JP7794885B2 - contact material - Google Patents
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Description
本開示は接点材料に関する。 This disclosure relates to contact materials.
CO2排出規制の強化に伴い、化石燃料への依存度が低い電気自動車(EV)およびプラグインハイブリッド自動車(PHEV)の増加が予想されている。これらの自動車は、日常的にバッテリーへの充電を必要とするため、外部電源と自動車を接続する接点端子材料においては、従来自動車に用いられているものに比べても大幅に多い回数の挿抜を想定する必要がある。また、上記の充電作業を短時間化するためには大電流の通電を要する。接点における発熱損失を極小化するためには、表面接触抵抗の低い表面処理を車体側・電源側の両接点に施すことが必要である。本分野においては導電性の高い(低接触抵抗の)銀(Ag)めっきが適用されることが多いが、一般的にAgめっき膜の硬度は低いうえ、Ag同士の摺動時に「焼き付き」を生じ易いことから、繰り返しの挿抜(摺動)を実施した際に摩耗が容易に進行することが課題となる。 As CO2 emissions regulations become stricter, the number of electric vehicles (EVs) and plug-in hybrid vehicles (PHEVs), which are less dependent on fossil fuels, is expected to increase. Because these vehicles require daily battery charging, the contact terminal materials connecting the vehicle to an external power source must be designed to withstand significantly more frequent insertion and removal than those used in conventional vehicles. Furthermore, shortening the charging process requires the passage of a large current. To minimize heat loss at the contacts, surface treatments with low surface contact resistance are required on both the vehicle body and power source sides. In this field, highly conductive (low contact resistance) silver (Ag) plating is often used. However, Ag plating generally has low hardness and is prone to "seizing" when sliding between Ag plates, resulting in wear that progresses easily during repeated insertion and removal (sliding).
このため、現行の電気自動車用充電端子には、挿抜(摺動)の繰り返しに伴う摩耗が発生しても、素地が露出することを防ぐために、接点材料に施される一般的なAgめっき膜(厚さが数μm)に比べて著しく厚いAgめっき膜(厚さが数十μm)の形成が必要となる。これは、端子部材に必要なAg量の増加を意味し、材料費の上昇を招く。また、電気めっき法によって厚いAgめっき膜を形成するためには長時間の通電めっき処理を必要とすることから、著しい生産性の悪化を招くという課題も有している。 For this reason, current electric vehicle charging terminals require the formation of a significantly thicker Ag plating film (tens of microns thick) than the typical Ag plating film (several microns thick) applied to contact materials to prevent the base material from being exposed even when wear occurs due to repeated insertion and removal (sliding). This increases the amount of Ag required for the terminal material, resulting in higher material costs. Furthermore, forming a thick Ag plating film using electroplating requires a long electroplating process, which also poses the issue of significantly reducing productivity.
このような問題に対し、摩耗抑制効果を有する非導電性有機化合物の粒子をAgめっき層に含有させた「粒子共析Agめっき膜」が有効であることが知られている(例えば、特許文献1、2)。 To address these issues, it is known that a "particle eutectoid Ag plating film," in which particles of a non-conductive organic compound with wear-suppressing effects are incorporated into the Ag plating layer, is effective (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
粒子共析Agめっき膜を施した材料に、曲げ・打ち抜きなどの加工を行うと、当該めっき膜に割れ(クラック)が発生しやすくなる。これは、粒子共析Agめっき膜中の粒子-めっき界面がクラックの発生起点となり易いことが、主な理由である。
接点材料に設けられためっき膜にクラックが発生した場合、接点材料の機能面に対する悪影響は少ないものの、目視外観が悪化する問題がある。特に、粗大なクラックが多数発生すると外観が著しく悪化して、ユーザーから忌避されるため、粗大なクラックの発生を抑制することが望まれる。
When a material coated with a particle-eutectoid Ag plating film is subjected to processing such as bending or punching, the plating film is prone to cracking. The main reason for this is that the particle-plating interface in the particle-eutectoid Ag plating film is likely to become the starting point for cracks.
When cracks occur in the plating film provided on the contact material, they have little adverse effect on the functionality of the contact material, but they can cause a problem of poor visual appearance. In particular, when many large cracks occur, the appearance deteriorates significantly, which makes users dislike the product, so it is desirable to suppress the occurrence of large cracks.
特開2020-128575号公報(特許文献3)には、耐摩耗性、耐熱性および耐割れ性を向上できるコネクタ用端子材(接点材料)として、基材の表面の少なくとも一部に被覆された銀層と、銀層の少なくとも一部に被覆された銀白金合金層とを備えたコネクタ用端子材が開示されている。銀層と銀白金合金層とを反応させてAg3Pt金属間化合物を形成することで、耐摩耗性と耐熱性を向上し、Ag3Pt金属間化合物の膜厚を0.04μm以上1.9μm以下と薄くすることで耐割れ性を向上している。
しかしながら、特許文献3で使用される白金は高価であるため、接点材料のコストが増加する問題がある。
Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2020-128575 (Patent Document 3) discloses a connector terminal material (contact material) that can improve wear resistance, heat resistance, and crack resistance, which includes a silver layer coated on at least a portion of the surface of a substrate and a silver-platinum alloy layer coated on at least a portion of the silver layer. The silver layer and the silver-platinum alloy layer are reacted to form an Ag3Pt intermetallic compound, thereby improving wear resistance and heat resistance, and the film thickness of the Ag3Pt intermetallic compound is reduced to 0.04 μm or more and 1.9 μm or less, thereby improving crack resistance.
However, since the platinum used in Patent Document 3 is expensive, there is a problem in that the cost of the contact material increases.
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的の1つは、製造コストを抑制しつつ、粗大なクラックの発生を抑制でき、かつ十分な耐摩耗性を有する接点材料を提供することである。 The present invention was made in light of these circumstances, and one of its objectives is to provide a contact material that can suppress the occurrence of large cracks while keeping manufacturing costs down and that has sufficient wear resistance.
本発明の態様1は、
導電性基材と、
該導電性基材の表面の少なくとも一部を覆う銀層と、
該銀層の表面の少なくとも一部を覆う粒子含有金属層と、を含み、
前記銀層は1.0μm以上の厚さを有し、
前記粒子含有金属層は、金属材料からなる母相と、該母相に分散された粒子とを含む、接点材料である。
Aspect 1 of the present invention is
A conductive substrate;
a silver layer covering at least a portion of the surface of the conductive substrate;
a particle-containing metal layer covering at least a portion of the surface of the silver layer;
the silver layer has a thickness of 1.0 μm or more,
The particle-containing metal layer is a contact material that includes a matrix made of a metal material and particles dispersed in the matrix.
本発明の態様2は、
前記銀層は、銀含有率が50質量%以上100質量%以下である、態様1に記載の接点材料である。
Aspect 2 of the present invention is
In the contact material according to aspect 1, the silver layer has a silver content of 50% by mass or more and 100% by mass or less.
本発明の態様3は、
前記銀層と前記粒子含有金属層との合計厚さに対する、前記銀層の厚さは、10~60%である、態様1または2に記載の接点材料である。
Aspect 3 of the present invention is
A contact material according to aspect 1 or 2, wherein the thickness of the silver layer is 10 to 60% of the total thickness of the silver layer and the particle-containing metal layer.
本発明の態様4は、
前記粒子は非導電性粒子を含む、態様1~3のいずれか1つに記載の接点材料である。
Aspect 4 of the present invention is
Aspect 4. The contact material according to any one of aspects 1 to 3, wherein the particles include non-conductive particles.
本発明の態様5は、
前記非導電性粒子は、単位分子構造内に、フルオロ基(-F)、メチル基(-CH3)、カルボニル基(-C(=O)-)、アミノ基(-NR1R2であって、R1およびR2は水素または炭化水素基であり、R1およびR2は同じでも異なっていてもよい)、ヒドロキシ基(-OH)、エーテル結合(-O-)およびエステル結合(-C(=O)-O-)からなる群から選択されるいずれか1つ以上を含む非導電性有機化合物からなる粒子である、態様4に記載の接点材料である。
Aspect 5 of the present invention is
A contact material according to Aspect 4 is a particle made of a non-conductive organic compound containing, in its unit molecular structure, one or more selected from the group consisting of a fluoro group (-F), a methyl group (-CH 3 ), a carbonyl group (-C(=O)-), an amino group (-NR 1 R 2 , where R 1 and R 2 are hydrogen or a hydrocarbon group, and R 1 and R 2 may be the same or different), a hydroxy group (-OH), an ether bond (-O-), and an ester bond (-C(=O)-O-).
本発明の態様6は、
前記母相は、銀および銀合金からなる群から選択された1種以上を含む、態様1~5のいずれか1つに記載の接点材料である。
Aspect 6 of the present invention is
Aspect 6 is the contact material according to any one of Aspects 1 to 5, wherein the matrix phase contains at least one selected from the group consisting of silver and silver alloys.
本発明の態様7は、
前記粒子含有金属層が下記式(1)を満たす、態様1~6のいずれか1つに記載の接点材料である。
2.0≦Ap/(Ap+AAg)×100≦12.0 ・・・(1)
式(1)において、Apは、前記接点材料の厚さ方向の断面において、前記粒子のうち、前記母相に埋没した部分の面積であり、AAgは前記接点材料の厚さ方向の断面における前記母相の面積である。
Aspect 7 of the present invention is
7. The contact material according to any one of Aspects 1 to 6, wherein the particle-containing metal layer satisfies the following formula (1):
2.0≦A p /(A p +A Ag )×100≦12.0 (1)
In formula (1), A p is the area of the part of the particle buried in the matrix in the cross section of the contact material in the thickness direction, and A Ag is the area of the matrix in the cross section of the contact material in the thickness direction.
本発明の実施形態によれば、製造コストを抑制しつつ、粗大なクラックの発生を抑制でき、かつ十分な耐摩耗性を有する接点材料を提供することが可能である。 Embodiments of the present invention make it possible to provide a contact material that suppresses the occurrence of large cracks while keeping manufacturing costs down and that has sufficient wear resistance.
図1および図2は、本発明の実施形態に係る接点材料1、11の厚さ方向の断面における模式断面図である。接点材料1、11は、導電性基材4と、導電性基材4の表面4aの少なくとも一部を覆う銀層3と、銀層3の表面3aの少なくとも一部を覆う粒子含有金属層2と、を含む。粒子含有金属層2は、金属材料からなる母相2aと、母相2aに分散された粒子2bとを含み、銀層3は、実質的に粒子2bを含まない。 1 and 2 are schematic cross-sectional views in the thickness direction of contact materials 1 and 11 according to embodiments of the present invention. Contact materials 1 and 11 include a conductive substrate 4, a silver layer 3 covering at least a portion of the surface 4a of the conductive substrate 4, and a particle-containing metal layer 2 covering at least a portion of the surface 3a of the silver layer 3. The particle-containing metal layer 2 includes a matrix 2a made of a metal material and particles 2b dispersed in the matrix 2a, and the silver layer 3 is substantially free of particles 2b.
