專利名稱：高強度高導(dǎo)電性銅合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及彎曲加工性優(yōu)良、高強度、高導(dǎo)電性的電子電機部件用銅合金，特別涉及在小型高集成化的半導(dǎo)體儀器導(dǎo)線用及端子連接器彈簧用銅合金中，具有優(yōu)良的電·熱傳導(dǎo)性、特別是優(yōu)良的高強度特性的電子部件用銅合金。
背景技術(shù)：
銅及銅合金作為連接器、導(dǎo)線端子等電子部件及軟性電路基板用的材料被廣泛應(yīng)用，快速發(fā)展的IT化為了適應(yīng)信息儀器的高性能化及小型化·薄殼化，正在對銅及銅合金提出更高特性(強度、彎曲加工性、導(dǎo)電性)的要求。
在電子電機部件中使用的端子及連接器隨著電子儀器等小型化、輕質(zhì)化，要求具有高強度、良好的彎曲加工性。另外，隨著LSI的高集成化，開始較多地使用耗電高的半導(dǎo)體元件，在半導(dǎo)體儀器的導(dǎo)線架材料中開始使用放熱性及導(dǎo)電性好的Cu-Ni-Si系銅合金。但是，一般地在IC等導(dǎo)線架加工中，將原材料利用沖壓法、或者蝕刻法等成形導(dǎo)線端子部、與IC的導(dǎo)電連接部等，然后，將導(dǎo)線端子部彎曲成直角，因此，對導(dǎo)線架的要求是，不僅具有導(dǎo)電性而且要有強度，特別是優(yōu)良的彎曲加工性。為此，在將析出固化型銅合金應(yīng)用在導(dǎo)線架時，在導(dǎo)電性之外還要求具有強度、彎曲加工性，但是，導(dǎo)電性和強度一般不能兼顧。
在現(xiàn)有技術(shù)中，已知的合金是調(diào)整Cu-Ni-Si系銅合金中的Ni、Si、O成分含量，調(diào)整析出物的粒徑及粒徑小于0.03μm的析出物和0.03～100μm的析出物的數(shù)量比(例如專利文獻1)。但是，該專利文獻1所述的發(fā)明是制造適合沖壓加工等剪切加工的Cu-Ni-Si系銅合金，雖然具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、剪切加工性，但是，不具有足夠的彎曲加工性。
專利文獻特開平10-219374號公報

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種不影響Cu-Ni-Si系銅合金的優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性、導(dǎo)電性，具有彈簧材料及半導(dǎo)體儀器的導(dǎo)線架材料所需的足夠的強度，也具有彎曲行的銅合金。
本發(fā)明者為了實現(xiàn)上述目的，進行了反復(fù)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在調(diào)整具有優(yōu)良的強度、導(dǎo)電性及彈性等的Cu-Ni-Si系銅合金的成分的后，通過將析出物的形狀、大小及面積率調(diào)整在特定的范圍，可以得到具有前所未有的高強度的銅合金。
本發(fā)明是在上述理解的基礎(chǔ)上完成的，在銅合金中，含有Ni1.5％以上4.0％以下(應(yīng)說明的是，表示本發(fā)明記載的成分比例％是質(zhì)量％。)、Si0.15％以上1.0％以下，Ni和Si的含量比率Ni/Si為3以上7以下，O為0.0050％以下，剩余部分是由Cu和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的成分組成，同時，對于Ni-Si系析出物的大小，設(shè)長徑為a、短徑為b時，a為20nm以上200nm以下且長寬比a/b為1以上3以下的析出物以銅合金中含有的總析出物的面積率計算占80％以上，由此具有兼?zhèn)淇沙浞譂M足作為導(dǎo)電性彈簧材料、或半導(dǎo)體儀器的導(dǎo)線材料的優(yōu)良的導(dǎo)電性及熱傳導(dǎo)性、強度、彈性、彎曲加工性的特征，優(yōu)選顯示拉伸強度800～1000Mpa、導(dǎo)電率35～55％IACS的特性值。當上述成分組成中含有0.01％以上1.0％以下的Zn、Mg、Sn及In中的一種以上時，可以得到不影響導(dǎo)電性及熱傳導(dǎo)性或彎曲加工性，具有更優(yōu)良強度和彈性的材料。
