JPH0353036A - 高い機械的及び電気的特性を有する銅―鉄―コバルト―チタン合金、並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、銅一鉄−コバルトーチタン合金、その製造方
法及びその使用分野にかかる。

電気接続に関係する分野は急速に進歩している．エレク
トロニクス分野（コンポーネント支持グリッド、接点）
及びコネクタ産業（クリップ、極片、コネクタ）におい
て電流移送部材の寸法は小型化の一途をたどっている。

また、これらの接点の形状の複雑さも増すばかりである
． そこで、銅合金及び銅半製品の製造業者は、従来の合金
の導電性及び熱伝導性を増加してコネクタの加熱を押え
ると共に、機械的特性レベルを維持又は改良するという
問題に直面している。これらの機械的特性の改良は当然
、合金が圧延方向に平行及び垂直な方向にしたがって変
形する能力を含む． コネクタ産業では、優れた機械的特性とこうした産業へ
の適用に適した変形能とを有する４〜９％の錫を含有す
る青銅が一般に使用されている．しかしながら、その導
電率、即ち１２〜２０ＩＡＣＳ％では加熱の問題により
コネクタの小型化が制限されるので不十分である． エレクトロニクス分野、例えば支持グリッドの分野では
、６５１＾ＣＳ％の導電率を有する銅一鉄合金（Ｃ１９
４００）が一般に使用されている．しかしながら、機械
的特性と軟化性能とを折衷させると、カプセル封じ温度
が非常に高＜４００℃を越えるような場合にはこれらの
合金を使用することができない。

特に指定しない限り、本明細書中に記載する全合金組戒
は重量％で表す。

良好なｖｉ械的特性（機械的強度６００ＭＰａ）を有す
るニッケル２％及びケイ素０．５％を含む３元鋼合金は
多年来知られている。しかしながら、このような合金は
ＮｉｚＳｉ析出相の可溶性により導電率が６０１＾ＣＳ
％に制限される． また、米国特許第４５５９２００号はＣｕＦｅＴｉ合金
に少量のマグネシウム又はニッケルを添加することによ
り得られる改良を開示している． より最近では広い範囲の組成に及ぶ銅一鉄一コバルトー
チタン合金がポーランド特許第１１５１８５号に開示さ
れている。これらの合金は４４０ＭＰａの引っ張り強さ
で８５１ＡＣＳ％の導電率に達し得る。しかしながら、
これらの特性に到達するには２つの熱処理が必要である
。

このように、高い機械的特性（典型的には機械的強度が
５００ＭＰａを越える）と高い導電率（８０ｒＡＣＳ％
より大）とを同時に有する合金を経済的に製造する方法
はいまだに知られていない． 本発明は、５００ＨＰａよりも十分高い機械的強度と８
０１ＡＣＳ％よりも高い導電率とを有しており、更に軟
化性能が良好であると共に製造費用が比較的廉価な銅合
金に係る． 本発明によると、これらの高性能を得るには合金及びこ
の合金から得られる半完成製品の製造工程における異な
る段階で、３つのタイプの技術的要件を採用する．該要
件は、合金組戒と，減圧製造の利用の回避を可能とする
液体状又は溶融合金浴の脱酸素と合金成形時の析出温度
とに関係する。

より具体的には、本発明の方法は、１）合金組成がＣｏ
／Ｆｅ比０．１０　〜０．９０、Ｔｉ／（Ｆｅ十Ｃｏ）
比０．３０〜１、鉄含有量１０．０３０〜２重量％、コ
バルト含有量０．０２５〜１．８重量％、チタン含有量
０．０２５〜４重量％、酸素含有量５０ｐｐｍ未満、金
属不純物含有量０、１重量％未満（各不純物が夫々０．
０１５重量％未満）、残部が銅という各条件を満足する
こと、 ２）溶融合金の浴をホウ素で脱酸素すること、及び３）
最大導電率をもたらす析出処理温度ＴＭよりも最大で８
０℃低い温度で合金を析出熱処理することを特徴とする
。

