JP4023663B2

JP4023663B2 - ステンレス鋼製接点

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Publication number: JP4023663B2
Application number: JP2002005932A
Authority: JP
Inventors: 義治岩水; 雅央長尾; 啓一渡邉; 圭二和泉
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2022-01-15
Also published as: JP2003203534A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、導電性，はんだ付け性に優れ、薄肉化しても十分なバネ弾性を呈し、各種電気・電子機器に組み込まれるステンレス鋼製接点に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気・電子機器用の接点材料として、接触抵抗，導電性，バネ弾性等が良好なリン青銅が従来から使用されている。リン青銅にはＳｎ：３.５〜９.０質量％，Ｐ：０.０５〜０.２５質量％を含むC5111，C5102，C5191，C5212，C5210等があり、体積抵抗が低く、接点材料に要求されるはんだ付け性にも優れている。
しかし、リン青銅はＣｕを主成分とする材料であり、接点の材料コストを上昇させる原因である。また、接点を加圧して相手材に押し付けることにより接触抵抗を下げることができるが、耐ヘタリ性が十分でないリン青銅製接点では加圧解除しても相手材に接触したままの状態が維持されることがある。特に通電によるジュール発熱で昇温する雰囲気やヒータ周辺，自動車エンジンルーム内等の高温環境下で使用される接点では、リン青銅自体が軟化するため接触状態が持続する傾向が強くなる。このような用途では、耐熱化での耐ヘタリ性に比較的優れたバネ用チタン銅（合金番号C 1990），C19025合金等の耐熱銅合金や肉厚のリン青銅を接点材料として使用することにより耐ヘタリ性をある程度改善できるものの、材料コストが一層上昇することは勿論、小型化・軽量化に対する支障となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
リン青銅製接点の欠点を克服するため、リン青銅に代えて種々の材料を使用することが検討されている。なかでも、耐食性に優れたステンレス鋼は、代表的な代替材料として期待されている。ステンレス鋼は、リン青銅に比較して耐ヘタリ性、なかでも高温環境における耐応力緩和特性に優れている。そのため、薄肉化しても十分な強度を維持し、小型化・軽量化に適した接点材料であり、バネ用Ｔｉ銅等の耐熱銅合金に比較して安価な材料でもある。
【０００４】
しかし、ステンレス鋼は、表面にある強固な不動態皮膜のため高い接触抵抗を示し、リン青銅等の銅合金と比較して体積抵抗が高いことも欠点である。接触抵抗や体積抵抗の高いステンレス鋼をそのまま接点材料に使用すると、接触不良やジュール発熱等による電力損失を招き、たとえば充電回路に組み込まれる用途では必要電力の充電に長時間を要する。不動態皮膜は、電気・電子機器用の接点に要求されるはんだ付け性を低下させる原因でもある。
