JP7266540B2 - 接続端子 - Google Patents
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Description
最初に、本開示の実施形態を列挙して説明する。
以下、図面を用いて本開示の実施形態にかかる接続端子について、詳細に説明する。本開示の実施形態にかかる接続端子は、所定の成分組成と物理的特性を有する銅合金を基材としてなるものである。
まず、本開示の実施形態にかかる接続端子の構造の概略について説明する。本開示の実施形態にかかる接続端子は、具体的な形状や用途を特に限定されるものではないが、一例として、嵌合型のメス型端子10について、以下で簡単に構造を説明する。
次に、本開示の実施形態にかかる接続端子の基材となる銅合金について説明する。
本開示の実施形態にかかる接続端子を構成する、第一の形態にかかる銅合金は、以下の各添加元素を含有し、残部がCuおよび不可避的不純物よりなっている。
・21%≦Zn≦27%
・0.6%≦Sn≦0.9%
・2.5%≦Ni≦3.7%
・0.01%≦P≦0.03%
そして、本形態にかかる銅合金は、620MPa以上、700MPa以下の0.2%耐力と、15%IACS以上、20%IACS以下の導電率とを有している。以下、本銅合金の成分組成および特性について、詳細に説明する。
第一の形態にかかる銅合金は、Zn、Sn、Ni、Pを必須の添加元素として含有し、残部がCuおよび不可避的不純物よりなっている。以下、各添加元素の含有量および含有による効果等について説明する。
Znは、銅母相に固溶することで、固溶強化を起こす。銅合金に添加したZnの多くは、銅母相内に固溶することができる。また、Znは、Cuに比べて安価であり、Cu合金にZnを多く添加した銅合金においては、原材料費が低く抑えられる。
Snは、Znと同様に、銅母相中に固溶することで、固溶強化を起こす元素であり、Snの添加により、銅合金の強度、耐応力緩和特性、耐応力腐食割れ性を向上させることができる。また、Snの添加により、結晶粒を微細化することができ、結晶粒の微細化によって、銅合金の強度と曲げ加工性を向上させることができる。
Niは、銅母相に固溶することで、わずかではあるが、固溶強化を起こす。また、上記のように、ZnおよびSnを銅合金に添加することで、ヤング率および積層欠陥エネルギーが低下する傾向があるが、銅合金にNiを添加することで、ヤング率と積層欠陥エネルギーの低下を抑制することができる。その結果、接続端子の基材として必要なバネ性を確保するとともに、耐応力腐食割れ性の低下を抑制することができる。また、Niは拡散速度が小さいため耐応力緩和特性を向上させることができる。さらに、NiがPとともに銅合金に含有されることで、Ni-P系析出物が生成し、分散・析出強化による強度の向上と、結晶粒界のピン止めによる結晶粒微細化の効果が得られる。また、Niは、銅合金に固溶したPとの親和力の高さから、コットレル雰囲気を形成し、耐応力緩和特性を顕著に向上させる効果を有する。Niの含有量を2.5%以上、好ましくは2.6%以上とすることで、Niの添加による上記各効果を有効に得ることができる。
上記のように、Pが、Niとともに銅合金に含有されることで、Ni-P系析出物を生成し、分散・析出強化と結晶粒微細化の効果が得られる。また、Pは、固溶したNiとの親和性の高さにより、耐応力緩和特性を向上させることができる。Pの含有量を0.01%以上とすることで、それらの効果を有効に得ることができる。
Feは、銅合金中で、固溶強化を起こすとともに、鋳造時の脱酸の促進、および鋳造組織の微細化に効果を有する。また、Ni-Fe-P系析出物を形成することで、分散・析出強化の効果を発揮するとともに、銅合金の再結晶時に、ピン止め現象によって、結晶粒を微細化させる効果を有する。Feは、銅合金にごく少量添加するだけでも、それらの効果を大きく発揮するので、含有量の下限は特に設けられないが、例えば、0.001%以上とできる。
Co、Cr、Zr、Ti、Mn、Vの少なくとも1種を銅合金に添加することで、銅合金の強度および耐応力緩和特性を向上させる効果が得られる。それらの元素は、銅合金にごく少量添加するだけでも、それらの効果を大きく発揮するので、含有量の下限は特に設けられないが、例えば、0.001%以上とできる。
