JP4580739B2 - ばね用材料及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はばね用材料とその製造方法に関し、特にはんだ性に優れた表面処理を施してなる鋼板を用いてなるばね用材料及びその製造方法に関する。

電子機器の小型化、軽量化や高密度化にともなって、狭い筐体内部で極小の材料を用いた場合でも確実に接点のスイッチ機能を作動させることが可能なはんだ性およびばね性を有する材料が求められており、洋白に金、銀、ニッケルなどのめっきを施した材料が用いられている。しかし、近年は電子機器のさらなる小型化、軽量化や高密度化に加えて低価格が求められ、優れたばね性およびはんだ性を確保しつつ安価であるばね材料が求められている。高価な洋白に替わるものとしては、以下に示すようなばね材料が提案されている。

例えば、特許文献１は、特定の元素を一定範囲内で含有し、残部が鉄からなる金属薄板に、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕまたはこれらの合金の金属メッキ、はんだ又はＳｎめっきが単層又は複層で施された、優れたバネ限界値と高ヤング率が得られると同時に優れた電気伝導性を有するバネ用材料が提案されている。

また、特許文献２は、ステンレス鋼基材の表面の少なくとも一部にＮｉ、Ｃｏ、Ｎｉ合金またはＣｏ合金の下地層が形成され、その上にＰｄ層またはＰｄ合金層が形成されてなるＰｄ被覆ステンレス鋼、または選択的にさらにその上にＡｕをフラッシュめっきするか、さらにその上に高級脂肪酸アミンまたはメルカプタンを含む処理液で表面処理してなる皿ばね接点が提案されている。

しかしながら、特許文献１に記載されたバネ用材料は、高温で多湿な環境で使用した場合に金属薄板の切断端面に錆が発生しやすく、またＳｎを金属薄板にめっきした場合はめっきのＳｎからホィスカーが成長しやすく、成長したＳｎホィスカーが周囲の導電部材に接すると短絡して機器の故障や事故を引き起こすおそれがある。また、特許文献２に記載された皿ばね接点に用いる材料は基材およびめっき層に用いる金属が高価である。
特開平０６−１００９８４号公報 特開平１１−２３２９５０号公報

そこで本発明は、従来の上記問題の発生がなく、優れたばね性およびはんだ性を有する安価なばね用材料及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明のばね用材料は、鋼成分が重量％でＣ：０．０３〜０．２０％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｐ：≦０．１％、Ｓ≦０．０６％、Ａｌ：≦０．１％、Ｎ：０．００１〜０．０１６％、Ｔｉ：≦０．２％、Ｎｂ：≦０．１％、Ｂ：≦０．０１％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、板厚：０．０５〜０．６ｍｍ、抗張力：５５０〜１２００ＭＰａ、硬度ＨＲ３０Ｔ：６０〜９０からなる鋼板の少なくとも片面に、Ｚｎめっき層を有し、さらに該Ｚｎめっき層の上に水系アクリル樹脂または水系ウレタン樹脂を主成分とする表面処理層を有し、該表面処理層中に水分散性シリカ、防錆剤およびロジンを含有し、メニスコグラフ法によるはんだ濡れ性が１０秒未満及びＴピール法で測定したはんだ強度が３ｋｇｆ／７ｍｍ以上であるはんだ濡れ性とはんだ強度に優れていることを特徴とするものである。

上記目的を達成する本発明のばね用材料の製造方法は、鋼成分が重量％でＣ：０．０３〜０．２０％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｐ：≦０．１％、Ｓ≦０．０６％、Ａｌ：≦０．１％、Ｎ：０．００１〜０．０１６％、Ｔｉ：≦０．２％、Ｎｂ：≦０．１％、Ｂ：≦０．０１％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる連続鋳造鋼片を加熱温度１１００℃以下、仕上温度Ａｒ３点以上、熱間圧延後急冷し、次いで３０〜９０％の圧延率で一次冷間圧延し、焼鈍後、圧延率６０％以下の圧延率で二次冷間圧延して板厚：０．０５〜０．６ｍｍ、抗張力：５５０〜１２００ＭＰａ、硬度ＨＲ３０Ｔ：６０〜９０からなる鋼板を得、該鋼板にＺｎめっきを施し、得られたＺｎめっき層の上に表面処理層を、水系アクリル樹脂または水系ウレタン樹脂を主原料とし、かつ、水分散性シリカ、防錆剤およびロジンを含有する処理液により形成してなることを特徴とするものである。