ステンレス鋼の接触抵抗は、導電性の良好な被覆層を表面に形成することによって低下できる。しかし、単に被覆層を形成しただけでは、高い体積抵抗のためにリン青銅製接点に匹敵する特性を付与できず、代替材料としての展開が期待できない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、基材に使用されるステンレス鋼、導電性被覆層としてのＣｕめっき層、及び耐食性の付与により長期にわたる低接触抵抗の維持を図るＳｎめっき層との組合せを特定することによって、従来のリン青銅製接点に匹敵する特性を呈し、小型化・軽量化に適した安価な接点を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明のステンレス鋼製接点は、その目的を達成するため、板厚ｔ（ｍｍ）が０ . ０５〜０ . ５ｍｍのステンレス鋼板を基材とし、当該基材表面上にＬ／ｔ＝４０〜２００の関係を満足する膜厚Ｌ（μｍ）を有し表面粗さがＲａで０ . ２μｍ以下に平滑化されたＣｕめっき層と、当該Ｃｕめっき層上にＬ／Ｍ＝２〜１００，Ｍ＝０ . ２〜１０を満足する膜厚Ｍ（μｍ）のＳｎめっき層が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
【実施の形態】
ステンレス鋼製接点の基材として使用されるステンレス鋼は、Ｃｒ：１２.０〜２０.０質量％，Ｎｉ：６.０〜２０.０質量％を含むオーステナイト系，Ｃｒ：１２.０〜１４.０質量％を含むマルテンサイト系、Ｃｒ：１３.５〜１８.０質量％，Ｎｉ：６.０〜８.０質量％を含む析出硬化系，Ｃｒ：１６.０〜１８.０質量％，Ｎｉ：１.５〜２.５質量％を含むα＋α'二相系，Ｃｒ：１０〜２５質量％を含むフェライト系等、バネ用ステンレス鋼として使用されている材料である。具体的には、SUS301，SUS304等のオーステナイト系，SUS420J等のマルテンサイト系、SUS631，SUS632J1等の析出硬化系、NSS−431DP2，NSS−431DP1等の二相系，SUS430，SUH409等のフェライト系が挙げられる。
【００１０】
Ｃｒは、ステンレス鋼に耐食性を付与する合金成分であり、１０.０質量％以上で耐食性改善効果が顕著になる。しかし、２０.０質量％を超える過剰量のＣｒが含まれると、材質が硬質化し、接点形状への加工が困難になる。Ｎｉは、非磁性のオーステナイト相に必要な合金成分であり、オーステナイト相維持のためには６.０質量％以上が必要である。しかし、高価な元素であることから、Ｎｉ含有量の上限を２０.０質量％に設定する。
【００１１】
ステンレス鋼は、リン青銅に比較して引張強さ，弾性係数，バネ限界値，硬さ等の機械的特性に優れており、接点使用時の高温状態でも機械的特性の劣化が少なく、耐ヘタリ性にも優れた材料である。しかし、リン青銅の８.８〜１３.２６×１０^-8Ω・ｍに比較して、７０×１０^-8Ω・ｍ以上の高い体積抵抗率を示す。高い体積抵抗率に起因する弊害は、基材に使用するステンレス鋼を薄肉化することによって抑制できる。また、機械的特性に優れているため、薄肉化しても接点材料の要求特性を十分に満足する。
【００１２】
本発明者等は、かかる観点から基材・ステンレス鋼の板厚ｔ，Ｃｕめっき層の膜厚Ｌと体積抵抗率との関係を調査した結果、後述の実施例でも説明しているように、板厚ｔ（ｍｍ）を０.０５〜０.５ｍｍの範囲に設定し，Ｃｕめっき層の膜厚Ｌ（μｍ）と板厚ｔとの間にＬ／ｔ＝４０〜２００の関係を満足させるとき、リン青銅に匹敵する体積抵抗率及び機械的特性が得られることを見出した。
基材・ステンレス鋼は、そのままでは接触抵抗を高める不動態皮膜が表面に生成している。そこで、導電性の良好なＣｕめっき層をステンレス鋼表面に形成することにより接触抵抗を低減させ、薄肉化によって接点全体としての体積抵抗率をも低減させる。
【００１３】
