JP2021025089A - 電気接点材料、端子金具、コネクタ、及びワイヤーハーネス - Google Patents
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Abstract
Description
基材と、
前記基材の表面に設けられる被覆層と、
前記被覆層の表面に設けられる酸化物層とを備え、
前記基材は、Cuを含み、
前記被覆層は、Zn、Cu、及びSnを含み、
前記酸化物層は、Zn、Cu、及びSnを含む酸化物で構成され、
半径1mmの球状の圧子を、負荷荷重を1N、摺動速度を100μm/sec、ストロークを50μm、往復回数を10回として、前記酸化物層に対して直線状に摺動させたとき、前記往復回数が1回から10回までの最大の接触抵抗が、5mΩ以下である。
電線と、
前記電線に取り付けられる本開示に係る端子金具、又は本開示に係るコネクタとを備える。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
基材と、
前記基材の表面に設けられる被覆層と、
前記被覆層の表面に設けられる酸化物層とを備え、
前記基材は、Cuを含み、
前記被覆層は、Zn、Cu、及びSnを含み、
前記酸化物層は、Zn、Cu、及びSnを含む酸化物で構成され、
半径1mmの球状の圧子を、負荷荷重を1N、摺動速度を100μm/sec、ストロークを50μm、往復回数を10回として、前記酸化物層に対して直線状に摺動させたとき、前記往復回数が1回から10回までの最大の接触抵抗が、5mΩ以下である。
前記往復回数を100としたとき、前記往復回数が1回から100回までの最大の接触抵抗が、5mΩ以下であることが挙げられる。
前記被覆層は、前記基材の表面に前記基材側から順に設けられた第一層、及び第二層を有し、
前記第一層は、Zn、Cu、及びSnを含み、
前記第二層は、Snを含み、
前記第二層の厚みは、0.50μm以下であることが挙げられる。
前記第一層に含まれるC、O、Zn、Cu、及びSnの合計含有量を100原子%とするとき、前記第一層に含まれるZn、Cu、及びSnの各々の含有量は、
Znが0.01原子%以上50原子%以下、
Cuが10原子%以上90原子%以下、
Snが10原子%以上90原子%以下であることが挙げられる。
前記被覆層は、前記基材の表面に前記基材側から順に設けられた下地層、第一層、及び第二層を有し、
前記下地層は、Niを含み、
前記第一層は、Ni、Zn、Cu、及びSnを含み、
前記第二層は、Snを含み、
前記第二層の厚みは、0.50μm以下であることが挙げられる。
前記第一層に含まれるC、O、Ni、Zn、Cu、及びSnの合計含有量を100原子%とするとき、前記第一層に含まれるNi、Zn、Cu、及びSnの各々の含有量は、
Niが15原子%以上35原子%以下、
Znが5原子%以上30原子%以下、
Cuが1原子%以上30原子%以下、
Snが25原子%以上55原子%以下であることが挙げられる。
前記第一層の厚みは、0.1μm以上5.0μm以下であることが挙げられる。
前記酸化物層の厚みは、0.01μm以上5.0μm以下であることが挙げられる。
上記(1)から上記(8)のいずれか1つの電気接点材料を備える。
電線と、
前記電線に取り付けられる上記(9)の端子金具、又は上記(10)のコネクタとを備える。
本開示の実施形態の詳細を、以下に説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。
〔電気接点材料〕
図1を参照して、実施形態1の電気接点材料1を説明する。本形態の電気接点材料1は、基材2と被覆層3と酸化物層4とを備える。基材2は、Cuを含む。本形態の電気接点材料1の特徴の一つは、以下の(1)〜(3)の点にある。
(1)被覆層3が特定の材質を含む。
(2)酸化物層4が特定の材質で構成されている。
(3)摺動試験後の接触抵抗が低い。
以下、各構成を詳細に説明する。図1は、電気接点材料1における被覆層3及び酸化物層4の積層方向に沿った断面図を示す。図1の被覆層3の下地層30から第二層32の各層の厚みと酸化物層4の厚みとは、模式的に示されたものであり、必ずしも実際の厚みに対応しているわけではない。この点は、図3でも同様である。
基材2は、純Cu、又はCu合金で構成される。基材2はCuを含むことで導電性に優れる。基材2の形状は、板状や棒状など種々の形状を適宜選択できる。基材2のサイズは、電気接点材料1の用途に応じて種々の寸法を適宜選択できる。
