JP2008545886A - 金属ストリップ製品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

金属ストリップ部材１は、隣接する少なくとも一方の面３が少なくとも１０重量％のクロムを含有する基体合金より成り、厚さが３ｍｍ未満の金属ストリップ２を含む。基体合金は、ニッケル、ルテニウム、コバルト、パラジウムまたはこれらの合金の表面層４を備え、隣接する少なくとも一方の面に位置する。炭素原子および／または窒素原子５が、圧縮応力を与える表面層に隣接する基体合金に溶解し、基体合金に炭化物および／または窒化物が実質的に存在しない。本発明は、また、このような金属ストリップ部材から作られる弾力性を有するコンタクトスプリング部材およびこのような金属ストリップ部材の製造方法にも関する。

Description

本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の金属ストリップ要素およびこのような金属ストリップ要素の製造方法に関する。

金属ストリップ要素は、携帯電話、コンピュータ等の電子デバイスのコンタクトアームに例えば用いられる。従来の技術は、このようなコンタクトアームが満たすべき要求特性に対して異なる解決策を示している。これら要求特性は、以下の通りである。
・低い接触抵抗
・優れた電気電導度
・優れたばね特性
・高い疲労強度
・高い耐腐食性

少なくとも１０％のクロム含有量を有する合金、例えばステンレス鋼またはニッケル基合金は、表面のクロム酸化物不動態層の存在に起因し、優れた耐腐食性を有する。さらに、これらの材料は、優れたばね特性を有しており、コンタクトスプリング（または、接触ばね）用に適した材料である。しかしながら、クロム酸化物層は、高い電気抵抗を有し、このようなクロム酸化物自体は接触材料としては適していない。

何年もの間、ステンレス鋼より成り、ニッケル、銅または錫のような材料でコーティングした弾力性のあるコンタクトアームが提案されている。

米国特許第３，８３７，８１８号公報は、優れたばね特性と優れた電気電導性を得るように、２つのステンレス鋼の層に挟まれた銅より成るコンタクトストリップ部材より形成されるストリップを示す。接触抵抗を低くするためにステンレス鋼の上に金の層が配置されている。

欧州特許第６０４ ８５６ Ｂ１号公報は、ニッケルをコーティングされ、貴金属、錫または錫合金をニッケルコーティングにメッキした、ステンレス鋼より成るコンタクトストリップ部材より形成されるストリップを開示している。

この従来技術の問題は、特定の状況下における疲労強度が不十分かもしれないことである。金属ストリップ部材が接触材料として用いられ、繰り返し曲げられると、ストリップ部材の少なくとも一方の面は動的引張応力を受ける。これら引張応力は、時間が経過した後に疲労破壊を生じうる。マイクロクラックが存在する場合、しばしば材料の疲労破壊が起こり、材料は引張応力を含む動的荷重を受ける。

国際公開第ＷＯ ２００４／００７７８９号公報は、炭素および／または窒素を含むガスを用い、物品の表面を介して炭素原子および／または窒素原子が拡散することによる、ステンレス鋼物品の表面硬化方法を開示している。この方法は、再不動態化を避けるように、活性化した表面に、Ｎｉ、Ｒｕ、ＣｏまたはＰｄの最外層（または仕上げ層、top layer）を付与することを含む。この表面硬化は、窒化物または炭化物が形成するよりも低い温度で実施する。

本発明の目的は、電子デバイス用のコンタクトアームのみに限定されず、コンプレッサー、自動車の懸架装置等に用いられるフラッパ弁やリード弁のような動的引張応力を受けるストリップ状の物品も含む。