本発明者等による調査検討の結果、膜厚比Ｌ／ｔ≧４０で体積抵抗率が２８×１０^-8Ω以下になり、接点材料に要求される導電性が満足される。体積抵抗率はＣｕめっき層を厚膜化するほど低下するが、基材・ステンレス鋼に対して必要以上の厚膜でＣｕめっき層を形成すると、ステンレス鋼の優れた耐ヘタリ性等の機械的特性が低下する傾向がみられる。耐ヘタリ性等はステンレス鋼の材質選択によってある程度まで制御可能であるが、２００を超える膜厚比Ｌ／ｔではリン青銅に対する優位性が損なわれる。Ｃｕめっき層は、膜厚比Ｌ／ｔ＝４０〜２００の関係が維持されている限り、基材・ステンレス鋼の両面又は片面に形成することができる。或いは、両面で膜厚が異なるＣｕめっき層を形成しても良い。
【００１４】
ステンレス鋼表面に形成されたＣｕめっき層は、はんだ付け性の改善にも有効である。たとえば、リン青銅ではＰｂ−Ｓｎはんだに対して良好なはんだ濡れ性を呈するが、環境負荷の少ないＰｂフリーはんだを使用すると満足できるはんだ接合が得られない場合がある。これに対し、Ｃｕめっき層は、Ｐｂ−Ｓｎはんだは勿論、Ｐｂフリーはんだに対しても十分なはんだ付け性を呈する。
【００１５】
Ｃｕめっき層は、電気めっき法によって基材・ステンレス鋼表面に形成できるが、基材に対する密着性を高めるためＮｉプレめっき後に電気Ｃｕめっきを施すことが好ましい。光沢化剤を含まない硫酸浴やピロリン酸浴を電気Ｃｕめっきに使用すると、Ｃｕめっき層の表面が適度に粗くなる。表面が粗いＣｕめっき層は、ステンレス鋼製接点を相手材に押し付けたとき密着状態で相手材に接触し、接触界面に多数の導通路が形成されるため、接触抵抗を効果的に低減させる。
【００１６】
光沢化剤を含むめっき浴から形成されたＣｕめっき層であっても、めっき後に電解エッチング，化学エッチング，ショットブラスティング，サンドブラスティング，ダルロール圧延等でＣｕめっき層を粗面化することにより、同様に接触抵抗を低減できる。
Ｃｕめっき層の表面状態が接触抵抗に及ぼす影響は、Ｒａ：０.２μｍ以上の表面粗さで検出される。Ｒａ：０.２μｍ以上の粗面は、光沢化剤を含まないめっき浴を使用した電気Ｃｕめっきでは電流密度，電圧，浴温等の電解条件によっても達成できる。
【００１７】
高温加熱環境下での長期使用に当っては、Ｃｕめっき層の上に耐食性の改善に有効なＮｉ，Ｓｎ，Ａｕ等のめっき層を更に形成しても良い。このめっき層の膜厚は、特に規定されるものではないが、経済性及び耐食性を考慮して０.２〜１０μｍの範囲に調整される。Ｎｉめっき層又はＳｎめっき層を形成する場合、Ｃｕめっき層の表面をＲａ：０.２μｍ以下に平滑化する。
Ｎｉめっき層又はＳｎめっき層は、高温化熱環境化での腐食発生を抑制すると共に、基材・ステンレス鋼の優れた耐ヘタリ性等の機械的特性を維持する上でも有効である。このような効果は、Ｌ／Ｍ＝２〜１００，Ｍ＝０.２〜１０を満足する膜厚Ｍ（μｍ）でＮｉめっき層又はＳｎめっき層を形成することにより顕著となる。
【００１８】
膜厚比Ｌ／Ｍ＜２では導電性がＣｕより劣るＮｉ，Ｓｎの影響が強く現れ、導電率の割に厚膜化し、基材・ステンレス鋼の機械的特性が劣化する。逆に、１００を超える膜厚比Ｌ／Ｍは、Ｎｉめっき層又はＳｎめっき層が薄いことを意味し、ピンホールの増加や接点部の摩耗等に起因して下層のＣｕめっき層が露出し、湿潤雰囲気下に長時間曝されたときＣｕめっき層が変色し、変色部分の接触抵抗が高くなる。
【００１９】