被覆層3は、基材2の酸化を抑制する。被覆層3は、基材2の表面に設けられる。被覆層3は、本形態では基材2の表面に基材2側から酸化物層4側に向かって順に設けられた下地層30、第一層31、及び第二層32の三層構造を有する。
下地層30は、被覆層3における最内側、即ち、基材2の直上に設けられる。下地層30は、Niを含む。下地層30は、Ni以外の元素として、例えば、Zn、Cu、及びSnからなる群より選択される1種以上の元素を含むことが挙げられる。下地層30におけるNiの含有量は、第一層31、及び第二層32におけるNiの含有量よりも多い。下地層30に含まれるNi、Zn、Cu、Snの合計含有量を100原子%としたとき、下地層30におけるNiの含有量は、例えば、90原子%以上が挙げられる。この下地層30におけるNiの含有量は、100原子%以下が挙げられる。下地層30におけるNiの含有量は、更に95原子%以上100原子%以下が挙げられ、98原子%以上100原子%以下が挙げられ、特に99原子%以上100原子%以下が挙げられる。下地層30中のNiの含有量は、エネルギー分散型蛍光X線分析(EDX)装置を用い、EDX装置の加速電圧を15kVとすることで測定できる。
第一層31は、下地層30と第二層32との間に設けられる。第一層31は、Ni、Zn、Cu、及びSnの4つの元素を含む。これら4つの元素を含む第一層31は、電気接点材料1に熱が作用しても接触抵抗の上昇の抑制に寄与すると考えられる。即ち、電気接点材料1は、この第一層31を有することで、耐熱性に優れる。これら4つの元素の存在形態は問わない。存在形態としては、単体金属、合金、化合物、単体金属と化合物との複合体、合金と化合物との複合体などが挙げられる。上記合金は、上記4つの元素からなる群より選択される2つ以上の元素を含んでいればよい。勿論、上記合金は、上記4つの元素の全てを含んでいてもよい。上記化合物は、上記4つの元素から選択される1つ以上の元素を含んでいればよい。第一層31は、上記4つの元素の他に、C(炭素)、O(酸素)を含むことが挙げられる。
第二層32は、被覆層3における最外側、即ち、酸化物層4の直下に設けられる。第二層32は、Snを含む。第二層32は、Sn以外の元素として、例えば、Ni、Zn、及びCuからなる群より選択される1種以上の元素を含むことが挙げられる。また、第二層32は、上記4つの元素の他に、C、Oを含むことが挙げられる。第二層32におけるSnの含有量は、下地層30及び第一層31におけるSnの含有量よりも多い。第二層32に含まれるC、O、Ni、Zn、Cu、Snの合計含有量を100原子%としたとき、第二層32におけるSnの含有量は、例えば、40原子%以上が挙げられる。この第二層32におけるSnの含有量は、90原子%以下が挙げられる。第二層32におけるSnの含有量は、更に45原子%以上80原子%以下が挙げられ、特に50原子%以上75原子%以下が挙げられる。第二層32に含まれる元素の含有量の測定方法は、下地層30の測定方法と同様である。
酸化物層4は、被覆層3の表面に設けられる。即ち、酸化物層4は、電気接点材料1の最表面を構成する。酸化物層4は、Zn、Cu、及びSnを含む酸化物で構成される。酸化物層4は、例えば、ZnO、SnO、SnO2、CuO、CuO2などの酸化物が混合して存在し得る。酸化物層4は、上記各種の酸化物からなる化合物を含んでいてもよい。酸化物層4は、例えば、ZnOにおけるZnの一部をCuやSnに置換した(Zn,Cu)Oや(Zn,Sn)Oを含んでいてもよい。酸化物層4は、Cuの酸化物が他の酸化物に比較して少ない。具体的には、酸化物層4は、Cuの酸化物がZnの酸化物に比較して少ない。Cuの酸化物が少ない酸化物層4は、低抵抗であり、導電性を確保し易い。
