TWI654322B - 電氣接點用之護套材料及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明關於一種電氣接點用之護套材料，其係對於由Cu系的析出型時效硬化材所成之基材，接合由Ag合金所成之接點材料而成的電氣接點用之護套材料，其特徵為：前述接點材料與前述基材之接合界面中的包含Ag及Cu的擴散區域之寬度為2.0μm以下。此護套材料係藉由將預先施有溶體化處理及時效硬化的基材與接點材料予以接合而製造，而抑制接合後擴散區域擴大。依照本發明，可在不損害Cu系析出型時效硬化材所具有的特性下，得到能達成高導電率的電氣接點。

Description

電氣接點用之護套材料及其製造方法

本發明關於對於由時效析出型的Cu合金所成之基材，接合有由Ag合金所成之接點材料的電氣接點用之護套材料及其製造方法。

作為搭載於各種電氣‧電子機器的開閉斷路器或開閉開關等所使用的開閉接點及馬達或滑動開關等所使用的滑動接點，以往已知具有護套構造的接點材料(以下，關於開閉接點或滑動接點，作為彼等之總稱，有稱為「電氣接點」之情況)。

電氣接點用之護套材料係以作為重複與電極的接觸‧分離或發生與電極之斷續的滑動之接觸部的接點材料及支持此接點材料的基材所構成。對於作為接觸部的接點材料，要求高耐磨耗性與高導電性之兩者，由Ag或Ag合金所成的Ag系材料之應用例多。

另一方面，對於基材，除了導電性，為了抑制電氣接點之作動時受到的壓力所致的破損，還要求高強度‧高彈性。電氣接點用之護套材料的強度及耐久性多藉由基材的強度或彈性而賦有特性。因此，作為改良電氣接點用之護套材料的強度等之措施，已知採用析出型時效硬化材作為基材的材質。作為適用作基材的析出型時效硬化材，可舉出Cu系的析出型時效硬化型合金。例如已知被稱為卡遜(Corson)合金的Cu-Ni-Si系合金係以往作為電子零件用材料的高強度且高導電之合金材料(專利文獻1)。

此處，於製造電氣接點用之護套材料時，需要將接點材料與基材予以接合之步驟，與將接合後的護套材料加工成目的之形狀‧尺寸之步驟。而且，採用析出型時效硬化材作為基材時，除了此等之步驟，還需要亦考慮用於時效硬化材的時效硬化之熱處理步驟。

圖3係概略地說明以析出型時效硬化材作為基材的護套材料之製造步驟。如圖3所示，於習知步驟中，壓接時效硬化前的基材與成為接觸部的接點材料(Ag系合金)後，進行基材的溶體化處理及時效硬化熱處理而加工成目的形狀。再者，於此最終加工前，亦有再度進行時效硬化熱處理之情況。然後，藉由以上之步驟，基材係成為以Cu合金作為母相(基質)，分散有對應於添加元素之組成的析出相之時效硬化材。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開平3-162553號公報

茲認為以往已知之以析出型時效硬化材作為基材的電氣接點用之護套材料係可對應於要求導電性與強度的協調之各種用途。然而，亦有改善之餘地，尤其需要導電性之改善。

電氣接點用之護套材料的導電性提高之傾向，係隨著具備電氣接點的各種機器之小型化、高性能化等而加速。例如，隨著智慧型手機等的小型機器之增加，為了對應於彼等所使用的開閉斷路器等之高容量化，需要提高導電性。又，於馬達領域中，亦微型馬達的小型化‧高容量化之需求多，需要提高導電性。如此地，對於電氣接點(開閉接點及滑動接點)用之護套材料，亦要求改良導電率。於與強度的關聯中，以成為基材的析出型時效硬化材之特性維持作為前提，要求高導電率且高強度的護套材料。

本發明係在如以上的背景下完成者，目的在於提供對於以Cu系的析出型時效硬化材作為基材，接合有Ag合金作為接點材料的電氣接點用之護套材料，可發揮高強度同時達成高導電率者，及其製造方法。