これらの３つの要件を従来技術と関連させつつ以下で詳
細に説明する。

従来技術のＣｕ−Ｆｅ−Ｃｏ−Ｔｉ合金の特性を検討す
ることにより、本発明者らは導電率がＴ　ｉ／　（Ｆｅ
　＋　Ｇｏ＞比の関数とし？１幅に変動し、特に実施Ｍ
ｌの第１図に示すようにばらつきが大きく、したがって
、Ｔｉ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）比即ち生じ得る析出相（ＦｅＴ
ｉ．　Ｆｅ２Ｔｉ、ＣｏＴｉ．Ｃｏ２Ｔｉ）の理論量を
考慮しても電気的性能の高いＣｕ−Ｆｅ−Ｃｏ−Ｔｉ合
金を選択することはできないことを知見した． 本発明者らはこれらの合金の性能の分析を続け、意外に
もＣｏ／Ｆｅ比はこれらの合金の導電率に大きな影響を
及ぼすことを知見した。実施例１の第２図から明らかな
ように、この比は導電率の可変性を表すためには極めて
有効である。Ｃｏ／Ｆｅが０．１〜０．９、より限定的
には０．１５〜０．４５のとき、導電率は特に高い．実
施例１の導電率値は絶対的でなく相対的であるとみなす
べきである。というのは、これらの試験は実験室での選
択試験であり、工業的に使用可能な全手法を必ずしもＭ
密に再現するものではなく、したがって導電率の絶対値
に影響するからである． 好ましくは、鉄、コバルト、チタンの組成は夫々０．１
〜１％、０．０５〜０．４％及び０．０３５〜０．６％
であり、残留酸素含有量は好ましくは２０ｐｐｍ未満で
ある． 合金に機械的強度、導電率、成形性などの優れた特性を
与えるには、コバルトと共に鉄及びチタン含有量の多い
はっきりと規定された化合物を析出させる。

高性能合金を得るため、特に、浴の組戒を制御し添加成
分（特にチタン）が脱酸素剤として機能して除去される
ことがないようにするためには、液体状合金浴の脱酸素
が必要である． 組或は減圧製造を利用しても十分に制御することができ
、この場合、酸素含有量は非常に低く、一般に０．００
０５％未満である．しかしながら、費用が高いという理
由から本発明者らは慣用の溶融法に、浴の脱酸素を併用
した． 本発明者らはこうして本発明の組成に係るＣｕ−Ｆｅ−
Ｃｏ−Ｔｉ合金の浴の脱酸素を伴う半ば工業的な試験を
実施した。本発明者らは、従来技術でしばしば使用され
ている脱酸素剤であるリンを用いたのでは非常に高性能
の合金は製造できないことを知見し、複数の脱酸素剤、
即ちリン、マグネシウム及びホウ素を検討及び比較した
く実施例２参照）。

本発明者らは、熱力学的データによるとこれら３種のう
ちではマグネシウムが最も強力な脱酸素剤であるにも拘
わらず、ホウ素を使用した場合にリン又はマグネシウム
よりも高性能の合金を製造できることを意外にも確認し
た。実際に、ホウ素を使用すると残留酸素含有量の低い
浴が得られ、しかも形成された酸化ホウ素は他の酸化物
と異なり浴から容易に除去でき、特筆すべき点として高
速切断時に合金のＷ（ｂａｒｄ　ｐｏｉｎｔｓ）を避け
ることができることが判明した．最終的に残留ホウ素含
有量は非常に低く、一般に０．０００５％（但し検出可
能）である．その結果、導電率が非常に高く、温度ＴＭ
即ち最大導電率をもたらす析出相の処理温度（実施例２
の第３図参照）が非常に低くなる。更に、ホウ素で脱酸
素すると、析出相の最も微細な分散が得られることに留
意すべきである。

析出処理は合金変態段階中に実施さｋヒその段階は合金
の鋳造後、８００〜１０００’Ｃで０．１〜１０時間均
質化し、６５０℃まで熱間圧延し、その後、２０℃／ｍ
ｉｎ〜２０００℃／ｍｉｎで場合により焼き入れし、１
又は複数回の中間焼きなましを挟む冷間圧延の各工程を
含んでいる。しかしながら、本発明の合金は優れた常温
変形能を有するため、一般に析出熱処理のみで成形が可
能であり、経済的である．得られた半製品の導電率又は
機械的特性は変態段階、特に析出熱処理にも依存する．
導電率については実施例２の第３図に示すように、！析
出温度ＴＭ（試験ＣではＴＭ＝５１５℃〉で最大値を通
り、この最大値は平坦形状を有している。この導電率は
試＠Ｃでは４７５〜５５０℃の広い温度範囲で高い値に
維持されており、この範囲で温度の関数として導ｔ率を
与える曲線の勾配は小さく、０，２■＾ＣＳ％／℃未満
である。

本発明者らは、本発明の合金をＴＭ未満の温度で析出処
理すると有利であることを予想外にも知見した。この場
合、導電率の損失が最小で機械的特徴は著しく増加する
。

ちなみに実施例２及び３（試＠Ｃ及びＣ’）を比較する
と、導電率は８３．５から８３！＾ＣＳ％（−１％）に
変化し、機械的強度は４８８ＭＰａから５２５ＭＰａ（
＋　７．６％）に変化する。

