JP2011246791A - 銀−酸化物系電気接点材料 - Google Patents

Abstract

【課題】 加工性および接触抵抗安定性に優れたＩｎフリーの銀−酸化物系電気接点材料を提供することを目的とする。
【解決手段】 添加金属として重量％で、Ｓｎ：５〜１５％、Ｔｅ：０．０５〜１．５％、Ｃｕ：０．０５〜１％未満を含有し、残りがＡｇと不可避不純物とからなる組成を有するＡｇ合金を、内部酸化処理した後に７５０〜９６０℃で高温熱処理してなる。また、添加金属として、さらに重量％で、Ｎｉ：０．０５〜０．５％を含有しても構わない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、車載及び交流リレー等に好適な銀−酸化物系電気接点材料に関する。

リレー、スイッチ、電磁開閉器及びブレーカ等に用いられる電気接点材料としては、耐溶着性、耐消耗性および接触抵抗安定性等の電気接点性能が要求され、種々の材料が提案されて広く実用に供されている。
現在、Ｉｎを含有する接点材料が広く使用されているが、Ｉｎの資源としての希少性による供給不安やコストの問題から、近年、Ｉｎを含有しない接点材料が求められている。

従来、例えば特許文献１に記載されているように、重量％で、Ｓｎ：３〜１５％、Ｔｅ：０．０５〜４％を含有し、さらに必要に応じてＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏのうち１種または２種以上：０．００１〜１％を含有し、残りがＡｇと不可避不純物からなる組成を有するＡｇ合金に、内部酸化処理を施してなる銀−酸化物系電気接点が知られている。

特開平５−２３９５７２号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
近年、上述したように、Ｉｎ含有接点材料に代替可能な優れた耐溶着性、耐消耗性および接触抵抗安定性を有するＩｎフリーの車載用または交流リレー用の銀−酸化物系電気接点材料が求められている。しかしながら、上記特許文献１に記載の電気接点材料では、内部酸化処理により形成された酸化物の分散粒子が極めて微細であることから、必要以上に高硬度になると共に脆化して材料の加工性が悪く、また接触抵抗の安定性についても、さらなる向上が求められている。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、加工性および接触抵抗安定性に優れたＩｎフリーの銀−酸化物系電気接点材料を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の銀−酸化物系電気接点材料は、添加金属として重量％で、Ｓｎ：５〜１５％、Ｔｅ：０．０５〜１．５％、Ｃｕ：０．０５〜１％未満を含有し、残りがＡｇと不可避不純物とからなる組成を有するＡｇ合金を、内部酸化処理した後に７５０〜９６０℃で高温熱処理してなることを特徴とする。

この銀−酸化物系電気接点材料では、添加金属として重量％で、Ｓｎ：５〜１５％、Ｔｅ：０．０５〜１．５％、Ｃｕ：０．０５〜１％未満を含有し、残りがＡｇと不可避不純物とからなる組成を有するＡｇ合金を、内部酸化処理した後に７５０〜９６０℃で高温熱処理してなるので、Ａｇマトリックス中に粒子成長したＳｎ酸化物（以下、粗粒Ｓｎ酸化物と呼ぶ）および粒子成長したＴｅ，Ｃｕを含む酸化物複合構造体（以下、粗粒Ｔｅ−Ｃｕ酸化物複合構造体と呼ぶ）が均一に分散した材料が得られ、耐溶着性、耐消耗性、接触抵抗安定性および加工性に優れている。

以下に、本発明に係る銀−酸化物系電気接点材料の内部酸化処理前のＡｇ合金における成分組成を、上記の通りに限定した理由について説明する。
Ｓｎ成分は、内部酸化処理によって熱的に安定なＳｎ系酸化物（例えばＳｎＯ_２）分散相を形成し、接点の開離性、耐溶着性及び耐消耗性を向上させる作用がある。なお、このＳｎの含有割合が５.０％未満では、析出するＳｎ系酸化物の割合が十分でないために所望の接点耐久性能を得ることができず、一方、１５％を超えると接触抵抗増大の問題が生じると共に加工性が著しく低下し、伸線加工やヘッダ加工等の形状付与が困難になる。

