JP2010084163A - 銅合金線及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高強度で導電率が高く、極細線の素材に適した銅合金線、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明銅合金線は、質量割合で、酸素を240ppm以上400ppm以下、Snを0.05％以上0.80％以下含有し、残部がCu及び不純物からなる。上記不純物は、As,Bi,及びSbの少なくとも1種の元素であり、質量割合で、各元素の含有量が2ppm以下、かつ合計含有量が4ppm以下である。導電率を低下させ易い不純物の元素を特定し、かつその含有量を調整する。また、酸素の含有量を比較的多めにして、上記不純物を析出させることで、導電率の低下を抑制する。
【選択図】なし

Description

本発明は、極細の導体線の素材に適した銅合金線、及びその製造方法に関する。特に、伸線加工を施して極細にした場合でも、引張強度及び導電率が高い極細線を得ることができる銅合金線に関するものである。

導体に用いられる線材の構成材料として、Snを添加元素とし、このSnの固溶により強度を高めたCu-Sn合金がある(特許文献1)。特許文献1には、高強度で導電率が高い線径φ0.4mmのCu-Sn合金線が開示されている。

特開2004-179151号公報

しかし、従来のCu-Sn合金線では、線径φが100μm(0.1mm)以下といった極細線の素材に利用する場合、高強度と高い導電率とを両立することが難しい。

線径φが100μm以下といった極細線は、伸線加工に伴う加工硬化により、強度が向上する反面、伸線加工に伴う歪みにより導電率が低下する傾向にある。また、強度を高めるために添加元素を多くした銅合金では、導電率が低下する。

そこで、本発明の目的の一つは、高強度で導電率が高い極細線の素材に適した高強度で導電率が高い銅合金線を提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記銅合金線の製造方法を提供することにある。

本発明者らは、タフピッチ銅を母材として検討したところ、酸素の含有量、及び不純物の含有量の双方を特定の範囲に制御すると共に、連続鋳造を採用することで、強度及び導電率の双方が高い極細線を製造可能な銅合金線が得られるとの知見を得た。本発明銅合金線及びその製造方法は、この知見に基づくものである。

本発明銅合金線は、酸素を240質量ppm以上400質量ppm以下、Snを0.05質量％以上0.80質量％以下含有し、残部がCu及び不純物からなる。特に、上記不純物が、As,Bi,及びSbの少なくとも1種の元素であり、これらの各元素の含有量が2質量ppm以下、かつ合計含有量が4質量ppm以下である。

上記本発明銅合金線は、以下の本発明銅合金線の製造方法により製造することができる。本発明の製造方法は、Snを0.05質量％以上0.80質量％以下含有する銅合金線の製造方法であり、原料銅と原料Snとを溶解してCu-Snの溶融合金を作製する工程と、この溶融合金を鋳造した後、鋳造材に圧延加工及び伸線加工を施す工程とを具える。特に、上記原料銅として、不純物元素が特定の範囲のものを用いる。具体的には、カソード銅(電気銅地金)及びスクラップ銅の少なくとも一方を利用し、この原料銅に含有されるAs,Bi,及びSbの少なくとも1種の不純物元素の含有量がそれぞれ2質量ppm以下、かつ合計で4質量ppm以下とする。上記溶解は、還元性雰囲気で行い、酸素の含有量が240ppm以上400ppm以下である溶融合金を作製する。更に、上記鋳造は、連続鋳造とする。

極細線用の素材は、上述のように伸線加工に伴う歪みにより導電率が低下し易いことから、導電率が高いことが望まれる。そこで、本発明製造方法では、導電率を低下させ易い不純物元素を特定すると共に、この不純物元素の含有量の上限を規定し、規定する範囲を満たすものを原料に用いる。この構成により、不純物の含有による導電率の低下を低減できる。かつ、本発明製造方法では、銅合金線中の酸素の含有量が上記特定の範囲内となるように、母材となる溶融合金(或いは溶銅)として、酸素の含有量が240〜400ppmのものを作製する。具体的には、還元性雰囲気下で溶解を行って、溶融合金(或いは溶銅)の酸素の含有量が、240〜400ppm程度となるように溶解時の雰囲気を制御することで、上記不純物元素を酸化物として積極的に結晶粒界に析出させ、導電率を向上することができる。更に、本発明製造方法では、連続鋳造を採用することで、析出物の生成や析出物の成長を抑え、伸線加工時の割れの起点となるような粗大な析出物の存在を低減して、伸線加工性に優れる素材を得ることができる。

