JP2023513011A - 充電端子の銀合金クラッド構造およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[0001]本出願は、2020年1月28日に出願された米国仮特許出願第62/966,821号に基づく優先権を主張するものであり、該仮特許出願は参照により本明細書に組み込まれる。
[0027]先に検討したように、従来の方法を用いて製造される従来の充電端子材料は、進化し続ける高電力製品、例えば電気自動車で要求される機械的および電気的性能要件の向上を満たすことができなかった。特に、摩擦係数、耐久性および/または挿入力の改善を示しながら、改善された電気伝導率および低抵抗を示す構造が必要である。
[0031]基板は、電気的特性(導電性)および機械的特性を有し、接触層と相乗的に協働して、驚くべきことに、電気的と機械的の両方で充電端子の全体的な性能を改善する。一部の実施形態において、基板は、充電端子を通して電流を流すための導電体、例えば金属または金属合金、より具体的には銅または銅合金で作られ得る。一部の実施形態において、基板は、高電力用途用の急速充電要件により要求される比較的高い導電率を有し得る。一部の実施形態において、基板は、40%国際軟銅規格(IACS)超、例えば60%IACS超の導電率を有し得る。IACSは、本明細書に記載される様々な材料の導電率を規定するための比較特性として本明細書で用いられ、銅の導電率だけに制限されない。例えば、説明で、材料の導電率が85%IACSであると規定され得、これは、特定の材料の電気伝導率が、IACSで規定される純銅の85%であることを意味する。IACSで規定される純銅の導電率、すなわち100%IACSは、5.8001×107ジーメンス毎メートル(S/m)である。したがって、85%IACSの導電率は、85%×5.8001×107S/m=4.9301×107S/mである。
[0037]先に検討したように、希土類金属の添加は、接触層に非常に低い摩擦係数を達成させ、それにより、製造される充電端子の挿入力を低減する。理論に拘束されるものではないが、低摩擦係数は、接触層に含有される金属のうちの1つまたは複数から発生し得る1つまたは複数の滑らかな酸化物の結果であり得ると考えられる。一部の実施形態において、酸化物は、接触層が空気にさらされたとき接触層に含有される希土類金属から発生する酸化物を含み得る。一部の実施形態において、1つまたは複数の発生した酸化物は、酸化サマリウムを含み得る。一部の実施形態において、1つまたは複数の発生した酸化物は、酸化サマリウム(III)をさらに含み得る。一部の実施形態において、接触層に含有される他の金属、例えば銀、ニッケル、銅、亜鉛などはまた、基板の表面に1つまたは複数の酸化物を形成し得る。希土類金属酸化物、例えば酸化サマリウムの独特で予想外の性質が、銀合金マトリックスの表面に低摩擦効果を付与すると考えられる。
[0039]一部の実施形態において、希土類金属、例えばサマリウムは、貴金属、例えば銀の量より(有意に)少ない量で接触層に存在し得る。一部の実施形態において、接触層は、接触層の全重量を基準として0.001wt%~10wt%、例えば0.1wt%~9wt%、1wt%~8wt%、2wt%~7wt%、3wt%~6wt%、または4wt%~5wt%の希土類金属を含み得る。下限に関して、接触層は、0.001wt%超、例えば0.005wt%超、0.01wt%超、0.05wt%超、0.1wt%超、0.5wt%超、1wt%超、2wt%超、3wt%超、4wt%超、5wt%超、6wt%超、7wt%超、8wt%超、9wt%超、9.5wt%超、9.9wt%、またはそれ以上の希土類金属を含み得る。上限に関して、接触層は、10wt%未満、例えば9wt%未満、8wt%未満、7wt%未満、6wt%未満、5wt%未満、4wt%未満、3wt%未満、2wt%未満、1wt%未満、0.5wt%未満、0.1wt%未満、0.05wt%未満、0.01wt%未満、0.005wt%未満、またはそれ以下の希土類金属を含み得る。場合によっては、希土類金属はサマリウムを含み、サマリウムは前述の量で存在する。一部の実施形態において、接触層の残量または残部は、貴金属、例えば銀であり得る。
摩擦係数
[0048]基板上に電気めっきされ得る従来の(純および/または電気めっき)銀の接触層と比較した場合、希土類金属を添加した貴金属系接触層は、従来の電気めっき銀の接触層の摩擦係数より少なくとも20%低い、例えば30%低い、40%低い、50%低い、60%低い、70%低い、80%低い、90%低い、または95%低い摩擦係数を示し得る。一部の実施形態において、貴金属系接触層は、ASTM G99-17に従って測定して0.01~1.4、例えば0.01~1.4、0.05~1.4、0.2~1.4、0.2~1.2、0.2~1、0.3~0.9、0.3~0.8、0.3~0.7、または0.4~0.6の摩擦係数を示し得る。上限に関して、貴金属系接触層の摩擦係数は、1.4未満、例えば1.3未満、1.2未満、1.1未満、1未満、0.9未満、0.8未満、0.7未満、0.6未満、0.5未満、0.4未満、0.3未満、0.2未満、または0.15未満であり得る。特定の幾何学的設計に応じて、摩擦係数の測定はまた、ASTM D3702、ASTM G77、ASTM G83、ASTM G115、および/またはASTM G133を含む試験のうちの1つを用いて行われ得る。
