铆钉型触点及其制造方法 |
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| 申请号 | CN201380076262.X | 申请日 | 2013-12-13 | 公开(公告)号 | CN105164778A | 公开(公告)日 | 2015-12-16 |
| 申请人 | 田中贵金属工业株式会社; | 发明人 | 黑田正夫; 白幡弘; | ||||
| 摘要 | 本 发明 为一种 铆钉 型触点，其是由头部和宽度比所述头部窄的脚部构成的铆钉型触点，其特征在于，所述头部的至少上表面包含由Ag系触点材料构成的触点材料层，所述头部的剩余部分和所述脚部包含由Cu或Cu 合金 构成的基体材料，在所述触点材料层与所述基体材料的接合界面具备包含Ag合金的阻挡层。此处，构成阻挡层的Ag合金优选使用在Ag中添加0.03～20 质量 ％的Sn、In、Cu、Ni、Fe、Co、W、Mo、Zn、Cd、Te、Bi中的1种或2种以上的贱金属元素而成的Ag合金。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种铆钉型触点，其是由头部和宽度比所述头部窄的脚部构成的铆钉型触点，其特征在于， |
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| 说明书全文 | 铆钉型触点及其制造方法技术领域背景技术[0002] 对电路进行机械性开关的电触点作为从家电制品、OA设备、汽车用电装品等至重型电气设备的广泛领域的电气设备的各种开关、继电器的构成部件使用。作为该开关型的电触点的形态，有直接与弹簧材料等支撑材料接合的尖头形状的触点，但一般而言，大多使用铆钉形状的触点。该铆钉型触点由作为电触点发挥作用的头部和宽度比头部窄的脚部构成。脚部在将铆钉型触点固定于支撑材料时发生铆接变形。 [0003] 而且，要求电触点能够维持可靠的机械性开关，即在接触时能够无障碍地传递流向触点的电流、信号，在切断时能够无障碍地分离。此外，还要求具有稳定的接触电阻。另一方面，在开关触点的表面产生因放电引起的材料的熔融、蒸发、消耗等，由此使电触点的接触功能受阻，有时触点彼此发生熔敷，这些会成为引起电气制品等的性能下降或功能停止的原因。因此，对于为了即使在该严苛的负荷下也能够实现上述基本功能的构成材料进行了大量研究。其中，目前认为适合作为触点材料的是Ag系的触点材料，特别是，大多应用在Ag基质中分散有SnO2、In2O3、CuO等各种金属氧化物的氧化物分散型的Ag合金(Ag-SnO2系合金、Ag-SnO2-In2O3系合金、Ag-ZnO系合金等)。 [0004] 以往的铆钉型触点大多是整体由触点材料构成，但考虑到近年来作为触点材料的Ag合金等价格昂贵，为了削减构件成本，通常使用使触点材料的应用部位为一部分且使其他部分由Cu、Cu合金等成本较低的材料(基体材料)构成的双层铆钉型触点。 [0005] 作为这样的将Ag合金与Cu系材料组合而得到的双层铆钉型触点的构成，已知例如使头部的上表面部分由触点材料构成且使头部的下表面和脚部为Cu等基体材料的构成(参考图7(a)、专利文献1)、使头部整体为触点材料且使脚部为基体材料的构成等(参考图7(b)、专利文献2)。 [0006] 现有技术文献 [0007] 专利文献 [0008] 专利文献1：日本特开平5-282957号公报 [0009] 专利文献2：日本实用新型登记第3098834号公报 发明内容[0010] 发明所要解决的问题 [0011] 以往的双层构成的铆钉型触点从兼顾构件成本与触点功能的观点考虑是令人满意的。而且，其耐久性在大部分用途中也是充分的。 [0012] 然而，如上所述，开关触点的用途是多方面的，从进行低负荷的开关、截断的开关触点起，也有进行额定电流数十～数百A的高负荷的开关、截断的开关触点。而且，根据本发明人，以往的双层构成的铆钉型触点在这种高负荷的用途中存在如下问题：伴随着使用，包含Ag合金的触点材料部分从基体材料剥离。若这样的触点材料的剥离在一个触点(固定触点)发生，则另一个触点(可动触点)可能与其基体材料接触、短路而导致设备故障。 [0013] 如上所述的双层结构的铆钉型触点的问题是由于组合不同种类的材料来构成而产生的，是如果使触点整体由Ag合金构成就不会产生的问题，但如果考虑构件成本，则是合理的构成。因此，要求维持该合理的构成并且考虑到其耐久性。因此，本发明提供不会发生如上所述的触点材料的剥离、脱落、耐久寿命优良的铆钉型触点。 [0014] 用于解决问题的方法 [0015] 为了解决上述问题，本发明人首先对以往的双层结构的铆钉型触点中产生的触点材料的剥离的原因进行了研究。其结果，着眼于在高容量的开关触点特有的环境中的氧的行为。 [0016] 在触点彼此的接触时，触点表面经受与其电容量相对应的电弧热、焦耳热的负荷，但在高容量的触点表面的情况下，其温度成为相当高的温度。