JP4538813B2

JP4538813B2 - 銅基合金材を用いたコネクタ及び充電用ソケット

Info

Publication number: JP4538813B2
Application number: JP2006148234A
Authority: JP
Inventors: 章菅原; 佳武花
Original assignee: Dowa Holdings Co Ltd; Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 2006-05-29
Filing date: 2006-05-29
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2025-09-08
Also published as: JP2006328542A

Description

本発明は、銅基合金材（銅及び銅合金を含む。以下単に「銅基合金材」という。）に関し、更に詳しくは、例えば自動車の電気配線等に使用される多ピンのコネクタ表面のように挿抜に際しての摩擦を小さくすることを要求される表面や、電気自動車の充電用ソケットのように挿抜回数が多いものや、モータのブラシのように回転体と接して耐摩耗性を要求される表面や、バッテリー端子のように耐摩耗性・耐腐食性が要求される表面を有した銅基合金材に関するもので、本発明は、この銅基合金を使用したコネクタと充電用ソケットに関するものでもある。

近年のエレクトロニクスの発達により、種々の機械の電気配線は複雑化，高集積化が進み、それに伴いコネクタの多ピン化も進んできている。従来のＳｎめっきをしたコネクタでは抜き差しに際し摩擦が大きくなり、コネクタの挿抜が困難になるという問題が生じてきている。

また、現在の電気自動車では１日１回以上の充電を必要としており、充電用ソケット部品の耐摩耗性の確保が必要である。その上に１０Ａ以上の大電流が流れるため発熱が大きく、従来のＳｎめっき等の方法では該めっきが剥離してしまう等の問題も生じている。

上記のような問題に対し、従来の表面処理方法では対応しきれないことが明らかになってきており、また本発明が提案する銅基合金材を表面処理後、熱拡散させる技術も従来から存在したが、従来の技術は表面処理層と素材との拡散により、加工または熱的な影響等による表面処理層の剥離を防止するだけのものであったため、やはり上記の問題には対応できなかった。

本発明で使用する銅基合金材は、上記のような問題点を解決したもので、Ｎｉを含有する銅基合金材素材の表面にＳｎまたはＳｎ合金を被覆した後に熱処理を施し、該素材の表面処理層に非常に硬いＣｕ−Ｓｎ系金属間化合物（Ｃｕ_３Ｓｎ，Ｃｕ_４Ｓｎ等）を適正に形成させることにより、例えばコネクタや電気自動車の充電ソケットに好適な表面の摩擦係数が小さく、しかも耐摩耗性に優れた表面を有する銅基合金材である。

本発明は、Ｎｉを含有する銅基合金材に被覆するＳｎの膜厚と熱処理条件を限定することにより、従来技術では難しく不可能であったＣｕ−Ｓｎ系金属間化合物（Ｃｕ_３Ｓｎ，Ｃｕ_４Ｓｎ等）を積極的に形成させることにより、表面硬度を著しく向上させることができるとの知見を得て開発された技術であって、表面の摩擦係数が小さく、耐摩耗性に優れた銅基合金材であって、これを自動車のコネクタや電気自動車の充電用ソケットとして使用するものである。

即ち、本発明は、質量％においてＮｉ：０．１〜１５％を含有する銅基合金素材の最表面に、ＣｕとＳｎの金属間化合物を含むＣｕ−Ｓｎ系拡散層（皮膜層）が形成され、該拡散層と上記銅基合金素材の界面ないし該拡散層においてＮｉ−Ｓｎ及び／またはＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎの金属間化合物が形成されてなる銅基合金材を用いたコネクタ、あるいは充電用ソケットを提案するものである。

上記した本発明において、Ｓｎの被覆厚さは０．５〜２０μｍ、好ましくは１〜１０μｍで、最も好ましくは１〜５μｍであり、被覆後の熱処理条件としては、温度１００〜６００℃で処理時間０．５〜２４時間が好ましく、より好ましくは温度２００〜５００℃で処理時間０．５〜２４時間の範囲であり、最も好ましくは温度２５０〜５００℃で処理時間３〜１０時間の範囲である。

