JP5689013B2

JP5689013B2 - 複合接点

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Publication number: JP5689013B2
Application number: JP2011083988A
Authority: JP
Inventors: 喜多　晃一; 晃一喜多; 紀昭村橋
Original assignee: Nidec Sankyo CMI Corp
Current assignee: Nidec Sankyo CMI Corp
Priority date: 2011-04-05
Filing date: 2011-04-05
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2031-04-05
Also published as: JP2012221631A

Description

本発明は、少ない銀合金で長期に亘り安定した接点性能を発揮する耐久性に優れた複合接点に関する。

リレー、スイッチ、電磁開閉器、ブレーカ等に用いられる電気接点として、銀合金からなる単体接点に代えて、省銀化のため接点部分のみ銀合金材料を用い、それ以外の部分を銅系材料で代替する複合接点が広く用いられている。この種の複合接点は、小径の基部の一端部に大径の鍔部が形成された全体としてリベット形状をしているとともに、鍔部の上面部を構成する銀合金からなる接点部と、接点部の背面を接合した大径部を基部と一体に形成した銅合金からなる足部とを有している。

この場合、銀合金は銀マトリクス中に微細なＣｄやＳｎ、Ｉｎなどの酸化物が分散した材料組織であり、この酸化物を形成する製造プロセスのタイミングから前酸化法と後酸化法に分けられている。前酸化法とは、既に酸化物分散組織となった銀合金を用いて複合接点を成形する方法、後酸化法とは、未酸化の銀合金と足材とを接点形状に成形した後、接点全体を酸化させるプロセスである。

特許文献１には後酸化法による複合接点が記載されている。後酸化法の場合、足材に接点材料との接合後に実施する酸化プロセスにおける耐酸化性が必要とされることから、純銅の代わりに純銅に比較して耐酸化性に優れるＣｕ−Ｃｒ、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｂｅ、Ｃｕ−Ａｌ等の銅合金を使用するのが好ましいとされている。接点部の銀合金としては、Ａｇ−Ｃｄ、Ａｇ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｃｄ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎ−Ｉｎ等の合金が挙げられている。

一方、前酸化法においては、足材に対して後酸化法のような耐酸化性は必要とされないことから、通常は接合性に優れる純銅を用いるのが一般的である（特許文献２）。その上で、銀合金との接合強度を確保するため、銀合金との強度バランスを考慮して、接点足材にＡｇ−４〜３５ｍａｓｓ％Ｃｕ合金を用いる方法（特許文献３）なども提案されている。

特開平６−０７３４６７号公報実用新案登録第３０９８８３４号公報特開昭６３−１７０８１９号公報

しかしながら、特許文献１記載の後酸化法による場合や、特許文献２記載の純銅の足材を用いる場合、足材としての強度が十分でなく、接点材料として長期間使用すると鍔部の反り上がりが起きてしまう問題がある。特許文献３記載のように足材に銀合金を用いるのでは、複合接点としての省銀化の効果が薄く、また、長期間の使用による鍔部の反り上がりを抑制する効果も十分でない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、少ない銀合金で長期に亘り安定した接点性能を発揮する耐久性に優れた複合接点を提供することを目的とする。

本発明者は、複合接点の耐久性につき鋭意研究した結果、以下の知見を得た。
特許文献１記載の方法の場合、接合後に高温での酸化工程を経るため、足材の銅合金が焼鈍されてしまい、最終製品となった際の銅合金強度が低下し、その結果、鍔部の強度が十分でなくなる、あるいは接合強度が低下し、接点材料として長期間使用すると接合部の剥離や鍔部の反り上がりが起きてしまう。
また、後酸化工程を経ない特許文献２や特許文献３記載の場合では、鍔部を形成する銅もしくはＡｇ−４〜３５ｍａｓｓ％Ｃｕ合金の強度が十分でないことから、長期間に亘り使用していると、接合部の剥離が起き易く、また、鍔部が反り上がるように変形し、それが対向接点面と接触することで溶着不良を起こす問題が生じる。