粒子含有金属層2は、金属材料からなる母相2aに粒子2bが分散されていることにより、粒子2bを含まない金属層に比べて耐摩耗性が高い。つまり、接点材料1、11は、粒子含有金属層2を備えていることにより、良好な耐摩耗性を備えることができる。また、粒子含有金属層2は、金属材料の母相2aを含むことから、どのような粒子2b(例えば導電性、非導電性、無機材料、有機材料等からなる粒子2b)を分散させたとしても、粒子含有金属層2全体として、導電性を有する。 The particle-containing metal layer 2 has particles 2b dispersed in a matrix 2a made of a metal material, and therefore has higher wear resistance than a metal layer that does not contain particles 2b. In other words, the contact materials 1, 11 are provided with good wear resistance by having a particle-containing metal layer 2. Furthermore, because the particle-containing metal layer 2 contains a matrix 2a made of a metal material, the particle-containing metal layer 2 as a whole is conductive regardless of the type of particles 2b dispersed therein (e.g., particles 2b made of conductive, non-conductive, inorganic, or organic materials, etc.).
銀層3は、導電性基材4と粒子含有金属層2との間に位置している。銀層3は、銀を主成分とする金属層であり、展延性に優れている。また、銀層3は、実質的に粒子2bを含んでいない。そのため、銀層3の内部でクラックが発生しにくく、かつクラックが発生しても成長しにくい、という特徴(耐クラック性)を有している。なお、銀層3は、耐クラック性を損なわない範囲で、少量の粒子2bを含んでいてもよい。例えば、銀層3全体(粒子2bを含む)に対して、粒子2bの含有量が1体積%以下であれば、耐クラック性を実質的に悪化させることなく、耐摩耗性を僅かに向上し得る。 The silver layer 3 is located between the conductive substrate 4 and the particle-containing metal layer 2. The silver layer 3 is a metal layer whose main component is silver and has excellent ductility. Furthermore, the silver layer 3 is substantially free of particles 2b. Therefore, the silver layer 3 is characterized by the fact that cracks are unlikely to occur within the silver layer 3, and even if cracks do occur, they are unlikely to grow (crack resistance). The silver layer 3 may contain a small amount of particles 2b, as long as the crack resistance is not impaired. For example, if the content of particles 2b is 1% by volume or less relative to the entire silver layer 3 (including particles 2b), abrasion resistance can be slightly improved without substantially deteriorating crack resistance.
接点材料1、11の加工等によって、粒子含有金属層2に引張応力がかかったとき、粒子含有金属層2の内部に分散された粒子2bを起点として、粒子含有金属層2にクラックが発生することがある。このクラックは、引張応力によってさらに成長する。クラックの成長とは、クラック幅が広くなり、かつクラックが深さ方向に伸展することを指す。成長したクラックは、粒子含有金属層2の表面側から観察すると、幅の広いクラック(これを「粗大なクラック」と称する)として確認され、また、接点材料1、11の厚さ方向の断面において観察すると、粒子含有金属層2の表面側におけるクラック幅が広く、そこから導電性基材4方向(深さ方向)に長く伸びたクラックとして確認される。 When tensile stress is applied to the particle-containing metal layer 2 due to processing of the contact materials 1, 11, etc., cracks may occur in the particle-containing metal layer 2, originating from particles 2b dispersed within the particle-containing metal layer 2. These cracks grow further due to the tensile stress. Crack growth refers to the crack widening and extending in the depth direction. When observed from the surface side of the particle-containing metal layer 2, grown cracks appear as wide cracks (referred to as "coarse cracks"). Furthermore, when observed in a cross section through the thickness of the contact materials 1, 11, they appear as wide cracks on the surface side of the particle-containing metal layer 2 that extend long from there toward the conductive substrate 4 (depth direction).
粒子含有金属層2で発生したクラックがさらに成長すると、銀層3を横切って、導電性基材4まで到達しようとする。しかしながら、銀層3は耐クラック性を有するため、深さ方向に伸びるクラックを、銀層3で止めることができる。深さ方向へのクラックの延伸が止まる(つまり、クラックの成長が止まる)と、クラック幅が広がることも止まる。このように、導電性基材4と粒子含有金属層2との間に銀層3を設けることにより、粒子含有金属層2に発生したクラックの成長を止めることができるため、粒子含有金属層2に粗大なクラックが発生することを抑制できる。 If a crack that has occurred in the particle-containing metal layer 2 continues to grow, it will attempt to cross the silver layer 3 and reach the conductive substrate 4. However, because the silver layer 3 is crack-resistant, it can stop the crack from extending in the depth direction. When the extension of the crack in the depth direction (i.e., the growth of the crack) stops, the crack width also stops expanding. In this way, by providing the silver layer 3 between the conductive substrate 4 and the particle-containing metal layer 2, the growth of the crack that has occurred in the particle-containing metal layer 2 can be stopped, thereby preventing the occurrence of large cracks in the particle-containing metal layer 2.
このように、実施形態に係る接点材料1、11では、導電性基材4の表面に、銀層3と粒子含有金属層2とをこの順に積層することにより、接点材料1、11の表面側に存在する粒子含有金属層2によって耐摩耗性を向上でき、また、粒子含有金属層2と導電性基材4との間に位置する銀層3によって、粒子含有金属層2に粗大なクラックが発生することを抑制できる。実施形態に係る接点材料1、11は、引用文献3とは異なり、白金の使用を必要としないため、製造コストを抑制することができる。 In this way, in contact materials 1 and 11 according to the embodiments, by laminating the silver layer 3 and particle-containing metal layer 2 in this order on the surface of the conductive substrate 4, the particle-containing metal layer 2 present on the surface side of contact materials 1 and 11 can improve wear resistance, and the silver layer 3 located between the particle-containing metal layer 2 and the conductive substrate 4 can prevent the occurrence of large cracks in the particle-containing metal layer 2. Unlike Cited Document 3, contact materials 1 and 11 according to the embodiments do not require the use of platinum, thereby reducing manufacturing costs.
なお、引用文献3にも、基材と銀白金合金層との間に銀層を備えることが開示されているが、この銀層は、Ag3Ptの金属間化合物を形成する際の銀源として設けられており、銀層によってクラックを抑制する意図で設けられたものではない。 Although Patent Document 3 also discloses that a silver layer is provided between the substrate and the silver-platinum alloy layer, this silver layer is provided as a silver source for forming an Ag 3 Pt intermetallic compound, and is not provided with the intention of suppressing cracks by the silver layer.
実施形態に係る接点材料1、11の銀層3は、銀を主成分とする金属材料、例えば純銀、銀合金などから形成される。つまり、銀層3に含まれる銀含有率は50質量%以上100質量%以下であり、好ましくは90質量%以上100質量%以下、より好ましくは99質量%以上100質量%以下である。銀層3に含まれる銀含有率を高くすることにより、より展延性に優れた(つまり、耐クラック性に優れた)銀層3を形成でき、これにより、粒子含有金属層2に粗大なクラックが発生することを、より効果的に抑制できる。 The silver layer 3 of the contact materials 1 and 11 according to the embodiments is formed from a metal material containing silver as a primary component, such as pure silver or a silver alloy. In other words, the silver content in the silver layer 3 is 50% by mass or more and 100% by mass or less, preferably 90% by mass or more and 100% by mass or less, and more preferably 99% by mass or more and 100% by mass or less. By increasing the silver content in the silver layer 3, a silver layer 3 with better ductility (i.e., better crack resistance) can be formed, which more effectively prevents the occurrence of large cracks in the particle-containing metal layer 2.
銀層3の厚さ3tと粒子含有金属層2の厚さ2tとの比率は、接点材料1、11の耐摩耗性と、粗大クラックの発生抑制効果とに影響を及ぼし得る。そのため、適切な厚さの比率に制御することが好ましい。
特に、銀層3と粒子含有金属層2との合計厚さ(3t+2t)に対する、銀層3の厚さ3tの比率(これを「銀層3の厚さ比率」と称する)は、10~60%であることが好ましい。銀層3の厚さ比率が10%以上であることにより、粒子含有金属層2に粗大なクラックが発生することをより効果的に抑制することができる。銀層3の厚さ比率が60%以下であることにより、粒子含有金属層2の厚さ2tを十分に確保することができるため、接点材料1、11の耐摩耗性をさらに向上することができる。
銀層3の厚さ比率は、より好ましくは15%以上、さらに好ましくは20%以上であり、好ましくは50%以下、より好ましくは45%以下、さらに好ましくは40%以下、特に好ましくは30%以下である。
The ratio of the thickness 3t of the silver layer 3 to the thickness 2t of the particle-containing metal layer 2 can affect the wear resistance and the effect of suppressing the occurrence of coarse cracks of the contact materials 1, 11. Therefore, it is preferable to control the thickness ratio to an appropriate value.
In particular, the ratio of the thickness 3t of the silver layer 3 to the total thickness (3t + 2t) of the silver layer 3 and the particle-containing metal layer 2 (referred to as the "thickness ratio of the silver layer 3") is preferably 10 to 60%. When the thickness ratio of the silver layer 3 is 10% or more, the occurrence of large cracks in the particle-containing metal layer 2 can be more effectively suppressed. When the thickness ratio of the silver layer 3 is 60% or less, the thickness 2t of the particle-containing metal layer 2 can be sufficiently ensured, and the wear resistance of the contact materials 1, 11 can be further improved.
The thickness ratio of the silver layer 3 is more preferably 15% or more, even more preferably 20% or more, and is preferably 50% or less, more preferably 45% or less, even more preferably 40% or less, and particularly preferably 30% or less.
銀層3の具体的な厚さ3tは、接点材料1、11に形成される粒子含有金属層2とのバランスで決定することが好ましいが、少なくとも1.0μm以上とし、例えば、1.0μm超10μm以下であってもよく、好ましくは1.2μm以上、より好ましくは1.5μm以上であり、好ましくは5.0μm以下、より好ましくは3.0μm以下であってもよい。この厚さの範囲内であれば、接点材料1、11に十分な耐クラック性を付与しつつ、接点材料1、11の製造コストを抑えることができる。
粒子含有金属層2の厚さ2tは特に制限されず、用途に応じて適宜調整され得るが、例えば100μm以下、さらには50μm以下の厚さであってもよい。
The specific thickness 3t of the silver layer 3 is preferably determined in consideration of the balance with the particle-containing metal layer 2 formed on the contact materials 1, 11, but is at least 1.0 μm or more, and may be, for example, more than 1.0 μm and not more than 10 μm, preferably not less than 1.2 μm, more preferably not less than 1.5 μm, and preferably not more than 5.0 μm, more preferably not more than 3.0 μm. If the thickness is within this range, the production costs of the contact materials 1, 11 can be reduced while providing sufficient crack resistance to the contact materials 1, 11.
The thickness 2t of the particle-containing metal layer 2 is not particularly limited and can be adjusted appropriately depending on the application, but may be, for example, 100 μm or less, or even 50 μm or less.