[0049]貴金属系接触層はまた、従来の電気めっき銀の接触層に比べて改善された硬度を示し得、したがって耐摩耗性/耐侵食性の改善を可能にし得る。接触層の硬度は、ビッカース硬度スケールを用いて評価され得、測定した硬度値は、ビッカース数(HV)で表され得る。接触層の硬度を測定するために採用される試験としては、ASTM E384-17を挙げることができる。一部の実施形態において、貴金属系接触層は、ビッカース硬度スケールに従って25HV~200HV、例えば25HV~175HV、25HV~150HV、25HV~125HV、25HV~100HV、25HV~75HV、25HV~50HV、50HV~200HV、50HV~175HV、50HV~150HV、50HV~125HV、50HV~100HV、50HV~75HV、75HV~200HV、75HV~175HV、75HV~150HV、75HV~125HV、75HV~100HV、100HV~200HV、100HV~175HV、100HV~150HV、100HV~125HV、100HV~120HV、125HV~200HV、125HV~175HV、125HV~150HV、150HV~175HV、または175HV~200HVの範囲の硬度を示し得る。下限に関して、貴金属系接触層は、25HV超、例えば50HV超、60HV超、70HV超、80HV超、90HV超、100HV超、125HV超、150HV超、175HV超、180HV超、190HV超、195HV超、またはそれ以上の硬度を示し得る。上限に関して、貴金属系接触層は、200HV未満、例えば175HV未満、150HV未満、125HV未満、100HV未満、90HV未満、80HV未満、70HV未満、60HV未満、50HV未満、40HV未満、30HV未満、またはそれ未満の硬度を示し得る。
[0050]充電端子の動作に必要とされる摩擦係数の低減および挿入力の低減をもたらす表面酸化物の形成にも拘わらず、貴金属系接触層は、それでもなお、比較的高い導電率を有利に示し、例えば接触層は、低摩擦係数と高導電率の相乗的組合せを示す。一部の実施形態において、貴金属系接触層は、80%IACS(4.6401×107S/m)~100%IACS(5.8001×107S/m)、例えば85%IACS(4.9301×107S/m)~100%IACS(5.8001×107S/m)、80%IACS(4.6401×107S/m)~95%IACS(5.5101×107S/m)、90%IACS(5.2201×107S/m)~100%IACS(5.8001×107S/m)、95%IACS(5.5101×107S/m)~100%IACS(5.8001×107S/m)、85%IACS(4.9301×107S/m)~95%IACS(5.5101×107S/m)、または90%IACS(5.2201×107S/m)~95%IACS(5.5101×107S/m)の範囲の導電率を示し得る。下限に関して、貴金属系接触層は、80%IACS超(4.6401×107S/m)、例えば82%IACS超(4.7561×107S/m)、84%IACS超(4.8721×107S/m)、86%IACS超(4.9881×107S/m)、88%IACS超(5.1041×107S/m)、90%IACS超(5.2201×107S/m)、92%IACS超(5.3361×107S/m)、94%IACS超(5.4521×107S/m)、96%IACS超(5.5681×107S/m)、98%IACS超(5.6841×107S/m)、99%IACS超(5.7421×107S/m)、または100%IACS(5.8001×107S/m)の導電率を示し得る。
[0053]一部の実施形態において、接触層は、2μm~100μm、2μm~50μm、3μm~40μm、4μm~35μm、5μm~40μm、5μm~35μm、10μm~30μm、10μm~25μm、または15μm~20μmの範囲の厚さを有し得る。上限に関して、接触層は、40μm未満、例えば35μm未満、30μm未満、25μm未満、20μm未満、15μm未満、10μm未満、7μm未満、またはそれ以下の厚さを有し得る。下限に関して、接触層は、5μm超、例えば10μm超、15μm超、20μm超、またはそれ以上の厚さを有し得る。
[0056]接触層の厚さおよび/または基板の厚さ、ならびに充電端子の設計に応じて、層状構造を用いて製造される充電端子は、4.64×107S/m~5.8×107S/m、例えば4.7×107S/m~5.8×107S/m、4.8×107S/m~5.8×107S/m、4.9×107S/m~5.8×107S/m、5.0×107S/m~5.8×107S/m、5.1×107S/m~5.8×107S/m、5.2×107S/m~5.8×107S/m、5.3×107S/m~5.8×107S/m、5.4×107S/m~5.8×107S/m、5.5×107S/m~5.8×107S/m、5.6×107S/m~5.8×107S/m、または5.7×107S/m~5.8×107S/mの範囲の導電率を示し得る。下限に関して、充電端子の導電率は、4.64×107S/m超、例えば4.7×107S/m超、4.8×107S/m超、4.9×107S/m超、5.0×107S/m超、5.1×107S/m超、5.2×107S/m超、5.3×107S/m超、5.4×107S/m超、5.5×107S/m超、5.6×107S/m超、5.7×107S/m超、5.75×107S/m超、またはそれ以上であり得る。上述の導電率の範囲はまた、層状構造を用いて製造される充電端子に適用できる。
