DE112018002665T5

DE112018002665T5 - Geneigte Spiralfeder und Verbindungselement

Info

Publication number: DE112018002665T5
Application number: DE112018002665.5T
Authority: DE
Inventors: Takumi AKADA; Hiromu Izumida
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2017-05-25
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2020-02-27
Also published as: US11674193B2; US20200080166A1; CN110621798B; CN110621798A; JP7078042B2; JPWO2018216317A1; WO2018216317A1

Abstract

Eine geneigte Spiralfeder weist einen Kerndraht 10 auf, der aus Stahl mit einer Perlitstruktur gebildet ist; und eine Kupferplattierungsschicht 20, die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist und eine Außenumfangsfläche 11 des Kerndrahts 10 bedeckt. Der Stahl enthält 0,5 Massen-% oder mehr und 1,0 Massen-% oder weniger Kohlenstoff, 0,1 Massen-% oder mehr und 2,5 Massen-% oder weniger Silicium und 0,3 Massen-% oder mehr und 0,9 Massen-% oder weniger Mangan, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind. Die Kupferplattierungsschicht 20 weist eine Kristallitgröße von 220 ± 50 Ä auf.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine geneigte Spiralfeder („canted coil spring“) und ein Verbindungselement.
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 25. Mai 2017 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2017 - 103968 , die hierin durch Bezug in vollem Umfang aufgenommen ist.
Stand der Technik
Eine geneigte Spiralfeder, die eine Spiralfeder ist, die ein Drahtmaterial (Metalldraht) aufweist, das derart gewickelt ist, dass es in Bezug auf die Fläche senkrecht zur Axialrichtung geneigt ist, ist bekannt (siehe beispielsweise PTL 1). Eine geneigte Spiralfeder ist einer im Wesentlichen konstanten Federbelastung gegen eine Verschiebung in einem bestimmten Bereich in der Richtung senkrecht zur Axialrichtung ausgesetzt (d. h. geneigte Spiralfedern weisen Nichtlinearität auf). Eine geneigte Spiralfeder aus einem elektrisch leitfähigen Material kann beispielsweise als Bestandteil eines Verbindungselements verwendet werden. Beispielsweise kann eine Zirkonium-Kupfer-Legierung als Material der geneigten Spiralfeder verwendet werden.
Zitatliste
Patentliteratur
PTL 1: Ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 4-107331
Zusammenfassung der Erfindung
Eine geneigte Spiralfeder gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Kerndraht auf, der aus Stahl mit einer Perlitstruktur gebildet ist; und eine Kupferplattierungsschicht, die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist und eine Außenumfangsfläche des Kerndrahts bedeckt. Der Stahl enthält 0,5 Massen-% oder mehr und 1,0 Massen-% oder weniger Kohlenstoff, 0,1 Massen-% oder mehr und 2,5 Massen-% oder weniger Silicium und 0,3 Massen-% oder mehr und 0,9 Massen-% oder weniger Mangan, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind. Die Kupferplattierungsschicht weist eine Kristallitgröße von 220 ± 50 Ä auf.
Figurenliste

[1] 1 ist eine schematische Ansicht, die die Struktur einer geneigten Spiralfeder darstellt.
[2] 2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die den Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung eines Drahtmaterials darstellt, das die geneigte Spiralfeder bildet.
[3] 3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Struktur eines Grenzbereichs zwischen der Kupferplattierungsschicht und der harten Schicht darstellt.
[4] 4 ist ein Flussdiagramm, das die Übersicht eines Verfahrens zum Herstellen einer geneigten Spiralfeder darstellt.
[5] 5 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Beschreibung des Verfahrens zum Herstellen einer geneigten Spiralfeder.
[6] 6 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Beschreibung des Verfahrens zum Herstellen einer geneigten Spiralfeder.
[7] 7 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Struktur eines Verbindungselements darstellt.
[8] 8 zeigt die Ergebnisse des Setzbeständigkeitstests.
[9] 9 zeigt den Zusammenhang zwischen der Kristallitgröße und der Leitfähigkeit für eine ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 50%.
[10] 10 zeigt den Zusammenhang zwischen der Kristallitgröße und der Leitfähigkeit für eine ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 25%.
[11] 11 zeigt den Zusammenhang zwischen der Wärmebehandlungstemperatur und der Leitfähigkeit für eine ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 50%.
[12] 12 zeigt den Zusammenhang zwischen der Wärmebehandlungstemperatur und der Leitfähigkeit für eine ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 25%.
[13] 13 zeigt den Zusammenhang zwischen der Gitterdeformation und der Leitfähigkeit für eine ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 50%.
[14] 14 zeigt den Zusammenhang zwischen der Gitterdeformation und der Leitfähigkeit für eine ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 25%.
[15] 15 zeigt den Zusammenhang zwischen der Härte und der Leitfähigkeit für eine ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 50%.
[16] 16 zeigt den Zusammenhang zwischen der Härte und der Leitfähigkeit für eine ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 25%.
[17] 17 zeigt den Zusammenhang zwischen der Belastung und dem Widerstand für eine ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 50%.
[18] 18 zeigt den Zusammenhang zwischen der Belastung und dem Widerstand für eine ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 25%.

Beschreibung der Ausführungsformen
[Durch die vorliegende Offenbarung zu lösende Probleme]
Eine geneigte Spiralfeder, die als Bestandteil eines Verbindungselements verwendet wird, muss sowohl Setzbeständigkeit als auch Leitfähigkeit aufweisen. Wenn eine Zirkonium-Kupfer-Legierung als Material einer geneigten Spiralfeder verwendet wird, kann die geneigte Spiralfeder eine solche Anforderung möglicherweise nicht erfüllen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine geneigte Spiralfeder bereitzustellen, die sowohl Setzbeständigkeit als auch Leitfähigkeit aufweist, sowie ein Verbindungselement bereitzustellen, das die geneigte Spiralfeder umfasst.
[Vorteilhafte Effekte der vorliegenden Offenbarung]
Die geneigte Spiralfeder weist sowohl Setzbeständigkeit als auch Leitfähigkeit auf.
[Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung]
Zuerst werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben. Eine geneigte Spiralfeder gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist einen Kerndraht auf, der aus Stahl mit einer Perlitstruktur gebildet ist; und eine Kupferplattierungsschicht, die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist und eine Außenumfangsfläche des Kerndrahts bedeckt. Der Stahl enthält 0,5 Massen-% oder mehr und 1,0 Massen-% oder weniger Kohlenstoff, 0,1 Massen-% oder mehr und 2,5 Massen-% oder weniger Silicium und 0,3 Massen-% oder mehr und 0,9 Massen-% oder weniger Mangan, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind. Die Kupferplattierungsschicht weist eine Kristallitgröße von 220 ± 50 Ä (22 ± 50 nm) auf.
Die geneigte Spiralfeder gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist einen hochfesten Kerndraht auf, der aus Stahl mit einer Perlitstruktur und einer geeigneten Zusammensetzung gebildet ist. Diese Ausgestaltung kann eine hohe Setzbeständigkeit gewährleisten. Die Außenumfangsfläche des Kerndrahts ist mit einer Kupferplattierungsschicht bedeckt, die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist. Die Kupferplattierungsschicht weist eine Kristallitgröße von 220 ± 50 Ä auf.
Gemäß den von den Erfindern der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen ist die Leitfähigkeit nicht hoch genug, wenn die Kupferplattierungsschicht eine Kristallitgröße von weniger als 170 Ä aufweist. Damit eine Kupferplattierungsschicht mit einer Kristallitgröße von weniger als 170 Ä erhalten wird, darf die Temperatur der Wärmebehandlung zum Entlasten der Spannung, die in dem Schritt des Wickelns eines Federdrahtmaterials (Wickelschritt) eingeführt wird, nicht ausreichend erhöht werden. Somit verbleibt eine große Spannung in der geneigten Spiralfeder und der Widerstand wird nicht ausreichend verringert, selbst wenn die Belastung, unter der die geneigte Spiralfeder gegen die Anschlussstücke gedrückt wird, erhöht wird. Wenn die Kupferplattierungsschicht eine Kristallitgröße von mehr als 270 Ä aufweist, ist die Leitfähigkeit nicht hoch genug. Um eine Kupferplattierungsschicht mit einer Kristallitgröße von mehr als 270 Ä zu erhalten, muss die Temperatur der Wärmebehandlung hoch sein, und die Oxidation der Oberfläche und die Diffusion des Eisens vom Kerndraht zur Kupferplattierungsschicht führen zu einer niedrigen Leitfähigkeit. Zudem wird der Widerstand aufgrund einer Verringerung der Härte erhöht, wenn die geneigte Spiralfeder unter einer vorgegebenen Belastung gegen die Anschlussstücke gedrückt wird. Wenn die Kupferplattierungsschicht eine Kristallitgröße von 170 Ä oder mehr und 270 Ä oder weniger aufweist, ist die Leitfähigkeit hoch genug.
