JP6449690B2 - Ｓｎめっき層を備えた導電材 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電気自動車、ハイブリット車、鉄道車両等の移動体や、配電盤や蓄電システム等の定置型の産業設備において、電池や電気機器を電気的に接続するためのアルミニウム製又はアルミニウム合金製のＳｎめっき層を備えた導電材に関する。

一般に電池や電気機器を接続するための導電材には、バスバー、リードフレーム、端子などがあり、導電率と強度のバランスから銅合金が主に用いられている。しかしながら、銅材料の資源枯渇、原料価格の変動、ならびに、軽量化の要請から、銅製の導電材をアルミニウム材料へ置き換える試みが近年活発になっている。

アルミニウム又はアルミニウム合金（以下、これらをまとめて単に「アルミニウム」と記す）を導電材に適用する際、アルミニウム表面に絶縁性の酸化皮膜が存在することよる接触部での導通不良を改善するため、アルミニウム表面にＳｎめっき処理が施される。

通常、アルミニウムにＳｎめっき処理を施す場合、アルミニウムとＳｎは合金を形成せずアルミニウム上にＳｎめっき層が形成されても両者の密着性は不十分である。このように不十分な密着性を改善すべく、アルミニウムとＳｎめっきとの間にＮｉめっき層を介在させている（特許文献１）。

導電材は、装置、部品を電気的に接続することが主目的であり、配置の決まった装置間や、部品間の狭い空間を利用して接続することが多いため曲げ加工性が必要である。アルミニウム自体は加工性に優れるので、バスバーなどの導電材に要求される９０度曲げ加工では割れが発生しない。しかしながら、上記特許文献１のような従来技術であるアルミニウムとＳｎめっき層の界面にＮｉめっき層を形成した場合には、Ｎｉめっき層がアルミニウム基材とＳｎめっき層よりも高硬度のため曲げ加工時に割れが発生して、外観不良やめっきの脱落による導通不良が発生する。また、長時間の使用により、ＮｉとＳｎが相互拡散して脆い金属間化合物を形成し導通不良やめっき剥離の要因となる。

特開２０１４−４７３６０号公報

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、アルミニウム基板とＳｎめっき層の間にＮｉめっき層を備えることなく、アルミニウム基板とＳｎめっき層との密着性に優れ、かつ、曲げ加工性に優れた導電材を提供することを目的とする。

本発明は請求項１において、アルミニウム又はアルミニウム合金の基板と、当該基板の表面に形成されたＳｎめっき層とを備え、断面元素分布で前記基板表面から順にＺｎ皮膜、Ｓｎめっき層が存在しており、−５０℃で３０分間の保持状態から＋８０℃で３０分間の保持状態への環境保持変化を１サイクルとして１０００サイクルの環境保持変化後におけるＪＩＳＨ８５０４に準拠した引き剥がし試験により、前記Ｓｎめっき層の基板からの剥離が発生せず、ＪＩＳＺ２２４８のＶブロック法に準拠した９０度曲げ試験により、前記Ｓｎめっき層の割れ及び基板からの剥離が発生せず、前記Ｓｎめっき層を形成する前における前記基板の算術平均粗さＲａが０．３０μｍ以上０．９０μｍ以下であり、輪郭曲線平均長さＲＳｍが７．０μｍ以上３０．０μｍ以下であることを特徴とするＳｎめっき層を備えた導電材とした。

本発明により、アルミニウム基板とＳｎめっき層の間にＮｉめっき層を備えることなく、アルミニウム基板とＳｎめっき層との密着性に優れ、かつ、曲げ加工性に優れた導電材が提供可能となる。

本発明に係る導電材は、アルミニウム基板と、この表面に形成されたＳｎめっき層とを備え、断面元素分布で基板表面から順にＺｎ皮膜、Ｓｎめっき層が存在する構造を有する。なお、Ｚｎ皮膜は、ジンケート処理によってアルミニウム基板の表層をＺｎ置換して形成される。このように、本発明では、アルミニウム基板とＳｎめっき層の間にＮｉめっき層を設けない。

