JP7394070B2 - 耐摩耗性及び耐熱性に優れる導電材料 - Google Patents
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Description
本発明は、ＤＣモータやマイクロＤＣモータ等のモータ、スライドスイッチやポテンショメータ等の可変抵抗器、更に、スリップリング等のコネクタ等の電気的接触部において、静止部品から可動部品へ電流を伝送するための、金属合金からなる導電材料に関する。
上記分野で使用される導電材料としては、従来からＡｇＰｄ合金（Ａｇ３０～７０質量％、特に、Ａｇ－５０質量％Ｐｄ合金）が広く用いられてきた。ＡｇＰｄ合金は、耐食性に優れていることに加え、低接触抵抗という導電材料にとって好適な特性を有する。また、ＡｇＰｄ合金は、全率固溶型の合金であって面心立方構造を有しており、比較的塑性変形し易く加工性も良好である。
上記した各種可変抵抗器、モータ、コネクタ等に適用される導電材料には、摺動時において長期的に安定した電気的接触を確保するために、耐摩耗性及び耐熱性を兼ね備えた材料が求められる。ＡｇＰｄ合金は、これまではそれら要求に応え得る材料とされてきた。しかし、近年、導電材料の使用態様において、摺動速度や投入電力、接触荷重といった負荷が増大しており、導電材料への耐久性向上の要求が厳しくなっている。そして、ＡｇＰｄ合金は、この増大する負荷に対する耐久性の問題が指摘されつつある。
摺動接触している導電材料は、その最表面において、摺動応力による塑性変形を受け、金属組織が微細に攪拌された変質層が形成される。また、モータやスリップリング等における数百～数万ｒｐｍの高速回転条件や、通電電力が１０Ｗ以上でアーク放電が生じる条件で使用される導電材料では、回転による摩擦熱やアーク放電による熱の影響も受けることとなる。導電材料の最表面では、これらの熱の影響によっても金属組織の変質が生じる。図１０は、実使用後のＡｇＰｄ合金からなる摺動部材であって、最表面に変質層が形成された様子を観察した結果である。図１０に示すとおり、導電材料の最表面から約１０μｍの範囲で、塑性変形や熱影響による変質層の存在が確認できる。
導電材料からなる摺動部材の消耗は、上記した材料表面の変質層の部分が摺動応力やアークエネルギーといった外力に耐えられなくなり、消耗粉となって脱落していくことで起こる。このような消耗のメカニズムから、摺動部材を構成する導電材料には耐摩耗性と耐熱性の双方について向上を図ることが求められている。
導電材料の耐摩耗性及び耐熱性の向上のためには、摺動によるせん断応力を受けても変形し難い剛性率の高い材料であって、熱エネルギーを受けても再結晶し難い材料とすべきである。導電材料においてこれらの特性を改良することは、摺動部材の長寿命化を図る上で、極めて重要な課題といえる。ここで、ＡｇＰｄ合金からなる従来の導電材料の耐摩耗性及び耐熱性の向上のための方策として、合金に微量の添加元素を加えることで、結晶粒の微細化や析出強化を図る手法が知られている。
微量添加元素によってＡｇＰｄ合金の結晶粒微細化を図る方法としては、３質量％以下のＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏを添加する手法が開示されている（特許文献１）。ＡｇＰｄ合金中にこれらの元素を微量添加すると、ＡｇＰｄマトリクスの結晶粒界に、ＰｄＦｅ、ＰｄＮｉ、ＰｄＣｏの微小粒子が成長し、マトリクスの結晶粒が微細化する。これによって、材料の強度特性の向上及び摺動時における材料表面の軟化防止が期待できる。
また、析出強化によるＡｇＰｄ合金の特性改善の方法としては、Ａｌ、Ｍｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐｂ等の添加元素を１～５質量％添加する方法が開示されている（特許文献２～４）。これらの添加元素を添加すると、Ｐｄと金属間化合物がＡｇＰｄマトリクスの粒界に生成する。この金属間化合物は、面心立方構造のＡｇＰｄマトリクスと異なる結晶構造を有し高強度で変形し難く、合金の剛性率を向上させる効果を示す。
上記した微量添加元素による結晶粒微細化や析出強化は、ＡｇＰｄ合金の耐摩耗性及び耐熱性の向上において一定の効果は認められる。しかしながら、摺動部材に対するより苛酷な使用環境を想定すると、十分とは言い難い。
即ち、微量添加元素による結晶粒微細化では、最大応力や耐力の値が上昇するものの、剛性率及び再結晶温度の改善についてはさほど変化を生じさせることができない。この方法は、材料の改質として不十分である。
また、金属間化合物を利用した析出強化は、上記の結晶粒微細化より材料強化の効果がある。但し、上記で例示した元素によって析出する金属間化合物は、合金組成（添加元素の配合比）に応じて生成するものである。添加元素の配合比を高くすることで、金属間化合物の析出量も増大し析出強化の効果は大きくなるが、加工性の低下を招き摺動部材の製造を困難とする。一方、加工性に難が生じない程度の配合比では、材料特性の向上効果が不十分となり、導電材料としての長寿命化を図ることができない。つまり、この従来技術では、析出量を容易に調整することは難しい。また、ここで発現する金属間化合物は、スピノーダル分解等による時効析出とは異なる機構で析出するため、粒径の制御も困難である。よって、加工性を確保しつつ、耐磨耗性と耐熱性を向上させるには限界があった。