電気接点材料1は、摺動試験後の接触抵抗が低い。摺動試験は、金めっきした半径1mmの球状の圧子を電気接点材料1に対して直線状に摺動させることで行う。金めっきの純度は、実質的にK24とする。金めっきの厚みは、0.4μmとする。圧子の摺動は、常温環境下で行う。圧子の負荷荷重は1Nとする。摺動速度は100μm/secとする。ストロークは50μmとする。往復回数は、1回から10回まで、又は1回から100回までとする。1往復ごとに接触抵抗を測定する。測定数(N数)は2回とする。往復回数を1回から10回までとしたとき、電気接点材料1における最大の接触抵抗は、5mΩ以下である。この電気接点材料1は耐摩耗性に優れる。そのため、この電気接点材料1は相手材と摺動する部材として好適に利用できる。この電気接点材料1における最大の接触抵抗は、更に3mΩ以下が好ましく、特に2.5mΩ以下が好ましい。また、往復回数を1回から100回までとしたとき、電気接点材料1における最大の接触抵抗も5mΩ以下が好ましい。この電気接点材料1は、より一層耐摩耗性に優れる。そのため、この電気接点材料1は、相手材と摺動する部材として長期的に使用できる。この電気接点材料1における最大の接触抵抗は、更に4.5mΩ以下が好ましく、特に4.0mΩ以下が好ましい。
図2を参照して、本形態の電気接点材料1を製造する電気接点材料の製造方法を説明する。図2は、電気接点材料1の素材10における被覆層13の積層方法に沿った断面を示す。この点は、後述する図4でも同様である。電気接点材料の製造方法は、素材10を準備する工程S1と、素材10に熱処理を施す工程S2とを備える。
準備する素材10は、基材12と被覆層13とを備える。基材12は、上述した電気接点材料1における基材2である。被覆層13は、基材12の表面に基材12側から順に設けられた下地素材層130、第一の素材層131、第二の素材層132、及び第三の素材層133の四層構造を有する。
下地素材層130は、後述する熱処理後、上述した電気接点材料1の下地層30を形成する。下地素材層130は、純Ni、又はNi合金で構成される。Ni合金は、Ni以外の添加元素として、例えば、Sn、Zn、及びCuからなる群より選択される1種以上の元素を含むことが挙げられる。熱処理後の下地層30の厚みは、熱処理前の下地素材層130の厚みよりも薄くなる傾向にある。そのため、下地素材層130の厚みは、下地層30の厚みよりも厚くする。下地素材層130の厚みは、例えば、0.5μm以上が挙げられる。下地素材層130の厚みが0.5μm以上であれば、熱処理によって基材12中のCuが被覆層13の表面側に向かう拡散を抑制し易い。Cuの拡散を抑制できることで、上述した特定の元素を含む第一層31を確実に形成し易い。その上、上述したCuの含有量が少ない酸化物層4を形成し易い。これらの効果は、下地素材層130の厚みが厚いほど得られる。下地素材層130の厚みは、更に0.7μm以上が挙げられ、特に1.0μm以上が挙げられる。下地素材層130の厚みの上限は、例えば、4.0μm程度が挙げられる。
第一の素材層131は、後述する熱処理後、主として上述した電気接点材料1の第二層32を形成する。この第一の素材層131の一部は、後述する熱処理後、上述した電気接点材料1の第一層31を形成する。
第二の素材層132は、後述する熱処理後、主として上述した電気接点材料1の酸化物層4を形成する。この第二の素材層132の一部は、後述する熱処理後、上述した電気接点材料1の第一層31を形成する。
第三の素材層133は、後述する熱処理後、主として上述した電気接点材料1の第一層31を形成する。この第三の素材層133の一部は、後述する熱処理後、上述した電気接点材料1の酸化物層4を形成する。
熱処理は、熱処理温度をSnの融点以上の温度とし、保持時間を所定時間とする。熱処理温度とは、素材10の温度である。保持時間とは、素材10の温度を上記熱処理温度に保持する時間である。この熱処理により、液相状態のSnと、ZnやCuとが適切に反応する。この熱処理により、基材12の表面に基材12側から順に上述した被覆層13と酸化物層4とを有する電気接点材料1を作製できる。
本形態の電気接点材料1は、相手材と摺動しても相手材との接触抵抗が低い。その上、本形態の電気接点材料1は、高温環境下に長時間晒すといった加速劣化試験を行っても、相手材との接触抵抗が低い。
〔電気接点材料〕
図3を参照して、実施形態2に係る電気接点材料1を説明する。本形態の電気接点材料1は、被覆層3の構造が実施形態1に係る電気接点材料1と相違する。具体的には、本形態における被覆層3は、下地層30(図1を参照)を有さず、第一層31と第二層32との二層構造を有する点が、実施形態1に係る電気接点材料1と相違する。以下の説明は、実施形態1との相違点を中心に行う。実施形態1と同様の構成の説明は省略する。
(第一層)