銀層3の厚さ3t、および粒子含有金属層2の厚さ2tは、接点材料1、11のサンプルを、接点材料1、11の厚さ方向(導電性基材4の表面に対して垂直な方向と実質的に一致)に切断した断面の断面SEM像から定量することができる。断面SEM像は、倍率1000倍で、観察視野の縦方向が、接点材料1、11の厚さ方向と一致するように撮影する。なお、視野範囲は、例えば縦140μm×横200μmとする。 The thickness 3t of the silver layer 3 and the thickness 2t of the particle-containing metal layer 2 can be quantified from a cross-sectional SEM image of a cross section obtained by cutting a sample of the contact material 1, 11 in the thickness direction of the contact material 1, 11 (substantially coincident with the direction perpendicular to the surface of the conductive substrate 4). The cross-sectional SEM image is taken at a magnification of 1000x, with the vertical direction of the observation field coinciding with the thickness direction of the contact material 1, 11. The field of view is, for example, 140 μm vertical x 200 μm horizontal.
銀層3の厚さ3t測定では、まず断面SEM像において、銀層3と導電性基材4との境界(「第1の境界」と称する。基本的には、導電性基材4の表面4aと一致する)と、銀層3と粒子含有金属層2との境界(「第2の境界」と称する。基本的には、銀層3の表面3aと一致する)とをそれぞれ特定する。導電性基材4の表面4aと垂直な方向における、第1の境界と第2の境界との間の距離を測定し、それを「銀層3の厚さ3t」とする。 To measure the thickness 3t of the silver layer 3, first, in a cross-sectional SEM image, the boundary between the silver layer 3 and the conductive substrate 4 (referred to as the "first boundary," which basically coincides with the surface 4a of the conductive substrate 4) and the boundary between the silver layer 3 and the particle-containing metal layer 2 (referred to as the "second boundary," which basically coincides with the surface 3a of the silver layer 3) are identified. The distance between the first boundary and the second boundary in the direction perpendicular to the surface 4a of the conductive substrate 4 is measured, and this is defined as the "thickness 3t of the silver layer 3."
粒子含有金属層2の厚さ2tは、粒子含有金属層2に分散された粒子2bの状態によって異なる。詳細は後述するが、粒子含有金属層2は、図1のように、一部の粒子2bが母相2aの表面2cから外向きに突出している形態と、図2のように、全ての粒子2bが母相2a中に完全に埋没している形態があり得る。 The thickness 2t of the particle-containing metal layer 2 varies depending on the state of the particles 2b dispersed in the particle-containing metal layer 2. As will be described in detail later, the particle-containing metal layer 2 can have a configuration in which some of the particles 2b protrude outward from the surface 2c of the matrix 2a, as shown in Figure 1, or a configuration in which all of the particles 2b are completely buried in the matrix 2a, as shown in Figure 2.
図1に示すような形態の粒子含有金属層2の場合、上述した第2の境界(銀層3の表面3a)と、突出した粒子2bの頂部との間の距離を「粒子含有金属層2の厚さ2t」とする。断面SEM像において、第2の境界と、母相2aの表面2cから最も突出した粒子2bとを特定する。導電性基材4の表面4aと垂直な方向における、第2の境界と、最も突出した粒子2bの頂部との間の距離を測定し、それを「粒子含有金属層2の厚さ2t」とする。
なお、突出する粒子2bが存在していない部分、つまり、母相2aの表面2cが露出している部分では、「母相2aの厚さ2at」を測定することができる。導電性基材4の表面4aと垂直方向における、第2の境界と母相2aの表面2cとの間の距離が「母相2aの厚さ2at」である。
In the case of the particle-containing metal layer 2 having the form shown in FIG. 1 , the distance between the second boundary (surface 3 a of the silver layer 3) and the top of the protruding particle 2 b is defined as the "thickness 2 t of the particle-containing metal layer 2." In a cross-sectional SEM image, the second boundary and the particle 2 b that protrudes most from the surface 2 c of the parent phase 2 a are identified. The distance between the second boundary and the top of the most protruding particle 2 b in the direction perpendicular to the surface 4 a of the conductive substrate 4 is measured, and this is defined as the "thickness 2 t of the particle-containing metal layer 2."
In addition, in a portion where no protruding particles 2 b are present, that is, a portion where the surface 2 c of the mother phase 2 a is exposed, the “thickness 2 at” of the mother phase 2 a can be measured. The distance between the second boundary and the surface 2 c of the mother phase 2 a in the direction perpendicular to the surface 4 a of the conductive substrate 4 is the “thickness 2 at” of the mother phase 2 a.
図2に示すような形態の粒子含有金属層2の場合、上述した第2の境界(銀層3の表面3a)と、母相2aの表面2cとの間の距離を「粒子含有金属層2の厚さ2t」とする。断面SEM像において、第2の境界と、母相2aの表面2cとを特定する。導電性基材4の表面4aと垂直方向における、第2の境界と、母相2aの表面2cとの間の距離を測定し、それを「粒子含有金属層2の厚さ2t」とする。
なお、図2示す粒子含有金属層2では、母相2aの厚さ2atは、粒子含有金属層2の厚さ2tと一致する。
In the case of the particle-containing metal layer 2 having the form shown in Figure 2, the distance between the second boundary (surface 3a of the silver layer 3) and the surface 2c of the parent phase 2a is defined as the "thickness 2t of the particle-containing metal layer 2." The second boundary and the surface 2c of the parent phase 2a are identified in a cross-sectional SEM image. The distance between the second boundary and the surface 2c of the parent phase 2a in the direction perpendicular to the surface 4a of the conductive substrate 4 is measured, and this is defined as the "thickness 2t of the particle-containing metal layer 2."
In the particle-containing metal layer 2 shown in FIG. 2, the thickness 2 at of the matrix 2 a is equal to the thickness 2 t of the particle-containing metal layer 2 .
各層の厚さは、SEM像の視野内における任意の位置で1回測定した結果を用いてもよく、または、任意の2~5か所で測定を行い、得られた測定結果の算術平均を用いてもよい。ただし、図1に示すような形態の粒子含有金属層2の場合、「粒子含有金属層2の厚さ2t」の測定は、上述にて説明したように、粒子2bが最も突出した位置で測定する。 The thickness of each layer may be measured once at any position within the field of view of the SEM image, or it may be measured at any two to five positions and the arithmetic average of the measurement results may be used. However, in the case of a particle-containing metal layer 2 having the form shown in Figure 1, the "thickness 2t of the particle-containing metal layer 2" is measured at the position where the particles 2b protrude most, as explained above.
銀層3と粒子含有金属層2との識別方法は、後述の方法で行うことができる。 The silver layer 3 and the particle-containing metal layer 2 can be distinguished using the method described below.
導電性基材4は、銅、銅合金などの金属からなる板、箔、線、棒から形成することができる。導電性基材4の厚さ4tは、例えば1μm~100mmである。 The conductive substrate 4 can be formed from a plate, foil, wire, or rod made of a metal such as copper or a copper alloy. The thickness 4t of the conductive substrate 4 is, for example, 1 μm to 100 mm.
上述したように、粒子含有金属層2は、金属材料からなる母相2aと、母相2aに分散された粒子2bとを含む。母相2a中における粒子2bの分散状態は、大きく分けて2つある(図1、および図2)。 As described above, the particle-containing metal layer 2 includes a matrix 2a made of a metal material and particles 2b dispersed in the matrix 2a. The dispersion states of the particles 2b in the matrix 2a can be broadly divided into two types (Figures 1 and 2).
図1の接点材料1では、多くの粒子2bは母相2a中に完全に埋没している。しかしながら、母相2aの表面2c近傍に位置する粒子2bは、部分的に母相2aの表面2cから外向きに突出している。言い換えると、母相2aの表面2c近傍には、一部分が母相2a中に埋没し、残りの部分が母相2aの表面2cから露出した粒子2bが存在している。接点材料1の耐摩耗性が、粒子2bの分解等によって向上される場合は、図1のように、粒子2bが部分的に母相2aの表面2cから露出させることが好ましく、接点材料1の使用初期から、接点材料1の挿抜(摺動)によって粒子2bが分解されて、耐摩耗性を向上し得る。 In the contact material 1 of Figure 1, many particles 2b are completely embedded in the matrix 2a. However, particles 2b located near the surface 2c of the matrix 2a partially protrude outward from the surface 2c of the matrix 2a. In other words, near the surface 2c of the matrix 2a, there are particles 2b that are partially embedded in the matrix 2a and the remaining portions exposed from the surface 2c of the matrix 2a. If the wear resistance of the contact material 1 is improved by, for example, decomposition of the particles 2b, it is preferable that the particles 2b be partially exposed from the surface 2c of the matrix 2a, as shown in Figure 1. This allows the particles 2b to be decomposed by insertion and removal (sliding) of the contact material 1 from the early stages of use, thereby improving the wear resistance.
図2の接点材料11では、全ての粒子2bが、母相2a中に完全に埋没している。つまり、粒子含有金属層2の表面側から観察しても、粒子2bを直接観察することはできない。
粒子2bが非導電性材料から形成されている場合は、図2のように、粒子2bを母相2aの表面2cから露出させないことにより、粒子含有金属層2の電気伝導性を向上し得る(接触抵抗をより低下させ得る)。また、接点材料1の挿抜(摺動)によって母相2aが摩耗し、埋没していた粒子2bが露出することにより、耐摩耗性を向上し得る。
2, all of the particles 2b are completely embedded in the matrix 2a, meaning that the particles 2b cannot be directly observed even when observing the particle-containing metal layer 2 from the surface side.
When the particles 2b are made of a non-conductive material, the electrical conductivity of the particle-containing metal layer 2 can be improved (contact resistance can be further reduced) by preventing the particles 2b from being exposed from the surface 2c of the matrix 2a, as shown in Fig. 2. Furthermore, the matrix 2a is worn away by the insertion and removal (sliding) of the contact material 1, and the buried particles 2b are exposed, thereby improving wear resistance.
母相2aを形成する金属材料としては、銀および銀合金からなる群から選択された1種以上を含むことが好ましい。特に、母相2aは、銀を50質量%以上100質量%以下の範囲で含むことが好ましい。母相2aとしては、通常の端子表面処理に使用される各種銀めっき(例えば、軟質Agめっき、硬質Agめっき、光沢Agめっき、および半光沢Agめっき等)の他に、母相2aの耐食性(耐硫化性など)改善および耐摩耗性改善等を目的として、銀合金めっきを使用してもよい。銀合金めっきに好適な銀合金としては、例えばAg-Sn、Ag-Sb、Ag-Cuなどが挙げられる。 The metallic material forming the matrix 2a preferably includes one or more selected from the group consisting of silver and silver alloys. In particular, the matrix 2a preferably includes 50% to 100% by mass of silver. The matrix 2a may include various silver platings (e.g., soft Ag plating, hard Ag plating, bright Ag plating, semi-bright Ag plating, etc.) commonly used in terminal surface treatments. Alternatively, silver alloy plating may be used to improve the corrosion resistance (e.g., sulfur resistance) and wear resistance of the matrix 2a. Examples of silver alloys suitable for silver alloy plating include Ag-Sn, Ag-Sb, and Ag-Cu.
