JP2004010993A

JP2004010993A - 表面接触電気抵抗および打抜き性に優れた電気配線端子製造用ステンレス鋼板

Info

Publication number: JP2004010993A
Application number: JP2002168323A
Authority: JP
Inventors: Naoto Hiramatsu; 平松　直人; Sadayuki Nakamura; 中村　定幸; Seiji Mitsunaga; 光永　聖二; Akira Hironaka; 弘中　明
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【目的】めっき材と同程度の表面接触電気抵抗を有し、かつ銅合金と同等の打抜き性を有する電気配線端子製造用ステンレス鋼板を提供する。
【構成】１．０質量％以上のＣｕを含み、Ｃｕを主体とする第２相が０．２体積％以上の割合でマトリックスに分散析出しており、Ｃｕ主体の第２相の析出部を除く鋼板表面に不動態皮膜が形成されているとともに、母材硬さが３５０ＨＶ以下、伸びが１５％以下の機械的特性を満足するステンレス鋼板。不動態皮膜は、ステンレス鋼板の全面に生成させても良い。この場合、ステンレス鋼板の最表層または不動態皮膜に含まれるＣｕを、ＳｉおよびＭｎ濃度に対するＣｕ濃度比でＣｕ／（Ｓｉ＋Ｍｎ）が０．５以上になるように濃化させることが好ましい。
【効果】Ｃｕリッチ相の露出および／またはＣｕが濃化した不動態皮膜または最表層の形成により、表面接触電気抵抗が一層低下し、安定した特性が得られる。母材の硬さを３５０ＨＶ以下、伸びを１５％以下にすることにより、銅合金と同等の打抜き性が得られる。
【選択図】　　　　なし

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、銅合金あるいは銅合金のめっき材と同程度の低接触電気抵抗および打抜き性が要求される、電気部品，電子部品用等の電気配線端子を製造するためのステンレス鋼板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気部品や電子部品等に用いられる配線端子材料としては、表面接触電気抵抗の低い銅系材料，導電性の良好なニッケル等のめっきを施した材料等が従来から使用されている。銅系の材料は軟質であり延性に富むため、打抜き時にバリが発生しカス詰まり等が発生しやすく、電気配線端子に打抜き加工する際の打抜き性は良くない。このため、あるいは銅合金は強冷延により延性を低下させて打抜き性を改善させて使用されている。銅系材料は、加工硬化が小さいことから強冷延後の硬さの上昇も小さく、打抜き治具に対する負荷も小さいことから、製造性の面からは好ましい材料といえる。
【０００３】
しかしながら、銅系の材料は耐食性が乏しく、この材料から作製された電気配線端子は、露出状態で使用すると、表面酸化が進行して接触電気抵抗が増加して電気部品や電子部品の特性を変えることがある。このため、ＳｎやＮｉ等のめっきを施して表面接触電気抵抗を低く維持しているが、コストが高くなり、また使用環境によっては必ずしも満足できる耐食性を有していない。
そこで、電気部品や電子部品等に組み込まれる電気接点材料の中で、弱電流の配線端子は接続部品の内部抵抗による発熱を問題にする必要がないために、基材として、耐食性とばね性に優れるステンレス鋼が用いられようとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ステンレス鋼は表面にＣｒを主体とした不動態皮膜を有することから、耐食性に優れる反面、表面接触電気抵抗が高くなる。このため、一般的には、表面にＮｉやＳｎのめっきを施して使用されている。このため、製造コストが高くなっている。また、ステンレス鋼は強度の圧延を施した場合を除いて比較的延性に優れていることから、打抜き等の加工性の点で劣っている。例えば打抜きのパンチ寿命等においては、打抜き性を改善した銅合金等と比較して１／１０以下と言われている。
