JP4311277B2

JP4311277B2 - 極細銅合金線の製造方法

Info

Publication number: JP4311277B2
Application number: JP2004153304A
Authority: JP
Inventors: 太貫青柳; 良平岡田; 洋光黒田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-05-24
Filing date: 2004-05-24
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2024-05-24
Also published as: CN100422364C; CN1702180A; JP2005336510A; US20050260438A1; US8163110B2; US20080202648A1

Description

本発明は、極細銅合金線の製造方法に係り、特に、電子機器の信号線、電力供給線などに用いられる極細銅合金線の製造方法に関するものである。

小型電子機器などに信号の入出力や電力供給のために配線される極細銅合金線においては、優れた導電性、強度、耐屈曲性、伸線性が要求される。従来、極細銅合金線の導体として、強度に優れたCu-Sn系合金線やCu-Sn-In系合金線が使用されてきた。

近年、極細銅合金線においては、導体の細径化がすすんでいる。導体細径化に伴う導体抵抗の増大を抑えるべく、導体の高導電率化が求められている。また、導体の細径化に伴い、僅かな荷重によって線材が断線しやすくなるため、線材の破断を避けるべく、導体の高強度化が求められている。高強度、高導電率の銅合金線として望ましいものは、Cu-Ag系合金線である。Cu-Ag系合金線の製造方法として、例えば、以下のものが挙げられる。

(1) Cu-2〜14重量％Ag合金の鋳造ロッドに、冷間加工と熱処理を施し、高強度、高導電率の銅合金線を得る方法。熱処理は、400〜600℃の温度で1〜100時間である（特許文献１参照）。

(2) Cu-1〜10重量％Ag合金の鋳塊に、冷間加工と熱処理を施し、高強度、高導電率の銅合金線を得る方法。熱処理は、２段階であり、700〜950℃の温度で0.5〜5時間、250〜400℃未満の温度で0.5〜40時間である（特許文献２参照）。

(3) Cu-1.0〜4.5重量％Ag合金の銅合金軟質素材に、冷間加工と熱処理を施し、高強度、高導電率の銅合金線を得る方法。熱処理は、300〜550℃の温度で1秒〜30分である（特許文献３参照）。

(4) Cu-1.0〜15.0重量％Ag合金の鋳造ロットに、冷間加工と熱処理を施し、高強度、高導電率の銅合金線を得る方法。熱処理は、400〜500℃の温度で1〜30時間である（特許文献４参照）。

特開２０００−１９９０４２号公報特許第３３２５６４１号公報特開平１１−２９３４３１号公報特開２００１−４０４３９号公報

ところで、前述した(1)〜(4)の方法により得られた各銅合金線のいずれにおいても、線径を0.008〜0.05ｍｍの極細線とした場合、800ＭＰａ以上の高い引張強度と、80％IACS以上の高い導電率を両立させることは困難であった。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、800ＭＰａ以上の引張強度と80％IACS以上の導電率を兼ね備えた極細銅合金線及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明の請求項１に係る極細銅合金線の製造方法は、最終線径が０．０５ｍｍ以下であり、かつ線材の全体積に占めるＣｕとＡｇの共晶相の体積割合が３〜２０％の銅合金で構成され、引張強度が８００ＭＰａ以上、導電率が８０％ＩＡＣＳ以上である極細銅合金線を製造する方法であって、不純物濃度の総和が１０ｐｐｍ以下である銅母材にＡｇを１．０〜３．５ｗｔ％の割合で含有させた銅合金溶湯を鋳型内に注湯して鋳造を行い、注湯後の未凝固の銅合金溶湯を４００〜５００℃未満／ｍｉｎの冷却速度で冷却して鋳造体を形成し、その鋳造体に縮径加工として冷間加工を施すと共に、その冷間加工後の伸線材に再結晶処理を施すものである。

また、本発明の請求項２に係る極細銅合金線の製造方法は、上記再結晶処理として、３００〜５５０℃×０．５〜２０時間の熱処理を行ってもよい。

また、再結晶処理として、６００〜９００℃×５〜１２０秒間の熱処理を行ってもよい。この熱処理後の伸線材に、Ａｇめっき処理を施すことが好ましい。

本発明によれば、高引張強度、高導電率の極細銅合金線を得ることができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適一実施の形態を説明する。