ｒＴＭ未満の温度」なる用語は、所望の導電率のレベル
（＞　８０１ＡＣＳ％）に対応する全温度を意味する。

グラフ（第３図）上でのその決定は即座に可能である．
なお、縦座標の８０ＩＡＣＳ％の直線と曲線Ｃとの交点
からその最小温度ＴＩＩ１は決定できる。

本発明によると、析出処理は本発明の「平衡（均衡した
）」特性、即ちＩＡＣＳ％〉８０且つＲａ＋＞５００８
Ｐａを得るためにＴＨ〜Ｔｍの温度、好ましくはＴｍ付
近の温度で実施される。一般に、ＴｖａはＴｌ４よりも
最大で８０℃低い．Ｔ一を決定するための他の方法は温
度の関数としての■＾ＣＳ％曲線の勾配を考慮する方法
である．この場合、Ｔ論は勾配が実質的に増加し始め、
例えば０．３ＩＡＣＳ％／℃の値に達する温度に対応す
る。

勾配の変化するゾーンが好適である。

実施例３は、本発明の合金（Ｃ゜）のみが高い導電率と
機械的特性を同時に有することを明示しているが、平均
的な導電率（約７０Ｉ＾ＣＳ％）で十分な場合は、他の
合金（試験Ａ′及びＢ’）の機械的特性を大幅に増加す
るような処理が有利であることに留意すべきである。

より一般的には、３５０〜５５０℃の「低温」で析出処
理すると機械的強度が最大（試験八′及びＢ’）になり
、４５０〜６５０℃の「高温」で処理すると導電率が最
大になり、機械的特性と導電率とが「平衡」するのは４
５０〜５５０゜Ｃの共通域の範囲である。

析出処理時間は使用される処理技術に依存し、固定炉で
１〜１０時間、通過炉で１０秒〜３０分間である。

本発明の合金におけるベース組成物にアルミニウム、錫
、亜鉛、ニッケル、銀、クロム、ベリリウム、希土類の
ような戊分を加えることにより機械的特性を強化するこ
とができる．十分な導電率を維持しようとするならば、
これらの成分の合計量を１．５％未満とすべきである。

一般に導電率を低下させるこれらの成分添加は本発明の
二次的方法を構成する。

本発明によると、正確なＣ　ｏ．／　Ｆ　ｅ比を有する
合金組戒物、特定の脱酸素剤の選択及び析出処理の温度
範囲の選択．から戒る特定の要件を組み合わせるだけで
、高い導電率と機械的強度を同時に得ることができる。

実施例４は従来技術の合金の「典型的な」特性を明示し
ており、その従来技術の合金では導電率が高いと機械的
強度が低く、機械的強度が高いと導電率が低い。この実
施例は本発明により得られる生戒物の有利な性能を明示
している。

上述のように、本発明の合金の製造工程は熱処理即ち析
出熱処理だけで高い冷間引き抜きレベルに達することが
できるので、特に経済的である。

本発明の合金は高い導電率と機械的強度を同時に必要と
する用途に適しており、エレクトロニクス、コネクタ産
業で用いられる導電部材の製造、特にリードフレーム、
接点ばね及び接続素子のような用途に推奨できる。

え１燵Ｌ 本実施例では合金組成が導電率に及ぼす影響を検討する
。

誘導炉で加熱した窒化ホウ素るつぼで純戒分（ＣｕＣ２
、電解質Ｆｅ、電解質Ｃｏ．ＣＥＺＵＳから入手したＴ
ｉｌ４０）を溶融させることにより、７種のＣｕ−Ｆｅ
−Ｃｏ−Ｔｉ合金Ｒ１〜Ｒ７を試験室で製造した。溶融
は大気圧に等しいアルゴン雰囲気下で実施した。これら
の実験室条件を用いると、浴を脱酸素する必要なしにＣ
ｕ４ｅ−Ｃｏ−Ｔｉ合金を製造することができるので、
合金の組成に本質的に依存する結果が得られる．第１表
はこれらの合金の組成を示す． 第１表 溶融金属を水冷銅鋳型に注型戒形した。この鋳型は直径
約１６問高さ１００問、即ち充填量約１８０ｇのビレッ
トを鋳造することができるものである。

次に３Ｘ３Ｘ５０ｍｍの平行六面体サンプルをインゴッ
トから切断した．これらのバーに次の種々の熱及び機械
的処理を行った。

ａ〉均質化：未処理鋳造サンプルをモリブデンシートに
包み、真空下に石英びんに封入した。つぎにびんを９２
０℃の処理温度まで抵抗炉により加熱した鋼ブロックの
中心に配置した。この温度を２時間維持した後、びんを
水槽内で割った。