本發明者等對於以析出型時效硬化材作為基材的電氣接點用護套材料，再度檢討能影響其導電特性的因素。結果發現於以往的護套材料中，起因於其製造時的熱歷程，在接點材料與基材之接合界面中，兩者的構成元素混合存在的擴散區域係存在。然後，對於此擴散區域進行詳細檢討，結果得知此係對於護套材料全體的導電特性造成影響。

於本發明中，作為接點材料的Ag合金及作為基材的Cu系析出型時效硬化材，皆係藉由維持預定的組成‧構成而發揮導電特性。即，接點材料係藉由一邊以Ag作為必要成分一邊添加適當的添加元素，而在導電性上附加耐磨耗性等。另一方面，成為基材的析出型時效硬化材亦藉由適當的熱處理(溶體化處理與時效熱處理)，生成析出相，使母相成為Cu合金而達成高導電率。

相對於其，在兩者的接合界面所形成的擴散區域係具有接點材料的構成元素與基材的構成元素混合存在之組成。此擴散區域之組成係與對於導電性已給予最合適的考慮之接點材料的組成不同。因此，可推測擴散區域不是導電性良好的區域之或然性高。而且，如此的導電性差之區域由於阻礙接點材料與基材之導通而應該被限制。

於此，考察形成擴散區域之原因，為在護套材料製造過程中輸入於接合界面的熱歷程。如圖3所示，以往的護套材料之製造步驟係在接合接點材料與基材後， 進行溶體化處理及時效熱處理，形成具有析出硬化作用的材料組織。對於此等的熱處理，尤其對於Cu系析出型時效硬化材之溶體化處理，亦需要700℃以上的高溫加熱。因此，判斷因溶體化處理或時效熱處理之熱，而擴散區域生成‧擴大。

因此，本發明者等一邊進行電氣接點用之護套材料的製造步驟之修正，一邊詳細檢討上述擴散區域與護套材料的導電率之關係，發現管制擴散區域之製造方法，同時藉由設定擴散區域之合適的範圍，可達成高導電率而想出本發明。

解決上述問題的本發明係一種電氣接點用之護套材料，其係對於由Cu系的析出型時效硬化材所成之基材，接合由Ag合金所成之接點材料而成的電氣接點用之護套材料，其特徵為：前述接點材料與前述基材之接合界面中的包含Ag及Cu的擴散區域之寬度為2.0μm以下。

更詳細地說明本發明。如上述，本發明係一種護套材料，其係以由Ag合金所成之接點材料與由Cu系的析出型時效硬化材所成之基材所構成的護套材料。於以下之說明中，在說明接點材料及基材的各構成後，說明兩者之間的擴散區域。然後，說明本發明之護套材料的態樣及製造方法。

(A)接點材料

作為接點材料的構成材料，考慮導電性與耐磨耗性而 採用Ag合金。本發明中所謂的Ag合金，就是含有Ag(銀)作為必要元素之合金，主成分係不限定於Ag。惟，從作為接點材料的導電性確保之觀點來看，較佳是Ag濃度為10質量%以上95質量%以下之Ag合金。而且，作為構成Ag合金的元素，為Ag與選自由Cu、Ni、Pd、Au、Pt所成之群組的至少1個元素。

作為接點材料的較佳Ag合金之種類，可以Ag濃度來區分。具體而言，可以Ag濃度為80%以上的Ag合金、Ag濃度為50%以上且未達80%的Ag合金、Ag濃度未達50%的Ag合金來區分。作為各Ag合金之例，於Ag濃度為80%以上的Ag合金中，可舉出Ag-Cu-Ni系合金(Ag濃度90質量%以上95質量%以下)、Ag-Ni系合金(Ag濃度80質量%以上90質量%以下)等。又，於Ag濃度為50%以上且未達80%的Ag合金中，可舉出Ag-Pd系合金(Ag濃度50質量%以上70質量%以下)等。再者，於Ag濃度未達50%的Ag合金中，可舉出Ag-Pd-Cu系合金(Ag濃度30質量%以上且未達50質量%)、Ag-Pd-Cu-Pt-Au系合金(Ag濃度20質量%以上40質量%以下)、Ag-Au-Cu-Pt系合金(Ag濃度5質量%以上15質量%以下)等。此等含有Cu、Ni、Pd、Au、Pt的至少一者之Ag合金亦可更任意地包含Zn、Sm、In等之添加元素。

