JP5250388B2 - 強度と導電性を兼ね備えた複合化金属ガラスおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、携帯電話等に代表される小型情報機器のコネクタ用電気接点部材として利用される強度と導電性とを兼ね備えた複合化金属ガラスおよびその製造方法に関する。

携帯電話などの情報機器は、小型化、高密度化が進み、今後も更に進展すると考えられる。現在、このような機器のコネクタの電気接点部材には、主としてベリリウム銅合金が使用されている。しかし将来の超小型コネクタ用として狭ピッチ化に対応するには、ベリリウム銅合金では材料強度と導電性の両面で不十分と考えられ、また、ベリリウムは毒性の高い元素として知られ、人体・環境への影響を考慮して、今後はベリリウムを含まない高強度高導電性合金の使用が望まれている。
そこで、ベリリウムを含まず高強度・高導電率を有する銅合金が開発されてきており、このような銅合金としては、例えば以下のような特許文献が存在する。
特許第２５０１２７５号公報 特開平１０−１８３２７４号公報 特開２００５−２８１７５７号公報 特開２００６−２９９２８７号公報

ベリリウム銅合金以外で電気接点部材として使用可能な高強度・高導電性合金としては、コルソン合金などに代表される析出硬化型銅合金やＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系、Ｃｕ−Ｔｉ系等のスピノーダル分解型銅合金が知られている。
析出硬化型銅合金としては、Ｃｕ−Ｚｒ、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｃｕ−Ａｇ、Ｃｕ−Ｆｅ等を基本形に様々な合金開発が現在も盛んに行われており、その例として上記特許文献１〜４が挙げられる。これらの析出硬化型銅合金では、Ｃｕに強度を向上させるための合金元素を添加することで、Ｃｕ母相と異なる第２相を析出させ、さらに強加工によりこの相を細かく分散させることで、高強度と高導電率を両立させることを可能としている。

しかし、上記の手法では、第２相を適正に析出させて望ましい組織を形成させるため、通常、加工に前後して溶体化処理、時効処理といった複数回の熱処理を必要とし、最終部材となるまでに煩雑なプロセスを経なければならないばかりか、多量の熱エネルギーが必要となる。また、これらの合金は９０％以上という高い加工率での強加工を必要とするため、圧延や線引きといった加工プロセスに要するコストも少なくない。さらに上記特許文献１および２については、多数の合金元素を含んだ多元系の合金であり、合金の成分調整が困難であるばかりか、電気接点として使用された後のリサイクル性にも乏しい問題がある。

このような状況から、ベリリウムを含まず、高い強度と導電率を兼ね備えた銅合金の開発が行われてきたが、材料・製造コスト面も含め、ベリリウム銅合金を凌駕するような実用合金は未だ見出されていない。本発明は、高強度と高導電性を併せ持ち、ベリリウムを含まない複合化金属ガラスおよびその製造加工方法を提供することを目的とする。

本発明者等は種々検討を行なった結果、強度に優れた金属ガラス母相に、高導電性を有する純銅、銅合金、純銀、銀合金が分散した複合組織を有する複合化金属ガラスにより、上記の課題が解決可能であることを見出した。

上記課題を解決可能な本発明の複合化金属ガラスは、母相となるアモルファス構造を有した金属ガラスに電解銅粉が分散した構造を有し、前記電解銅粉の含有割合が４０〜８０重量％であり、ベリリウムを含まないことを特徴とする。

又、本発明は、上記の特徴を有した複合化金属ガラスにおいて、前記金属ガラスが、Ｃｕを３０重量％以上含むＣｕ系合金、Ｎｉを３０重量％以上含むＮｉ系合金および、Ｆｅを３０重量％以上含むＦｅ系合金から選ばれたものであることを特徴とするものでもある。

更に、本発明は、優れた強度と導電性を兼ね備え、ベリリウムを含まない複合化金属ガラスを製造するための方法であって、当該方法は、電解銅粉の含有割合が４０〜８０重量％となるようにして、母相となる金属ガラス粉末と電解銅粉を混合し、前記金属ガラス粉末のガラス遷移温度より０〜２０℃高い温度で加熱、圧縮を行い、複合化金属ガラスバルク材を作製する工程を含むことを特徴とし、必要に応じて、この複合化金属ガラスバルク材は更にガラス遷移温度より０〜２０℃高い温度で薄板化される。

高強度を有する金属ガラス母相中に、導電性に優れた純銅、銅合金、純銀、銀合金が分散した複合組織から成る本発明の複合化金属ガラスは、優れた強度と高い導電性を併せ持ち、電気接点部材として有用である。強度と導電率のバランスについては、母相となる金属ガラスと導電性を担う銅・銅合金、銀・銀合金の組み合わせやその配合率を変化させることにより比較的容易にできる。また毒性の高いベリリウムを含まないため、人体・環境に与える危険性が格段に低い安全な材料である。さらに大量生産に実績のある粉末冶金法を用いて製造でき、金属ガラス特有の過冷却液体領域での薄膜化が可能なため、製造加工コストを低く抑えることも可能である。