上記本発明において、Ｎｉ：Ｐの組成比が重量百分率比率で５〜５０の範囲であることが好ましい。

次に、本発明の内容を具体的に説明する。まず、本発明に使用する銅基合金材の添加元素の選択とその含有量の範囲の限定理由について述べると、次の通りである。

（１）Ｎｉ
Ｎｉは、素材の強度，弾性，耐熱性および耐応力緩和特性等の向上に寄与する元素であり、更にＰと化合物を形成して分散析出させることにより電気伝導性も向上する。また、表面被覆処理後の熱処理による最表面のＣｕ−Ｓｎ系拡散層の形成を効果的に行なうことができる。また、更に添加したＮｉの一部が処理層側に拡散し、その界面ないし拡散層においてＮｉ−Ｓｎ，Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ等の金属間化合物を形成し、強度，硬さ，密着性および耐食性等を向上させる。

上記の効果を発揮するためには、０．１質量％以上の含有が必要であり、１５質量％を超えて含有すると、電気伝導性の低下が顕著になり、経済的にも不利になる。従って、Ｎｉの含有量は０．１〜１５質量％の範囲が好ましいのである。

（２）Ｓｎ
Ｓｎは、素材のＣｕマトリックス中に固溶して強度，弾性および耐食性を向上させる。しかし、Ｓｎ含有量が０．１質量％未満では、強度，弾性の向上が充分でなく、１０質量％を超えると電気伝導性や加工性の抵下が顕著となり、更に耐マイグレーション性の低下を招くおそれがある。従って、Ｓｎの含有量は０．１〜１０質量％の範囲が好ましいのである。

（３）Ｐ
ＰはＮｉと化合物を形成して分散析出することにより、電気伝導性を向上させ、かつ強度，弾性、耐応力緩和特性を向上させる。しかし、Ｐの含有量が０．００５質量％未満では上記の効果が充分に得られず、０．５質量％を超えるとＮｉ共存下でも電気伝導性，加工性や半田耐候性の低下が著しくなり、更に耐マイグレーション性の低下を招く。従って、Ｐの含有量は０．００５〜０．５質量％の範囲が好ましいのである。

（４）Ｎｉ：Ｐの組成比について
また、本発明に係る銅基合金材においては、添加したＮｉ，Ｐの一部がＮｉ−Ｐ系化合物を形成し、これが均一微細に分散析出することにより電気伝導性をはじめ、強度，弾性，耐応力緩和特性を向上させることができる。従って、ＮｉとＰの重量百分率の比（Ｎｉ／Ｐ）を限定するのが好ましく、そのＮｉ／Ｐの重量百分率組成比率は、５〜５０の範囲が好ましいのである。

（５）副成分について
更に副成分として、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｚｎ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｚｒ，Ｃａ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｄ，Ａｌ，Ｐｂ，Ｂｅ，Ｔｅ，Ｉｎ，Ａｇ，Ｂ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｒ，Ｃｅ，Ａｕの群のうち１種または２種以上を０．０１〜４０質量％含有させると上記諸特性をより向上させる。

ここで、Ｚｎは、銅基合金材のめっき耐候性を更に向上させるばかりかその他、比重が小さいので、該合金の重量の軽減化や安価であるので経済的である等の利点がある。しかし、添加量が多くなると耐応力腐食割れ性や電気伝導性が低下するので、Ｚｎの含有量は０．０１〜４０質量％の範囲が好ましいのである。

その他の元素Ｆｅ，Ｃｏ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｚｒ，Ｃａ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｄ，Ａｌ，Ｐｂ，Ｂｅ，Ｔｅ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｂ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｒ，Ｃｅ，Ａｕについては、それらの含有により強度，弾性等の特性を向上させる。また、これらの副成分は、本発明に係る銅基合金材の電気伝導性を低下させることなく、強度，弾性および加工性の向上にも効果的である。

