JP3989516B2

JP3989516B2 - 電気接続器具用銅合金

Info

Publication number: JP3989516B2
Application number: JP2006268443A
Authority: JP
Inventors: 邦照三原; 立彦江口
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: JP2007119915A

Description

本発明は配線接続器具用銅合金に関するものであり、特に高強度、高導電性、耐応力緩和特性、耐腐食性に優れた配線接続器具用銅合金に関するものである。

電気接続器具は電気器具のコンセントや照明のスイッチなど電気的な接続部に広く用いられている。前記接続部には金属が一般的に用いられており、金属同士が接触することで電気的な接続を行う。その電気的な接続部は２種類ある。１つは、電気が供給される電線（銅線）との接続であり、もう１つは、その電気を供給する相手方との接続である。従来は、前記接触部には導電性に優れた純銅またはＳｎやＡｇを微量（≦０．２％）に添加して耐熱性を改善した銅合金（Ｃ１４４１０など）が使用されてきた。

これらの材料の強度は著しく低い。そのため、接続部は、上記に示した電気を供給する相手方との接合を保つためにステンレス鋼などの高強度材料をばね材として使用して接合部分を補強する構造となっていた。しかし、ステンレス鋼は高価でありそれを代替する高強度銅合金が求められるようになった。

また、電気的接触部分である「受け刃」と上記の「ばね材」を一体化させて低コスト化する技術の検討も進められており、銅合金にはばね材としても機能する高強度な材料が求められている。

さらに、配線器具においては金属同士が接触することで電気的な接続を行う。前記接触部では従来から発熱が問題となっている。これは接触部に微小放電（グロー）が発生し、これが起因となって亜酸化銅の増殖が誘発され接触抵抗が増加し、発熱することが知見されている。

そこで、合金成分を見直すことでグロー及び亜酸化銅の増殖の起きにくい電気接続器具用銅合金が提案されている（例えば、特許文献１）。しかし、これらの合金は強度が劣るため、ばね材としては不適であった。
特開昭６０−２５５９４４号公報

本発明は、強度、導電性、耐応力緩和特性、耐応力腐食特性、耐グロー特性、耐食性等に優れた銅合金を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、グローの発生及び亜酸化銅の増殖を防止でき、電気器具のコンセントや照明のスイッチなどの電気接続器具（配線接続器具）に適した銅合金を提供することを目的とする。

本発明者らは電気接続器具の接触部について詳細な検討を行い、強度、導電性、耐応力緩和特性、耐応力腐食特性、耐グロー特性に優れた銅合金の開発に至った。

すなわち本発明は、
（１）Ｃｒを０．１〜１ｍａｓｓ％、Ｚｎを０．１〜５．０ｍａｓｓ％、Ｓｎを０．８〜２．０ｍａｓｓ％含み、残部が不可避不純物及びＣｕからなる引張強度（ＴＳ）が６００ＭＰａ以上、０．２％耐力（ＹＳ）が５６０ＭＰａ以上、導電率（ＥＣ）が４０％ＩＡＣＳ以上、且つ、０．２％耐力（ＹＳ）の８０％を負荷した応力腐食試験（ＳＣＣ）において、破断時間が５００時間以上である電気接続器具用銅合金、
（２）応力緩和特性（ＳＲ）が１５０℃×１０００時間で５０％以下である（１）記載の電気接続器具用銅合金、及び
（３）Ｓｉを０を超え０．２ｍａｓｓ％以下含んだ（１）または（２）記載の電気接続器具用銅合金
を提供する。

本発明は、強度、導電性、耐応力緩和特性及び、耐応力腐食特性、さらには耐グロー特性に優れた電気接続器具に好適な銅合金を提供する。

本発明の好ましい実施の態様について、詳細に説明する。

Ｃｒを０．１〜１ｍａｓｓ％とした理由は、Ｃｒは銅中で析出を起こして強化する添加元素であるが０．１ｍａｓｓ％未満では、十分な析出硬化が得られず、１．０ｍａｓｓ％を超えるとその効果が飽和してしまい、逆にコストがかかる。Ｃｒの添加量は、好ましくは０．２〜０．８ｍａｓｓ％、さらに好ましくは０．２〜０．５ｍａｓｓ％である。

