JP6514318B2 - 電気接続部材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文による銅−亜鉛合金を含む、電気接続部材に関する。

安全性、快適性および性能のための多くの新しい自動車用アプリケーションは、電子機能および電子部品の適切な使用によってのみ実現される。コネクタおよびそれに使用する材料に対する要求が高まることにより、近年、高性能銅合金へ向かう傾向が見られる。これらの析出硬化性銅材料は、高い機械的強度、高い伝導性および良好な変形性に優れている。Ｃｕ高性能合金の第一世代、例えば２０ＭＳ／ｍを少し超える導電率を有するＣｕＮｉ３ＳｉＭｇ、から始まって、高い強度と高い伝導率という特性の組み合わせをさらに最適化しなくてはならなかった。

この方向への一歩は、まず、例えば４６ＭＳ／ｍと６１０ＭＰａまでの強度を有するＣｕＣｒＡｇＦｅＴｉＳｉ系に基づく、析出硬化型銅合金を開発することであった。この合金の別の主要な利点は、２００℃までの高い温度で使用中の材料の耐応力緩和特性が大変良好だということである。この合金型により、自動車、産業エレクトロニクスおよび電気通信の分野での用途をカバーすることができる。

さらに、最大３μｍの粒度を有する微細な組織構造に優れている青銅材料が使用される。これにより、すでに基本的に高い機械的強度が、大きく改善された成形特性と同時に得られる。明らかに改善された成形性の結果、加工者は、それに対応して狭い曲げ半径を実現することができる。同様に、改善された可撓性によって、成形領域内の粗さが標準青銅を使用した場合よりもはるかに小さくなる。したがって、後に続く被膜をより薄い膜厚で実施することができ、それにより、後加工の際に大幅な費用削減が達成できる。導電率は標準青銅と同じであり、約７．５から１２ＭＳ／ｍである。

Ｎｉ−Ｃｏ混合珪化物を有する他の析出硬化型ＣｕＮｉ１ＣｏＳｉ合金は、同様に、コネクタを効率的に小型化するのに非常に適している。この材料は、強度が高く、２９ＭＳ／ｍという比較的良好な導電率と熱伝導性を有し、加工しやすい。

これらの記載された材料は、とりわけ、自動プレス加工機／曲げ機械での加工に適しているが、大きな費用を伴ってしか切削加工することができない。

切削によって製造されるコネクタ用ソケットおよびピンに非常に適している棒形状および針金形状の他の銅材料も、ＣｕＺｎ３７Ｐｂ０．５、ＣｕＺｎ３５Ｐｂ１、ＣｕＺｎ３５Ｐｂ２、ＣｕＺｎ３７Ｐｂ２、ＣｕＺｎ３６Ｐｂ３およびＣｕＺｎ３９Ｐｂ３の合金を有する安価な黄銅材料の材料構成において公知であり、これらは、丸形コネクタの製造において要求が高い用途に使用される。

これらの場合、技術的な要求により、高い導電率、高い機械的強度ならびにこれら両特性を組み合わせて有する材料が使用される。したがって、ＣｕＰｂ１Ｐも、同時に約５０ＭＳ／ｍの高い導電率を有する、他の１つの切削加工しやすい自動機械用材料である。これは、コネクタおよび他の電子的な用途に特に適している。

前記固溶体硬化型合金に加えて、他の析出硬化型材料により合金範囲は完成する。これには、例えば、高い強度、少なくとも３２ＭＳ／ｍの良好な伝導率ならびに良好な切削加工性を有する低合金銅材料としてのＣｕＮｉ１Ｐｂ１ＰおよびＣｕＮｉＰｂ０．５Ｐが属している。この材料は、そのＰｂ含分により、電気工学および電子工学において切削加工により製造されるコンセントに特に適している。

スズ含分、亜鉛含分および鉛含分がそれぞれ４％である多成分スズ青銅ＣｕＳｎ４Ｚｎ４Ｐｂ４Ｐでも、相応のばね特性を伴った高い強度を設定することができる。このスズ青銅は、冷間加工しやすく、素晴らしく切削加工できる。特別な使用分野は、弾性のある電子接触子である。