本発明の目的は、従来技術と比較し改善した特性を有する金属ストリップ要素およびこのような金属ストリップ要素の製造方法を提供することである。

本発明に係る金属ストリップ要素は、隣接する少なくとも一方の面が少なくとも１０重量％のクロムを含有する基体合金より成る、厚さが３ｍｍより薄い金属ストリップを含み、金属ストリップの少なくとも一方の面の基体合金がニッケル、ルテニウム、コバルト、パラジウムまたはこれらの合金の表面層を備える金属ストリップ要素であって、炭素原子および／または窒素原子が、圧縮応力を与える表面層に隣接する基体合金に溶解し、基体合金に炭化物および／または窒化物が実質的に存在しないことを特徴とする。表面層に隣接する基体合金に溶解する炭素原子および／または窒素原子により生ずる圧縮応力は、ストリップ要素を曲げることにより生じる曲げ応力を少なくとも部分的に補償する（または補正する）。炭素原子および／または窒素原子が、炭化物または窒化物を形成することなく基体材料に溶解する場合、耐腐食性を維持することが可能である。さらに炭化物または窒化物は、周囲の材料と比べ相対的に脆く、これら炭化物または窒化物が存在すると、いわゆる亀裂抵抗(crack resistance)が減少し、疲労破壊を促進し得る。

本発明の実施形態では、基体合金は、ステンレス鋼またはニッケル基合金である。ステンレス鋼は、ベース材料として鉄を含み、一方ニッケル基合金はベース材料としてニッケルを含む。クロムの含有に加えて、ニッケル基合金は、コバルト、アルミニウムおよび他の合金元素を含んでもよい。

好ましい実施形態では、金属ストリップ全体が（または金属ストリップが完全に）基体合金より作られる。

１つの実施形態では、基体合金は析出硬化型ステンレス鋼であり、好ましくはマルテンサイト系析出硬化型ステンレス鋼である、

本発明では、金属ストリップ要素の両面が、前記表面層を有することが可能である。これは、使用時に金属ストリップ要素の両面が他の接触要素と接触することが必要な場合、および／または使用時に金属ストリップ要素が両面に引張応力を受ける場合に適当である。

１つの実施形態では、金属ストリップは冷間圧延され、１０００ＭＰａ以上の引張強さを有する。金属シートの冷間圧延は、機械的強度を改善するが、しかし表面に内部引張応力を導入する。表面部に隣接した材料に炭素原子および／または窒素原子を溶解することにより、疲労強度を改善するように圧縮応力を与えることが可能である。

表面層の平均厚さは、２μｍより薄く、好ましくは０．３μｍより薄くできる。試験結果は、表面層のこれらの厚さを通じて表面硬化を行うことが可能なことを示している。

この金属ストリップ要素は、弾力性を有するコンタクトストリップ部材(または電気接触ばね部材、electrical contact strip member)として用いることが可能である。

この金属ストリップ要素は、また、弁要素が弁の開口部を覆い、一端のみが固定されている可撓ストリップ要素より成る所謂フラッパ弁またはリード弁として用いることも可能である。このような弁は、概してコンプレッサーで用いられ、高い動的引張応力を受ける。

本発明は、さらに金属ストリップ要素の製造方法に関し、この製造方法は以下の工程を含む。
・厚さが３ｍｍより薄く、隣接する少なくとも一方の面が、少なくとも１０重量％のクロムを含有する基体合金より成る金属ストリップを備える工程。
・金属ストリップの少なくとも一方の面の基体合金の酸化物層を除去する工程。
・金属ストリップの前記面にニッケル、ルテニウム、コバルト、パラジウムまたはこれらの合金である表面層をコーティングする工程。
・炭素および／または窒素を含むガスを用い、前記表面層を介して基体合金の表面硬化を行い、これにより表面層を介して炭素原子および／または窒素原子を拡散し、炭素原子および／または窒素原子を表面層に隣接する基体合金に溶解し、圧縮応力が表面層に隣接する基体合金に生じる工程であって、表面硬化を炭化物および／または窒化物が形成する温度より低い温度で実施する工程。

本発明の１つの実施形態では、表面硬化はＮＨ_３のような窒素を含有するガスにより、窒化物が形成する温度よりも低い温度、好ましくは約４５０℃よりも低い温度で実施する窒化工程である。