本発明の好適一実施の形態に係る極細銅合金線は、最終線径が0.05ｍｍ以下、好ましくは0.008〜0.05ｍｍのものであり、化学組成がCu-1.0〜3.5ｗｔ％Agの銅合金単体で構成されるものである。この銅合金単体の相組織は、Ｃｕマトリックス中に、ファイバ状（フィラメント状）のＣｕとＡｇの共晶相が、線材の全体積の3〜20％の割合で分散してなるものである。本実施の形態に係る極細銅合金線は、800MPa以上、好ましくは840〜1200ＭＰａの引張強度、80％ＩＡＣＳ以上、好ましくは84％ＩＡＣＳ以上の導電率を有する。

ここで、Ａｇ濃度を1.0〜3.5ｗｔ％としたのは、Ａｇ濃度が3.5ｗｔ％を超えると、共晶相の体積率が20％を超えてしまい、導電率が低下するためである。また、Ａｇ濃度が1.0ｗｔ％未満だと、ＣｕとＡｇの共晶相の体積率が3％未満となってしまい、強度向上効果が不十分となるためである。

ＣｕとＡｇの共晶相の体積率を3〜20％としたのは、体積率が20％を超えると、Ｃｕマトリックス自体の体積率が減少し、導電率が80％ＩＡＣＳ未満となるためである。また、体積率が3％未満だと、引張強度の向上効果が不十分で、800MPa未満となるためである。

引張強度を800MPa以上、好ましくは840ＭＰａ以上としたのは、現在、小型機器、例えば医療用プローブケーブルなどの導体に使用されているCu-Sn系極細銅合金線の引張強度（約850MPa以上）とほぼ同等又は同等以上とするためである。

本実施の形態に係る極細銅合金線は、単線材のまま又は極細銅合金線を複数本撚り合わせた撚線材の状態で使用される。

次に、本実施の形態の製造方法を添付図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る極細銅合金線３０の製造方法は、以下に示す手順を経て製造される。

先ず、不純物濃度の総和が10ｐｐｍ以下、好ましくは5ｐｐｍ以下、より好ましくは1ｐｐｍ以下である高純度Ｃｕ（銅母材）１１とＡｇ１２とを用いて溶製を行い（ステップＡ）、銅合金溶湯１０を作製する。溶製は、最初に、高純度Ｃｕ１１を溶解させた後、Ｃｕ溶湯中にＡｇ１２を添加して行う。この溶製時、銅合金溶湯１０の化学組成がCu-1.0〜3.5ｗｔ％Agとなるように、高純度Ｃｕ１１とＡｇ１２の量を調整する。また、高純度Ｃｕ１１の溶解は真空雰囲気で、また、Ａｇ１２の溶解は不活性ガス雰囲気、例えばＡｒガス雰囲気で行うことが好ましい。

次に、この銅合金溶湯１０を鋳型内に注湯して鋳造（鋳込み）を行う（ステップＢ）。注湯後の未凝固の銅合金溶湯１０を400〜500℃未満／ｍｉｎの冷却速度で冷却し（ステップＣ）、鋳造体２０を形成する。鋳造方式としては、連続鋳造式、バッチ式のいずれであってもよいが、生産性に優れる連続鋳造式が好ましい。

次に、鋳造体２０に、縮径加工として冷間加工を少なくとも１回施し（ステップＤ）、伸線材２１を得る。ここでいう、冷間加工とは、伸線加工、圧延加工、スエージングなどの各種減面加工の総称である。

次に、この伸線材２１に、300〜350℃×10〜20時間、350〜450℃×5〜10時間、又は450〜550℃×0.5〜5時間の熱処理を施す（ステップＥ１）。これらの熱処理条件の中では、350〜450℃×5〜10時間が最も好ましい。熱処理後の伸線材２１は、急冷処理が施される。この急冷処理としては、水冷処理などが挙げられる。ステップＥ１の熱処理は、バッチ式の熱処理として好適である。例えば、巻き取りドラムなどに巻き取った伸線材２１を加熱炉内に導入することで、ステップＥ１の熱処理が行われる。また、この熱処理は、不活性ガス雰囲気、例えば、Ａｒガス雰囲気で行うことが好ましい。