Ｔｅ成分は、内部酸化処理においてＳｎ系酸化物の析出を促進する作用を有し、さらに高温熱処理によりＳｎ酸化物の粒子成長を促進する作用も有している。また、自身もＴｅ系酸化物（例えばＴｅＯ_２）を形成し、Ａｇ結晶粒界に析出することにより脆化し、溶着による開離不能を抑制する作用を有する。この作用は、Ｔｅの含有量が０．０５％未満では、Ｓｎの酸化物析出促進効果が得られない。一方、Ｔｅの含有量が１．５％を超えると、加工性が著しく低下する。

Ｃｕ成分は、内部酸化処理においてＳｎ系酸化物の析出を促進する作用を有すると共に、Ｔｅと酸化物複合構造体（例えばＣｕ_３ＴｅＯ_６）を形成し、溶着部を脆化し破断を容易にする作用を有するため、溶着による開離不能を抑制する。さらに、高温熱処理によるＳｎ酸化物の粒子成長を著しく促進する作用を有し、粗粒Ｓｎ酸化物を形成すると共に、自身も粒子成長して粗粒Ｔｅ−Ｃｕ酸化物複合構造体を形成する。なお、Ｃｕの含有量が０．０５％未満では有効な上記作用が得られない。一方、Ｃｕの含有量が１％以上であると、自身の粗大化が顕著となり、耐溶着性や耐消耗性等の接点性能が低下してしまう。

また、上記高温熱処理の温度を上記範囲内に設定した理由は、７５０℃未満であると、所望のＳｎ酸化物の粒子成長が得られず、９６０℃を超えると、Ａｇが溶融し析出酸化物（Ｓｎ系酸化物、Ｔｅ系酸化物、Ｃｕ系酸化物等）の凝集が発生し、酸化物の分散効果が得られないためである。

また、本発明の銀−酸化物系電気接点材料は、前記添加金属として、さらに重量％で、Ｎｉ：０．０５〜０．５％を含有していることを特徴とする。
すなわち、この銀−酸化物系電気接点材料では、添加金属として、さらに重量％で、Ｎｉ：０．０５〜０．５％を含有しているので、Ｃｕ酸化物の凝集を抑えて酸化物の分散性を改善することができる。

このようにＮｉ成分は、内部酸化処理および高温熱処理においてＣｕ酸化物の凝集を抑えて酸化物の分散性を改善する作用を有し、さらにＴｅ，Ｃｕと共に酸化物複合構造体を形成し、耐溶着性および耐消耗性を向上させる。なお、Ｎｉの含有量が０．０５％未満では、有効な上記作用を得ることができず、一方、０．５％を超えると加工性が低下してしまう。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る銀−酸化物系電気接点材料によれば、添加金属として重量％で、Ｓｎ：５〜１５％、Ｔｅ：０．０５〜１．５％、Ｃｕ：０．０５〜１％未満を含有し、残りがＡｇと不可避不純物とからなる組成を有するＡｇ合金を、内部酸化処理した後に７５０〜９６０℃で高温熱処理してなるので、粗粒Ｓｎ酸化物、および粗粒Ｔｅ−Ｃｕ酸化物複合構造体が均一に分散した組織を有し、耐溶着性、耐消耗性、接触抵抗安定性および加工性に優れている。
したがって、Ｉｎフリーでも、優れた耐溶着性、耐消耗性および接触抵抗安定性を有しながら十分な加工性を有し、車載及び交流リレー等に好適な電気接点材料を得ることができる。