本銅合金は、必須添加元素として、上記所定量のZn、Sn、Ni、Pを含有し、さらに上記任意添加元素を必要に応じて含有して、残部が、Cuと不可避的不純物よりなる。ここで、不可避的不純物としては、O,H,C,Sなどを挙げることができる。O,H,C,Sなどにより構成される不可避的不純物としては、より具体的には、H2Oなどを挙げることができる。
本銅合金において、Zn、Sn、Niは、それぞれ、上記の含有量の範囲を満たしているとともに、それぞれの含有量が、以下に説明する関係を満たしていることが好ましい。
本形態にかかる銅合金においては、平均結晶粒径が、5.0μm以下であることが好ましく、4.5μm以下であることがより好ましい。結晶粒を微細化することで、銅合金の耐力と延性を向上させることができる。一方で、結晶粒を微細化しすぎると、粒界拡散の影響が大きくなり、耐応力緩和特性が低くなってしまう。そこで、耐応力緩和特性を確保する観点から、平均結晶粒径は、2.0μm以上、さらには2.5μm以上であることが好ましい。平均結晶粒径が、2.0μm以上、5.0μm以下の範囲にあれば、耐力、延性、耐応力緩和特性を、バランスよく有する銅合金となる。
本形態にかかる銅合金は、以下のような特性を有している。
0.2%耐力は、金属材料の強度の指標となる量であり、本銅合金は、620MPa以上かつ700MPa以下の0.2%耐力を有している。接続端子において、基材の0.2%耐力が大きいほど、相手方電気接点と電気的に接触する接点部に、大きな接圧を印加しやすくなる。例えば、上で説明したメス型端子10の場合、基材の0.2%耐力が大きいほど、バネ部として構成される弾性接触片11のバネ性が大きくなり、オス型端子30と電気的に接触する接点部であるエンボス部11aに、高い接圧が印加される。接続端子の接点部において、高い接圧が印加されるほど、接触抵抗の低い状態を安定に維持することができる。その結果、抵抗発熱を低く抑えることができ、抵抗発熱による基材の軟化や溶損を回避しやすくなる。接続端子が、耐熱性に優れたものとなる。
本形態にかかる銅合金は、15%IACS以上、かつ20%IACS以下の導電率を有している。銅合金が高い導電率を有しているほど、接続端子の接点部において、抵抗発熱が小さくなり、抵抗発熱による基材の軟化や接続端子の溶損が起こりにくくなる。本銅合金は、620MPa以上の0.2%耐力を有しており、接続端子の接点部において、大きな接圧を確保できるため、15%IACS以上の導電率を有していれば、十分に抵抗発熱を抑制し、基材の軟化や接続端子の溶損を回避することができる。同じ量の電流を流した際の抵抗発熱は、接続端子が小型であるほど大きくなるが、接点部が形成される領域の幅(タブ幅)を0.5mm以下のように小さくした場合でも、そのように小型の接続端子は、信号系に使用され、微量の電流しか流されないので、基材が15%IACS以上の導電率を有していれば、抵抗発熱を十分に抑制することができる。抵抗発熱抑制の効果を高める観点から、導電率は、16%IACS以上であると、さらに好ましい。
本形態にかかる銅合金は、NiとPを複合添加されており、Ni-P系析出物を含有していることにより、高い耐応力緩和特性を有する。固溶強化指数τsが75以下に抑えられていることも、耐応力緩和特性の向上に効果を有する。銅合金が高い耐応力緩和特性を有していることにより、銅合金が、例えば120℃以上のような高温環境にさらされても、応力緩和を起こしにくく、大きな弾性力を維持することができる。例えば、接続端子を、自動車のエンジンルーム近傍等、高温になる環境で使用したとしても、メス型端子10の弾性接触片11等、バネ部のバネ荷重が高い状態が維持され、接点部において、大きな接圧による高い通電特性を長期にわたって維持することができる。
本形態にかかる銅合金は、Znの含有量が27%以下に抑制されていることにより、また、SnおよびNiの添加の効果により、高い耐応力腐食割れ性を有する。よって、オス型端子30と嵌合させた状態のメス型端子10の弾性接触片11のように、接続端子を相手方の電気接続部材と接続して、バネ部を弾性変形させ、応力を印加した状態で、接続端子が腐食環境に晒された場合でも、応力腐食割れが発生しにくい。
ここまで説明した第一の形態にかかる銅合金は、所定の範囲の含有量のZn、Sn、Ni、Pを含有し、残部がCuおよび不可避的不純物よりなるという成分組成を有し、かつ、所定範囲の0.2%耐力および導電率を有するものであった。第一の形態においては、銅合金が、所定量のZn、Sn、Ni、Pを含有することで、耐力、曲げ加工性、耐応力緩和特性に優れたものとなっている。
次に、本開示の実施形態にかかる接続端子の製造方法について説明する。