これは、接点通電時の抵抗発熱や接点開閉の際に発生するアーク放電によって接点が高温になり、その熱により銅合金の強度が低下するとともに、繰り返しの熱サイクルによって熱応力が発生し、これらが長期的に複合して作用することが、接合部の剥離や鍔部の反り上がり発生の原因となっていると考えられる。そして、この接点開閉に伴う熱の影響により接合部の剥離や鍔部の反り上がりを回避するには、鍔部の基材となる銅合金の硬度、並びに銅合金と銀合金との硬度バランスが重要であることを見出した。なお、これらの合金においては、硬度は機械的強度と正の相関があることが知られており、硬度が高ければ強度も高いものと考えて差し支えない。
そこで、本発明は以下の解決手段とした。

本発明の複合接点は、小径の基部の一端部に大径の鍔部が形成されるとともに、該鍔部の上面部を構成する銀合金からなる接点部と、該接点部の背面と接合した状態で前記鍔部の下面部を構成する大径部と前記小径の基部とを一体に形成した銅合金からなる足部とを有し、これら接点部及び足部の接合前の材料として、前記足部のビッカース硬さが１２５ＨＶ〜１８５ＨＶで、前記銀合金に対して１２０％〜１５０％の硬さを有していることを特徴とする。

銅合金のビッカース硬さが１２５ＨＶより小さい場合には鍔部の強度が不足するため、長期間の使用で鍔部の反り上がりが起きやすくなる。一方、ビッカース硬さが１８５ＨＶより大きい銅合金材料では、接点部の銀合金に対して銅合金からなる足部の硬度が大きすぎることから、接合時に銀合金が優先的に変形してしまい、銅合金が十分な変形ができないため、両者の接合強度が低くなってしまい、長期間の使用においては銀合金からなる接点部の剥離が起きてしまう。よって、銅合金のビッカース硬さとしては１２５ＨＶ〜１８５ＨＶが望ましい。より望ましくは１３５ＨＶ〜１７５ＨＶの銅合金を用いるのが良い。

また、銀合金に対する銅合金のビッカース硬さの比が１００％より小さい場合、接合時に銅合金の変形量が大きい。すなわち銀合金の変形量が相対的に小さくなる結果として、接点部の中央部における銀合金層の厚みが増加する一方で、鍔部の外周部にまで銀合金層が広がらず、その結果、鍔部の外周部における十分な銀合金層（接点部）厚みが確保できず、剥離や消耗による溶着を起こしやすい。一方、銀合金に対する銅合金のビッカース硬さ比が１６０％より大きい場合、銅合金の変形量が相対的に小さくなり、十分に鍔部を保持可能な強度に達せず、結果として鍔部の強度が低下し、耐久性が低下する。よって、銀合金に対する銅合金のビッカース硬さ比が１００〜１６０％、望ましくは１２０〜１５０％の銅合金を用いるのが良い。

本発明の複合接点において、前記銅合金は析出硬化型銅合金であるとよい。
析出硬化型銅合金は、析出硬化元素を母相中に過飽和に固溶させた後、固溶度曲線より低い温度に一定時間保持すると、飽和固溶体の結晶に金属間化合物の微粒子が析出し、これにより析出硬化を図ることができる銅合金をいう。この析出硬化型銅合金は、析出硬化後は、熱処理を加えても硬度が低下しにくい。このため、長期間使用した場合、接点開閉に伴う発熱の繰り返しによる強度低下が小さく、長期間の使用に伴う熱応力による鍔部の反り上がりが抑制される。
また、前記銅合金の電気伝導度は５０ＩＡＣＳ％以上が好ましい。
足部の電気伝導度が低いと接点全体の電気抵抗が上昇し、発熱が顕著となり、ひいては接点寿命の低下に繋がるため電気伝導度はＩＡＣＳ５０％以上が好ましい。また、これは省エネルギー化の観点からも好ましい。