このようなことから、表面接触電気抵抗が低く、なおかつ打抜き性に優れたステンレス鋼無垢材の電気配線端子は、いまのところ実用化されていない。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、めっき材と同程度の表面接触電気抵抗を有し、かつ銅合金と同等の打抜き性を有する電気配線端子製造用ステンレス鋼板を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の表面接触電気抵抗および打抜き性に優れた電気配線端子製造用ステンレス鋼は、その目的を達成するため、１．０質量％以上のＣｕを含み、Ｃｕを主体とする第２相が０．２体積％以上の割合でマトリックスに分散析出しており、Ｃｕ主体の第２相の析出部を除く鋼板表面に不動態皮膜が形成されているとともに、母材硬さが３５０ＨＶ以下、伸びが１５％以下の機械的特性を満足することを特徴とする。（以下、「Ｃｕを主体とする第２相」を「Ｃｕリッチ相」と称する。）硬さは２５０ＨＶ以下のものが好ましい。
ステンレス鋼板の最表層または不動態皮膜に含まれるＣｕを、ＳｉおよびＭｎ濃度に対するＣｕ濃度比でＣｕ／（Ｓｉ＋Ｍｎ）が０．５以上になるように濃化させた場合にも、低い表面接触抵抗が得られる。さらに、Ｃｕリッチ相の露出とＣｕが濃化した不動態皮膜または最表層とを組み合わせると、表面接触電気抵抗が一層低下し、安定した特性が得られる。
なお、銅合金と同等の打抜き性を得るために、母材の機械的特性を硬さが３５０ＨＶ以下、伸びが１５％以下と規定しているが、このような特性は、一般的な冷間圧延と時効処理等により調質することができる。
【０００６】
ステンレス鋼としては、１．０質量％以上のＣｕを含む限り鋼種に別段の制約を受けるものではなく、要求される材料特性に応じてフェライト系，オーステナイト系，マルテンサイト系，２相系等、各種ステンレス鋼が使用される。しかしながら、目標とする機械的特性得るためには、焼鈍時に軟質なオーステナイト系あるいはフェライト系のステンレス鋼を使用し、冷間圧延とその後の熱処理で調質することが好ましい。
最終焼鈍として、露点−３０℃以下の雰囲気で光輝焼鈍することにより、ステンレス鋼板の表層にＣｕが濃化する。あるいは、大気雰囲気で最終焼鈍した後、フッ酸−硝酸，硫酸−硝酸等の混酸で酸洗することによっても，ステンレス鋼表層にＣｕが濃化することもできる。Ｃｕリッチ相が析出したステンレス鋼板を基材に使用する場合、最終焼鈍までの鋼板製造過程でたとえば８００℃前後で１時間以上の時効処理を施すことによって、ステンレス鋼板表面の接触電気抵抗を下げるために必要なＣｕリッチ相の析出量が得られる。
【０００７】
【作用】
本発明者等は、ステンレス鋼板を電気配線端子の素材として使用するために、表面接触電気抵抗の向上策および打抜き性の向上策について検討した。
まず、ステンレス鋼板の表面層を低表面接触電気抵抗化するための改質方法について検討した。
ステンレス鋼表面に形成される不動態皮膜は、ステンレス鋼の耐食性を確保する上では有効であるものの、比電気抵抗が高い酸化物，水酸化物等からなるために、ステンレス鋼板の接触抵抗を大きくする。そこで、本発明者等は、導電性に優れた物質を不動態皮膜に含ませ、あるいはステンレス鋼表層に濃化させることによって不動態皮膜を改質し、耐食性を維持しつつ表面接触電気抵抗を下げ且つ安定化させる方法を調査検討した。
【０００８】