(B)基材

於基材中，採用Cu系的析出型時效硬化材。所謂Cu 系的析出型時效硬化材，就是在時效處理後成為以Cu或Cu合金構成母相，於其中分散對應於添加元素的析出相之材料。即，為以Cu作為必要構成元素之析出型時效硬化材料。採用Cu系材料者係因為重視成為母相的Cu或Cu合金之導電性。

作為成為基材的Cu系析出型時效硬化材，於高強度的Cu系析出型時效硬化材中，可採用Cu-Ni-Si系合金、Cu-Ni-Si-Mg系合金。此等之Cu合金亦被稱為卡遜系合金。再者，Cu-Be系合金(鈹銅)亦為適合作為基材的Cu系析出型時效硬化材。又，於中強度的Cu系析出型時效硬化材中，Cu-Fe系合金、Cu-Fe-Ni系合金、Cu-Sn-Cr-Zn系合金、Cu-Cr-Mg系合金等為適合作為基材的Cu系析出型時效硬化材。還有，於前述的合金系中，容許包含主要構成元素以外的微量添加元素。例如，卡遜系合金的Cu-Ni-Si系合金可包含Sn、Co、Fe、Mn等的添加元素。

(C)擴散區域

本發明之電氣接點用護套材料係包覆上述接點材料與基材而成。而且，本發明係規定接點材料與基材之接合界面中的擴散區域之寬度(厚度)。此處，若更詳細地定義接合區域之意義，則在接點材料與基材之接合界面，當將接點材料中的Ag濃度當作基準(100%)時，係Ag濃度成為95%以下5%以上之合金區域為擴散區域。此擴散區域係由接點材料(Ag合金)的構成元素與基材(Cu系析出型 時效硬化材)的構成元素之兩者所構成的合金層，其組成係連續的變化。而且，電氣特性亦不是良好者而導電率亦低。

因此，本發明係限制此擴散區域之寬度者。若擴散區域超過2.0μm，則護套材料全體的導電率降低。於本發明中，擴散區域不存在者，即擴散區域之寬度為0(零)μm者可說是最佳。惟，即使以後述之製造步驟也難以完全地抑制擴散區域之生成。在現實上之方面，藉由將擴散區域之寬度的下限設為0.1μm，可成為本發明目的之高強度‧高導電率的護套材料。

還有，本發明中的擴散區域之寬度為平均值。接合界面中的擴散區域之形狀未必是平坦，寬度亦有變動(當然完全固定者為少)。因此，於規定擴散區域之寬度時，較佳為採用複數個地方之值的平均。作為擴散區域的測定法之一例，可利用EPMA(電子線微探針分析)、EDS(能量分散型X射線分析)等之元素分析機器，進行接合界面附近的元素分析(線分析、作圖)，藉由追蹤Ag濃度的變化而測定擴散區域之範圍。

(D)本發明之護套材料的態樣

關於本發明之護套材料，對基材的接點材料之形狀係沒有特別的限定，可為貼面(overlay)、鑲嵌(inlay)、邊緣嵌入(edgelay)之任一者。於開關或斷路器等之開閉接點的用途中，鑲嵌型的護套材料之應用例 多，本發明係可良好地對應於此形式。惟，任一形式皆要求在全部的接合界面中，擴散區域之寬度為在規定內。例如，於鑲嵌型的護套材料中，以接點材料埋入基材中之狀態接合，接合界面存在於接點材料的三面。於本發明中，彼等三面的接合界面中之接合區域必須為2.0μm以下。

又，關於本發明之護套材料，沒有限制接點材料的厚度‧尺寸及基材的厚度‧尺寸。彼等係按照所裝入的機器尺寸、設計壽命等而決定。

(E)本發明之護套材料的機械‧電氣特性

於以上說明的本發明之電氣接點用之護套材料中，成為基材之Cu系的析出型時效硬化材之特性係被充分地發揮。結果，本發明係成為在高強度與高導電率之兩者中適合的電氣接點。本發明之護套材料的拉伸強度與導電率係拉伸強度較佳為400~1200MPa，導電率較佳為20~90%IACS。由於此等之特性係取決於護套材料的基材之種類，更具體而言，採用上述之高強度的Cu系析出型時效硬化材(卡遜系合金、鈹銅系合金等)者係拉伸強度較佳為600~1200MPa，導電率較佳為20~50%IACS。又，採用中強度的Cu系析出型時效硬化材(Cu-Fe系合金、Cu-Fe-Ni系合金、Cu-Sn-Cr-Zn系合金、Cu-Cr-Mg系合金等)者，係拉伸強度較佳為400~700MPa，導電率較佳為60~90%IACS。