なお、母相2aに純銀めっきを使用すると、導電性に優れる粒子含有金属層2を得ることができる。母相2aは、例えば銀を90質量%以上100質量%以下の範囲で含んでもよく、95質量%以上100質量%以下の範囲で含んでもよく、99質量%以上100質量%以下の範囲で含んでもよい。 In addition, using pure silver plating for the parent phase 2a makes it possible to obtain a particle-containing metal layer 2 with excellent conductivity. The parent phase 2a may contain silver in the range of 90% by mass to 100% by mass, 95% by mass to 100% by mass, or 99% by mass to 100% by mass.
なお、銀層3を形成する銀材料と、母相2aを形成する金属材料は、同一であっても、異なっていてもよい。
銀層3と母相2aを異なる金属材料から形成する場合、銀層3と母相2aとに含まれる合金元素の種類または含有量が相違するため、断面SEM-EDX分析による元素マッピングによって、銀層3と母相2aを識別することができる。つまり、断面SEM-EDX分析により、銀層3の範囲と、母相2aを含む粒子含有金属層2の範囲とを区別することができる。
The silver material forming the silver layer 3 and the metal material forming the matrix 2a may be the same or different.
When the silver layer 3 and the matrix 2a are formed from different metal materials, the types or contents of alloy elements contained in the silver layer 3 and the matrix 2a differ, and therefore the silver layer 3 and the matrix 2a can be distinguished by element mapping using cross-sectional SEM-EDX analysis. In other words, the cross-sectional SEM-EDX analysis makes it possible to distinguish between the range of the silver layer 3 and the range of the particle-containing metal layer 2 that includes the matrix 2a.
銀層3と母相2aを同一の金属材料から形成する場合、断面SEM-EDX分析によって銀層3と母相2aとを識別することはできない。そのため、別の方法で、銀層3の範囲と、母相2a(粒子含有金属層2)の範囲とを区別する必要がある。その場合は、粒子2bを含んでいる領域を「粒子含有金属層2」とし、粒子2bを含まない領域を「銀層3」とする。上述したように、銀層3は微量の粒子2bを含み得るが、銀層3と母相2aを同一の金属材料から形成されている場合は、第1の境界の特定を容易にするために銀層3は粒子2bを含まないものとする。 When the silver layer 3 and the parent phase 2a are formed from the same metal material, it is not possible to distinguish between the silver layer 3 and the parent phase 2a by cross-sectional SEM-EDX analysis. Therefore, another method is required to distinguish between the extent of the silver layer 3 and the extent of the parent phase 2a (particle-containing metal layer 2). In this case, the region containing particles 2b is referred to as the "particle-containing metal layer 2," and the region not containing particles 2b is referred to as the "silver layer 3." As mentioned above, the silver layer 3 may contain trace amounts of particles 2b, but when the silver layer 3 and the parent phase 2a are formed from the same metal material, the silver layer 3 is considered not to contain particles 2b in order to make it easier to identify the first boundary.
銀層3と粒子含有金属層2との境界(第2の境界)は、接点材料1、11の厚さ方向の断面における断面のSEM像で特定する。断面SEM像を後述する方法で画像処理して、粒子含有金属層2に含まれる粒子2bを全て特定する。それらの粒子2bのうち、導電性基材4に最も近い粒子2bに基づいて、銀層3と導電性基材4との境界(第2の境界)を決定する。つまり、断面SEM像上において、導電性基材4に最も近い粒子2bが第2の境界よりも粒子含有金属層2側に存在し、かつ当該粒子2bが第2の境界と接するように、第2の境界を引く。断面SEM像上における第2の境界は直線状とし、導電性基材4の表面と略平行に引く。 The boundary (second boundary) between the silver layer 3 and the particle-containing metal layer 2 is identified in an SEM image of a cross section of the contact material 1, 11 in the thickness direction. The cross-sectional SEM image is subjected to image processing using the method described below to identify all particles 2b contained in the particle-containing metal layer 2. Of these particles 2b, the boundary (second boundary) between the silver layer 3 and the conductive substrate 4 is determined based on the particle 2b closest to the conductive substrate 4. In other words, on the cross-sectional SEM image, the second boundary is drawn so that the particle 2b closest to the conductive substrate 4 is located closer to the particle-containing metal layer 2 than the second boundary, and so that this particle 2b is in contact with the second boundary. The second boundary on the cross-sectional SEM image is linear and drawn approximately parallel to the surface of the conductive substrate 4.
粒子2bとして、さまざまな種類の粒子を適用し得るが、特に、非導電性粒子であることが好ましい。
粒子含有金属層2を接点材料に適用して摺動(挿抜)を繰り返すと、粒子含有金属層2の摩耗に伴って母相2a中に保持されていた粒子2bが脱落することがある。粒子2bが非導電性粒子であれば、粒子2bが脱落して接点近傍に堆積したとしても、短絡が起こる可能性が低いため、有利である。
ここで「非導電性」とは、導電性を示さないことを意味し、例えばASTM D257に基づき測定した体積抵抗率が、概ね103[Ω・cm]以上の値を示すものをいう。
Various types of particles can be used as the particles 2b, but non-conductive particles are particularly preferred.
When the particle-containing metal layer 2 is applied to a contact material and sliding (insertion and removal) is repeated, the particles 2b held in the matrix 2a may fall off due to wear of the particle-containing metal layer 2. If the particles 2b are non-conductive particles, this is advantageous because there is a low possibility of a short circuit occurring even if the particles 2b fall off and accumulate near the contact.
Here, "non-conductive" means that it does not exhibit conductivity, and for example, refers to a material whose volume resistivity measured in accordance with ASTM D257 is approximately 10 3 [Ω·cm] or more.
非導電性粒子は、単位分子構造内に、フルオロ基(-F)、メチル基(-CH3)、カルボニル基(-C(=O)-)、アミノ基(-NR1R2であって、R1およびR2は水素または炭化水素基であり、R1およびR2は同じでも異なっていてもよい)、ヒドロキシ基(-OH)、エーテル結合(-O-)およびエステル結合(-C(=O)-O-)からなる群から選択されるいずれか1つ以上を含む非導電性有機化合物からなる粒子であることが好ましい。 The non-conductive particles are preferably particles made of a non-conductive organic compound that contains, in its unit molecular structure, one or more selected from the group consisting of a fluoro group (-F), a methyl group (-CH 3 ), a carbonyl group (-C(═O)-), an amino group (-NR 1 R 2 , where R 1 and R 2 are hydrogen or a hydrocarbon group, and R 1 and R 2 may be the same or different), a hydroxy group (-OH), an ether bond (-O-), and an ester bond (-C(═O)-O-).
ここで「有機化合物」とは、炭素を含む化合物のうち、一酸化炭素、二酸化炭素、炭酸塩、青酸、シアン酸塩、チオシアン酸塩、B4CおよびSiC等のように簡単な構造の化合物を除いたものを指す。例えばシロキサン結合(-Si-O-Si-)が主鎖であって側鎖に有機基を有するシリコーン樹脂は、本明細書における「有機化合物」に含まれるものとする。 Here, "organic compounds" refers to compounds containing carbon, excluding compounds with simple structures such as carbon monoxide, carbon dioxide, carbonates, hydrocyanic acid, cyanates, thiocyanates, B4C , and SiC. For example, a silicone resin having a siloxane bond (-Si-O-Si-) in the main chain and organic groups in the side chains is considered to be included in the "organic compounds" in this specification.
粒子2bを形成する非導電性有機化合物が上述した官能基を含むことにより、粒子含有金属層2の耐摩耗性を向上させることができる。ここで、「単位分子構造」とは、高分子(重合体)の場合にはその1繰り返し単位、非重合体の場合には個々の分子を意味する。 By including the functional groups described above in the non-conductive organic compound that forms the particles 2b, the wear resistance of the particle-containing metal layer 2 can be improved. Here, "unit molecular structure" refers to one repeating unit in the case of a polymer, or to an individual molecule in the case of a non-polymer.
非導電性有機化合物からなる粒子を用いることにより、粒子含有金属層2の耐摩耗性を向上できる理由は明らかではないが、以下のようなメカニズムが想定される。
粒子含有金属層2の摺動時に、例えば非導電性有機化合物の一部が分解して接点材料表面近傍に拡散移動し、及び/又は、非導電性有機化合物の一部が接点材料表面近傍の銀含有層と反応し、接点材料表面近傍の摩擦係数を下げる等により、接点材料の耐摩耗性が向上するためであると考えられる。非導電性有機化合物が、単位分子構造中に所定の官能基を有することで、摺動の影響による化合物の分解を促進させる効果が特に大きいものと考えられる。なお、当該分解物及び反応物は少量であり、且つ銀含有膜中の特定の非導電性有機化合物からなる粒子の割合が所定値以下に制御されているため、十分な導電性を確保できると考えられる。
The reason why the use of particles made of a non-conductive organic compound can improve the wear resistance of the particle-containing metal layer 2 is not clear, but the following mechanism is assumed.
This is thought to be because, during sliding of the particle-containing metal layer 2, for example, part of the non-conductive organic compound decomposes and diffuses and migrates near the surface of the contact material, and/or part of the non-conductive organic compound reacts with the silver-containing layer near the surface of the contact material, thereby lowering the coefficient of friction near the surface of the contact material, thereby improving the wear resistance of the contact material. It is thought that the non-conductive organic compound having a specific functional group in its unit molecular structure is particularly effective in promoting the decomposition of the compound due to the influence of sliding. Furthermore, since the amount of decomposed and reacted products is small, and the proportion of particles made of the specific non-conductive organic compound in the silver-containing film is controlled to a predetermined value or less, sufficient conductivity is thought to be ensured.
粒子2bの粒径は、粒子含有金属層2の母相2a内に分散させることができ、かつ粒子含有金属層2の導電性を阻害しない粒径であることが好ましい。例えば、粒子2bの粒径(円相当直径)は、母相2aの厚さ2at未満とする。これにより、粒子2bが母相2aの表面2cから大きく突出して粒子含有金属層2と外部端子との導通を阻害する、というような状況を抑制することができる。さらに、粒子2bの円相当直径が、母相2aの厚さ2atよりも十分に小さい(例えば、母相2aの厚さ2atの1/2以下)ことがより好ましく、母相2a中に粒子2bを完全に埋没させることができる(ただし、全ての粒子2bを完全に埋没させることを意味するものではなく、母相2a中に完全に埋没した粒子2bが存在し得ることを意味する)。
粒子2bの平均粒径(平均円相当直径)は、例えば、50μm以下であってもよく、10μm以下であってもよく、0.1μm以上であってもよい。
母相2aの厚さ2atの測定方法は上述の通りである。
The particle size of the particles 2b is preferably such that they can be dispersed in the matrix 2a of the particle-containing metal layer 2 and do not impair the conductivity of the particle-containing metal layer 2. For example, the particle size (circle-equivalent diameter) of the particles 2b is less than the thickness 2 at of the matrix 2a. This prevents the particles 2b from protruding too much from the surface 2c of the matrix 2a and impairing the electrical connection between the particle-containing metal layer 2 and the external terminals. Furthermore, it is more preferable that the circle-equivalent diameter of the particles 2b is sufficiently smaller than the thickness 2 at of the matrix 2a (for example, ½ or less of the thickness 2 at of the matrix 2a), allowing the particles 2b to be completely embedded in the matrix 2a (however, this does not mean that all the particles 2b are completely embedded, but rather that some particles 2b may be completely embedded in the matrix 2a).
