JP4571397B2 - 電気接点を製造するための複合材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気接点部材端子を製造するための導電性複合材であって、メタルバンドと、少なくとも片面をコーティングされ、銀接点材または錫接点材から成っている接点層とから構成された前記複合材の製造方法に関する。

この種の電気接点部材はたとえば差し込み接点として自動車産業のプラグコネクタまたはプラグコネクタ端子に使用される。

プラグコネクタの信頼性にとって、接点要素の構成は重要な役割を果たしている。使用している接点担持材は、使用している接点表面とともに作動中の劣化挙動、寿命を決定する。

このような使用目的に対し知られている電気接点は、通常基体（メタルバンド）、特にＣｕ合金から成る基体と、電気的方法、溶融浸漬方法（たとえば溶融めっき法）、或いは圧延平板化方法によって被着された接点材とから成っている。このために特に金層、銀層、或いは錫層が使用される。接点領域に溶着される接点を粉末冶金により製造することは、プラグコネクタ（特にソケット部分）においては不可能である。というのは、接点領域が変形して自由にアクセスできないからである。

したがって、１４ボルト以下であれば、従来要求されている境界条件のもとでプラグコネクタシステムの十分な耐磨耗性と小さな接触抵抗とを所期の寿命で達成できる。

しかしながら、差込み接点に対し高度な要求がなされる場合、たとえば自動車産業において４２ボルトの車両搭載電源での電気アークの形成の危険、或いは、高温のエンジンに近接させて差込み接点を配置する点に関し高度な要求がなされた場合には達成できない。電気アークの形成の問題は切換え接点の場合にすでに知られており、たとえばリレーの場合に知られている。切換え接点の場合、補助的な作業工程により担持材の上に蝋付けまたは溶接により特殊な接点コーティングが被着される。接点材自身は、先行する作業ステップで焼結或いは押出し成形により製造される。

自動車の分野で常用されているプラグソケット接続器の場合には、この問題は１６ボルト以上の電圧ではじめて顕現する。４２ボルトの車両搭載電源では、プラグコネクタ端子を差し込んだり引抜いたりするときに電気アークの危険および接点跳動の危険がある。電気アークにより材料が局部的に１０００℃以上に加熱され、プラグコネクタの接触面が焼き切れる。また、端子を不完全に差し込んでも、走行中に生じる振動によりこの種の電気アークが発生することがあり、潜行性の焼損が生じ、最終的にプラグソケット接続器の全損になる。

特許文献１からは、銀と炭素から成る電気接点用の材料が知られている。この材料は焼結材であり、ある程度のカーボンブラックにより焼損性が改善されている。この材料を製造するため、初期粒径が１５０ｎｍ以下のカーボンブラック形態の炭素に銀を添加し、この混合物を冷間平衡状態で圧縮し、次に焼結させる。焼損性と耐磨耗性を改善するという同様の目的をもったものとして、特許文献２から電気接点用の複合材が知られている。この複合材は炭素成分を含んだ銀または銀合金から成っており、炭素成分は金属成分を１０：１ないし１：１０の量比で含んだ炭素粉と炭素繊維との組み合わせの形態で処理される。

この種の材料の欠点は、その製造および後処理の際にメタルバンドが変形するので、電気接点部材の製造に適していないことである。

さらに特許文献３からは、噴霧器を備えた装置が知られている。この装置により、液状金属から成る放射物がガス放射物によって滴から成るスプレーミストに粉砕される。この場合噴霧器は固定軸線のまわりに傾動可能に支持されており、スプレーミストが移動される帯状の基板または他の捕捉装置の上に均等に分布するようになっている。この装置は薄いメタルバンドの製造に使用され、或いはバンドのコーティングに使用される。

この製造方法によれば、被着されたメタル層は平面的に均一に分布するが、しかし材料の選択は溶融成分を含んだものに限られる。また、メタル放射物に対し相対的に可動な噴霧器は余分な装置コストである。