まず、接続端子の基材となる銅合金の板材を製造する。銅合金は、例えば、以下の(1)~(8)の工程を、記載した順に実施することで、製造することができる。工程(4)の焼鈍および工程(5)の冷間圧延のサイクルは、複数回実施してもよい。処理温度や処理時間、加工率等、各工程を実施する際の具体的な条件は、特に限定されるものではないが、下記では、それら処理条件の例を示している。また、括弧内に、銅合金材を順次加工する際の寸法変化の一例を示している。wは銅合金材の幅、tは厚さ、Lは長さを示している。
(2)熱間圧延 800~900℃×1時間 (6mm t)
(3)冷間圧延 (1.0mm t)
(4)焼鈍 500~600℃×1時間
(5)冷間圧延
(6)焼鈍 400~500℃×1時間 (結晶粒径2.0~5.0μm)
(7)冷間圧延 加工率10~40% (0.2mm t)
(8)歪取焼鈍 200~300℃×1時間
次に、上記のようにして製造した銅合金の板材を基材として、接続端子を製造する。接続端子への加工に先立ち、適宜、基材の表面に、スズめっき層等の被覆層を形成しておけばよい。そして、板材に対して、プレス打ち抜き成形や、曲げ加工等による端子形状への成形を行って、メス型端子10等、接続端子を製造することができる。
(1)試料の作製
表1に示した各成分元素を含有し、残部がCuおよび不可避的不純物よりなる銅合金を、厚さ0.2mmの板材として作製し、試料1~12および試料101~111とした。銅合金の製造は、(1)溶解鋳造、(2)熱間圧延、(3)冷間圧延、(4)焼鈍、(5)冷間圧延、(6)焼鈍、(7)冷間圧延、(8)歪取焼鈍をこの順に経て行った。各試料においては、成分組成と、製造工程における圧延条件、熱処理条件の調整によって、結晶粒径および機械的特性を調整した。
各銅合金に対して、室温、大気中にて、JIS Z 2241に準拠した引張試験を行い、応力-ひずみ曲線から、0.2%耐力を評価した。引張試験は、JIS 13B号試験片を用いて、銅合金の圧延方向に垂直な方向に対して行った。さらに、四端子法により、導電率を測定した。
各銅合金に対して、走査電子顕微鏡(SEM)によって、断面を圧延方向から観察した。そして、結晶粒の円相当径の平均値として、平均結晶粒径を見積もった。
各試料の銅合金を用いて、タブ幅0.5mmのメス型端子を作製した。銅合金を端子形状に成形するためのプレス打ち抜き成形および曲げ加工に際し、銅合金の圧延方向に垂直な方向を、メス型端子の弾性接触片の曲げ方向とした。作製した接続端子を用いて、下記の各特性を評価した。
接続端子において、挟圧部の角筒形状の底面から弾性接触片が折り返されている部位の180°曲げ、および挟圧部の角筒形状の壁面における90°曲げの箇所を、高分解能X線断層撮影(CT)によって観察した。いずれの箇所においても、割れが形成されていない場合を、曲げ加工性が高い(A)と評価した。一方、いずれか少なくとも一方の箇所で割れが形成されている場合を、曲げ加工性が不十分である(B)と評価した。
接続端子に電線を接続して通電を行い、通電中の接続端子の温度上昇を、端子の圧着部に接触させて固定した熱電対によって測定した。定格の電流値を通電し安定した時の温度上昇が、30℃の範囲を超えなかった場合には、導電性が高い(A)と評価した。一方、温度上昇が上記範囲を超えた場合には、導電性が不十分である(B)と評価した。
接続端子において、接点部に印加される弾性接触片の荷重を、万能試験機を使いロードセルによって測定した。設計時に設定された荷重が得られている場合には、バネ荷重が十分である(A)と評価した。一方、設計時に設定された荷重よりも測定値が小さくなっている場合には、バネ荷重が不十分である(B)と評価した。
接続端子に成形する前の銅合金板を、両端支持型の治具で支持し、0.2%耐力の80%の大きさの応力を印加しながら、120℃で保持した。試験後の試験片の寸法変化量を測定することで、保持中に除荷された応力を測定した。印加した応力に対して、20%未満しか除荷されていない場合を、耐応力緩和特性が高い(A)と評価した。印加した応力が20%以上除荷されている場合を、耐応力緩和特性が不十分である(B)と評価した。
作製したメス型端子にオス型端子を嵌合させた状態で、濃度10質量%のアンモニア水を底に入れた容器内に密閉した。容器内では、嵌合させた端子対がアンモニア水に直接触れないように、端子対を、アンモニア水の液面よりも高い位置で保持した。120時間後に端子対を容器から取り出し、メス型端子を目視にて観察した。割れが発生していなかった場合には、耐応力腐食割れ性が特に高い(A+)と評価した。割れが発生していても、接触荷重が初期の値の80%以上であった場合には、耐応力腐食割れ性が高い(A)と評価した。割れが発生し、かつ接触荷重が初期の値の80%未満となっていた場合には、耐応力腐食割れ性が不十分である(B)と評価した。