The average particle size (average circle equivalent diameter) of the particles 2b may be, for example, 50 μm or less, 10 μm or less, or 0.1 μm or more.
The thickness 2at of the parent phase 2a is measured as described above.
断面SEM像で確認できる粒子含有金属層2中の粒子2b(主に非導電性粒子)と母相2aの面積は、下記の式(1)を満たすことが好ましい。
2.0≦Ap/(Ap+AAg)×100≦12.0 ・・・(1)
式(1)において、Apは、接点材料1、11の厚さ方向の断面において、粒子のうち、母相2に埋没した部分の面積であり、AAgは、接点材料1、11の厚さ方向の断面における母相2の面積である。
The area of the particles 2b (mainly non-conductive particles) and the matrix 2a in the particle-containing metal layer 2 that can be confirmed in a cross-sectional SEM image preferably satisfies the following formula (1).
2.0≦A p /(A p +A Ag )×100≦12.0 (1)
In formula (1), A p is the area of the part of the particle buried in the matrix 2 in the cross section of the contact material 1, 11 in the thickness direction, and A Ag is the area of the matrix 2 in the cross section of the contact material 1, 11 in the thickness direction.
式(1)は、粒子含有金属層2全体に対して、粒子含有金属層2に内包されている粒子の面積率が2.0%~12.0%であることを意味している。なお、粒子2bが内包された粒子含有金属層2は、共析めっき法(めっき液中に粒子を入れ、攪拌させながら電解めっきする方法)で形成可能であることから、内包された粒子の面積率を「粒子共析率」と称することがある。 Equation (1) means that the area ratio of the particles encapsulated in the particle-containing metal layer 2 is 2.0% to 12.0% of the entire particle-containing metal layer 2. Note that because the particle-containing metal layer 2 encapsulating particles 2b can be formed by eutectoid plating (a method in which particles are placed in a plating solution and electroplated while stirring), the area ratio of the encapsulated particles is sometimes referred to as the "particle eutectoid ratio."
粒子含有金属層2に含まれる粒子は、粒子含有金属層2の耐摩耗性に寄与するものの、粒子含有金属層2の導電性を低下させる。粒子の面積率(体積率)が2.0%以上であると、粒子含有金属層2の耐摩耗性を顕著に向上することができ、一方、12.0%以下であると、粒子含有金属層2の導電性の低下を低く抑えることができる。つまり、粒子の面積率(体積率)が2.0%~12.0%であると、粒子含有金属層2の耐摩耗性と導電性とを共に高いレベルで両立することができる。粒子の面積率(粒子共析率)は、より好ましくは6.0%以上であり、より好ましくは10.0%以下である。 The particles contained in the particle-containing metal layer 2 contribute to the wear resistance of the particle-containing metal layer 2, but also reduce the conductivity of the particle-containing metal layer 2. When the particle area ratio (volume ratio) is 2.0% or more, the wear resistance of the particle-containing metal layer 2 can be significantly improved, while when it is 12.0% or less, the decrease in conductivity of the particle-containing metal layer 2 can be kept low. In other words, when the particle area ratio (volume ratio) is 2.0% to 12.0%, the particle-containing metal layer 2 can achieve both high levels of wear resistance and conductivity. The particle area ratio (particle co-deposition ratio) is more preferably 6.0% or more, and more preferably 10.0% or less.
母相2aの面積AAgは、接点材料1、11の厚さ方向の断面における断面SEM像に対して、画像処理ソフト(例えば「ImageJ」など)を用いて、2値化処理することにより求めることができる。具体的には、断面SEM像において、母相2aは比較的明るく(すなわち白く)、断面SEM用サンプルの保護層は比較的暗く(すなわち黒く)示され得るため、例えば母相2aと保護層の中間の明るさを閾値として2値化した後の、明るい部分の面積を母相2aの面積AAgとすることができる。なお断面SEM像において、銀含有層2aの上面に凹凸がある場合、当該凹凸の平均線を母相2aと上部層(例えば断面SEM用サンプルの保護層)との境界線として、母相2aの面積を求めてもよい。 The area A Ag of the mother phase 2 a can be determined by binarizing a cross-sectional SEM image of the contact material 1, 11 in a cross section in the thickness direction using image processing software (e.g., "ImageJ" or the like). Specifically, in the cross-sectional SEM image, the mother phase 2 a may appear relatively bright (i.e., white) and the protective layer of the cross-sectional SEM sample may appear relatively dark (i.e., black). Therefore, for example, after binarization using an intermediate brightness between the mother phase 2 a and the protective layer as a threshold, the area of the bright portion can be determined as the area A Ag of the mother phase 2 a. Note that if the cross-sectional SEM image shows irregularities on the upper surface of the silver-containing layer 2 a, the area of the mother phase 2 a may be determined by using the average line of the irregularities as the boundary line between the mother phase 2 a and an upper layer (e.g., the protective layer of the cross-sectional SEM sample).
一方、粒子2bのうち母相2a中に埋没した部分の面積Apは、2値化処理した後の暗い部分(非導電性粒子の場合、非導電性有機化合物に相当する部分)であって、母相2a中に埋没した部分の面積とすることができる。なお断面SEM像において、母相2aの表面2cに凹凸がある場合、当該凹凸の平均線を母相2aと上部層(例えば断面SEM用サンプルの保護層)との境界線として、当該平均線以下に存在する部分を、母相2a中に埋没した部分とする。 On the other hand, the area Ap of the portion of particle 2b buried in mother phase 2a can be defined as the area of the dark portion after binarization (the portion corresponding to the non-conductive organic compound in the case of a non-conductive particle) buried in mother phase 2a. If there are irregularities on surface 2c of mother phase 2a in the cross-sectional SEM image, the average line of the irregularities is taken as the boundary line between mother phase 2a and an upper layer (e.g., a protective layer of a cross-sectional SEM sample), and the portion below this average line is defined as the portion buried in mother phase 2a.
本発明の実施形態の目的を逸脱しない範囲で、接点材料1、11は、非導電性粒子2b以外の他の粒子を含んでいてもよい。例えば、接点材料1、11は、上述した特定の官能基を含まない非導電性有機化合物からなる粒子を含んでいてもよく、無機粒子を含んでいてもよく、また母相2a中に埋没していない粒子を含んでいてもよい。また、接点材料1、11は導電性粒子を含んでいてもよいが、少なければ少ない程導電性粒子の脱落による接点の短絡を抑制でき好ましい。例えば、接点材料1、11に含まれる粒子の、50体積%以上が非導電性の粒子2bであることが好ましく、60体積%以上、70体積%以上、80体積%以上、90体積%以上がより好ましく、全て(100体積%)が非導電性の粒子2bであることがさらに好ましい。また、接点材料1、11に含まれる全粒子に対する、少なくとも一部が母相2a中に埋没した粒子2bの割合は、接点材料1、11の厚さ方向の断面において、50面積%以上であることが好ましく、より好ましくは60面積%以上、70面積%以上、80面積%以上、90面積%以上であり、更に好ましくは100面積%である。 Within the scope of the present invention, the contact materials 1 and 11 may contain particles other than the non-conductive particles 2b. For example, the contact materials 1 and 11 may contain particles made of a non-conductive organic compound that does not contain the specific functional groups described above, inorganic particles, or particles that are not embedded in the matrix phase 2a. The contact materials 1 and 11 may also contain conductive particles, but the fewer conductive particles they contain, the more preferable it is to prevent short circuits at the contacts due to the conductive particles falling off. For example, it is preferable that 50% or more by volume of the particles contained in the contact materials 1 and 11 be non-conductive particles 2b, more preferably 60% or more by volume, 70% or more by volume, 80% or more by volume, or 90% or more by volume, and even more preferably that all (100% by volume) are non-conductive particles 2b. Furthermore, the ratio of particles 2b at least partially embedded in the matrix 2a to all particles contained in the contact materials 1 and 11 is preferably 50 area% or more, more preferably 60 area% or more, 70 area% or more, 80 area% or more, 90 area% or more, and even more preferably 100 area% in a cross section of the contact materials 1 and 11 in the thickness direction.
本発明の実施形態に係る接点材料1、11は、本発明の目的を達成する上で他の層(例えば、導電性を有する基材、ストライクめっき層等)を含んでいてもよい。例えば接点材料1、11において、導電性を有する基材(例えば銅または銅合金からなる基材)の上に、銀含有膜2が形成されていてもよい。 Contact materials 1 and 11 according to embodiments of the present invention may contain other layers (e.g., a conductive substrate, a strike-plated layer, etc.) to achieve the object of the present invention. For example, in contact materials 1 and 11, a silver-containing film 2 may be formed on a conductive substrate (e.g., a substrate made of copper or a copper alloy).
本発明の実施形態に係る接点材料1、11は、例えば基材上に、銀層3をめっき形成した後、銀(または銀合金)めっき液に、所定量の粒子2bを分散させて、攪拌しながら通電して銀めっき処理を施すことにより、粒子2bが母相2a中に所定量埋没(共析)した接点材料が得られる。 Contact materials 1 and 11 according to embodiments of the present invention are prepared by, for example, plating a silver layer 3 on a substrate, dispersing a predetermined amount of particles 2b in a silver (or silver alloy) plating solution, and then conducting a silver plating process while stirring and passing an electric current through the solution, thereby obtaining a contact material in which a predetermined amount of particles 2b are embedded (co-deposited) in the matrix 2a.
なお、めっき液中に粒子2bを分散させて電気めっきを行うプロセスにおいては、以下の反応(A)および(B)が同時に進行する。
(A)基材表面に、液中分散粒子が静電気的または物理的に吸着(接触)する反応
(B)基材表面に、母相2aが堆積(成長)する反応
(A)で吸着した粒子2bが(B)の母相2a中に取り込まれることで「共析」が生じる。共析めっきが定常的に進行する条件においては、反応初期に吸着した粒子2bが母相2a中に取り込まれるのと同時に、新たな粒子2bの吸着が発生する。このため、めっき処理を停止した場合にも、多くの場合で最表面に粒子2bの露出が見られ、通常の共析めっきプロセスにおいて、一部が母相2a中に埋没し、残りの部分が母相2a表面に露出した粒子2bを含む接点材料1(図1参照)を容易に製造することができる。
In the process of electroplating with particles 2b dispersed in a plating solution, the following reactions (A) and (B) proceed simultaneously.