上記本発明製造方法によれば、高強度で導電率が高い銅合金線が得られる。そして、この銅合金線を線径φが100μm以下といった極細線の素材に利用した場合、伸線して得られた極細線は、強度が高く、かつ導電率も高い。以下、本発明をより詳細に説明する。なお、以降の元素の含有量は、質量割合とする。

＜銅合金線＞
《組成》
<添加元素:Sn>
本発明銅合金線は、添加元素としてSnを含有するCu-Sn合金から構成される。Snの含有量は、0.05％以上0.80％以下(500ppm以上8000ppm以下)とする。0.05％未満では、Snの固溶による強度向上効果を十分に得られず、0.80％超では、導電率の低下を招く。上記範囲においてSnが少なめであると、Cu自体の成分が多いため導電率が高い銅合金線が得られ、Snが多めであると、Snの固溶強化により高強度の銅合金線が得られる。所望の特性となるようにSnの含有量を調整することができる。

<酸素>
本発明銅合金線は、酸素の含有量が240ppm(0.024％)以上400ppm(0.04％)以下であることが特徴の一つである。240ppm未満では、不純物元素を酸化物として十分に析出させることが難しく、導電率が低下する。また、酸素が少ない銅合金線を製造するために酸素の含有量が少ない溶融合金を用いる場合、溶融合金中に水素が増加する傾向にあり、凝固時にブローホールなどの欠陥が生じる。一方、400ppm超では、固溶強化作用を有するSnが酸素と結合して酸化錫となって結晶粒界に析出され易くなり、強度が低下する。より好ましい酸素の含有量は、270ppm以上330ppm以下である。240〜400ppmの範囲において酸素が少なめであると、Snの酸化が少ないため高強度の銅合金線が得られ、多めであると、不純物元素の酸化やSnの酸化により導電率が高い銅合金線が得られる。所望の特性となるように酸素の含有量を調整することができる。

<不純物元素>
本発明銅合金線は、不純物元素をAs,Bi,及びSbの少なくとも1種の元素とし、各元素の含有量が2ppm以下、かつ合計含有量が4ppm以下であることが特徴の一つである。上記As,Bi,Sbはいずれも、導電率を低下させ易い元素であるため、それぞれの含有量を2ppm以下とし、かつ合計を4ppm以下とする。それぞれの含有量が2ppmを超える場合、合計が4ppmを超える場合のいずれも導電率が低下する。不純物元素は、含有されないことが好ましいため、下限は設けない(後述する他の不純物元素も同様である)。

他の不純物元素として、Fe及びPbの少なくとも1種が挙げられる。これらの元素も多いと、導電率の低下を招く。また、Feが多いと、溶融合金中にFeの固相が生じ、鋳造ノズルが詰まるなどして、製造性の低下を招いたり、或いは製造できない恐れがある。Pbが多いと、圧延時、熱間割れなどが生じて、製造性の低下を招いたり、或いは製造できない恐れがある。従って、Fe,Pbのそれぞれの含有量が20ppm以下、かつ合計含有量が30ppm以下であることが好ましい。

他の不純物元素として、Niが挙げられる。Niも多いと、導電率の低下を招くことから、Niの含有量は、20質量ppm以下が好ましい。

《形状及び用途》
本発明銅合金線は、代表的な形状として、断面が円形状の丸線が挙げられる。その他、断面が矩形状、多角形状の角線、楕円状の異形線など種々の形状が挙げられる。特に、断面形状は問わない。また、本発明銅合金線は、線径φが100μm以下、特に、20〜80μmといった極細線の素材に好適に利用される。この用途の場合、本発明銅合金線は、例えば、線径φが0.4mm以上3.2mm以下であることが好ましい。本発明銅合金線の線径φが大き過ぎると、極細線にするための伸線加工の加工度(断面減少率)が大きくなり、加工時の歪みにより導電率が低下し易い。

《機械的特性》
本発明銅合金線の強度及び導電率は、上述のようにSnの含有量、酸素の含有量、及び伸線加工の加工度(線径が小さいほど、加工度が大きい)に依存する。本発明銅合金線において、例えば、Snの含有量が0.25〜0.35％の場合、引張強さが430MPa以上、導電率が75％IACS以上を満たす。より具体的な特性を以下に示す。
(1)線径が0.4mm以上2.0mm以下の銅合金線:引張強さが441MPa以上、導電率が75％IACS以上。特に、引張強さ:600MPa以上630MPa以下、導電率:80％IACS以上。
(2)線径が2.0mm超3.2mm以下の銅合金線:引張強さが430MPa以上、導電率が80％IACS以上。特に、引張強さ:490MPa以上510MPa以下、導電率:81％IACS以上。
また、本発明銅合金線において、例えば、(3)Snの含有量が0.6〜0.8％の場合、引張強さが740MPa以上、導電率が65％IACS以上を満たす。
このように本発明銅合金線は、従来の銅合金線と同じSn含有量及び同じ線径(大きさ)で比較した場合、上記(1)〜(3)のいずれの場合も高強度で導電率が高い。