Ｚｎを０．１〜５．０ｍａｓｓ％、Ｓｎを０．８〜２．０ｍａｓｓ％とした理由は、Ｚｎ、Ｓｎは銅中に固溶する元素であり固溶強化およびその後の冷間加工において、強度を著しく高め、さらに耐応力緩和特性を向上させる効果があるからである。一方、これらは添加量が多いと導電性を損なう元素でもある。それぞれ０．１ｍａｓｓ％未満ではその効果が不十分である。Ｚｎが５．０ｍａｓｓ％を超えると、導電性が劣るだけでなく、耐応力腐食特性に劣り、亜酸化銅の増殖量が多くなるという問題が生じる。Ｓｎが２．０ｍａｓｓ％を超えると導電性に影響を与える。好ましくは、Ｚｎは０．１３〜４．０ｍａｓｓ％、Ｓｎは０．８〜１．５ｍａｓｓ％である。

Ｓｉは熱間加工割れ防止に寄与する。Ｓｎを含む合金は熱間加工性が悪いことが知られているが、Ｓｉを添加することでその感受性を下げることができる。しかし０．２ｍａｓｓ％を超えると導電性が劣る。好ましくは０．００１〜０．１ｍａｓｓ％である。

本発明の電気接続器具用銅合金は、一般的な製造方法により、圧延や熱処理等を適宜繰り返して製造される。好ましい工程と条件は次のとおりであるが、これに限定されない。
（１）鋳造は連続鋳造が好ましい。
（２）熱間圧延を、９００〜１０５０℃(好ましくは、９５０〜１０３０℃）加熱で圧延率８０％以上(好ましくは９０％以上)で圧延後、急冷して行う。
（３）冷間圧延は通常の条件で６０〜９８％(好ましくは９０〜９８％以上）の圧延率で行う。
（４）熱処理を４００〜５００℃（好ましくは４５０〜５００℃)×１〜５ｈで行う。
（５）最終仕上げ加工（冷間圧延）を、１０〜４０％の加工率で行う。
但し、（３）と（４）の間、もしくは、（４）の途中で７５０〜９００℃(好ましくは８００〜９００℃）で０．１〜１分間の熱処理をおこなっても良い。

本発明の銅合金の引張強度は６００ＭＰａ以上であるが、好ましくは６００ＭＰａ以上、７００ＭＰａ以下、さらに好ましくは６００ＭＰａ以上、６５０ＭＰａ以下である。
本発明の銅合金の０．２％耐力は５６０ＭＰａ以上であるが、好ましくは５８０ＭＰａ以上、６８０ＭＰａ以下、さらに好ましくは５８０ＭＰａ以上、６３０ＭＰａ以下である。
本発明の銅合金の導電率は４０％ＩＡＣＳ以上であるが、好ましくは４５％ＩＡＣＳ以上、６０％ＩＡＣＳ以下、さらに好ましくは５０％ＩＡＣＳ以上、６０％ＩＡＣＳ以下である。
本発明の銅合金の応力腐食試験における破断時間は５００時間以上であるが、好ましくは１０００時間以上、さらに好ましくは３０００時間以上である。
強度(引張強度、０．２％耐力値)と導電率は相反する特性で、本合金系の場合には強度を高めると導電率が低下し、逆に導電率を高めると強度が下がる。また、強度は曲げ加工性とも相反する特性で、強度が高いほど望ましいが逆に曲げ加工性が劣化する。なお、導電率は高いほど、高電流を使用する配線器具に使うことができる。さらに、応力腐食試験の破断時間も長いほど信頼性が向上する。

