ベリリウム銅を凌駕する高強度、 高導電性を有する新規銅合金の創製 大阪府立大学 工学研究科 助教 千星 聡 1 研究概要 【新規の導電性銅合金を創りたい！】 … 本研究では、チタン銅（Cu-Ti)合金に、従来までの 熱処理プロセスと水素化プロセスを組み合せた「水素 雰囲気中での時効処理」（水素化プロセス）を採用する ことによって、これまで実現できなかった組織制御を行 い、強度と導電性とを両立した新規の導電性銅合金を 実現します。 2 研究背景 <導電性銅合金> 導電性銅合金 … 基板, リードフレーム材, コネクタ部材などに応用 導電性銅合金の要求特性 【導電性】, 【強度】, 【環境調和性】… 3 研究背景 <ベリリウム銅合金①> 各種Cu合金の強度と導電性 1600 ベリリウム銅（Cu-Be）合金 引張強度 / MPa 1400 Cu-Be Cu-Ti 1200 ◎ ◎ 高強度 高強度 1000 ◎ ◎ 高導電率 高導電率 ----- 25%IACS以上 25%IACS以上 Cu-Ni-Si 800 600 Cu-Sn Cu-Zn 400 ▲ ▲ 環境性 環境性 ----- Be：人的に有害 Be：人的に有害 Cu-Cr Cu-Zr 200 0 ----- 時効析出強化型 時効析出強化型 0 20 40 60 80 ▲ ▲ コスト コスト ----- Beが高価 Beが高価 Cu 100 Cu-Be合金に代替する 導電性材料の開発が必要！ 導電率 / %IACS * %IACS : 純銅の導電率を100％とした比率 4 研究背景 <ベリリウム銅合金②> ○ ベリリウム銅（Cu-Be）合金は高強度-高導電 率のため、広く汎用されている。 ● 一方で、 > Beに起因する毒性（アレルギー, 発癌性） > Beが希少金属 等の問題がある。 代替材料の開発が必要不可欠 5 研究背景 <チタン銅合金①> 新規導電性Cu材料の探索 各種Cu合金の強度と導電性 1600 チタン銅（Cu-Ti）合金 引張強度 / MPa 1400 Cu-Be Cu-Ti 1200 ◎ ◎ 高強度 高強度 ・引張強度：800-1150MPa ・引張強度：800-1150MPa ・バネ性, ・バネ性, 耐摩耗性 耐摩耗性 :: 良好 良好 1000 Cu-Ni-Si 800 600 Cu-Sn Cu-Zn 400 Cu-Zr 200 0 Cu-Cr 0 20 40 60 80 Cu ▲ ▲ 低導電率 低導電率 (Cu-Be合金の半分程度) (Cu-Be合金の半分程度) ◎ ◎ 環境性 環境性 ○ ○ コスト コスト ---安価 ---安価 100 導電率 / %IACS * %IACS : 純銅の導電率を100％とした比率 6 研究背景 <チタン銅合金②> ○ チタン銅（Cu-Ti）合金は高強度。 ○ 生体・社会環境に負荷の少ない元素で構成。 ● 導電率が低い ← 【問題点】 チタン銅合金の強度を維持しながら、 導電率を向上させる技術はあるのか？ 7 研究背景 <チタン銅合金③> 新規導電性Cu材料の探索 チタン銅合金の作製手順 900 溶体化処理 800 調質圧延 時効処理 時効処理 温度 / ℃ Cu-Ti 合金（Ti : 1-6 at.%） 700 600 Cu-Ti 合金の組織 500 母相 (Cu) 400 + 析出物 (Cu4Ti) 固溶Ti量： ～1.0 % Cu-Ti 状態図 300 75 導電率の低下 導電率の低下 高強度・高靱性 高強度・高靱性 80 85 90 95 100 Cu Cu 含有量 含有量 // at.% at.% 8 新技術の基となる指導原理 ★ Cu-Ti合金を高性能化させるための指針 □ 強度：従来のまま微細析出物の形成 □ 導電性：母相Cu中のTi含有量を低減 時効処理 水素の利用 □ □ 真空 真空 or or 不活性ガス雰囲気 不活性ガス雰囲気 × □ □ 300-500℃での時効処理 300-500℃での時効処理 → → 微細析出→高強度化！ 微細析出→高強度化！ □ □ 水素-Cu 水素-Cu :: 反応しない！ 