本発明に係る銀−酸化物系電気接点材料の実施例及び従来例において、接点断面の組織観察画像である。 本発明に係る銀−酸化物系電気接点材料の実施例及び従来例において、接点断面のＳＥＭによる観察画像およびＥＰＭＡによる各元素分布像である。

以下、本発明に係る銀−酸化物系電気接点材料の一実施形態を説明する。
本実施形態の銀−酸化物系電気接点材料は、添加金属として重量％で、
Ｓｎ：５〜１５％（すなわち、５％≦Ｓｎ添加量≦１５％）、
Ｔｅ：０．０５〜１．５％（すなわち、０．０５％≦Ｔｅ添加量≦１．５％）、
Ｃｕ：０．０５〜１％未満（すなわち、０．０５％≦Ｃｕ添加量＜１％）
を含有し、残りがＡｇと不可避不純物とからなる組成を有するＡｇ合金を、内部酸化処理した後に７５０〜９６０℃で高温熱処理してなるものである。

また、必要に応じて、添加金属として、さらに重量％で、Ｎｉ：０．０５〜０．５％を含有させても構わない。

この本実施形態の銀−酸化物系電気接点材料では、添加金属として重量％で、Ｓｎ：５〜１５％、Ｔｅ：０．０５〜１．５％、Ｃｕ：０．０５〜１％未満を含有し、残りがＡｇと不可避不純物とからなる組成を有するＡｇ合金を、内部酸化処理した後に７５０〜９６０℃で高温熱処理してなるので、Ａｇマトリックス中に粗粒Ｓｎ酸化物および粗粒Ｔｅ−Ｃｕ酸化物複合構造体が均一に分散した材料が得られ、耐溶着性、耐消耗性、接触抵抗安定性および加工性に優れている。

なお、粗粒Ｓｎ酸化物および粗粒Ｔｅ−Ｃｕ酸化物複合構造体の粒度は、Ｃｕの含有量および内部酸化処理後の高温熱処理の条件（ただし、上記温度範囲内）でコントロールすることができ、これらを各種用途に応じて最適化することで、用途に要望される耐溶着性、耐消耗性、接触抵抗安定性および加工性を得ることができる。
また、添加金属として、さらに重量％で、Ｎｉ：０．０５〜０．５％を含有させることで、粗粒Ｔｅ−Ｃｕ酸化物複合構造体の凝集を抑えて酸化物の分散性を改善することができる。

次に、本発明に係る銀−酸化物系電気接点材料を実際に作製して評価した結果について、図１および図２を参照して説明する。

本発明に係る銀−酸化物系電気接点材料の実施例を、以下の工程で作製した。
まず、高周波溶解炉により、以下の表１に示される成分組成をもったＡｇ合金を溶製し、インゴットに鋳造した。この後、インゴットを熱間押出しにて厚さ５ｍｍの板状に加工し、この板を熱間及び冷間圧延にて幅３０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍの薄板とした。さらに、この薄板を長さ方向に沿って幅２ｍｍにスライス切断し、この切断片を酸素雰囲気中、７００℃、２４時間保持にて内部酸化処理を施した。

次に、この内部酸化処理後の切断片をまとめて圧縮成形を施して直径７０ｍｍのビレット形状とし、このビレットを大気中で７５０〜９６０℃の範囲内の所定温度（本実施例では、９００℃に１２時間保持の条件で高温熱処理を施した。この後、このビレットを熱間押出し加工により直径７ｍｍに押出し、引き続いて伸線加工にて直径２ｍｍの線材とした。最終的に、この線材からヘッダーマシンにて、頭径３ｍｍ×頭厚０．６ｍｍ×足径２ｍｍ×足長１．５ｍｍの寸法を持ったリベットを成形することにより、本発明に係る銀−酸化物系電気接点材料の実施例を作製した。

なお、比較のために、表２に示される従来成分組成に配向したＡｇ合金について、上記高温熱処理を除くこと以外は同一の製造条件で、従来例の銀−酸化物系電気接点材料を製造した。