ドイツ連邦共和国特許第１９５０３１８４Ｃ１号公報 ドイツ連邦共和国特許第４１１１６８３Ｃ２号公報 欧州特許第０２２５０８０B１号公報

本発明の課題は、従来の技術に比して改善された装置を用いて、冒頭で述べた高度な要求を十分に満たす金属複合材を提供することである。

この課題は、生成物に関しては、メタルバンドと、少なくとも片面をコーティングされ、銀接点材または錫接点材から成っている接点層とから構成された、電気接点部材を製造するための導電性複合材においては、接点材が、第１の添加剤として、０．５ないし６０重量％の炭素粉を、径Φ_１＝５ないし２００ｎｍの細かい粒子の形態で含み、０．５ないし６０重量％の第２の粉状の添加剤を、導電性、硬度、耐磨耗性を改善させる径Φ_２＝５ないし２００ｎｍの細かい粒子の形態で含んでいることによって解決される。

本発明による複合材は、特にプラグコネクタおよびプラグコネクタ端子並びに切換え接点にも適している。

本発明は、複合材が互いに最適に整合した多数の特性を有するべきであるという考慮から出発している。担持材に担持させるために適した接点材の選択に対しては、特に以下の基準または特性が最適化されているべきである。
−アーク腐食に対する耐久性
−高導電性／高熱伝導性
−必要とする接触力が小さい
−耐磨耗性／耐久性
−優れた加工性：蝋付け可能

特に、自動車の分野で４２ボルトの搭載電源での使用に対し接点の焼損を阻止するには、アーク腐食に対する耐久性が重要である。

このため、導電性複合材は炭素の添加剤を備えている。プラグコネクタおよび接点を差し込んだり引抜く際に生じる電気アークは炭素化合物を生じさせて露出させ、この炭素化合物により周囲の接触面が酸化するので接触抵抗の増大が阻止される。

すなわち、接点層の主成分はすでに優れた導電性を持つ金属である。この金属はマトリックスを形成し、マトリックスの中にはその小さな径に応じて２種類の添加剤が特に微細に分布して含まれており、均質な複合材を形成している。これは材料の他の特性に対しても直接好影響を与える。特に、硬度が異なる複数の合金成分の微細分布と、これによって得られる均質化とは、機械的な荷重を受ける表面の摩耗を阻止する。

プラグを製造する場合には、バンドを成形する必要がある。優れた加工性の１つとして、成形の際に接点層が担持体から剥離しないことが挙げられる。有利な実施形態では、メタルバンドと接点層との間に、厚さＤ_３＝０．１ないし１μｍのＡｇまたはＳｎから成る中間層が配置されている。中間層は浄化と活性化とを行なったバンド表面の上に沈殿させたものである。

有利な実施形態では、接点材は、第１の添加剤として、３ないし４０重量%の炭素粉を、径Φ_１＝２０ないし１５０ｎｍの細かい粒子の形態で板状におよび／または顆粒状におよび／またはペレット状に含んでいる。炭素は金属材料に比べて硬度が際立って小さい。まさにこの理由から、ナノメーター範囲のこの添加剤の小さな粒径が、金属成分によって表面において十分な硬度を持ち、したがって機械的な荷重に対する耐磨耗性を持っているような複合材を生じさせる。このため、炭素粉がより硬質の金属基体の中に挿入される。

第１の添加剤に加えて、導電性、アーク腐食に対する耐久性、硬度、耐磨耗性を改善させる物質が第２の添加剤として考慮される。すなわち金属粒子を挿入してよい。有利な実施形態では、第２の添加剤は径Φ_２＝１０ないし２００ｎｍの細かい粒子の形態の、Ｃｏ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｎｉ，ＴiＷ群から成る２ないし５０重量%の金属である。

これとは択一的に、硬質粒子も第２の添加剤として考慮される。有利には、径Φ_２＝１０ないし２００ｎｍの細かい粒子の形態の２ないし４０重量%のカーバイドである。

これとは択一的に、第２の添加剤が、径Φ_２＝５０ないし２００ｎｍの細かい粒子の形態の、ＭｏＳ_２，ＷＳ_２群から成る０．５ないし４０重量%のジスルフィドであるのが有利である。