Wie oben beschrieben, weist die geneigte Spiralfeder der vorliegenden Erfindung, die ein hochfestes Drahtmaterial aus Stahl umfasst und eine Kupferplattierungsschicht mit einer Kristallitgröße von 220 ± 50 Ä aufweist, sowohl Setzbeständigkeit als auch Leitfähigkeit auf.
In der geneigten Spiralfeder kann die Kupferplattierungsschicht eine Gitterdeformation von -0,085 ± 0,015% aufweisen. Wenn die Kupferplattierungsschicht eine Gitterdeformation in diesem Bereich aufweist, ist es einfach, hohe Leitfähigkeit sicherzustellen.
In der geneigten Spiralfeder kann die Kupferplattierungsschicht eine Härte von 75 HV oder mehr und 130 HV oder weniger aufweisen. Wenn die Kupferplattierungsschicht eine Härte in diesem Bereich aufweist, ist es einfach, hohe Leitfähigkeit sicherzustellen.
In der geneigten Spiralfeder kann der Stahl ferner ein oder mehrere Elemente enthalten, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus 0,1 Massen-% oder mehr und 0,4 Massen-% oder weniger Nickel, 0,1 Massen-% oder mehr und 1,8 Massen-% oder weniger Chrom, 0,1 Massen-% oder mehr und 0,4 Massen-% oder weniger Molybdän und 0,05 Massen-% oder mehr und 0,3 Massen-% oder weniger Vanadium. Selbst wenn ein aus Stahl mit einer solchen Zusammensetzung gebildeter Kerndraht verwendet wird, können sowohl Setzbeständigkeit als auch Leitfähigkeit erhalten werden.
Die Gründe für das Einschränken der Zusammensetzung des Stahls, der den Kerndraht bildet, auf den obigen Bereich werden beschrieben.
Kohlenstoff (C): 0,5 Massen-% oder mehr und 1,0 Massen-% oder weniger
Kohlenstoff ist ein Element, das eine beträchtliche Wirkung auf die Festigkeit und die Elastizitätsgrenze von Stahl mit einer Perlitstruktur hat. Um eine Festigkeit und eine Elastizitätsgrenze zu erhalten, die für einen Kerndraht aus einem Drahtmaterial für eine geneigte Spiralfeder ausreichend ist, muss der Kohlenstoffgehalt 0,5 Massen-% oder mehr betragen. Ein hoher Kohlenstoffgehalt führt zu einer geringen Zähigkeit und kann die Verarbeitung erschweren. Um eine ausreichende Zähigkeit sicherzustellen, muss der Kohlenstoffgehalt 1,0 Massen-% oder weniger betragen. Um die Festigkeit und die Elastizitätsgrenze weiter zu verbessern, beträgt der Kohlenstoffgehalt vorzugsweise 0,6 Massen-% oder mehr und bevorzugter 0,8 Massen-% oder mehr. Um die Zähigkeit zur Erleichterung der Verarbeitung zu verbessern, beträgt der Kohlenstoffgehalt vorzugsweise 0,95 Massen-% oder weniger.
Silicium (Si): 0,1 Massen-% oder mehr und 2,5 Massen-% oder weniger
Silicium ist ein Element, das als Desoxidationsmittel bei der Stahlveredelung zugesetzt wird. Um als Desoxidationsmittel zu wirken, muss der Siliciumgehalt 0,1 Massen-% oder mehr betragen und beträgt vorzugsweise 0,12 Massen-% oder mehr. Silicium wirkt als Carbid-erzeugendes Element im Stahl und unterdrückt durch Erwärmen verursachtes Erweichen (weist Erweichungsbeständigkeit auf). Um ein Erweichen in der spannungsentlastenden Wärmebehandlung nach dem Aufwickeln des Drahtmaterials zu verhindern, beträgt der Siliciumgehalt vorzugsweise 0,8 Massen-% oder mehr und kann 1,8 Massen-% oder mehr betragen. Die Zugabe eines Überschusses an Silicium verschlechtert die Zähigkeit. Um eine ausreichende Zähigkeit sicherzustellen, muss der Siliciumgehalt 2,5 Massen-% oder weniger, vorzugsweise 2,3 Massen-% oder weniger betragen oder kann 2,2 Massen-% oder weniger betragen. Wenn Zähigkeit als wichtig angesehen wird, kann der Siliciumgehalt 1,0 Massen-% oder weniger betragen.
Mangan (Mn): 0,3 Massen-% oder mehr und 0,9 Massen-% oder weniger
Mangan ist wie Silicium ein Element, das als Desoxidationsmittel bei der Stahlveredelung zugesetzt wird. Um als Desoxidationsmittel zu wirken, muss der Mangangehalt 0,3 Massen-% oder mehr betragen.
Die Zugabe eines Überschusses an Mangan verschlechtert die Zähigkeit und die Verarbeitbarkeit bei der Warmbearbeitung. Daher muss der Mangangehalt 0,9 Massen-% oder weniger betragen.
Unvermeidbare Verunreinigungen
Bei der Herstellung des Kerndrahts wird der Stahl, aus dem der Kerndraht besteht, zwangsläufig mit Phosphor (P) und Schwefel (S) verunreinigt. Das Vorhandensein eines Überschusses an Phosphor und eines Überschusses an Schwefel führt zu einer Seigerung der Korngrenzen oder erzeugt Einschlüsse, was die Eigenschaften des Stahls verschlechtert. Daher betragen sowohl der Phosphorgehalt als auch der Schwefelgehalt vorzugsweise 0,025 Massen-% oder weniger. Die Gesamtmenge an unvermeidbaren Verunreinigungen beträgt vorzugsweise 0,3 Massen-% oder weniger.
Nickel (Ni): 0,1 Massen-% oder mehr und 0,4 Massen-% oder weniger
Die Zugabe von Nickel verhindert oder verringert das Abtrennen des Drahts im Kerndrahtziehverfahren und im Drahtmaterial-Wickelverfahren. Um dies sicher zu erreichen, kann 0,1 Massen-% oder mehr Nickel zugesetzt werden. Der vorstehende Effekt durch Nickel ist gesättigt, selbst wenn mehr als 0,4 Massen-% Nickel zugesetzt werden. Die Zugabe von mehr als 0,4 Massen-% Nickel, das ein teures Element ist, erhöht die Kosten für die Herstellung des Kerndrahts. Daher beträgt die Menge an zugesetztem Nickel vorzugsweise 0,4 Massen-% oder weniger.
Chrom (Cr): 0,1 Massen-% oder mehr und 1,8 Massen-% oder weniger
Chrom wirkt als Carbid-erzeugendes Element im Stahl und trägt zur Unterdrückung von Erweichung während des Erwärmens und zur Verfeinerung der Metallstruktur bei, die aus der Bildung von Feincarbiden resultiert. Um einen solchen Effekt sicher zu bewirken, kann die Menge an zugesetztem Chrom 0,1 Massen-% oder mehr oder 0,2 Massen-% oder mehr betragen oder kann 0,5 Massen-% oder mehr betragen. Die Zugabe eines Überschusses an Chrom führt zu einer Abnahme der Zähigkeit. Daher beträgt die Menge an zugesetztem Chrom vorzugsweise 1,8 Massen-% oder weniger. Der obige Effekt, der durch die Zugabe von Chrom bewirkt wird, wird beträchtlich, wenn Chrom zusammen mit Silicium und Vanadium vorhanden ist. Daher wird Chrom vorzugsweise zusammen mit diesen Elementen zugesetzt.
Molybdän (Mo): 0,1 Massen-% oder mehr und 0,4 Massen-% oder weniger
Die Zugabe von Molybdän kann die Elastizitätsgrenze erhöhen. Um diese Wirkung sicher zu erreichen, können 0,1 Massen-% oder mehr Molybdän zugesetzt werden. Der vorstehende Effekt ist gesättigt, selbst wenn 0,4 Massen-% Molybdän zugesetzt werden. Die Zugabe von mehr als 0,4 Massen-% Molybdän, das ein teures Element ist, erhöht die Kosten für die Herstellung des Kerndrahts. Deswegen beträgt die Menge an zugesetztem Molybdän vorzugsweise 0,4 Massen-% oder weniger.
