JP2005504173A - 基体の金属表面、基体の構造化された金属表面を製造する方法及び使用法 - Google Patents

Abstract

基体の構造化された金属表面（５）を製造する方法、又は表面近傍を構造化する方法、又は金属組織を形成する方法が提供され、この場合に、まず、第１の金属層又は第１の金属間化合物層（１１）に、この金属間化合物層（１１）とは異なる第２の金属層（１２）又は第２の金属間化合物層を形成し、次いで、少なくとも第２の金属層（１２）又は第２の金属間化合物層を次の形式で部分的に加熱する、すなわち、この場所で、第１の金属間化合物層（１１）又は第１の金属層の材料と、第２の金属層（１２）又は第２の金属間化合物層の材料とにより、金属間化合物（１１｀）を形成し、この金属間化合物（１１｀）内に、少なくとも主に第２の金属層（１２）又は第２の金属間化合物層の材料より成る表面範囲（１２｀）を挿入する。さらに、前記構造を備えた基体の金属表面（５）、特にコネクタ又は構成部材の電気的な接触又は接続のための電気的な接触エレメントの表面が提供される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、解離可能な、特に解離可能な取り外される又は解離可能な摺動される電気的な接触エレメント、例えばリレー又はスイッチ、又は構成部材の電気的な接触又は電気的な接続のためのエレメントの基体の金属表面、特にコネクタ又は差込み接続部の接触範囲又は表面、さらに請求項１の上位概念部に基づく、基体の構造化された金属表面を製造する方法及びこの方法の使用法に関する。
【０００２】
従来技術
電気的な接触エレメント若しくはコネクタのための表面として、現在、例えば自動車分野では主に錫表面が使用されている。すなわち、溶融錫めっきされた基板、又は圧電により析出された、数ミクロメータの厚さの範囲の錫層を備えた基板が使用されている。この場合、錫は延性並びに良好な導電率により優れている。
【０００３】
表面の錫層を備えた電気的な差込み接続部若しくはコネクタのためのベース材料若しくは基板としては、一般に銅をベースとした合金、例えば青銅が用いられ、これにより、錫層と基板との間の境界面には、拡散により、金属間化合物、例えば組成ＣｕＳｎ_３，Ｃｕ_５Ｓｎ_６の化合物から成る中間層が形成される。この中間層は、この中間層上に位置する錫層よりも固く、温度に基づいて成長することもできる。
【０００４】
コネクタ若しくは差込み接点に、いわゆる「熱性錫（Ｔｈｅｒｍｏｚｉｎｎ）」による層、すなわち、熱硬化により生じた、錫による金属間化合物相をベースとした層を被覆することも知られている。
【０００５】
公知のように、錫合金はわずかな硬性若しくはわずかな摩耗抵抗性に基づいて、頻繁な差込み、又は車両若しくはモータに基づく振動時には、容易に磨り減ったり、強度に酸化（擦過腐食）したりする傾向にあり、このことは、例えば自動車においては、コンポーネントの故障、特にセンサ、制御装置又はその他の電気的なコンポーネントの故障につながる恐れがある。
【０００６】
さらに、錫ベースの差込み接続部の公知の表面では、錫の高い付着傾向及び塑性変形性に基づいて生じる挿入力が何倍にも非常に高いことも欠点である。
【０００７】
本発明の利点
本発明による基体の金属表面、及び基体の構造化された金属表面を製造するための本発明による方法は、従来技術に比べて次のような利点を有する。すなわち、金属基体の表面の局部的な所定範囲に熱供給を施すことにより、特に短時間のレーザ処理を介して、前記所定範囲には局所的に、特に誘導された拡散プロセスを介して、金属間化合物が形成される。これにより、同時に前記所定範囲に存在する金属の組織も変化し、少なくとも熱供給にほとんどさらされなかった表面範囲には、この金属間化合物の形成は少なくともほとんど行われない。
【０００８】
この場合、使用されるレーザの調節に応じて、金属間化合物の形成の深さも、微視的なレベルでの側方の広がりも所定のように調節され得る。さらに、レーザ調節により、照射される基体の表面の範囲の除去量若しくは気化も調節することができるようになっており、これにより、局部的にレーザ光を負荷された基体の表面の所定のトポグラフィが生じる。
【０００９】
さらに、電気的な接触エレメント、例えば差込み接点又はコネクタの金属表面の場合には、本発明による方法により調節される、基体の表面に設けられる金属間化合物の厚さは、例えば銅をベースとした材料から成る基体に設けられた通常の錫層の典型的な厚さとほぼ同じ大きさであることは有利である。
【００１０】
本発明の有利な別の構成が、従属請求項に記載の手段によりもたらされる。
【００１１】