本発明は、以上のような事情を鑑みてなされたものであって、ＡｇＰｄ合金を基本とする導電材料について、加工性を担保しつつ、従来技術よりも剛性率と再結晶特性が向上された材料を開示する。そして、機械的・電気的負荷の大きい電気的接触部においても、耐摩耗性及び耐熱性の優れる導電材料を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明は、１０質量％以上７０質量％以下のＡｇと、３０質量％以上９０質量％以下のＰｄと、５質量％超４５質量％以下のＮｉと、不可避不純物からなる導電材料であって、Ｎｉ含有量（質量％）とＡｇ含有量（質量％）の比率（Ｎｉ（質量％）／Ａｇ（質量％））が０．１以上５．０以下であり、金属組織において、ＡｇＰｄ合金相とＰｄＮｉ合金相とからなり、前記ＰｄＮｉ合金相の体積率が１８体積％以上８０体積％以下である導電材料である。
上述した従来技術において、ＡｇＰｄマトリクスの結晶粒微細化によって材料強化を図る方法（特許文献１）では、Ｎｉの添加量を微量範囲（３質量％以下）に制限している。添加元素量を制限するのは、Ａｇ、Ｐｄ、Ｎｉの各金属間の固溶度の差異を考慮しつつ、結晶粒微細化を図るためである。つまり、ＰｄはＡｇに対して全率固溶して合金（ＡｇＰｄ）を生成できる。一方、Ｎｉは、Ａｇに殆ど固溶しないがＰｄには全率固溶して合金（ＰｄＮｉ）を生成することができる。Ｎｉ添加によるＡｇＰｄ合金の結晶粒微細化は、マトリクス中の分離相（ＰｄＮｉ）を起点として進行し、微小の分離相を分散させることが好ましいとされている。そして、マトリクスを構成するＡｇに固溶し難いＮｉの添加量が大きいと、粗大な分離相が過剰に生成し結晶粒微細化の妨げになる。そのため、上記従来技術では、Ｎｉ添加量を微量に制限することで、均質なＡｇＰｄ合金マトリクスに微細な分離相を分散させて結晶粒微細化を図っている。
上記のような従来技術に対して、本発明に係る導電材料では、ＡｇＰｄ合金に対し、敢えて高い濃度範囲のＮｉを添加する。上記のとおり、ＮｉはＡｇには固溶し難いが、Ｐｄには全率固溶できる元素である。本発明者等の検討によれば、Ｎｉ添加によって生成する分離相であるＰｄＮｉ合金相は、マトリクス（ＡｇＰｄ合金）に対する量を適切に制御することで、合金全体を強化することができる。
本発明者等によれば、ＰｄＮｉ合金相による材料強化は、最大応力や耐力の向上に加えて剛性率の上昇にも効果がある。更に、ＰｄＮｉ合金相の量を適切にすることで、再結晶温度の向上がみられ、合金の耐熱性の向上にも効果があることが確認されている。
そして、本発明の適量のＮｉを含むＡｇＰｄ合金は、加工性も確保されている。この効果は、本発明で着目したＰｄＮｉ合金相が、上記の析出強化（特許文献２～４）における金属間化合物に対して高い変形能を有することに基づく。ＰｄＮｉ合金相は、マトリクスであるＡｇＰｄ合金と同様に面心立方構造を有し、合金全体が塑性変形を受けるときマトリクスと共に変形する傾向を有する。合金中のＰｄＮｉ合金相量を適切な範囲とすることで、加工性を確保することができる。
以上の説明のとおり、本発明は、ＡｇＰｄ合金に添加元素としてＮｉを比較的高濃度で添加することで、ＡｇＰｄ合金相とＰｄＮｉ合金相とが複合化した多相合金とすることを特徴とする。つまり、本発明に係る導電材料は、Ｎｉ含有量等における合金組成に基づく特徴と、多相合金に関連する金属組織に基づく特徴を有する。以下、本発明に係る導電材料の構成に関し、成分組成及び金属組織について詳細に説明する。
Ａ．本発明に係る導電材料の合金組成
本発明に係る導電材料は、Ａｇ、Ｐｄ、Ｎｉの３元素を必須の構成元素とするＡｇＰｄＮｉ合金からなる。このＡｇＰｄＮｉ合金の組成範囲は、Ａｇが１０質量％以上７０質量％以下、Ｐｄが３０質量％以上９０質量％以下、Ｎｉが５質量％超４５質量％以下とする。
本発明に係る導電材料は、Ａｇ、Ｐｄ、Ｎｉの３元素を必須の構成元素とするＡｇＰｄＮｉ合金からなる。このＡｇＰｄＮｉ合金の組成範囲は、Ａｇが１０質量％以上７０質量％以下、Ｐｄが３０質量％以上９０質量％以下、Ｎｉが５質量％超４５質量％以下とする。
そして、本発明は、上記組成範囲のＡｇＰｄＮｉ合金に対し、Ｎｉ及びＡｇの配合比についての制限を加える。具体的には、Ｎｉ含有量（質量％）とＡｇ含有量（質量％）の比率（Ｎｉ（質量％）／Ａｇ（質量％））が０．１以上５.０以下の範囲内とする。
本発明で適用するＡｇＰｄＮｉ合金の組成を上記範囲としつつ、更にＮｉとＡｇとの配合比を設定したのは、ＡｇＰｄ合金相とＰｄＮｉ合金相を偏りなく分散させ、本発明で要求される好適な金属組織のＡｇＰｄＮｉ合金を得るためである。ＡｇＰｄ合金相とＰｄＮｉ合金相は、本質的に混じり合わない合金相である。そして、両合金相間において、液相状態の密度及び固相線温度に大きな乖離が生じると、鋳造時に分離傾向が強くなり、均質で一様な金属塊を製造することが困難となる。
本発明者等の検討によれば、液相密度比（ＰｄＮｉ合金相の液相密度／ＡｇＰｄ合金相の液相密度）が０．９５～１．００の範囲内にあって、固相線温度の乖離が１００℃未満となるようなＡｇＰｄ合金相及びＰｄＮｉ合金相を生成させることで、一様な金属塊を得ることができる。そして、ＡｇＰｄＮｉ合金について、この条件を満たす各合金相を生成させるため、上記範囲の合金組成とすると共に、Ｎｉ含有量とＡｇ含有量についての配合比を規定している。