Vanadium (V): 0,05 Massen-% oder mehr und 0,3 Massen-% oder weniger
Vanadium wirkt als Carbid-erzeugendes Element im Stahl und trägt zur Unterdrückung von Erweichung während des Erwärmens und zur Verfeinerung der Metallstruktur bei, die aus der Bildung von Feincarbiden resultiert. Um einen solchen Effekt sicher zu bewirken, kann 0,05 Massen-% oder mehr Vanadium zugesetzt werden. Die Zugabe eines Überschusses an Vanadium führt zu einer Verringerung der Zähigkeit. Um eine ausreichende Zähigkeit sicherzustellen, beträgt die Menge an zugesetztem Vanadium vorzugsweise 0,3 Massen% oder weniger. Der durch die Zugabe von Vanadium bewirkte Effekt wird beträchtlich, wenn Vanadium zusammen mit Silicium und Chrom vorhanden ist. Daher wird Vanadium vorzugsweise zusammen mit diesen Elementen zugesetzt.
In der geneigten Spiralfeder kann der Siliciumgehalt des Stahls 1,35 Massen-% oder mehr und 2,3 Massen-% oder weniger betragen. Wenn der Siliciumgehalt 1,35 Massen-% oder mehr beträgt, ist es möglich, ein Erweichen in der spannungsentlastenden Wärmebehandlung zu unterdrücken. Wenn der Siliciumgehalt 2,3 Massen-% oder weniger beträgt, ist es möglich eine Verringerung der Zähigkeit zu unterdrücken.
In der geneigten Spiralfeder kann der Stahl 0,6 Massen-% oder mehr und 1,0 Massen-% oder weniger Kohlenstoff, 0,12 Massen-% oder mehr und 0,32 Massen-% oder weniger Silicium und 0,3 Massen-% oder mehr und 0,9 Massen-% oder weniger Mangan enthalten, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind.
In der geneigten Spiralfeder kann der Stahl 0,6 Massen-% oder mehr und 1,0 Massen-% oder weniger Kohlenstoff, 0,7 Massen-% oder mehr und 1,0 Massen-% oder weniger Silicium und 0,3 Massen-% oder mehr und 0,9 Massen-% oder weniger Mangan enthalten, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind.
In der geneigten Spiralfeder kann der Stahl 0,55 Massen-% oder mehr und 0,7 Massen-% oder weniger Kohlenstoff, 1,35 Massen-% oder mehr und 2,3 Massen-% oder weniger Silicium, 0,3 Massen-% oder mehr und 0,9 Massen-% oder weniger Mangan, 0,2 Massen-% oder mehr und 1,8 Massen-% oder weniger Chrom und 0,05 Massen-% oder mehr und 0,30 Massen% oder weniger Vanadium enthalten, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind.
Durch Verwenden von Stahl mit einer solchen Zusammensetzung als Stahl, der den Kerndraht bildet, kann mit größerer Sicherheit ein großer nichtlinearer Bereich erhalten werden.
Die geneigte Spiralfeder kann ferner eine harte Schicht aufweisen, die an einer Seite des Außenumfangs der Kupferplattierungsschicht angeordnet ist und eine höhere Härte als die Kupferplattierungsschicht aufweist.
Während der Verwendung der geneigten Spiralfeder wird die Spannung, die zur Außenumfangsfläche hin zunimmt, immer wieder auf die geneigte Spiralfeder ausgeübt. Gemäß den von den Erfindern der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen kann die wiederholt wirkende Spannung einen Ermüdungsbruch in der Kupferplattierungsschicht verursachen, der eine Abnahme der Leitfähigkeit bewirkt. Wenn die harte Schicht mit einer höheren Härte als die Kupferplattierungsschicht auf der Seite des Außenumfangs der Kupferplattierungsschicht angeordnet ist, d. h. auf der Seite, auf der eine größere Spannung einwirkt, ist es möglich, eine Abnahme der Leitfähigkeit aufgrund eines Ermüdungsbruchs der Kupferplattierungsschicht zu verhindern. Infolgedessen kann eine stabile Leitfähigkeit erreicht werden.
Die harte Schicht in der geneigten Spiralfeder kann eine Plattierungsschicht sein. In diesem Fall ist es einfach, die harte Schicht zu bilden.
Die harte Schicht in der geneigten Spiralfeder kann eine Nickelschicht oder eine Chromschicht sein. Das Material der harten Schicht kann Nickel oder Chrom sein, was hohe Festigkeit und hohe Leitfähigkeit aufweist. Die harte Schicht ist besonders bevorzugt eine Nickelschicht. Wenn die harte Schicht eine Nickelschicht ist, ist es einfach, eine Goldschicht oder eine Silberschicht als Plattierungsschicht auf der harten Schicht zu bilden.
Die harte Schicht in der geneigten Spiralfeder kann eine Härte von 300 HV oder mehr aufweisen. In diesem Fall kann sicherer eine stabile Leitfähigkeit erzielt werden.
Die Härte der harten Schicht in der geneigten Spiralfeder kann 50 HV oder mehr höher sein als die Härte der Kupferplattierungsschicht. In diesem Fall kann eine stabile Leitfähigkeit sicherer erzielt werden. Die Härte der harten Schicht kann gleich oder niedriger sein als die Härte des Kerndrahts.
Das Verhältnis der Dicke der harten Schicht zur Dicke der Kupferplattierungsschicht in der geneigten Spiralfeder kann 1/10 oder mehr und weniger als 1 betragen.
Wenn das Verhältnis 1/10 oder mehr beträgt, kann eine stabile Leitfähigkeit sicherer erzielt werden. Wenn das Verhältnis weniger als 1 beträgt, kann eine Verringerung der Produktionseffizienz vermieden werden. Wenn eine Plattierungsschicht als harte Schicht verwendet wird und das Verhältnis weniger als 1 beträgt, ist es möglich, eine Verringerung der Zähigkeit aufgrund eines Eindringens von Wasserstoff während der Bildung der harten Schicht zu unterdrücken. Das Verhältnis beträgt vorzugsweise 1/3 oder mehr. Das Verhältnis beträgt vorzugsweise 3/4 oder weniger.
In der geneigten Spiralfeder kann ein Legierungsbereich, der ein Metallelement, das die Kupferplattierungsschicht bildet, und ein Metallelement, das die harte Schicht bildet, enthält, zwischen der Kupferplattierungsschicht und der harten Schicht ausgebildet sein. In diesem Fall kann eine geneigte Spiralfeder erhalten werden, in der die Kupferplattierungsschicht stark mit der harten Schicht verbunden ist.
Die harte Schicht in der geneigten Spiralfeder kann eine Nickelschicht sein und der Legierungsbereich kann Kupfer und Nickel enthalten. In diesem Fall kann eine geneigte Spiralfeder erhalten werden, in der die Kupferplattierungsschicht stark mit der harten Schicht verbunden ist.
Die geneigte Spiralfeder kann eine Leitfähigkeit von 15% IACS (International Annealed Copper Standard) oder mehr (3,87 × 10⁸/Ω·m oder mehr) und 50% IACS oder weniger (1,29 × 10⁹/Ω·m oder weniger) aufweisen. In diesem Fall kann eine geneigte Spiralfeder erhalten werden, die als Bestandteil eines Verbindungselements geeignet ist.
Die geneigte Spiralfeder kann ferner eine Goldschicht, eine Silberschicht oder eine Zinnschicht aufweisen, so dass die Oberfläche der geneigten Spiralfeder umfasst ist. In diesem Fall kann der Kontaktwiderstand der geneigten Spiralfeder verringert werden, wenn es als Bestandteil eines Verbindungselements verwendet wird.
In der geneigten Spiralfeder kann die Sauerstoffkonzentration in der Grenzfläche zwischen dem Kerndraht und der Kupferplattierungsschicht 10 Massen-% oder weniger betragen. In diesem Fall kann ein großer nichtlinearer Bereich zuverlässiger erhalten werden.