(A) A reaction in which particles dispersed in a liquid electrostatically or physically adsorb (contact) onto the substrate surface. (B) A reaction in which a matrix 2a is deposited (grows) onto the substrate surface. The particles 2b adsorbed in (A) are incorporated into the matrix 2a of (B), resulting in "eutectoid." Under conditions in which eutectoid plating steadily progresses, the particles 2b adsorbed in the initial stage of the reaction are incorporated into the matrix 2a, and at the same time, new particles 2b are adsorbed. For this reason, even when the plating process is stopped, in many cases the particles 2b are exposed on the outermost surface. In a typical eutectoid plating process, it is possible to easily produce a contact material 1 (see Figure 1) containing particles 2b that are partly embedded in the matrix 2a and the remaining partly exposed on the surface of the matrix 2a.
ここで、母相2a中への粒子2bの共析量(例えば、粒子2bの面積率)は、(A)の吸着頻度と(B)のめっき膜成長速度とのバランスで決定される。そのため、例えば粒子2bのめっき液中における分散量などのめっき条件を変化させることで、共析量を変化させることが可能となる。例えば、めっき処理の終盤において、めっき液中に分散した粒子2bを含まないめっき液を用いて処理を行う、またはめっき液の攪拌速度を変化させて(A)の吸着頻度を低下させるなどにより、めっきの最表面側に粒子2bを共析させない層を設けることで、母相2a中に粒子2bが全て埋没した接点材料11(図1参照)を製造することが可能となる。 Here, the amount of co-deposition of particles 2b into the matrix 2a (e.g., the area ratio of particles 2b) is determined by the balance between the adsorption frequency of (A) and the plating film growth rate of (B). Therefore, it is possible to change the amount of co-deposition by changing plating conditions, such as the amount of particles 2b dispersed in the plating solution. For example, by using a plating solution that does not contain particles 2b dispersed in the plating solution toward the end of the plating process, or by changing the stirring speed of the plating solution to reduce the adsorption frequency of (A), a layer that prevents particles 2b from co-deposition can be formed on the outermost surface of the plating, making it possible to produce a contact material 11 (see Figure 1) in which all particles 2b are embedded in the matrix 2a.
以下、実施例を挙げて本発明の実施形態をより具体的に説明する。本発明の実施形態は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前述および後述する趣旨に合致し得る範囲で、適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の実施形態の技術的範囲に包含される。 The following examples will explain the embodiments of the present invention in more detail. The embodiments of the present invention are not limited to the following examples, and may be implemented with appropriate modifications within the scope of the above-mentioned and below-mentioned aims, all of which are within the technical scope of the embodiments of the present invention.
<粒子塗布めっきの作成法>
優れた耐摩耗性が得られる粒子の分子構造条件を簡便に特定するために、粒子を塗布したAgめっきの耐摩耗性・導電性を評価した。
厚さ0.3mmの純銅板をめっき基材とし、アセトン洗浄にて表面を脱脂した後、めっき処理の下地として、市販のストライクAgめっき液(大和化成株式会社製 ダインシルバー GPE-ST)を用い、PtコートしたTi板を対極として5A/dm2の電流密度で1分間の通電を行い、厚さ約0.1μmのストライクAgめっき処理を施したものを基材として用いた。その後、市販の非シアン系半光沢Agめっき液(大和化成株式会社 ダインシルバーGPE-SB)を用い、純Ag板を対極として3A/dm2の電流密度で5分間の通電を行い、厚さ約10μmの半光沢Agめっき層を形成させた。
めっき後サンプルの表面に、表1、表2に示す粒子をアルコール中に懸濁させた液を滴下し、乾燥させることで、耐摩耗性評価用サンプルを作製した。なお、試料No.1では、粒子のアルコール懸濁液の塗布を行わなかった。
<Method for producing particle-coated plating>
In order to easily identify the molecular structure conditions of particles that can provide excellent wear resistance, the wear resistance and conductivity of Ag plating coated with the particles were evaluated.
A 0.3 mm thick pure copper plate was used as the plating substrate. After degreasing the surface with acetone, a commercially available strike Ag plating solution (Dainsilver GPE-ST, manufactured by Daiwa Kasei Co., Ltd.) was used as the base for plating. A Pt-coated Ti plate was used as the counter electrode, and a current density of 5 A/ dm² was applied for 1 minute to form a strike Ag plating layer approximately 0.1 µm thick. This was then used as the substrate. A commercially available non-cyanide semi-bright Ag plating solution (Dainsilver GPE-SB, manufactured by Daiwa Kasei Co., Ltd.) was then used as the counter electrode, and a pure Ag plate was used as the counter electrode, and a current density of 3 A/ dm² was applied for 5 minutes to form a semi-bright Ag plating layer approximately 10 µm thick.
After plating, a liquid prepared by suspending particles shown in Tables 1 and 2 in alcohol was dropped onto the surface of the sample, followed by drying to prepare a sample for evaluating abrasion resistance. Note that, for Sample No. 1, the alcohol suspension of particles was not applied.
<耐摩耗性評価方法>
厚さ0.25mmの純銅板上に、硬質Agめっき(ビッカース硬さHV:約165)層を約50μm形成し、ハンドプレスによってR=1.8mmのエンボス形状を形成したサンプルを相手材とし、耐摩耗性評価用サンプルとの間で最大500サイクルの摩擦摺動試験を行った(アイコーエンジニアリング製 横型荷重試験機を使用)。印加する垂直荷重は3N、摺動距離は10mm、摺動速度は80mm/分とした。
各摺動サイクルにおける摩擦係数(垂直荷重に対する水平荷重の比)の最大値を測定し、それぞれ100、300、および500サイクル後の摩擦係数μを読み取った。100サイクル時点でμ≦0.50となるものを特に摩擦改善効果に優れるとして「優」、300サイクル時点でμ≦0.50となるものを「良」、500サイクル時点でもμ>0.50となるものを「不可」とし、「優」および「良」を合格とした。
<Wear resistance evaluation method>
A 0.25 mm thick pure copper plate was coated with a 50 μm thick hard Ag plating (Vickers hardness HV: approximately 165), and a hand press was used to create an embossed sample with a radius of 1.8 mm. A friction sliding test was conducted for up to 500 cycles between the sample and the abrasion resistance evaluation sample (using an Aiko Engineering horizontal load tester). The applied vertical load was 3 N, the sliding distance was 10 mm, and the sliding speed was 80 mm/min.
The maximum value of the friction coefficient (ratio of horizontal load to vertical load) in each sliding cycle was measured, and the friction coefficient μ was read after 100, 300, and 500 cycles, respectively. Tests with μ≦0.50 at 100 cycles were rated "excellent" as being particularly excellent in terms of friction improvement effect, tests with μ≦0.50 at 300 cycles were rated "good," and tests with μ>0.50 at 500 cycles were rated "fail." Tests with "excellent" and "good" ratings were rated as passing.
<接触抵抗試験方法>
摩擦試験後の摩耗痕を対象とし、山崎精機研究所製 微摺動摩耗試験機を用い、接点における接触抵抗を測定した。印加荷重は5Nとし、3箇所測定した平均値を、接触抵抗として判定に用いた。摩擦試験後の接触抵抗が0.500mΩ以下となるものを、「接触抵抗に優れる」と判断し、合格とした。なお、耐摩耗性が不可であったサンプルについては、接触抵抗測定は行わなかった。
<Contact resistance test method>
The contact resistance at the contact points was measured using a Yamazaki Seiki Laboratory fretting wear tester, focusing on the wear marks after the friction test. The applied load was 5 N, and the average value measured at three locations was used for judgment as the contact resistance. Samples with a contact resistance of 0.500 mΩ or less after the friction test were judged to have "excellent contact resistance" and were deemed to have passed. Note that contact resistance measurements were not performed on samples for which wear resistance was unsatisfactory.
以上の結果を表2にまとめた。 The above results are summarized in Table 2.
本発明の実施形態の要件を充足する試料No.2~8は、300サイクルおよび500サイクルの摩擦試験後に低い摩擦係数を維持可能であり、摩擦試験後の接触抵抗も良好であることが確認された。
試料No.1では、評価材は単純なAgめっき層であり、粒子含有金属層2を備えていないため、相手材との間に容易に焼き付きを生じており、耐摩耗性に劣っていた。
It was confirmed that Samples No. 2 to 8, which satisfy the requirements of the embodiment of the present invention, were able to maintain a low friction coefficient after 300 and 500 cycles of friction testing, and also had good contact resistance after the friction testing.
In Sample No. 1, the evaluation material was a simple Ag plating layer and did not have the particle-containing metal layer 2, so seizure easily occurred between the evaluation material and the mating material, and the wear resistance was poor.
<粒子共析めっきサンプルの作成法>
粒子含有金属層2の効果を確認するために、粒子を実際にAgめっき層中に共析させた粒子共析めっき層を備えたサンプル(粒子共析めっきサンプル)を作成し、粒子共析めっきの粒子共析率を様々に変えて耐摩耗性と導電性を評価した。
実施例1に記載した、ストライクめっき済みの銅基材上に10μm厚のAgめっき層を形成させる過程において、めっき液中に粒子を所定量分散させ、攪拌を行いながら電気めっき処理を行うことで、Agめっき層中に各粒子が取り込まれた(共析した)めっき層を得た。Agめっき層中で各粒子が凝集することを防ぎ、安定的な分散状態を維持するために、界面活性剤(分散剤)の使用が必要となる場合があった。
得られた粒子共析めっきサンプルに対し、実施例1と同様の方法にて摩擦試験および接触抵抗の測定評価を実施した。
<Method for preparing particle eutectoid plating samples>
In order to confirm the effect of the particle-containing metal layer 2, samples (particle eutectoid-plated samples) were prepared that had particle-eutectoid plating layers in which particles were actually co-deposited in an Ag plating layer, and the wear resistance and electrical conductivity were evaluated by varying the particle co-deposition rate of the particle eutectoid plating.
In the process of forming a 10 μm thick Ag plating layer on a strike-plated copper substrate as described in Example 1, a predetermined amount of particles was dispersed in a plating solution, and electroplating was performed while stirring to obtain a plating layer in which each particle was incorporated (co-deposited) into the Ag plating layer. In some cases, the use of a surfactant (dispersant) was required to prevent the particles from agglomerating in the Ag plating layer and maintain a stable dispersion state.
The obtained particle eutectoid plated samples were subjected to a friction test and contact resistance measurement evaluation in the same manner as in Example 1.