これらの実施例（以下、本発明接点材料という）及び従来例（以下、従来接点材料という）について、ＡＳＴＭ（American Society for Testing and Materials：米国材料試験協会)試験機を用い、以下の条件で電気的開閉試験を行った。
電気的開閉試験としては、耐久回数（溶着発生時の回数）および接触抵抗を測定し、耐久寿命（耐溶着性）および接触抵抗安定性を評価した。また、材料物性値としてマイクロビッカース硬さ（Ｈｖ）を測定した。これらの評価結果も、表１及び表２に示す。

＜電気的開閉試験の条件＞
・モーターロック負荷
・負荷回路電圧ＤＣ１４Ｖ
・底角電流２５Ａ
・接点接触力２０ｇｆ
・接点開離力２０ｇｆ

上記試験結果からわかるように、本発明接点材料は、従来接点材料に比べて高い耐溶着性および接触抵抗安定性を示している。例えば、表１および表２において、Ｓｎ，Ｔｅ，Ｎｉの各成分組成が同様の本発明接点材料の実施例５と従来接点材料の従来例２とを比較すると、従来例２の耐久回数および接触抵抗が１５８，７３４回および８．９２ｍΩであるのに対し、実施例５では、耐久回数および接触抵抗が２８１，６８７回および３．９２ｍΩであり、１０万回以上も耐久回数が増えて飛躍的に耐久寿命が延びていると共に、半分以下の接触抵抗が得られている。

また、硬度についても、従来接点材料が全てＨｖ１００以上であるのに対し、本発明接点材料は、全てＨｖ１００未満であり、加工性に優れた適度な硬度が得られている。

次に、本発明接点材料（表１の実施例４）および従来接点材料（表２の従来例１）について、金属顕微鏡による断面の組織観察画像を、図１に示す。この画像からわかるように、従来接点材料が微細な組織を有しているのに対し、本発明接点材料では、粗粒が均一に分散した組織を有している。

また、本発明接点材料（表１の実施例４）について、その断面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）による画像と、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）により測定したＡｇ，Ｓｎ，Ｃｕ，Ｔｅの各元素分布像とを図２に示す。この画像からわかるように、本発明接点材料は、Ａｇのマトリックス中に粗粒Ｓｎ酸化物およびＴｅ，Ｃｕを含む粗粒酸化物複合構造体が均一に分散した組織となっている。

さらに、本発明接点材料および従来接点材料において、酸化物（Ｓｎ酸化物および酸化物複合構造体）の平均粒径について測定した。この平均粒径の測定方法は、本発明接点材料および従来接点材料の断面をＳＥＭにて撮影（３０００倍）した画像をパーソナルコンピュータの解析ソフトによって二値化し、各酸化物の面積を求め、面積相当径（円相当径）を算出して平均粒径とした。その結果、従来接点材料では、酸化物の平均粒径が０．１μｍであったのに対し、本発明接点材料では、酸化物の平均粒径が０．７μｍと大きく、粗粒化していることが確認された。
このように、本発明接点材料では、添加したＣｕと高温熱処理との相乗効果によって酸化物が成長して粗粒化することで、Ｉｎフリーで良好な加工性を維持しつつ上記接点性能を向上させることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

Claims (2)

1. 添加金属として重量％で、
   Ｓｎ：５〜１５％、
   Ｔｅ：０．０５〜１．５％、
   Ｃｕ：０．０５〜１％未満
   を含有し、残りがＡｇと不可避不純物とからなる組成を有するＡｇ合金を、内部酸化処理した後に７５０〜９６０℃で高温熱処理してなることを特徴とする銀−酸化物系電気接点材料。
2. 請求項１に記載の銀−酸化物系電気接点材料において、
   前記添加金属として、さらに重量％で、
   Ｎｉ：０．０５〜０．５％を含有していることを特徴とする銀−酸化物系電気接点材料。