以下に本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

各種銅合金は、高周波大気溶解炉を用いて溶解温度が約１２００〜１２５０℃、出湯温度が約１２００℃にて、厚さ３０ｍｍ×幅１２０ｍｍ×長さ１８０ｍｍのブックモールド形鋳型へ鋳造した。得られた鋳塊は、大気加熱炉中で約９５０〜１０００℃×１ｈｒ保持を行って、次いで、熱間圧延により厚さ約１２〜１３ｍｍに仕上げた。更に、その熱間圧延板の表面面削を行って厚さ約１０ｍｍの板に仕上げた。
その板から冷間加工と熱処理を繰り返し、厚さ０．５ｍｍの平板（条）を作製した。なお、熱処理温度はＣｒの析出処理では４００〜４５０℃×２〜５ｈｒ、最終仕上げ加工率は１０〜４０％にて行った。
更に、市販されている銅合金および非鉄材料からなる板厚０．５ｍｍの板材を入手した。その銅合金はＣ２６００、Ｃ２６８０、Ｃ５１１１、Ｃ５１９１ならびにＣ７７０１で、ステンレス鋼はＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０４である。
これらの材料について引張強度、０．２％耐力、導電率、応力緩和特性、応力腐食性を調査した。
引張強度（ＴＳ）と０．２％耐力（ＹＳ）はＪＩＳ−５号試験片を圧延平行方向から切り出し、ＪＩＳＺ２２４１に準じて測定した。
導電率（ＥＣ）は幅１０ｍｍ×長さ１５０ｍｍの試験片を圧延平行方向から切り出し、ＪＩＳＨ３２００に準じて端子間距離１００ｍｍで測定した。
応力緩和特性（ＳＲ）は日本電子材料工業会標準規格（ＥＭＡＳ−３００３：ばね材料の曲げによる応力緩和試験方法）に準拠し、片持ち梁法により試験を行った。引張試験で得られた０．２％耐力の８０％を負荷した状態で、１５０℃の高温槽（大気）に放置し、所定の時間毎に測定を繰り返し最長１０００時間まで測定した。
応力腐食試験（ＳＣＣ）はＪＩＳＣ８３０６のアンモニア試験法に準拠し、図１に示した方法で応力負荷を与えて測定した。図中１０は試験片、１１は負荷、１２はシリコンキャップ、１３はガラスセル、１４はアンモニア溶液を示す。その測定は次のようにして行った。幅１０ｍｍ×長さ１００ｍｍの試験片１０を準備し、テープやマスキングにより幅１０ｍｍ×長さ１０ｍｍのみ常温で３ｖｏｌ．％のアンモニア（ＮＨ_３）雰囲気中に暴露させ、負荷１１を加えて破断までの時間を測定した。なお、負荷応力は、引張試験で得られた０．２％耐力の８０％とした。
次に、耐グロー特性及び耐亜酸化銅増殖特性を評価した。図2に耐グロー特性及び耐亜酸化銅増殖特性の測定に用いた装置の模式図を示す。
耐グロー特性は以下の様に評価した。すなわち、直径２ｍｍの銅線２を荷重付加器付ホルダー１に取付け、本発明例及び比較例の試料３を試料ホルダー４の上に配置し、銅線２と接触させ、スライダック８と可変抵抗器６を用いて上記銅線２及び試料３の間に流れる電流を４アンペアにする。次いで試料ホルダー４を振動器５により振動させ、前記銅線２と試料３の間の電圧波形をオシロスコープ７により観察した。前記銅線２と試料３の間にグロー（微小放電）が発生すると、オシロスコープ７の波形が変化するため、この波形変化が発生するまでに付加した振動数（回数）で耐グロー特性を評価した。耐グロー特性の評価としては、用途にもよるが、目安としては、このグロー発生を示す波形変化が発生するまでに付加した振動が１×１０^３回以下の場合は不良であり、１×１０^３回を超える場合は良である。
耐亜酸化銅増殖特性を以下のように評価した。前記グロー発生が確認されると同時に振動器５による振動を停止し、試料３を６０分放置した。次いで、試料３を取り出し、前記試料３の表面に生成した亜酸化銅を集め、質量を測定した。この質量すなわち亜酸化銅増殖量（ｍｇ）で耐亜酸化銅増殖性を評価した。耐亜酸化銅増殖性の評価としては、用途にもよるが、目安としては、この亜酸化銅発生量（ｍｇ）が２００ｍｇ以下の場合は良であり、２００ｍｇを超える場合は不良である。
これらの測定結果を表１〜４に示す。なお、表中に同成分の合金について複数の強度、導電率等が記載されている部分があるが、これは同成分で最終仕上げ加工率を表に示すように変えた試験結果である。