第一層31は、被覆層3における最内側、即ち、基材2の直上に設けられる。第一層31は、Niの含有量が少ない又はNiを含まない点と、Zn、Cu、及びSnの各々の含有量とが、実施形態1における被覆層3の第一層31と相違する。Zn、Cu、及びSnの3つの元素の存在形態は問わない。存在形態としては、上述した通り、単体金属、合金、化合物、単体金属と化合物との複合体、合金と化合物との複合体などが挙げられる。上記合金は、上記3つの元素からなる群より選択される2つ以上の元素を含んでいればよい。勿論、上記合金は、上記3つの元素の全てを含んでいてもよい。上記化合物は、上記3つの元素から選択される1つ以上の元素を含んでいればよい。第一層31は、上記3つの元素の他に、C、Oを含むことが挙げられる。
第二層32は、被覆層3における最外側、即ち、酸化物層4の直下に設けられる。第二層32は、Niの含有量が少ない又はNiを含まない点と、Snの含有量とが、実施形態1における被覆層3の第二層32と異なる。第二層32におけるSnの含有量は、第一層31におけるSnの含有量よりも多い。第二層32に含まれるC、O、Zn、Cu、Snの合計含有量を100原子%としたとき、第二層32におけるSnの含有量は、例えば、40原子%以上が挙げられる。この第二層32におけるSnの含有量は、90原子%以下が挙げられる。第二層32におけるSnの含有量は、更に45原子%以上80原子%以下が挙げられ、特に50原子%以上75原子%以下が挙げられる。
図4を参照して、本形態の電気接点材料1を製造する電気接点材料の製造方法を説明する。電気接点材料の製造方法は、被覆層13の構造が上述の製造方法と相違する。具体的には、素材10の被覆層13は、下地素材層(図2を参照)を有さず、第一の素材層131、第二の素材層132、及び第三の素材層133の三層構造を有する点が、上述の製造方法と相違する。即ち、基材12の直上に第一の素材層131を設ける点を除き、上述の製造方法と同様である。
本形態の電気接点材料1は、実施形態1の電気接点材料1と同様、相手材と摺動しても相手材との接触抵抗が低い。
〔ワイヤーハーネス〕
実施形態1、2に係る電気接点材料1は、端子金具に好適に利用できる。端子金具としては、コネクタに備わる端子金具、ワイヤーハーネスに備わる端子金具、ワイヤーハーネスに備わるコネクタの端子金具などに好適に利用できる。実施形態3では、実施形態1又は実施形態2に係る電気接点材料1の適用例として、図5を参照して、電線300と端子金具200とを備えるワイヤーハーネス100を説明する。
本形態のワイヤーハーネス100は、導電性に優れる。メス型の嵌合部230における弾性片232、233の少なくとも一方が耐摩耗性に優れる電気接点材料1で構成されている。そのため、メス型の嵌合部230とオス型の嵌合部とが摺動しても、両嵌合部同士の間で良好な電気的接続を行えるからである。
試験例では、電気接点材料を作製し、電気接点材料の接触抵抗を測定した。
各試料の電気接点材料は、上述の製造方法と同様にして、素材を準備する工程と素材に熱処理を施す工程とを経て作製した。
素材は、基材の表面に基材の厚み方向に沿って基材側から順に下地素材層、第一の素材層、第二の素材層、及び第三の素材層の四層構造を有する被覆層を設けることで準備した。
各素材への熱処理は、各素材の温度が270℃となるように素材を加熱することで行った。上記温度に保持する時間は3分とした。加熱雰囲気は、酸素雰囲気とした。加熱時間経過後、得られた電気接点材料を常温にまで冷却した。
電気接点材料の断面を観察すると共に、基材の表面に設けられた被覆層の成分を分析した。断面は、基材の厚み方向に沿った断面をとった。断面の観察には、SEMを用いた。成分の分析には、上述したEDX装置を用いた。EDX装置の加速電圧は15kVとした。その結果、電気接点材料は、基材の表面に基材側から順に下地層、第一層、第二層、及び酸化物層の4つの層を有する被覆層が形成されていることがわかった。具体的には、下地層は、Niを含むことがわかった。下地層は、Ni以外に、Zn、Cu、及びSnも含んでいた。第一層は、Ni、Zn、Cu、及びSnを含むことがわかった。第二層は、Snを含むことがわかった。第二層は、Sn以外に、Ni、Zn、及びCuも含んでいた。酸化物層は、Zn、Cu、及びSnを含む酸化物で構成されていることがわかった。酸化物層は、Zn、Cu、及びSn以外の金属元素を含んでいなかった。第一層に含まれるNi、Zn、Cu、及びSnの各々の含有量を表2に示す。表2に示す各元素の含有量は、C、O、Ni、Zn、Cu、及びSnの合計含有量を100原子%としたときの値である。