反応しない！ Cu本来の特性に影響しない Cu本来の特性に影響しない □ □ 水素-Ti 水素-Ti :: 親和性が高い！ 親和性が高い！ 反応してTiH 反応してTiH22を形成 を形成 水素中での時効処理 9 新技術の基となる研究成果① 50 Cu-3at.%Ti 合金 溶体化処理 導電率, σ / % IACS 硬さと導電率 H2, 450℃ H2, 500℃ 30 ←目標値 H2, 400℃ 20 10 高強度・高導電率！ 溶体化処理材 0 250 ビッカース硬さ, Hv /- 調質圧延 時効処理 時効処理 40 導電率 H2, 400℃ 200 150 100 50 0 0.1 H2, 450℃ 硬さ 硬 H2, 500℃ 溶体化処理材 1 10 時効時間, t/ h 100 1000 10 新技術の基となる研究成果② 引張強度 / MPa 1600 1400 Cu-Be 1200 実用Cu-Ti (競合材) 1000 800 Cu-3at.%Ti 600 （従来法） 400 （水素化プロセス） 「水素の利用」 200 0 Cu-3at.%Ti 0 20 40 60 80 100 導電率 / %IACS 11 新技術の基となる研究成果③ 【水素雰囲気中で時効したチタン銅合金】 ○ 従来のチタン銅合金の強度レベルを維持 ○ 導電性 30％IACS以上 （飛躍的向上） ○ 環境性、元素戦略的に優位 12 新技術の特徴・新規性 ● 「水素」の利用 ： Cu-Ti合金に水素を積極的に利用 ● 反応性雰囲気中での時効プロセス ： 「時効析出」と「合金化（水素吸収）」とを同時進行 ① 強度と導電性を同時に向上 ： 本プロセス→「析出強化」+「固溶Ti量の低減」 ② 広範囲な導電性制御 ： 処理条件の選択により導電性を広範囲に変化 13 新技術、従来技術、競合技術の比較 引張強度 導電性 環境性 Cu-Be合金 (競合材) 1000MPa 30～40% IACS × Be: 有害 Cu-Ti合金 (従来材) 1000MPa ～18% ◎ 1000MPa 30%IACS 以上 ◎ Cu-Ti-H 合金 14 新技術の進歩性 従来のチタン銅合金からの進歩 ◆ 導電率の飛躍的向上 (最大:70% IACS) ◆ 強度と導電率のバランス (最高硬さで32% IASC) ◆ 同等の強度-導電性バランス 競合材(ベリリウム銅合金）からの進歩 ◆ 安全性の向上 ◆ 資源問題の解決 15 新技術の優位性 ① 従来材・競合材を凌駕する合金性能 … 導電性、強度、環境性の総合点で至高の材料。 ② 強度-導電性バランスを設計・制御可能 … 制御パラメータの選択により、強度-導電性のバ ランスを多様に制御可能。 ③ 実用化への迅速な展開への可能性 … 現状製造ラインを改造するのみで製造可能。 16 想定される用途・応用 電子部材/素子産業への応用 ■ Cu-Be合金の代替 ■ 電子部材の信頼・安定供給 ■ 通電・接点用銅合金以外の用途へ展開 新領域へのインパクト ◇ Cu：殺菌性 ◇ Ti, H：生体適合性 医療分野への進出 ○ 他の時効析出合金 他の材料系へ応用 17 実用化へ向けた課題 ◆ 高性能化のための基本原理・技術を確立 ① 初期合金組成、組織の影響 ② 制御因子（温度、時間、水素圧）の影響 ③ 水素化プロセスによる組織変化挙動 ◆ 実践的特性の評価, 課題の解決 … プレス加工性、溶接性、耐熱性、 耐久性など実践的特性の評価 → 企業との共同研究により解決 18 本技術に関する知的財産権 発明の名称 ：銅-チタン-水素合金 出願番号 ：特願2007-100435 出願人 ：大阪府立大学 発明者 ：千星 聡 19 お問合わせ先 大阪府立大学 工学研究科 コーディネーター： 阿 部 敏 郎 ＴＥＬ ＦＡＸ e-mail 072－254 － 9128 072－254 － 9874 abe＠iao.osakafu-u.ac.jp 20
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