Die Kupferplattierungsschicht in der geneigten Spiralfeder kann eine Dicke von 10 µm oder mehr und 65 µm oder weniger aufweisen. Wenn die Kupferplattierungsschicht eine Dicke von 10 µm oder mehr aufweist, kann problemlos eine ausreichende Leitfähigkeit erhalten werden. Wenn die Kupferplattierungsschicht eine Dicke von 65 µm oder weniger aufweist, kann problemlos eine hohe Festigkeit und eine hohe Elastizitätsgrenze erhalten werden. Infolgedessen ist es leicht, einen großen nichtlinearen Bereich zu erhalten. Die Kupferplattierungsschicht kann eine Dicke von 50 µm oder weniger aufweisen, damit ein größerer nichtlinearer Bereich erhalten wird.
Der Kerndraht in der geneigten Spiralfeder kann einen Durchmesser von 0,05 mm oder mehr und 2,0 mm oder weniger aufweisen. In diesem Fall ist es einfach, eine ausreichende Setzbeständigkeit zu erhalten.
Ein Verbindungselement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist auf: ein erstes Anschlussstück; ein zweites Anschlussstück, das von dem ersten Anschlussstück beabstandet ist; und die geneigte Spiralfeder, die zwischen dem ersten Anschlussstück und dem zweiten Anschlussstück so angeordnet ist, dass die geneigte Spiralfeder mit dem ersten Anschlussstück und dem zweiten Anschlussstück in Kontakt steht. In dem Verbindungselement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind das erste Anschlussstück und das zweite Anschlussstück über die geneigte Spiralfeder gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, die sowohl Setzbeständigkeit als auch Leitfähigkeit aufweist, elektrisch miteinander gekoppelt. In dem Verbindungselement der vorliegenden Erfindung absorbiert die geneigte Spiralfeder stabil Änderungen im Abstand zwischen dem ersten Anschlussstück und dem zweiten Anschlussstück und erzeugt eine elektrische Kopplung zwischen dem ersten Anschlussstück und dem zweiten Anschlussstück mit geringem Widerstand.
[Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung]
Als nächstes werden nachstehend Ausführungsformen einer geneigten Spiralfeder und eines Verbindungselements gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. In den folgenden Figuren werden identische oder übereinstimmende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen, und es wird keine redundante Beschreibung davon bereitgestellt.
Bezugnehmend auf 1 ist eine geneigte Spiralfeder 2 gemäß einer Ausführungsform aus einem Drahtmaterial für eine geneigte Spiralfeder 1 gemäß einer Ausführungsform gebildet. Die geneigte Spiralfeder 2 ist eine spiralförmige Feder und weist das Drahtmaterial für eine geneigte Spiralfeder so gewickelt auf, dass es in Bezug auf die Fläche senkrecht zur Axialrichtung geneigt ist. Die geneigte Spiralfeder 2 wird verwendet, um eine Belastung in der Richtung senkrecht zur Axialrichtung aufzunehmen.
Bezugnehmend auf 1 und 2 weist die geneigte Spiralfeder 2 (Drahtmaterial für eine geneigte Spiralfeder 1) gemäß der Ausführungsform einen Kerndraht 10, eine Kupferplattierungsschicht 20, eine harte Schicht 30 und eine Oberflächenschicht 40 auf. Der Kerndraht 10 ist aus Stahl mit einer Perlitstruktur gebildet. Die Kupferplattierungsschicht 20 bedeckt eine Außenumfangsfläche 11 des Kerndrahts 10 und ist so angeordnet, dass sie mit der Außenumfangsfläche 11 in Kontakt ist. Die Kupferplattierungsschicht 20 ist aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet. Die Kupferlegierung kann beispielsweise eine Kupferlegierung mit mindestens einem Metall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Zink, Zinn, Phosphor und Eisen, sein. Die Kupferplattierungsschicht 20 weist eine Kristallitgröße von 220 ± 50 Ä auf.
Die harte Schicht 30 ist auf der Seite des Außenumfangs der Kupferplattierungsschicht 20 angeordnet. Die harte Schicht 30 ist so angeordnet, dass sie in Kontakt mit einer Außenumfangsfläche 21 der Kupferplattierungsschicht 20 ist, so dass sie die Außenumfangsfläche 21 bedeckt. Die Härte der harten Schicht 30 ist höher als die Härte der Kupferplattierungsschicht 20.
Die Oberflächenschicht 40 ist auf der Seite des Außenumfangs der harten Schicht 30 angeordnet. Die Oberflächenschicht 40 ist so angeordnet, dass sie mit der Außenumfangsfläche 31 der harten Schicht 30 in Kontakt ist, so dass sie die Außenumfangsfläche 31 bedeckt. Die Oberflächenschicht 40 ist so angeordnet, dass sie die Außenumfangsfläche des Drahtmaterials für eine geneigte Spiralfeder 1 umfasst. In anderen Worten ist die Oberflächenschicht 40 auf der äußersten Schicht des Drahtmaterials für eine geneigte Spiralfeder 1 angeordnet. Die Oberflächenschicht 40 ist eine Goldschicht, eine Silberschicht oder eine Zinnschicht. Das Drahtmaterial für eine geneigte Spiralfeder 1 weist senkrecht zur Längsrichtung einen kreisförmigen Querschnitt auf.
Der Stahl, der den Kerndraht 10 bildet, enthält 0,5 Massen-% oder mehr und 1,0 Massen-% oder weniger Kohlenstoff, 0,1 Massen-% oder mehr und 2,5 Massen-% oder weniger Silicium und 0,3 Massen-% der mehr und 0,9 Massen% oder weniger Mangan, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind.
Bezugnehmend auf 3 ist ein Legierungsbereich 50 zwischen der Kupferplattierungsschicht 20 und der harten Schicht 30 gebildet. Der Legierungsbereich 50 enthält ein Metallelement, das die Kupferplattierungsschicht 20 bildet, und ein Metallelement, das die harte Schicht 30 bildet. Der Legierungsbereich 50 ist in der Grenzfläche zwischen der Kupferplattierungsschicht 20 und der harten Schicht 30 gebildet. In anderen Worten sind die Kupferplattierungsschicht 20 und die harte Schicht 30 angeordnet, dass sie so miteinander in Kontakt sind, dass der Legierungsbereich in der Grenzfläche zwischen der Kupferplattierungsschicht 20 und der harten Schicht 30 gebildet ist.
Die geneigte Springfeder 2 gemäß der Ausführungsform weist den Kerndraht 10 auf. Der Kerndraht 10 ist aus Stahl mit einer Perlitstruktur und einer geeigneten Zusammensetzung gebildet und weist hohe Festigkeit auf. Diese Ausgestaltung kann eine hohe Setzbeständigkeit gewährleisten. Die Außenumfangsfläche 11 des Kerndrahts 10 ist mit der Kupferplattierungsschicht 20, die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist, bedeckt. Die Kupferplattierungsschicht 20 weist eine Kristallitgröße von 220 ± 50 Å auf. Wenn die Kupferplattierungsschicht 20 eine Kristallitgröße von 220 ± 50 Ä aufweist, ist die Leitfähigkeit hoch genug. Als Ergebnis weist die geneigte Spiralfeder 2 gemäß der Ausführungsform sowohl Setzbeständigkeit als auch Leitfähigkeit auf.
Die harte Schicht 30 in der geneigten Spiralfeder 2 gemäß der Ausführungsform ist auf der Seite des Außenumfangs der Kupferplattierungsschicht 20 angeordnet. Es ist nicht notwendig, die harte Schicht 30 zu bilden, jedoch kann das Vorhandensein der harten Schicht 30 eine Verringerung der Leitfähigkeit aufgrund eines Ermüdungsbruchs der Kupferplattierungsschicht 20 unterdrücken, so dass eine stabile Leitfähigkeit bereitgestellt wird.
Der Legierungsbereich 50 in der geneigten Spiralfeder 2 gemäß der Ausführungsform ist zwischen der Kupferplattierungsschicht 20 und der harten Schicht 30 gebildet. Es ist nicht notwendig, den Legierungsbereich 50 zu bilden, das Vorhandensein der Legierungsbereich 50 ermöglicht jedoch, dass die Kupferplattierungsschicht 20 und die harte Schicht 30 stark miteinander verbunden sind.
Die Oberflächenschicht 40 ist auf der harten Schicht 30 der geneigten Spiralfeder 2 gemäß der Ausführungsform angeordnet, so dass sie die Außenumfangsfläche des Drahtmaterials für eine geneigte Spiralfeder 1, das die geneigte Spiralfeder 2 bildet, umfasst. Es ist nicht notwendig, die Oberflächenschicht 40 zu bilden, das Vorhandensein der Oberflächenschicht 40 kann jedoch den Kontaktwiderstand der geneigten Spiralfeder 2 verringern, wenn die geneigte Spiralfeder 2 als Kontaktelement (ein Bestandteil eines Verbindungselements) verwendet wird.