ｂ）冷間引き抜き：均質化処理後に合金を冷間圧延した
。適用した冷間圧延レベルは約８０％であり、即ち約１
０回の連続バスで０．５１の最終スリップ厚さを得た。

Ｃ）析出：サンプルを次の条件、即ち室温から２００℃
に加熱し、この温度を１時間維持し、２００℃から２０
０℃／ｈｒで析出温度に昇温し、１時間析出温度を維持
した後、４００℃／ｈｒで冷却する工程により大気圧に
等しいアルゴン雰囲気下抵抗炉で加熱した．下記第２表
は室温で測定した各合金の導電率（ＴＡＣＳ％）を析出
温度の関数として示す。

策３二（ 第２表から明らかなように、上表中の下線で示した導電
率（ＩＡＣＳ％）の最大値は約５６０℃の析出温度で得
られるが、これらの最大値は非常に分散している。

従来技術の基準（ポーランド特許第１１５１８５号のＴ
　ｉ／　（Ｆｅ　＋　Ｃｏ）比〉によりこれらの結果を
分析すると、この比に関して請求された０．２５〜１の
Ｔｉ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）比の範囲では比が近接した値で導
電率は大幅に変化し（試＠Ｒｌ．Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の比
較及びＲ５、Ｒ６，　Ｒ７の比較）、７つの代表点から
明確な最大値を有する曲線をプロットすることができな
い（第１図）ため、このＴｉ／（Ｆｅ＋　Ｃｏ）比に基
づいて好適な高導電率範囲を決定することはできない。

これに対して、本発明者により知見された基準（Ｃｏ／
Ｆｅ比）に従ってこれらの結果を分析すると、第２図に
示すように、このＣｏ／Ｆｅ比が０．１〜０．９のとき
、好ましくは０．１５〜０．４５のとき、高導電率を有
する合金を選択することができる。

え鮫ｌム 本実施例では、Ｃｏ／Ｆｅ比が近似するがマグネシウム
（試験へ）、リン（試＠Ｂ）．ホウ素（試験Ｃ）の選択
に脱酸素剤が異なる３つの試験を実施することにより、
浴の脱酸素方法の影響を工業的条件に近い条件で検討す
る。

同一量の酸素の効力を消すためにこれらの３種？脱酸素
剤を溶融浴に導入した。

Ｍｇ＋１／２　０■→Ｍｇ０ ２／３　Ｉ１＋１／２　０２→１／３　［１２０．２／
５　Ｐ＋１／２　０■→１／５　Ｐ２０Ｓマグネシウム
、リン及びホウ素の原子量を考慮し、０．０６％のＭｇ
量を基とするならば、同一量の酸素の効力を消すために
はＰ０．０３％及び８０．０１８％が必要である． 有効容量ｉｏ＊，？の誘導炉で、銅、鉄、コバルト（後
者２種は母合金として使用）を１２５０℃でグラファイ
トるつぼで溶融させた。次にホウ素又はリン又はマグネ
シウム及びチタンを同様に母合金として添加し、次に脱
ガスを行う。第３表は各試験の配合組戒を示す。

第３表 これらの全操作の間、浴を木炭で被覆した．ｔＲ造は約
１２００″Ｃで実施した。次に得られたプレートを９２
０℃で２時間均質化し、その後、数回のバスでｆ４間圧
延した。ｆｉ後のバスの終了後、約７００’Ｃがら水焼
き入れした。９ＩＩＩＩＩにフライス削り後、厚さ０．
８旧のストリップが得られるまで中間焼きなましをはさ
まずにプレートを冷間圧延した．次に最適導電率（第３
図）をもたらす５００〜６００’Ｃ内の温度ＴＭ、即ち
試験Ａ：　５７５℃、試験Ｂ：　５３５℃、試験Ｃ：５
１５℃で４時間析出処理した． この熟処理後、最終圧延して厚さを４４％減少させた。