１．アルミニウム基板
本発明で用いるアルミニウム基板の材質は特に限定されるものではないが、導電材として求められる良好な導電率を有するＡ１０００系、Ａ６０００系及びＡ８０００系合金が好適に用いられる。

本発明に用いるアルミニウム基板は常法に従って製造したもので良く、求められる板厚に応じて、熱間圧延板又は冷間圧延板のいずれを採用してもよい。具体的には、鋳造工程、均質化工程、面削工程、熱間圧延工程、冷間圧延工程及び焼鈍工程の必要な工程を経て製造される。

本発明に用いるＳｎめっき層を形成する前におけるアルミニウム基板は、算術平均粗さＲａが０．３０μｍ以上０．９０μｍ以下であり、輪郭曲線平均長さＲＳｍが７．０μｍ以上３０．０μｍ以下である表面形状を有する。ここで、ＲａとＲＳｍは、ＪＩＳＢ０６０１に準拠してレーザー顕微鏡で分析して求められる。Ｒａが０．３０μｍ未満の場合は、アルミニウム基板におけるＳｎめっき層と接する表面積の増加が少なくなり、アンカー効果が低減して密着性が低下する。一方、Ｒａが０．９０μｍを超える場合は、アルミニウム基板表面の突出部の頂点部分にＳｎめっき層の形成が集中し、Ｓｎめっき層の形成が不均一となって密着性が低下する。また、ＲＳｍが７．０μｍ未満の場合は、アルミニウム基板表面の突出部の間隔が狭いため曲げた際のクラックの起点が多くなり、曲げ性が低下する。一方、ＲＳｍが３０．０μｍを超える場合は、アルミニウム基板におけるＳｎめっき層と接する表面積の増加が少なくなり、アンカー効果が低減して密着性が低下する。

アルミニウム基板の上記表面形状の調整方法は、ブラスト処理、ダル圧延などの機械的処理、アルミニウム基板を溶液に浸漬し、又は溶液をスプレーすることで表面をエッチング処理することによって行なわれる。これらの方法のうち、調整精度の点からブラスト処理が好ましい。

本発明に係る導電材には、電池や電気機器を電気的に接続するため高い導電性が要求される。そこで、これに用いるアルミニウム基板の導電率は５５％ＩＡＣＳ以上であることが好ましい。５５％未満では電力損失が増大するなど、導電材としての特性が不十分となる。導電率の上限は特に規定するものではないが、アルミニウム基板の導電率の上限は６４％ＩＡＣＳである。

本発明に係る導電材に用いるアルミニウム基板は、調質された際に１００ＭＰａ以上の引張強度を有するのが好ましい。引張強度が１００ＭＰａ未満では、組み付けの際のハンドリング時や、製品としての使用時における振動で変形する可能性がある。また引張強度の上限は特に限定されるものではない。

２．Ｚｎ皮膜
アルミニウム基板の上に密着性良くＳｎめっき層を形成するのは難しいので、本発明に用いるアルミニウム基板は、その表層とＳｎめっき層との間にＺｎ皮膜を有する。Ｚｎ皮膜の形成には、従来のジンケート処理を用いることができる。例えば、アルカリ性の脱脂剤でアルミニウム基板表面の油を除去し、次いで、アルカリ性のエッチング液で表層の酸化皮膜を除去し、更に、アルカリ処理により生成したスマットを硝酸で除去した後に、ダブルジンケート処理を施すものである。

Ｚｎ皮膜の厚さは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下であるのが好ましく、０．１μｍ以上０．３μｍ以下であるのがより好ましい。Ｚｎ皮膜の厚さが０．１μｍ未満では、アルミニウム基板とＳｎめっき層との十分な密着性が得られない場合があり、０．５μｍを超えると、曲げ加工した際に割れの起点となる場合がある。