ただし、電気伝導性や成形加工性または製造のし易さ等から、より好ましい範囲としては、Ｆｅ：０．０１〜５質量％，Ｃｏ：０．０１〜５質量％，Ｔｉ：０．０１〜５質量％，Ｍｇ：０．０１〜３質量％，Ｚｒ：０．０１〜３質量％，Ｃａ：０．０１〜１質量％，Ｓｉ：０．０１〜３質量％，Ｍｎ：０．０１〜１０質量％，Ｃｄ：０．０１〜５質量％，Ａｌ：０．０１〜１０質量％，Ｐｂ：０．０１〜５質量％，Ｂｅ：０．０１〜３質量％，Ｔｅ：０．０１〜５質量％，Ｉｎ：０．０１〜５質量％，Ａｇ：０．０１〜５質量％，Ｂ：０．０１〜１質量％，Ｙ：０．０１〜５質量％，Ｌａ：０．０１〜５質量％，Ｃｒ：０．０１〜５質量％，Ｃｅ：０．０１〜５質量％，Ａｕ：０．０１〜５質量％である。

（６）銅基合金材の銅成分量について
工業的に生産し得る銅合金としてＣｕに最も多量に添加される元素はＺｎであるが、その最大含有量は４５質量％であり、またＣｕ−Ｓｎ系金属間化合物（Ｃｕ_３Ｓｎ，Ｃｕ_４Ｓｎ等）を効果的に形成させるためにも、Ｃｕは少なくとも５５質量％以上含有する必要がある。

上記のように調整した銅基合金材は耐熱性に優れ、次に行なう被覆後の熱拡散にも充分耐えられ、熱拡散による最表面のＣｕ−Ｓｎ系金属間化合物の形成を効果的に行なうことができる。

次に、Ｓｎの被覆厚さおよび拡散処理条件の限定理由について述べる。

（７）Ｓｎの被覆厚さについて
Ｓｎの被覆の厚さが０．５μｍ未満では耐食性が低下し易く、特にＨ_２Ｓガスによる腐食が問題になることがある。また、金属間化合物の層が薄くなり物性面でも不利になる。Ｓｎ被覆の厚さが２０μｍを超えると拡散層の厚さが厚くなり過ぎ、加工時に割れが発生するなどの成形加工性の低下が認められ、更に疲労特性の低下や、経済的にも不利になる等の問題が生じる。

従って、Ｓｎ被覆の厚さは、０．５〜２０μｍの範囲が好ましく、より好ましくは１〜１０μｍの範囲で、最も好ましくは１〜５μｍの範囲である。

Ｓｎ被膜層の形成方法としては、電気めっき，化学めっき，蒸着，溶融めっき等の公知の方法が適用できるが、被覆の密着性や均一ならびに経済的な面から、電気めっきや溶融浸漬法が好ましいのである。

また、被覆するＳｎについては、Ｓｎの含有量が５０質量％以上のＳｎ−Ｐｂ合金であってもよい。

（８）熱処理条件について
１００℃未満の熱処理ではＳｎの拡散に要する時間が長くなり過ぎ、経済的に不利となる。また６００℃を超えると短時間で素材の銅基合金材が軟化し始めるため、強度，硬度が低下する。

加熱処理時間については、０．５時間未満ではＳｎの拡散が不充分となり、有効な金属間化合物の形成ができなくなり、また２４時間を超えると経済的に不利となって生産性も低下する。

従って、熱処理条件としては、温度１００〜６００℃で処理時間０．５〜２４時間が好ましく、より好ましい範囲としては温度２００〜５００℃で処理時間０．５〜２４時間で、最も好ましい範囲としては温度２５０〜５００℃で処理時間３〜１０時間である。

また、熱処理時の雰囲気としては、不活性または還元性雰囲気を特に必要としないので、経済的に有利である。

上記の工程を経ることにより、素材表面に形成された金属間化合物と素材との密着性が向上し、また焼鈍による素材の特性の劣化を防ぐことができる。更に、表層の金属間化合物と素材との密着性が向上することから、曲げ加工や張り出し加工時の表層の剥離や割れの発生を防ぐことができ、一般に言われるクラッド材の難加工性の問題も解決される。

更に、熱処理後、表面の酸化皮膜は酸洗等の化学的処理またはバフかけ等の機械的処理により除去すればなお好ましい。この皮膜除去によって、より一層の接触抵抗値や半田付け性の向上が望める。従って、表層から０．０１〜０．２μｍの範囲で除去するのが好ましい。

後記する実施例からも明らかなように、本発明において使用する銅基合金材は、高強度，高弾性および高電気伝導率を有し、しかも曲げ加工性，張り出し加工性に優れているので、コネクタ用あるいは充電用ソケット用等として好適な銅合金であり、近年の自動車電装品の高密度化に対応できるコネクタ材および電気自動車の大電流の充電に充分対応できる充電用ソケット材を製造できるのである。