本発明により得られるばね用材料は、板厚：０．０５〜０．６ｍｍ、抗張力：５５０〜１２００ＭＰａ、硬度ＨＲ３０Ｔ：６０〜９０からなる鋼板の少なくとも片面に、Ｚｎめっきとその上にはんだ性を向上させる表面処理層が設けられてなり、メニスコグラフ法によるはんだ濡れ性が１０秒未満、Ｔピール法で測定したはんだ強度が３ｋｇｆ／７ｍｍ以上であり、優れたばね性およびはんだ性を有している。またはんだ性を向上させる表面処理層は、安価な亜鉛めっきとその上層の安価な有機処理層で構成されているので、本発明のばね用材料は、安価で高性能なばね用材料として好適に適用することができる。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のばね用材料の基板となる鋼板としては、板厚：０．０５〜０．６ｍｍ、抗張力：５５０〜１２００ＭＰａ、硬度ＨＲ３０Ｔ：６０〜９０である鋼板が好ましく、この板厚範囲内において、要求される用途に応じて抗張力：７００〜９００ＭＰａ、硬度ＨＲ３０Ｔ：７０〜８０である、やや柔らかめなばね性と加工性を有する鋼板、または、抗張力：９００〜１２００ＭＰａ、硬度ＨＲ３０Ｔ：８０〜９０である硬めなばね性を有する鋼板として使い分けることが好ましい。これらの鋼板は以下のようにして得られる。

すなわち、鋼成分が重量％で、Ｃ：０．０３〜０．２０％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｐ：≦０．１％、Ｓ≦０．０６％、Ａｌ：≦０．１％、Ｎ：０．００１〜０．０１６％、Ｔｉ：≦０．２％、Ｎｂ：≦０．１％、Ｂ：≦０．０１％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる連続鋳造鋼からなる鋼片を、加熱温度：≧１１００℃、仕上温度：≧Ａｒ３点以上の条件で熱間圧延する。熱間圧延に際しては、平均粒径が５μｍ以下のフェライト中にマルテンサイトが分散してなる組織となるように、高圧下率で圧延した後に急冷し、巻取り温度：≦７００℃でコイルとして巻取り、長尺帯状の熱延板とする。次いでこの熱延板を３０〜９０％の圧延率で一次冷間圧延し、クリーニングして脱脂した後、焼鈍する。焼鈍を連続焼鈍で行う場合は７００〜８３０℃に加熱し、箱型焼鈍で行う場合は５５０〜７００℃に加熱する。次いで６０％以下の圧延率で二次冷間圧延する。

前記鋼成分の限定理由は以下の通りである。
Ｃは冷延鋼板に高い調質度のため、０．０３重量％以上であることが望ましい。しかし、Ｃが０．２重量％を超えると、炭化物析出量が増大し鋼板の加工性の低下をもたらすと同時に、冷間圧延の負荷の増大、形状の劣化、連続焼鈍工程での通板性阻害等、生産性低下の原因となる。そのため本発明においてはＣ成分の上限値を０．２０重量％とする。

Ｓｉは、鋼中では大きな固溶強化機能を持ち、ばね性を得るのに有効な元素である。従って、０．１重量％以上は必要である。また、材質強化面では、多いほど良いが、冷間圧延の負荷の増大、形状の劣化を招くため上限値を０．５０重量％とする。

Ｍｎは不純物であるＳによる熱延中の赤熱脆性を防止するために必要な成分であると同時に、上記のＣと同様に原板に高い調質度を与えるため、Ｍｎ成分は０．５重量％以上とする。しかし、ここでもＣ同様に、多過ぎると冷間圧延の負荷の増大、スラブ圧延中の割れ発生、形状の劣化、連続燃鈍工程での通板性阻害等、生産性低下の原因となるため、上限値を３．０重量％とする。

Ｐは結晶粒微細化成分であり、また原板の強度を高めることから一定の割合で添加されるが、一方で耐食性を阻害する。本発明用途としては、Ｐが０．１０重量％を超えると耐食性、特に耐孔明性が著しく低下するため上限値を０．１０重量％とする。