<めっき断面観察による粒子析出率の算出法>
得られた粒子共析めっきサンプルの粒子共析率は、以下の式により求めた。
走査型電子顕微鏡(SEM、日立製作所製S-3500N)を用いて、加速電圧20kVおよびワークディスタンス15mmの条件で、No.10~11のサンプルを断面SEM用の保護層で被覆した粒子共析めっきサンプルに対し、接点材料1、11の厚さ方向の断面における断面SEM像(二次電子像)を取得した。母相2の面積AAgは、断面SEM像に対し、画像処理ソフト「ImageJ」を用いて、上述のようにして2値化処理した後の、明るい部分の面積とした。なお断面SEM像において、母相2上面の凹凸の平均線を、母相2と断面SEM用サンプルの保護層との境界線とした。複数の粒子のうち銀含有層中に埋没した部分の面積Apは、上述のようにして2値化処理した後の、暗い部分(非導電性有機化合物に相当する部分)であって、母相2中に埋没した部分の面積とした。なお断面SEM像において、母相2上面の凹凸の平均線を、粒子含有金属層2と断面SEM用サンプルの保護層との境界線として、当該平均線以下に存在する部分を、母相2中に埋没した部分とした。
<Method for calculating particle deposition rate by observing the plating cross section>
The particle co-deposition rate of the obtained particle co-deposition plated sample was calculated by the following formula.
Using a scanning electron microscope (SEM, Hitachi S-3500N) at an accelerating voltage of 20 kV and a working distance of 15 mm, cross-sectional SEM images (secondary electron images) of contact materials 1 and 11 were taken at cross sections in the thickness direction for particle eutectoid-plated samples coated with a protective layer for cross-sectional SEM of samples No. 10 and 11. The area A Ag of the mother phase 2 was determined as the area of the bright portion after the cross-sectional SEM images were binarized as described above using the image processing software "ImageJ." In the cross-sectional SEM image, the mean line of the irregularities on the upper surface of the mother phase 2 was taken as the boundary between the mother phase 2 and the protective layer of the cross-sectional SEM sample. The area A p of the portions of the multiple particles buried in the silver-containing layer was determined as the area of the dark portion (corresponding to the non-conductive organic compound) buried in the mother phase 2 after the binarization as described above. In the cross-sectional SEM image, the average line of the irregularities on the upper surface of the mother phase 2 was taken as the boundary line between the particle-containing metal layer 2 and the protective layer of the cross-sectional SEM sample, and the part below this average line was taken as the part buried in the mother phase 2.
図3A~図3Cに粒子の面積率(粒子共析率)の算出例を示す。図3Aは試料No.9において、粒子の液中分散量3g/Lで作製した粒子共析めっきサンプルの厚さ方向の断面SEM像であり、図3Bは、図3Aから母相2(および母相2中に埋没した粒子)のみをトリミングした像であり、図3Cは、図3Bを2値化した像である。図3Cの黒い部分の面積を、図3Bの面積で除したところ、面積率(粒子共析率)は2.51%であった。 Figures 3A to 3C show examples of calculating the particle area ratio (particle co-deposition ratio). Figure 3A is a cross-sectional SEM image in the thickness direction of a particle co-deposition plating sample for Sample No. 9, produced with a particle dispersion amount of 3 g/L in the liquid. Figure 3B is an image of Figure 3A in which only the mother phase 2 (and particles embedded in mother phase 2) has been cropped, and Figure 3C is a binarized image of Figure 3B. When the area of the black portion in Figure 3C was divided by the area of Figure 3B, the area ratio (particle co-deposition ratio) was 2.51%.
これらの解析結果を整理し、摩擦係数および接触抵抗の観点から、耐摩耗性と導電率を両立可能な粒子共析率の範囲を求めた(図4A、4B)。なお、ここでは「摩擦係数0.50以下、かつ接触抵抗0.500mΩ以下」を満たす粒子共析率を合格と判定した。測定結果を表3に示す。 These analysis results were compiled to determine the range of particle co-deposition ratio that would achieve both wear resistance and electrical conductivity from the perspective of friction coefficient and contact resistance (Figures 4A and 4B). Note that a particle co-deposition ratio that satisfied the criteria of "friction coefficient of 0.50 or less and contact resistance of 0.500 mΩ or less" was deemed acceptable. The measurement results are shown in Table 3.
試料No.9は、架橋ポリメチルメタクリレート粒子共析めっきを備えたサンプルである。図4Aに、試料No.9について、粒子共析率に対する摩擦係数および接触抵抗の関係を示した。粒子共析率2.0%~12.0%の粒子共析めっきでは、摺動20サイクル目の摩擦係数が0.4程度で安定し、かつ接触抵抗が0.500mΩ未満を維持していることから、良好な耐摩耗性と導電性を両立できていることが確認された。 Sample No. 9 is a sample equipped with cross-linked polymethyl methacrylate particle eutectoid plating. Figure 4A shows the relationship between the particle eutectoid ratio and the friction coefficient and contact resistance for Sample No. 9. With particle eutectoid plating with a particle eutectoid ratio of 2.0% to 12.0%, the friction coefficient after 20 sliding cycles remained stable at around 0.4, and contact resistance remained below 0.500 mΩ, confirming that good wear resistance and conductivity were achieved.
試料No.10は、酸化ポリエチレン粒子共析めっきを備えたサンプルである。図4Bに、試料No.10について、粒子共析率に対する摩擦係数および接触抵抗の関係を示した。粒子共析率が0.5%の粒子共析めっきでは、摺動20サイクル目の摩擦係数が0.2程度まで下がり、さらに粒子共析率2.0%以上では、摩擦係数は0.1程度で安定した。接触抵抗は、粒子共析率0%~8.0%の範囲ではほぼ変わらず、約0.3mΩを維持していた。粒子共析率0.5%以上では、良好な耐摩耗性と導電性を両立できていることが確認された。 Sample No. 10 is a sample equipped with polyethylene oxide particle eutectoid plating. Figure 4B shows the relationship between the particle eutectoid ratio and the friction coefficient and contact resistance for Sample No. 10. With particle eutectoid plating with a particle eutectoid ratio of 0.5%, the friction coefficient after 20 sliding cycles dropped to approximately 0.2, and at particle eutectoid ratios of 2.0% or higher, the friction coefficient stabilized at approximately 0.1. Contact resistance remained almost unchanged at approximately 0.3 mΩ over the particle eutectoid ratio range of 0% to 8.0%. It was confirmed that at particle eutectoid ratios of 0.5% or higher, good wear resistance and conductivity were both achieved.
低摩擦係数と低接触抵抗を両立できる粒子共析率の範囲は、粒子の種類によっても変化するといえる。 The range of particle co-deposition ratios that can achieve both a low friction coefficient and low contact resistance can vary depending on the type of particle.
<曲げ試験用の2層構造めっき作成法>
厚さ0.3mmの純銅板をアルカリ洗浄にて表面を脱脂した後、純銅板からの銅拡散を防ぐための下地処理として、スルファミン酸Niめっき液を使用し、5A/dm2の電流密度で90秒間の通電を行い、厚さ約1μmのNiめっき層を形成した。
次に、Ag置換反応を防ぐための下地処理として、市販のストライクAgめっき液(大和化成株式会社製 ダインシルバー GPE-ST)を用い、酸化イリジウムコートしたTi板を対極として3A/dm2の電流密度で10秒の通電を行い、厚さ約0.1μm以下のストライクAgめっき処理を施して、基材として用いた。
<Method for creating two-layer plating structure for bending test>
The surface of a 0.3 mm thick pure copper plate was degreased by alkaline cleaning, and then a Ni sulfamate plating solution was used as a base treatment to prevent copper diffusion from the pure copper plate. A current was passed through the plate at a current density of 5 A/ dm² for 90 seconds to form a Ni plating layer with a thickness of approximately 1 µm.
Next, as a base treatment to prevent Ag substitution reaction, a commercially available strike Ag plating solution (Dainsilver GPE-ST manufactured by Daiwa Kasei Co., Ltd.) was used. An iridium oxide-coated Ti plate was used as the counter electrode, and a current density of 3 A/dm2 was applied for 10 seconds to perform strike Ag plating to a thickness of approximately 0.1 μm or less. This was used as the substrate.
上記基材に対し、銀層3として、市販の非シアン系半光沢Agめっき液(大和化成株式会社製 ダインシルバー GPE-SB)を用い、純Ag板を対極として3A/dm2の電流密度で270秒の通電を行い、厚さ約5μmのAgめっき層を形成した。 A commercially available non-cyanide semi-gloss Ag plating solution (Dynesilver GPE-SB, manufactured by Daiwa Kasei Co., Ltd.) was used to plate the substrate as the silver layer 3. A current was applied for 270 seconds at a current density of 3 A/dm² using a pure Ag plate as the counter electrode, to form an Ag plating layer having a thickness of approximately 5 µm.
次いで、粒子含有金属層2として、市販の非シアン系半光沢Agめっき液(大和化成株式会社製 ダインシルバー GPE-SB)を用い、液に界面活性剤(AGCセイミケミカル製 サーフロンS231)を加えてから、表4に示す粒子を加え、攪拌を行いながら、純Ag板を対極として3A/dm2の電流密度で270秒の通電を行い、厚さ約5μmの粒子共析Agめっき層を形成した。銀層3と粒子含有金属層2との合計厚さに対する、銀層3の厚さの比率は、50%であった。 Next, a commercially available non-cyanide semi-bright Ag plating solution (Dainsilver GPE-SB manufactured by Daiwa Kasei Co., Ltd.) was used to form the particle-containing metal layer 2. A surfactant (Surflon S231 manufactured by AGC Seimi Chemical Co., Ltd.) was added to the solution, and then the particles shown in Table 4 were added. While stirring, a current was passed through the solution at a current density of 3 A/ dm2 for 270 seconds using a pure Ag plate as the counter electrode, forming a particle-eutectoid Ag plating layer with a thickness of approximately 5 μm. The ratio of the thickness of the silver layer 3 to the total thickness of the silver layer 3 and the particle-containing metal layer 2 was 50%.
これらの手順で、銀層3(純Ag)と、粒子が共析した(埋没した)粒子含有金属層2とを備えた接点材料サンプル(試料No.11、12)を得た。
また、比較用として、粒子含有金属層2のみ形成した(つまり、銀層3を形成しなかった)接点材料サンプル(試料No.13)と、銀層3のみ形成した(つまり、粒子含有金属層2を形成しなかった)接点材料サンプル(試料No.14)を作製した。
By these procedures, contact material samples (samples Nos. 11 and 12) having a silver layer 3 (pure Ag) and a particle-containing metal layer 2 in which particles are co-deposited (embedded) were obtained.
For comparison, a contact material sample (sample No. 13) in which only the particle-containing metal layer 2 was formed (i.e., the silver layer 3 was not formed) and a contact material sample (sample No. 14) in which only the silver layer 3 was formed (i.e., the particle-containing metal layer 2 was not formed) were also prepared.