最後に、急冷された伸線材２１に、再度、冷間加工（最終冷間加工）を施し（ステップＤfin）、最終線径を0.05ｍｍ以下とすることで、本実施の形態に係る極細銅合金線３０が得られる。

ここで、銅合金溶湯１０におけるＡｇ濃度は1.0〜3.5ｗｔ％であり、固溶限以下である。このため、未凝固の銅合金溶湯１０を、ゆっくりと又は急速に冷却して鋳造体を形成した場合、鋳造体のＣｕマトリックス中にＣｕとＡｇの共晶相が晶出することはない。このため、未凝固の銅合金溶湯１０を所定の冷却速度で冷却する必要がある。

本実施の形態に係る製造方法は、ステップＣにおいて、鋳造体２０を形成する際の冷却速度を400〜500℃未満／ｍｉｎ、好ましくは400〜480℃／ｍｉｎの範囲に調整している。これによって、銅合金溶湯１０におけるＡｇ濃度が固溶限以下の1.0〜3.5ｗｔ％であるにも関わらず、鋳造体２０のＣｕマトリックス中に、ＣｕとＡｇの共晶相が網目状に晶出される。この共晶相の晶出割合（体積率）は、鋳造体（線材）２０の全体積の3〜20％とされる。前述の冷却速度範囲において、冷却速度を速くする程、共晶相の体積率を小さくすることができる。例えば、連続鋳造機を用いる場合、連続鋳造片の引抜き速度を調整することで冷却速度の調整を行うことができ、引抜き速度を速くする程、冷却速度を速くすることができる。

この鋳造体２０に冷間加工を施して伸線材２１を形成することで、網目状に晶出した共晶相が、伸線材２１の長手方向にファイバ状に延伸され、Ｃｕマトリックスの強化繊維材として分散される。この繊維強化と加工硬化によって、伸線材２１、延いては極細銅合金線３０の引張強度が著しく向上する。

また、本実施の形態に係る製造方法は、ステップＥ１において、伸線材２１に、300〜550℃×0.5〜20時間の熱処理を施している。この熱処理により、伸線材２１におけるＣｕ結晶が再結晶して加工歪みが除去される。また、この熱処理により、伸線材２１のＣｕマトリックス及び共晶相におけるＣｕ固相中に固溶していたＡｇが析出されると共に、伸線材２１の共晶相におけるＡｇ固相中に固溶していたＣｕが析出される。加工歪みの除去により、伸線材２１の伸び特性が良好となり、その後の冷間加工時における加工率を向上させることができる。また、Ａｇ析出及びＣｕ析出により、伸線材２１、結果として極細銅合金線３０の導電率が向上する。

熱処理温度を300〜550℃としたのは、300℃未満だと、伸線材２１における加工歪みの除去効果が不十分となるためである。また、550℃を超えると、Ａｇ析出相及びＣｕ析出相が再固溶してしまい、伸線材２１、結果として極細銅合金線３０の導電率が低下するためである。熱処理時間を同じとした場合、熱処理温度が高くなる程、加工歪みの除去量が増す（引張強度が低下する）と共に、Ａｇ析出相及びＣｕ析出相の再固溶が進行する（導電率が低下する）。また、熱処理温度を同じとした場合、熱処理時間が長くなる程、加工歪みの除去量が増すと共に、Ａｇ析出相及びＣｕ析出相の再固溶が進行する。

以上より、本実施の形態に係る極細銅合金線３０は、Ａｇ濃度が1.0〜3.5ｗｔ％と低いにもかかわらず、800MPa以上の高引張強度と80％ＩＡＣＳ以上の高導電率の両方を達成することができる。よって、本実施の形態に係る極細銅合金線３０は、高価なＡｇの使用量が少ない分、高引張強度、高導電率の極細銅合金線を安価に得ることができる。

また、本実施の形態に係る極細銅合金線３０は、伸びも1.1％以上と高いことから、屈曲性も良好である。よって、本実施の形態に係る極細銅合金線３０は、耐屈曲性が要求される極細線材としても適用可能である。

