以上的Zn、Mg、Sn及In量为0.01％以上1.0％以下，优选总量为0.05％以上0.8％以下。另外，所述的元素在本发明中是故意添加的元素，总量在0.01％以上时，不视为不可避免的杂质。也就是发明内容2所述的本发明涉及一种合金，其中，故意添加这些元素时，总量为0.01％以上，且也满足其他的条件。
Ni-Si系析出物的大小及面积率当Ni-Si系析出物的长径为a(nm)、短径为b(nm)时，a小于20nm的析出物进行加工变形η＝2以上的轧制加工时，析出物再固溶在铜中，使导电率降低。在此，设轧制前的板厚为t0，轧制后的板厚为t时，加工变形η表示为η＝1n(t0/t)。另外，当a超过200nm时，合金中的析出物的分散间隔过大，故强度不能提高。因此，本发明的合金中的Ni-Si系析出物的大小a为20nm以上200nm以下。另外，析出物的长宽比用a/b表示时，a/b超过3时，若进行η＝2以上的轧制加工，析出物在铜中再固溶，使导电率降低。因此，析出物的长宽比a/b为1以上3以下。相反，上述范围内的析出物涉及的合金中的析出物的面积率小于80％时，a超过200nm的析出物大量存在。并且，例如a超过200nm的析出物或溶解铸造时产生的结晶物在热轧及固溶处理中未固溶的1000nm以上的Ni-Si系的粒子(结晶物)大量存在时，即使利用轧制加工进行加工固化也不能得到理想的强度。因此，上述范围内的析出物的面积率是总析出物(所有的Ni-Si系析出物)中的80％以上。
满足上述本发明条件的Cu-Ni-Si系铜合金，可以在本领域技术人员通常在制造中采用的铸锭铸造、热轧、固溶处理、中间冷轧、时效处理、最终冷轧、消除应变退火等中，通过选择适宜加热温度、时间、冷却速度、轧制加工度等制造。本发明的合金同时具有优良的导电性及热传导性、强度、弹性、弯曲加工性，显示的特性值为拉伸强度优选800～950Mpa，更优选800～1000Mpa，导电率优选35～55％IACS。
实施例试样的制造以电解铜或无氧铜为主原料，以镊(Ni)、硅(Si)锌(Zn)、铜镁母合金(Cu-Mg)、锡(Sn)、铟(In)为副原料，利用高频熔解炉，在真空中或氩气中进行熔炼，铸造成25×50×150mm的铸锭。然后，将铸锭按照热轧及固溶处理、中间冷轧、时效处理、最终冷轧、消除应变退火的顺序进行处理，制成厚度0.15mm的平板。
采集得到的板材各种试验片进行试验，进行强度、导电率、弯曲性评价。
用于析出目的大小析出物的方法下面是用于析出目的大小析出物的方法的一个实例。
(1)析出物的长径a为20～200nm的情况将铸锭在750～950℃下加热0.5～12小时，使制造时产生的Ni-Si系结晶物固溶，然后进行热轧。热轧结束时，优选在材料温度700～900℃、优选850～900℃条件下开始水冷。热轧结束时不能使材料的温度达到700℃以上时，再加热0.5小时以上至700～950℃，然后水冷充分进行固溶化。之后进行加工变形η＝0～2.5的冷轧，在300～650℃下进行时效处理0.1～24小时。
(2)析出物的长径a小于20nm的情况与上述(1)同样地进行热轧，进行加工变形η＝0～2.5的冷轧之后，在300～450℃下进行时效处理0.5～24小时。
(3)析出物的长径a超过20nm的情况与上述(1)同样地进行热轧前的铸锭加热，热轧后先不主动冷却，放置冷却(空气中冷却)。进行加工变形η＝0～2.5的冷轧之后，在550～700℃下进行时效处理0.1～24小时。
析出物的评价使用扫描电子显微镜及透射型电子显微镜，将最终冷轧前的合金条，平行于轧制方向切成一定厚度的直角，从10个视野观察剖面的析出物，进行照相，对得到照片的图像使用图像解析装置(株式会社Nireco制、商品名Luzex)，对所有长径a为5nm以上的析出物分别测定其长径a、短径b及面积。图1和图2中表示实施例1的析出物的长径和短径的测定值的频率分布。另外，在本发明中，析出物的总面积是指长径a为5nm以上的析出物的面积的总和，长径a为20nm～200nm、长宽比a/b为1～3的析出物的面积总和，相对其析出物的总面积的比率以面积率C(％)来计算。另外，以测定的总析出物的长径的平均值为平均长径ata，利用该平均长径ata与测定的总析出物的短径的平均值的平均短径bta求得平均长宽比ata/bta，将ata和ata/bta记载在表1-2和表2-2中以供参考。这是因为只记载面积率C(％)并不能预测析出物的大小。
另外，通过最终冷轧(通常加工变形η＝2以上)，尽管长径20nm以下的Ni-Si系析出物或超过长径20nm但长宽比超过3的析出物固溶，但是，确认20nm以上且长宽比为1～3的析出物在最终冷轧后还保持其长径、短径及长宽比。另外，析出物的面积率C也因为超过200nm的析出物不固溶，最终冷轧后其几乎不变。