Die Kupferplattierungsschicht 20 in der geneigten Spiralfeder 2 weist vorzugsweise eine Gitterdeformation von -0,085 ± 0,015% auf. Mit dieser Gitterdeformation kann eine hohe Leitfähigkeit gewährleistet werden.
Die Kupferplattierungsschicht 20 in der geneigten Spiralfeder 2 weist vorzugsweise eine Härte von 75 HV oder mehr und 130 HV oder weniger auf. Mit dieser Härte kann eine hohe Leitfähigkeit gewährleistet werden. Die Kupferplattierungsschicht 20 weist bevorzugter eine Härte von 90 HV oder mehr und 110 HV oder weniger auf.
Der Stahl, der den Kerndraht 10 bildet, kann ferner ein oder mehrere Elemente enthalten, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus 0,1 Massen-% oder mehr und 0,4 Massen-% oder weniger Nickel, 0,1 Massen-% oder mehr und 1,8 Massen-% oder weniger Chrom, 0,1 Massen-% oder mehr und 0,4 Massen-% oder weniger Molybdän und 0,05 Massen-% oder mehr und 0,3 Massen-% oder weniger Vanadium. Auch wenn der Kerndraht 10, der aus Stahl mit dieser Zusammensetzung gebildet ist, verwendet wird, kann sowohl Setzbeständigkeit als auch Leitfähigkeit erhalten werden.
Der Siliciumgehalt des Stahls, der den Kerndraht 10 bildet, kann 1,35 Massen-% oder mehr und 2,3 Massen-% oder mehr betragen. Wenn der Siliciumgehalt 1,35 Massen-% oder mehr beträgt, ist es möglich, das Erweichen bei der spannungsentlastenden Wärmebehandlung zu verhindern. Wenn der Siliciumgehalt 2,3 Massen-% oder weniger beträgt, ist es möglich, eine Verringerung der Zähigkeit zu verhindern.
Der Stahl, der den Kerndraht 10 bildet, kann 0,6 Massen-% oder mehr und 1,0 Massen-% oder weniger Kohlenstoff, 0,12 Massen-% oder mehr und 0,32 Massen-% oder weniger Silicium und 0,3 Massen-% oder mehr und 0,9 Massen% oder weniger Mangan enthalten, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind.
Der Stahl, der den Kerndraht 10 bildet, kann 0,6 Massen-% oder mehr und 1,0 Massen-% oder weniger Kohlenstoff, 0,7 Massen-% oder mehr und 1,0 Massen-% oder weniger Silicium und 0,3 Massen-% oder mehr und 0,9 Massen% oder weniger Mangan enthalten, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind.
Der Stahl, der den Kerndraht 10 bildet, kann 0,55 Massen-% oder mehr und 0,7 Massen-% oder weniger Kohlenstoff, 1,35 Massen-% oder mehr und 2,3 Massen-% oder weniger Silicium, 0,3 Massen-% oder mehr und 0,9 Massen-% oder weniger Mangan, 0,2 Massen-% oder mehr und 1,8 Massen-% oder weniger Chrom und 0,05 Massen-% oder mehr und 0,30 Massen-% oder weniger Vanadium enthalten, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind.
Durch Verwendung von Stahl mit einer solchen Zusammensetzung als Stahl, der den Kerndraht 10 bildet, kann ein großer nichtlinearer Bereich zuverlässiger erhalten werden.
Die Sauerstoffkonzentration in der Grenzfläche zwischen dem Kerndraht 10 und der Kupferplattierungsschicht 20 beträgt vorzugsweise 10 Massen-% oder weniger. Mit dieser Sauerstoffkonzentration kann ein großer nichtlinearer Bereich zuverlässiger erhalten werden. Die Sauerstoffkonzentration in der Grenzfläche zwischen dem Kerndraht 10 und der Kupferplattierungsschicht 20 kann beispielsweise durch Durchführen einer quantitativen Analyse mittels EDS (energiedispersive Röntgenspektroskopie) auf einem quadratischen Bereich, mit 300 µm auf jeder Seite, des Querschnitts, der die Grenzfläche zwischen dem Kerndraht 10 und der Kupferplattierungsschicht 20 aufweist, bestimmt werden, wobei sich der Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung des Drahtmaterials der geneigten Spiralfeder 1 befindet.
Die harte Schicht 30 weist vorzugsweise eine Härte von 300 HV oder mehr auf. Mit dieser Härte kann zuverlässiger eine stabile Leitfähigkeit erreicht werden. Die Härte der harten Schicht 30 beträgt vorzugsweise 50 HV oder mehr höher als die Härte der Kupferplattierungsschicht 20. In diesem Fall kann zuverlässiger eine stabile Leitfähigkeit erreicht werden. Die Härte der harten Schicht 30 kann gleich oder niedriger sein als die Härte des Kerndrahts 10. Die Härte (Vickers Härte) kann unter den Bedingungen einer Belastung von 50 g und einer Retentionszeit von 10 Sekunden bestimmt werden. Die harte Schicht 30 kann eine Dicke von beispielsweise 1 µm oder mehr und 50 µm oder weniger aufweisen.
Das Verhältnis der Dicke der harten Schicht 30 zur Dicke der Kupferplattierungsschicht 20 beträgt vorzugsweise 1/10 oder mehr und weniger als 1. Wenn das Verhältnis 1/10 oder mehr beträgt, kann zuverlässiger eine stabile Leitfähigkeit erreicht werden. Wenn das Verhältnis weniger als 1 beträgt, kann eine Verringerung der Produktionseffizienz verhindert werden.
Die harte Schicht 30 ist vorzugsweise eine Plattierungsschicht. In diesem Fall ist es einfach, die harte Schicht 30 zu bilden.
Die harte Schicht 30 ist vorzugsweise eine Nickelschicht oder eine Chromschicht. Das Material der harten Schicht 30 ist vorzugsweise Nickel oder Chrom, das hohe Festigkeit und hohe Leitfähigkeit aufweist.
Die harte Schicht 30 ist besonders bevorzugt eine Nickelschicht. Es ist einfach, die Nickelschicht oder die Chromschicht durch Plattieren zu bilden. In anderen Worten kann die harte Schicht 30 eine Nickelplattierungsschicht oder eine Chromplattierungsschicht sein.
Die geneigte Spiralfeder 2 weist vorzugsweise eine Leitfähigkeit von 15% IACS oder mehr und 50% IACS oder weniger auf. Die geneigte Spiralfeder 2 mit einer Leitfähigkeit in diesem Bereich ist geeignet für ein Kontaktelement.
Wenn die harte Schicht 30 eine Nickelschicht ist, enthält der Legierungsbereich 50 vorzugsweise Kupfer und Nickel. Wenn die harte Schicht 30 eine Nickelschicht ist, ist der Legierungsbereich 50 vorzugsweise ein Cu-Ni-Legierungsbereich. In diesem Fall sind die Kupferplattierungsschicht 20 und die harte Schicht 30 stark miteinander verbunden.
Die Kupferplattierungsschicht 20 weist vorzugsweise eine Dicke von 10 µm oder mehr und 65 µm oder weniger auf. Wenn die Kupferplattierungsschicht 20 eine Dicke von 10 µm oder mehr aufweist, kann problemlos eine ausreichende Leitfähigkeit erhalten werden. Wenn die Kupferplattierungsschicht 20 eine Dicke von 65 µm oder weniger aufweist, ist es einfach hohe Festigkeit und eine hohe Elastizitätsgrenze zu erhalten. Als Ergebnis kann ein großer nichtlinearer Bereich problemlos erhalten werden.
Der Kerndraht 10 weist vorzugsweise einen Durchmesser von 0,05 mm oder mehr und 2,0 mm oder weniger auf.
Als nächstes wird ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung der geneigten Spiralfeder 2 beschrieben. Bezugnehmend auf 4 wird in dem Verfahren zur Herstellung der geneigten Spiralfeder 2 gemäß der Ausführungsform ein Schritt des Herstellens von Rohmaterial-Stahldraht als Schritt (S10) durchgeführt. In Schritt (S10) wird ein Stahldraht, der als Kerndraht 10 dient, hergestellt. Insbesondere wird ein Stahldraht hergestellt, der aus Stahl mit der folgenden Zusammensetzung gebildet ist: 0,5 Massen-% oder mehr und 1,0 Massen-% oder weniger Kohlenstoff, 0,1 Massen-% oder mehr und 2,5 Massen-% oder weniger Silicium und 0,3 Massen-% oder mehr und 0,9 Massen-% oder weniger Mangan, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind. Der Stahl, der den Stahldraht bildet, kann ferner ein oder mehrere Elemente enthalten, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus 0,1 Massen-% oder mehr und 0,4 Massen-% oder weniger Nickel, 0,1 Massen-% oder mehr und 1,8 Massen-% oder weniger Chrom, 0,1 Massen-% oder mehr und 0,4 Massen-% oder weniger Molybdän und 0,05 Massen-% oder mehr und 0,3 Massen-% oder weniger Vanadium.