Ｎｉめっき層又はＳｎめっき層の形成に際しては、Ｃｕめっき層を表面粗さＲａ：０.２μｍ以下に平滑化する。Ｒａ：０.２μｍを超えると表面粗さでは、Ｎｉめっき層又はＳｎめっき層に多量のピンホールが発生し、ピンホールを介してＣｕめっき層が露出するため耐食性，耐変色性が低下する。粗すぎるＣｕめっき層の表面は、Ｃｕめっき層の上に形成されるＮｉめっき層又はＳｎめっき層を粗面化して耐磨耗性が低下する原因であり、接点使用時に下層のＣｕめっき層が露出しやすくなる。更に、高温環境下や大電流用途では、Ｃｕめっき層とＮｉめっき層又はＳｎめっき層との界面で相互拡散が促進され、導電性に有害なＳｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｎｉ等の金属間化合物が形成しやすくなる。
【００２０】
【実施例１】
SUS304ステンレス鋼を基材に使用した例で本発明を具体的に説明するが、SUS301，SUS420J，SUS631，SUS632J1，NSS−431DP1，NSS−431DP2等、他のステンレス鋼を基材に使用した場合でも同様な結果が得られることは勿論である。
ステンレス鋼をＮｉプレめっきした後、表１の条件下で種々の膜厚をもつＣｕめっき層を形成した。Ｃｕめっき後、ベンゾトリアゾールを用いてめっき層表面を変色防止処理した。比較のために用いたリン青銅にも同様な変色防止処理を施した。
【００２１】

【００２２】
Ｃｕめっき層が形成されたステンレス鋼について、ρＶa＝（ｔ₁＋ｔ₂）／（ｔ₁／ρＶ₁＋ｔ₂／ρＶ₂）の式で体積抵抗率ρＶaを算出した。ただし、ｔ₁はステンレス鋼の板厚、ｔ₂はＣｕめっき層の膜厚，ρＶ₁はSUS304ステンレス鋼の体積抵抗率，ρＶ₂はＣｕめっき層の体積抵抗率を示す。
【００２３】
図１の計算結果にみられるように、基材・ステンレス鋼を薄肉化するほど、またＣｕめっき層を厚膜化するほど体積抵抗率が低下する。なかでも、板厚０.３ｍｍ以下のステンレス鋼に膜厚１０μｍ以上のＣｕめっき層を形成したものでは、リン青銅（C5191）に匹敵する低い体積抵抗率を呈することが判る。なお、図１では、Ｎｉめっき層を形成した板厚０.２ｍｍのステンレス鋼を比較材として掲げたが、この場合にはＮｉめっき層を厚膜化しても３０×１０^-8Ω・ｍ以上の高い体積抵抗率である。
【００２４】
基材に使用したステンレス鋼は、リン青銅（C5191）と比較すると機械的特性が格段に優れた材料である（表２）。そのため、薄肉化しても接点材料に要求されるバネ弾性，耐ヘタリ性を十分に満足している。しかも、薄肉化により体積抵抗率が低くなることから、接点材料として使用可能な材料といえる。
【００２５】

【００２６】
更に、板厚０.３ｍｍのSUS301ステンレス鋼板（０.２％耐力：１２００Ｎ／ｍｍ²）に片面当りの膜厚１５μｍでＣｕめっき層を形成したＣｕめっきステンレス鋼板から幅１０ｍｍ，長さ４０ｍｍの試験片を切り出し、図２に示す条件下で日本電子材料工業会規格１０１１（ばね材料の曲げによる応力緩和試験方法）に基づき３００℃の高温雰囲気における応力緩和率を測定した。
高温保持時間と熱応力緩和率との関係を調査した結果を示す図３にみられるように、Ｃｕめっきステンレス鋼板では、原板のSUS301ステンレス鋼板とほぼ同じ耐熱応力緩和性を呈した。比較のため同様な条件下で測定したところ、リン青銅（C5191合金）では保持時間１００時間で熱応力緩和率が１００％近くなっており、バネ性が完全に消失していた。
【００２７】
また、板厚０.３ｍｍのＣｕめっきステンレス鋼から幅１０ｍｍ，長さ１００ｍｍの試験片を切り出し、室温雰囲気で試験片の両端を定電流電源の端子にそれぞれ接続し、電流を変化させながら試験片に通電することにより、体積抵抗率及び試験片の温度を測定した。