また、本実施の形態に係る極細銅合金線３０は、小型電子機器、例えば、医療用プローブケーブル、モバイル機器、ロボット等の電力供給線や信号線として好適である。

次に、本発明の他の好適一実施の形態に係る極細銅合金線の製造方法を添付図面に基づいて説明する。

図２に示すように、本実施の形態に係る極細銅合金線の製造方法と、図１に示した前実施の形態に係る極細銅合金線の製造方法は、伸線材２１の形成工程までは同じである。よって、本実施の形態に係る極細銅合金線の製造方法においては、伸線材２１に対する熱処理工程から説明する。

伸線材２１を走行ラインで走行させたままの状態で、伸線材２１に対して600〜900℃×5〜120秒間、好ましくは700〜900℃×5〜80秒間、より好ましくは750〜850℃×5〜40秒間の熱処理を施す（ステップＥ２）。この熱処理は、例えば、走行する伸線材２１を600〜900℃に調節された均熱帯（均熱ゾーン）を通過させることで行う。加熱時間は、伸線材２１の走行速度及び／又は均熱帯の長さを調節することで、自在に調整可能である。また、この熱処理は、走行する伸線材２１を通電加熱することで行ってもよい。この場合、加熱時間は、伸線材２１の走行速度及び／又は電圧印加のための電極間長さを調節することで、自在に調整可能である。また、この熱処理は、不活性ガス雰囲気、例えば、Ａｒガス雰囲気で行うことが好ましい。

最後に、急冷された伸線材２１に、再度、冷間加工（最終冷間加工）を施し（ステップＤfin）、最終線径を0.05ｍｍ以下とすることで、本実施の形態に係る極細銅合金線４０が得られる。

本実施の形態に係る製造方法により得られた極細銅合金線４０においても、前実施の形態に係る製造方法により得られた極細銅合金線３０と同様の作用効果が得られる。また、本実施の形態に係る製造方法は、5〜120秒間という非常に短い時間で伸線材２１に対する熱処理が可能であるため、得られた極細銅合金線４０は極細銅合金線３０と比較して生産性がより良好である。

本実施の形態に係る製造方法により得られた極細銅合金線４０は、前実施の形態に係る製造方法により得られた極細銅合金線３０と同様に銅合金単体で構成される。しかし、極細銅合金線４０の層構造は、単層構造に限定するものではなく、複層構造であってもよい。例えば、化学組成がCu-1.0〜3.5ｗｔ％Agの銅合金で構成される本体部の周りに、Ａｇ被膜を設けたものであってもよい。Ａｇ被膜の膜厚は、例えば、極細銅合金線全体の直径の１〜１０％、好ましくは３〜６％とされる。

Ａｇ被膜の形成は、例えば、最終冷間加工後に行う。具体的には、急冷された伸線材２１に、最終冷間加工を施した後、伸線材２１にＡｇめっき処理を施す。この時、最終線径が0.05ｍｍ以下となるようにめっき膜の膜厚の調整を行う。これによって、伸線材２１（本体部）の周りにＡｇ被膜が形成され、二層構造の極細銅合金線４０が得られる。Ａｇ被膜を形成することで、極細銅合金線４０における引張強度を十分に確保しつつ、導電率を更に向上させることができる。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。

次に、本発明について、実施例に基づいて説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
銅合金製造のための母材として、Ｃｕ含有率が99.9999ｗｔ％、不可避不純物の濃度が総和で0.5ｐｐｍの高純度Ｃｕ線材を用いた。この線材の表面を酸洗浄した後、真空チャンバ内に固定して設けられた高純度黒鉛るつぼ内に装填し、高純度Ｃｕ線材の真空溶解を行った。高純度Ｃｕ線材が完全溶解した後、チャンバ内の真空雰囲気をアルゴンガス雰囲気に置換した。その後、高純度黒鉛るつぼ内に純Ａｇ線材を装填し、銅合金溶湯の溶製を行った。この時、銅合金溶湯の化学組成がCu-2.0ｗｔ％Agとなるように、純Ａｇ線材の装填量の調整を行った。

