KR101784023B1

KR101784023B1 - 가동 접점 부품용 은피복 복합재료와 그 제조방법 및 가동 접점 부품

Info

Publication number: KR101784023B1
Application number: KR1020127016000A
Authority: KR
Inventors: 요시아키 고바야시; 사토루 자마; 사토시 스즈키; 마사토 오노
Original assignee: 후루카와 덴키 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2017-10-10
Also published as: CN102667989A; US20120301745A1; EP2535908A4; CN102667989B; EP2535908A1; US8637164B2; WO2011099574A1; KR20120132622A; JP5705738B2; TW201137187A; TWI540230B; JPWO2011099574A1

Abstract

반복 전단 응력에 대해서도 도금의 밀착성이 우수하고, 접촉 저항치가 장기에 걸쳐 낮게 안정되어, 스위치의 수명이 개선된 가동 접점 부품용 은피복 복합재료 및 가동 접점 부품을 제공한다.
스테인리스강 기재의 표면의 적어도 일부에 니켈, 코발트, 니켈 합금, 코발트 합금의 어느 하나로 이루어지는 기초층이 형성되고, 그 상층에 구리 또는 구리합금으로 이루어지는 중간층이 형성되고, 그 상층에 은 또는 은합금층이 최표층으로서 더 형성되어 있는 가동 접점 부품용 은피복 복합재료로서, 상기 중간층의 두께가 0.05∼0.3㎛이고, 또한 상기 최표층에 형성된 은 또는 은합금의 평균 결정립 지름이 0.5∼5㎛이다.

Description

가동 접점 부품용 은피복 복합재료와 그 제조방법 및 가동 접점 부품 {SILVER-COATED COMPOSITE MATERIAL FOR MOVABLE CONTACT COMPONENT, METHOD FOR PRODUCING SAME, AND MOVABLE CONTACT COMPONENT}

본 발명은, 전기 접점 부품 및 그 재료에 관한 것으로, 더 자세하게는, 전자기기 등에 이용되는 소형 스위치 내의 가동 접점에 사용되는 가동 접점 부품용 은피복 복합재료 및 가동 접점 부품에 관한 것이다.

커넥터, 스위치, 단자 등의 전기 접점부에는 주로 접시 스프링 접점(接點), 브러시 접점 및 클립 접점이 이용되고 있다. 이들 접점 부품에는, 구리합금이나 스테인리스강 등의 내식성이나 기계적 성질 등이 우수한 기재(基材)에, 전기 특성과 납땜성이 우수한 은을 피복한 복합 접점재료가 다용되고 있다.

이 복합 접점재료중, 기재에 스테인리스강을 이용한 것은, 기재에 구리합금을 이용한 것과 비교하여, 기계적 특성이나 피로 수명 등이 우수하기 때문에, 접점의 소형화가 가능하고, 장수명의 택틸 푸쉬 스위치나 검출 스위치 등의 가동 접점에 사용되고 있다. 최근에는, 휴대 전화의 푸쉬 버튼에 다용되고 있어, 메일 기능이나 인터넷 기능의 충실에 의해서, 스위치의 동작 회수가 격증하고 있어, 장수명의 가동 접점 부품이 요구되고 있다.

그런데, 기재에 스테인리스강을 이용한 복합 접점재료는, 기재에 구리합금을 이용한 복합 접점재료에 비해, 가동 접점 부품의 소형화가 가능하기 때문에 스위치의 소형화가 가능하여, 동작 회수를 더 증가시키는 것이 가능하지만, 스위치의 접점 압력이 커져, 가동 접점 부품에 피복된 은의 마모에 의한 접점 수명의 저하가 문제가 되고 있다.

예를 들면, 스테인리스 스트립에 은 또는 은합금을 피복한 복합 접점재료로서, 바탕에 니켈도금을 실시한 것이 다용되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 하지만, 이것을 스위치에 이용하는 경우, 스위치의 동작 회수가 증가함에 따라, 접점부의 은이 마모에 의해서 깎여져, 바탕의 니켈도금층이 노출되어 접촉 저항이 상승하여, 도통이 이루어지지 않게 되는 문제점이 표면화되고 있다. 특히, 지름이 작은 돔형 가동 접점 부품에서는, 이 현상이 일어나기 쉬워, 점점 더 소형화되는 스위치에는 큰 기술 과제가 되고 있다.

이 문제를 해결하기 위해서, 기재의 위에 니켈도금, 팔라듐 도금을 순서대로 실시하고, 그 위에 금도금을 실시한 복합 접점재료가 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조). 그러나, 팔라듐 도금 피막은 딱딱하기 때문에, 스위치의 동작 회수가 증가하면 크랙을 일으키기 쉬운 문제점이 있다.

또한, 도전성을 향상시키는 목적으로, 스테인리스 기재에 니켈도금, 구리도금, 니켈도금, 금도금을 순서대로 실시한 것이 있다(특허문헌 3 참조). 그러나, 니켈도금 자체는 내식성이 우수하지만, 딱딱하기 때문에 휨가공시에 구리도금층과 금도금층과의 사이의 니켈도금층에 크랙이 발생하는 경우가 있어, 그 결과, 구리도금층이 노출되어 내식성이 열화된다고 하는 문제점이 있다.

또한, 접점 수명을 향상시키는 기술로서, 스테인리스 기재에 니켈도금, 구리도금, 은도금을 차례차례 실시하는 것이 있다(특허문헌 4∼6 참조). 이러한 기술에 있어서, 접점 수명의 향상을 시도하였다. 그 결과, 접점 모듈 형성시의 납땜을 상정한 열처리(예를 들면 온도 260℃에서 5분간) 후의 초기 접촉 저항치나, 타건(打鍵)시험을 상정한 열처리(예를 들면 온도 200℃에서 1시간) 후의 접촉 저항치를 측정한 바, 열처리 후의 접촉 저항치가 높기 때문에 제품으로서 사용할 수 없는 수준의 것이 많이 출현하였다. 이것은, 제품에 조립해 넣었을 때의 불량율이 높아지는 것을 나타내고 있어, 단순히 스테인리스 기재의 위에 기초 니켈층, 중간 구리층, 은 최표층의 순서로 소정의 두께로 형성하는 것만으로는, 열이력 후의 접점 특성이나 접점 수명이 불충분하다고 하는 것이 추측된다.