Ｓは熱延中において赤熱脆性を生じる不純物成分であり、極力少ないことが望ましいが、鉄鋼石等からの混入を完全に防止することができず、工程中の脱硫も困難なことからある程度の残留もやむをえない。少量の残留Ｓによる赤熱脆性はＭｎにより軽減できるため、Ｓ成分の上限値は、０．０６重量％とする。

Ａｌは製鋼に際し脱酸剤として鋼浴中に添加されるが、０．１０重量％以上になると連続鋳造時に酸化抑制剤、および、連続鋳造での鋳型への焼き付き防止剤として使用する鋳型パウダー中の酸素と過剰Ａｌが反応し、本来のパウダー効果を阻害する。したがって、Ａｌ量は０．１０重量％とする。

ＮはＣ、Ｍｎと同様に原板に高い調質度を与える。耐力強化のために必要な成分であるが、０．００１重量％より少なくすることは製鋼上の困難を生じ、また一方０．０１６０重量％を超える添加は製鋼時に添加するフェロ窒化物の歩留の低下が著しく、安定性に欠けると同時に、プレス成形時の異方性を著しく劣化させる。さらに連続鋳造片の表面に割れが生じ、鋳造欠陥となるため本発明ではＮ成分範囲を０．００１〜０．０１６０重量％とする。

Ｔｉ、Ｎｂは炭窒化化合物を形成しやすく、結晶粒を微細化する効果がある。Ｎｂは下限を０．００５重量％、Ｔｉは０．０１重量％とする。また、いずれの元素も多すぎると再結晶温度を上昇させ、連続燃鈍温度を上げなければならず、コスト増である。そこで、Ｔｉの上限は０．２重量％、Ｎｂの上限を０．１重量％とする。

Ｂは本発明の重要な組織であるマルテンサイトを得るために必要は元素であることと粒界に偏析しやすく、結晶粒粗大化を低減し結晶粒を微細化する効果があるため、必要に応じて０．００１重量以上を添加する。また、多過ぎてもその効果が飽和するため、コストなとの理由から、上限を０．０１重量％とする。

このようにして、０．０５〜０．６ｍｍの板厚を有し、平均粒径が５〜１２μｍのフェライトと平均粒径が５μｍ以下のマルテンサイトからなり、マルテンサイトの体積率が３０％以下の組織の冷延鋼板からなる基板が得られる。やや柔らかめなばね性と加工性を有する、抗張力：７００〜９００ＭＰａ、硬度ＨＲ３０Ｔ：７０〜８０である鋼板とする場合は、平均粒径が３〜１０μｍのフェライトと平均粒径が５μｍ以下のマルテンサイトからなり、マルテンサイトの体積率が８〜３０％からなる組織とすることが好ましい。そして、硬めなばね性を有する、抗張力：９００〜１２００ＭＰａ、硬度ＨＲ３０Ｔ：８０〜９０である鋼板とする場合は、平均粒径が２μｍ以下のフェライトと平均粒径が５μｍ以下のマルテンサイトからなり、マルテンサイトの体積率が３０％以下からなる組織とすることが好ましい。

次いで、以上のようにして得られる基板に耐食性およびはんだ付け性を付与するためにめっきを施す。めっき金属としては、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、またはこれらの２種以上からなる合金を用いることができるが、廉価であることからＺｎをめっきすることが好ましい。Ｚｎめっきは溶融めっき法または電気めっき法のいずれを用いてめっきしてもよい。めっき量としては５〜５０ｇ／ｍ^２ であることが好ましい。

引き続いてＺｎめっき層上にはんだ性を向上させる表面処理層を設ける。表面処理層は、水系アクリル樹脂や水系ウレタン樹脂などの水系有機樹脂に水分散性シリカおよび防錆剤、さらにフラックス性を付与するために水溶化ロジンを含有させてなる処理液を作製し、この処理液をＺｎめっきを施した基板に浸漬法、ロールコート法、カーテンフローコート法、スプレーコート法などのいずれかの塗布方法を用いて塗布し、乾燥することにより形成させる。塗布厚さは乾燥後の厚さ０．０５〜１０μｍであることが好ましい。

処理液の水系樹脂として水系アクリル樹脂を用いる場合は、１００〜８００ｇ／Ｌの濃度のものを用い、処理液中に５０〜６００ｇ／Ｌの濃度で水溶化ロジン、１０〜２００ｇ／Ｌで濃度の水分散性シリカ、および１０〜２００ｇ／Ｌの濃度で防錆剤を含有させることが好ましい。