得られた銅合金溶湯を連続鋳造設備の黒鉛製鋳型に注湯し、直径8.0ｍｍの荒引き線（鋳造体）の連続鋳造を行った。銅合金溶湯の冷却速度は450℃／ｍｉｎとした。

この荒引き線に一次伸線加工（減面率：約89.4％）を施して伸線材を形成した後、この伸線材に皮むき処理、酸洗浄処理を施して直径2.6ｍｍに形成した。その後、伸線材をＡｒガス雰囲気中で400℃まで加熱して10時間保持した後、冷水で急冷するという熱処理を施した。この熱処理後の伸線材に二次伸線加工（減面率：約99.9％）を施して直径0.016ｍｍの極細銅合金線を作製した。

（実施例２）
実施例１と同じ銅合金溶湯を連続鋳造設備の黒鉛製鋳型に注湯し、直径8.0ｍｍの荒引き線（鋳造体）の連続鋳造を行った。銅合金溶湯の冷却速度は425℃／ｍｉｎとした。

この荒引き線に一次伸線加工（減面率：約98.7％）を施して伸線材を形成した後、この伸線材に皮むき処理、酸洗浄処理を施して直径0.9ｍｍに形成した。その後、伸線材を、Ａｒガス雰囲気、800℃の均熱帯中を20秒間走行させるという熱処理を施した。この熱処理後の伸線材に二次伸線加工（減面率：約99.9％）を施した後、その伸線材にＡｇメッキ処理を施し、直径0.016ｍｍの極細銅合金線を作製した。

（実施例３）
実施例１と同様にして、化学組成がCu-1.5ｗｔ％Agの銅合金溶湯の溶製を行った。得られた銅合金溶湯を連続鋳造設備の黒鉛製鋳型に注湯し、直径8.0ｍｍの荒引き線（鋳造体）の連続鋳造を行った。銅合金溶湯の冷却速度は450℃／ｍｉｎとした。

この荒引き線に一次伸線加工（減面率：約98.7％）を施して伸線材を形成した後、この伸線材に皮むき処理、酸洗浄処理を施して直径0.9ｍｍに形成した。その後、伸線材をＡｒガス雰囲気中で400℃まで加熱して5時間保持した後、冷水で急冷するという熱処理を施した。この熱処理後の伸線材に二次伸線加工（減面率：約99.9％）を施して直径0.016ｍｍの極細銅合金線を作製した。
（実施例４）
実施例１と同様にして、化学組成がCu-3.0ｗｔ％Agの銅合金溶湯の溶製を行った。得られた銅合金溶湯を連続鋳造設備の黒鉛製鋳型に注湯し、直径8.0ｍｍの荒引き線（鋳造体）の連続鋳造を行った。銅合金溶湯の冷却速度は450℃／ｍｉｎとした。

その後は、熱処理時の加熱温度を500℃とする以外は、実施例３と同様にして直径0.016ｍｍの極細銅合金線を作製した。
（比較例１）
実施例１と同様にして、化学組成がCu-0.4ｗｔ％Agの銅合金溶湯の溶製を行った。得られた銅合金溶湯を連続鋳造設備の黒鉛製鋳型に注湯し、直径8.0ｍｍの荒引き線（鋳造体）の連続鋳造を行った。銅合金溶湯の冷却速度は450℃／ｍｉｎとした。

その後は、熱処理時の保持時間を10時間とする以外は、実施例３と同様にして直径0.016ｍｍの極細銅合金線を作製した。

（比較例２）
実施例１と同様にして、化学組成がCu-1.5ｗｔ％Agの銅合金溶湯の溶製を行った。得られた銅合金溶湯を連続鋳造設備の黒鉛製鋳型に注湯し、直径8.0ｍｍの荒引き線（鋳造体）の連続鋳造を行った。銅合金溶湯の冷却速度は500℃／ｍｉｎとした。

その後は、熱処理時の保持時間を10時間とする以外は、実施例３と同様にして直径0.016ｍｍの極細銅合金線を作製した。
（比較例３）
実施例１と同様にして、化学組成がCu-5.0ｗｔ％Agの銅合金溶湯の溶製を行った。得られた銅合金溶湯を連続鋳造設備の黒鉛製鋳型に注湯し、直径8.0ｍｍの荒引き線（鋳造体）の連続鋳造を行った。銅合金溶湯の冷却速度は450℃／ｍｉｎとした。