试验片的物性评价利用JIS Z2241规定的拉伸试验，使用13号B试验片对强度进行试验，测定其拉伸强度。
如下测定导电率使用4端子法测定试验片的电阻，用百分率表示与标准软铜(体积电阻率为1.7241μΩcm)的电传导度的比，用％IACS表示。
如下测定弯曲加工性用W弯曲试验机对10mm宽的试验片用弯曲半径为0.15mm的模具在50kN的荷重下进行弯曲实验，用光学显微镜(100倍)观察其弯曲部表面，由此调查评价有无破损，没有破损时用○表示，有破损用×表示。
下面对表1-1及表2-1所示的成分组成的铜合金，说明本发明涉及的高强度高导电性铜合金的实施例和比较例。本发明的合金实施例1～7含有长宽比1～1.6的30nm到100nm左右的微细的析出物，同时具有优良的强度、导电率及弯曲加工性。另外，探讨比较例8～17的结果，发现比较例8～11是组成脱离本发明的合金组成的范围的合金。比较例8因为Ni的添加量为1.5％以下，故Ni-Si系析出物的析出量少，故没有足够的强度。因为比较例9Si的添加量超过1.0％，故Si的固溶量增加，导电率降低，且弯曲加工性差。比较例10因为Ni/Si比脱离析出物的适当的组成比，故Ni的固溶量增大，导电率降低，另外，因为Ni-Si系析出物的析出量少，故不能得到足够的强度。比较例11作为辅助成分Zn、Mg、Sn的添加量总的超过1.0％，故虽然强度足够，但是由于其固溶使导电率降低，或弯曲加工性变差。另外，比较例11中的Zn、Mg和Sn因为不是不可避免的杂质，故不属于发明内容1涉及的发明例，因为含有超过1.0％的Zn、Mg及Sn量，故也不属于发明内容2涉及的发明例。
比较例12～17是不同于本发明的合金的析出状态的合金。比较例12因为其析出物的大小为20nm以下，故在加工中固溶，导电率降低。比较例13因为析出物的长宽比超过3，故完全在加工中固溶，弯曲加工性变差。比较例14因为析出物的大小超过200nm，故析出物的分散间隔变大。不能得到理想的强度。比较例15因为除20nm到200nm大小的析出物以外，较多地看到粗大的析出物，为此，作为整体的析出物引起的强化降低。图3和图4中表示比较例16的析出物的长径和短径测定值的频率分布。比较例16其长宽比超过3，存在如图3和图4所示的粗大的析出物，故面积率值小，为60％，强度和导电率降低。比较例17和比较例12相同，因为析出物的大小为20nm以下，故在加工中固溶，导电率降低。
表1-1
表中“-”表示未添加。
表1-2
表2-1
表2-2
权利要求
1.一种同时具有优良的强度、导电率、弯曲加工性的电子部件用高强度高导电性铜合金，按照质量比，其含有Ni1.5％以上4.0％以下、Si0.15％以上1.0％以下，Ni和Si的含量比Ni/Si为3以上7以下，O为0.0050％以下，剩余部分由Cu和不可避免的杂质构成，其特征在于，设长径为a、短径为b时，a为20nm以上200nm以下且长宽比a/b为1以上3以下的Ni-Si系析出物，按照在铜合金中含有的总析出物的面积率计算，占80％以上。
2.如权利要求1所述的同时具有优良的强度、导电率、弯曲加工性的电子部件用高强度高导电性铜合金，其特征在于，以质量比含有总量为0.01％以上1.0％以下的Zn、Mg、Sn及In中的一种以上。
3.如权利要求1所述的同时具有优良的强度、导电率、弯曲加工性的电子部件用高强度高导电性铜合金，其特征在于，拉伸强度为800～950Mpa且导电率为35～55％IACS。
4.如权利要求2所述的同时具有优良的强度、导电率、弯曲加工性的电子部件用高强度高导电性铜合金，其特征在于，拉伸强度为800～1000Mpa且导电率为35～55％IACS。
全文摘要
本发明提供一种弯曲加工性优良、高强度、高导电性的电子部件用铜合金。同时具有弯曲加工性优良、高强度、高导电性的半导体仪器的电子部件用高强度高导电性铜合金，按照质量比，含有Ni1.5％以上4.0％以下、Si0.15％以上1.0％以下，Ni和Si的含量比Ni/Si为3以上7以下，O为0.0050％以下，剩余部分由Cu和不可避免的杂质构成，其特征在于，对于Ni－Si系析出物的大小，设长径为a、短径为b时，a为20nm以上200nm以下且长宽比a/b为1以上3以下的析出物，按照在铜合金中含有的总析出物的面积率计算，占80％以上。
文档编号C22C1/02GK1683579SQ200510065789
公开日2005年10月19日 申请日期2005年4月18日 优先权日2004年4月16日
发明者卫藤雅俊, 大久保光浩, 远藤智 申请人:日矿金属加工株式会社