まず、本発明の、優れた強度と導電性を兼ね備えた複合化金属ガラスについて説明する。
本発明の複合化金属ガラスにあっては、母相となるアモルファス構造を有した金属ガラスに、純銅、銅合金、純銀および銀合金粉末から成るグループより選ばれた少なくとも１種が分散されており、本発明に用いる金属ガラスとしては、広い過冷却液体領域を有し、安価で、アトマイズ法により大量に粉末を作製できることが必要とされる。本発明では、このような条件に合う金属ガラス種として、Ｃｕ基、Ｎｉ基、Ｆｅ基（Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅをそれぞれ３０重量％以上含む）金属ガラスが選択されることが好ましい。Ｃｕ基としては、Ｃｕ−Ｚｒ−Ａｌ−Ａｇ系、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｔｉ系、Ｃｕ−Ｈｆ−Ｔｉ系、Ｎｉ基としては、Ｎｉ−Ｎｂ−Ｔｉ−Ｚｒ系、Ｎｉ−Ｎｂ−Ｚｒ系、Ｆｅ系としては、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｂ−Ｃ系、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ−Ｎｂ系等が挙げられる。
一方、母相となるアモルファス構造を有した上記金属ガラスに分散される導電性金属としては、高い導電性を有すること、比較的安価であること、大量に入手しやすいことを考慮して、純銅、銅合金、純銀、銀合金が用いられ、この際、銅合金は、Ｃｕを５０重量％以上含む銅合金が好ましく、銀合金は、Ａｇを５０重量％以上含む銀合金が好ましい。具体的には銅合金としては、コルソン合金、リン青銅、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｃｕ−Ａｇ系合金等、銀合金としては、Ａｇ−Ｃｕ、Ａｇ−Ｓｎ系合金等が挙げられる。

本発明の複合化金属ガラスにおいて、強度を担うのは金属ガラス相であり、金属ガラス粉末がよく変形して、ネットワークを形成するような組織の場合に高強度が得られる。金属ガラス粉末の変形が不十分で、金属ガラス粉末同士が孤立したような組織では強度は低い。一方、複合化金属ガラスの導電性を担うのは、銅や銀であり、これらがネットワーク構造を形成する組織において、高い導電性が得られる。以上より、高強度と高導電性を両立させるには、金属ガラス相、導電性金属相の両相がそれぞれネットワーク構造を形成するような組織が望ましく、そのためにはどちらかの配合割合が少なすぎることのないようにする必要がある。本発明の複合化金属ガラスにおいて、導電性金属である銅・銅合金、もしくは銀・銀合金の好ましい割合が５〜８０重量％であるのは、この理由による。

次に、このような複合化金属ガラスを製造するための本発明の製法について説明する。
この製法は、母相となる金属ガラス粉末と、純銅・銅合金、または純銀・銀合金の粉末を混合し、金属ガラス粉末の過冷却液体領域近傍の温度、望ましくはガラス遷移温度より０〜２０℃高温で加熱、圧縮を行い、複合化金属ガラスバルク材を作製する工程と、得られた複合化金属ガラスバルク材を更に過冷却液体領域近傍の温度で薄板化する工程とを含むが、使用する金属ガラスのガラス遷移温度に対し、作製温度が低すぎると、金属ガラスの粘性流動が十分に得られず、金属ガラス相の変形が不十分で、金属ガラス相のネットワーク組織が形成されないため、結果として十分な強度を有した高強度の試料を得ることができない。一方、作製温度が高すぎると、金属ガラス相の結晶化を招き、試料が脆くなって機械的特性の低下を招く可能性が高いため、結晶化の生じない範囲とすることが必要となる。よって使用する金属ガラスにより、最適な温度範囲が存在すると考えられる。

また、結晶化を防ぐという観点から、押し固める際の時間も重要で、最高温度で長時間保持しないことが望まれる。望ましくは最高温度での保持時間が５分以下となるように作製条件を設定する必要がある。圧力に関しては、十分な相対密度が得られる圧力とし、低すぎると十分な相対密度が得られないため、高圧にする方が望ましいが、装置が大規模になってしまう問題も生じ、作製温度との兼ね合いも考慮して特には限定されない。加熱を行った後の圧縮時の圧力は、望ましくは600MPa以上である。

本発明において、具体的な製造方法については、一般的な粉末冶金手法であるホットプレス法、放電プラズマ焼結（SPS）法が考えられ、実施例でもホットプレス法を採用したが、混合粉末を金属ガラスの過冷却液体領域近傍で固化成形することが含まれるプロセスであれば、特に限定しない。一般的に電気接点部材としては、薄板形状のものが必要とされているため、本発明の複合化金属ガラスも圧延等により薄板化することが想定されるが、粉末圧延の手法で一段のプロセスで粉末から薄板を作製するプロセスも可能である。また一度予備成形した複合化金属ガラスを、結晶化の生じない条件で、再度過冷却液体領域を利用して変形させ薄板を得るプロセスを採用しても良い。