合金開発に際して、その間常に考慮しなくてはならないのは、様々な環境規定と物質制限である。そのために、コネクタに適した特性の組み合わせに優れた、代わりのまたは追加の合金については別の開発可能性が生じる。その際、物性の他に、とりわけ、良好な加工性が重要な役を演じる。

本発明は、鉛が少ない、もしくは鉛を含まない銅合金からなる電気接続部材を発展させることである。

本発明は、請求項１に記載の特徴により示される。他の従属請求項は、本発明の好適な形態および発展形態を示している。

本発明は、銅−亜鉛合金を含む電気接続部材の構造についての技術的教示を包含する。この銅−亜鉛合金は、（重量％で）
Ｚｎ ２８．０から３６．０％、
Ｓｉ ０．５から１．５％、
Ｍｎ １．５から２．５％、
Ｎｉ ０．２から１．０％、
Ａｌ ０．５から１．５％、
Ｆｅ ０．１から１．０％、
任意でさらに、Ｐｂ 最大０．１％まで、
任意でさらに、Ｐ 最大０．１％まで、
任意でさらに、Ｓ ０．０８％まで、
残部Ｃｕおよび不可避な不純物
からなる。
本発明によれば、マトリックス中に、鉄−ニッケル−マンガン含有混合珪化物が介在している。構造はαマトリックスからなっており、その中に、５から４５体積％までのβ相ならびに２０体積％までの鉄−ニッケル−マンガン含有混合珪化物の介在物が含まれている。さらに、前記構造中に、柱状形を有する前記鉄−ニッケル−マンガン含有混合珪化物ならびに球状形態を有する鉄−ニッケル富化混合珪化物が存在する。

驚くべきことに、本発明による合金組成が電気接続部材に適していることが明らかになった。従来、このような合金の使用は、本出願人の独国特許出願公開公報第１０２００７０２９９９１号によれば、内燃機関、変速装置または油圧ユニットにおける摺動部材の用途のためにのみ予定されていた。この公開公報の内容は、全面的に本明細書に含まれている。このような異なる用途により、特別な使用目的のために最適化された特性の組み合わせの他の目的が追求される。エンジンでの適用に関しては、十分な靭性特性と同時に、強度、構造の温度安定性および複合的な耐摩耗性を高めることからなる特性の組み合わせである。

それに対して、本発明は、特に連続または半連続の連続鋳造法によって製造することができる、鉄−ニッケル−マンガン含有混合珪化物が介在した銅−亜鉛合金を含む電気接続部材を提供するという考察から出発している。混合珪化物の形成および構造の形成により、前記銅−亜鉛合金は、この材料群では大変高い導電率を有する。

また、前記合金は高い硬度値と強度値を有しているにも関わらず、引張試験における破断伸び値により表される延性は必要な程度に保証されている。この特性の組み合わせにより、本発明の対象が、例えば丸形コネクタ、プラグ装置、電気端子、また任意にはこれらで螺子継手を有するもののような、電気接続部材として特に適していると証明される。

合金の鋳造で先行する製造工程では、まず、鉄とニッケルを多く含む混合珪化物の初期析出が行なわれる。これらの析出物はさらに成長して、しばしば柱状形の、かなりの大きさを有する鉄−ニッケル−マンガン含有混合珪化物を形成することができる。さらにまた、かなりの割合が鉄−ニッケル富化混合珪化物として、むしろ小さく球状形態で残り、マトリックス中で微細に分散して存在する。この微細に分散した珪化物は、β相を安定化させる根拠とみなされる。特に、合金は冷間加工の際に高い延性を有する。このことは、電気接続部材において、通常は材料が強く塑性変形させられる圧着の場合に、特に重要である。したがって、材料中に亀裂が生じることなく、ほぼ任意の変形度の下にフランジング、圧着または折り曲げ加工が可能である。