또한, 접점 수명을 향상시키는 기술로서, 구리 또는 구리합금으로 이루어지는 스트립재의 표면이 은 또는 은합금으로 이루어지는 층으로 피복되어 있는 전기 접점 재료에 있어서, 상기 은 또는 은합금의 결정립 지름이, 평균치로 5㎛ 이상 인 것을 특징으로 하는 전기 접점 재료가 제공되고, 또한, 구리 또는 구리합금으로 이루어지는 스트립재의 표면에 은 또는 은합금의 도금층을 형성하고, 이어서, 비산화성 가스 분위기하에 있어서, 400℃ 이상의 온도에서 열처리를 행하는 것을 특징으로 하는 전기 접점 재료의 제조방법이 개시되어 있다(특허문헌 7). 그러나, 스테인리스 스트립에 은 또는 은합금을 피복한 복합 접점재료에 대해서, 은 또는 은합금의 결정립 지름을 5㎛ 이상으로 제어하기 위해서 400℃ 이상의 열처리를 행하면, 스테인리스 스트립의 스프링 특성이 열화하여 가동 접점용 재료로서는 적용할 수 없는 것을 알 수 있었다. 게다가 중간층에는 니켈 혹은 코발트 또는 니켈 합금 혹은 코발트 합금이 사용되고 있고, 기초층(下地層)의 상층으로서 중간층에 구리 성분이 존재하는 구성은 개시되어 있지 않다.

: 일본 공개특허공보 소화59-219945호 : 일본 공개특허공보 평성11-232950호 : 일본 공개특허공보 소화63-137193호 : 일본 공개특허공보 2004-263274호 : 일본 공개특허공보 2005-002400호 : 일본 공개특허공보 2005-133169호 : 일본 공개특허공보 평성 5-002940호

따라서, 본 발명은 가동 접점 부품용의 복합재료로서, 반복하여 전단 응력에 대해서도 도금의 밀착성이 우수하고, 접촉 저항치가 장기에 걸쳐 낮게 안정되어, 스위치의 수명이 개선된 가동 접점 부품용 은피복 복합재료 및 가동 접점 부품의 제공을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기 과제을 감안하여 예의 연구한 결과, 스테인리스강 기재의 표면의 적어도 일부에 니켈, 코발트, 니켈 합금, 코발트 합금의 어느 하나로 이루어지는 기초층이 형성되고, 그 상층에 구리 또는 구리합금으로 이루어지는 중간층이 형성되고, 다시 그 상층에 은 또는 은합금층이 최표층으로서 형성되어 있는 가동 접점 부품용 은피복 복합재료에 있어서, 최표층에 형성된 은 또는 은합금의 평균 결정립 지름을, 0.5∼5.0㎛의 범위로 제어하는 것에 의해서, 열이력 후에 있어서도 접촉 저항치가 낮고, 또한 장기에 걸쳐 접촉 저항이 낮고 안정하게 유지할 수 있는 것을 발견하였다. 또한, 중간층에 형성되어 있는 구리 또는 구리합금의 두께를 0.05∼0.3㎛의 범위에서 제어하는 것에 의해, 상기 결정립 지름 제어의 효과가 보다 한층 높아지는 것을 발견하였다. 본 발명은, 이러한 지견에 기초하여 완성하기에 이른 것이다.

즉 본 발명은, 이하의 해결 수단을 제공하는 것이다.

(1) 스테인리스강 기재의 표면의 적어도 일부에 니켈, 코발트, 니켈 합금, 코발트 합금의 어느 하나로 이루어지는 기초층이 형성되고, 그 상층에 구리 또는 구리합금으로 이루어지는 중간층이 형성되고, 다시 그 상층에 은 또는 은합금층이 최표층으로서 형성되어 있는 가동 접점 부품용 은피복 복합재료로서, 상기 중간층의 두께가 0.05∼0.3㎛이고, 또한 상기 최표층에 형성된 은 또는 은합금의 평균 결정립 지름이 0.5∼5.0㎛이고, 상기 최표층의 표면의 구리 성분의 검출량이 5질량% 미만인 것을 특징으로 하는, 가동 접점 부품용 은피복 복합재료.

(2) 상기 최표층의 두께가, 0.3∼2.0㎛인 것을 특징으로 하는, (1) 기재의 가동 접점 부품용 은피복 복합재료.

(3) 스테인리스강 기재의 표면의 적어도 일부에 니켈, 코발트, 니켈 합금, 코발트 합금의 어느 하나로 이루어지는 기초층을 형성하고, 그 상층에 구리 또는 구리합금으로 이루어지는 중간층을 형성하고, 다시 그 상층에 은 또는 은합금층을 최표층으로서 형성하는 가동 접점 부품용 은피복 복합재료의 제조방법으로서, 상기 중간층의 두께가 0.05∼0.3㎛이고, 또한 대기 분위기하에서 50∼190℃의 온도 범위에서 열처리를 실시함으로써, 상기 최표층에 형성된 은 또는 은합금의 평균 결정립 지름을 0.5∼5.0㎛로 하고, 상기 최표층의 표면의 구리 성분의 검출량을 5질량% 미만으로 한 것을 특징으로 하는, 가동 접점 부품용 은피복 복합재료의 제조방법.

(4) (3)에 기재된 제조방법으로서, 상기 열처리의 온도가 50℃ 이상 100℃ 이하, 시간이 0.1∼12시간인 것을 특징으로 하는, 가동 접점 부품용 은피복 복합재료의 제조방법.

(5) (3)에 기재된 제조방법으로서, 상기 열처리의 온도가 100℃ 초과 190℃ 이하, 시간이 0.01∼5시간인 것을 특징으로 하는, 가동 접점 부품용 은피복 복합재료의 제조방법.