調査検討の過程で、Ｃｕ含有ステンレス鋼が低い表面接触電気抵抗を示すことを見出した。なかでも、１．０質量％以上のＣｕを含み、Ｃｕリッチ相が０．２体積％以上の割合で分散析出しているステンレス鋼、および、ＳｉとＭｎの濃度に対するＣｕ濃度がＣｕ／（Ｓｉ＋Ｍｎ）≧０．５を満足する不動態皮膜または最表層が形成されたステンレス鋼が有効であることを見出した。
【０００９】
基材に使用されるステンレス鋼のＣｕ含有量は、表面接触電気抵抗の低下に有効な表面Ｃｕ濃度および／またはＣｕリッチ相を確保する上から１．０質量％以上に規定される。Ｃｕ含有量が多くなるほどＣｕリッチ相の分散析出量も多くなり、不動態皮膜または表層のＣｕ濃化が進行するが、過剰なＣｕ添加は熱間加工性および耐食性を低下させる虞がある。この点、Ｃｕ含有量の上限を５質量％に規定することが好ましい。
【００１０】
Ｃｕ含有量およびＣｕリッチ相の表面接触電気抵抗の低下に及ぼす影響は、次のように推察される。図１で模式的に示すように、基材１の表層にＣｕリッチ相２が分散析出していると、その上にＣｒ，Ｓｉ，Ｍｎ等を含む不動態皮膜３が形成されない。そのため、不動態皮膜３に開いたピンホール４を介してＣｕリッチ相２が雰囲気に露出する。露出したＣｕリッチ相２は、導通路の一部となって接触電気抵抗を低下させる。接触電気抵抗の低下は、後述の実施例からも明らかなように基材１に析出しているＣｕリッチ相２の割合が０．２体積％以上になったとき顕著となる。
【００１１】
Ｃｕリッチ相２が析出している場合でも、Ｃｕリッチ相２の析出していないステンレス鋼と同等の耐食性を呈する。Ｃｕリッチ相２の析出による耐食性低下がないことは、ステンレス鋼母材に比較してＣｕリッチ相２自体は耐食性が低いが、Ｃｕリッチ相２周辺の不動態皮膜３および基材１が十分な耐食性をもつことに起因するものと推察される。すなわち、Ｃｕリッチ相２が腐食反応を起こしても、腐食反応がＣｕリッチ相２を超える領域まで進行しない。
【００１２】
ステンレス鋼基材１の表面にＣｕリッチ相２が露出していない場合でも、Ｓｉ濃度およびＭｎ濃度に対するＣｕ濃度の濃度比Ｃｕ／（Ｓｉ＋Ｍｎ）が０．５以上となるように最表層または不動態皮膜３にＣｕを濃化させると表面接触電気抵抗が低下する。低い表面接触電気抵抗は、濃化したＣｕが金属Ｃｕや比電気抵抗の低い酸化物として最表層または不動態皮膜に分散していることに原因があるものと推察される。不動態皮膜３にＣｕが濃化していても、不動態皮膜３の電位低下がなく、Ｃｕ無添加の類似鋼種と同等の耐食性が呈される。その結果、安定した表面接触電気抵抗が維持される。
【００１３】
Ｃｕリッチ相２を分散析出させる熱処理は、ステンレス鋼のＣｕ含有量によっても異なるが、一般的には８００℃前後で１〜２４時間の時効処理を施す条件が採用される。この熱処理により、微細なＣｕリッチ相２が分散析出する。Ｃｕリッチ相２の析出に加えて不動態皮膜３または最表層にＣｕが濃化していると、１Ω以下の一層低い表面接触電気抵抗が示される。
【００１４】
基材１の表面にＣｕリッチ相２が分散析出したステンレス鋼板や不動態皮膜３または最表層にＣｕを濃化させたステンレス鋼板は、最終焼鈍として光輝焼鈍を施す場合、露点−３０℃以下の焼鈍雰囲気で光輝焼鈍することにより製造される。焼鈍雰囲気の露点が低くなると酸化反応が抑制され、比電気抵抗の高い金属酸化物の増量が抑えられ、結果として金属ＣｕまたはＣｕの酸化物が不動態皮膜３または最表層に濃化する。他方、露点が−３０℃を超える焼鈍雰囲気では、Ｓｉ，Ｍｎ等の酸化進行に応じて母材内部から表層へのＳｉ，Ｍｎ等の拡散が促進され、比電気抵抗の高い金属酸化物を多量に含む不動態皮膜３または最表層が形成される。
【００１５】