そして、本発明で規定される合金組成及び配合比によって生成するＡｇＰｄ合金相の組成は、Ａｇが３０質量％以上８０質量％以下、Ｎｉが０質量％以上１質量％以下、残部がＰｄ及び不可避不純物である。一方、ＰｄＮｉ合金相の組成は、Ｐｄが４０質量％以上９０質量％以下、Ａｇが０質量％以上５質量％以下、残部がＮｉ及び不可避不純物である。各合金相に含まれる不可避不純物は、後述の本発明に係る導電材料の不可避不純物を含み、その含有量も後述の範囲内となる。ＡｇＰｄ合金相とＰｄＮｉ合金相の組成は、ＡｇＰｄＮｉ合金の金属組織を電子顕微鏡（ＳＥＭ）等で観察するときに、波長分散型Ｘ線分光法（ＷＤＳ）等の分光分析法による元素分析で測定することができる。
以上説明した合金組成について、Ａｇ、Ｐｄ、Ｎｉの含有量が上記範囲を逸脱する場合や、Ｎｉ含有量とＡｇ含有量との配合比が上記範囲を逸脱する場合、上記した好適なＡｇＰｄ合金相とＰｄＮｉ合金相が好適な体積率で生成されず、均質で一様な材料を製造することが困難となる。また、本発明の課題である導電材料としての耐磨耗性を確保することも困難となる。
尚、本発明で適用するＡｇＰｄＮｉ合金の合金組成は、好ましくは、Ａｇが１４質量％以上５５質量％以下、Ｐｄが３８質量％以上６０質量％以下、Ｎｉが５質量％超３０質量％以下とする。そして、Ｎｉ含有量（質量％）とＡｇ含有量（質量％）の比率についても０．１以上２．５以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ａｇが質量３０％以上４３質量％以下、Ｐｄが４５質量％以上５０質量％以下、Ｎｉが１２質量％超２０質量％以下とする。また、Ｎｉ含有量とＡｇ含有量（質量％）の比率についても０．３以上０．７以下とすることがより好ましい。
これまで述べたとおり、本発明に係る導電材料は、Ａｇ、Ｐｄ、Ｎｉを必須の構成元素とする。この合金は、不可避不純物としてＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｓ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｉｎ等を含むことがある。不可避不純物は、合計で０．５質量％以下含むことができる。これらの不可避不純物は、ＡｇＰｄ合金相とＰｄＮｉ合金相のいずれか又は双方に固溶し得る。また、これらの不可避不純物は、Ａｇ、Ｐｄ、Ｎｉのいずれかと化合物を形成し合金中で影響のない状態で析出することがある。更に、本発明に係る導電材料は、上記の不可避不純物の他、０ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下のＣ（炭素）と、Ｏ（酸素）とＮ（窒素）を合計で０ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ以下含むことがある。
Ｂ．本発明に係る導電材料の金属組織
本発明に係る導電材料を構成するＡｇＰｄＮｉ合金は、上記合金組成を有するともに、ＡｇＰｄ合金相とＰｄＮｉ合金相とが複合した金属組織を有する。従来のＡｇＰｄ合金に対して耐磨耗性及び耐熱性を付与するためである。本発明のＡｇＰｄＮｉ合金は、ＰｄＮｉ合金相の体積率が１８体積％以上８０体積％以下の範囲にある。ＰｄＮｉ合金相の体積率が１８体積％未満の場合、導電材料として要求される耐磨耗性等が不足することになる。一方、ＰｄＮｉ合金相が８０体積％を超えるとき、加工性が悪化して所望形状の部材加工が困難となる。
ＰｄＮｉ合金相の体積率とは、導電材料（ＡｇＰｄＮｉ合金）中のＰｄＮｉ合金相の体積率である。後述のとおり、ＰｄＮｉ合金相の体積率は、任意断面を観察したときの観察領域おけるＰｄＮｉ合金相の面積比で近似される。尚、この金属組織で観察されるＡｇＰｄ合金相及びＰｄＮｉ合金相の組成に関しては、上記のとおりである。
ＰｄＮｉ合金の体積率が上記範囲となる本発明のＡｇＰｄＮｉ合金は、合金全体の組成及びＮｉ含有量とＡｇ含有量と比率を上記した範囲として鋳造することで製造できる。そして、鋳造後の合金素材を塑性加工することで、任意断面において、層状のＡｇＰｄ合金相及び／又はＰｄＮｉ合金相が分布した金属組織を有するＡｇＰｄＮｉ合金とすることができる。このような金属組織とすることで、それぞれの合金相の特性を相乗的に発揮させることができ、高い耐摩耗性と耐熱性を発揮することができる。
尚、本発明において、任意断面とは、任意に選択された１以上の加工方向断面である。加工方向断面とは、加工方向に平行な断面である。通常、ＡｇＰｄ合金相及び／又はＰｄＮｉ合金相が伸張した方向が加工方向と推定される。本発明では、任意選択された加工方向断面の全てにおいて上記金属組織が観察される。また、本発明において、層状のＰｄＮｉ合金相（ＡｇＰｄ合金相）とは、任意断面の金属組織において、加工方向に伸張した複数のＰｄＮｉ合金相（ＡｇＰｄ合金相）が連なって分布することで形成され、外観上層状となっているＰｄＮｉ合金相（ＡｇＰｄ合金相）である。但し、層状とは、ＰｄＮｉ合金相（ＡｇＰｄ合金相）が全体的に繋がっている状態のみに限定されず、一部又は複数箇所に離隔した部分があっても良い。