(6) 스테인리스강 기재의 표면의 적어도 일부에 니켈, 코발트, 니켈 합금, 코발트 합금의 어느 하나로 이루어지는 기초층을 형성하고, 그 상층에 구리 또는 구리합금으로 이루어지는 중간층을 형성하고, 다시 그 상층에 은 또는 은합금층을 최표층으로서 형성하는 가동 접점 부품용 은피복 복합재료의 제조방법으로서, 상기 중간층의 두께가 0.05∼0.3㎛이고, 또한 비산화 분위기하에서 50∼300℃의 온도 범위에서 열처리를 실시함으로써, 상기 최표층에 형성된 은 또는 은합금의 평균 결정립 지름을 0.5∼5.0㎛로 하고, 상기 최표층의 표면의 구리 성분의 검출량을 5질량% 미만으로 한 것을 특징으로 하는, 가동 접점 부품용 은피복 복합재료의 제조방법.

(7) (6)에 기재된 제조방법으로서, 상기 열처리의 온도가 50℃ 이상 100℃ 이하, 시간이 0.1∼12시간인 것을 특징으로 하는, 가동 접점 부품용 은피복 복합재료의 제조방법.

(8) (6)에 기재된 제조방법으로서, 상기 열처리의 온도가 100℃ 초과 190℃ 이하, 시간이 0.01∼5시간인 것을 특징으로 하는, 가동 접점 부품용 은피복 복합재료의 제조방법.

(9) (6)에 기재된 제조방법으로서, 상기 열처리의 온도가 190℃ 초과 300℃ 이하, 시간이 0.005∼1시간인 것을 특징으로 하는, 가동 접점 부품용 은피복 복합재료의 제조방법.

(10) (1) 또는 (2)에 기재된 가동 접점 부품용 은피복 복합재료가 가공되어 형성된 가동 접점 부품으로서, 접점 부분이 돔 형상 또는 볼록 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 가동 접점 부품.

본 발명의 가동 접점 부품용 은피복 복합재료는, 종래의 가동 접점재료에 비해, 반복 전단 응력에 대해서 은피복층의 밀착력이 저하하지 않는다. 그리고, 스위치 형성시의 열이력이나, 스위치의 개폐 동작에 있어서도 접촉 저항치가 장기에 걸쳐 낮고 안정하게 유지되는 것에 의해서, 스위치의 수명이 보다 한층 개선된 가동 접점 부품용 은피복 복합재료를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 가동 접점 부품은, 상기 가동 접점 부품용 은피복 복합재료를 가공한 것이고, 돔 형상이나 볼록 형상으로 가공한 후의 각층의 균열의 발생이 억제된다. 따라서, 접촉 저항치가 장기에 걸쳐 낮고 안정하게 유지되어 접점 수명이 긴 가동 접점 부품이 된다.

본 발명의 상기 및 다른 특징 및 이점은, 적절히 첨부한 도면을 참조하여, 하기의 기재로부터 보다 분명해질 것이다.

도 1은 타건시험에 이용한 스위치의 평면도이다.
도 2는 타건시험에 이용한 스위치의 평면도에 있어서의 A-A선단면도와 압압 방향을 나타내는 것이고, (a)는 스위치 동작전, (b)는 스위치 동작시이다.
도 3은 본 발명의 가동 접점 부품용 은피복 복합재료에 있어서의 단면 사진이며, 평균 결정립 지름이 약 0.75㎛인 예를 나타낸다.
도 4는 종래의 가동 접점 부품용 은피복 복합재료에 있어서의 단면 사진이며, 평균 결정립 지름이 약 0.2㎛인 예를 나타낸다.

본 발명의 가동 접점 부품용 은피복 복합재료 및 가동 접점 부품에 대해서, 바람직한 실시형태를 상세하게 설명한다.

본 발명의 기본적인 실시형태는, 스테인리스강 기재의 표면의 적어도 일부에, 니켈, 코발트, 니켈 합금 또는 코발트 합금의 기초층, 구리 또는 구리합금의 중간층, 결정립 지름이 제어된 은 또는 은합금의 최표층이 이 순서로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가동 접점 부품용 은피복 복합재료이며, 이 재료로부터 형성되는 가동 접점 부품은, 스위치의 동작 회수가 증가해도 접촉 저항의 상승이 일어나기 어려운 것이다.

본 발명의 실시형태에 있어서, 스테인리스강 기재는 가동 접점 부품에 이용했을 때, 그 기계적 강도를 담당하는 것이다. 이 때문에, 스테인리스강 기재로서는 내응력 완화성이 우수하여 피로 파괴되기 어려운 재료인, SUS301, SUS304, SUS316 등의 압연조질재(壓延調質材) 또는 텐션 어닐재를 이용할 수 있다.

상기 스테인리스강 기재상에 형성되는 기초층은, 스테인리스강과 구리 또는 구리합금의 중간층과의 밀착성을 높이기 위해서 배치되어 있다. 구리 또는 구리합금의 중간층은, 기초층과 최표층의 밀착성을 높일 수 있고, 또한 최표층 안을 확산되어 온 산소를 포착하여, 기초층의 성분의 산화를 방지하여 밀착성을 향상시키는 기능을 가지고 있는 공지의 기술이다.

기초층을 형성하는 금속은, 공지와 같이 니켈, 코발트, 니켈 합금, 코발트 합금중 어느 하나가 선택되고, 특히 니켈 또는 코발트가 바람직하다. 이 기초층은, 스테인리스 기재를 음극으로 하고, 예를 들면 염화니켈 및 유리(遊離)염산을 포함한 전해액을 이용하여 전해하는 것에 의해, 두께를 0.005∼2.0㎛로 하는 것이, 프레스 가공시에 기초층에 균열이 생기기 어렵게 하기 때문에 바람직하고, 0.01∼0.2㎛인 것이 보다 바람직하다.