他の択一的な実施形態では、第２の添加剤は、径Φ_２＝５ないし１００ｎｍの細かい粒子の形態の２ないし４０重量%のＳｎＯ_２である。

同様に択一的な実施形態では、第２の添加剤は、径Φ_２＝５０ないし１５０ｎｍの細かい粒子の形態の、Ａｌ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２群から成る２ないし４０重量%の酸化セラミックス粒子である。

さらに、第２の添加剤として、径Φ_２＝５０ないし２００ｎｍの細かい粒子の形態の２ないし２０重量%のＰＴＦＥが有利である。

担持体上での接点層の付着性に対しては、電気的な性質以外に、プラグの製造の際に接点層を剥離させずに変形ができることも重要である。このため、有利な実施形態では、メタルバンドの厚さはＤ_１＝０．０６ないし１．２ｍｍであり、接点層の厚さはＤ_２＝０．５ないし１０μｍである。この結果、層の剥落を阻止するような、変形にも適した厚さ比が得られる。

適切な複合材のためには、担持体も対応的に選定する必要がある。この場合有利なのは、優れた導電性ないしは非常に優れた導電性を有する材料である。メタルバンドはＣｕまたはＣｕ合金、ＦｅまたはＦｅ合金、ＡｌまたはＡｌ合金、ＮｉまたはＮｉ合金から成っているのが有利である。

複合材に関し本発明によって得られる利点は、差込み速度および引抜き速度が早い場合、電気アークの発生が阻止されるか、或いは、電気アークが形成されてもすぐに消失し、接点面を酸化させないことである。特に、中間層により担持体上での接点層の最適な付着性が保証される。本発明による解決法により、従来の複合材以上に、電子技術に使用するための複合材の特性が最適化される。

前記課題は、放射物に噴霧ガスを作用させて、放射物を滴から成るスプレーミストに粉砕するための噴霧ユニットを備えた、流動性材料または液状材料（たとえば液状の金属または合金）から成る放射物をガス噴霧するためのガス噴霧装置に関しては、噴霧ユニットがリング状または長尺状に構成され、噴霧ユニットが噴霧ガスのための出口隙間を有しいることにより解決される。噴霧ユニットの領域の上方には、渦室を備えた粉末用のインジェクタユニットが配置され、インジェクタユニットは固形物質供給ユニットと連通している。

ガス噴霧装置に関し本発明によって得られる利点は、渦室内の粉末成分が均一にスプレーミストに供給されることである。このため、噴霧ガスの高速度は渦室領域で負圧を生じさせ、この負圧は粉末粒子を渦室からコンスタントに排出させる。渦室内での粒子運動は細かい粉末粒子の塊を解きほぐし、沈殿層の中に均一に分配させる。特に噴霧ユニットが長尺形状であれば、ガス噴霧装置またはその部品を移動させることなく幅広のメタルバンドをコーティングすることができる。このため、縦長の部品がバンドメタルの運動方向に対し垂直に指向されている。

スプレーミストを粉末粒子で付勢することは、粉末の性質に応じては混和態様に対し種々の要求を課す。有利な実施形態では、固形物質供給ユニットは、乾燥粉末のための貯留容器、または、供給管を備えている、粉末を作用させた液体のための容器を有している。したがって粉末処理、特に適当な液体で懸濁させることにより、すでに粒子の集塊化を減らすことができる。

放射物の材料の量が、弁制御型装置および／または溶融物貯留容器を加圧するための装置を介して制御されているのが有利である。溶融物流は適当な加圧でしか維持することができないので、適当に加圧すれば弁なしでも材料流を制御することができる。しかし補助的に弁を設けると、溶融物流をオンオフ制御するための切換え時間を短くさせることができる。

前記課題は、ガス噴霧装置を用いて複合材を製造するための方法においては、金属または合金を貯留容器内で溶融点以上に加熱し、液状の溶融物を加圧して溶融放射物の形態で放出し、ガス流により粉砕してスプレーミストを形成させ、溶融していない粒子状の添加剤と混合させ、次に噴霧した滴を担持材としてのメタルバンドまたは捕捉装置に沈殿させることによって解決される。