他の実施形態では、表面硬化は、ＣＯのような炭素を含有するガスによる、炭化物が形成する温度よりも低い温度、好ましくは約５５０℃よりも低い温度、より好ましくは約５１０℃よりも低い温度での浸炭工程である。

１つの実施形態では、金属ストリップの全体が基体合金より作られ、基体合金は析出硬化型ステンレス鋼、好ましくはマルテンサイト系析出硬化型ステンレス鋼である。昇温し、表面硬化を行っている間、基体合金の析出物は、窒化物または炭化物を形成することなく硬化する。このようにして、基体合金の表面の硬度と中心部の硬度との過度な差を避けることが可能である。

表面層は、化学または電気メッキにより付与することが可能である。

他の実施形態では、表面層は物理的気相成長法、例えば電子ビーム蒸着法により付与することが可能である。

本発明にかかる製造方法の好ましい実施形態では、連続的なロールツーロール（roll to roll）工程で金属ストリップバンドは、電子ビーム蒸着チャンバを通り、電子ビーム蒸着チャンバで表面層が付与され、その後金属ストリップバンドより金属ストリップが切り出される。

電子ビーム蒸着チャンバに入る前に、金属ストリップバンドが、エッチチャンバーを通り、イオンアシストエッチングを実施し酸化物層を除去することが可能である。

本発明にかかる製造方法の１つの実施形態では、金属ストリップは、表面硬化の前に、所望の形状に曲げられる。

本発明を、図面を参照し、以下に説明する。

図１の金属ストリップ部材は、厚さ３ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼ＡＩＳＩ３０４より作られた金属ストリップ２を含む。この金属ストリップは、第１の面３を平均厚さ０．２μｍのニッケル層４により覆われている。このニッケル層はステンレス鋼と比較して相対的に低い接触抵抗を有し、接触面１３を備える。１０ｍｌの１５重量％（ｗ／ｗ）の塩酸と１ｍｌの３５％過酸化水素水との溶液中で１５秒間、ステンレス鋼の表面の不導体膜を除去(depassivaiton)した後、ニッケル層をウッドニッケル浴中でメッキした。ステンレス鋼は、ニッケル層４に隣接する「Ｓ相」の層５を含む。Ｓ相は、また「拡張オーステナイト(expanded austenite)」とも呼ばれ、ステンレス鋼に溶解した窒素原子（または炭素原子）より成る。この拡張オーステナイトは材料に圧縮応力を与える。Ｓ相は、純ＮＨ_３を流した炉内で、４２９℃で１７時間３０分、ニッケル層を介してステンレス鋼を表面硬化させることにより得た。表面硬化をこの温度で実施した場合、窒化クロムは形成しない。従って、フリークロムの含有量が維持され、これにより耐腐食性が維持される。さらに、脆い窒化クロムが存在しないことから、疲労破壊のリスクは低減される。

図２の金属ストリップ部材１は、図１に係る金属ストリップ部材１に相当するけれども、しかしステンレス鋼ストリップ２の両面３、８にニッケル層４およびＳ相の層５を備えている。従って、図２に係る金属ストリップ部材は両面に接触面を有する。

図１および図２の金属ストリップ部材１は、完全にステンレス鋼から作られた金属ストリップ２と、それぞれ、片面または両面にニッケル層５とを含む。図３の金属ストリップ部材１は、サンドイッチ構造の材料より作られた金属ストリップを含む。銅の中心コア層７は、２つのステンレス鋼の層６にサンドイッチ（または挟持）されている。この実施形態は、優れた電気伝導度および優れたばね特性を同時に得ることができる。