表1に、試料1~12および試料101~111にかかる銅合金について、成分組成および上記式(2)に基づいて算出した固溶強化指数τs、平均結晶粒径、0.2%耐力および導電率の測定結果、各種評価の結果を示す。また、図3Aに、固溶強化指数と0.2%耐力および導電率との関係を図示する。図3Bは、図3Aの一部を拡大して示している。
表1によると、試料1~12は、いずれも、21%≦Zn≦27%、0.6%≦Sn≦0.9%、2.5%≦Ni≦3.7%、0.01%≦P≦0.03%を含有する銅合金よりなっている。さらに、銅合金は、物理的特性として、620MPa以上、700MPa以下の0.2%耐力と、15%IACS以上、20%IACS以下の導電率を有している。
図3Aは、試料1~12および試料101~111に対して得られた表1の結果をもとに、各試料における固溶強化指数τsと0.2%耐力および導電率との関係を示している。図3Aでは、成分組成より計算される固溶強化指数τsを横軸に示している。そして、0.2%耐力を、左の縦軸に示している。表1に結果を示した曲げ加工性の評価試験において、高い曲げ加工性が得られた試料(A)については、黒丸(●)で表示し、不十分な曲げ加工性しか得られなかった試料(B)については、三角形(▲)で表示している。一方、導電率は、白丸(○)によって、右の縦軸に表示している。図3Bは、図3Aの0.2%耐力を、固溶強化指数τsが60~75の範囲で拡大して表示している。
11 弾性接触片(バネ部)
11a エンボス部(接点部)
12 内部対向接触面
13 挟圧部
13a 挟圧部の底面
30 オス型端子
D1 折り曲げ方向
Dr 圧延方向
Claims (9)
- 質量%で、
21%≦Zn≦27%、
0.6%≦Sn≦0.9%、
2.5%≦Ni≦3.7%、
0.01%≦P≦0.03%を含有し、
残部がCuおよび不可避的不純物よりなり、
圧延方向と垂直な方向に、620MPa以上、700MPa以下の0.2%耐力を有するとともに、
15%IACS以上、20%IACS以下の導電率を有する銅合金を基材としてなる、接続端子。 - 前記基材におけるZn、Sn、Niの含有量を、それぞれ、質量%を単位として、[Zn]、[Sn]、[Ni]とし、
以下の式で算出される固溶強化指数τsが、60≦τs≦75を満たす、請求項1に記載の接続端子。
τs=(164[Zn]2/3+858[Sn]2/3+45.6[Ni]2/3)/(190-0.1[Zn]-0.9[Sn]+0.1[Ni])2/3 - 前記銅合金の平均結晶粒径が、2.0μm以上、5.0μm以下である、請求項1または請求項2に記載の接続端子。
- 前記銅合金はさらに、0.02質量%以下のFeを含有する、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の接続端子。
- 前記銅合金はさらに、Co、Cr、Zr、Ti、Mn、Vより選択される少なくとも1種を、合計で0.1質量%以下含有する、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の接続端子。
- 相手方の電気接点と電気的に接触する接点部を含む領域に、前記銅合金の板材を圧延方向に垂直な方向に曲げてなるバネ部を有する、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の接続端子。
- メス型端子である、請求項6に記載の接続端子。
- 前記接続端子がメス型端子である場合に、嵌合可能な相手方のオス型端子のタブの幅として規定され、前記接続端子がオス型端子である場合に、該オス型端子のタブの幅として規定されるタブ幅が、0.5mm以下である、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の接続端子。
- 前記銅合金が、板厚0.20mm以下の板材として、前記接続端子を構成している、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の接続端子。
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