捕捉装置として、噴霧流の下方を移動する冷却ベルトを用いてもよく、該冷却ベルトにより噴霧物を剥離させることができる。

有利な実施形態では、溶融していない添加剤を、渦室からの溶融物流に供給する。

この製造方法では、連続作動でもバッチ作動でも稼動させることができ、コーティングされるバンドは連続的に供給するか、或いは、積重ねたバンド片の積層体から供給する。装置は、窒素または窒素・水素混合物で充填され且つ供給ゲートと排出ゲートとを備えたハウジング内に収納されている。供給ゲートの上流側にはバンド浄化・活性化ステーションが設けられ、該バンド浄化・活性化ステーションにより、沈殿層の好適な付着性のためにバンド表面がコーティングの前に準備される。

有利な実施形態では、粉末粒子の噴霧はＮ_２を使用して行なう。これに加えて、添加剤を０．１５ないし１．５ＭＰaの圧力で噴射放射物に吹き込む。過圧により窒素は出口隙間を介して混合室内へ高速度で侵入し、混合室内に装入されている細かい粉末粒子に渦を発生させ、最適な混合を得る。さらに、超音波の範囲でもよいガス速度により、ナノ粉末の集塊化を効果的に阻止することができる。これに加えて、最適な混合のために粉末成分の加圧が適宜制御される。

製造工程で添加剤を可変な組成で分離できるようにするため、複数の添加剤の吹込みを互いに独立に行なう。

沈殿条件を選定する場合、添加剤が微細に分散した均質な接点層が得られるよう努力が払われる。このためには、メタルバンドを接点材ＳnまたはＡgの（０．６ないし０．９）×Ｔ_Ｓの温度に加熱するのが有利である。これにより、小さな多孔性と高い付着力とを兼ね備えた層を沈殿させることができる。

担持材上における層の付着性を改善させるため、層の沈殿の前にメタルバンドを、活性化のためにフラックスで表面処理するのが有利である。

層厚は他の沈殿パラメータを介して制御される。このため、有利な実施形態では、
接点層の厚さＤ_２を、コーティングされるメタルバンドの噴霧放射密度と流速とを介して制御する。有利には、噴霧放射密度をニードル弁等を介して制御するのがよい。この場合ニードル弁が持続して開いていれば、片側全面のコーティングを行なうことができる。均質な層を形成させるため、メタルバンドを一定速度で噴霧放射物の下を通過するように引張るようにしてよい。これとは択一的に、弁装置を設けずに溶融物の加圧だけで噴霧ヘッド内の材料流を制御してもよい。

沈殿条件を適当に選定することにより、接点層の密度または有孔率を目的に応じて設定することができる。特に有利な実施形態では、選定した噴霧パラメータを介して接点層の有孔率を７０ないし８５%に設定する。次に、有孔接点層にオイルを浸透させる。有孔層は、
層マトリックス材の少なくとも０．８×Ｔ_sの温度で延展する追加工程により後処理し、１００％の密度を達成することができる。

特に有利な実施形態では、メタルバンドの一部だけをコーティングする。これにより一部だけ抵抗力のあるコーティング層をたとえばプラグの先端部に生成させることができる。

一部だけ抵抗力のあるコーティング層の場合、引抜き過程の間に電流が連続的に減少し、その結果材料と電圧とに依存してある一定の境界抵抗から電気アークは形成されない。この種の自動遮断接点ではこのようにして焼損が減少する。

一部だけ抵抗力のあるコーティング層を製造するため、メタルバンドをマスクで覆うのが有利である。これとは択一的に、メタルバンドを噴射放射物から遮蔽してもよい。このため、マスクを担持体上に設置するのではなく、ある程度間隔をおいて放射物内に位置決めする。

実際の電子系では温度が上昇したり、振動負荷が増大したりする。特に多弁技術がそうである。自動車の分野で使用するには、プラグコネクタ、打抜きスクリーン型接続器、リレー接続器のような導電接続器と、耐磨耗性、耐震性があり、高温に耐えうるコーティング部とが必要である。このように本発明による導電性複合材は自動車の分野で使用され、特にプラグコネクタやプラグコネクタ端子のような電気接点部材に使用される。

