CN109155208B - 电触点用的覆层材料和该覆层材料的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电触点用的覆层材料，其是在由Cu系的析出型时效硬化材料构成的基材上接合由Ag合金构成的触点材料而成的电触点用的覆层材料，其特征在于，所述触点材料与所述基材的接合界面的、含有Ag和Cu的扩散区域的宽度为2.0μm以下。该覆层材料通过将预先进行了固溶处理和时效硬化的基材与触点材料接合来制造，由此抑制接合后扩散区域扩大。根据本发明，可以在不损害Cu系析出型时效硬化材料所具有的特性的情况下得到实现高导电率的电触点。

Description

电触点用的覆层材料和该覆层材料的制造方法

技术领域

本发明涉及在由时效析出型的Cu合金构成的基材上接合由Ag合金构成的触点材料而成的电触点用的覆层材料及其制造方法。

背景技术

作为搭载于各种电气/电子设备的、开闭断路器或开闭开关等中使用的开闭触点、以及电动机或滑动开关等中使用的滑动触点，以往已知具有覆层结构的触点材料(以下，关于开闭触点和滑动触点，有时称为“电触点”作为它们的统称。)。

电触点用的覆层材料由作为发生与电极的接触和分离的反复或者与电极的间歇性滑动的接触部的触点材料以及支撑该触点材料的基材构成。对于作为接触部的触点材料，要求高耐磨损性和高导电性这两者，大多为由Ag或Ag合金构成的Ag系材料的应用例。

另一方面，对于基材而言，除了导电性以外，还要求应抑制在电触点工作时受到的压力所导致的破损的高强度、高弹性。这是因为：电触点用的覆层材料的强度和耐久性大多由基材的强度、弹性而赋予特征。因此，作为用于改良电触点用的覆层材料的强度等的对策，已知应用析出型时效硬化材料作为基材的材质。关于作为基材有用的析出型时效硬化材料，可以列举Cu系的析出型时效硬化型合金。例如，已知被称为科森合金的Cu-Ni-Si系合金以往作为高强度且高导电的合金材料而用作电子部件用材料(专利文献1)。

在此，制造电触点用的覆层材料时，需要将触点材料与基材接合的工序和将接合后的覆层材料加工成目标形状和尺寸的工序。并且，在应用析出型时效硬化材料作为基材的情况下，除了这些工序以外，需要还考虑用于时效硬化材料的时效硬化的热处理工序。

图3是对以析出型时效硬化材料作为基材的覆层材料的制造工序进行概略说明的图。如图3所示，在现有工序中，将时效硬化前的基材与作为接触部的触点材料(Ag系合金)压接后，进行基材的固溶处理和时效硬化热处理，加工成目标形状。需要说明的是，在该最终加工前有时再次进行时效硬化热处理。并且，通过以上工序，基材成为以Cu合金作为母相(基质)并且分散有与添加元素对应的组成的析出相的时效硬化材料。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平3-162553号公报

发明内容

发明所要解决的问题

以往已知的以析出型时效硬化材料作为基材的电触点用的覆层材料被认为能够应对要求导电性和强度的协调的各种用途。但是，也存在改善的余地，特别是需要改善导电性。

电触点用的覆层材料的导电性提高的倾向由于具备电触点的各种设备的小型化、高性能化等而加速。例如，由于智能手机等小型设备的增加，需要用于应对它们中所使用的开闭断路器等的高容量化的导电性提高。另外，在电动机的领域中，大多也需要微型电动机的小型化、高容量化，需要提高导电性。如此，对于电触点(开闭触点和滑动触点)用的覆层材料而言，要求导电率也要改善。并且，关于与强度的关系，要求以维持作为基材的析出型时效硬化材料的特性为前提而制成高导电率且高强度的覆层材料。

本发明是基于上述背景而完成的，其目的在于提供针对以Cu系的析出型时效硬化材料为基材且接合有Ag合金作为触点材料的电触点用的覆层材料能够在发挥高强度的同时实现高导电率的电触点用的覆层材料及其制造方法。