図４は、図１の金属ストリップ部材より作られた、弾性を有するコンタクトスプリング部材９を示す。金属ストリップ部材９は、１８０°曲げられ、上部直線部１０と、曲線部１１と、下部直線部１２とを含む。ニッケル層（図示せず）と、下に配置されたＳ相（図示せず）の層とを含む接触面１３は、コンタクトスプリング部材９の上部直線部１０では上方に向いており、コンタクトスプリング部材９の下部直線部１２では下方を向いている。下部直線部９は、はんだ接合部１４によりはんだ接点１５に、はんだ付けされている。可動の第２の接触部材１６は、上部直線部１０の接触面１３の上部に配置される。第２の接触部材１６は、接触するように、矢印Ａ方向に上部直線部１０まで移動可能である。図５は、はんだ接点１５と第２の接触部材１６とが電気的に接触する閉鎖位置での接触を示す。図５に示すように、第２の接触部材は、弾力性を有するコンタクトスプリング９を曲げ、これにより接触面１３を有する面が伸びる。コンタクトスプリング９に初期内部応力が存在しなければ、この伸びは、コンタクトスプリング９の外側の面に引張り応力をもたらすであろう。Ｓ相によりもたらされる初期圧縮応力は、伸びにより生じる引張り応力の発生を防止または少なくとも低減する。従って、例えコンタクトスプリングが１０万回以上曲げられても、疲労破壊のリスクが顕著に減少する。

図４および図５に示す実施形態は、１つの面にのみ接触面１３を有している。しかしながら、使用に際して両面が伸びる場合、両面がニッケル層および下に配置されるＳ相の層を備えることが可能である。

開示された実施形態では、ＡＩＳＩ３０４ステンレス鋼が基体合金として用いられている。ＡＩＳＩ３１６のような他の種類のオーステナイト系ステンレス鋼もまた、用いることができる。

さらに、フェライトおよびオーステナイトより成る２相ステンレス鋼ＡＩＳＩ３２９を用いることも可能である。４００℃で窒化した場合、試験結果は、フェライトが表面硬化領域でオーステナイト（およびＳ相）に変態することを示している。

また予備的な試験は、表面硬化領域でマルテンサイトがオーステナイト（およびＳ相）に変態することから、マルテンサイト系ステンレス鋼であるＡＩＳＩ４２０およびマルテンサイト系析出硬化型ステンレス鋼であるＡＩＳＩ １７−４ＰＨもまた、使用可能であることを示している。

基体合金として析出硬化型ステンレス鋼を用いた場合、基体合金の析出硬化は、表面硬化の際に起こる。従って、硬い表面と相対的に軟らかい内部コアとを有するという不都合は低減できる。適切な析出硬化可能なマルテンサイト系ステンレス鋼は、米国特許第５，５１２，２３７号公報により既知である。

インコネル合金のようなニッケル基合金もまた、用いることが可能である。ステンレス鋼と同様に、窒素原子および／または炭素原子はニッケル基合金中を拡散し、準安定Ｓ相を形成する（固溶体硬化）ことが可能である。

ニッケルは、その相対的に低い接触抵抗とその高い耐腐食性とにより、表面層として非常に適した材料である。ニッケルは、ＮＨ_３、ＣＯおよびＣ_ｘＨ_ｘのような窒素および炭素を含むガスの分解に対し、触媒的に作用する。ニッケル層が十分に薄い場合、窒素原子および炭素原子は、ニッケル層を通り、下に配置された基体合金中に拡散することが可能である。いくつかの場合、ニッケル以外の他の材料が表面層として選択されてもよい。ルテニウム、コバルトおよびパラジウムも、また耐食性に優れ、窒素および炭素を含有するガスの分解に対し触媒的に作用し、窒素原子および炭素原子の透過性を有する。当然ながら、これら金属の合金は単一金属の代わりに用いることが可能である。表面層は、下に配置された基体金属の不動態化を防止するように十分に厚く、また窒素原子および／または炭素原子が表面層を通り拡散できるように十分に薄くなければならない。