Als nächstes wird ein Patentierschritt als Schritt (S20) durchgeführt. In Schritt (S20) wird der Rohmaterial-Stahldraht, der in Schritt (S10) hergestellt wurde, patentiert.
Im Einzelnen ist Patentieren eine Wärmebehandlung, die das Erwärmen des Rohmaterial-Stahldrahts auf einen Temperaturbereich der Austenitisierungstemperatur (A₁-Punkt) oder höher; Quenchen des erwärmten Rohmaterial-Stahldrahts auf einen Temperaturbereich, der höher ist als die Martensitumwandlungs-Starttemperatur (M_S-Punkt); und Halten des gequenchten Rohmaterial-Stahldrahts in diesem Temperaturbereich umfasst. Dementsprechend wird die Metallstruktur des Rohmaterial-Stahldrahts in eine Feinperlitstruktur mit feinem interlamellaren Abstand umgewandelt. Bei der Patentierungsbehandlung wird die Behandlung, die das Erwärmen des Rohmaterial-Stahldrahts auf den Temperaturbereich des A₁-Punkt oder höher umfasst, vorzugsweise in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt, um das Auftreten einer Entkohlung zu unterdrücken.
Als nächstes wird ein erster Drahtziehschritt als Schritt (S30) durchgeführt. In Schritt (S30) wird der Rohmaterial-Stahldraht, der in Schritt (S20) patentiert wurde, einem Drahtziehverfahren (Ziehverfahren) unterzogen. Bezugnehmend auf 5 stellt dieses Verfahren den Kerndraht 10 bereit, der eine Perlitstruktur und einen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung aufweist.
Als nächstes wird ein Plattierungsschritt als Schritt (S40) durchgeführt. Bezugnehmend auf 5 und 6 werden in Schritt (S40) mehrere Plattierungsschichten gebildet, um die Außenumfangsfläche 11 des in Schritt (S30) erhaltenen Kerndrahts 10 zu bedecken. Zuerst wird die Kupferplattierungsschicht 20, die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist, gebildet. Die Dicke der in Schritt (S40) gebildeten Kupferplattierungsschicht 20 beträgt beispielsweise 30 µm oder mehr und 90 µm oder weniger. Als nächstes wird die harte Schicht 30 auf der Kupferplattierungsschicht 20 gebildet. Im Einzelnen wird eine Nickelplattierungsschicht oder Chromplattierungsschicht, die als harte Schicht 30 dient, durch Nickelplattieren oder einer Chromplattieren gebildet. Dann wird die Oberflächenschicht 40 auf der harten Schicht 30 gebildet. Insbesondere wird eine Goldplattierungsschicht, eine Silberplattierungsschicht oder eine Zinnplattierungsschicht, die als Oberflächenschicht 40 dient, auf der harten Schicht 30 gebildet. Dementsprechend werden die Kupferplattierungsschicht 20, die harte Schicht 30 und die Oberflächenschicht 40 auf dem Kerndraht 10 wie in 6 dargestellt gebildet.
Als nächstes wird ein zweiter Drahtziehschritt als Schritt (S50) durchgeführt. Bezugnehmend auf 6 und 1 wird in Schritt (S50) der Kerndraht 10, der die Kupferplattierungsschicht 20, die harte Schicht 30 und die Oberflächenschicht 40, die in Schritt (S40) gebildet werden, aufweist, einem Drahtziehverfahren unterzogen. Dieses Verfahren stellt das Drahtmaterial für eine geneigte Spiralfeder 1 bereit, das einen Drahtdurchmesser aufweist, der für eine gewünschte geneigte Spiralfeder 2 geeignet ist. Durch das obige Verfahren ist die Herstellung des Drahtmaterials für eine geneigte Spiralfeder 1 gemäß der Ausführungsform vervollständigt. Ein Verfahren zur Herstellung der geneigten Spiralfeder 2, die das Drahtmaterial für eine geneigte Spiralfeder 1 enthält, wird nachstehend beschrieben.
Als nächstes wird ein Wickelschritt als Schritt (S60) durchgeführt. Bezugnehmend auf 1 und 2 wird in Schritt (S60) das in Schritt (S50) erhaltene Drahtmaterial für eine geneigte Spiralfeder 1 in die Form der geneigten Spiralfeder 2 verarbeitet. Insbesondere wird das Drahtmaterial für eine geneigte Spiralfeder 1 in eine Spiralform verarbeitet, um die Form der geneigten Spiralfeder 2 zu bilden.
Als nächstes wird ein Wärmebehandlungsschritt als Schritt (S70) durchgeführt. In Schritt (S70) wird das Drahtmaterial für die geneigte Spiralfeder 1, das in Schritt (S60) in die Form der geneigten Spiralfeder 2 geformt wurde, einer Wärmebehandlung unterzogen. Der Schritt (S70) soll die durch das Verfahren in Schritt (S60) in die geneigte Spiralfeder 2 eingebrachte Spannung verringern und die Kristallitgröße, die Gitterdeformation und die Härte der Kupferplattierungsschicht kontrollieren. Die Erwärmungstemperatur in Schritt (S70) beträgt 150°C oder höher und 300°C oder niedriger. Dieses Verfahren kann die in die geneigte Spiralfeder eingebrachte Spannung verringern und die Kristallitgröße, die Gitterdeformation und die Härte der Kupferplattierungsschicht in geeignete Bereichen steuern. Die Erwärmungstemperatur in Schritt (S70) beträgt vorzugsweise 220°C oder höher. Die Erwärmungstemperatur in Schritt (S70) beträgt vorzugsweise 275°C oder niedriger. Im Allgemeinen wird die Wärmebehandlung zur Verringerung der in die geneigte Spiralfeder eingebrachten Spannung bei einer Temperatur von über 300°C durchgeführt. In Schritt (S70) in der Ausführungsform wird jedoch die Wärmebehandlungstemperatur von 150°C oder höher und 300°C oder niedriger im Hinblick auf das Gleichgewicht zwischen der Verringerung der Spannung und der Steuerung der Kristallitgröße, der Gitterdeformation und der Härte der Kupferplattierungsschicht gewählt. Durch das obige Verfahren wird die Herstellung der geneigten Spiralfeder 2 gemäß der Ausführungsform abgeschlossen. In der Ausführungsform wird der Fall beschrieben, in dem die harte Schicht 30 und die Oberflächenschicht 40 in Schritt (S40) gebildet werden. Die harte Schicht 30 und die Oberflächenschicht 40 können jedoch zum Beispiel nach dem Schritt (S70) gebildet werden.
Als nächstes wird ein Verbindungselement gemäß einer Ausführungsform beschrieben. Bezugnehmend auf 7 umfasst ein Verbindungselement 9 gemäß der Ausführungsform: ein erstes Anschlussstück 7; ein zweites Anschlussstück 8, das vom ersten Anschlussstück 7 beabstandet ist; und die geneigte Spiralfeder 2 gemäß der obigen Ausführungsform, die zwischen dem ersten Anschlussstück 7 und dem zweiten Anschlussstück 8 so angeordnet ist, dass die geneigte Spiralfeder 2 mit dem ersten Anschlussstück 7 und dem zweiten Anschlussstück 8 in Kontakt ist. Das erste Anschlussstück 7 und das zweite Anschlussstück 8 sind aus einem elektrischen Leiter gebildet. Das erste Anschlussstück 7 und das zweite Anschlussstück 8 sind beispielsweise Sammelschienen.