用于解决问题的方法

本发明人针对以析出型时效硬化材料为基材的电触点用覆层材料再次研究了可能影响其导电特性的因素。其结果发现，在现有的覆层材料中，由于其制造时的热历程而在触点材料与基材的接合界面存在混合存在有双方的构成元素的扩散区域。并且，对该扩散区域进行详细研究，结果发现，其对覆层材料整体的导电特性带来影响。

在本发明中，作为触点材料的Ag合金和作为基材的Cu系的析出型时效硬化材料均通过维持规定的组成和构成来发挥导电特性。即，触点材料通过以Ag作为必要成分并且添加适当的添加元素而在导电性的基础上附带有耐磨损性等。另一方面，作为基材的析出型时效硬化材料也是通过利用适当的热处理(固溶处理和时效热处理)产生析出相而使母相为Cu合金，由此实现高导电率。

对于这些触点材料和基材，在两者的接合界面形成的扩散区域具有触点材料的构成元素和基材的构成元素混合存在的组成。该扩散区域的组成与针对导电性为最佳考虑的触点材料的组成不同。因此，可以推测出扩散区域不是导电性良好的区域的可能性高。并且，这样的导电性差的区域阻碍触点材料与基材的导通，因此应被限制。

在此，对于形成扩散区域的原因进行考察，原因在于在覆层材料制造过程中被输入到接合界面的热历程。如图3所示，现有的覆层材料的制造工序中，在将触点材料与基材接合后进行固溶处理和时效热处理，形成具有析出硬化作用的材料组织。对于这些热处理，特别是对于Cu系的析出型时效硬化材料的固溶处理有时也需要700℃以上的高温加热。因此认为，扩散区域因固溶处理或时效热处理的热而生成或扩大。

因此，本发明人在进行电触点用的覆层材料的制造工序的重新评估的同时对上述扩散区域与覆层材料的导电率的关系详细地进行了研究，发现了限制扩散区域的制造方法，并且通过设定扩散区域的适当的范围而能够实现高导电率，从而想到了本发明。

解决上述问题的本发明是一种电触点用的覆层材料，其是在由Cu系的析出型时效硬化材料构成的基材上接合由Ag合金构成的触点材料而成的电触点用的覆层材料，其特征在于，上述触点材料与上述基材的接合界面的、含有Ag和Cu的扩散区域的宽度为2.0μm以下。

对本发明更详细地进行说明。如上所述，本发明是由触点材料和基材构成的覆层材料，所述触点材料由Ag合金构成，所述基材由Cu系的析出型时效硬化材料构成。在以下的说明中，在对触点材料和基材的各构成进行说明的基础上对两者之间的扩散区域进行说明。并且，对本发明的覆层材料的方式和制造方法进行说明。

(A)触点材料

作为触点材料的构成材料，考虑导电性和耐磨损性而应用Ag合金。在本发明中，Ag合金是指含有Ag(银)作为必须元素的合金，并不限定于主要成分为Ag。但是，从确保作为触点材料的导电性的观点出发，优选Ag浓度为10质量％以上且95质量％以下的Ag合金。并且，作为构成Ag合金的元素，除Ag以外，为选自由Cu、Ni、Pd、Au、Pt组成的组中的至少一种元素。

关于作为触点材料优选的Ag合金的种类，可以根据Ag浓度进行区分。具体而言，可以以Ag浓度为80％以上的Ag合金、Ag浓度为50％以上且小于80％的Ag合金、Ag浓度小于50％的Ag合金来区分。作为各Ag合金的例子，作为Ag浓度为80％以上的Ag合金，可以列举Ag-Cu-Ni系合金(Ag浓度为90质量％以上且95质量％以下)、Ag-Ni系合金(Ag浓度为80质量％以上且90质量％以下)等。另外，作为Ag浓度为50％以上且小于80％的Ag合金，可以列举Ag-Pd系合金(Ag浓度为50质量％以上且70质量％以下)等。进一步，作为Ag浓度小于50％的Ag合金，可以列举Ag-Pd-Cu系合金(Ag浓度为30质量％以上且小于50质量％)、Ag-Pd-Cu-Pt-Au系合金(Ag浓度为20质量％以上且40质量％以下)、Ag-Au-Cu-Pt系合金(Ag浓度为5质量％以上且15质量％以下)等。含有上述Cu、Ni、Pd、Au、Pt中的至少一种的Ag合金可以进一步任选地含有Zn、Sm、In等添加元素。