本発明に係る導電材料を構成するＡｇＰｄＮｉ合金の金属組織は、ＰｄＮｉ合金相の体積率に応じた外観を示す。ＰｄＮｉ合金相の体積率が比較的低いとき、具体的には体積率が１８体積％以上５０体積％未満のＡｇＰｄＮｉ合金においては、ＡｇＰｄ合金相と、ＡｇＰｄ合金相より厚さの薄いＰｄＮｉ合金相が分布した金属組織がみられる。このときのＰｄＮｉ合金相の厚さは、０．０１μｍ～２０μｍの範囲内となっている。一方、ＰｄＮｉ合金相の体積率が比較的高いとき、具体的には、ＰｄＮｉ合金相の体積率が５０体積％以上８０体積％以下のＡｇＰｄＮｉ合金においては、ＰｄＮｉ合金相と、ＰｄＮｉ合金相より厚さの薄いＡｇＰｄ合金相が分布した金属組織がみられる。このときのＡｇＰｄ合金相の厚さは、０．０１μｍ～２０μｍの範囲内となっている。
特に、ＰｄＮｉ合金相の体積率が３５体積％以上６５体積％以下の合金では、連続性のある層状のＡｇＰｄ合金相及び／又はＰｄＮｉ合金相が積層した金属組織が観察される。この積層組織を示すＡｇＰｄＮｉ合金においては、ＰｄＮｉ合金相の体積率に応じて、厚さ０．０１μｍ～２０μｍの範囲内にあるＡｇＰｄ合金相又はＰｄＮｉ合金相が分布している。尚、以上説明したＰｄＮｉ合金相（ＡｇＰｄ合金相）の厚さとは、加工方向と交差する方向における合金相の幅である。また、本発明では、任意断面で観察されたＰｄＮｉ合金相（ＡｇＰｄ合金相）の全てにおいて、厚さが上記範囲内であることを要する。
本発明のＡｇＰｄＮｉ合金の金属組織の観察は、一般的な金属観察方法が適用できる。但し、観察する断面は、加工方向断面について行われる。加工方向断面とは、上記のとおり、加工方向に平行な断面であり、結晶が横軸方向に伸張している断面である。そして、ＰｄＮｉ合金相の体積率、各合金相の厚さの測定においては、観察した加工方向断面の金属組織に基づいて測定・算出される。
金属組織は、光学顕微鏡や電子顕微鏡（ＳＥＭ等）により観察可能であり、観察に際し前処理として適宜にエッチングを行う場合がある。金属組織を観察することで、積層構造組織の有無を確認し、ＰｄＮｉ合金相の体積率及び各相の厚さを測定することができる。ここで、ＰｄＮｉ合金相の体積率の測定は、画像処理によって算出される観察領域に対する面積比で近似することができる。この画像処理は、適宜にソフトウェアを使用することができる。例えば、上記観察方法で撮影した金属組織画像について適切に閾値を設定して画像データを２値化することで、ＰｄＮｉ合金相の面積率（体積率）の算出及び合金相の厚み測定を行うことができる。このような画像解析は、複数視野（３視野以上）で行い、得られた結果の平均値を採用することが好ましい。
Ｃ．本発明に係る導電材料の強度と熱的特性
以上説明した本発明に係るＡｇＰｄＮｉ合金からなる導電材料は、耐摩耗性及び耐熱性の確保のため、従来技術に対して、剛性率及び熱的特性が改善されている。具体的には、剛性率は５０～１００ＧＰａとなる。従来技術であるＡｇＰｄ合金（例えば、ＡｇＰｄ５０）が４５ＧＰａ程度であり、本発明における高い強度特性が確認されている。この強度特性の改善により、摺動接触部の金属組織は、摺動によるせん断応力を受けても変形し難くなり、表面変質層の生成が抑制される。よって、強度特性の改善は、耐摩耗性の向上に寄与するものと考えられる。
以上説明した本発明に係るＡｇＰｄＮｉ合金からなる導電材料は、耐摩耗性及び耐熱性の確保のため、従来技術に対して、剛性率及び熱的特性が改善されている。具体的には、剛性率は５０～１００ＧＰａとなる。従来技術であるＡｇＰｄ合金（例えば、ＡｇＰｄ５０）が４５ＧＰａ程度であり、本発明における高い強度特性が確認されている。この強度特性の改善により、摺動接触部の金属組織は、摺動によるせん断応力を受けても変形し難くなり、表面変質層の生成が抑制される。よって、強度特性の改善は、耐摩耗性の向上に寄与するものと考えられる。
また、本発明に係るＡｇＰｄＮｉ合金からなる導電材料は、再結晶温度が従来技術よりも高温域にある。従来の導電材料は、７００℃（３０分間加熱）の熱処理で再結晶化し、金属組織の粗大化及び硬度低下に至る。これに対し、本発明のＡｇＰｄＮｉ合金は、同じ７００℃の熱処理では硬度が完全に低下することはない。９００℃以上の熱エネルギーを与えないと再結晶化しない。よって、本発明の導電材料は、摺動時の摩擦熱やアーク放電に伴う熱影響を受け難い材料であって、従来技術よりも耐熱性に優れるものである。
Ｄ．本発明に係る導電材料の製造方法
本発明に係るＡｇＰｄＮｉ合金からなる導電材料は、基本的には従来技術であるＡｇＰｄ合金と同様の製造工程で製造できる。即ち、ＡｇＰｄＮｉ合金は、熔解法によって合金化することができ、鋳造法で合金素材となる鋳造塊を得ることができる。鋳造塊の鋳造は、傾斜鋳造法、連続鋳造法、半連続鋳造法等の適用により製造される。
そして、鋳造塊を塑性加工することで、上記したＡｇＰｄ合金相とＰｄＮｉ合金相とからなる金属組織を有する導電材料を製造することができる。塑性加工は、鍛造加工、スエージング加工、伸線加工、圧延加工、押出し加工、引抜き加工等が適用される。そして、鋳造塊に対して、これらの加工方法を単独又は組み合わせて行い、総加工率８０％以上の塑性加工を行うことが好ましい。尚、これらの塑性加工を行った導電材料についての加工方向断面は、各加工方法の加工方向（伸線方向、圧延方向、押出・引抜き方向）が基準となる。
Ｅ．本発明に係る導電材料の使用態様
以上説明した、本発明に係るＡｇＰｄＮｉ合金からなる導電材料は、適宜の形状に加工して使用される。その形状・寸法は、その用途に準じることから特に限定はされない。