(F)護套材料之製造方法

接著，說明本發明的電氣接點用之護套材料之製造方法。如上述，作為護套材料之製造方法，包含將接點材料與基材予以接合之步驟，與將接合後的護套材料加工成目的形狀‧尺寸之步驟，採用析出型時效硬化材作為基材時，更追加用於時效硬化的熱處理步驟。

而且，本發明的電氣接點用之護套材料之製造方法包含：接合時效硬化完畢的基材與接點材料，製造粗護套材料之步驟；以前述基材的再結晶溫度為基準，在-200℃以上-100℃以下之範圍內退火熱處理前述粗護套材料之步驟；與，加工熱處理後的前述粗護套材料之步驟。

此製造方法係在與接點材料的接合前，完成基材的時效硬化處理，由時效硬化完畢的基材來製造護套材料，將此加工者。如此地，藉由在接合前進行基材的時效硬化處理，可減低在成為護套後的熱輸入，抑制在接合界面中擴散區域之擴大。

接合前的基材之時效硬化處理包含：將材料予以高溫加熱及急速冷卻而形成過飽和固溶體之溶體化處理，與將此在適度的溫度加熱而使析出相析出之時效處理。此等之處理係可採用與習知法同樣的條件，進行按照所採用的析出型時效硬化材之組成的處理。通常，溶體化處理係將材料加熱到500℃以上900℃以下後急速冷卻。較佳為加熱到600℃以上800℃以下，更佳為加熱到600℃以上750℃以下後急速冷卻。其後的時效處理係將過飽和固 溶體加熱到指定溫度及保持。Cu系的析出型時效硬化材之時效處理溫度較佳設為400℃以上600℃以下，更佳為400℃以上500℃以下。

關於時效處理完畢的基材與接點材料之接合，亦可採用與以往的護套材料同樣之步驟。通常，作為此護套材料之接合方法，可採用藉由加壓所致的壓接。基材及接點材料皆可在接合前進行按照形狀的加工。

對於接合基材與接點材料而得之粗護套材料，加工到成為指定的厚度為止。此加工係以輥軋加工為主體。此處，於本發明中，在加工前進行對於粗護套材料的退火熱處理。此退火熱處理係以使包含時效硬化完畢的基材之粗護套材料的加工成為容易為目的。此退火熱處理係以基材的時效硬化材之再結晶溫度為基準，於-200℃以上-100℃以下之範圍內的條件下進行。要求嚴密的管理。過度的熱處理係使基材的時效硬化組織發生變化，析出相會消失。因此，基材的導電率降低，喪失作為接點用途的適當性。又，熱處理不足時，雖然導電率不降低，但由於發生材料的軟化，無法達成加工性確保之熱處理本來之目的。關於退火熱處理的溫度，以時效硬化材的再結晶溫度為基準，更佳為-200℃以上-150℃以下之範圍。退火熱處理之具體的熱處理溫度較佳為550℃以上600℃以下。

粗護套材料之加工係藉由輥軋加工而加工到所欲的板厚為止。輥軋加工亦可進行複數次。又，上述的退火熱處理亦可在每輥軋加工進行複數次。再者，最終後 亦可以切斷加工(切割加工)而得到任意的寬度。藉由以上的加工步驟，製造本發明的電氣接點用之護套材料。

如以上說明，本發明的電氣接點用之護套材料係在其製造步驟中，於接點材料與基材的接合前，完成對於基材的時效硬化處理。而且，抑制將接點材料接合後的接合界面之擴散區域的擴大。藉此，成為高強度‧高導電率的護套材料。