本発明による方法により、例えば銅又は銅を含有する材料から成る基体に設けられた、初めは主に錫から成る又は錫を含有する層を備えた金属表面に、限定的に部分的に、金属間の錫−銅−化合物を設けることができる。この場合に、この金属間の錫−銅−化合物内には、少なくとも主に純粋な錫から成る表面範囲が、部分的に埋め込まれている又は挿入されているか、若しくは金属間の錫−銅−化合物が形成された範囲に対して、少なくともほぼ変化せずに保持されている。
【００１２】
このようにして形成された、部分的に表面的に存在する比較的硬い金属間化合物相と、この金属間化合物相内に埋め込まれた又は挿入された、高い導電率を有する延性の残留錫による表面範囲とを金属基体の表面で組み合わせることにより、特別な形式で、摩耗抵抗性の金属表面、特に錫表面に求められる電気的な特性が満たされ、さらに、差込み接点若しくはコネクタの形で使用する場合には、特に低い挿入力がもたらされる。
【００１３】
本発明による方法を介して得られる、金属基体の、例えば起伏のある又は波状の表面トポグラフィの形で設けられた、有利には周期的な表面トポグラフィによって、さらに有利には、振動負荷時に前記のようなコネクタ若しくは差込み接点の微細運動が著しく阻止される。
【００１４】
さらにこのことに関連して、生ぜしめられた表面範囲が、金属間化合物に組み込まれた又は埋め込まれた島の、特に格子状及び／又は周期的なパターン、又は金属間化合物に組み込まれた又は埋め込まれた線状の通路のパターン、又はこれらのパターンの混合を形成している場合、有利である。
【００１５】
金属間化合物を備えた望ましい範囲若しくは金属基体の表面の表面範囲を、限定的に、局部的かつ微視的に形成するためには、有利には、十分なコヒーレンス長と、後置された結像装置とを備えた高性能レーザが使用され、これにより、光線分配を介して複数の、例えば２つ又は４つのコヒーレント分配光線を形成することができるようになっており、これらの分配光線は、干渉により局部的に、周期的に十分に高いレーザ強度を提供する。局部的なレーザ強度の吸収は、局部的に限定されて所定の金属間の位相形成及び／又は気化に至るまでの局部的な融解のためのエネルギを供給し、ひいては望ましい、特に周期的な表面トポグラフィの形成をもたらす。
【００１６】
この場合、特に様々な数のコヒーレント分配光線、若しくは分配光線の間の種々異なる空間的な干渉角度により、非常に簡単な形式で、例えば周期的な点状又は線状のパターン、例えば「孔」又は前出の「島」又は「通路」又はその他の広範囲に任意のパターンを形成又は構造化することができ、これらのパターンは、周期的な位相配置及び／又は周期的なトポグラフィ作用に基づいている。
【００１７】
さらに、本発明による基体の金属表面は、本発明による方法を用いた構造化以前の状態に比べて、ナノ単位の測定装置（Ｎａｎｏ−Ｉｎｔｅｎｄｅｒ−Ｍｅｓｓｕｎｇｅｎ）により操作された著しい硬度増大を示す。
【００１８】
パルス化された高エネルギレーザ、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの使用により、有利には、局部的に非常に高い性能を有するようにすることが可能であり、これにより、数ナノ秒のみの継続時間で「一発で」、典型的には１ｍｍ^２の面を加工することができるので、本発明による方法は、量産にも適している。
【００１９】
実施例
次に本発明を図面につき詳しく説明する。
【００２０】
図１は、広範な任意の材料、例えば銅、青銅、黄銅、ＣｕＮｉＳｉ、鉄合金又は特にステンレスのばね鋼などの金属から成る基体又は基板１０を示しており、この基板１０には、第１の金属間化合物層１１が位置しており、本実施例では、この金属間化合物層１１は銅錫合金から成っている。第１の金属間化合物層１１には、さらに別の金属層１２が位置しており、この金属層１２は本実施例では錫層である。
【００２１】
図２は、図１による基体の表面を、レーザ光線によるレーザ干渉法の枠内で、図３による結像装置２０の使用下で負荷した後に、負荷された基体の金属表面５の範囲にどのようにして表面範囲１２｀が生じたかを示している。この表面範囲１２｀は少なくとも主に錫から成っており、この表面範囲１２｀の組成は、図１による錫層１２とほぼ一致している。これに対して、表面範囲１２｀の周囲には、レーザ光線を負荷することにより、図１に示した第１の金属間化合物層１１と金属層１２とが溶融されるか、又は一般的に十分に大きい拡散を可能にするために限定的に熱処理され、これにより、金属間化合物層１１｀が形成されている、すなわち、本実施例では、銅鉛合金が形成されている。
【００２２】
図２による表面範囲１２｀の側方の広がりは、典型的には５００ｎｍから５０μｍまで、特に１μｍから２０μｍまでであり、基体の表面５から出発して、金属間化合物１１｀により形成された層１１｀の厚さまで１００ｎｍという典型的な深さ、有利には、５００ｎｍから５μｍまでの深さを有している。
【００２３】