종래의 최표층의 밀착력 저하의 원인은, 기초층의 산화와 큰 반복 전단 응력에 의한 것이고, 그 대책으로서 기초층을 산화시키지 않는 것, 전단 응력이 가해져도 밀착성이 열화하지 않는 것의 2점을 만족하는 재료의 개발이 필요하였다.

따라서, 본 발명에서는, 상기 2개의 과제에 대해서, 우선 첫번째의 과제인 기초층을 산화시키지 않는 수단으로서, 구리 또는 구리합금으로 이루어지는 중간층을 배치한 구성을 기본으로 하고 있다. 기초층의 산화는, 최표층중의 산소의 투과에 의한 것이고, 구리 또는 구리합금의 배치에 의해서, 은의 입계(粒界)를 확산한 구리 성분이 최표층내에서 산소를 포착하여 기초층의 산화를 억제함으로써, 두번째의 과제인 밀착성의 저하를 방지하는 역할도 더불어 완수한다.

그러나, 본 구성품을 가동 접점용 은피복 스테인리스 부품으로서 사용했을 때, 접촉 저항치가 상승해 버리는 문제가 발생하고 있었다. 본 발명자들은, 이 문제에 대해서 조사를 실시한 바, 중간층의 구리 성분이, 최표층을 형성하는 은중에 용이하게 확산되어, 그 확산한 구리 성분이 최표층의 표면에 도달했을 때에 산화되어 산화구리를 형성하여, 접촉 저항을 증대시켜 버린다고 하는 현상인 것을 분명히 하였다.

본 발명에 있어서의 은 또는 은합금으로 이루어지는 최표층의 결정립 지름은, 0.5∼5.0㎛의 범위로 제어하는 것에 의해, 중간층에서 형성된 구리 성분의 확산량을 억제할 수 있어, 우수한 접점 특성, 특히 열이력이 걸려도 접촉 저항을 증대시키지 않고, 가동 접점 부품으로서 장기간 사용되어도 접촉 저항치가 상승하지 않음으로써, 접점 특성이 양호한 가동 접점 부품용 은피복 복합재료를 제공할 수 있다.

결정립 지름이 0.5㎛ 미만이면, 결정립계가 많아지기 때문에 중간층의 구리 성분의 확산 경로가 많으므로, 내열 신뢰성이 불충분하게 되어 접촉 저항이 상승할 가능성이 높고, 반대로 결정립 지름이 5.0㎛를 넘으면, 효과가 포화할 뿐만 아니라, 최표층의 경도가 저하하여 마모하기 쉬워져, 접점 특성이 저하하는 경향이 있기 때문에 바람직하지 않다. 상기 결정립 지름의 범위이면 적합하게 이용되지만, 0.75∼2.0㎛이면, 장기 신뢰성과 생산성을 겸비할 수 있어, 더 바람직하다.

한편, 예를 들면, 하기의 종래예 2로서 이것을 상정한 시험예를 기재했지만, 일본 공개특허공보 2005-133169(특허문헌 6)의 실시예 5 등의 종래의 복합 접점재료에 있어서의 은 및 은합금으로 이루어지는 최표층의 결정립 지름은, 평균 결정립 지름이 0.2㎛ 정도이며, 그 결과적으로 중간층의 구리 성분이나 산소가 확산되는 경로인 최표층의 결정립계가 많이 존재하여, 각층간의 밀착성 저하나 접촉 저항의 열화의 큰 원인이 되고 있었다고 생각된다.

한편, 최표층을 형성하는 은 또는 은합금의 결정립 지름을 조정하는 방법으로서는, 예를 들면 도금법, 클래드법, 증착법 등의 방법으로 은을 피복할 때의 각종 조건을 적정하게 제어함으로써 조정이 가능하다. 예를 들면 전해 도금법의 경우는, 도금액중에 함유되는 첨가제나 계면활성제, 각종 약품농도, 전류밀도, 도금 욕온(浴溫), 교반조건 등을 조정함으로써 가능해진다. 한편, 상기 각종 조건으로 결정립 지름을 조정하기에는 한계가 있어, 공업상 바람직한 범위로서는 1.0㎛ 정도가 상한이다. 결정립 지름을 더 크게 하기 위해서는, 열처리를 행하여 최표층을 형성하는 은 및 은합금을 재결정시키는 것이 유효하다.

본 발명에서는, 은 또는 은합금을 최표층으로서 도금할 때의 도금 조건(특히 전류밀도)을 적정하게 조정하여, 필요에 따라 이것과 더불어 도금 후의 열처리에 있어서의 가열 조건(특히, 가열 온도와 가열 시간의, 가열시의 분위기와의 조합)을 적정하게 제어하는 것에 의해서, 최표층의 층 두께와 은 또는 은합금의 결정립 지름을 제어할 수 있다.

한편, 일반적으로는, 전류밀도가 커지면 결정립 지름은 작아지고, 전류밀도가 작으면 결정립 지름은 커진다. 이것에 대해서, 본 발명에 있어서는, 도금시의 전류밀도와 열처리 조건과의 조합을 제어하는 것에 의해서, 결정립 지름을 적정하게 제어할 수 있다. 또한, 전류밀도가 높은 조건으로 도금하면, 비교적 저온에서의 열처리로도 결정립 지름이 커지기 쉬운 경향이 있으므로, 전류밀도와 열처리 조건과 조합하여 적정하게 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시형태에 있어서 중간층의 두께는, 바람직하게는 0.05∼0.3㎛의 범위이다. 중간층의 두께가 0.05㎛ 미만이면, 최표층안을 투과해 온 산소 성분을 포착하기에는 불충분하고, 반대로 0.3㎛를 초과하여 형성되면 구리 성분의 절대량이 많아지기 때문에, 최표층을 형성하는 은 또는 은합금의 결정립 지름을 크게 해도, 구리 성분의 최표층에의 투과를 충분히 억제할 수 없기 때문에, 중간층의 두께는 0.3㎛ 이하일 필요가 있다. 상기 범위이면 특성은 충분히 만족되지만, 보다 효과적인 범위는 0.1∼0.15㎛이다.