処理液の水系樹脂として水系ウレタン樹脂を用いる場合は、１００〜９００ｇ／Ｌの濃度のものを用い、処理液中に１０〜４００ｇ／Ｌで濃度の水分散性シリカ、および１０〜１００ｇ／Ｌの濃度で防錆剤を含有させることが好ましい。

これらの処理液中に含有させる水分散性シリカは、シリカ表面にアルミニウムをコーティングしたものが分散性にすぐれており好ましい。シリカの粒径としては１００ｎｍ以下であることが好ましい。

防錆剤としては、クロムを含まずアミンを含む化合物またはスチレン・無水マレイン酸共重合体のいずれかもしくは両方を含むものを用いることが好ましい。アミンを含む化合物としては、ドデシルアミン、オレオイルイミダゾリン、アミノプロピル牛脂アミン、ロジンアミンなどの有機アミン石けんを単独でまたは混合して使用する。スチレン・無水マレイン酸共重合体としてはスチレン・無水マレイン酸共重合アルキルエステル・アンモニウム塩を用いる。

処理液の水系樹脂として水系アクリル樹脂を用いる場合に含有させる水溶化ロジンとしては、ロジンの主成分であるアビエチン酸分子内のカルボン酸基をアミン塩などで中和し、ロジン石けんとしたものを用いることが好ましい。
以上のようにしてばね用材料の基板となる鋼板にＺｎめっきを施し、次いでＺｎめっき層上にはんだ性を向上させる表面処理層を設けることにより、本発明のばね用材料を得ることができる。

以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明する。
[供試板の作成］
表１に示す化学成分を有する鋼からなる厚さ２．４ｍｍの熱延板を、表２に示す条件で一次冷間圧延しクリーニングして脱脂した後、表２に示す条件で焼鈍し、次いで表２に示す条件で二次冷間圧延して表２に示す板厚、抗張力、および硬度を有する鋼板を作製した。

この鋼板に、下記に示すめっき浴とめっき条件を用いてＺｎめっきを施した後、下記に示す液組成の処理液を用いてはんだ性を向上させる表面処理層をＺｎめっき皮膜上に形成し、特性評価用の基板とした。

[Ｚｎめっき］
めっき浴 硫酸亜鉛 ２５０ｇ／Ｌ
硫酸アンモニウム ３０ｇ／Ｌ
ｐＨ ３．０
浴温 ４０℃
電流密度 ２０Ａ／ｄｍ^２
めっき量 ２０ｇ／ｍ^２

[はんだ性を向上させる表面処理］
浴組成 水系ウレタン樹脂 ７００ｇ／Ｌ
水分散性シリカ ２００ｇ／Ｌ
ロジン−アミン系防錆剤 ５０ｇ／Ｌ
塗布方法 ロールコート
塗布厚さ（乾燥後） １μｍ

また、比較用の供試板として、表３に示す合金組成、板厚、抗張力、および硬度を有する洋白板（試料番号５）を作製した。

[供試板の特性評価］
上記のようにして得られた供試板を、下記の特性について評価した。
（はんだ濡れ性）
メニスコグラフ法（ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｂ）により、ＳＯＬＤＥＲＣＨＥＣＫＥＲ（ＭＯＤＥＬ ＳＡＴ−５０００、ＲＨＥＳＣＡ製）を使用し、上記の各供試板から切り出した幅７ｍｍの試片をフラックス（ＮＡ−２００、タムラ化研製）に浸漬し、その後２５０℃に保持したはんだ浴（ＪＩＳＺ ３２８２：Ｈ６０Ａ）に前記のフラックスを塗布した試片を、浸漬速度２ｍｍ／秒で２ｍｍ浸漬し、はんだが濡れるまでの時間（ゼロクロスタイム）を測定し、下記に示す基準ではんだ濡れ性を評価した。短時間であるほどはんだ濡れ性が良好であることを示す。なお、試験は試片を恒温恒湿（６０℃、９５％ＲＨ）で５００時間経過させた後に実施した。
◎：５秒以下
○：５〜１０未満
△：１０〜１５秒未満
×：１５秒以上