(B)基材

基材应用Cu系的析出型时效硬化材料。Cu系的析出型时效硬化材料是指在时效处理后Cu或Cu合金构成母相且其中分散有与添加元素相对应的析出相的材料。即，其是以Cu作为必须构成元素的析出型时效硬化材料。应用Cu系材料是因为重视作为母相的Cu或Cu合金的导电性。

关于作为基材的Cu系析出型时效硬化材料，可以应用作为高强度的Cu系析出型时效硬化材料的、Cu-Ni-Si系合金、Cu-Ni-Si-Mg系合金。这些Cu合金被称为科森系合金。此外，Cu-Be系合金(铍铜)也是适合作为基材的Cu系析出型时效硬化材料。另外，作为中强度的Cu系析出型时效硬化材料的、Cu-Fe系合金、Cu-Fe-Ni系合金、Cu-Sn-Cr-Zn系合金、Cu-Cr-Mg系合金等是适合作为基材的Cu系析出型时效硬化材料。需要说明的是，在上述合金系中，含有主要构成元素以外的微量添加元素是允许的。例如，作为科森系合金的Cu-Ni-Si系合金可含有Sn、Co、Fe、Mn等添加元素。

(C)扩散区域

本发明的电触点用覆层材料是上述触点材料与基材进行覆层而成。另外，本发明对触点材料与基材的接合界面的扩散区域的宽度(厚度)进行规定。在此，如果对接合区域的含义更详细地进行定义，在触点材料与基材的接合界面，将触点材料中的Ag浓度设为基准(100％)时，Ag浓度为95％以下且5％以上的合金区域为扩散区域。该扩散区域是由触点材料(Ag合金)的构成元素和基材(Cu系析出型时效硬化材料)的构成元素双方构成的合金层，其组成连续地发生变化。并且，电特性也不理想，导电率低。

因此，本发明对该扩散区域的宽度进行限制。扩散区域超过2.0μm时，导致覆层材料整体的导电率降低。在本发明中，可以说最优选不存在扩散区域、即扩散区域的宽度为0(零)μm。但是，即使以后述的制造工序也难以完全抑制扩散区域的生成。从现实性方面而言，通过将扩散区域的宽度的下限设定为0.1μm，能够制成本发明作为目标的高强度、高导电率的覆层材料。

需要说明的是，本发明中的扩散区域的宽度设定为平均值。接合界面的扩散区域的形状不局限于一定是平坦的，有时宽度也发生变动(当然完全恒定的情况较少)。因此，规定扩散区域的宽度时，优选采用多个部位的值的平均。作为扩散区域的测定方法的一例，可以利用EPMA(电子束微探针分析)、EDS(能量色散型X射线分析)等元素分析设备，进行接合界面附近的元素分析(线分析、映射)，跟踪Ag浓度的变化，由此能够测定扩散区域的范围。

(D)本发明的覆层材料的方式

关于本发明的覆层材料，相对于基材的触点材料的形状没有特别限定，可以为覆盖、嵌入、边缘铺设中的任意一种。在开关或断路器等开闭触点的用途中，大多为嵌入型的覆层材料，本发明能够良好地应对该形式。但是，任意一种形式都要求在全部接合界面处扩散区域的宽度处于规定内。例如，对于嵌入型的覆层材料而言，以触点材料埋入基材的状态进行接合，在触点材料的三侧存在接合界面。在本发明中，需要这三侧的接合界面的接合区域为2.0μm以下。

另外，对于本发明的覆层材料，触点材料的厚度、尺寸和基材的厚度、尺寸没有限制。它们由组装的设备尺寸、设计寿命等决定。

(E)本发明的覆层材料的机械特性和电特性

对于以上说明的本发明的电触点用的覆层材料而言，充分地发挥作为基材的Cu系的析出型时效硬化材料的特性。其结果是，本发明成为在高强度和高导电率两方面适合的电触点。本发明的覆层材料的拉伸强度和导电率优选拉伸强度为400～1200MPa、导电率为20～90％IACS。这些特性取决于覆层材料的基材的种类，因此，更具体而言，对于应用上述高强度的Cu系析出型时效硬化材料(科森系合金、铍铜系合金等)的覆层材料而言，优选拉伸强度为600～1200MPa、导电率为20～50％IACS。另外，对于应用中强度的Cu系析出型时效硬化材料(Cu-Fe系合金、Cu-Fe-Ni系合金、Cu-Sn-Cr-Zn系合金、Cu-Cr-Mg系合金等)的覆层材料而言，优选拉伸强度为400～700MPa、导电率为60～90％IACS。