本發(fā)明的銅合金不影響常規(guī)的Cu-Ni-Si系銅合金的優(yōu)良的導(dǎo)電性及熱傳導(dǎo)性，同時兼有迄今為止沒有的優(yōu)良的強度、良好的彎曲加工性。因此，可以提供適應(yīng)快速發(fā)展的IT化，特別是適合應(yīng)用在小型、高集成化的導(dǎo)線架、端子及連接器等的各種電氣電子部件材料。


圖1為實施例1的析出物的長徑測定值的頻率分布的示意圖。
圖2為實施例1的析出物的短徑測定值的頻率分布的示意圖。
圖3為比較例16的析出物的長徑測定值的頻率分布的示意圖。
圖4為比較例16的析出物的短徑測定值的頻率分布的示意圖。
具體實施例方式
下面，對限定本發(fā)明中銅合金的組成、析出物的大小、長寬比等數(shù)值范圍的原因及其作用進行說明。
Ni量Ni具有確保合金的強度和耐熱性的作用，同時使其與后述Si形成的化合物析出，提高合金的強度。但是，其含量小于1.5％時，不具有理想的強度，相反，超過4.0％，使其含有Ni時，熱軋時的加工性降低，同時制品的彎曲加工性及導(dǎo)電率明顯降低。而且，更高時，析出物的大粒子的面積率增加而不優(yōu)選。因此，本發(fā)明的合金的Ni含量為1.5％以上4.0％以下，優(yōu)選2.5～3.5％。
Si量Si和Ni形成化合物析出，使合金的強度及耐熱性提高。當Si含量小于0.15％時，化合物的析出不充分，故不能得到理想的強度。相反，當Si含量超過1.0％時，熱軋時的加工性降低，同時導(dǎo)電性顯著降低。而且，更高時，析出物的大粒子的面積率增加而不優(yōu)選。因此，本發(fā)明的合金的Si含量為0.15％以上1.0％以下，優(yōu)選0.4～0.9％。
Ni/Si比即使Ni和Si的含量在上述范圍內(nèi)，但當Ni和Si的含有比率不足3或超過7時，因為超過Ni-Si系析出物的適當?shù)慕M成比，故在小于3的情況下Si的固溶量、超過7的情況下Ni的固溶量增大，導(dǎo)電率顯著降低，不優(yōu)選。因此，本發(fā)明的合金的Ni/Si比為3以上7以下，優(yōu)選4.0～5.5。
O量O在合金中容易與Si反應(yīng)，Si在合金中以氧化物的狀態(tài)存在時，阻礙Ni和Si的化合物的析出，得不到高的強度，彎曲加工性劣化。因此，本發(fā)明的合金的O含量為0.0050％以下，優(yōu)選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導(dǎo)電性，主要通過強化固溶提高強度。因此，根據(jù)需要添加上述金屬一種以上，但當其含量的總量小于0.01％時，不能得到通過強化固溶來提高強度的效果，相反，當總量添加1.0％以上時，合金的導(dǎo)電率及彎曲加工性顯著降低。為此，單獨添加或復(fù)合添加兩種以上的Zn、Mg、Sn及In量為0.01％以上1.0％以下，優(yōu)選總量為0.05％以上0.8％以下。另外，所述的元素在本發(fā)明中是故意添加的元素，總量在0.01％以上時，不視為不可避免的雜質(zhì)。也就是發(fā)明內(nèi)容2所述的本發(fā)明涉及一種合金，其中，故意添加這些元素時，總量為0.01％以上，且也滿足其他的條件。
Ni-Si系析出物的大小及面積率當Ni-Si系析出物的長徑為a(nm)、短徑為b(nm)時，a小于20nm的析出物進行加工變形η＝2以上的軋制加工時，析出物再固溶在銅中，使導(dǎo)電率降低。在此，設(shè)軋制前的板厚為t0，軋制后的板厚為t時，加工變形η表示為η＝1n(t0/t)。另外，當a超過200nm時，合金中的析出物的分散間隔過大，故強度不能提高。因此，本發(fā)明的合金中的Ni-Si系析出物的大小a為20nm以上200nm以下。另外，析出物的長寬比用a/b表示時，a/b超過3時，若進行η＝2以上的軋制加工，析出物在銅中再固溶，使導(dǎo)電率降低。因此，析出物的長寬比a/b為1以上3以下。相反，上述范圍內(nèi)的析出物涉及的合金中的析出物的面積率小于80％時，a超過200nm的析出物大量存在。并且，例如a超過200nm的析出物或溶解鑄造時產(chǎn)生的結(jié)晶物在熱軋及固溶處理中未固溶的1000nm以上的Ni-Si系的粒子(結(jié)晶物)大量存在時，即使利用軋制加工進行加工固化也不能得到理想的強度。因此，上述范圍內(nèi)的析出物的面積率是總析出物(所有的Ni-Si系析出物)中的80％以上。