Das erste Anschlussstück 7 weist einen ersten Bereich 71 und einen zweiten Bereich 72 auf. Der zweite Bereich 72 ist mit dem ersten Bereich 71 verbunden und erstreckt sich in der Richtung, die den ersten Bereich 71 schneidet. Das zweite Anschlussstück 8 weist einen ersten Bereich 81 und einen zweiten Bereich 82 auf. Der zweite Bereich 82 ist mit dem ersten Bereich 81 verbunden und erstreckt sich in der Richtung, die den ersten Bereich 81 schneidet. Das erste Anschlussstück 7 und das zweite Anschlussstück 8 sind so angeordnet, dass eine Kontaktfläche 72A, die in dem ersten Bereich 72 enthalten ist, einer Kontaktfläche 82A, die in dem zweiten Bereich 82 enthalten ist, zugewandt ist. Die geneigte Spiralfeder 2 ist so angeordnet, dass sich die axiale Richtung der geneigten Spiralfeder 2 entlang der Kontaktfläche 72A und der Kontaktfläche 82A befindet und die geneigte Spiralfeder 2 in Kontakt mit der Kontaktfläche 72A und der Kontaktfläche 82A ist.
In dem Verbindungselement 9 sind das erste Anschlussstück 7 und das zweite Anschlussstück 8 folglich durch die geneigte Spiralfeder 2, die sowohl Setzbeständigkeit als auch Leitfähigkeit aufweist, elektrisch miteinander gekoppelt. In dem Verbindungselement 9 gemäß der Ausführungsform absorbiert die geneigte Spiralfeder 2 Änderungen im Abstand zwischen dem ersten Anschlussstück 7 und dem zweien Anschlussstück 8 auf stabile Weise und erzeugt eine elektrische Kopplung zwischen dem ersten Anschlussstück 7 und dem zweiten Anschlussstück 8 mit niedrigem Widerstand.
BEISPIEL
Es wurden Experimente zur Bestimmung der Eigenschaften der geneigten Spiralfeder gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung durchgeführt. Die experimentelle Durchführung ist wie nachstehend beschrieben.
(Experiment 1)
Die geneigte Spiralfeder 2 wurde durch das gleiche Verfahren wie in der Ausführungsform hergestellt. Das Material der Kupferplattierungsschicht 20 war Kupfer (Reinkupfer). Der Flächenanteil der Kupferplattierungsschicht 20 im Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung des Drahtmaterials für die geneigte Spiralfeder 1, das die geneigte Spiralfeder 2 bildet, betrug 25% (ausgelegte Leitfähigkeit: 25% IACS) (Beispiel). Zum Vergleich wurde eine geneigte Spiralfeder mit der gleichen Form unter Verwendung einer Zirkon-Kupfer-Legierung als Material hergestellt (Vergleichsbeispiel). Die geneigten Spiralfedern des Beispiels und des Vergleichsbeispiels wurden unter Erwärmen auf 150°C in der Richtung senkrecht zur Axialrichtung komprimiert und 100 Stunden lang gehalten. Anschließend wurde die Kompressionsbelastung entlastet und die Restschubspannung wurde aus der Form der geneigten Spiralfeder vor und nach der Kompression berechnet. Die experimentellen Ergebnisse sind in 8 gezeigt.
Wenn die geneigte Spiralfeder 2 in dem Verbindungselement 9, das auf Basis von 7 in der Ausführungsform beschrieben ist, verwendet wird, kann ein gewünschter Wert der Restschubspannung aufgrund der Kompression auf beispielsweise 0,05 oder weniger eingestellt werden.
Bezugnehmend auf 8 übersteigt die Restschubspannung der geneigten Spiralfeder des Vergleichsbeispiels, die unter Verwendung einer Zirkonium-Kupfer-Legierung als Material hergestellt wurde, 0,05 erheblich. Die Restschubspannung der geneigten Spiralfeder des Beispiels der vorliegenden Erfindung beträgt jedoch weniger als 0,05. Dies zeigt, dass die geneigte Spiralfeder der vorliegenden Erfindung eine hohe Setzbeständigkeit aufweist.
(Experiment 2)
Der Zusammenhang zwischen der Kristallitgröße der Kupferplattierungsschicht 20 und der Leitfähigkeit wurde untersucht, indem die Kristallitgröße der Kupferplattierungsschicht 20 in der geneigten Spiralfeder mit einer ausgelegten Leitfähigkeit von 50% IACS und der geneigten Spiralfeder mit einer ausgelegten Leitfähigkeit von 25% IACS untersucht wurde. Die Kristallitgröße wurde durch Verändern der Temperatur der Wärmebehandlung in Schritt (S70) durch das gleiche Verfahren wie in der Ausführungsform gesteuert. Die Gitterdeformation und die Härte der Kupferplattierungsschicht 20 in diesen geneigten Spiralfedern wurden ebenso bestimmt und der Zusammenhang zwischen diesen Parametern und der Leitfähigkeit wurde auch untersucht. Die Leitfähigkeit wurde durch vierpoliges Abtasten unter Verwendung von 3522 LCR HiTESTER, erhältlich von Hioki E.E. Corporation, bestimmt. Die Härte wurde unter Verwendung eines Vickers-Härteprüfers unter den Bedingungen einer Belastung von 50 g und einer Retentionszeit von 5 Sekunden gemessen. Die Kristallitgröße und die Gitterdeformation wurden durch Röntgenbeugungsanalyse (Weitwinkelmessung, verwendete Röntgenstrahlung: Cu-Kα, Anregungsbedingungen: 45 kV bis 40 mA, Abtastmethode: θ bis 2θ, Schrittweite: 0,03°, Integrationszeit: 1 Sekunde, Beugungswinkelmessbereich: 40° bis 140°) unter Verwendung eines Röntgendiffraktometers (X'pert), erhältlich von Yamato Scientific Co., Ltd., bestimmt. Die experimentellen Ergebnisse sind in 9 bis 16 gezeigt.
9 stellt den Zusammenhang zwischen der Kristallitgröße und der Leitfähigkeit bei einer ausgelegten Leitfähigkeit von 50% IACS dar. 10 stellt den Zusammenhang zwischen der Kristallitgröße der Leitfähigkeit bei einer ausgelegten Leitfähigkeit von 25% IACS dar. Bezugnehmend auf 9 und 10 nimmt die Leitfähigkeit zu und verringert sich dann sowohl bei einer ausgelegten IACS-Leitfähigkeit von 50% als auch einer ausgelegten IACS-Leitfähigkeit von 25%, wenn die Kristallitgröße zunimmt. In beiden Fällen erreicht die Leitfähigkeit den Maximalwert, wenn die Kristallitgröße im Bereich von 220 ± 50 Ä (170 Ä oder mehr und 270 Ä oder weniger) liegt. Dies zeigt, dass eine hohe Leitfähigkeit gewährleistet werden kann, wenn die Kristallitgröße der Kupferplattierungsschicht im Bereich von 220 ± 50 Ä liegt.
11 stellt den Zusammenhang zwischen der Temperatur der Wärmebehandlung und der Leitfähigkeit in Schritt (S70) für eine ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 50% dar. 12 stellt den Zusammenhang zwischen der Temperatur der Wärmebehandlung und der Leitfähigkeit in Schritt (S70) für eine ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 25% dar. 11 und 12 zeigen, dass die Temperatur der Wärmebehandlung in Schritt (S70) 150°C oder höher und 300°C oder niedriger beträgt, damit eine Kristallitgröße im Bereich von 220 ± 50 Ä erhalten wird. Wie oben beschrieben wird die Wärmbehandlung zur Verringerung der in die geneigte Spiralfeder eingebrachten Spannung normalerweise bei einer Temperatur von 300°C durchgeführt.
Diese experimentellen Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Temperatur der Wärmebehandlung von 150°C oder höher und 300°C oder niedriger sinnvoll ist, um eine geeignete Kristallitgröße in der Kupferplattierungsschicht 20 zu erhalten.
13 zeigt den Zusammenhang zwischen der Gitterdeformation und der Leitfähigkeit für eine ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 50%. 14 zeigt den Zusammenhang zwischen der Gitterdeformation und der Leitfähigkeit für eine ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 25%. Bezugnehmend auf 13 und 14 erreicht die Leitfähigkeit den Maximalwert, wenn die Gitterdeformation in dem Bereich von -0,085 ± 0,015% (-0,100% oder mehr und -0,070% oder weniger) liegt. Dies zeigt, dass eine hohe Leitfähigkeit gewährleistet werden kann, wenn die Gitterdeformation der Kupferplattierung im Bereich von -0,085 ± 0,015% liegt.
15 stellt den Zusammenhang zwischen der Härte und der Leitfähigkeit für eine ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 50% dar.