片面当り膜厚２０μｍ（両面で４０μｍ）のＣｕめっき層を形成したステンレス鋼では、リン青銅（C5191）とほぼ同じ体積抵抗率（図４）を呈し、通電に伴う温度上昇（図５）もリン青銅（C5191）より銅板に近い傾向を呈した。膜厚１０μｍのＣｕめっき層を形成したステンレス鋼も、供給電流が少ない領域ではリン青銅（C5191）に近い体積抵抗率及び温度上昇傾向を示した。温度上昇が抑制されることは、機械的特性に優れたステンレス鋼を基材に使用することと相俟って、耐ヘタリ性の改善に有効である。
【００２８】
次いで、各Ｃｕめっきステンレス鋼のはんだ濡れ性を次の試験で調査し、はんだ付け性を評価した。
〔はんだ濡れ性試験〕
使用はんだ：千住金属(株)製ＰｂフリーはんだM31（Sn−3.5Ag−0.75Cu）
千住金属(株)製一般はんだ（Sn−40％Pb)
フラックス：日本はんだ(株)製P5（電子部品用，塩素なし）
試験温度：２５０℃（Ｐｂフリーはんだ）及び２３５℃（一般はんだ）
【００２９】
めっき直後及びめっきした試験片を６０℃，９３％ＲＨに１００時間放置した試験片について、レスカー製のソルダ−チェッカーSAT−5000を使用し、Ｐｂフリーはんだ又は一般はんだの溶融浴にサイズ１０ｍｍ×４０ｍｍ×０.３ｍｍの試験片を浸漬速度２ｍｍ／分で深さ２ｍｍまで浸漬し、当該浸漬深さに１０秒保持した。そして、試験片浸漬から濡れの力がゼロをよぎるまでの時間（ゼロクロスタイム）を測定し、ゼロクロスタイムが１.５秒以内を◎，１.５〜３秒を○，３秒以上を×としてはんだ濡れ性を評価した。
【００３０】
表３の調査結果にみられるように、Ｃｕめっきステンレス鋼は、めっき浴種，めっき膜厚に拘らず、Ｐｂフリーはんだに対しても良好なはんだ濡れ性を呈し、経時劣化試験後においても十分なはんだ濡れ性が維持されていた。リン青銅は、一般はんだでは十分なはんだ濡れ性を示すものの、Ｐｂフリーはんだに対しては特性が劣化し、経時劣化試験後のはんだ濡れ性が不十分であった。Ｎｉめっきしたステンレス鋼，銅板についても同様な傾向が示された。Ｃｕめっきステンレス鋼に比較して銅板の方がはんだ濡れ性に劣ることは、熱伝導性の良好な銅板がはんだ浴に浸漬された際に試験片周辺の浴温が低下することに原因があるものと推察される。
【００３１】

【００３２】
更に、導電性，はんだ付け性で良好な結果が得られた膜厚２０μｍ（両面で４０μｍ）のＣｕめっき層を形成した板厚０.２ｍｍのステンレス鋼を選択し、電解エッチングによりＣｕめっき層を粗面化した。このとき、電解条件の調節によってＣｕめっき層の表面粗さをＲａ：０.０５〜２.０μｍの範囲で変化させた。Ｃｕめっき層が粗面化されたステンレス鋼から切り出された試験片を用いて接触抵抗を測定し、表面粗さが接触抵抗に及ぼす影響を調査した。また、６０℃，９３％ＲＨに９６時間放置する促進劣化試験後の試験片についても同様に接触抵抗を測定した。
【００３３】
接触抵抗試験では、試験片表面に金接触端子を接触させ、摺動距離１ｍｍで金接触端子を摺動させながら荷重１００ｇのオン・オフを繰り返す摺動接触抵抗試験及び定点で試験片表面に接触させた金接触端子に荷重１００ｇをオン・オフする定位置接触抵抗試験を採用した。
表４の試験結果にみられるように、表面粗さが大きくなるほど摺動接触抵抗，定位置接触抵抗が共に低下する傾向がみられた。接触抵抗の低減に及ぼす表面粗さの影響はＲａ：０.２μｍ以上でみられ、Ｒａ：０.２５μｍ以上でほぼ銅板と同じ程度にまで接触抵抗が低下した。
【００３４】

【００３５】
【実施例２】
板厚０.２５ｍｍのＳＵＳ３０４ステンレス鋼板を基材に使用した。脱脂，酸洗したステンレス鋼板に膜厚０.１μｍのＮｉプレめっき，更に片面当り膜厚１０μｍ（両面２０μｍ）のＣｕめっきを施した後、種々の膜厚でＮｉめっき層，Ｓｎめっき層を形成した。