３．Ｓｎめっき層
アルミニウム基板表層のＺｎ皮膜の上のＳｎめっき層は、従来用いられる電解めっき法又は無電解めっき法により形成することができる。Ｓｎめっき層の厚さは、１．０μｍ以上１０．０μｍ以下であるのが好ましく、１．０μｍ以上５．０μｍ以下であるのがより好ましい。Ｓｎめっき層の厚さが１．０μｍ未満ではめっきが形成されないピンホールが生じる場合があり、１０．０μｍを超えるとめっき付着厚さにばらつきが生じる場合がある。

４．Ｓｎめっき層を備えた導電材
本発明に係るＳｎめっき層を備えた導電材は、形状に限定されない。バスバーとして用いる場合、通常、断面が矩形の棒状をなす。棒状の厚さは、０．５〜１０ｍｍとするのが好ましい。厚さが０．５ｍｍ未満では、十分な通電性を確保することができない場合がある。一方、１０ｍｍを超えると、実用上必要なプレス成形性や曲げ加工性が得られない場合がある。なお、本発明に係る導電材では、曲げ加工、プレス打ち抜き加工、ボルト用の穴開け加工を行うこともある。

以下、発明例及び比較例に基づいて本発明の具体的な形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

表１に示すように、発明例及び比較例では、表面形状（Ｒａ及びＲＳｍ）の異なるアルミニウム基板（Ａ６１０１−Ｔ６で板厚２ｍｍ）を用いた。このアルミニウム基板に、アルカリ脱脂処理、アルカリ洗浄、硝酸洗浄、ダブルジンケート処理及びＳｎめっき処理をこの順序で実施してＳｎめっき層を備えた導電材試料を作製した（発明例１〜５及び比較例２、３、５）。

Ｓｎめっき層を形成する前におけるアルミニウム基板の表面形状（Ｒａ及びＲＳｍ）の相違は、異なる大きさのアルミナメディア又はガラスビーズを投射するブラスト処理によって設けた。なお、比較例１では、アルミニウム基板に、ブラスト処理を行なわず、アルカリ脱脂処理、アルカリ洗浄、硝酸洗浄、ダブルジンケート処理及びＳｎめっき処理をこの順序で実施した。また、比較例４では、アルミニウム基板に、ブラスト処理を行なわず、アルカリ脱脂処理、アルカリ洗浄、硝酸洗浄、ダブルジンケート処理、Ｎｉめっき処理及びＳｎめっき処理をこの順序で実施した。表面粗さ形状の分析はＳｎめっき処理の前に実施した。

上記のようにして作製した試料を用いて、アルミニウム基板とＳｎめっき層の密着性、ならびに、曲げ性を評価した。

１．密着性
アルミニウム基板とＳｎめっき層の密着性は、以下のようにして評価した。冷熱衝撃装置（エスペック株式会社製、型式ＴＳＡ−１０２ＥＬＡ）を用いて、導電材試料を、−５０℃で３０分間の保持状態から＋８０℃で３０分間の保持状態へ移す環境保持変化を１サイクルとして、これを１０００サイクル行なった。

次いで、サイクル試験後の導電材試料を、ＪＩＳＨ８５０４の引き剥がし試験法のテープ試験方法に準拠して試験した。具体的には、試料のＳｎめっき層の表面に、一辺が２ｍｍの正方形の条痕をカッタで形成した。そして、この条痕部分に粘着テープを張り付けてこれを引き剥がし、めっき層の剥離発生の有無を観察した。めっき層の剥離が発生しない場合を合格とし、剥離が発生した場合を不合格とした。

２．曲げ性
曲げ性は、以下のようにして評価した。導電材試料の板厚が２ｍｍと厚いため、ＪＩＳＺ２２４８（金属材料曲げ試験方法）のＶブロック法に準拠して試験した。具体的には、試料をＶブロックに載置し押金具（内側半径１．０ｍｍ）によって９０度に押し曲げた後に、曲げ部頂点の外側を観察して、Ｓｎめっき層の割れ及び基板からの剥離の発生の有無を調べた。Ｓｎめっき層の割れ及び基板からの剥離がいずれも発生しない場合を合格とし、Ｓｎめっき層の割れ及び基板からの剥離の少なくともいずれかが発生した場合を不合格とした。