圖1係說明本實施形態的電氣接點用護套材料之製造步驟的圖。

圖2係實施例1、比較例1的接合界面之SEM照片及EDS分析結果。

圖3係說明以往的電氣接點用護套材料之製造步驟的圖。

[實施發明的形態]

以下，說明本發明之實施形態。於本實施形態中，準備複數種之成為接點材料的Ag合金及成為基材的Cu系析出型時效硬化材，製作護套材料(鑲嵌型護套材 料)。下述顯示本實施形態所使用之成為接點材料的Ag合金(表1)及成為基材的Cu系析出型時效硬化材(表2)。於表2之基材中，B1、B2、B3、B4為高強度的Cu系析出型時效硬化材，B5、B6、B7、B8為中強度的Cu系析出型時效硬化材。於以下說明的第1實施形態~第3實施形態中，由此等之材料，適宜地選擇接點材料與基材，製造護套材料及評價。

第1實施形態：表3中顯示以此實施形態所製造的護套材料之接點材料與基材之組合。表3中除了顯示接點材料與基材之組成，還顯示基材的再結晶溫度及在與接點材料的壓接前所進行的時效處理之溫度條件。

圖1中顯示本實施形態之護套材料製造步驟。於本實施形態中，輥壓接表1中記載之已預先進行時效處理的帶狀析出型時效硬化材與帶狀接點材料。然後，使壓接後的帶狀粗護套材料通過(1.0m/min)550℃的加熱爐(還原環境)內而進行退火熱處理後，輥軋加工粗護套材料，再度進行退火熱處理，進行最終輥軋。最終輥軋後的護套材料(板厚0.1mm)係進行切割加工而成為寬度18mm的帶狀護套材料(實施例1~實施例3)。

比較例1~比較例3：以圖3所說明的習知製造步驟，製造護套材料。即，護套接合接點材料與基材後，進行溶體化處理及時效熱處理，而製造電氣接點用之護套材料。此等比較例中的溶體化處理與時效處理之條件係與表1的各實施例同樣。又，其他的處理條件亦與本實施形 態同樣。

對於如以上所製造的實施例、比較例之護套材料，進行EDS分析(使用分析機器：日本電子股份有限公司製JSM-7100E，檢測器：OXFORD製X-ACT)。分析係將試驗片埋入樹脂中，作成使剖面露出之試料，進行SEM觀察(4000倍)，同時藉由EDS，進行接點材料與基材之交界部的線分析(加速電壓15kV)。然後，以此線分析的結果為基礎，測定擴散區域之寬度。此測定係以接點材料的端部附近(表面附近)之Ag計數為基準(100%)，將Ag計數成為95%之點當作起點，將Ag計數為5%之點當作終點，將起點與終點之間隔判斷為擴散區域。此擴散區域之寬度的測定係任意地進行5個地方的EDS分析，算出彼等之平均值。

又，對於實施例、比較例之各護套材料，為了確認導電性，進行電阻值之測定。電阻值測定係以四端子法進行。作為剖面觀察之一例，圖2顯示實施例1及比較例1之接合界面附近的剖面照片。而且，表4顯示擴散區域之寬度及電阻值之測定結果的結果。

由圖2之SEM照片及EDS分析結果可知，實施例1之擴散區域係其寬度變窄。此係在其他的實施例中亦同樣，皆擴散區域之寬度成為1.8μm以下。比較例皆擴散區域超過2μm，發生6μm的寬廣的擴散區域。

而且，擴散區域的發達亦對於護套材料的導電特性造成影響。雖然亦取決於接點材料與基材之種類，但確認擴散區域發達的比較例係有電阻值變大之傾向。

第2實施形態：於此實施形態中，使用高強度的Cu系析出型時效硬化材之B1、B2、B3、B4的基材，接合各種接點材料而製造護套材料。護套材料之製造步驟基本上依據第1實施形態。護套前的基材之時效處理係對於各材料採用眾所周知的一般處理條件。又，關於粗護套材料之退火熱處理，以成為所採用之基材的再結晶溫度之-200℃以上-100℃以下之方式設定。