なお、表１−１、１−２において、合金Ｎｏ．１〜６、３４、４５は参考例として示したものである。
表１及び表２の結果より次のことが分かる。
まず比較例については次のとおりである。
Ｎｏ．５０はＣｒ量が少なく、強度が劣った。
Ｎｏ．５１は実施例と比較しても差異はなかった。Ｃｒは過剰に添加しても効果が飽和してしまい、コスト高となるだけであり、実用に適さない。
Ｎｏ．５２〜５７はＳｎ，Ｚｎ量が少なく、強度が劣り、耐応力緩和特性が５０％を超えており著しく劣った。
Ｎｏ．５８、５９は、導電率が劣った。
Ｎｏ．６０、６１は、導電性が劣った。
Ｎｏ．６２〜６５はＺｎ量が多いため、耐応力腐食特性が劣った。
市販合金では、Ｎｏ．８０は導電性が劣り、また応力腐食割れ以外の評価項目が劣った。Ｎｏ．８１、８２の黄銅は導電率と耐応力腐食特性が劣った。Ｎｏ．８３、８４のリン青銅、Ｎｏ．８５の洋白、Ｎｏ．８６、８７は導電率が劣った。
これに対し、実施例のＮｏ．１〜４６では引張強度（ＴＳ）、０．２％耐力（ＹＳ）、導電率（ＥＣ）、耐応力腐食性（ＳＣＣ）、耐応力緩和特性（ＳＲ）のいずれも優れた電気接続器具用銅合金が得られた。

次に、上記実施例の各合金について耐グロー試験とその結果の亜酸化銅の発生量について試験した結果を表３及び表４に示す。

以上の表３、表４の結果から明らかなように、本発明の合金は優れたグロー特性を有する。
また、表１〜表４の結果を総合的に考慮することにより、本発明に従う合金は各要求特性を満たしており、電気接続器具用合金として優れていることが分かる。

図1は、実施例で行った応力腐食試験（ＳＣＣ）の概略図を示す。図２は、実施例で用いた耐グロー特性及び耐亜酸化銅増殖特性の測定装置の模式図を示す。

符号の説明

１荷重付加器付ホルダー
２銅線
３試料
４試料ホルダー
５振動器
６可変抵抗器
７オシロスコープ
８スライダック
１０試験片
１１負荷
１２シリコンキャップ
１３ガラスセル
１４アンモニア溶液

Claims

Ｃｒを０．１〜１ｍａｓｓ％、Ｚｎを０．１〜５．０ｍａｓｓ％、Ｓｎを０．８〜２．０ｍａｓｓ％含み、残部が不可避不純物とＣｕからなる引張強度が６００ＭＰａ以上、０．２％耐力が５６０ＭＰａ以上、導電率が４０％ＩＡＣＳ以上、且つ、０．２％耐力の８０％を負荷した応力腐食試験において、破断時間が５００時間以上である電気接続器具用銅合金。
応力緩和特性が１５０℃×１０００時間で５０％以下の請求項１記載の電気接続器具用銅合金。
Ｓｉを０を超え０．２ｍａｓｓ％以下含んだ請求項１または２記載の電気接続器具用銅合金。