＜製造方法＞
《原料の準備》
本発明銅合金線は、原料の準備→溶解→鋳造→圧延→伸線という工程で製造される。特に、本発明製造方法では、原料銅として、不純物元素の含有量が上記特定の範囲を満たすものを用いるところを特徴の一つとする。このような原料銅として、高純度のカソード銅(Cu:99.95質量％以上含有、溶解時に酸素を含有することでタフピッチ銅となる)及びスクラップ銅(リサイクル銅)の少なくとも一方を用いる。特に、用いる原料銅の成分を調べ、不純物の種類、酸素及び不純物の含有量が上記特定の範囲を満たすように、例えば、スクラップ銅の含有量などを調整する。原料銅中のAs,Bi,Sbのそれぞれが2質量ppm以下、かつ合計で4質量ppm以下であることで、銅合金線中のAs,Bi,Sbのそれぞれを2質量ppm以下、かつ合計で4質量ppm以下にすることができる。

《溶解》
また、本発明製造方法では、溶解時の雰囲気を還元性雰囲気にして、溶融合金に酸素を含有させるところを特徴の一つとする。例えば、LNG(天然ガス)と空気との混合ガスにおいて、燃料比を高めることで、還元性雰囲気とすることができる。溶解炉から出湯される溶融金属の酸素濃度は、COを指標として燃料比を調整することにより制御できる。例えば、燃料比を低めると、CO濃度を低下させ、酸素濃度を高められる。このように溶解雰囲気における酸素濃度を調整した溶融合金を用いることで、上記特定の酸素濃度の本発明銅合金線が得られる。

<Snの投入>
溶融合金は、原料銅とSn原料とを同時に溶融して作製してもよいが、溶融銅を別途用意し、更にSn原料を添加して作製することが好ましい。このとき、上記溶融銅に原料Snを添加した後、溶融合金が鋳型に接触するまでの時間(以下、滞留時間と呼ぶ)を長くする、具体的には1分以上とすると、Snを十分に固溶させて強度を高められると共に、Snの一部が酸化されることで、導電率も高め易い。好ましい滞留時間は、3分以上である。但し、長過ぎるとSnが酸化し過ぎて強度の低下を招くため、滞留時間は10分以下が好ましい。滞留時間を長くするには、Snの投入時を制御することが挙げられる。例えば、後述するようにツインベルト式鋳造機を用いる場合、鋳造機の上流側に配置される保持炉や保持炉の下流側に配置される樋などにSnを投入したり、比較的大きなタンディッシュを有するベルトアンドホイール式鋳造機を用いる場合、上記タンディッシュにSnを投入したりすることで、Snの滞留時間を上述のように長くすることができる。

《鋳造》
更に、本発明製造方法では、上述のように特定の酸素濃度の溶融合金を用い、急冷凝固が可能な連続鋳造を行うことで、Snの酸化や種々の析出物の成長を抑制して、高強度で塑性加工性に優れる鋳造材が得られる。このような鋳造材を用いることで、伸線加工を複数パスに亘って行う極細線の素材に適した本発明銅合金線が得られる。連続鋳造には、ツインベルト式鋳造機やベルトアンドホイール式鋳造機などの公知の連続鋳造機を適宜利用することができる。

《圧延及び伸線》
鋳造材に施す圧延(熱間圧延)及び伸線は、所望の線径の銅合金線が得られるように適宜加工度(圧下率、断面減少率)を調整して行うことができる。公知の条件を利用することができる。

本発明銅合金線は、高強度で導電率も高い。本発明製造方法は、本発明銅合金線を生産性よく製造することができる。

[試験例1 Sn:0.25質量％以上0.35質量％以下含有]
酸素の含有量を異ならせた銅合金線を作製し、引張強さ及び導電率を測定した。試料は、原料の準備→溶融合金の作製(溶解)→連続鋳造(断面積:7700mm²の鋳造材を作製)→熱間圧延(加熱温度:600℃以上の熱間圧延)→伸線という手順で作製した。