光輝焼鈍に代えて、大気焼鈍および酸洗によっても不動態皮膜３または最表層にＣｕを濃化させることができる。ステンレス鋼板を大気焼鈍すると、Ｃｒ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｃｕ等の酸化物を含むスケールが鋼板表面に形成されるが、酸洗によってスケールが除去された後で不動態皮膜３が形成される。このとき、焼鈍後のステンレス鋼板を電解酸洗すると、スケール剥離後の鋼板表面に存在するＣｕまたはＣｕリッチ相２が電解反応で基材よりも優先的に溶出する。そのため、電解酸洗されたステンレス鋼板表面には、Ｃｕ濃度の低い不動態皮膜３が形成される。これに対し、フッ酸−硝酸，硫酸−硝酸等の混酸を用いた酸洗では，ＣｕまたはＣｕリッチ相２の優先的な溶出がなく，酸洗後に生成する不動態皮膜３にＣｕ濃度の低下が生じない。酸洗に使用する混酸は、酸の種類や濃度に特段の制約が加わるものではないが，一般的に濃度１０体積％程度の硫酸，フッ酸と硝酸との混酸が好ましい。
【００１６】
次に、ステンレス鋼板の打抜き性を向上させる手法について検討した。
Ｃｕリッチ相が形成され、あるいは表面にＣｕが濃化した不動態皮膜が形成されても、それ以外の大部分を占める母材部分は通常のステンレス鋼と同じ特性を有している。一般にステンレス鋼は延性に優れているために打抜き等の加工性に劣っている。この打抜き性を改善するために、さらなる調査を行った結果、ステンレス鋼の硬度を低く、かつ伸びを抑制すると、打抜き加工したときパンチ寿命が著しく改善された。中でも、母材硬さが３５０ＨＶ以下好ましくは２５０ＨＶ以下で、伸びが１５％以下になるように調質したステンレス鋼は、強冷延した銅合金に近い打抜き性が得られることを見出した。
【００１７】
ステンレス鋼で伸びを抑制するためには、一般的に冷間圧延が用いられる。オーステナイト系ステンレス鋼は比較的加工硬化しやすいため、冷間圧延率による硬さの上昇が大きい。このため、本発明の請求項の記載で特定したような硬さと伸びの関係を得るためには、素材の硬さを低く抑えることが重要である。この要素としては、ステンレス鋼中の炭素および窒素をできるだけ低く抑えることで素材の硬さを下げることができる。
また、冷間圧延による加工硬化量は、ひずみが蓄積された場合の加工誘起マルテンサイト量に依存する部分が大きく、できるだけ加工誘起マルテンサイトが発生しない成分を有することが望ましい。このためには、ＮｉやＣｕを多く含有させオーステナイト相の安定度を高くすることが有効である。これらの設計思想から、炭素や窒素を低減させた安定型オーステナイト系ステンレス鋼を１５〜３０％程度冷間圧延することで目標の硬さおよび伸びの値が得られる。
【００１８】
一方、フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼に比べて比較的加工硬化し難いため、本目標特性に対しては含有成分が最も影響する。フェライト系ステンレス鋼の焼鈍状態での硬さを下げるためには、オーステナイト系ステンレス鋼と同様に炭素や窒素、またＣｒ量をできるだけ低く抑えることが必要である。これらの成分設計思想から適量のＣｒを含有し、なおかつ、炭素や窒素を低減させたフェライト系ステンレス鋼では、１０〜２０％程度冷間圧延することで目標の硬さおよび伸びの値が得られる。
【００１９】
【実施例】
表１に示した組成のステンレス鋼冷延焼鈍板を用意した。また、比較材としてりん青銅およびＳＵＳ３０４のＮｉめっき材も用いた。一部の冷延焼鈍板については、最終焼鈍を施す前までの工程で８００℃×２４時間のＣｕリッチ相析出処理を施した。
【００２０】

【００２１】
各ステンレス鋼板から切り出された試験片を電解研磨した後、金属組織を透過型電子顕微鏡で観察し、マトリックスに分散析出しているＣｕリッチ相の析出量を求めた。また、試験片をグロー発光分析にかけ、Ｃｕ，ＳｉおよびＭｎについて母材と表面の強度比および母材濃度（質量％）から表面濃度（質量％）を求め、Ｃｕ／（Ｓｉ＋Ｍｎ）として表面層のＣｕ濃度比を算出した。