以上説明した、本発明に係るＡｇＰｄＮｉ合金からなる導電材料は、適宜の形状に加工して使用される。その形状・寸法は、その用途に準じることから特に限定はされない。
また、本発明に係る導電材料は、適宜の基材（ベース材）にクラッドして、クラッド複合材の形態で使用されることもある。このクラッド複合材のベース材としては、導電性に優れるＣｕ又はＣｕ合金を適用することができる。尚、Ｃｕ合金としては、コルソン系銅合金（Ｃｕ－１～４質量％Ｎｉ－１質量％以下Ｓｉ－その他１質量％Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｍｇ等）、ベリリウム銅合金（Ｃｕ－２質量％以下Ｂｅ－１質量％以下Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ－その他０．５質量％以下Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｍｇ等）、リン青銅合金（Ｃｕ－１～１０質量％Ｓｎ－１質量％以下Ｐ－その他０．５質量％以下Ｚｎ、Ｍｎ、Ｍｇ等）等が適用される。また、本発明に係る導電材料をベース材にクラッドするときの形態は、インレイやオーバーレイ、エッジレイ及びトップレイのいずれでも良い。
本発明に係る導電材料を摺動接点部材に用いた場合、当該部材の耐久性向上を図ること期待される。摺動接点部材の具体的用途は、ＤＣモータ及びスリップリングのブラシ材としての活用が挙げられる。特に、停動電流が１Ａ以上のＤＣモータや、高回転数化されたスリップリングにおいて、本発明は有効である。これらの高出力化・高回転数化された電気機器においては、ブラシ材の摩耗とアーク放電による火花損傷が懸念される。本発明は、従来技術よりもこれらに対する耐久性が優れることから、摺動接点の耐久寿命向上が図れる。
図１は、本発明に係る導電材料の具体的用途である、ＤＣモータの構造の一例を概略示す図（正面、側面）である。ＤＣモータは、回転軸と、回転軸の周囲に設けられたコミテータと、コミテータに接触して電流を供給するブラシとを備え、これらを必須の構成部材とする。図１のＤＣモータにおいて、電源からの電流がブラシを経由してコミテータに流れ巻線を通電する。巻線に電流が供給され磁場を発生することで、磁化されたローターが永久磁石の各極と反発・吸引して回転軸を回転させる。そして、モータの制御方法としては、図２で例示されるような、抵抗制御法(図２（ａ）)やパルス制御法（図２（ｂ））等がある。前者では、モータと電源との間にパワートランジスタ・可変抵抗器等の電圧制御手段を入れ、モータに供給する電力を調整してモータの回転数を制御する。また、後者では、制御トランジスタのようなスイッチング素子を利用して、モータの電源をオン・オフしながらモータの回転数を制御する。
上記のようなＤＣモータにおいて、ブラシは少なくともコミテータとの接触面が第１の接点材料で構成される。ここで、第１の接点材料として、本発明に係る導電材料が適用される。この導電材料の組成及び金属組織は上記したとおりである。
また、ＤＣモータにおいて、ブラシの相手側部材であるコミテータは少なくともブラシとの接触面が第２の接点材料で構成される。本発明に係る導電材料をＤＣモータのブラシの第１の接点材料に適用する場合、コミテータの第２の接点材料には、Ａｇ－Ｎｉ合金やＡｇ－Ｃｕ－Ｎｉ合金、Ａｇ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金といった高導電率（ＩＡＣＳ：５５％以上）の材料が好適である。接触抵抗を低く抑えることで、安定的な電気的接触を担保することができるからである。
尚、ブラシの第１の接点材料及びコミテータの第２接点材料は、少なくともそれらの接触面を構成していれば良い。例えば、図３のように、それぞれの接触面側に第１、第２の接点材料がクラッドされた複合材で各部材を構成しても良い。また、部材全体を第１、第２の接点材料で構成しても良い。以上説明したモータの構造や制御方法等については、マイクロＤＣモータも同様に適用される。
また、上記のような用途の他、本発明は各種の電極材や接点材として有用である。スライドスイッチやコネクタ、ポテンショメータ等の可変抵抗器が用途として挙げられる。
以上説明したように、本発明に係るＡｇＰｄＮｉ合金からなる導電材料は、ＡｇＰｄ合金に対して、従来技術では想定されていない量のＮｉを添加すると共に、ＡｇＰｄ合金相とＰｄＮｉ合金相とからなる複合的な金属組織としている。このような従来技術とは異なる着想により、本発明に係る導電材料は、優れた耐摩耗性と耐熱性を有する
以下、本発明の実施形態について説明する。本実施形態では、各種組成のＡｇＰｄＮｉ合金を製造してその金属組織の観察を行うと共に、材料特性の評価を実施した。
ＡｇＰｄＮｉ合金の試験材は、高周波熔解法及び鋳造法により板状の合金インゴットを作成し、総加工率８０％以上、圧延加工を加えることで製造した（試験材寸法：長さ２００ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ）。また、従来技術であるＡｇＰｄ合金、ＡｇＰｄ系合金の試験材も、同様の工程で製造した。
製造したＡｇＰｄＮｉ合金及び従来合金の試験材について、金属組織の観察を行った。組織観察は、加工方向に平行な断面をＳＥＭ観察した。ＳＥＭ観察は、日本電子株式会社製ＪＳＭ－７２００Ｆにより加速電圧７ｋｖ、倍率５０００倍で反射電子像を撮像した。