具体的には、銅合金は、Ｃｕ−Ｃｏ−Ｐ−Ｎｉ−Ｓｎ系合金、Ｃｕ−Ｚｒ系合金、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｃｒ系合金、Ｃｕ−Ｃｒ系合金、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金などが好ましく用いられる。これらの銅合金は、いずれも銀合金に対して相対的に変形抵抗が高く、かつ、電気伝導性に優れる（電気伝導度が５０ＩＡＣＳ％以上）析出硬化型銅合金である。また、長期間に亘る組織安定性に優れた一部の固溶強化型銅合金、例えば、Ｃｕ−Ｍｇ系合金なども使用条件によっては用いることが可能である。

本発明の複合接点は、足部に純銅(タフピッチ銅、無酸素銅)と比較して高硬度（高強度）の銅合金を用いることにより、銀合金との優れた接合界面強度を得ることができるとともに、接点開閉に伴うサイクル熱応力による鍔部の変形や接合部の剥離が抑制され、その結果、長期間の使用における接点の耐久性が向上し、リレー等の接点装置全体の耐久性向上に寄与する。

本発明に係る複合接点の一実施形態を示す縦断面図である。複合接点の鍔部に反り上がりが生じた例を示す縦断面図である。銅合金の硬度が大き過ぎる場合の例を示す縦断面図である。銀合金に対する銅合金のビッカース硬さ比が１００％より小さい場合の例を示す縦断面図である。

以下、本発明に係る複合接点の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
本実施形態の複合接点１は、図１に示すように、小径の基部２の一端部に大径の鍔部３が形成された全体としてリベット形状をしているとともに、鍔部３の上面部を構成する銀合金からなる接点部４と、接点部４の背面に位置し、それと接合された鍔部３の下面部を構成する大径部５と基部２と一体に形成した銅合金からなる足部６とを有している。
これら接点部４と足部６とは、これら銀合金からなる線材と銅合金からなる線材とを突き合わせて冷間でヘッダ加工することにより圧接される。圧接後に３００℃〜４００℃の熱処理が施される。そして、鎖線で示すように、銅又は銅合金等からなる台金板７の孔８内に足部６の基部２を挿入した状態にかしめられる。

このような複合接点１において、接点部４を構成する銀合金としては、純Ａｇ系合金、Ａｇ−Ｃｕ系合金、Ａｇ−ＣｕＯ系合金、Ａｇ−Ｎｉ系合金、Ａｇ−ＺｎＯ系合金、Ａｇ−Ｐｄ系合金、Ａｇ−ＳｎＯ_２系合金、Ａｇ−ＣｄＯ合金、Ａｇ−ＳｎＯ_２−Ｉｎ_２Ｏ_３系合金等を用いることができる。これらのビッカース硬さ（ＨＶ）は、加工条件により様々に変化するが、例えば、純Ａｇ系合金が約９０ＨＶ、Ａｇ−Ｃｕ系合金が約１３０ＨＶ、Ａｇ−ＣｕＯ系合金が約９０ＨＶ、Ａｇ−Ｎｉ系合金が約９５ＨＶ、Ａｇ−ＺｎＯ系合金が約１１０ＨＶ、Ａｇ−Ｐｄ系合金が約９５ＨＶ、Ａｇ−ＳｎＯ_２系合金が約１３０ＨＶ、Ａｇ−ＣｄＯ合金が約９０ＨＶ、Ａｇ−ＳｎＯ_２−Ｉｎ_２Ｏ_３系合金が約１１５ＨＶである。
また、足部６を構成する銅合金としては、Ｃｕ−Ｃｏ−Ｐ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｚｎ系合金、、Ｃｕ−Ｚｒ系合金、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｃｒ系合金、Ｃｕ−Ｃｒ系合金、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金などの析出強化型銅合金やＣｕ−Ｍｇ系合金などの固溶強化型銅合金を用いることができる。これら銅合金は、いずれもビッカース硬さが、１２５ＨＶ〜１８５ＨＶで、接点部４を構成する銀合金に対して１００％〜１６０％の硬さを有している。