<曲げ加工性の評価方法>
得られた接点材料サンプル(試料No.11~14)を、10mmの幅で切断して、曲げ試験を行った。曲げ試験はJIS H 3110に準じたW曲げ試験ジグを用いた。この時、R=0.5mmを使用した。
サンプルの曲げ加工部断面におけるクラック発生状況を確認するため、曲げ試験における90°曲げ頂点部の断面を観察した。走査型電子顕微鏡(SEM:BRUKER-日立製、QUANTAX)を用いて、倍率1000倍、加速電圧20kV・ワークディスタンス15mmの条件で、断面SEM像(二次電子像)を取得た。視野範囲は縦140μm×横200μmとし、90°曲げ頂点部における、銀層3と粒子含有金属層2を観察した。
<Method for evaluating bending workability>
The obtained contact material samples (samples No. 11 to 14) were cut into pieces with a width of 10 mm and subjected to a bending test using a W-bending test jig in accordance with JIS H 3110. In this test, R = 0.5 mm was used.
To check for cracking in the cross section of the bent portion of the sample, the cross section of the apex of the 90° bend in the bending test was observed. A scanning electron microscope (SEM: BRUKER-Hitachi, QUANTAX) was used to obtain a cross-sectional SEM image (secondary electron image) at a magnification of 1000x, an acceleration voltage of 20 kV, and a work distance of 15 mm. The field of view was 140 μm vertically × 200 μm horizontally, and the silver layer 3 and the particle-containing metal layer 2 at the apex of the 90° bend were observed.
得られた断面SEM像中において、以下の条件A~Dを満たすものをクラックと判定した。なお、断面SEM像では、銀層3と、粒子含有金属層2の母相2aは白色または明るいグレーの部分として観察され、粒子含有金属層2の粒子2bと、クラックと、埋込樹脂(断面観察用試料を作成する際に使用)は、暗いグレーの部分として観察される。 In the obtained cross-sectional SEM images, cracks were determined to be found if they satisfied the following conditions A to D. In the cross-sectional SEM images, the silver layer 3 and the matrix 2a of the particle-containing metal layer 2 are observed as white or light gray areas, while the particles 2b of the particle-containing metal layer 2, cracks, and embedding resin (used to prepare the cross-sectional observation sample) are observed as dark gray areas.
A.粒子含有金属層2の表面ラインよりも内側(導電性基材4側)に位置する暗いグレー部分であり、かつ、粒子含有金属層2の表面から露出している。
B.面積が2π(μm2)以上である。
C.視野内にクラック全体が映っている。
D.導電性基材4の表面4aと垂直方向の寸法(クラックの長さ)が2μm以上である。なお、導電性基材4の表面4aが湾曲している場合は、垂直方向を規定しようとしている表面4a上の点における接線を「表面4a」として、垂直方向を特定する。
A. A dark gray portion located inside the surface line of the particle-containing metal layer 2 (on the conductive substrate 4 side) and exposed from the surface of the particle-containing metal layer 2.
B. The area is 2π (μm 2 ) or more.
C. The entire crack is visible within the field of view.
D. The dimension (crack length) in the direction perpendicular to the surface 4a of the conductive substrate 4 is 2 μm or more. If the surface 4a of the conductive substrate 4 is curved, the perpendicular direction is specified by taking the tangent at the point on the surface 4a to which the perpendicular direction is to be defined as the "surface 4a."
条件Aは、粒子含有金属層2を覆う埋め込み樹脂と、粒子含有金属層2の内部欠陥(表面に露出していない欠陥)とを排除するための条件である。粒子含有金属層2の平面視において、表面から観察されるクラックが、外観を悪化させるためである。
条件Bは、粒子2bを除外するための条件である。粒子2bはD50=2μmであるため、断面SEM像では、面積がπ(μm2)程度の暗いグレーの粒子状部分として観察されると推定される。粒子2bの粒子径のばらつきを考慮して、推定面積の2倍である面積2π(μm2)未満の暗いグレーの部分は「粒子2b」として、クラックではないものとみなす。
条件Dは、粒子含有金属層2の表面の微小な凹凸を除外するためである。
Condition A is a condition for eliminating the embedding resin covering the particle-containing metal layer 2 and internal defects (defects not exposed on the surface) of the particle-containing metal layer 2. This is because cracks observed from the surface in a plan view of the particle-containing metal layer 2 deteriorate the appearance.
Condition B is a condition for excluding particles 2b. Since particles 2b have a D50 of 2 μm, they are estimated to be observed as dark gray particulate areas with an area of approximately π (μm 2 ) in cross-sectional SEM images. Taking into account the variation in particle diameter of particles 2b, dark gray areas with an area of less than 2π (μm 2 ), which is twice the estimated area, are considered to be "particles 2b" and not cracks.
Condition D is for eliminating minute irregularities on the surface of the particle-containing metal layer 2 .
クラックを特定したら、クラックの様々な位置でクラック幅を測定し、そのうちで最も大きい値(クラックの最大幅)を特定する。ここで「クラック幅」は、断面SEM像上において、導電性基材4の表面4aと平行な方向で測定したクラックの寸法である。導電性基材4の表面4aが平坦ではなく、断面SEM像上において、クラック幅を測定する方向を一義的に決定できない場合は、クラックの内面と導電性基材4の表面4aとの接点に基づいて、測定する方向を決定した。クラックの内面は、向かい合った二つの面から構成されるため、クラックの内面と導電性基材4の表面4aとの接点は2点存在する。それらの接点を結んだ線と平行な方向を、クラック幅を測定する方向とした。 Once the crack was identified, the crack width was measured at various positions on the crack, and the largest value (maximum crack width) was identified. Here, "crack width" refers to the dimension of the crack measured in a direction parallel to the surface 4a of the conductive substrate 4 on a cross-sectional SEM image. If the surface 4a of the conductive substrate 4 is not flat and the direction in which to measure the crack width cannot be determined unambiguously on the cross-sectional SEM image, the measurement direction was determined based on the point of contact between the inner surface of the crack and the surface 4a of the conductive substrate 4. Because the inner surface of the crack is composed of two opposing surfaces, there are two points of contact between the inner surface of the crack and the surface 4a of the conductive substrate 4. The direction parallel to the line connecting these points of contact was used to measure the crack width.
発生したクラックの最大幅が10μm以上のものを不良、発生したクラックの最大幅が10μm未満のものを良、クラックが発生しなかったものを優と判定した。判定が良または優の場合、曲げ加工性「合格」とし、判定が不良の場合、曲げ加工性「不合格」とした。 Cracks with a maximum width of 10 μm or more were rated as poor, cracks with a maximum width of less than 10 μm were rated as good, and cracks without any occurrence were rated as excellent. If the rating was good or excellent, the bending workability was rated as "passed," and if the rating was poor, the bending workability was rated as "failed."
図5Aは、表3の試料No.11の接点材料サンプルに対して曲げ試験を行った後の、90°曲げ頂点部の断面SEM像であり、クラックが発生していることが分かる。図5Bに示すように、クラックの最大幅は4.4μm(良)であり、曲げ加工性は「合格」であった。
図6Aは、表3の試料No.12の接点材料サンプルに対して曲げ試験を行った後の、90°曲げ頂点部の断面SEM像であり、クラックが発生していることが分かる。図6Bに示すように、クラックの最大幅は1.5μm(良)であり、曲げ加工性は「合格」であった。
図7は、表3の試料No.13の接点材料サンプルに対して曲げ試験を行った後の、90°曲げ頂点部の断面SEM像であり、クラックが発生していることが分かる。銀層3を形成しなかったため、クラックの最大幅は19.2μm(不良)であり、曲げ加工性は「不合格」であった。
図8は、表3の試料No.14の接点材料サンプルに対して曲げ試験を行った後の、90°曲げ頂点部の断面SEM像である。粒子含有金属層2を備えていないため、クラックは発生しなかった(曲げ性の判定:優)。
Fig. 5A is a cross-sectional SEM image of the apex of a 90° bend after a bending test was performed on the contact material sample of Sample No. 11 in Table 3, and it can be seen that a crack had occurred. As shown in Fig. 5B, the maximum width of the crack was 4.4 µm (good), and the bending workability was "pass."
Fig. 6A is a cross-sectional SEM image of the apex of a 90° bend after a bending test was performed on the contact material sample of Sample No. 12 in Table 3, and it can be seen that a crack had occurred. As shown in Fig. 6B, the maximum width of the crack was 1.5 µm (good), and the bending workability was "pass."
7 is a cross-sectional SEM image of the apex of a 90° bend after a bending test was performed on the contact material sample of Sample No. 13 in Table 3, and it can be seen that cracks were generated. Because the silver layer 3 was not formed, the maximum width of the crack was 19.2 μm (poor), and the bending workability was "failed."
8 is a cross-sectional SEM image of the apex of a 90° bend after a bending test was performed on the contact material sample of Sample No. 14 in Table 3. Since the sample did not have the particle-containing metal layer 2, no cracks occurred (bendability evaluation: excellent).
1、11 接点材料
2 粒子含有金属層
2a 母相
2b 粒子(非導電性粒子)
2c 母相の表面
3 銀層
3a 銀層の表面
4 導電性基材
4a 導電性基材の表面
1, 11 Contact material 2 Particle-containing metal layer 2a Mother phase 2b Particles (non-conductive particles)
2c: Surface of parent phase 3: Silver layer 3a: Surface of silver layer 4: Conductive substrate 4a: Surface of conductive substrate
Claims (7)
該導電性基材の表面の少なくとも一部を覆う銀層と、
該銀層の表面の少なくとも一部を覆う粒子含有金属層と、
前記導電性基材と前記銀層との間にNi層と、を含み、
前記銀層は、銀含有率が50質量%以上100質量%以下であり、1.0μm以上の厚さを有し、
前記粒子含有金属層は、金属材料からなる母相と、該母相に分散された粒子とを含み、
前記粒子は、無機材料または有機材料からなり、平均粒径が前記母相の厚さの1/2以下である、接点材料。 A conductive substrate;
a silver layer covering at least a portion of the surface of the conductive substrate;
a particle-containing metal layer covering at least a portion of the surface of the silver layer;
a Ni layer between the conductive substrate and the silver layer ,
the silver layer has a silver content of 50% by mass or more and 100% by mass or less, and a thickness of 1.0 μm or more;
the particle-containing metal layer includes a matrix made of a metal material and particles dispersed in the matrix,
The particles are made of an inorganic material or an organic material and have an average particle size of 1/2 or less of the thickness of the matrix .
2.0≦Ap/(Ap+AAg)×100≦12.0 ・・・(1)
式(1)において、Apは、前記接点材料の厚さ方向の断面において、前記粒子のうち、前記母相に埋没した部分の面積であり、AAgは、前記接点材料の厚さ方向の断面における前記母相の面積である。 4. The contact material according to claim 1, wherein the particle-containing metal layer satisfies the following formula (1):
2.0≦A p /(A p +A Ag )×100≦12.0 (1)
In formula (1), A p is the area of the part of the particle buried in the matrix in a cross section of the contact material in the thickness direction, and A Ag is the area of the matrix in a cross section of the contact material in the thickness direction.
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