(F)本发明的覆层材料的制造方法

接着，对本发明的电触点用的覆层材料的制造方法进行说明。如上所述，作为覆层材料的制造方法，包括将触点材料与基材接合的工序和将接合后的覆层材料加工成目标形状和尺寸的工序，在应用析出型时效硬化材料作为基材的情况下，进一步追加用于时效硬化的热处理工序。

另外，本发明的电触点用的覆层材料的制造方法是如下所述的电触点用的覆层材料的制造方法，其包括：将已完成时效硬化的基材与触点材料接合而制造粗覆层材料的工序；将上述粗覆层材料在以上述基材的再结晶温度为基准-200℃以上且-100℃以下的范围内进行退火热处理的工序；和对热处理后的上述粗覆层材料进行加工的工序。

该制造方法中，在与触点材料的接合前使基材的时效硬化处理完成，由已完成时效硬化的基材制造覆层材料，并对其进行加工。如此，通过在接合前进行基材的时效硬化处理，能够减少制成覆层后的热输入，能够在接合界面抑制扩散区域的扩大。

接合前的基材的时效硬化处理包括：对材料进行高温加热和骤冷而形成过饱和固溶体的固溶处理；和将其在适当的温度下进行加热而使析出相析出的时效处理。这些处理可以应用与现有方法同样的条件，进行与所应用的析出型时效硬化材料的组成相对应的处理。通常，固溶处理是将材料加热至500℃以上且900℃以下后进行骤冷。优选加热至600℃以上且800℃以下、更优选加热至600℃以上且750℃以下后进行骤冷。之后的时效处理是将过饱和固溶体加热至规定温度并进行保持。Cu系的析出型时效硬化材料的时效处理温度优选设定为400℃以上且600℃以下、更优选设定为400℃以上且500℃以下。

对于已完成时效处理的基材与触点材料的接合，也可以采用与现有的覆层材料同样的工序。通常，作为该覆层材料的接合方法，应用基于加压的压接。基材和触点材料可以一起在接合前进行与形状相对应的加工。

对于将基材与触点材料接合而得到的粗覆层材料，加工至达到规定的厚度。该加工是以轧制加工为主体。在此，在本发明中，在加工前对粗覆层材料进行退火热处理。该退火热处理的目的在于使得包含已完成时效硬化的基材的粗覆层材料的加工变得容易。该退火热处理在以作为基材的时效硬化材料的再结晶温度为基准-200℃以上且-100℃以下的范围内的条件下进行。要求严格的管理。过度的热处理会使基材的时效硬化组织发生变化而导致析出相消失。由此，基材的导电率降低，失去作为触点用途的适合性。另外，热处理不足时，导电率不会降低，但是，不发生材料的软化，因此不能实现确保加工性这样的热处理本来的目的。关于退火热处理的温度，更优选为以时效硬化材料的再结晶温度为基准-200℃以上且-150℃以下的范围。退火热处理的具体的热处理温度优选设定为550℃以上且600℃以下。

粗覆层材料的加工是通过轧制加工而加工至达到期望的板厚。轧制加工可以进行多次。另外，上述退火热处理针对每次轧制加工可以进行多次。进一步，也可以最终利用切割加工(狭缝加工)得到任意的宽度。通过以上的加工工序，制造本发明的电触点用的覆层材料。

发明效果

如上所说明的那样，本发明的电触点用的覆层材料在其制造工序中在触点材料与基材的接合前完成针对基材的时效硬化处理。并且，可抑制将触点材料接合后的接合界面的扩散区域的扩大。由此，制成高强度和高导电率的覆层材料。