銅合金のビッカース硬さが１２５ＨＶより小さい場合には、銅合金からなる鍔部下面部５の強度が不足するため、長期間の使用で図２に示すように鍔部３の反り上がりが起き易くなる。図２には便宜上、実施形態と共通部分に同一符号を付している（以下、図３及び図４においても同様）。
一方、ビッカース硬さが１８５ＨＶより大きい銅合金材料では、接点部４の銀合金に対して銅合金からなる足部６の強度が高すぎることから、図３に示したように接合時に銅合金が十分な変形ができないため接合強度が低くなってしまい、特に、鍔部３の周縁部の接合強度が弱くなり、長期間の使用においては図３に鎖線で示したように銀合金からなる接点部４の周縁部で剥離が起きてしまう。
よって、銅合金のビッカース硬さは１２５ＨＶ〜１８５ＨＶが望ましい。より望ましくは１３５ＨＶ〜１７５ＨＶの銅合金を用いるのが良い。

また、銀合金に対する銅合金のビッカース硬さの比が１００％より小さい場合、接合時に相対的に銅合金の変形量が大きく、銀合金の変形量が小さくなる結果として、図４に示すように接点部４の中央部における銀合金層の厚みが増加する一方で、外周部にまで銀合金層が広がらず、その結果、鍔部３の外周部において十分な銀合金層の厚みが確保できず、接点開閉に伴う銀合金の消耗や剥離により、銅合金が対向接点と接触して溶着を起こしたり、導通不良を起こし易くなる。
一方、銀合金に対する銅合金のビッカース硬さ比が１６０％より大きい場合、銅合金の変形量が相対的に小さくなりすぎ、十分に接点部４を保持可能な接合強度が得られず、結果として鍔部３の強度が低下し、耐久性が低下する。
よって、銀合金に対する銅合金のビッカース硬さ比が１００〜１６０％、望ましくは１２０〜１５０％の銅合金を用いるのが良い。

また、特に好適に用いることができる銅合金の多くは、析出硬化型銅合金であり、これらの合金においては溶体化処理により析出硬化元素を過飽和に固溶させた後、固溶度曲線より低い温度に一定時間保持する時効処理により、飽和固溶体の結晶に金属間化合物の微粒子が析出して強度が増加する。例えば、Ｃｕ−０．１ｍａｓｓ％Ｚｒ合金やＣｕ−０．３ｍａｓｓ％Ｃｒ−０．１ｍａｓｓ％Ｚｒ合金、Ｃｕ−２．３ｍａｓｓ％Ｆｅ−０．１２ｍａｓｓ％Ｚｎ−０．０３ｍａｓｓ％Ｐ合金などの場合には、８５０℃以上の高温での溶体化処理後、４００〜５００℃の温度で１〜３時間ほど時効処理することにより、微粒子が析出して強度が増加する。

これら析出硬化型銅合金は、一旦、時効処理を行った後は、時効処理温度より低い温度で熱処理を加えても硬度（強度）が低下しにくい。前述したように銅合金線材と銀合金線材とをヘッダ加工してリベット形状に圧接成形した後に、銀合金と銅合金の接合界面を安定化し、接合強度を高めることを主目的として３００〜４００℃の温度で熱処理が施される。この熱処理により、硬度は実質的に低下しない一方で、リベットの変形抵抗が小さくなり、リベットの端子材へのかしめ加工が容易になる。また、合金組織の熱的安定性が高いため、端子材にかしめた後、接点として長期間使用した場合でも、接点部４での発熱の繰り返しによる強度低下が小さく、また、接合安定化のための熱処理後でも優れた強度を保持していることから、熱応力による鍔部３の反り上がりが抑制され、かつ、銀合金と銅合金が十分な接合強度を有するので接点部４外周部における剥離も抑制される。また、長期間に亘る組織安定性に優れた一部の固溶強化型銅合金、例えば、Ｃｕ−Ｍｇ系合金などについても、析出硬化型銅合金とは強度維持メカニズムは異なるものの同様に好適に用いられる。