[はんだ強度］
上記の各供試板から切り出した幅７ｍｍ、長さ５０ｍｍの試片をＬ字型に折り曲げた２つの切り出し片を、評価面を向かい合わせてＴ字状になるように重ね、Ｔ字の縦棒の部分に厚さ０．５ｍｍの鋼板を挟み、Ｔ字の縦棒の下部に０．５ｍｍの空隙部を形成した試片を作成した。この試片の空隙部に上記のハンダ濡れ性の評価に用いたのと同様のフラックスを塗布した後、ソルダーチェッカー（ＳＡＴ−５０００、レスカ製）を用い、２５０℃に保持したはんだ浴（ＪＩＳＺ ３２８２：Ｈ６０Ａ）に試片の空隙部を１０ｍｍの深さまで浸漬し５秒間保持して空隙部にはんだを充填した後取り出し、Ｔピール試験片とした。次いでテンシロンを用い、Ｔピール試験片のＴ字の横棒の部分をチャックで挟んで引っ張ってＴ字の縦棒の部分のはんだ充填部を引き剥がし、このときの引張強度をはんだ強度として測定し、下記の基準ではんだ強度の優劣を評価した。
◎：４ｋｇｆ／７ｍｍ以上
○：３〜４ｋｇｆ／７ｍｍ未満
△：１〜３ｋｇｆ／７ｍｍ未満
×：１ｋｇｆ／７ｍｍ未満
これらの評価結果を表４に示す。

その結果、表４に示すように、鋼板上にＺｎめっきを施し、その上にはんだ性を向上させる表面処理層を形成してなる本発明のばね用材料は、洋白と同等またはそれ以上の抗張力および硬度を有しており、またはんだ濡れ性とはんだ強度についても洋白と同等またはそれ以上の性能が得られることが判明した。

本発明のばね用材料は、安価な鋼板に安価なＺｎめっきとその上にはんだ性を向上させる表面処理層を形成したものであり、従来ばね材として用いられている高価な洋白からなるばね材と同等またはそれ以上の抗張力および硬度を有し、またはんだ濡れ性とはんだ強度についても洋白と同等またはそれ以上の性能が得られる。そのため、安価で高性能なばね用材料として好適に適用することができる。

Claims (2)

1. ばね用材料であって、鋼成分が重量％でＣ：０．０３〜０．２０％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｐ：≦０．１％、Ｓ≦０．０６％、Ａｌ：≦０．１％、Ｎ：０．００１〜０．０１６％、Ｔｉ：≦０．２％、Ｎｂ：≦０．１％、Ｂ：≦０．０１％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、板厚：０．０５〜０．６ｍｍ、抗張力：５５０〜１２００ＭＰａ、硬度ＨＲ３０Ｔ：６０〜９０からなる鋼板の少なくとも片面に、Ｚｎめっき層を有し、さらに該Ｚｎめっき層の上に水系アクリル樹脂または水系ウレタン樹脂を主成分とする表面処理層を有し、該表面処理層中に水分散性シリカ、防錆剤およびロジンを含有し、メニスコグラフ法によるはんだ濡れ性が１０秒未満及びＴピール法で測定したはんだ強度が３ｋｇｆ／７ｍｍ以上であるはんだ濡れ性とはんだ強度に優れていることを特徴とするバネ用材料。
2. ばね用材料の製造方法であって、鋼成分が重量％でＣ：０．０３〜０．２０％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｐ：≦０．１％、Ｓ≦０．０６％、Ａｌ：≦０．１％、Ｎ：０．００１〜０．０１６％、Ｔｉ：≦０．２％、Ｎｂ：≦０．１％、Ｂ：≦０．０１％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる連続鋳造鋼片を加熱温度１１００℃以下、仕上温度Ａｒ３点以上、熱間圧延後急冷し、次いで３０〜９０％の圧延率で一次冷間圧延し、焼鈍後、圧延率６０％以下の圧延率で二次冷間圧延して板厚：０．０５〜０．６ｍｍ、抗張力：５５０〜１２００ＭＰａ、硬度ＨＲ３０Ｔ：６０〜９０からなる鋼板を得、該鋼板にＺｎめっきを施し、得られたＺｎめっき層の上に表面処理層を、水系アクリル樹脂または水系ウレタン樹脂を主原料とし、かつ、水分散性シリカ、防錆剤およびロジンを含有する処理液により形成してなることを特徴とするばね用材料の製造方法。