また、このＳＥＭ観察と同時にＡｇＰｄＮｉ合金試験材について、ＡｇＰｄ合金相及びＰｄＮｉ合金相の組成をＷＤＳで分析した。この分析から、全てのＡｇＰｄＮｉ合金試験材において、ＡｇＰｄ合金相の組成は６５±３質量％Ａｇ－３５±３質量％Ｐｄ－０．１質量％以下Ｎｉであり、ＰｄＮｉ合金相の組成は、６２±３質量％Ｐｄ－３７±３質量％Ｎｉ－１質量％以下Ａｇであることが確認された。
そして、ＡｇＰｄＮｉ合金試験材について撮影したＳＥＭ写真の画像処理を行い、各合金の金属組織におけるＰｄＮｉ合金相の体積率を測定した。画像処理は、得られたＳＥＭ画像を画像処理ソフトウェア（株式会社キーエンス製 ＶＫ-Ｈ1Ｇ９）にて処理した。画像処理では、ＳＥＭ画像を濃淡画像に変換し二値化を行った。二値化の作業は、濃淡画像上で濃度レベル値８０を閾値とし（全画素の濃度レベル値０～２５５）、８０未満を黒（ＰｄＮｉ合金相）、８０以上を白（ＡｇＰｄ合金相）として解析し、各合金相の面積率を算出した。同時に、ＰｄＮｉ合金相及びＡｇＰｄ合金相の垂直フェレ径（ＳＥＭ画像における垂直方向のフェレ径）を測定し、平均値と最大厚さを取得した。尚、この金属組織観察と画像処理は、観察視野を計６箇所設定して行い、それらから得られた各測定値についての平均値を評価に採用した。本発明では、面積率を体積率に近似している。このように、６箇所設定された観察視野の全てにおいてＰｄＮｉ合金相の面積率等を測定することで、奥行きも考慮した検討が可能となる。
本実施形態で製造したＡｇＰｄＮｉ合金及び従来合金（ＡｇＰｄ合金等）の組成を下記の表１に示す。表１には、各種ＡｇＰｄＮｉ合金におけるＰｄＮｉ合金相の体積率、ＰｄＮｉ合金相又はＡｇＰｄ合金相合金相の平均厚み及び最大厚さを表示した。尚、表１に表示した合金相厚さは、ＰｄＮｉ合金相が５０体積％未満のＡｇＰｄＮｉ合金（実施例１～実施例３、比較例１～４）に対してはＰｄＮｉ合金相の厚さであり、ＰｄＮｉ合金相が５０体積％以上のＡｇＰｄＮｉ合金（実施例４～実施例７、比較例５）に対してはＡｇＰｄ合金相の厚さである。
但し、比較例６のＮｉ量が過多のＡｇＰｄＮｉ合金に関しては、試験材への加工時の損傷が大きく加工不可として合金相の体積率等の検討ができなかった。また、比較例７のＰｄ量が過多のＡｇＰｄＮｉ合金は、ＰｄＮｉ合金相とＡｇＰｄ合金相の存在が認められなかったため、合金相の体積率等の検討ができなかった。
本実施形態で製造したＡｇＰｄＮｉ合金（実施例１～実施例７、比較例１、２、５）及び従来合金の金属組織の観察結果（ＳＥＭ写真）を図４に示す。
図４のＳＥＭ写真において、白色又は灰色のコントラストの相がＡｇＰｄ合金相である。一方、濃灰色又は黒色のコントラストの相がＰｄＮｉ合金相である。図４から、Ｎｉ含有量が５％を明確に超えるＡｇＰｄＮｉ合金である実施例１において、ＰｄＮｉ合金相の占める割合の増加が明瞭になっている。このＰｄＮｉ合金相はＮｉ含有量の増大と共に層状の外観を示すようになる。実施例３～実施例７のＡｇＰｄＮｉ合金においては層状のＡｇＰｄ合金相及びＰｄＮｉ合金相による積層構造の金属組織を呈する。これら実施例に対して、比較例１、２のＮｉ含有量が低い（５質量％以下）ＡｇＰｄＮｉ合金にも、ＰｄＮｉ合金相の生成が認められるが、その量（体積率）は低くなっている。
また、従来合金に関しては、従来例１のＡｇＰｄ合金では、当然にＡｇＰｄ合金相のみが観察される。従来例２のＮｉ微量添加したＡｇＰｄ系合金では微小なＰｄＮｉ合金相の析出が認められる。更に、従来例３、４では、微量Ｎｉ及びＩｎを添加したＡｇＰｄ系合金には、これら添加元素による析出物が観察される。
次に、本実施形態で製造した各種導電材料について、強度特性の評価を行うため、引張試験と硬度測定を行った。これら強度特性の評価試験では、フルアニール（アニール条件従来例合金：７００℃１時間保持、比較例及び実施例合金：９００℃１時間保持）をした後、５０％圧延加工を加えた板状サンプル（幅１０ｍｍ×長さ２０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を用いた。引張試験では、引張試験機（ＩＮＳＴＲＯＮ社製 ５９６６）にて引張速度１０ｍｍ／ｍｉｎで引張試験を行い、微小のび計により最大応力、０．２％耐力、縦弾性係数及び横弾性係数を測定した。そして、縦弾性係数と横弾性係数の値より剛性率を算出した。また、硬度測定はビッカース硬度試験機（ＳＨＩＭＡＤＺＵ社製 ＨＭＶ－Ｇ）により行い、試験力２．９４２Ｎで１５秒間保持して測定した。この強度特性の測定結果を表２に示す。また、この試験結果から得られた、実施例１～７、比較例１～５のＡｇＰｄＮｉ合金における、ＰｄＮｉ合金相の体積率と剛性率との関係を図５に示す。
各合金の強度特性について、従来例の結果からみると、ＡｇＰｄ合金（従来例１）にＮｉを少量添加した従来例２の合金、更にＩｎを少量添加し析出強化を図った従来例３、４の合金は、最大応力や耐力の値が従来例１よりも高くなっている。つまり、Ｎｉの微量添加（結晶粒微細化）や、Ｉｎ等の添加（析出強化）によって、ＡｇＰｄ合金の強度特性はある程度改善されたといえる。但し、剛性率については、ＡｇＰｄ合金（従来例１）と、微量添加元素を含むＡｇＰｄ系合金（従来例２～４）とを対比すると、差はさほどなくいずれも５０ＧＰa以下である。つまり、従来技術の方法では剛性率の改善は不十分であるといえる。