以下の特徴を有する合金を得た． 合金は更に次の機械的特性及び導電率特性を有する． 本実施例はより低温（＾゜５０５℃、 ８１８５℃、 Ｃ’　４７５ ℃〉で４時間析出処理し、厚さを２９％減少するように
前記最終の圧延を実施した以外は、実施例２と同様に製
造した合金の成形例を示す（実施例３の試験＾゜は実施
例２の試験＾に対応し、Ｂ′及びＣ゛も同様である〉． 以下の特性が得られた． これらの合金は３０分間４５０℃に維持後、１３０ＨＶ
を越える硬度を示し、したがって優れた耐軟化性を有す
ることが判明した． 及比燵Ｌ 本実施例は試験Ｃ″：実施例３、試験Ｄ＝ポーランド特
許第１１５１８５号、試験Ｅ：米国特許第４５５９２０
０号の熱処理（析出アニール）のみを含む変態工程に関
して本発明を従来技術に比較した． 第４図は機械的強度を横座標、導電率を縦座標とする平
面にこれらの試験結果を配置したものであって、本発明
の利点を明示する． 従来技術を示すものでないが、試験Ｄに対応し、１回で
なく２回の熱処理を含む変態工程を使用した試験Ｆを参
考のために行った．

【図面の簡単な説明】 第１図は横座標にＴｉ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）比、縦座標に導
電率（■＾ＣＳ％）をとり、実施例１に記載した７つの
試験Ｒｌ〜Ｒ７で得られた結果を示すグラフ、第２図は
横座標にＣｏ／Ｆｅ比、縦座標に導電率（ＩＡＣＳ％）
をとり、曲線を描くように実施例１に記載した７つの試
験Ｒ１〜Ｒ７で得られた結果を示すグラフ、第３図は横
座標に温度（’Ｃ）、縦座標に導電率（■＾ＣＳ％）を
とり、実施例２で検討した３種の脱酸素剤、即ちマグネ
シウム（曲線＾）、リン（曲線Ｂ）、ホウ素（曲線Ｃ）
の各々について析出処理温度の関数として導電率の変化
を示すグラフ、第４図は横座標に機械的強度（ＭＰａ）
、縦座標に導電率（Ｉ＾ＣＳ％）をとり、実施例４に示
すように本発明（Ｃ“）、ポーランド特許第１１５１８
５号（Ｄ及びＦ）及び米国特許第４５５９２００号（Ｅ
）により得られる合金の性能を示すグラフである．本発
明により得られる合金のゾーン（［［）は、高い機械的
特性と導電率を同時に有する合金のゾーンであ．る． 由瀬人　トレ７イメトー

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）合金生成段階と、析出熱処理を含む合金変態段階
   とを併有するＣｕ−Ｆｅ−Ｃｏ−Ｔｉ合金の製造方法で
   あって、 ａ）Ｃｏ／Ｆｅ比０．１０〜０．９０、Ｔｉ／（Ｆｅ＋
   Ｃｏ）比０．３０〜１、鉄含有量０．０３０〜２重量％
   、コバルト含有量０．０２５〜１．８重量％、チタン含
   有量０．０２５〜４重量％、酸素含有量５０ｐｐｍ未満
   、金属不純物含有量０．１重量％未満（各不純物が夫々
   ０．０１５重量％未満）、残部が銅という各条件を満足
   する組成を有する合金を製造する段階と、 ｂ）ホウ素を浴に導入し、形成された酸化ホウ素を除去
   することにより溶融合金の浴を脱酸素する段階と、 ｃ）冷間引き抜きした合金を、最大導電率をもたらす温
   度ＴＭよりも最大で８０℃低い温度で析出熱処理する段
   階とを含んでいることを特徴とする方法。
2. （２）Ｃｏ／Ｆｅ比が０．１５〜０．４５であることを
   特徴とする請求項１に記載の方法。
3. （３）酸素含有量が２０ｐｐｍ未満であることを特徴と
   する請求項２に記載の方法。
4. （４）鉄含有量が０．１〜１重量％であることを特徴と
   する請求項２に記載の方法。
5. （５）コバルト含有量が０．０５〜０．４重量％である
   ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
6. （６）チタン含有量が０．０３５〜０．６重量％である
   ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
7. （７）ホウ素の導入後にチタンを母合金として導入し、
   チタンの損失を避け、溶融及び減圧注型を避けることを
   特徴とする請求項２に記載の方法。
8. （８）温度の関数としての導電率曲線（ＩＡＣＳ％）の
   勾配が０．１〜０．３ＩＡＣＳ％／℃であるようなＴＭ
   未満の温度で析出熱処理を実施することを特徴とする請
   求項２に記載の方法。
9. （９）請求項１から８のいずれか一項に記載の方法によ
   り得られる合金。
10. （１０）１０ｐｐｍ未満のホウ素を含有することを特徴
    とする請求項９に記載の合金。
11. （１１）エレクトロニクス及びコネクタ産業用の導電部
    材、特にコンポーネント支持グリッド、接点ばね及び接
    続素子の製造のための、請求項９又は１０に記載の合金
    の適用。