また、本発明によって製造された銅基合金材は、上記のような耐摩耗性，耐腐食性に優れた特性を有しているので、かかる特性を利用して電気、電子部品用材料や構造材として多くの分野に利用することができる。

表１に示される化学成分（質量％）を有する本発明銅基合金材Ｎｏ．１〜２と、比較のための銅基合金材Ｎｏ．３を、それぞれ０．３^ｔｍｍまで圧延したものにＳｎを被覆（硫酸浴を用いた電気めっきによる）した後、熱処理を行なった。この熱処理条件は、Ｓｎ膜厚７．０μｍ、熱処理温度３５０℃、処理時間５時間とした。

以上のようにして得られた試験材を用いて、硬度，引張強さ，ばね限界値および導電率の測定を行ない、それぞれＪＩＳ−Ｚ−２２４４，ＪＩＳ−Ｚ−２２４１，ＪＩＳ−Ｈ−３１３０およびＪＩＳ−Ｈ−０５０５に従って行なった。

曲げ加工性は、９０°Ｗ曲げ試験（ＣＥＳ−Ｍ−０００２−６，Ｒ＝０．２ｍｍ，圧延方向および垂直方向）も行ない、中央部の山表面が良好なものを○印、しわの発生したものを△印、割れの発生したものを×印として評価した。張り出し加工性は、エリクセン試験を行ない、ＪＩＳ−Ｚ−２２４７Ａ法に従った。

以上の測定結果を、表２に示す。表２の結果から、本発明に係るＮｏ．１，Ｎｏ．２の銅基合金材は表面の硬度が著しく改善され、かつ引張強さ，ばね限界値および導電率のバランスに優れ、また曲げ加工性，張り出し加工性も良好である。従って、コネクタ，充電用ソケット等の用途に非常に優れた特性を有する銅基合金材である。これに対して、本発明の成分組成範囲外のＮｏ．３の比較合金は、熱処理時に合金が軟化し、合金の硬度および引張強さが著しく低下していることが分る。

本発明合金Ｎｏ．１について、めっき厚，熱処理温度の条件を変化させたときに、実施例１と同様に硬度，引張強さ，ばね限界値，導電率，曲げ加工性および張り出し加工性について試験測定した。その結果を表３に示す。

表３の結果から、表面処理後に熱処理を行なうことにより、表面の硬さが著しく向上し、例えばめっき厚３．５μｍ，７．０μｍで熱処理温度２５０，３５０℃の場合、表面硬度，母材硬度およびばね限界値の向上が認められる。

しかし、本発明に係る条件からはずれると、表面と素材の特性を同時に充分発現させることができない。例えば、めっき厚７μｍで熱処理温度７００℃の場合、熱処理時に軟化して素材硬度や引張強さ，ばね限界値および曲げ加工性が著しく劣化しており、まためっき厚２２μｍで熱処理温度３５０℃の場合、曲げ加工性が著しく劣化していることが分る。

従って、本発明に係る銅合金は、コネクタ用や充電用ソケット用としての用途に充分適用することができる優れた諸特性を有している。

Claims

質量％において、Ｎｉ：０．１〜１５％、Ｓｎ：０．１〜１０％、Ｐ：０．００５〜０．５％を含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる銅基合金素材の最表面に、ＣｕとＳｎの金属間化合物を含むＣｕ−Ｓｎ系拡散層が形成され、該拡散層と上記銅基合金素材の界面ないし該拡散層においてＮｉ−Ｓｎ及び／またはＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎの金属間化合物が形成されてなる銅基合金材を用いたコネクタ。
質量％において、Ｎｉ：０．１〜１５％、Ｓｎ：０．１〜１０％、Ｐ：０．００５〜０．５％を含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる銅基合金素材の最表面に、ＣｕとＳｎの金属間化合物を含むＣｕ−Ｓｎ系拡散層が形成され、該拡散層と上記銅基合金素材の界面ないし該拡散層においてＮｉ−Ｓｎ及び／またはＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎの金属間化合物が形成されてなる銅基合金材を用いた充電用ソケット。