한편, 중간층이 구리합금에 의해 형성되는 경우, 주석, 아연, 니켈로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소를 합계로 1∼10질량% 포함한 구리합금이 바람직하다. 구리와 합금화하는 성분은 반드시 한정하는 것은 아니지만, 은층 안을 투과한 산소의 포착과 기초층 및 최표면을 형성하는 은 또는 은합금과의 밀착성을 향상시키는 주성분이 구리이고, 다른 합금 원소가 포함된 경우, 중간층이 딱딱해지고 내마모성이 향상된다. 이러한 원소의 합계는, 1질량% 미만이면, 중간층이 순동인 경우와 거의 동등한 효과가 되고, 10 질량%를 넘으면, 중간층이 너무 딱딱해져서, 프레스성이 나빠지거나, 접점으로서 사용중에 균열이 발생하거나 하여, 내식성이 저하하기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 은 또는 은합금으로 이루어지는 최표층의 두께는, 0.3∼2.0㎛, 보다 바람직하게는 0.5∼2.0㎛, 더 바람직하게는 0.8∼1.5㎛로 함으로써, 가열 후에도 최표층에 구리 성분이 확산되는 일이 거의 없어, 접촉 안정성이 우수하다. 최표층의 두께가 너무 얇으면, 최표층을 형성하는 은 또는 은합금의 결정립 지름을 제어해도, 중간층으로부터 확산되어 온 구리 성분이 표층에 도달하기 쉽기 때문에 접촉 저항을 상승시키기 쉽고, 반대로 너무 두꺼우면 효과가 포화하는 동시에 은의 사용량이 증가하기 때문에 경제적으로도 환경 부하가 증대되는 의미에서도 바람직하지 않다.

최표층으로서 적합하게 이용되는 은 또는 은합금으로서는, 예를 들면, 은,은-주석 합금, 은-인듐 합금, 은-로듐 합금, 은-루테늄 합금, 은-금 합금, 은-팔라듐 합금, 은-니켈 합금, 은-셀렌 합금, 은-안티몬 합금, 은-구리합금, 은-아연 합금, 은-비스머스 합금 등을 들 수 있고, 특히, 은, 은-주석 합금, 은-인듐 합금, 은-로듐 합금, 은-루테늄 합금, 은-금 합금, 은-팔라듐 합금, 은-니켈 합금, 은-셀렌 합금, 은-안티몬 합금 및 은-구리합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 기초층, 중간층, 최표층의 각 층은, 전기도금법, 무전해 도금법, 물리·화학적 증착법 등 임의의 방법에 의해 형성할 수 있지만, 전기도금법이 생산성과 비용의 면으로부터 가장 유리하다. 상기 각 층은, 스테인리스강 기재의 전체면에 형성해도 좋지만, 접점부에만 형성하는 것이 경제적이며, 환경 부하를 경감한 제품을 제공할 수 있기 때문에 바람직하다.

또한, 밀착력의 향상 및 최표층의 은 또는 은합금의 결정립 지름을 조정하는 방법으로서, 적절한 제어에 의한 가열 처리를 행하는 것에 의해, 재결정화에 의해서 최표층의 은 또는 은합금의 결정립 지름을 0.5∼5.0㎛로 조정하고, 또한 중간층의 구리 성분과 최표층의 은성분의 확산을 진행시키고, 전단 강도를 향상시키는 것도 가능하다. 밀착력의 향상에 관해서는, 은과 구리의 합금층이 형성됨으로써 실현되지만, 가열 처리를 지나치게 계속하면, 중간층의 구리 성분의 확산이 너무 진행되어 최표층의 은이 전부 합금화되거나, 최표면에 구리 성분이 확산되기 쉬워지거나 하기 때문에, 접촉 저항이 증대되는 원인이 된다. 이 때문에, 적정한 가열 처리 분위기나 가열 온도의 제어가 필요하다.

바람직한 열처리 조건으로서, 대기 분위기하에서 실시할 때는 50∼190℃의 온도 범위에서 열처리를 실시함으로써, 은 또는 은합금층의 재결정화를 촉진하고 또한 은-구리합금층을 밀착력 향상을 위해서 계면 부근에만 형성할 수 있다. 이 때, 50℃ 미만에서는 단시간에 의한 재결정화가 곤란하고, 반대로 190℃를 넘는 경우는 은표면을 덮고 있는 산화은이 은과 산소로 분해되어 버려, 산화은의 분해에 의한 산소 및 대기중의 산소의 일부가, 확산되어 온 중간층의 구리 성분과 산화물을 형성하기 쉬워짐으로써 접촉 저항이 상승하기 쉬워지기 때문에, 이 온도 범위에서 제어하는 것이 적절하다.

상기 범위이면 목적으로 하는 상태를 형성하는 것이 가능하지만, 보다 바람직하게는 100∼150℃이다. 한편, 열처리시간에 관해서는, 최표층을 형성하는 은 또는 은합금의 도금 조직에 의해서 재결정하는 시간이 변화하기 때문에, 한정하는 것은 아니지만, 생산성 저하나 최표층 성분의 산화를 방지하는 관점에서 결정된다. 예를 들면, 온도가 50℃ 이상 100℃ 이하일 때는 0.1∼12시간, 온도가 100℃를 넘고 190℃ 이하일 때는 0.01∼5시간의 범위인 것이 바람직하다.

별도의 바람직한 처리 조건으로서는, 비산화성 분위기하에서 실시할 때는 50∼300℃의 온도 범위에서 열처리를 실시함으로써, 최표층을 형성하는 은 또는 은합금의 재결정화를 촉진하고, 또한 은-구리합금층을, 중간층과 최표층의 밀착력 향상을 위해서, 양 층의 계면 부근에만 형성할 수 있다. 이 때, 50℃ 미만에서는 단시간에 의한 재결정화가 곤란하고, 반대로 300℃를 넘는 경우는 중간층의 구리 성분이 보다 확산되기 쉽고, 은 표면에 도달하기 쉬워진다. 비산화성 분위기하에서는 표면의 구리 성분이 산화되어 접촉 저항을 상승시키는 일은 없지만, 대기 분위기에 노출된 동시에 최표면에 확산되어 온 구리가 산화물을 형성하여, 접촉 저항을 상승시켜 버리므로 바람직하지 않기 때문에, 이 온도 범위로 제어하는 것이 적절하다.