いずれの試料も原料銅には、電気銅地金(99.95質量％以上Cuを含有する純銅)に加えて、一部にスクラップ銅を用いた。原料銅は、ICP発光分光分析装置などを用いて成分を調査し、原料銅中の不純物の含有量が以下を満たすように、スクラップ銅の含有量を調整した。

(不純物の含有量 いずれも質量割合)
As,Bi,Sbの少なくとも1種:それぞれ2ppm以下、かつ合計で4ppm以下
Fe及びPbの少なくとも1種：それぞれ20ppm以下、かつ合計で30ppm以下
Ni:20ppm以下

(試料No.1-1〜1-10)
試料No.1-1〜1-10の銅合金線は、以下のように作製した。用意した上記原料銅を、還元性雰囲気で溶解して、所定の酸素量を含有させた溶融銅を作製し、ツインベルト式連続鋳造機の保持炉に移送する。この保持炉の下流側に設置された樋に原料Snを添加してCu-Snの溶融合金を作製し(Snの滞留時間(3分))、この溶融合金をツインベルト式連続鋳造機により、鋳造する。得られた鋳造材に熱間圧延及び伸線加工を施し、表1に示す線径φ(mm)の銅合金線を得る。溶解は、シャフト炉を用い、COを指標として燃料比を調整することにより、還元性雰囲気とすると共に、溶融銅中の酸素量の調整を行った。

得られた試料No.1-1〜1-10の銅合金線について、ICP発光分光分析装置によりSnの含有量及び酸素の含有量を測定した。その結果を表1に示す(いずれも質量割合)。また、得られた試料No.1-1〜1-10の銅合金線について、ICP発光分光分析装置により不純物の含有量を調べたところ、上記の原料銅における不純物の含有量と同等、又はそれ以下であった。

得られた試料No.1-1〜1-10の銅合金線について、JIS Z 2241(1998)に記載される引張試験に基づいて引張強さ(MPa)を測定した。ここでは、表1に示す各線径の銅合金線のそれぞれについて、JIS Z 2201(1998)の記載に準じて試験片を作製して、引張試験を行った。また、この試験では、試料ごとに10個の試験片を用意して、それぞれの試験片の引張強さを測定し、各試料における10個の試験片の平均を表1に示す。

得られた試料No.1-1〜1-10の銅合金線について、4端子法により導電率(％IACS)を測定した。この試験では、試料ごとに10個の試験片を用意して、それぞれの試験片の導電率を測定し、各試料における10個の試験片の平均を表1に示す。

(試料No.101,102) 上述した試料No.1-1〜1-10と同様にして、酸素を含有させた溶融銅を作製するにあたり、酸素の含有量を更に高くした点、又は酸素の含有量を更に低くした点を除いて、試料No.1-1〜1-10と同様にして、表1に示す線径φ(mm)の銅合金線を得た。酸素の含有量を多くした試料No.101は、燃料比を調整して酸素濃度を更に高くし、酸素の含有量を少なくした試料No.102は、COリッチの雰囲気として溶解した。

(試料No.103) 上述した試料No.1-1〜1-10と同様にして、Cu-Snの溶融合金を作製するにあたり、Snの滞留時間を短くした(20秒とした)点を除いて、試料No.1-1〜1-10と同様にして、表1に示す線径φ(mm)の銅合金線を得た。この試料No.103は、上記樋にSnを投入せず、鋳型に溶融金属を導入するタンディッシュにSnを投入することで、Snの滞留時間を短くした。

得られた試料No.101〜103について、試料No.1-1〜1-10と同様にしてSnの含有量、酸素の含有量を測定した。その結果を表1に示す(いずれも質量割合)。また、得られた試料No.101〜103について、試料No.1-1〜1-10と同様にして不純物の含有量を測定したところ、上記の原料銅における不純物の含有量と同等、又はそれ以下であった。更に、得られた試料No.101〜103について、試料No.1-1〜1-10と同様にして引張強さ及び導電率を測定した。その結果を表1に示す。

表1に示すように、酸素の含有量が240質量ppm以上400質量ppm以下である試料No.1-1〜1-10はいずれも、引張強さ及び導電率の双方が高いことが分かる。また、試料No.1-1〜1-10において、線径φが大きいと導電率が更に高く、線径φが小さいと、引張強さが更に高いことが分かる。更に、Snの滞留時間が長い方が高導電率の銅合金線が得られることが分かる。