本発明にかかる金属ストリップ部材は、表面硬化され、これにより窒素原子および／または炭素原子が表面層に隣接する基体合金に溶解する。表面硬化は、窒素原子および／または炭素原子を含む加熱したガス中に金属ストリップ部材を配置することで実施する。炭素または窒素を含むガスを用いた熱化学的な鋼の表面処理はよく知られた方法であり、表面硬化、侵炭または窒化と呼ばれている。概して、これらの方法は、炭化物または窒化物が形成する温度で実施され、これにより硬度が改善される。本発明では、表面硬化は、このような温度よりも低い温度で実施する。温度を４５０℃よりも低く維持する場合、窒化クロムは形成されず、温度を５５０℃より低く維持する場合、炭化クロムは形成されない。また、本発明では、炭素と窒素の両方を含むガスを要する侵炭窒化も用いることが可能である。侵炭窒化により、窒素原子と炭素原子の両方が材料中に拡散する。この場合、温度は４５０℃より低く維持し、窒化クロムの形成を避けなければならない。

ニッケル、ルテニウム、コバルト、パラジウムまたはこれらの合金の表面層を、電解めっき、無電解めっき、物理的気相成長法または化学的気相成長法のような、任意の既知の方法を用いて付与することが可能である。

開示する実施形態では、表面層は、完全に金属ストリップの１面または両面を覆っている。しかしながら、本発明はこのような方法に限定されるものではない。従って、表面層は、金属ストリップの一部分だけを覆ってもよい。表面層による金属ストリップの部分的な被覆は、表面層により被覆してはならない表面領域の被覆を取り除くことにより得ることができる。他の実施形態では、２つのノズル(dual nozzle)が２成分金属化(2-component metallization)を行うインクジェット印刷法を用いることが可能である。

本発明にかかるストリップ部材は、ニッケル、ルテニウム、コバルト、パラジウムまたはこれらの合金であることが可能な表面層の相対的に低い接触抵抗に起因し、接触材料として適している。しかしながら、接触抵抗をさらに低減するように、表面硬化後、表面層の上に最外層を付与することができる。ニッケルの表面層は、例えば金または銀の層により被覆することが可能である。この最外層は、表面を完全に覆う必要はなく、特に低い接触抵抗が所望される領域のみでよい。

本発明にかかる金属ストリップ要素は、接触材料として適している。しかしながら、本発明は、このような用途に限定されるものではない。高い疲労強度および高い耐腐食性が求められる他の用途も、本発明にかかる金属ストリップにより恩恵を受ける。このような用途して、コンプレッサーに用いるフラッパ弁が可能である。

・実施例１
厚さ７０μｍ（＝０．０７ｍｍ）のＡＩＳＩ３０１ステンレス鋼の冷間圧延シートの片方の面を厚さ１００ｎｍ（＝０．１μｍ）のニッケル層により被覆した。このシートを６０％アンモニア中で４２０℃、１７時間窒化した。この処理の後、シートの窒化した面の体積膨張に起因し、シートは湾曲した。このことは、シートが湾曲を避けるのに十分な厚さであれば、窒化により内部圧縮応力を形成することを示している。

本発明の第１の実施形態にかかる金属ストリップ部材の一部を示す。 本発明の第２の実施形態にかかる金属ストリップ部材の一部である。 本発明の第３の実施形態にかかる金属ストリップ部材の一部である。 解放位置にある、本発明にかかる金属ストリップより作られた弾力性を有するコンタクトスプリング部材(electrical contact spring member)である。 閉鎖位置にある、図４にかかるコンタクトスプリング部材である。

符号の説明

１ 金属ストリップ部材、２ 金属ストリップ、３ 金属ストリップの第１の面、４ 表面層、５ Ｓ相（溶解した炭素原子および／または窒素原子）、６ 基体合金層、７ 中心層、８ 金属ストリップの第２の面、９ 曲げられた接触ストリップ部材、１０ 接触ストリップ部材の上部、１１ 接触金属部材の湾曲部、１２ 接触金属部材の下部、１３ 接触金属部材の接触面、１４ はんだ接合部、１５ はんだ接点、１６ 第２の接合部材