以上のように、この複合接点１は、足部６のビッカース硬さを１２５ＨＶ〜１８５ＨＶの範囲に設定したことにより、長期間の接点開閉に伴うサイクル熱応力が発生しても、鍔部３の反り上がりや接合部の剥離を抑制して、耐久性を向上させることができる。また、足部６と接点部４とのビッカース硬さのバランスにより、少ない銀量でありながら、銅合金との接合界面全域で均質な銀合金厚さで優れた接合強度が得られることから、長期間の使用によっても銀合金と銅合金との界面での剥離も抑制される。

複合接点の材料として、市販の純Ａｇ系合金、Ａｇ−ＳｎＯ２系合金、Ａｇ−ＳｎＯ_２−Ｉｎ_２Ｏ_３系合金、Ａｇ−ＺｎＯ系合金、Ａｇ−Ｎｉ系合金からなる直径１．５ｍｍの銀合金線材と、市販のタフピッチ銅（ＣＤＡ番号：Ｃ１１０００）、Ｃｕ−Ｃｒ系合金（ＣＤＡ番号：Ｃ１８２００）、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金（三菱伸銅株式会社商品名：ＭＺＣ１）、Ｃｕ−Ｐ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｓｎ―Ｚｎ系合金（三菱伸銅株式会社商品名：ＨＲＳＣ）、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金（三菱伸銅株式会社商品名：ＴＡＭＡＣ１９４）、Ｃｕ−Ｍｇ系合金(三菱伸銅株式会社商品名：ＭＳＰ１)からなる直径１．９ｍｍの銅合金線材を用いた。これら銀合金線材と銅合金線材とを表１に示される発明接点1~１０および表２に示される比較接点１~４の組み合わせでヘッダマシンにセットし、二つの合金線を所定長さに切断して突き合わせた状態で冷間鍛造を行い、その後に３８０℃で３０分の熱処理を施すことにより、接点部の直径が３．５ｍｍ、鍔部の厚みが０．５ｍｍ（接点部の厚みが０．１５ｍｍ、銅合金の大径部の厚みが０．３５ｍｍ）、足部の直径が２．０ｍｍ、足部の長さが２．０ｍｍのリベット形状の複合接点を作製した。

これら複合接点につき、接点部と足部との間の剥離強度、接点としての耐久性を評価した。
剥離強度は、各複合接点をせん断応力試験機（ＡＰＴＥＣ製ＴＭ２１０２Ｄ−ＩＴ）にセットし、接点部と足部との界面に平行に荷重を加えてせん断応力を測定し、剥離強度を測定した。
耐久性評価は、作製した複合接点を２個一組としてそれぞれ厚み１ｍｍの銅製の台金板にかしめ固定し、これをＡＳＴＭ接点開閉試験機に取り付けて繰り返し開閉し、サイクル耐久性の評価を実施した。通電条件は、負荷電圧が直流１２Ｖ、０．５Ωの抵抗負荷による定常電流２４Ａとし、接触力、開離力とも１９６ｍＮ（２０ｇｆ）で、通電１秒＋休止４秒（サイクルタイム５秒）で２０万回まで繰り返し開閉した。
なお、接点開離タイミングから１秒以上、接点が開かない場合には溶着したと判断し、合計で１０回溶着が起きた場合にはサイクル数が２０万回に満たない場合でも試験終了とした。