特に、前記材料は、切削加工により製造される電気接続部材にも適している。良好な切削加工性は、すでに、５体積％のβ相により得られる。より高い含有量に関しては、β相が４５体積％までは、望ましいことに短い切削片を形成することにより、切削加工過程での切削片形成も改善する。５体積％より小さいβ相含分では、切削加工率を高くするための自動機械用材料として使用する際の切削加工性は、もはや満足できるものではない。４５体積％を超えるβ相含有量では、材料の靭性および構造の温度安定性が悪化することが明らかである。それぞれの製造方法からの合金の最終状態は、αマトリックスからなる構造中に島状に介在するβ相になる。β相からなるこのような島々は、合金の切削加工性と耐食性にとって特に有利である。

しかし、切削加工された表面の特に高い表面品質は、特に１０から２５体積％のβ相含分により得られる。前記の５から４５体積％のβ相の体積範囲でも、比較的少ない工具摩耗しか生じないので、工具がそれに応じて長い寿命を有し、それによって工具費が削減される。鉄−ニッケル−マンガン含有混合珪化物の含分が２０体積％を超えると硬度の上昇が大きくなるので、材料が、有利な特性の組み合わせのバランスを損なうことになる。

材料の耐応力緩和特性もまた、特に強調すべきであり、これにより、電気接続部材の弾性が維持されたままになる。

したがって、本発明による合金の特別な利点は、十分な靭性特性と同時に、強度、構造の温度安定性および導電性を高めるという形での、使用目的に最適化された特性の組み合わせに基づいている。

さらに、本特許請求された材料の解決手段では、慣用の合金に対して置き換えられた鉛含有量に基づき、環境に優しい鉛不含の代替合金の必要性が考慮されている。その上、この材料は、硬度と強度が高く要求されているにも関わらず必要な程度の可塑性が重要とされている特別な用途に使用されることが予定されている。

本発明の好適な実施様態では、前記銅−亜鉛合金は、
Ｚｎ ３０．０から３６．０％、
Ｓｉ ０．６から１．１％、
Ｍｎ １．５から２．２％、
Ｎｉ ０．２から０．７％、
Ａｌ ０．５から１．０％、
Ｆｅ ０．３から０．５％
を含んでいてよい。
限界値がより狭い範囲になることにより、特に好適な合金組成が選択される。これにより、靭性特性および導電性が、場合により応力除去焼鈍で終えることにより、さらに一層改善される。有利には、終わりの応力除去焼鈍は、３００℃から４００℃で３から４時間に亘って行なわれる。

本発明の別の好適な実施様態では、銅−亜鉛合金はＺｎ３３．５から３６．０％を含有してよい。このように亜鉛含有量がさらに多くても、依然として、電気接続部材に必要な靭性特性と良好な導電性は実現される。亜鉛含有量を出来るだけ大きくすることにより、他の元素の含分、特に銅含分は、それに応じて削減される。その結果、この合金では、安価な亜鉛の含分を大きくすることにより、それに応じて低い金属価格になる。

好適には、前記合金の導電率は少なくとも５．８ＭＳ／ｍでよい。特に有利な導電率は少なくとも１０ＭＳ／ｍから、１３ＭＳ／ｍを超えるまでである。これらの値は、例えば鉛含有黄銅のような比較可能な材料によっては得られない。１３ＭＳ／ｍを超える値でさえ、適切な後処理工程により設定することができる。

好適には、５から４５体積％までのβ相ならびに２０体積％までの鉄−ニッケル−マンガン含有混合珪化物の介在物が含まれているαマトリックスからなる構造が、少なくとも１つの熱間加工工程および／または冷間加工工程および任意で他の焼鈍工程を含む後加工の後に形成されていてよい。αマトリックス中の異なるサイズ分布のβ介在物と硬質相により、この合金では、接続部材を製造するのに十分な靭性特性と共に、構造の好適な温度安定性が保証されている。

後加工のために、前記合金は、好適にはその後加工の際に以下の工程を経ていてよい：
−６００から８００℃までの温度範囲での押出成形または熱間圧延工程、
−少なくとも１つの冷間加工工程、有利には延伸または冷間圧延工程。