Claims (17)

1. 隣接する少なくとも一方の面（３）が少なくとも１０重量％のクロムを含有する基体合金より成る、厚さが３ｍｍより薄い金属ストリップ（２）を含み、金属ストリップの少なくとも一方の面の基体合金がニッケル、ルテニウム、コバルト、パラジウムまたはこれらの合金の表面層（４）を備える金属ストリップ要素（１）であって、炭素原子および／または窒素原子（５）が、圧縮応力を与える表面層に隣接する基体合金に溶解し、基体合金に炭化物および／または窒化物が実質的に存在しないことを特徴とする金属ストリップ要素（１）。
2. 基体合金がステンレス鋼またはニッケル基合金であることを特徴とする請求項１に記載の金属ストリップ要素。
3. 金属ストリップ（２）の全体が基体金属より成ることを特徴とする請求項１または２に記載の金属ストリップ部材。
4. 基体合金が析出硬化型ステンレス鋼、好ましくはマルテンサイト系析出硬化型ステンレス鋼であることを特徴とする請求項３に記載の金属ストリップ部材。
5. 両方の面（３）、（８）が前記表面層（４）を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の金属ストリップ部材。
6. 金属ストリップが冷間圧延され、１０００ＭＰａ以上の引張り強さを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の金属ストリップ部材。
7. 表面層（４）の平均厚さが２μｍより薄く、好ましくは０．３μｍより薄いことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の金属ストリップ部材。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の金属ストリップ部材より作られることを特徴とする弾力性を有するコンタクトスプリング部材（９）。
9. 厚さが３ｍｍより薄く、隣接する少なくとも一方の面が、少なくとも１０重量％のクロムを含有する基体合金より成る金属ストリップを備える工程と、
   金属ストリップの少なくとも一方の面の基体合金の酸化物層を除去する工程と、
   金属ストリップの前記面にニッケル、ルテニウム、コバルト、パラジウムまたはこれらの合金である表面層をコーティングする工程と、
   炭素および／または窒素を含むガスを用い、前記表面層を介して基体合金の表面硬化を行い、これにより表面層を介して炭素原子および／または窒素原子を拡散し、炭素原子および／または窒素原子を表面層に隣接する基体合金に溶解し、圧縮応力が表面層に隣接する基体合金に生じる工程であって、表面硬化を炭化物および／または窒化物が形成する温度より低い温度で実施する工程と、
   を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の金属ストリップ部材の製造方法。
10. 表面硬化がＮＨ_３のような窒素を含有するガスを用い、窒化物が形成する温度よりも低い温度、好ましくは約４５０℃より低い温度で実施する窒化工程であることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
11. 表面硬化がＣＯのような炭素を含有するガスを用い、炭化物が形成する温度よりも低い温度、好ましくは約５５０℃より低い温度、より好ましくは約５１０℃よりも低い温度での浸炭工程であることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
12. 金属ストリップ（２）の全体が基体合金より成り、基体合金が析出硬化型ステンレス鋼、好ましくはマルテンサイト系析出硬化型ステンレス鋼であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の製造方法。
13. 化学めっき法または電気めっき法により表面層を付与することを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の製造方法。
14. 電子ビーム蒸着法のような物理的気相成長法により表面層を付与することを特徴とする請求項９〜１２に記載の製造方法。
15. 連続的なロールツーロール法で金属ストリップバンドが、電子ビーム蒸着チャンバを通り、電子ビーム蒸着チャンバで表面層が付与され、その後金属ストリップバンドより金属ストリップが切り出されることを特徴とする請求項１４に記載の製造方法。
16. 電子ビーム蒸着チャンバに入る前に、金属ストリップバンドが、エッチチャンバーを通り、イオンアシストエッチングを実施して酸化物層を除去することを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。
17. 表面硬化の前に、金属ストリップを所望の形状の曲げることを特徴とする請求項９〜１６のいずれかに記載の製造方法。

Images