これらの密着性及び曲げ性の評価結果を、表１に示す。

表１に示すように、発明例１〜５はいずれも、密着性及び曲げ性が合格であった。

比較例１では、ブラスト処理を行なわなかったのでＲＳｍが小さくなり、アルミニウム基板表面における粗さ断面の山間の距離が短くなった。その結果、曲げ加工時のクラックの起点が増え、曲げ性（割れ及び剥離）が不合格であった。

比較例２では、ブラスト処理で投射したアルミナメディアが小さかったためＲａが小さくなり、アルミニウム基板表面における粗さ断面の山谷の高低差が小さくなった。その結果、アルミニウム基板におけるＳｎめっき層と接する表面積の増加が少なく、密着性（中程度の剥離）が不合格であった。また、アルミナメディアが小さかったためＲＳｍが小さくなり、アルミニウム基板表面における粗さ断面の山間の距離が短くなった。その結果、曲げ加工時のクラックの起点が増え、曲げ性（割れ）が不合格となった。

比較例３では、ブラスト処理で投射したアルミナメディアが大きかったためＲａが大きくなり、アルミニウム基板表面における粗さ断面の山谷の高低差が大きくなった。その結果、アルミニウム基板表面における粗さ断面の山の部分にＳｎめっき層の形成が集中し、Ｓｎめっき層が均一に形成できず、密着性（小程度の剥離）が不合格となった。また、アルミナメディアが大きかったためＲＳｍが大きくなり、アルミニウム基板表面における粗さ断面の山間の距離が長くなった。その結果、アルミニウム基板におけるＳｎめっき層と接する表面積の増加が少なく、密着性（少程度の剥離）が不合格であった。以上のように、密着性が不足したことで曲げ試験において割れが生じ、曲げ性も不合格であった。

比較例４では、Ｎｉめっき層の上にＳｎめっき層を形成したため、密着性は合格であった。しかしながら、Ｎｉめっき層を起点としてＳｎめっき層まで割れが発生し、曲げ性が不合格であった。

比較例５では、ブラスト処理で投射したガラスビーズメディアが小さかったため、Ｒａが小さくなりアルミニウム基板表面における粗さ断面の山谷の高低差が小さくなった。その結果、アルミニウム基板におけるＳｎめっき層と接する表面積の増加が少なく、密着性（中程度の剥離）が不合格であった。密着性が不足したことで曲げ試験後には剥離が生じ、曲げ性も不合格であった。

アルミニウム基材とＳｎめっき層との密着性を向上させたことで、アルミニウム基材とＳｎめっき層との中間層となるＮｉめっき層を省くことができる。その結果、アルミニウム基材とＳｎめっき層との高密着性を備えつつ、曲げ性が良好な導電材が得られる。更に、Ｎｉめっき層が不要になるため、原料コスト及び製造コストの削減が図られる。

Claims (1)

1. アルミニウム又はアルミニウム合金の基板と、当該基板の表面に形成されたＳｎめっき層とを備え、断面元素分布で前記基板表面から順にＺｎ皮膜、Ｓｎめっき層が存在しており、−５０℃で３０分間の保持状態から＋８０℃で３０分間の保持状態への環境保持変化を１サイクルとして１０００サイクルの環境保持変化後におけるＪＩＳＨ８５０４に準拠した引き剥がし試験により、前記Ｓｎめっき層の基板からの剥離が発生せず、ＪＩＳＺ２２４８のＶブロック法に準拠した９０度曲げ試験により、前記Ｓｎめっき層の割れ及び基板からの剥離が発生せず、前記Ｓｎめっき層を形成する前における前記基板の算術平均粗さＲａが０．３０μｍ以上０．９０μｍ以下であり、輪郭曲線平均長さＲＳｍが７．０μｍ以上３０．０μｍ以下であることを特徴とするＳｎめっき層を備えた導電材。