これに対し、本発明の実施例であるＡｇＰｄＮｉ合金（実施例１～実施例７）は、応力特性のみならず剛性率も高い値を示す。これら実施例のＡｇＰｄＮｉ合金は、Ｎｉを５質量％超含みＰｄＮｉ合金相の体積率が１８体積％以上となっている。図５からも分かるように、これら実施例のＡｇＰｄＮｉ合金は、剛性率は５０ＧＰａ以上であり、従来例よりも強度特性が向上している。これらの剛性率が向上した実施例のＡｇＰｄＮｉ合金は、摺動によるせん断応力の影響を受け難く、耐摩耗性の向上に寄与するものと考えられる。
もっとも、表２及び図５から、ＡｇＰｄＮｉ合金のＮｉ含有量及びＰｄＮｉ合金相の体積率には一定の制限を付与すべきことがわかる。即ち、Ｎｉ添加量の低い（５質量％以下）のＡｇＰｄＮｉ合金（比較例１～３）は、ＰｄＮｉ合金相の体積率が低く剛性率向上の効果がない。また、Ｎｉ添加量を５％以上としても、Ａｇ量及びＰｄ量が規定範囲外の合金（比較例４）は、ＰｄＮｉ合金相の体積率が低く剛性率向上の効果がない。一方、Ａｇ含有量が１０質量％未満であり、ＰｄＮｉ合金相の体積率が８０体積％を超えた比較例５のＡｇＰｄＮｉ合金は、加工途中（加工率５０％の段階）で塑性変形できなくなり、材料に割れが発生した。この比較例５の合金は、加工性に劣り、本発明の趣旨に悖る結果となった。
続いて、本実施形態（実施例１～実施例７、比較例１、２、５、従来例１～４）で製造した各種導電材料について、耐熱性評価のための熱処理試験を行った。この熱処理試験では、引張試験で使用したサンプルと同じものについて、４００℃、５００℃、６００℃、７００℃、８００℃、９００℃、１０００℃の各温度に３０分保持し、各温度で保持後の表面硬度を測定した。この熱処理試験の結果を図６及び図７に示す。これらの図には、各合金において、硬度変化の傾きが０．１程度となり平衡に達した温度を表示している。
図７から、従来例１～３のＡｇＰｄ合金やＡｇＰｄ系合金では、６００℃～７００℃の熱処理で硬度が平衡に達し再結晶化していることが確認できる。また、Ｎｉ含有量の少ないＡｇＰｄＮｉ合金である比較例１、２は、従来例と変わらず、６００℃～７００℃処理によって硬度は平衡に達し再結晶化している。
一方、図６を参照すると、ＰｄＮｉ合金相の体積率が１８体積％以上の実施例１～７では、９００℃～１０００℃の熱処理まで硬度が平衡に達することがない。つまり、従来例、比較例よりも高い再結晶温度を示すことが確認された。再結晶温度が高いということは、摺動による摩擦熱や放電に伴う熱を受けても金属組織が粗大化・軟化し難く、耐摩耗性及び耐熱性の向上に寄与するものと考えられる。
そして、本実施形態で製造した各種導電材料の試験材について、摺動試験機を用いた耐久試験を行った。図８は、本実施形態で使用した摺動試験機の構成を示す。この摺動試験機は、モータのブラシとコミテータとの関係を模擬的に再現したものである。モータを模擬した試験機を用いて耐久試験を行った理由は、本発明の対象たる用途のうち、モータで用いられる導電材料が他の用途よりも電気的負荷の大きい状況で使用されることが想定されるためである。
図８の試験機の機構は、ワーク１が仮想コミテータであって、この部分に通電を取りながら回転させる。そして、回転するワーク１に板バネ状の仮想ブラシ（ワーク２）を押し当てて試験する構造となっている。耐久試験においては、仮想コミテータ（ワーク１）にＡｇＮｉ合金を用い、仮想ブラシ（ワーク２）に本実施形態で製造した導電材料を用いている。尚試験条件は以下の通りで、機械的摩耗とアーク放電による消耗が両立して発生する。
・負荷電流・電圧：２．０Ａ－７．５Ｖ
・回転数：１５００ｒｐｍ
・加重：５ｇｆ
・試験時間：３時間
・仮想コミテータ材質：ＡｇＮｉ合金（Ｎｉ：１０質量％）
・負荷電流・電圧：２．０Ａ－７．５Ｖ
・回転数：１５００ｒｐｍ
・加重：５ｇｆ
・試験時間：３時間
・仮想コミテータ材質：ＡｇＮｉ合金（Ｎｉ：１０質量％）
耐久試験後、取外した試験片についてＡｇ腐食液でエッチングしてコミテータ材からの移着層を除去した。そして、試験片表面をレーザー顕微鏡で観察し、焦点深度法で摩耗した部分の深さを測定し、最も深い摩耗部の深さ（最大摩耗深さ）及び摩耗している断面積（摩耗量）を測定した。
本実施形態で行った耐久試験の試験結果を表３に示す。また、耐久試験後の従来例１と実施例４の合金について、消耗部位の断面形態を比較したＳＥＭ写真を図９に示す。
表３より、ＡｇＰｄＮｉ合金について、Ａｇ及びＰｄの含有量を適切にしつつＮｉ添加量を５質量％超とし、ＰｄＮｉ合金相の体積率を１８体積％以上とすることで、従来技術よりも摩耗量及び摩耗深さが低い導電材料とすることができることが確認された。ＰｄＮｉ合金相の体積率の増加に伴い、摩耗深さ及び摩耗量が低減する傾向にある。耐磨耗性の評価に関しては、摩耗量と摩耗深さとを総合的に検討すべきであるが、両者のバランスに優れ耐磨耗性が特に良好である合金は、実施例３、実施例４である。この結果から、耐磨耗性に関しては、ＰｄＮｉ合金相の体積率を３５％以上５５％以下程度にすることが特に好ましいと推察される。
尚、ＰｄＮｉ合金相の比率が８０体積％を超える比較例５においては、摩耗量は従来例よりも低いものの、相手側（ＡｇＮｉ合金：コミテータ）を削り取るアブレッシブ摩耗の傾向が強くなっていた。そのため、ＰｄＮｉ合金相の比率が過度に高いと、接点全体の消耗のバランスを欠くこととなると考えられる。