また、本発明の有利な実施様態では、前記合金は、その後加工の際に以下の工程を経ていてよい：
−６００から８００℃までの温度範囲での押出成形または熱間圧延工程、
−少なくとも１つの冷間加工工程、有利には延伸または冷間圧延工程、と、少なくとも1つの２５０から７００℃までの温度範囲での、有利には２０分から５時間の焼鈍時間の、焼鈍工程とを組み合わせた工程。延伸による冷間加工工程と、１つ又は複数の、２５０から７００℃までの温度範囲での丸形線材、異形線材、丸形棒材、異形棒材、中空棒材および管材の形状をした原材料の焼鈍工程とを組み合わせることにより、不均一系構造の微細な分布を生じることができる。このようにして、導電性の改善に対する要求がかなえられる。

β相含分の量および分布と、構造の温度安定性との関連も、特に興味深いものである。しかし、この体心立方結晶型が、前記銅−亜鉛合金中で必要不可欠な強度上昇機能を担っているので、β含有量の最小化が専ら関心の的となることはなかった。押出成形または熱間圧延／延伸または冷間圧延／中間焼鈍の製造順序により、高い強度に加えて、さらに十分な温度安定性、延性および良好な導電性を有するように、銅−亜鉛合金の構造をその位相分布において変性することができる。

有利な実施様態では、前記後加工において、成形加工の後に、少なくとも1つの、２５０から４５０℃までの温度範囲かつ有利には２から５時間の焼鈍時間での応力除去焼鈍工程が続くことができる。

製造過程において、１つ又は複数の応力除去焼鈍工程によって内部応力の高さを減少させる必要性がある。内部応力の低下は、構造の十分な温度安定性を保証し、かつ電気接続部材の前身製品としての丸形線材、異形線材、丸形棒材、異形棒材、中空棒材および管材の十分な真直性を確実にするためにも重要である。

本発明の他の実施例を、表により詳しく説明する。これは、検査によれば、最も良好であるとみなされた実施様態である。しかし、これとは異なる他の実施様態も、本発明の枠内では、同様に、本発明の利点を得るのに適している。

本発明による銅−亜鉛合金の鋳造ボルトを、連続鋳造もしくは金型鋳造により製造した。合金１の連続鋳造品の化学組成および合金２と３の金型鋳造品の化学組成は、表１から読み取れる。

製造順序１：
・ 合金１からなる鋳造ボルトを、６７０〜７７０℃の温度で押出成形して管材にする
・ 冷間加工／中間焼鈍（６３０〜７００℃／５０分〜3時間）／調整／応力除去焼鈍（３００〜４００℃／3時間）の組み合わせ

製造を終了した後、（３０．１×２４．７）ｍｍの寸法を有する前記管材の構造特性値、導電率および機械的特性は、表２の数値に示されている水準にある。

製造順序２：
・ 合金１からなる鋳造ボルトを、６５０〜７５０℃の温度で押出成形して丸形棒材にする
・ 冷間加工／焼鈍（６３０〜７２０℃／５０分〜４時間）／調整／応力除去焼鈍（３００〜４５０℃／２〜４時間）の組み合わせ

製造を終了した後、１３．４０ｍｍ、１６．３５ｍｍおよび４５．５０ｍｍの直径を有する前記丸形棒材の構造特性値、導電率および機械的特性は、表３の数値に示されている水準にある。

製造順序３：
・ 合金2と３からなる鋳造ブロックを、６５０〜７３０℃の温度で熱間圧延して圧延板にする
・ １５から２５％の変形度で前記板を冷間圧延する
場合により応力除去焼鈍（３００〜４５０℃／２〜４時間）を伴う
それぞれの工程の間に追加で、場合によりさらに表面をフライス加工する

製造順序４：
・ 合金2と３からなる鋳造ブロックを、６５０〜７３０℃の温度で熱間圧延して圧延板にする
・ 焼鈍（６５０℃／3時間）と、場合により応力除去焼鈍（３００〜４５０℃／２〜４時間）を伴った、１５から２５％の変形度での前記板の冷間圧延とを組み合わせる
それぞれの工程の間に追加で、場合によりさらに表面をフライス加工する

製造順序５：
・ 合金2と３からなる鋳造ブロックを、６５０〜７３０℃の温度で熱間圧延して圧延板にする
・ １５から６５％の変形度での前記板の冷間圧延／焼鈍（６３０〜７２０℃／５０分〜4時間）を組み合わせる
それぞれの工程の間に追加で、場合によりさらに表面をフライス加工する