図２｀による金属間化合物層１１｀により形成された層の厚さは、一般に５００ｎｍよりも大きい。この厚さは、特に１μｍと２０μｍとの間であり、有利には、この厚さは少なくとも、ほぼ第１の金属間化合物の層１１の厚さと金属層１２の厚さとの和に相当する。
【００２４】
図２の横断面図から明確に判るように、表面範囲１２｀は、基体の表面５のから出発して、金属間化合物層１１｀内に延びており、この金属間化合物層１１｀内に埋め込まれている。さらに、表面範囲１２｀は複数の島の形で形成されており、これらの島は、図２の横断面図では、規則的又は不規則的に配置されており、これにより、島若しくは線状の通路のパターン又はこれらのパターンの混合を形成していることが判る。これらの島の深さは基板１０まで達し得る。
【００２５】
図２に示唆したように、さらにレーザの局部的なエネルギ供給により、金属間化合物層１１｀の範囲には局部的に、気化、若しくは液相で形成された構造化がもたらされ、これにより、図２による基体の、以前は平坦であった表面５は、今や例えば起伏を帯びた、又は波状のトポグラフィ（微細構成）を有しており、このトポグラフィは、表面範囲１２｀の配置に応じて、有利には周期的に形成されている。この場合、得られるトポグラフィの具体的な構成はほとんど限定されず、個々の場合に容易に望ましい用途に適合可能になっている。
【００２６】
さらに、説明した前記方法は、金属表面５の構造化のためにも、一般的に表面近傍の構造化又は金属組織の形成のためにも適している。この方法は、コネクタ、電気的な接触エレメント、リレーのように解離可能な取り外される電気的接触エレメント、スイッチのように解離可能な摺動される電気的な接触エレメント、又はその他の電気的な接続エレメントにおける、特に接触面の表面構造化に適している。さらに、表面範囲１２｀は、図２とは異なり、深さが基板１０までも延びてよいことは明らかである。
【００２７】
さらに、例として説明した金属Ｃｕ及びＳｎ又はこれらの金属による合金又は金属間化合物の他に、Ａｇ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｚｒ，Ａｕ又はＡｌのような金属並びにこれらの金属による合金又は金属間化合物も、第１の金属間化合物層１１又は金属層１２のために考慮の対象となることを強調しておきたい。
【００２８】
さらに、基板１０と第１の金属間化合物層１１との間に、さらに少なくとも１つの別の中間層、例えば接着層又は多層膜層システムが位置していると、多くの場合、目的に適っている。
【００２９】
図３は、図２による金属表面の形成若しくは本発明による方法の実施を金属表面５の例に詳細に示しており、この金属表面５は、明確化のために平面図で隣に拡大して再度示されている。この図２の平面図に相当する図面には、金属間化合物層１１｀から成る層に島の形で設けられた表面範囲１２｀の周期的な配置が明確に示されている。詳細には、図３によれば通常のＮｄ：ＹＡＧレーザが設けられており、このＹＡＧレーザは、例えば３５５ｎｍの波長で２００ｍＷの出力と１０ｎｓのパルス継続時間により脈動される。このようにして、５０ｎｍから５００ｎｍまでの範囲の起伏又は波の典型的な高さ若しくは深さを備えた表面トポグラフィが生じる。
【００３０】
図３によれば、レーザ２１からはレーザ光線２２が放射され、このレーザ光線２２は、λ／２プレート２３及び後置された偏光子１３を介して機械的なシャッタ１４に達し、このシャッタ１４はレーザ光線２２のパルスを引き起こす。シャッタ１４には、２つの光学的な結像レンズ１５，１６が後置されており、これらの結像レンズ１５，１６は、偏向鏡１７を介して、レーザ光線２２を第１の光線分配機１８に結像させ、この光線分配機１８は、レーザ光線２２を、鏡１９に供給される第１の光線と、第２の光線分配機１８に供給される第２の光線とに分配する。この場合、第２の光線は第２の光線分配機１８により新たに分配され、一方では鏡１９に供給され、他方では第２の別の鏡１９に供給される。全体的に、このようにしてレーザ光線２２は、金属表面５に作用する３つのレーザ光線に分配され、これらのレーザ光線は、互いに干渉し合い、これにより、公知のレーザ干渉法の形で表面５への局部的に限定的な熱供給が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の方法による負荷前の、基体の金属表面の部分的な基本概略図である。
【００３２】
【図２】本発明の方法による負荷後の、図１による金属表面の部分的な概略図である。
【００３３】
【図３】レーザ干渉法の枠内で基体の表面を負荷するための結像装置の構成を示す図である。

Claims (16)