滿足上述本發(fā)明條件的Cu-Ni-Si系銅合金，可以在本領(lǐng)域技術(shù)人員通常在制造中采用的鑄錠鑄造、熱軋、固溶處理、中間冷軋、時效處理、最終冷軋、消除應(yīng)變退火等中，通過選擇適宜加熱溫度、時間、冷卻速度、軋制加工度等制造。本發(fā)明的合金同時具有優(yōu)良的導(dǎo)電性及熱傳導(dǎo)性、強度、彈性、彎曲加工性，顯示的特性值為拉伸強度優(yōu)選800～950Mpa，更優(yōu)選800～1000Mpa，導(dǎo)電率優(yōu)選35～55％IACS。
實施例試樣的制造以電解銅或無氧銅為主原料，以鑷(Ni)、硅(Si)鋅(Zn)、銅鎂母合金(Cu-Mg)、錫(Sn)、銦(In)為副原料，利用高頻熔解爐，在真空中或氬氣中進行熔煉，鑄造成25×50×150mm的鑄錠。然后，將鑄錠按照熱軋及固溶處理、中間冷軋、時效處理、最終冷軋、消除應(yīng)變退火的順序進行處理，制成厚度0.15mm的平板。
采集得到的板材各種試驗片進行試驗，進行強度、導(dǎo)電率、彎曲性評價。
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個實例。
(1)析出物的長徑a為20～200nm的情況將鑄錠在750～950℃下加熱0.5～12小時，使制造時產(chǎn)生的Ni-Si系結(jié)晶物固溶，然后進行熱軋。熱軋結(jié)束時，優(yōu)選在材料溫度700～900℃、優(yōu)選850～900℃條件下開始水冷。熱軋結(jié)束時不能使材料的溫度達到700℃以上時，再加熱0.5小時以上至700～950℃，然后水冷充分進行固溶化。之后進行加工變形η＝0～2.5的冷軋，在300～650℃下進行時效處理0.1～24小時。
(2)析出物的長徑a小于20nm的情況與上述(1)同樣地進行熱軋，進行加工變形η＝0～2.5的冷軋之后，在300～450℃下進行時效處理0.5～24小時。
(3)析出物的長徑a超過20nm的情況與上述(1)同樣地進行熱軋前的鑄錠加熱，熱軋后先不主動冷卻，放置冷卻(空氣中冷卻)。進行加工變形η＝0～2.5的冷軋之后，在550～700℃下進行時效處理0.1～24小時。
析出物的評價使用掃描電子顯微鏡及透射型電子顯微鏡，將最終冷軋前的合金條，平行于軋制方向切成一定厚度的直角，從10個視野觀察剖面的析出物，進行照相，對得到照片的圖像使用圖像解析裝置(株式會社Nireco制、商品名Luzex)，對所有長徑a為5nm以上的析出物分別測定其長徑a、短徑b及面積。圖1和圖2中表示實施例1的析出物的長徑和短徑的測定值的頻率分布。另外，在本發(fā)明中，析出物的總面積是指長徑a為5nm以上的析出物的面積的總和，長徑a為20nm～200nm、長寬比a/b為1～3的析出物的面積總和，相對其析出物的總面積的比率以面積率C(％)來計算。另外，以測定的總析出物的長徑的平均值為平均長徑ata，利用該平均長徑ata與測定的總析出物的短徑的平均值的平均短徑bta求得平均長寬比ata/bta，將ata和ata/bta記載在表1-2和表2-2中以供參考。這是因為只記載面積率C(％)并不能預(yù)測析出物的大小。
另外，通過最終冷軋(通常加工變形η＝2以上)，盡管長徑20nm以下的Ni-Si系析出物或超過長徑20nm但長寬比超過3的析出物固溶，但是，確認20nm以上且長寬比為1～3的析出物在最終冷軋后還保持其長徑、短徑及長寬比。另外，析出物的面積率C也因為超過200nm的析出物不固溶，最終冷軋后其幾乎不變。
試驗片的物性評價利用JIS Z2241規(guī)定的拉伸試驗，使用13號B試驗片對強度進行試驗，測定其拉伸強度。
如下測定導(dǎo)電率使用4端子法測定試驗片的電阻，用百分率表示與標準軟銅(體積電阻率為1.7241μΩcm)的電傳導(dǎo)度的比，用％IACS表示。
如下測定彎曲加工性用W彎曲試驗機對10mm寬的試驗片用彎曲半徑為0.15mm的模具在50kN的荷重下進行彎曲實驗，用光學(xué)顯微鏡(100倍)觀察其彎曲部表面，由此調(diào)查評價有無破損，沒有破損時用○表示，有破損用×表示。