[0057]図1は、充電端子または充電接点を形成または製造するために用いられ得る層状構造100を図式的に示す。層状構造100は、基板102および基板102上に配置される接触層104を含み得る。図1は、接触層104が基板102全体にわたって配置されることを示すが、一部の実施形態において、接触層104は、基板102の一部または複数の部分の上に配置され得る。基板102は、充電端子を通して電流を流すための(高)導電体、例えば金属または金属合金、より具体的には例えば銅または銅合金で作られ得る。基板102は、接触層104に機械的支持を提供するように、および/または形成された充電端子の構造的完全性を維持するように構成され得る。
[0067]本明細書に記載される様々な層状構造は、クラッドまたは任意の他の好適な方法によって製造され得る。クラッドは、2つ以上の合金が、例えば連続コイルで冶金的に接合される連続金属接合方法である。クラッドとしては、圧延クラッド、熱間または温間クラッド、共押出などを挙げることができる。
[0075]図9Aは、充電端子または充電接点を形成または製造するために用いられ得る別の層状構造900を図式的に示す。層状構造900は、貴金属系接触層またはインレー904が基板102の端部に配置されることを除いて、図3に示す層状構造300と同様である。図9Bは、層状構造900を用いて製造される充電端子のプラグ端部910を図式的に示し、図9Cは、層状構造900を用いて製造される充電端子のリセプタクル端部920を図式的に示す。
[0080]サマリウム添加剤と共にアルミニウム、銅、ニッケル、および亜鉛を含む貴金属/希土類金属合金(銀-サマリウム)を用意した。同じ金属を含むが、サマリウム添加剤を含まない比較合金も同様に用意した。成分の組成量を、表1に示す。
[0086]以下の実施形態が企図される。特徴および実施形態のすべての組合せが企図される。
[0089]実施形態3:接触層が、サマリウムを含む、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0091]実施形態5:接触層が、銀合金を含む、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0093]実施形態7:接触層が、酸化サマリウムを含む、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0095]実施形態9:接触層が、0.2vol%未満の酸化サマリウムを含む、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0098]実施形態12:接触層が、0.001wt%~10wt%のサマリウム;および/または50wt%~99.9wt%の銀を含む、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0100]実施形態14:接触層が、50wt%~99.9wt%の銀;0.1wt%~20wt%のニッケル;1wt%~30wt%の銅;および0.001wt%~10wt%の亜鉛を含む、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0102]実施形態16:接触層が、0.1~1.4の範囲の摩擦係数を示す、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0104]実施形態18:接触層が、86%IACS超(または4.9881×107S/m超)の導電率を示す、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0106]実施形態20:接触層が、25HV~100HVの範囲の硬度を示す、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0108]実施形態22:基板が、95%IACS超(または5.5101×107S/m超)の導電率を示す、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0110]実施形態24:層状構造が、80%IACS超(または4.6401×107S/m超)の導電率を示す、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0112]実施形態26:層状構造が、0.1mm~5mmの範囲の厚さを有する、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0114]実施形態28:層状構造が、基板と接触層との間に配置される拡散バリアをさらに含む、