상기 범위이면 목적으로 되는 상태를 형성하는 것이 가능하지만, 보다 바람직하게는 50∼190℃, 더 바람직하게는 100∼150℃이다. 한편 처리시간에 관해서는 은 및 은합금의 도금 조직에 따라서 재결정하는 시간이 변화하기 때문에, 한정하는 것은 아니지만, 생산성 저하나 중간층의 구리 성분의 표층 노출을 방지하는 관점에서 결정된다. 예를 들면, 온도가 50℃ 이상 100℃ 이하일 때는 0.1∼12시간, 온도가 100℃ 초과 190℃ 이하일 때는 0.01∼5시간, 온도가 190℃ 초과 300℃ 이하일 때는 0.005∼1시간의 범위인 것이 바람직하다. 한편, 비산화성의 분위기 가스로서는, 수소, 헬륨, 아르곤 또는 질소를 사용할 수 있지만, 입수성이나 경제성, 안전성 등의 관점으로부터 아르곤을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 비산화성 분위기하에서의 가열에서는, 대기 분위기하에서의 가열과 비교하여, 최표층의 은표면을 덮고 있는 산화은의 분해에 의한 영향은 작아지지만, 열처리온도가 190℃를 넘으면, 중간층이 가열되는 것에 의해 중간층의 구리 성분의 표층 노출의 우려가 높아지므로, 열처리온도는 190℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.

실시예

이하에, 본 발명을 실시예에 기초하여 더 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

SUS기재를 연속적으로 통판(通板)하여 권취하는 도금 라인에 있어서, 두께 0.06㎜, 스트립 폭 100㎜의 기재(SUS301의 스트립)를 전해 탈지, 수세, 활성화, 수세, 기초층 도금, 수세, 중간층 도금, 수세, 은스트라이크 도금, 최표층 도금, 수세, 건조, 및 열처리를 행하여, 표 1에 나타내는 구성으로 이루어지는 발명예 1∼53, 비교예 1∼7, 및 종래예 1∼3의 은피복 스테인리스 스트립를 얻었다. 한편, 최표층이 되는 은의 결정립 지름을 도금 조건만으로 조정한 발명예 1∼4에 대해서는, 열처리를 행하지 않았다.

각 처리 조건은 다음과 같다.

1. (전해 탈지, 활성화)

(전해 탈지)

처리액: 올소규산소다 100g/ℓ 처리온도: 60℃

음극 전류밀도: 2.5A/dm²

처리시간: 10초

(활성화)

처리액: 10%염산

처리온도: 30℃

침지 처리시간: 10초

2. (기초층 도금)

(니켈도금)

처리액: 염화니켈 250g/ℓ, 유리염산 50g/ℓ

처리온도: 40℃

전류밀도: 5A/dm²

도금두께: 0.01∼0.2㎛

처리시간: 도금두께마다 시간을 조정

(코발트 도금)

처리액: 염화코발트 250g/ℓ, 유리염산 50g/ℓ

처리온도: 40℃

전류밀도: 2A/dm²

도금두께: 0.01㎛

처리시간: 2초

3. (중간층 도금)

(구리도금 1: 표에서 Cu-1로 표기)

처리액: 황산구리 150g/ℓ, 유리황산 100g/ℓ, 유리염산 50g/ℓ

처리온도: 30℃

전류밀도: 5A/dm²

도금두께: 0.05∼0.3㎛

처리시간: 도금두께마다 시간을 조정

(구리도금 2: 표에 있어서 Cu-2로 표기)

처리액: 시안화 제1 구리 30g/ℓ, 유리(遊離)시안 10g/ℓ

처리온도: 40℃

전류밀도: 5A/dm²

도금두께: 0.045∼0.32㎛

처리시간: 도금두께마다 시간을 조정

4. (은스트라이크 도금)

처리액: 시안화은 5g/ℓ, 시안화칼륨 50g/ℓ

처리온도: 30℃

전류밀도: 2A/dm²

처리시간: 10초

5. (최표층 도금)

(은도금)

처리액: 시안화은 50g/ℓ, 시안화칼륨 50g/ℓ, 탄산칼륨 30g/ℓ, 첨가제(여기에서는 티오황산나트륨 0.5g/ℓ)

처리온도: 40℃

전류밀도: 0.05∼15A/dm²의 범위에서 변화시켜 결정립 지름을 조정

도금두께: 0.5∼2.0㎛

처리시간: 도금두께마다 시간을 조정

(은-주석 합금 도금) Ag-10%Sn

처리액: 시안화칼륨 100g/ℓ, 수산화나트륨 50g/ℓ, 시안화은 10g/ℓ, 주석산칼륨 80g/ℓ, 첨가제(여기에서는 티오황산나트륨 0.5g/ℓ)

처리온도: 40℃

전류밀도: 1A/dm²

도금두께: 2.0㎛

처리시간: 3.2분

(은-인듐 합금 도금) Ag-10%In

처리액: 시안화칼륨 KCN100g/ℓ, 수산화나트륨 50g/ℓ, 시안화은 10g/ℓ, 염화인듐 20g/ℓ, 첨가제(여기에서는 티오황산나트륨0.5g/ℓ)

처리온도: 30℃

전류밀도: 2A/dm²

도금두께: 2.0㎛

처리시간: 1.6분

얻어진 이러한 가동 접점 부품용 은피복 복합재료(은피복 스테인리스 스트립)를 직경 4㎜φ의 돔형 가동 접점 부품으로 가공하고, 고정 접점에는 은을 1㎛ 두께로 도금한 황동 스트립을 이용하여, 도 1, 2에 도시한 구조의 스위치로 타건시험을 행하였다. 도 1은, 타건시험에 이용한 스위치의 평면도이다. 또한, 도 2는, 타건시험에 이용한 스위치의 도 1 A-A선단면도와 누름을 나타내는 것이고, (a)는 스위치 동작전, (b)는 스위치 동작시이다. 도면 중, 1은 은도금 스테인리스의 돔형 가동 접점, 2는 은도금 황동의 고정 접점이며, 이것들이 수지 케이스(4)중에 수지의 충전재(3)로 조립해 넣어져 있다.