また、図９より、従来例１（ＡｇＰｄ合金）の断面では、機械的摩耗部において、表層から約１０μmの範囲で摺動応力の影響を受けた変質層が存在する。これに対し、実施例６のＡｇＰｄＮｉ合金では、変質相の厚さが表層から３μm程度の範囲に抑えられていることが確認できる。この対比結果より、実施例のＡｇＰｄＮｉ合金は、摺動による実際のせん断応力を受けても塑性変形し難くなっていることがわかる。 更に、アーク放電発生箇所においても、従来例１（ＡｇＰｄ合金）は激しく溶融し表面組織が熱影響を受けていることが確認できる一方で、実施例６のＡｇＰｄＮｉ合金は、溶融している範囲が狭くアーク放電に対しても耐性を有することが推察される。
以上説明したように、本発明に係る導電材料は、従来のＡｇＰｄ合金やＡｇＰｄ合金に微量元素を添加した合金に対して、高い耐久性を有する。本発明は、ＤＣモータやスリップリング等のブラシの他、スライドスイッチや可変抵抗器に使用される電極や接点材料として有用である。
特に、マイクロＤＣモータのブラシに本発明に係る導電材料を適用する場合、停動電流が１．０Ａ以上の領域のモータに対して本発明は有効である。停動電流１．０Ａ以上では、接点間にアーク放電が発生するため、先行技術として前述したＡｇＰｄ合金では、消耗が激しく短寿命でブラシ切れとなるからである。本発明に係る導電材料は、機械摩耗のみならずアーク放電に対する耐性も強いことから、従来のＡｇＰｄ合金よりもモータの長寿命化が期待できる。よって、停動電流が１．０Ａ以上の領域のモータのブラシの構成材料として長寿命化が期待できる。
Claims (11)
- １０質量％以上７０質量％以下のＡｇと、３０質量％以上９０質量％以下のＰｄと、１１質量％以上４５質量％以下のＮｉと、不可避不純物とからなる導電材料であって、
Ｎｉ含有量（質量％）とＡｇ含有量（質量％）の比率（Ｎｉ（質量％）／Ａｇ（質量％））が０．２４以上４５質量％以下であり、
金属組織において、ＡｇＰｄ合金相とＰｄＮｉ合金相とからなり、前記ＰｄＮｉ合金相の体積率が１８体積％以上８０体積％以下である導電材料。 - ＡｇＰｄ合金相は、３０質量％以上８０質量％以下のＡｇと０質量％以上１質量％以下のＮｉと残部Ｐｄ及び不可避不純物とからなり、
ＰｄＮｉ合金相は、４０質量％以上９０質量％以下のＰｄと０質量％以上５質量％以下のＡｇと残部Ｎｉ及び不可避不純物とからなる請求項1記載の導電材料。 - ＰｄＮｉ合金相の体積率が１８体積％以上５０％未満であり、
ＰｄＮｉ合金相の厚さが０．０１μｍ以上２０μｍ以下の範囲にある請求項１又は請求項２記載の導電材料。 - ＰｄＮｉ合金相の体積率が５０体積％以上８０体積％以下であり、
ＡｇＰｄ合金相の厚さが０．０１μｍ以上２０μｍ以下の範囲にある請求項１又は請求項２記載の導電材料。 - Ｃｕ又はＣｕ合金からなるベース材に、請求項１～請求項４のいずれかに記載の導電材料をクラッドしてなるクラッド複合材。
- 請求項１～請求項５記載の導電材料の製造方法であって、
１０質量％以上７０質量％以下のＡｇと、３０質量％以上９０質量％以下のＰｄと、１１質量％以上４５質量％以下のＮｉと、不可避不純物からなり、Ｎｉ含有量（質量％）とＡｇ含有量（質量％）の比率（Ｎｉ（質量％）／Ａｇ（質量％））が０．２４以上５．０以下である合金素材を製造した後、塑性加工する工程を含み。
前記塑性加工する工程の総加工率８０％以上とする導電材料の製造方法。 - 回転軸と、
前記回転軸の周囲に設けられたコミテータと、
前記コミテータに接触して電流を供給するブラシと、を備えるＤＣモータにおいて、
前記ブラシは、少なくとも前記コミテータとの接触面が第１の接点材料からなり、
前記第１の接点材料は、１０質量％以上７０質量％以下のＡｇと、３０質量％以上９０質量％以下のＰｄと、１１質量％以上４５質量％以下のＮｉと、不可避不純物からなる導電材料よりなり、
前記導電材料のＮｉ含有量（質量％）とＡｇ含有量（質量％）の比率（Ｎｉ（質量％）／Ａｇ（質量％））が０．２４以上５．０以下であり、
前記導電材料の金属組織において、ＡｇＰｄ合金相とＰｄＮｉ合金相とからなり、前記ＰｄＮｉ合金相の体積率が１８体積％以上８０体積％以下であることを特徴とするＤＣモータ。 - ＡｇＰｄ合金相は、３０質量％以上８０質量％以下のＡｇと残部Ｐｄ及び０質量％以上１質量％以下のＮｉ及び不可避不純物からなり、
ＰｄＮｉ合金相は、４０質量％以上９０質量％以下のＰｄと残部Ｎｉ及び０質量％以上５質量％以下のＡｇ及び不可避不純物からなる請求項７記載のＤＣモータ。 - ＰｄＮｉ合金相の体積率が１８体積％以上５０％未満であり、
ＰｄＮｉ合金相の厚さが０．０１μｍ以上２０μｍ以下の範囲にある請求項７又は請求項８に記載のＤＣモータ。 - ＰｄＮｉ合金相の体積率が５０体積％以上８０体積％以下であり、
ＡｇＰｄ合金相の厚さが０．０１μｍ以上２０μｍ以下の範囲にある請求項７又は請求項８に記載のＤＣモータ。 - コミテータの少なくともブラシとの接触面が第２の接点材料からなり、
前記第２の接点材料は、Ａｇ－Ｎｉ合金若しくはＡｇ－Ｃｕ－Ｎｉ合金、Ａｇ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｚｎ合金よりなる請求項７～請求項１０のいずれかに記載のＤＣモータ。
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