所定のサイクル数を終えることなく途中で試験終了したものも含め、耐久試験終了後にサンプル外観を観察するとともに、必要に応じてこれを樹脂に埋め込み断面を研磨して銀合金と銅合金の界面及びかしめ固定した銅板と接点の鍔部との界面を観察し、耐久性が良好な順に○、△、×で判定した。
その判定基準としては、銀合金と銅合金の界面に目立った剥離が起きておらず、かつ、接点の鍔部がかしめ固定された銅板に接触している、もしくはかしめ固定された初期状態から外観上ほとんど変化がない場合には○、銀合金と銅合金の界面での剥離が若干見られる、もしくは鍔部の反り上がりが観察されるものの、所定のサイクル数終了まで溶着停止しなかったものを△、銀合金と銅合金の界面での剥離が見られるか、鍔部の反り上がりが発生しており、所定のサイクル数に達する前に溶着停止を起こしてしまったものを×とした。

これらの表において、「硬さ比」は、硬さ比（％）＝（銅合金のビッカース硬さ／銀合金のビッカース硬さ）×１００で求めた。使用した銀合金及び銅合金のビッカース硬さは以下の通りである。
銀合金
純Ａｇ系合金：８９ＨＶ（表中銀合金１）
Ａｇ−ＳｎＯ_２系合金：１３１ＨＶ（表中銀合金２）
Ａｇ−ＳｎＯ_２−Ｉｎ_２Ｏ_３系合金：１１４ＨＶ（表中銀合金３）
Ａｇ−ＺｎＯ系合金：１０７ＨＶ（表中銀合金４）
Ａｇ−Ｎｉ系合金：９６ＨＶ（表中銀合金５）
銅合金
タフピッチ銅：１０９ＨＶ（表中銅合金１）
Ｃｕ−Ｃｒ系合金：１２９ＨＶ（表中銅合金２）
Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金：１７４ＨＶ（表中銅合金３）
Ｃｕ−Ｐ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｚｎ系合金：１５８ＨＶ（表中銅合金４）
Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金：１４８ＨＶ（表中銅合金５）
Ｃｕ−Ｍｇ系合金：１８３ＨＶ（表中銅合金６）

表１の結果から、発明接点はいずれも優れた剥離強度を有しており、また耐久性にも優れることが確認された。一方、表２の結果から、比較接点１は剥離強度には優れるものの銅合金の強度が不足することから、耐久性試験の最中に鍔部の反りあがりが発生し溶着してしまった。また、他の比較接点については、剥離強度が低いことから、耐久性試験中に銀合金と銅合金の接合面での剥離が発生し、十分な耐久性を発揮することができなかった。
以上の結果から、接点部及び足部の接合前の材料として、足部のビッカース硬さが１２５ＨＶ〜１８５ＨＶで、接点部を形成する銀合金に対して１００％〜１６０％、特に発明接点１〜３、５〜９の硬さを有する銅合金を用いることにより、長期に亘り安定した接点性能を発揮する耐久性に優れた複合接点が得られることが確認された。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、一端部にのみ接点部が設けられているものとしたが、基部の端部にも銀合金を設けて、両端部に接点部を形成してもよい。

１複合接点
２基部
３鍔部
４接点部
５大径部
６足部
７台金板
８孔

Claims

小径の基部の一端部に大径の鍔部が形成されるとともに、該鍔部の上面部を構成する銀合金からなる接点部と、該接点部の背面と接合した状態で前記鍔部の下面部を構成する大径部と前記小径の基部とを一体に形成した銅合金からなる足部とを有し、これら接点部及び足部の接合前の材料として、前記足部のビッカース硬さが１２５ＨＶ〜１８５ＨＶで、前記銀合金に対して１２０％〜１５０％の硬さを有していることを特徴とする複合接点。
前記銅合金は析出硬化型銅合金であることを特徴とする請求項１記載の複合接点。
前記銅合金は、Ｃｕ−Ｃｏ−Ｐ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｚｎ系合金、Ｃｕ−Ｃｒ系合金、Ｃｕ−Ｚｒ系合金、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｃｒ系合金、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金、Ｃｕ−Ｍｇ系合金のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の複合接点。
前記銅合金の電気伝導度は５０ＩＡＣＳ％以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の複合接点。