타건시험은, 접점 압력: 9.8N/㎟, 타건속도: 5Hz로 최대 100만회의 타건을 행하여 접촉 저항의 경시(經時) 변화를 측정하였다. 한편, 접촉 저항은 전류 10mA 통전으로 측정을 행하여, 편차를 포함한 접촉 저항치를 4단계로 평가하였다. 구체적으로는, 접촉 저항치 15mΩ 미만을 '우수'라고 평가하여 표에 '◎' 표시를 붙이고, 15mΩ 이상 20mΩ 미만을 '양호'라고 평가하여 표에 '○'표시를 붙이고, 20mΩ 이상 30mΩ 미만을 '허용 가능'하다고 평가하여 표에 '△'표시를 붙이고, 30mΩ 이상의 것을 '허용 불가능'이라고 평가하여 표에 '×'표시를 붙였다. 한편, 가동 접점으로서 접촉 저항치가 30mΩ 미만인 ◎∼△인 것이 접점으로서 실용성이 있다고 판단하였다.

또한, 최표면에 구리 성분이 검출되는 가에 대해서 오제이 전자 분광 분석 장치로 최표면의 정성 분석을 행하여, 구리 성분의 검출량을 조사하였다. 검출되지 않은 것을 '없음', 검출량이 5질량% 미만을 '미량', 검출량이 5질량% 이상인 것을 '다량'으로 하였다.

또한, 타건시험 후의 가동 접점측에 대해서 육안으로 관찰을 행하여, 도금의 박리 유무에 대해서 관찰을 행하여, 박리 유무를 조사하였다.

이상의 결과를 표 2에 나타낸다.

또한, 최표층의 은 또는 은합금의 결정립 지름의 측정은, 단면 시료 제작 장치(크로스 섹션 폴리셔: 니혼덴시가부시키가이샤제)에서 수직 단면 시료를 작성 후, 전자선 후방 산란 회절법(EBSD: Electron Backscatter Diffraction)으로 관찰을 행하였다. 측정한 결정립 지름의 결과는, 그 외의 조건과 더불어, 표 1에 나타낸다.

[표 1]

[표 2]

발명예 1∼53의 가동 접점 부품용 은피복 복합재료는, 가동 접점 부품으로서 가공 후에 100만회의 타건시험을 실시해도 접촉 저항의 증가는 모두 30mΩ미만이다.

한편, 비교예 1∼7에서는, 100만회타건 후에 접촉 저항이 30mΩ 이상이 되어, 접점 수명이 짧은 것을 알 수 있다.

또한, 비교예 1에 관해서는, 종래의 기초층으로서 니켈도금, 중간층으로서 구리도금, 최표층으로서 은도금을 실시한 예에서, 최표층의 은의 결정립 지름이 약 0.2㎛이고, 1만회의 타건으로 접촉 저항이 상승하기 시작하여 5만회에서는 30mΩ 이상이 되어, 실용상의 문제가 발생하는 것을 알 수 있다.

도 3에 발명예 4를 EBSD법으로 관찰한 사진, 도 4에 비교예 1을 EBSD법으로 관찰한 사진을 각각 나타낸다. 도 3과 도 4중, 예를 들면 도면 중에 표시를 붙여서 나타낸 부분이 각각 하나의 입자의 결정립을 나타낸다. 도 3의 발명예 4에서는 최표층의 은의 결정립 지름은 약 0.75㎛이고, 이것에 대해서, 도 4의 비교예 1에서는 최표층의 은의 결정립 지름은 약 0.2㎛이다. 이것의 비교로부터, 최표층의 은의 결정립 지름을 적정하게 제어하는 것에 의해서, 접촉 저항을 양호한 값으로 할 수 있는 것을 알 수 있다.

비교예 2에 관해서는, 구리로 이루어지는 중간층이 얇은 상태이면, 100만회 타건 후에는 최표층·중간층의 박리가 생기고 있어, 투과한 산소의 포착이 불충분하여 밀착성이 뒤떨어진 결과가 되었다.

비교예 3과 같이, 구리로 이루어지는 중간층이 두꺼울 때는, 결정립 지름을 조정해도 최표면에 있어서의 구리 성분의 확산을 많이 볼 수 있어, 그 결과 접촉 저항치가 증대하여 뒤떨어진 결과가 되었다.

한편, 열처리온도가 너무 낮거나 너무 높아서, 모두 결정립 지름이 0.5㎛보다 작은 비교예 4, 5에 있어서는, 중간층 두께가 0.05∼0.3㎛로 제어되고 있어도 구리 성분의 확산량이 많아지고, 최표층의 표면에 구리 성분의 노출이 많아져 접촉 저항치를 증대하여 뒤떨어진 결과가 되었다.

게다가 비교예 6, 7에서는, 결정립 지름을 크게 하기 위해서, Ar 분위기하에서 온도 320℃에서 1시간, 혹은 300℃에서 2시간의 열처리를 행하였다. 이 때문에, 필요 이상으로 열처리가 행하여진 결과, 최표층의 표면에 구리 성분이 다량 검출되고 있어, 접촉 저항치가 증대되어 뒤떨어진 결과가 되었다.

종래예 1에서는, 최표층중에서의 은 또는 은합금의 평균 입자지름이 너무 크므로, 접촉 저항치가 증대하고 있는 점에서 뒤떨어진다. 한편, 종래예 1은, 일본 공개특허공보 평성 5-002900(특허문헌 7)을 상정한 것이다.

종래예 2에서는, 최표층중에서의 은 또는 은합금의 평균 입자지름이 너무 작으므로, 접촉 저항치가 증대하고 있는 점에서 뒤떨어진다. 한편, 종래예 2는, 일본 공개특허공보 2005-133169(특허문헌 6)의 실시예 5를 상정한 것이다.