1. 解離可能な、特に取り外される又は摺動される電気的な接触エレメントの、又は構成部材の電気的な接触又は接続のためのエレメントの基体の金属表面、特にコネクタ又は差込み接続部の接触範囲又は表面あって、前記金属表面が、部分的に金属間化合物（１１｀）及び部分的に表面範囲（１２｀）を有しており、これらの表面範囲（１２｀）が、１つの金属から成っているか、又は金属間化合物（１１｀）とは異なる金属合金から成っていることを特徴とする、基体の金属表面。
2. 金属間化合物（１１｀）が、Ｃｕ，Ｓｎ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｚｒ，Ａｕ又はＡｌ群から選択された少なくとも１つの金属を含有しているか、又はこれらの金属の内の１つ又は少なくとも２つとの金属間化合物である、請求項１記載の、基体の金属表面。
3. 金属間化合物（１１｀）が、錫と銅とを含有しており、錫と銅との合金であるか、又は少なくとも主に錫と銅とから成っている、請求項２記載の、基体の金属表面。
4. 基板（１０）、特に少なくとも主に銅、鋼又は鉄合金から成る基板（１０）が設けられており、該基板（１０）に、金属間化合物（１１｀）から成る層が位置しており、該層内に、表面範囲（１２｀）が埋め込まれて挿入されている、請求項１記載の、基体の金属表面。
5. 金属間化合物（１１｀）から成る層が、５００ｎｍから２０μｍまでの、特に１μｍから１０μｍまでの厚さを有している、請求項４記載の、基体の金属表面。
6. 表面範囲（１２｀）が、基体の表面（５）から金属間化合物（１１｀）内にまで延びており、かつ／又は該金属間化合物（１１｀）内に埋め込まれている、請求項１から５までのいずれか１項記載の、基体の金属表面。
7. 表面範囲（１２｀）が、金属間化合物（１１｀）内に組み込まれた、又は埋め込まれた島又は範囲の特に格子状のパターン、又は金属間化合物（１１｀）内に組み込まれた、又は埋め込まれた線状の通路のパターン、又はこれらのパターンの混合を形成している、請求項１から６までのいずれか１項記載の、基体の金属表面。
8. 表面範囲（１２｀）が、特に島又は範囲の場合には、５００ｎｍから５０μｍまでの、特に１μｍから２０μｍまでの側方の広がり及び／又は線状の通路の場合には、１００ｎｍから１００μｍまでの、特に１０μｍから５０μまでの幅を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の、基体の金属表面。
9. 表面範囲（１２｀）が、基体の表面（５）から出発して、１００ｎｍから２０μｍまでの、特に５００ｎｍから５μｍまでの深さまで、金属間化合物（１１｀）内に延びている、請求項１から８までのいずれか１項記載の、基体の金属表面。
10. 表面（５）が、トポグラフィ、特に起伏のある、又は波状のトポグラフィを有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の、基体の金属表面。
11. 特に請求項１から１０までのいずれか１項記の、基体の構造化された金属表面を製造する方法であって、まず、第１の金属層又は第１の金属間化合物層（１１）に、該金属間化合物層（１１）とは異なる第２の金属層（１２）又は第２の金属間化合物層を形成し、次いで、少なくとも第２の金属層（１２）又は第２の金属間化合物層を次の形式で部分的に加熱する、すなわち、この場所に、第１の金属間化合物層（１１）又は第１の金属層の材料と、第２の金属層（１２）又は第２の金属間化合物層の材料とにより、金属間化合物（１１｀）を形成し、該金属間化合物（１１｀）内に、少なくとも主に第２の金属層（１２）又は第２の金属間化合物層の材料より成る表面範囲（１２｀）を挿入するか、又は埋め込むことを特徴とする、基体の構造化された金属表面を製造する方法。
12. 光学的な結像装置（２０）により加熱を行い、該結像装置（２０）により、高い強度のレーザ光を金属表面の所定の範囲に短時間で結像させ、金属表面（５）の、レーザ光にさらされた範囲に、金属間化合物（１１｀）を生ぜしめる、請求項１１記載の方法。
13. 表面範囲（１２｀）を、金属間化合物（１１｀）により占められた隣接する範囲に比べて、比較的わずかに加熱するか、又は加熱しない、請求項１１又は１２記載の方法。
14. 金属表面（５）の所定の局部的な加熱を、結像ユニットを用いてレーザ干渉法によって行う、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の方法。
15. 金属表面（５）の部分的な加熱により、前記金属表面（５）にトポグラフィ、特に周期的な起伏又は波状のトポグラフィの形成を誘導する、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の方法。
16. 特に金属表面（５）を構造化し、又は表面近傍を構造化し、又は金属組織を形成することを特徴とする、請求項１１から１５までのいずれか１項記載の方法の使用法。