16 stellt den Zusammenhang zwischen der Härte und der Leitfähigkeit für eine ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 25% dar. Bezugnehmend auf 15 und 16 erreicht die Leitfähigkeit den Maximalwert, wenn die Härte im Bereich von 75 HV oder mehr und 130 HV oder weniger liegt. Dies zeigt, dass eine hohe Leitfähigkeit gewährleistet werden kann, wenn die Härte der Kupferplattierungsschicht 75 HV oder mehr und 130 HV oder weniger beträgt.
(Experiment 3)
Das Experiment zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen dem Widerstand und der Belastung, wenn die geneigte Spiralfeder 2 wie bei dem in 7 dargestellten Verbindungselements 9 gegen die Anschlüssstücke gedrückt wurde, wurde durchgeführt, indem die Bedingungen der Wärmebehandlung von Schritt (S70) in der Ausführungsform geändert wurden.
17 stellt den Zusammenhang zwischen der Belastung und dem Widerstand für eine ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 50% dar.
18 stellt den Zusammenhang zwischen der Belastung und dem Widerstand für eine ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 25% dar. In 17 und 18 zeigt die Bedingung A an, dass keine Wärmebehandlung in Schritt (S70) durchgeführt wurde, die Bedingung B zeigt an, dass die Wärmebehandlung bei 250°C zur Bereitstellung der Kupferplattierungsschicht 20 mit einer Kristallitgröße von 170 Ä oder mehr und 270 Ä oder weniger durchgeführt wurde und die Bedingung C zeigt an, dass die Wärmebehandlung bei 400°C zur Bereitstellung der Kupferplattierungsschicht mit einer Kristallitgröße von mehr als 270 Ä durchgeführt wurde.
Für die ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 50% kann ein gewünschter Widerstandswert auf 1 mΩ oder weniger unter einer Belastung im Bereich von 40 N oder weniger eingestellt werden. Bezugnehmend auf 17 weist die geneigte Spiralfeder 2 für die Bedingung A ohne Wärmebehandlung eine niedrige Leitfähigkeit auf und der Widerstand kann 1 mΩ oder weniger nicht erreichen. Für die Bedingung C, bei der die Kristallitgröße mehr als 270 Ä beträgt, kann der Widerstand 1 mΩ oder weniger unter hoher Belastung erreichen, aber der Widerstand kann unter einer Belastung von 40 N oder weniger nicht ausreichend verringert werden. Für die Bedingung B, bei der die Kristallitgröße 170 Ä oder mehr und 270 Ä oder weniger beträgt, kann der Widerstand jedoch 1 mΩ oder weniger unter einer Belastung von 40 N oder weniger erreichen.
Für die ausgelegte IACS-Leitfähigkeit von 25% kann ein gewünschter Widerstandswert auf 2 mΩ oder weniger unter einer Belastung im Bereich von 80 N oder weniger eingestellt werden. Bezugnehmend auf 18 weist die geneigte Spiralfeder 2 für die Bedingung A ohne Wärmebehandlung eine niedrige Leitfähigkeit auf und der Widerstand kann 2 mΩ oder weniger nicht erreichen. Für die Bedingung C, bei der die Kristallitgröße mehr als 270 Ä beträgt, kann der Widerstand 2 mΩ oder weniger unter hoher Belastung erreichen, aber der Widerstand kann nicht ausreichend unter einer Belastung von 80 N oder weniger verringert werden. Für die Bedingung B, bei der die Kristallitgröße 170 Ä oder mehr und 270 Ä oder weniger beträgt, kann der Widerstand jedoch 2 mΩ oder weniger unter einer Belastung von 80 N oder weniger erreichen.
Diese Ergebnisse zeigen, dass eine geneigte Spiralfeder, die als Element eines Verbindungselements geeignet ist, bereitgestellt werden kann, wenn die Kristallitgröße der Kupferplattierungsschicht im Bereich von 220 ± 50 Ä liegt.
Es versteht sich, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen und Beispiele in jeglicher Hinsicht veranschaulichend und unter jeglichem Gesichtspunkt nicht einschränkend sind. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Ansprüche und nicht durch die obige Beschreibung definiert und soll alle Modifikationen innerhalb der Bedeutung und des Äquivalenzbereichs der Ansprüche einschließen.
Bezugszeichenliste

1: Drahtmaterial für eine geneigte Spiralfeder
2: Geneigte Spiralfeder
7: Erstes Anschlussstück
8: Zweites Anschlussstück
9: Verbindungselement
10: Kerndraht
11: Außenumfangsfläche
20: Kupferplattierungsschicht
21: Außenumfangsfläche
30: Harte Schicht
31: Außenumfangsfläche
40: Oberflächenschicht
50: Legierungsbereich
71: Erster Bereich
72: Zweiter Bereich
72A: Kontaktfläche
81: Erster Bereich
82: Zweiter Bereich
82A: Kontaktfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2017 [0002]
JP 103968 [0002]

Claims

Geneigte Spiralfeder, aufweisend: einen Kerndraht, der aus Stahl mit einer Perlitstruktur gebildet ist; und eine Kupferplattierungsschicht, die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist und eine Außenumfangsfläche des Kerndrahts bedeckt; worin der Stahl 0,5 Massen-% oder mehr und 1,0 Massen-% oder weniger Kohlenstoff, 0,1 Massen-% oder mehr und 2,5 Massen-% oder weniger Silicium und 0,3 Massen-% oder mehr und 0,9 Massen-% oder weniger Mangan enthält, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind, und die Kupferplattierungsschicht eine Kristallitgröße von 220 ± 50 Ä aufweist.
Geneigte Spiralfeder gemäß Anspruch 1, worin die Kupferplattierungsschicht eine Gitterdeformation von -0,085 ± 0,015% aufweist.
Geneigte Spiralfeder gemäß Anspruch 1 oder 2, worin die Kupferplattierungsschicht eine Härte von 75 HV oder mehr und 130 HV oder weniger aufweist.
Geneigte Spiralfeder gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Stahl ferner ein oder mehrere Elemente enthält, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus 0,1 Massen-% oder mehr und 0,4 Massen-% oder weniger Nickel, 0,1 Massen-% oder mehr und 1,8 Massen-% oder weniger Chrom, 0,1 Massen-% oder mehr und 0,4 Massen-% oder weniger Molybdän und 0,05 Massen-% oder mehr und 0,3 Massen-% oder weniger Vanadium.
Geneigte Spiralfeder gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend eine harte Schicht, die auf einer Seite des Außenumfangs der Kupferplattierungsschicht angeordnet ist und eine höhere Härte als die Kupferplattierungsschicht aufweist.
Geneigte Spiralfeder gemäß Anspruch 5, worin die harte Schicht eine Plattierungsschicht ist.
Geneigte Spiralfeder gemäß Anspruch 5 oder 6, worin die harte Schicht eine Nickelschicht oder eine Chromschicht ist.
Geneigte Spiralfeder gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, worin die harte Schicht eine Härte von 300 HV oder mehr aufweist.
Geneigte Spiralfeder gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, worin die Härte der harten Schicht 50 HV oder mehr höher als die Härte der Kupferplattierungsschicht ist.
Geneigte Spiralfeder gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, worin ein Verhältnis der Dicke der harten Schicht zu einer Dicke der Kupferplattierungsschicht 1/10 oder mehr und weniger als 1 beträgt.
Geneigte Spiralfeder gemäß einem der Ansprüche 5 bis 10, worin ein Legierungsbereich, der ein Metallelement, das die Kupferplattierungsschicht bildet, und ein Metallelement, das die harte Schicht bildet, enthält, zwischen der Kupferplattierungsschicht und der harten Schicht ausgebildet ist.
Geneigte Spiralfeder gemäß Anspruch 11, worin die harte Schicht eine Nickelschicht ist und der Legierungsbereich Kupfer und Nickel enthält.
Geneigte Spiralfeder gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, worin die geneigte Spiralfeder eine Leitfähigkeit von 15% IACS oder mehr und 50% IACS oder weniger aufweist.
Geneigte Spiralfeder gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, ferner aufweisend eine Goldschicht, eine Silberschicht oder eine Zinnschicht, so dass eine Oberfläche der geneigten Spiralfeder umfasst ist.
Verbindungselement, aufweisend: ein erstes Anschlussstück; ein zweites Anschlussstück, das von dem ersten Anschlussstück beabstandet ist; und die geneigte Spiralfeder gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, die zwischen dem ersten Anschlussstück und dem zweiten Anschlussstück so angeordnet ist, dass die geneigte Spiralfeder mit dem ersten Anschlussstück und dem zweiten Anschlussstück in Kontakt steht.