종래예 3에서는, 열처리시간이 너무 길어서, 최표층중에서의 은 또는 은합금의 평균 입자지름이 너무 크므로, 접촉 저항치가 증대하고 있는 점에서 뒤떨어진다. 한편, 종래예 3은, 일본 공개특허공보 2005-133169(특허문헌 6)의 실시예 6을 상정한 것이다.

이러한 결과로부터, 발명예와 같이 중간층의 두께를 0.05∼0.3㎛로 제어하면서, 은 또는 은합금으로 이루어지는 최표층의 결정립 지름을 0.5∼5.0㎛의 범위내에 제어하는 것에 의해, 가동 접점 부품의 접점 특성으로서의 장기 신뢰성을 향상할 수 있는 것이 분명하다. 또한, 적정한 열처리에 의해서 입자지름을 제어하는 것도 가능하고, 우수한 밀착성·장기 신뢰성을 겸비한 가동 접점 부품용 은피복 복합재료를 공업적으로 안정되게 제공할 수 있는 것을 알 수 있다.

본 발명을 그 실시형태와 함께 설명했지만, 우리는 특별히 지정하지 않는 한 우리의 발명을 설명의 어느 자세한 부분으로 한정하려고 하는 것이 아니라, 첨부된 청구의 범위에 나타낸 발명의 정신과 범위에 반하는 일 없이 폭넓게 해석되는 것이 당연하다고 생각한다.

본원은, 2010년 2월 12일에 일본에서 특허 출원된 특원 2010-028703에 기초하는 우선권을 주장하는 것이고, 이것은 여기에 참조하여 그 내용을 본 명세서의 기재된 일부로서 넣는다.

1 : 돔형 가동 접점
2 : 고정 접점
3 : 충전재
4 : 수지 케이스

Claims

스테인리스강 기재(基材)의 표면의 적어도 일부에 니켈, 코발트, 니켈 합금, 코발트 합금의 어느 하나로 이루어지는 기초층이 형성되고, 그 상층에 구리 또는 구리합금으로 이루어지는 중간층이 형성되고, 다시 그 상층에 은 또는 은합금층이 최표층으로서 형성되어 있는 가동 접점 부품용 은피복 복합재료로서,
상기 중간층의 두께가 0.05∼0.3㎛이고, 또한 상기 최표층에 형성된 은 또는 은합금의 평균 결정립 지름이 0.5∼5.0㎛이고,
상기 최표층의 표면의 구리 성분의 검출량이 5질량% 미만인 것을 특징으로 하는, 가동 접점 부품용 은피복 복합재료.
제 1 항에 있어서, 상기 최표층의 두께가, 0.3∼2.0㎛인 것을 특징으로 하는, 가동 접점 부품용 은피복 복합재료.
스테인리스강 기재의 표면의 적어도 일부에 니켈, 코발트, 니켈 합금, 코발트 합금의 어느 하나로 이루어지는 기초층을 형성하고, 그 상층에 구리 또는 구리합금으로 이루어지는 중간층을 형성하고, 다시 그 상층에 은 또는 은합금층을 최표층으로서 형성하는 가동 접점 부품용 은피복 복합재료의 제조방법으로서, 상기 중간층의 두께가 0.05∼0.3㎛이고, 또한 대기 분위기하에서 50∼190℃의 온도 범위에서 열처리를 실시함으로써, 상기 최표층에 형성된 은 또는 은합금의 평균 결정립 지름을 0.5∼5.0㎛로 하고,
상기 최표층의 표면의 구리 성분의 검출량을 5질량% 미만으로 한 것을 특징으로 하는, 가동 접점 부품용 은피복 복합재료의 제조방법.
제 3 항에 있어서, 상기 열처리의 온도가 50℃ 이상 100℃ 이하, 시간이 0.1∼12시간인 것을 특징으로 하는, 가동 접점 부품용 은피복 복합재료의 제조방법.
제 3 항에 있어서, 상기 열처리의 온도가 100℃ 초과 190℃ 이하, 시간이 0.01∼5시간인 것을 특징으로 하는, 가동 접점 부품용 은피복 복합재료의 제조방법.
스테인리스강 기재의 표면의 적어도 일부에 니켈, 코발트, 니켈 합금, 코발트 합금의 어느 하나로 이루어지는 기초층을 형성하고, 그 상층에 구리 또는 구리합금으로 이루어지는 중간층을 형성하고, 다시 그 상층에 은 또는 은합금층을 최표층으로서 형성하는 가동 접점 부품용 은피복 복합재료의 제조방법으로서, 상기 중간층의 두께가 0.05∼0.3㎛이고, 또한 비산화 분위기하에서 50∼300℃의 온도 범위에서 열처리를 실시함으로써, 상기 최표층에 형성된 은 또는 은합금의 평균 결정립 지름을 0.5∼5.0㎛로 하고,
상기 최표층의 표면의 구리 성분의 검출량을 5질량% 미만으로 한 것을 특징으로 하는, 가동 접점 부품용 은피복 복합재료의 제조방법.
제 6 항에 있어서, 상기 열처리의 온도가 50℃ 이상 100℃ 이하, 시간이 0.1∼12시간인 것을 특징으로 하는, 가동 접점 부품용 은피복 복합재료의 제조방법.
제 6 항에 있어서, 상기 열처리의 온도가 100℃ 초과 190℃ 이하, 시간이 0.01∼5시간인 것을 특징으로 하는, 가동 접점 부품용 은피복 복합재료의 제조방법.
제 6 항에 있어서, 상기 열처리의 온도가 190℃ 초과 300℃ 이하, 시간이 0.005∼1시간인 것을 특징으로 하는, 가동 접점 부품용 은피복 복합재료의 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 가동 접점 부품용 은피복 복합재료가 가공되어 형성된 가동 접점 부품으로서, 접점 부분이 돔 형상 또는 볼록 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 가동 접점 부품.