各層の厚みを次のようにして求めた。被覆層の積層方向に沿って一つの断面をとった。SEMを用い、断面から2個の反射電子像をとった。各反射電子像のサイズは、30μm×40μmとした。各反射電子像において、被覆層の積層方向に沿った各層の長さを5箇所以上測定した。測定した下地層の長さの平均値、第一層の長さの平均値、第二層の長さの平均値、及び酸化物層の長さの平均値をとった。各平均値を各層の厚みとした。試料No.1〜No.3、No.101の電気接点材料における各層の厚みを表2に示す。
各電気接点材料の接触抵抗として、(1)初期の接触抵抗、(2)加速劣化試験後の接触抵抗、(3)摺動試験後の接触抵抗、を測定した。それらの結果を表2に示す。表2において、加速劣化試験後の接触抵抗の欄に示す「−」は、接触抵抗が大きすぎて使用した測定装置では測定できなかったことを意味する。
2 基材
3 被覆層
30 下地層
31 第一層
32 第二層
4 酸化物層
10 素材
12 基材
13 被覆層
130 下地素材層
131 第一の素材層
132 第二の素材層
133 第三の素材層
100 ワイヤーハーネス
200 端子金具
210 ワイヤバレル部
220 インシュレーションバレル部
230 嵌合部
231 箱部
232,233 弾性片
300 電線
310 導体
320 絶縁層
Claims (11)
- 基材と、
前記基材の表面に設けられる被覆層と、
前記被覆層の表面に設けられる酸化物層とを備え、
前記基材は、Cuを含み、
前記被覆層は、Zn、Cu、及びSnを含み、
前記酸化物層は、Zn、Cu、及びSnを含む酸化物で構成され、
半径1mmの球状の圧子を、負荷荷重を1N、摺動速度を100μm/sec、ストロークを50μm、往復回数を10回として、前記酸化物層に対して直線状に摺動させたとき、前記往復回数が1回から10回までの最大の接触抵抗が、5mΩ以下である、
電気接点材料。 - 前記往復回数を100としたとき、前記往復回数が1回から100回までの最大の接触抵抗が、5mΩ以下である請求項1に記載の電気接点材料。
- 前記被覆層は、前記基材の表面に前記基材側から順に設けられた第一層、及び第二層を有し、
前記第一層は、Zn、Cu、及びSnを含み、
前記第二層は、Snを含み、
前記第二層の厚みは、0.50μm以下である請求項1又は請求項2に記載の電気接点材料。 - 前記第一層に含まれるC、O、Zn、Cu、及びSnの合計含有量を100原子%とするとき、前記第一層に含まれるZn、Cu、及びSnの各々の含有量は、
Znが0.01原子%以上50原子%以下、
Cuが10原子%以上90原子%以下、
Snが10原子%以上90原子%以下である請求項3に記載の電気接点材料。 - 前記被覆層は、前記基材の表面に前記基材側から順に設けられた下地層、第一層、及び第二層を有し、
前記下地層は、Niを含み、
前記第一層は、Ni、Zn、Cu、及びSnを含み、
前記第二層は、Snを含み、
前記第二層の厚みは、0.50μm以下である請求項1又は請求項2に記載の電気接点材料。 - 前記第一層に含まれるC、O、Ni、Zn、Cu、及びSnの合計含有量を100原子%とするとき、前記第一層に含まれるNi、Zn、Cu、及びSnの各々の含有量は、
Niが15原子%以上35原子%以下、
Znが5原子%以上30原子%以下、
Cuが1原子%以上30原子%以下、
Snが25原子%以上55原子%以下である請求項5に記載の電気接点材料。 - 前記第一層の厚みは、0.1μm以上5.0μm以下である請求項3から請求項6のいずれか1項に記載の電気接点材料。
- 前記酸化物層の厚みは、0.01μm以上5.0μm以下である請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電気接点材料。
- 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電気接点材料を備える、
端子金具。 - 請求項9に記載の端子金具を備える、
コネクタ。 - 電線と、
前記電線に取り付けられる請求項9に記載の端子金具、又は請求項10に記載のコネクタとを備える、
ワイヤーハーネス。
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