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0116]実施形態30:拡散バリアが、0.01mm~0.05mmの範囲の厚さを有する、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0118]実施形態32:バッキング層が、高強度の銅系合金または鉄系合金を含む、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0120]実施形態34:バッキング層が、0.1mm~1mmの範囲の厚さを有する、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0122]実施形態36:基板が円筒状であり、接触層が、円筒状の基板の外面の少なくとも一部の周りに配置される、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0124]実施形態38:前述の実施形態のいずれか1つの電気端子またはコネクタであって、電気端子またはコネクタが、5,000回超の挿入および抜去サイクル、例えば10,000回超の挿入および抜去サイクルを障害なく行うように構成される、電気端子またはコネクタ。
[0129]実施形態43:50wt%~99.9wt%の銀;0.1wt%~20wt%のニッケル;1wt%~30wt%の銅;および0.001wt%~10wt%の亜鉛を含む、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0131]実施形態45:サマリウムが、酸化サマリウムである、前記実施形態のいずれか1つの実施形態。
[0133]実施形態47:基板上で接触層を形成するステップが、基板上にサマリウム金属を含む合金を形成することを含む、上述の方法実施形態のいずれか1つの実施形態。
Claims (15)
- 層状構造であって、
40%国際軟銅規格(IACS)超(または3.4801×107S/m超)の導電率を有する基板;および
前記基板の少なくとも一部の上に配置される接触層、
を含み、
前記接触層が、米国試験材料協会(ASTM)G99-17に従って測定して1.4未満の摩擦係数を示し
前記接触層が、5μm~40μmの範囲の厚さを有する、前記層状構造。 - 前記接触層が、希土類金属、好ましくはサマリウムを含む、請求項1に記載の層状構造。
- 前記接触層が、サマリウム-銀合金を含む、請求項1に記載の層状構造。
- 前記接触層が、5wt%未満のサマリウムを含む、請求項1に記載の層状構造。
- 前記接触層が:
銀、好ましくは50wt%~99.9wt%の銀;
ニッケル、好ましくは0.1wt%~20wt%のニッケル;
銅、好ましくは1wt%~30wt%の銅;および
亜鉛、好ましくは0.001wt%~10wt%の亜鉛
を含む、請求項1に記載の層状構造。 - 前記接触層または前記層状構造が、80%IACS超(または4.6401×107S/m超)の導電率を示す、請求項1に記載の層状構造。
- 前記接触層が、100HV~120HVの範囲の硬度を示す、請求項1に記載の層状構造。
- 前記層状構造が、0.1mm~5mmの範囲の厚さを有する、請求項1に記載の層状構造。
- 請求項1に記載の層状構造を含む電気端子またはコネクタであって、前記電気端子またはコネクタが、5,000回超の挿入および抜去サイクルを障害なく行うように構成される、電気端子またはコネクタ。
- 前記電気端子またはコネクタに少なくとも5,000回の挿入および抜去サイクルを行うとき、接触抵抗の増加が、30%未満、15%未満、10%未満、5%未満、3%未満、2%未満、または1%未満である、請求項9に記載の電気端子またはコネクタ。
- 充電端子であって、
40%IACS超の導電率を有する基板;および
前記基板の少なくとも一部の上に配置される接触層
を含み、
ASTM G99-17に従って測定して0.1~1.4の範囲の摩擦係数を示す、前記充電端子。 - 接触層組成物であって、
サマリウム;
銀;
ニッケル;
銅;
亜鉛
を含み、
ASTM G99-17に従って測定して0.1~1.4の範囲の摩擦係数を示す、前記接触層組成物。 - 層状構造を調製する方法であって、
基板を用意するステップと、
前記基板上に接触層を形成するステップと
を含み、
前記接触層が、サマリウム;銀;ニッケル;銅;および亜鉛を含み、
前記接触層組成物が、ASTM G99-17に従って測定して0.1~1.4の範囲の摩擦係数を示す、前記方法。 - 形成するステップが、前記接触層を空気にさらすことにより前記サマリウム金属の少なくとも一部を酸化することを含む、請求項13に記載される方法。
- ニッケルもしくはニオブを含む拡散バリアを前記基板と前記接触層との間に形成するステップ、および/または
高強度の銅もしくは鉄系合金を含むバッキング層を前記基板と前記接触層との間に形成するステップ
をさらに含み、
前記接触層、前記拡散バリアおよび前記バッキング層のいずれかを形成するステップが、任意選択でクラッドによって達成される、請求項13に記載の方法。
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