下面對表1-1及表2-1所示的成分組成的銅合金，說明本發(fā)明涉及的高強度高導(dǎo)電性銅合金的實施例和比較例。本發(fā)明的合金實施例1～7含有長寬比1～1.6的30nm到100nm左右的微細的析出物，同時具有優(yōu)良的強度、導(dǎo)電率及彎曲加工性。另外，探討比較例8～17的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)比較例8～11是組成脫離本發(fā)明的合金組成的范圍的合金。比較例8因為Ni的添加量為1.5％以下，故Ni-Si系析出物的析出量少，故沒有足夠的強度。因為比較例9Si的添加量超過1.0％，故Si的固溶量增加，導(dǎo)電率降低，且彎曲加工性差。比較例10因為Ni/Si比脫離析出物的適當?shù)慕M成比，故Ni的固溶量增大，導(dǎo)電率降低，另外，因為Ni-Si系析出物的析出量少，故不能得到足夠的強度。比較例11作為輔助成分Zn、Mg、Sn的添加量總的超過1.0％，故雖然強度足夠，但是由于其固溶使導(dǎo)電率降低，或彎曲加工性變差。另外，比較例11中的Zn、Mg和Sn因為不是不可避免的雜質(zhì)，故不屬于發(fā)明內(nèi)容1涉及的發(fā)明例，因為含有超過1.0％的Zn、Mg及Sn量，故也不屬于發(fā)明內(nèi)容2涉及的發(fā)明例。
比較例12～17是不同于本發(fā)明的合金的析出狀態(tài)的合金。比較例12因為其析出物的大小為20nm以下，故在加工中固溶，導(dǎo)電率降低。比較例13因為析出物的長寬比超過3，故完全在加工中固溶，彎曲加工性變差。比較例14因為析出物的大小超過200nm，故析出物的分散間隔變大。不能得到理想的強度。比較例15因為除20nm到200nm大小的析出物以外，較多地看到粗大的析出物，為此，作為整體的析出物引起的強化降低。圖3和圖4中表示比較例16的析出物的長徑和短徑測定值的頻率分布。比較例16其長寬比超過3，存在如圖3和圖4所示的粗大的析出物，故面積率值小，為60％，強度和導(dǎo)電率降低。比較例17和比較例12相同，因為析出物的大小為20nm以下，故在加工中固溶，導(dǎo)電率降低。
表1-1

表中“-”表示未添加。
表1-2

表2-1

表2-2

權(quán)利要求
1.一種同時具有優(yōu)良的強度、導(dǎo)電率、彎曲加工性的電子部件用高強度高導(dǎo)電性銅合金，按照質(zhì)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為3以上7以下，O為0.0050％以下，剩余部分由Cu和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，其特征在于，設(shè)長徑為a、短徑為b時，a為20nm以上200nm以下且長寬比a/b為1以上3以下的Ni-Si系析出物，按照在銅合金中含有的總析出物的面積率計算，占80％以上。
2.如權(quán)利要求1所述的同時具有優(yōu)良的強度、導(dǎo)電率、彎曲加工性的電子部件用高強度高導(dǎo)電性銅合金，其特征在于，以質(zhì)量比含有總量為0.01％以上1.0％以下的Zn、Mg、Sn及In中的一種以上。
3.如權(quán)利要求1所述的同時具有優(yōu)良的強度、導(dǎo)電率、彎曲加工性的電子部件用高強度高導(dǎo)電性銅合金，其特征在于，拉伸強度為800～950Mpa且導(dǎo)電率為35～55％IACS。
4.如權(quán)利要求2所述的同時具有優(yōu)良的強度、導(dǎo)電率、彎曲加工性的電子部件用高強度高導(dǎo)電性銅合金，其特征在于，拉伸強度為800～1000Mpa且導(dǎo)電率為35～55％IACS。
全文摘要
本發(fā)明提供一種彎曲加工性優(yōu)良、高強度、高導(dǎo)電性的電子部件用銅合金。同時具有彎曲加工性優(yōu)良、高強度、高導(dǎo)電性的半導(dǎo)體儀器的電子部件用高強度高導(dǎo)電性銅合金，按照質(zhì)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為3以上7以下，O為0.0050％以下，剩余部分由Cu和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，其特征在于，對于Ni－Si系析出物的大小，設(shè)長徑為a、短徑為b時，a為20nm以上200nm以下且長寬比a/b為1以上3以下的析出物，按照在銅合金中含有的總析出物的面積率計算，占80％以上。
文檔編號C22C1/02GK1683579SQ200510065789
公開日2005年10月19日 申請日期2005年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月16日
發(fā)明者衛(wèi)藤雅俊, 大久保光浩, 遠藤智 申請人:日礦金屬加工株式會社