接触電気抵抗試験では、純金製の対極および測定端子を試験片表面に接触させ、測定端子に１００ｇの荷重を付加した後で接触抵抗を測定することにより、表面接触電気抵抗を求めた。
また、打抜き性の評価は、直径１．０ｍｍのパンチと直径１．１ｍｍのダイスを用いて１万個までの打抜きを実施し、１万個までのパンチ損傷状況と１万個打抜いた後のパンチ摩耗状況で評価した。
その結果を表２に示す。
【００２２】

【００２３】
表２の調査結果にみられるように、Ｃｕ：１．０質量％未満のＳＵＳ３０４およびＳＵＳ４３０や、Ｃｕが１．０質量％以上添加されていてもＣｕ／（Ｓｉ＋Ｍｎ）の値が０．５未満でＣｕリッチ相が０．２体積％に達しない試験番号８の試験片では、表面接触電気抵抗が高い値を示した。ＳＵＳ３０４−Ｎｉめっき材の表面接触電気抵抗は、素材としては十分低い値であったが、打抜き性が悪かった。また、Ｃｕリッチ相を多く析出させても、調質がなされておらず伸びが大きい試験番号５，７の試験片では、パンチ摩耗が著しかった。さらに調質し過ぎて硬くなりすぎた試験番号６の試験片では、途中でパンチが折れ、１万個の打抜きはできなかった。
これに対し、Ｃｕを０．１質量％以上添加したステンレス鋼を基材に使用し、０．２体積％以上の割合でＣｕリッチ相を析出させたもの、あるいはＣｕ／（Ｓｉ＋Ｍｎ）の値が０．５以上になるようにＣｕを濃化させたものでは、素材の表面接触電気抵抗が低くかった。しかも、硬さを３５０ＨＶ以下に、伸びを１５％以下にしているので、打抜き性も良かった。特に硬さを２５０ＨＶ以下にしたものでは、打抜き性は極めてよかった。
【００２４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の表面接触電気抵抗および打抜き性に優れた電気配線端子製造用ステンレス鋼は、ステンレス鋼本来の優れた耐食性を維持しながら、Ｃｕリッチ相の析出および／または不動態皮膜へのＣｕ濃化により表面接触電気抵抗を低下させている。さらに、母材の硬さを低く、しかも伸びを抑制しているので、打抜きパンチの寿命が著しく改善される。この結果、高性能な電気配線端子が生産性良く打抜き加工できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｃｕリッチ相を析出させたステンレス鋼表面に形成される不動態皮膜の模式図

Claims

１．０質量％以上のＣｕを含み、Ｃｕを主体とする第２相が０．２体積％以上の割合でマトリックスに分散析出しており、Ｃｕ主体の第２相の析出部を除く鋼板表面に不動態皮膜が形成されているとともに、母材硬さが３５０ＨＶ以下、伸びが１５％以下の機械的特性を満足することを特徴とする、表面接触電気抵抗および打抜き性に優れた電気配線端子製造用ステンレス鋼板。
１．０質量％以上のＣｕを含み、Ｓｉ濃度およびＭｎ濃度に対するＣｕ濃度の濃度比がＣｕ／（Ｓｉ＋Ｍｎ）≧０．５を満足する不動態皮膜または最表層が鋼板表面に形成されているとともに、母材硬さが３５０ＨＶ以下、伸びが１５％以下の機械的特性を満足することを特徴とする、表面接触電気抵抗および打抜き性に優れた電気配線端子製造用ステンレス鋼板。
１．０質量％以上のＣｕを含み、Ｃｕを主体とする第２相が０．２体積％以上の割合でマトリックスに分散析出しており、Ｓｉ濃度およびＭｎ濃度に対するＣｕ濃度の濃度比がＣｕ／（Ｓｉ＋Ｍｎ）≧０．５を満足する不動態皮膜または最表層が鋼板表面に形成されているとともに、母材硬さが３５０ＨＶ以下、伸びが１５％以下の機械的特性を満足することを特徴とする、表面接触電気抵抗および打抜き性に優れた電気配線端子製造用ステンレス鋼板。