特に、導電率についての特性値は、製造順序５により製造された合金２および３の形式においては、追加で実施された２５０から４５０℃の温度での応力除去焼鈍によりさらに高めることができる。

前記実施例に関して強調すべきは、５つの製造順序全てにおいて、β含有量は５〜２０％にあるということである。他の検査では、有利にはβ含有量は５〜３０％であることが示されている。製造の最終状態で島状の、αマトリックスからなる構造中に介在するβ相の形成は、この場合やや異なる形で現れるかもしれない。β相の含有量が一層少なくなれば、むしろ互いに孤立する島々が生じ、それらが、極端な場合には、αマトリックスの結晶子に対して一種の充填物を形成するかもしれない。

Claims (10)

1. （重量％で）
   Ｚｎ ２８．０から３６．０％、
   Ｓｉ ０．５から１．５％、
   Ｍｎ １．５から２．５％、
   Ｎｉ ０．２から１．０％、
   Ａｌ ０．５から１．５％、
   Ｆｅ ０．１から１．０％、
   任意でさらに、Ｐｂ 最大０．１％まで、
   任意でさらに、Ｐ 最大０．１％まで、
   任意でさらに、Ｓ ０．０８％まで、
   残部Ｃｕおよび不可避な不純物
   からなる銅−亜鉛合金を含む、電気接続部材において、
   −マトリックス中に、鉄−ニッケル−マンガン含有混合珪化物が介在しており、
   −構造がαマトリックスからなっており、その中に、５から４５体積％までのβ相ならびに２０体積％までの鉄−ニッケル−マンガン含有混合珪化物の介在物が含まれており、
   −前記構造中に、柱状形を有する前記鉄−ニッケル−マンガン含有混合珪化物ならびに球状形態を有する鉄−ニッケル富化混合珪化物が存在する
   ことを特徴とする、電気接続部材。
2. 以下を特徴とする、請求項１に記載の電気接続部材：
   Ｚｎ ３０．０から３６．０％、
   Ｓｉ ０．６から１．１％、
   Ｍｎ １．５から２．２％、
   Ｎｉ ０．２から０．７％、
   Ａｌ ０．５から１．０％、
   Ｆｅ ０．３から０．５％。
3. 以下を特徴とする、請求項２に記載の電気接続部材：
   Ｚｎ ３３．５から３６．０％。
4. 前記合金の導電率が、少なくとも５．８ＭＳ／ｍ以上であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の電気接続部材。
5. 前記合金の導電率が、少なくとも１０ＭＳ／ｍ以上であることを特徴とする、請求項４に記載の電気接続部材。
6. 前記合金の導電率が、少なくとも１３ＭＳ／ｍ以上であることを特徴とする、請求項５に記載の電気接続部材。
7. ５から４５体積％までのβ相ならびに２０体積％までの鉄−ニッケル−マンガン含有混合珪化物の介在物が含まれているαマトリックスからなる構造が、少なくとも１つの熱間加工工程および／または冷間加工工程および任意で他の焼鈍工程を含む後加工の後に形成されていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の銅−亜鉛合金を含む電気接続部材の製造方法。
8. 前記合金は、その後加工の際に以下の工程を経たことを特徴とする、請求項７に記載の銅−亜鉛合金を含む電気接続部材の製造方法：
   −６００から８００℃までの温度範囲での押出成形または熱間圧延工程、
   −少なくとも１つの冷間加工工程。
9. 前記合金は、その後加工の際に以下の工程を経たことを特徴とする、請求項７に記載の銅−亜鉛合金を含む電気接続部材の製造方法：
   −６００から８００℃までの温度範囲での押出成形または熱間圧延工程、
   −少なくとも１つの冷間加工工程と、少なくとも1つの２５０から７００℃までの温度範囲での焼鈍工程とを組み合わせた工程。
10. 前記後加工において、成形加工の後に、少なくとも1つの２５０から４５０℃までの温度範囲での応力除去焼鈍工程が続くことを特徴とする、請求項８または９に記載の銅−亜鉛合金を含む電気接続部材の製造方法。