以下、本発明の実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

〔実施例１〕
ガスアトマイズ法で作製した平均粒径18μmのＣｕ₄₂Ｚｒ₄₂Ａｌ₈Ａｇ₈金属ガラス粉末と電解銅粉、ガスアトマイズ法で作製した純銅粉、リン青銅粉、コルソン合金粉をそれぞれ表１のような割合となるようそれぞれ秤量した後、乳鉢を用いて十分混合した。混合した粉末を、超硬合金製の型に詰め、ホットプレス装置の炉内にセットした。真空引き後、Arを導入して不活性雰囲気とした状態で昇温した。Ｃｕ₄₂Ｚｒ₄₂Ａｌ₈Ａｇ₈金属ガラスの過冷却液体領域近傍である462℃において、最大圧力780MPaで粉末を押し固め、外径20mm、高さ15mmの円柱状の試料を得た。得られた試料は組織観察を行った。さらにこの試料から試験片を切り出し、四端子法で導電性を、圧縮試験で強度をそれぞれ評価した。

その結果、組織観察より得られた試料が空隙のない密な組織を有していることを確認した。図1にこれらのCu基複合化金属ガラスの導電率と圧縮強度の関係を示す。強度については、電解銅粉を30重量%またはコルソン合金を50重量%含む複合化金属ガラスが1100MPa以上の優れた圧縮強さを示した。一方、導電性については、電解銅粉を50重量%含む複合化金属ガラスが30%IACS以上の高い導電率を示した。

〔実施例２〕
ガスアトマイズ法で作製した平均粒径37μmのＮｉ₅₃Ｎｂ₂₀Ｔｉ₁₀Ｚｒ₈Ｃｏ₆Ｃｕ₃金属ガラス粉末と電解銅粉、ガスアトマイズ法で作製した純銅粉、リン青銅粉、コルソン合金粉をそれぞれ表２のような割合となるようそれぞれ秤量した後、乳鉢を用いて十分混合した。混合した粉末を、超硬合金製の型に詰め、ホットプレス装置の炉内にセットした。真空引き後、Arを導入して不活性雰囲気とした状態で昇温した。
Ｎｉ₅₃Ｎｂ₂₀Ｔｉ₁₀Ｚｒ₈Ｃｏ₆Ｃｕ₃金属ガラスの過冷却液体領域近傍である583℃において、最大圧力780MPaで粉末を押し固め、外径20mm、高さ15mmの円柱状の試料を得た。得られた試料は組織観察を行った。さらにこの試料から試験片を切り出し、四端子法で導電性を、圧縮試験で強度をそれぞれ評価した。

その結果、組織観察より得られた試料が空隙のない密な組織を有していることを確認した。図２にこれらのNi基複合化金属ガラスの導電率と圧縮強度の関係を示す。強度については、コルソン合金を50重量%含む複合化金属ガラスが1100MPa以上の優れた圧縮強さを示した。一方、導電性については、電解銅粉を50重量%含む複合化金属ガラスが30%IACS以上の高い導電率を示した。

本発明の複合化金属ガラスは、携帯電話等に代表される小型情報機器のコネクタ用電気接点部材として利用される強度と導電性とを兼ね備えており、有用である。

ホットプレス法で作製したＣｕ基複合化金属ガラスの導電率と圧縮強度の関係を示す図である。 ホットプレス法で作製したＮｉ基複合化金属ガラスの導電率と圧縮強度の関係を示す図である。

Claims (4)

1. 母相となるアモルファス構造を有した金属ガラスに電解銅粉が分散した構造を有し、前記電解銅粉の含有割合が４０〜８０重量％であり、ベリリウムを含まないことを特徴とする、強度と導電性を兼ね備えた複合化金属ガラス。
2. 前記金属ガラスが、Ｃｕを３０重量％以上含むＣｕ系合金、Ｎｉを３０重量％以上含むＮｉ系合金および、Ｆｅを３０重量％以上含むＦｅ系合金から選ばれたものであることを特徴とする請求項１に記載の複合化金属ガラス。
3. 優れた強度と導電性を兼ね備え、ベリリウムを含まない複合化金属ガラスを製造するための方法であって、当該方法が、電解銅粉の含有割合が４０〜８０重量％となるようにして、母相となる金属ガラス粉末と電解銅粉を混合し、前記金属ガラス粉末のガラス遷移温度より０〜２０℃高い温度で加熱、圧縮を行い、複合化金属ガラスバルク材を作製する工程を含むことを特徴とする複合化金属ガラスの製造方法。
4. 前記工程により作製された複合化金属ガラスバルク材を更にガラス遷移温度より０〜２０℃高い温度で薄板化する工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の複合化金属ガラスの製造方法。

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