附图说明

图1是说明本实施方式中的电触点用覆层材料的制造工序的图。

图2是实施例1、比较例1的接合界面的SEM照片和EDS分析结果。

图3是说明现有的电触点用覆层材料的制造工序的图。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式进行说明。在本实施方式中，准备多种作为触点材料的Ag合金和作为基材的Cu系析出型时效硬化材料而制造出覆层材料(嵌入型覆层材料)。本实施方式中所使用的作为触点材料的Ag合金(表1)和作为基材的Cu系析出型时效硬化材料(表2)如下所示。在表2的基材中，B1、B2、B3、B4是高强度的Cu系析出型时效硬化材料，B5、B6、B7、B8是中强度的Cu系析出型时效硬化材料。在以下说明的第一实施方式～第三实施方式中，从这些材料适当地选择触点材料和基材来制造覆层材料，并进行评价。

第一实施方式：将该实施方式中制造的覆层材料的触点材料与基材的组合示于表3中。表3中，除了触点材料和基材的组成以外，还示出了基材的再结晶温度和在与触点材料的压接前进行的时效处理的温度条件。

[表3]

将本实施方式的覆层材料制造工序示于图1中。在本实施方式中，将表1中记载的预先进行了时效处理的带状的析出型时效硬化材料与带状的触点材料进行辊压接。然后，使压接后的带状的粗覆层材料在550℃的加热炉(还原气氛)内通过(1.0m/分钟)而进行退火热处理后，对粗覆层材料进行轧制加工，再次进行退火热处理，进行最终轧制。将最终轧制后的覆层材料(板厚0.1mm)进行狭缝加工而制成宽度18mm的带状的覆层材料(实施例1～实施例3)。

比较例1～比较例3：通过图3中说明的现有的制造工序制造覆层材料。即，将触点材料与基材进行覆层接合后，进行固溶处理和时效热处理，从而制造出电触点用的覆层材料。这些比较例中的固溶处理和时效处理的条件与表1的各实施例同样。另外，其它处理条件也与本实施方式同样。

对于按照以上方式制造的实施例、比较例的覆层材料，进行EDS分析(分析仪器：使用日本电子株式会社制造的JSM-7100E、检测器：使用OXFORD制造的X-ACT)。关于分析，将试验片埋入树脂中制作出使截面露出的试样，进行SEM观察(4000倍)，并且利用EDS对触点材料与基材的边界部进行线分析(加速电压15kV)。然后，基于该线分析的结果测定扩散区域的宽度。该测定中，以触点材料的端部附近(表面附近)的Ag计数为基准(100％)，以Ag计数为95％的点作为起点、以Ag计数为5％的点作为终点，将起点与终点的间隔判定为扩散区域。该扩散区域的宽度的测定中，任意地进行5个部位的EDS分析，并计算出它们的平均值。

另外，针对实施例、比较例的各覆层材料，为了确认导电性，进行电阻值的测定。电阻值测定利用四端子法进行。作为关于截面观察的一例，将实施例1和比较例1的接合界面附近的截面照片示于图2中。另外，将关于扩散区域的宽度和电阻值的测定结果的结果示于表4中。

[表4]

由图2的SEM照片和EDS分析结果可知，实施例1的扩散区域其宽度变窄。这在其它实施例中也是同样的，均是扩散区域的宽度为1.8μm以下。比较例均是扩散区域超过2μm，有的还产生6μm的宽的扩散区域。

另外，扩散区域的发达也会对覆层材料的导电特性带来影响。虽然也取决于触点材料和基材的种类，但确认到扩散区域发达的比较例具有电阻值增大的倾向。

第二实施方式：在该实施方式中，使用作为高强度的Cu系析出型时效硬化材料的、B1、B2、B3、B4的基材，将各种触点材料接合而制造出覆层材料。覆层材料的制造工序基本上依据第一实施方式。覆层前的基材的时效处理采用对于各材料公知的通常的处理条件。另外，关于粗覆层材料的退火热处理，设定为所应用的基材的再结晶温度的-200℃以上且-100℃以下。