方法に関し本発明によって得られる利点は、特に、担持材としてのメタルバンドの接点コーティング部を部分的に被着させて、焼損が少ない自動遮断接点を生成させることができる点にある。特に、適当なパラメータを選択して１回のプロセスで担持体上に接点層が生成され、バンド材として直接用いるこの接点層に更なる加工を施すことができる。したがって、従来の製造方法以上にコーティングプロセスを合理的な大量生産に難なくタイアップさせることができる。

次に、本発明を図面に図示した実施形態を用いてより詳細に説明する。

全図において、互いに対応する部材には同じ符号が付されている。

図１の電気接点部材を製造するための複合材１は、金属から成る担持体としてのメタルバンド２と、少なくとも片面をコーティングされ、銀接点材または錫接点材から成っている接点層４とから構成されている。接点材は、第１の添加剤として、０．５ないし６０重量％の炭素粉を、径Φ_１＝５ないし２００ｎｍの細かい粒子の形態で含んでいるとともに、異なる材料から成っている０．５ないし６０重量％の第２の粉状の添加剤を、径Φ_２＝５ないし２００ｎｍの細かい粒子の形態で含んでいる。メタルバンド２と接点層４との間には、厚さＤ_３＝０．１ないし１μｍのＡｇまたはＳｎから成る中間層６が配置されている。メタルバンド２の厚さはＤ_１＝０．０６ないし１．２ｍｍが有利であり、接点層４はＤ_２＝０．５ないし１０μｍが有利である。メタルバンド２は活性化のためフラックスで表面処理されている。

図２に概略的に図示したガス噴霧装置１０は、加熱型ハウジング４０内に配置される、充填用接続部材を備えた溶融物容器１２と、ニードル弁１８を備えたノズル２８に溶融物を供給するための供給管路１４とを有している。ニードル弁１８からは、液状金属または液状合金から成る放射物が放出される。放出量は溶融物容器１２に取り付けられた加圧用接続部１６を介して制御される。溶融物容器１２の充填用接続部材は、加圧のために栓またはねじ結合部で気密に密閉されている。

加熱型ハウジング４０内には、さらに、液体と粉末で付勢される液体から成る混合物とを充填するための充填用接続部材を備えた容器２０が配置されている。この容器２０は、供給管路２２を介して、ニードル弁１８のまわりに配置され渦室２６を備えているインジェクタユニット３２と連通している。この容器からの放出量も、該容器２０に取り付けられた加圧用接続部２４を介して制御される。これとは択一的に、またはこれに加えて、乾燥粉末用の粉末容器４４を備えた他の複数個の固形物質供給ユニットを、加熱されるハウジング４０に接続してもよい。これらの固形物質供給ユニットは、図示していない管路を介してインジェクタユニット３２と連通している。他の溶融物容器、場合によっては別個の加熱装置を備えた溶融物容器を、接続ユニット４２に連結させてよい。

ニードル弁１８を通じて放出される溶融物は渦室から来る固形物質と混合され、噴霧ガスを含んでいるＮ_２噴霧ユニット３４で付勢されて、放射物から、滴から成るスプレーミストが生じる。スプレーミストはメタルバンド２上に沈殿する。Ｎ_２出口隙間３８の直前にあるＮ_２室３６はガス供給を一定にするために用いる。

噴射物を案内するため、所定の出口テ−パを備えた出口方向矯正器３０が用いられる。出口方向矯正器３０はメタルバンド全幅にわたる沈殿を保障する。選択的な沈殿のため、放射内にマスク８が位置決めされ、或いは基板上に被着される。

噴霧ユニット３４は図２の面内にリング状または長尺状に延びるように形成されており、Ｎ_２噴霧ガス用の連続的な出口隙間３８を有している。メタルバンド２はフラックスで活性化するために浄化・活性化ユニット４８により表面を前処理される。メタルバンドは連続作動で連続的にコーティングされ、或いは、バッチ作動部で積層体４６の形態でコーティングされる。