一方、同じ線径で比較すると、酸素の含有量が400ppm超であると、導電率が高いものの、引張強さが低いことが分かる。この理由として、Snが酸素と結合して結晶粒界に析出されたことが考えられる。また、同じ線径で比較すると、酸素の含有量が240ppm未満であると、引張強さが若干高いものの、導電率が低いことが分かる。

[試験例2 Sn:0.6質量％以上0.8質量％以下]
Snの含有量を異ならせた点を除いて、試験例1の試料No.1-1〜1-10と同様に銅合金線を作製し、引張強さ(MPa)及び導電率(％)を測定した。その結果を表2に示す。また、比較として、試験例1の試料No.101,102と同様に酸素の含有量が多い又は少ない試料No.201,202を作製し、引張強さ(MPa)及び導電率(％)を測定した。その結果を表2に示す。

得られた試料No.2-1の銅合金線について、ICP発光分光分析装置により不純物の含有量を調べたところ、原料銅における不純物の含有量(試験例1に記載の含有量)と同等、又はそれ以下であった。

表2に示すように、酸素の含有量が240質量ppm以上400質量ppm以下である試料No.2-1は、引張強さ及び導電率の双方が高いことが分かる。

試験例1で作製した試料No.1-1〜1-10や試験例2で作製した試料No.2-1の銅合金線はいずれも、引張強さが高く、かつ導電率も高い。そのため、これらの銅合金線を線径φが100μm以下の極細線の素材に適用した場合、導電率の低下が少なく、高い導電率を維持した高強度の極細線が得られると期待される。

なお、上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。例えば、Snや酸素の含有量を変化させることができる。

本発明銅合金線は、線径φが100μm以下といった極細の導体線の素材に好適に利用することができる。得られた極細線は、高強度で導電率が高く、導体に好適に利用することができる。本発明製造方法は、上記本発明銅合金線の製造に好適に利用することができる。

Claims (10)

1. 質量割合で、酸素を240ppm以上400ppm以下、Snを0.05％以上0.80％以下含有し、残部がCu及び不純物からなる銅合金線であり、
   前記不純物は、As,Bi,及びSbの少なくとも1種の元素であり、質量割合で、各元素の含有量が2ppm以下、かつ合計含有量が4ppm以下であることを特徴とする銅合金線。
2. 前記不純物は、更に、Fe及びPbの少なくとも1種を含み、質量割合で、Fe,Pbのそれぞれの含有量が20ppm以下、かつ合計含有量が30ppm以下であることを特徴とする請求項1に記載の銅合金線。
3. 前記不純物は、更に、Niを20質量ppm以下含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の銅合金線。
4. この銅合金線は、線径が100μm以下の導体線用素材に用いられることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の銅合金線。
5. 前記Snの含有量が0.25質量％以上0.35質量％以下であり、
   引張強さが430MPa以上、導電率が75％IACS以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の銅合金線。
6. 前記銅合金線の線径が0.4mm以上2.0mm以下の場合、引張強さが441MPa以上、導電率が75％IACS以上であり、
   前記銅合金線の線径が2.0mm超3.2mm以下の場合、引張強さが430MPa以上、導電率が80％IACS以上であることを特徴とする請求項5に記載の銅合金線。
7. Snの含有量が0.6質量％以上0.8質量％以下であり、
   引張強さが740MPa以上、導電率が65％IACS以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の銅合金線。
8. 前記銅合金線は、線径が0.4mm以上3.2mm以下であることを特徴とする請求項7に記載の銅合金線。
9. Snを0.05質量％以上0.80質量％以下含有する銅合金線の製造方法であって、
   原料銅と原料Snとを溶解してCu-Snの溶融合金を作製する工程と、
   前記溶融合金を鋳造した後、鋳造材に圧延加工及び伸線加工を施す工程とを具え、
   前記原料銅として、カソード銅及びスクラップ銅の少なくとも一方を使用し、この原料銅に含有されるAs,Bi,及びSbの少なくとも1種の不純物元素の含有量がそれぞれ2質量ppm以下、かつ合計で4質量ppm以下とし、
   前記溶解は、還元性雰囲気で行って、酸素の含有量が240ppm以上400ppm以下の溶融合金を作製し、
   前記鋳造は、連続鋳造であることを特徴とする銅合金線の製造方法。
10. 前記溶融合金は、溶融銅に原料Snを添加して作製し、
    前記溶融銅に原料Snを添加した後、溶融合金が鋳型に接触するまでの間の時間が1分以上10分以下であることを特徴とする請求項9に記載の銅合金線の製造方法。