然后，对于所制造的覆层材料，通过与第一实施方式同样的方法，测定扩散区域的宽度。另外，在本实施方式中，在覆层材料的特性评价中，测定强度(拉伸强度)和导电率(IACS)。拉伸强度的测定中，利用精密万能试验机(株式会社岛津制作所制造的AGS-X的装置)，将试验片的尺寸设定为长度25.0mm×宽度30mm×厚度0.1mm而进行测定。关于测定条件，以20mm/分钟的速度实施拉伸测定。另外，导电率的测定利用四端子法进行。具体而言，对试验片(宽度30mm、厚度0.1mm)的长度1000mm间进行测定(测定装置：Agilent公司制造的4338B)。关于拉伸强度和导电率的判定，考虑到所应用的基材为高强度，将拉伸强度为600MPa以上判定为合格(“○”)、将导电率20％IACS以上判定为合格(“○”)。将本实施方式中制造的覆层材料的评价结果示于表5中。

[表5]

根据表5，本实施方式中制造的电触点用覆层材料均是扩散区域的宽度小于2.0μm。并且确认到，这些覆层材料均是强度和导电率达到了合格值。

第三实施方式：在该实施方式中，使用作为中强度的Cu系析出型时效硬化材料的、B5、B6、B7、B8的基材，将各种触点材料接合而制造出覆层材料。在此，覆层材料的制造工序基本上依据第一实施方式。另外，基材的时效处理采用通常的处理条件，关于粗覆层材料的退火热处理，考虑所使用的基材的再结晶温度而设定为适当范围。

然后，针对所制造的覆层材料，通过与第一、第二实施方式同样的方法，测定扩散区域的宽度。进一步，与第二实施方式同样地对拉伸强度和导电率(IACS)进行测定和评价。在评价中，考虑到所应用的基材为中强度，将拉伸强度为400MPa以上设为合格(“○”)、将导电率60％IACS以上设为合格(“○”)。将本实施方式中制造的覆层材料的评价结果示于表6中。

[表6]

根据表6，本实施方式中制造的电触点用覆层材料也均是扩散区域的宽度小于2.0μm。并且确认到，这些覆层材料也是强度和导电率达到了合格值。

产业上的可利用性

如以上说明的那样，对于本发明的电触点用的覆层材料而言，触点材料与基材的接合界面的扩散区域的扩大得到了抑制。本发明应用析出型时效硬化材料作为基材，并限制扩散区域的宽度，由此形成在维持高强度的同时不阻碍高导电率的覆层材料。本发明在要求小型化的各种的电子/电气设备的领域中适合作为构成开闭断路器或开闭开关等中使用的开闭触点和电动机等中使用的滑动触点的触点材料。

Claims (5)

1.一种电触点用的覆层材料，其是在由Cu系的析出型时效硬化材料构成的基材上接合由Ag合金构成的触点材料而成的电触点用的覆层材料，其特征在于，

所述触点材料与所述基材的接合界面的、含有Ag和Cu的扩散区域的宽度为0.1μm以上且2.0μm以下。

2.如权利要求1所述的电触点用的覆层材料，其中，构成触点材料的Ag合金是Ag浓度为10质量％以上且95质量％以下的Ag合金，是含有选自由Ni、Pd、Cu、Au、Pt组成的组中的至少一种元素的Ag合金。

3.如权利要求2所述的电触点用的覆层材料，其中，构成触点材料的Ag合金为Ag-Cu-Ni系合金、Ag-Ni系合金、Ag-Pd系合金、Ag-Pd-Cu系合金、Ag-Pd-Cu-Pt-Au系合金、Ag-Au-Cu-Pt系合金。

4.如权利要求1～权利要求3中任一项所述的电触点用的覆层材料，其中，Cu系的析出型时效硬化材料为Cu-Ni-Si系合金、Cu-Ni-Si-Mg系合金、Cu-Be系合金、Cu-Fe系合金、Cu-Fe-Ni系合金、Cu-Sn-Cr-Zn系合金、Cu-Cr-Mg系合金。

5.一种电触点用的覆层材料的制造方法，其是权利要求1～权利要求4中任一项所述的电触点用的覆层材料的制造方法，其包括：

进行时效处理而制造由Cu系的析出型时效硬化材料构成的已完成时效硬化的基材的工序；

将所述已完成时效硬化的基材与触点材料接合而制造粗覆层材料的工序；

将所述粗覆层材料在以所述基材的再结晶温度为基准-200℃以上且-100℃以下的范围内进行退火热处理的工序；和

对热处理后的所述粗覆层材料进行加工的工序。

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