Ｎｉめっきでは、ｐＨ２，浴温５０℃のワット浴（硫酸ニッケル２４０ｇ／ｌ，塩化ニッケル５０ｇ／ｌ，硼酸３０ｇ／ｌ）にＣｕめっきステンレス鋼板を浸漬し、電流密度５Ａ／ｄｍ²で電気めっきした。Ｓｎめっきでは、光沢剤を添加した浴温２０℃の硫酸Ｓｎめっき浴（硫酸第一錫５０ｇ／ｌ，硫酸１００ｇ／ｌ，クレゾールスルホン酸３０ｇ／ｌ）にＣｕめっきステンレス鋼板を浸漬し、電流密度２Ａ／ｄｍ²で電気めっきした。
【００３６】

【００３７】
得られた各複層めっきステンレス鋼板から試験片を切り出し、実施例１と同じ条件下の摺動接触抵抗試験の外に塩水噴霧試験，促進劣化試験により性能調査した。塩水噴霧試験では，ＪＩＳＣ００２３に準拠し塩水噴霧を２４時間継続した後で試験片表面の外観を観察し、腐食生成物が検出されなかった試験片を◎，腐食生成物の発生面積率が５％以下を○，５〜２０％を△，２０％を超える面積率で腐食生成物が観察された試験片を×として耐食性を評価した。促進劣化試験では、６０℃，９３％ＲＨの恒温恒湿雰囲気に試験片を放置し、所定時間経過後の接触抵抗を測定し、接触抵抗の経時変化を求めた。
表６の調査結果にみられるように、塩水噴霧試験後においても試験片表面に腐食生成物が検出されず、或いは検出された場合でも極僅かな腐食生成物であり、Ｃｕめっき層の上にＮｉめっき層又はＳｎめっき層を形成することにより耐食性が改善されていることが判る。
促進劣化試験後の接触抵抗も初期値に比較して僅かな上昇に留まり、長期にわたり優れた導電性を呈することが確認された。なかでも、Ｃｕ／Ｓｎの複層めっきを施した試験片では、図６にみられるように接触抵抗がほとんど変化せず、良好な導電性を維持していた。
【００３８】

【００３９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のステンレス鋼製接点は、膜厚比Ｌ／ｔが４０〜２００の範囲にあるＣｕめっき層を基材・ステンレス鋼の表面に形成することにより、導電性，はんだ付け性に関してリン青銅製接点に匹敵し或いは凌駕する特性を呈する。しかも、基材が耐食性及びバネ弾性に優れたステンレス鋼であることから、薄肉化しても良好な機械的特性や耐ヘタリ性が維持され、小型化・軽量化に適した安価な接点として使用される。更に、Ｃｕめっき層の上にＮｉめっき層又はＳｎめっき層を形成することにより耐食性が向上し、長期間にわたって接触抵抗が低く良好な導電性を維持する接点材料が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ステンレス鋼の板厚，Ｃｕめっき層の膜厚から求めた体積抵抗率を基材・ステンレス鋼，Ｎｉめっきステンレス鋼，リン青銅と比較したグラフ
【図２】高温雰囲気に保持した試験片の撓み変形を測定するための装置
【図３】高温雰囲気における保持時間と熱応力緩和率との関係を表したグラフ
【図４】各種接点に供給した電流と体積抵抗率との関係を表したグラフ
【図５】各種接点に供給した電流に応じた接点の温度上昇を表すグラフ
【図６】促進劣化試験による接触抵抗の経時変化を表すグラフ

Claims

板厚ｔ（ｍｍ）が０ . ０５〜０ . ５ｍｍのステンレス鋼板を基材とし、当該基材表面上にＬ／ｔ＝４０〜２００の関係を満足する膜厚Ｌ（μｍ）を有し表面粗さがＲａで０ . ２μｍ以下に平滑化されたＣｕめっき層と、当該Ｃｕめっき層上にＬ／Ｍ＝２〜１００，Ｍ＝０ . ２〜１０を満足する膜厚Ｍ（μｍ）のＳｎめっき層が形成されていることを特徴とするステンレス鋼製接点。