その後は、熱処理時の加熱温度を450℃、保持時間を10時間とする以外は、実施例３と同様にして直径0.016ｍｍの極細銅合金線を作製した。

得られた実施例１〜４及び比較例１〜３の各極細銅合金線について、線材の全体積に占める共晶相の体積率（％）、引張強度（ＭＰａ）、伸び（％）、導電率（％ＩＡＣＳ）の評価を行った。それらの評価結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１〜４の各極細銅合金線は、銅合金組成におけるＡｇ濃度範囲、冷却速度範囲、及び共晶相の体積率範囲が全て規定範囲内に調整されている。このため、引張強度が840〜1100MPa、伸びが1.2〜1.5％、導電率が81〜90％ＩＡＣＳと、いずれも良好であった。

これに対して、比較例１の極細銅合金線は、伸び（1.3％）及び導電率（95％ＩＡＣＳ）がいずれも良好であった。しかし、比較例１の極細銅合金線は、銅合金組成におけるＡｇ濃度が規定範囲（1.0〜3.5ｗｔ％）未満の0.4ｗｔ％であった。Ａｇ濃度が低すぎるため、共晶相を十分に晶出させることができず、共晶相の体積率が０％となった。その結果、共晶相による強化が期待できず、引張強度が規定範囲（800MPa以上）未満の700MPaとなった。

また、比較例２の極細銅合金線は、伸び（1.3％）及び導電率（88％ＩＡＣＳ）がいずれも良好であった。しかし、比較例２の極細銅合金線は、冷却速度が500℃／ｍｉｎと、規定範囲（400〜500℃未満／ｍｉｎ）を超えていた。冷却速度が速すぎるため、共晶相を十分に晶出させることができず、共晶相の体積率が0.8％となった。その結果、共晶相による強化が期待できず、引張強度が規定範囲（800MPa以上）未満の780MPaとなった。

また、比較例３の極細銅合金線は、引張強度（1300MPa）が良好であった。しかし、比較例３の極細銅合金線は、銅合金組成におけるＡｇ濃度が5.0ｗｔ％と、規定範囲を超えていた。Ａｇ濃度が高すぎるため、共晶相の体積率が25％と過剰になってしまった。その結果、導電率が規定範囲（80％ＩＡＣＳ以上）未満の72％ＩＡＣＳに低下した。また、伸びも1.0％とやや低かった。

本発明の好適一実施の形態に係る極細銅合金線の製造方法のフローを示す図である。本発明の他の好適一実施の形態に係る極細銅合金線の製造方法のフローを示す図である。

符号の説明

１０銅合金溶湯
１１高純度Ｃｕ（銅母材）
１２Ａｇ
２０鋳造体
２１伸線材
３０極細銅合金線

Claims

最終線径が０．０５ｍｍ以下であり、かつ線材の全体積に占めるＣｕとＡｇの共晶相の体積割合が３〜２０％の銅合金で構成され、引張強度が８００ＭＰａ以上、導電率が８０％ＩＡＣＳ以上である極細銅合金線を製造する方法であって、不純物濃度の総和が１０ｐｐｍ以下である銅母材にＡｇを１．０〜３．５ｗｔ％の割合で含有させた銅合金溶湯を鋳型内に注湯して鋳造を行い、注湯後の未凝固の銅合金溶湯を４００〜５００℃未満／ｍｉｎの冷却速度で冷却して鋳造体を形成し、その鋳造体に縮径加工として冷間加工を施すと共に、その冷間加工後の伸線材に再結晶処理を施すことを特徴とする極細銅合金線の製造方法。
上記再結晶処理として、３００〜５５０℃×０．５〜２０時間の熱処理を行う請求項１記載の極細銅合金線の製造方法。
上記再結晶処理として、６００〜９００℃×５〜１２０秒間の熱処理を行う請求項１記載の極細銅合金線の製造方法。
上記再結晶処理後の伸線材に、Ａｇめっき処理を施す請求項１〜３記載の極細銅合金線の製造方法。