然後，對於所製造的護套材料，藉由與第1實施形態同樣之方法，測定擴散區域之寬度。又，於本實施形態中，在護套材料之特性評價中，測定強度(拉伸強 度)與導電率(IACS)。拉伸強度之測定係用精密萬能試驗機(股份有限公司島津製作所製AGS-X之裝置)，將試驗片之尺寸設為長度25.0mm×寬度30mm×厚度0.1mm而進行測。測定條件係以20mm/min之速度拉伸而實施測定。另外，導電率之測定係以4端子法進行。具體而言，測定試驗片(寬度30mm、厚度0.1mm)之長度1000mm間(測定裝置：Agilent公司製4338B)。關於拉伸強度及導電率之判斷，考慮所採用的基材為高強度，將拉伸強度為600MPa以上判斷為合格(「○」)，將導電率20%IACS以上判斷為合格(「○」)。表5中顯示以本實施形態所製造護套材料之評價結果。

根據表5，以本實施形態所製造的電氣接點用護套材料皆擴散區域之寬度未達2.0μm。而且，確認此等之護套材料皆強度及導電率達到合格值。

第3實施形態：於此實施形態中，使用中強度的Cu系析出型時效硬化材之B5、B6、B7、B8的基材，接 合各種接點材料而製造護套材料。於此，亦護套材料之製造步驟基本上依據第1實施形態。又，於基材之時效處理中，採用一般的處理條件，關於粗護套材料之退火熱處理，考慮所使用之基材的再結晶溫度，設為適當範圍。

然後，對於所製造的護套材料，藉由與第1、第2實施形態同樣之方法，測定擴散區域之寬度。再者，與第2實施形態同樣地測定拉伸強度與導電率(IACS)及評價。於評價中，考慮所採用的基材為中強度，將拉伸強度為400MPa以上當作合格(「○」)，將導電率60%IACS以上當作合格(「○」)。表6中顯示以本實施形態所製造護套材料之評價結果。

根據表6，以本實施形態所製造的電氣接點用護套材料皆擴散區域之寬度未達2.0μm。而且，於此等之護套材料亦確認強度及導電率達到合格值。

[產業上的利用可能性]

如以上說明，於本發明的電氣接點用之護套材料中，抑制接點材料與基材之接合界面中的擴散區域之擴大。本發明係採用析出型時效硬化材作為基材者，藉由擴散區域擴大之抑制，成為一邊維持高強度一邊不妨礙高導電率之護套材料。本發明係適合作為小型化的各種電子‧電氣機器之接點材料。

Claims (5)

1. 一種電氣接點用之護套材料，其係對於由Cu系的析出型時效硬化材所成之基材，接合由Ag合金所成之接點材料而成的電氣接點用之護套材料，其特徵為：前述接點材料與前述基材之接合界面中的包含Ag及Cu的擴散區域之寬度為0.1μm以上2.0μm以下。
2. 如請求項1之電氣接點用之護套材料，其中構成接點材料的Ag合金係Ag濃度為10質量%以上95質量%以下的Ag合金，為包含選自由Ni、Pd、Cu、Au、pt所成之群組的至少1個元素之Ag合金。
3. 如請求項2之電氣接點用之護套材料，其中構成接點材料的Ag合金係Ag-Cu-Ni系合金、Ag-Ni系合金、Ag-Pd系合金、Ag-Pd-Cu系合金、Ag-Pd-Cu-Pt-Au系合金、Ag-Au-Cu-Pt系合金。
4. 如請求項1~3中任一項之電氣接點用之護套材料，其中Cu系的析出型時效硬化材係Cu-Ni-Si系合金、Cu-Ni-Si-Mg系合金、Cu-Be系合金、Cu-Fe系合金、Cu-Fe-Ni系合金、Cu-Sn-Cr-Zn系合金、Cu-Cr-Mg系合金。
5. 一種電氣接點用之護套材料之製造方法，其係如請求項1~4中任一項之電氣接點用之護套材料之製造方法，包含：進行時效處理，製造由Cu系析出型時效硬化材所構成之時效硬化完畢的基材，接合時效硬化完畢的基材與接點材料，製造粗護套材料之步驟，以前述基材的再結晶溫度為基準，在-200℃以上-100℃以下之範圍內退火熱處理前述粗護套材料之步驟，與加工熱處理後的前述粗護套材料之步驟。