担持体と接点層とを備えた複合材を示す図である。 ガス噴霧装置の概略図である。

符号の説明

１ 複合材
２ メタルバンド
４ 接点層
６ 中間層
８ マスク
１０ ガス噴霧装置
１２ 溶融物容器
１４ 溶融物の供給管路
１６ 加圧用接続部
１８ ニードル弁
２０ 液体および混合物用の容器
２２ 供給管路
２４ 加圧用接続部
２６ 渦室
２８ ノズル
３０ 出口ホッパー／噴霧放射物ガイド
３２ 渦室を備えたインジェクタユニット
３４ Ｎ_２噴霧ユニット
３６ Ｎ_２室
３８ Ｎ_２出口隙間
４０ 加熱型ハウジング
４２ 他の溶融物容器のための接続部
４４ 粉末容器
４６ バッチ作動用積層体
４８ 浄化・活性化ユニット

Claims (16)

1. 材料の量が、弁制御型装置および／または溶融物貯留容器を加圧するための装置を介して制御されている放射物に噴霧ガスを作用させて、放射物を滴から成るスプレーミストに粉砕するための噴霧ユニット（３４）を備えた、流動性材料または液状材料から成る放射物をガス噴霧するためのガス噴霧装置（１０）であって、
   噴霧ユニット（３４）がリング状または長尺状に構成され、噴霧ユニットが噴霧ガスのための出口隙間（３８）を有し、噴霧ユニットの領域の上方に、渦室（２６）を備えた粉末用のインジェクタユニット（３２）が配置され、インジェクタユニット（３２）が乾燥粉末のための貯留容器（４４）、または、供給管を備えている、粉末を作用させた液体のための容器（２０）を有している固形物質供給ユニットと連通しているガス噴霧装置を用いて電気接点部材であるプラグコネクタ、プラグコネクタ端子を製造するための導電性複合材（１）であって、メタルバンド（２）と、少なくとも片面をコーティングされ、銀接点材または錫接点材から成っている接点層（４）とから構成された前記複合材（１）であって、
   接点材が、第１の添加剤として、０．５ないし６０重量％の炭素粉を、径Φ _１ ＝５ないし２００ｎｍの粒子の形態で含み、０．５ないし６０重量％の第２の粉状の添加剤を、導電性、硬度、耐磨耗性を改善させる径Φ _２ ＝５ないし２００ｎｍの粒子の形態で含んでいる複合材を製造するための方法において、
   金属または合金を貯留容器内で溶融点以上に加熱し、液状の溶融物を加圧して溶融放射物の形態で放出し、ガス流により粉砕してスプレーミストを形成させ、溶融していない粒子状の添加剤と混合させ、次に噴霧した滴を担持材としてのメタルバンド（２）または捕捉装置に沈殿させることを特徴とする方法。
2. 溶融していない添加剤を、渦室（２６）からの溶融物流に供給することを特徴とする、請求項１に記載の複合材を製造するための方法。
3. Ｎ _２ またはＮ _２ ／Ｈ _２ 混合物を使用して噴霧を行なうことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 添加剤を０．１５ないし１．５ＭＰaの圧力で噴射放射物に吹き込むことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載の方法。
5. 複数の添加剤の吹込みを互いに独立に行なうことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
6. メタルバンド（２）を接点材の（０．６ないし０．９）×Ｔ _Ｓ の温度に加熱することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一つに記載の方法。
7. メタルバンド（２）を、活性化のためにフラックスで表面処理することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法。
8. 接点層（４）の厚さＤ _２ を、コーティングされるメタルバンド（２）の噴霧放射密度と流速とを介して制御することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一つに記載の方法。
9. 噴霧放射密度をニードル弁を介して制御することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. メタルバンド（２）を一定速度で噴霧放射物の下を通過するように引張ることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一つに記載の方法。
11. 選定した噴霧パラメータを介して接点層（４）の有孔率を７０ないし８５%に設定することを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一つに記載の方法。
12. 有孔接点層（４）にオイルを浸透させることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 噴霧されたメタルバンド（２）を、該メタルバンドの材料の少なくとも０．８×Ｔ _Ｓ の温度で圧延して１００%の密度にさせることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか一つに記載の方法。
14. メタルバンド（２）の一部だけをコーティングすることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか一つに記載の方法。
15. メタルバンド（２）をマスク（８）で覆うことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. メタルバンド（２）を噴霧放射物から遮蔽することを特徴とする、請求項１４に記載の方法。

Images