此时，外部气氛(空气)中的氧会浸入触点材料。此处，作为触点材料的主要构成金属的Ag是能够使氧容易扩散的金属，因此，所浸入的氧扩散到触点材料中，不久就会到达触点材料与基体材料的接合界面。而且，到达接合界面的氧与构成基体材料的Cu结合、氧化而形成Cu氧化物。该Cu氧化物与触点材料(Ag)的结合力弱，因此会产生剥离。 [0017] 另外，作为氧的影响，除了从外部气氛浸入的氧的影响以外，认为还有触点材料自身所含有的氧的影响。认为这是在应用Ag氧化物合金作为触点材料的情况下，所分散的氧化物的氧在高温下从氧化物解离，在触点材料中扩散而到达接合界面，形成氧化物。 [0018] 根据上述研究，本发明人认为，为了抑制触点材料的剥离，抑制触点材料与基体材料的接合界面处的氧化物形成是有效的。但是，氧化物形成的原因是由来自外部气氛的氧引起的还是由来自触点材料中的氧化物的氧引起的是不能确定的。而且，改变触点的外部气氛是不可能的，另外，触点材料中的氧化物是Ag氧化物合金中的主要构成，在应用Ag氧化物合金的情况下限制氧化物量是不现实的。 [0019] 因此，本发明人认为，作为抑制接合界面处的氧化物形成的手段，优选设定阻止氧向接合界面的扩散的阻挡层，进而优选应用Ag合金作为该阻挡层的构成材料，从而想到了本发明。 [0020] 即，本发明为一种铆钉型触点，其是由头部和宽度比上述头部窄的脚部构成的铆钉型触点，其特征在于，上述头部的至少上表面包含由Ag系触点材料构成的触点材料层，上述头部的剩余部分和上述脚部包含由Cu或Cu合金构成的基体材料，在上述触点材料层与上述基体材料的接合界面具备包含Ag合金的阻挡层。 [0021] 以下，对本发明进行详细说明。本发明的特征在于，对于具有至少上表面包含由Ag系触点材料构成的触点层的头部和头部的剩余部分及脚部利用由Cu或Cu合金构成的基体材料构成的双层结构的铆钉型触点，在触点层与基体材料的接合界面形成包含Ag合金的阻挡层而形成三层结构。 [0022] 因此，对作为本发明特征的阻挡层进行说明。本发明中的包含Ag合金的阻挡层中，Ag合金的添加元素(Ag以外的构成元素)优先与氧结合而形成氧化物，由此阻止氧到达接合界面而防止Cu氧化物的生成。构成该阻挡层的Ag合金对触点材料(Ag系触点材料)和基体材料(Cu)这两者都具有充分的接合力。另外，由于导电性、韧性也良好，因此，能够在不损害作为触点的电特性的情况下防止接合界面处的氧化物生成。 [0023] 关于这一点，作为阻挡层的构成材料，也考虑应用并非Ag合金的氧难以扩散的材料而使氧向接合界面的迁移本身无效化。但是，完全不发生氧扩散的金属材料的种类有限，另外，导电性、韧性优良并且对触点材料和基体材料这两者都具有充分的接合力的材料少。与此相对，本发明这样的包含消耗氧的Ag合金的阻挡层在使用过程中析出氧化物，由此转变为与触点材料接近的Ag氧化物合金。这意味着，在使用过程中阻挡层的耐磨损性、耐熔敷性提高，还具有能够作为触点材料磨损时的备用材料发挥作用这样的优点。 [0024] 而且，形成阻挡层的Ag合金优选为在Ag中添加0.03～20质量％的Sn、In、Cu、Ni、Fe、Co、W、Mo、Zn、Cd、Te、Bi中的1种或2种以上的贱金属元素而成的Ag合金。这些贱金属的添加量低于0.03％时，会允许氧到达接合界面。另外，超过20质量％时，与基体材料的接合强度变得不稳定。需要说明的是，在存在多种添加元素时为这些元素的总量。另外，构成阻挡层的Ag合金有时含有不可避免的杂质。 [0025] 此处，构成阻挡层的“Ag合金”是指包含处于Ag与添加元素(贱金属)发生了固溶的状态的固溶合金和处于未完全固溶的添加元素部分析出的状态的复合型合金这两者的含义。在任意一种形态中，都通过使添加元素氧化来发挥作为阻挡层的功能。 [0026] 作为构成阻挡层的Ag合金的具体例，可以举出在Ag中添加0.5～20质量％的Cu而成的Ag合金(Ag-Cu合金)。Cu的添加量优选为3.0～20质量％。也可以应用在Ag-Cu合金中进一步添加0.03～1.0质量％的Ni而成的Ag合金。 [0027] 另外，关于构成阻挡层的Ag合金，作为添加Cu以外的Ag合金，也可以应用在Ag中添加0.5～20质量％的Sn、In、Zn、Cd中的至少任意一种而成的Ag合金。例如，在Ag中添加1.0～10质量％的Sn和0.5～10质量％的In而成的Ag合金(Ag-Sn-In合金)是适合的。而且，也可以应用在Ag-Sn-In合金中添加有合计为0.01～1.0质量％的Ni、Te中的至少任意一种的Ag合金、以及在Ag-Sn-In合金中添加有合计为0.01～1.0质量％的Fe、Co、Zn、Cu、Bi、Cd中的至少任意一种的Ag合金。 [0028] 此外，除上述以外，认为在Ag中添加有合计为0.03～20质量％的Ni、Fe、Co、W、Mo中的至少任意一种的Ag合金也是有用的。这些添加元素对Ag的固溶限较低，因此，成为一部分的添加元素单独析出的复合型Ag合金。此时，在将Ni作为添加元素的情况下，优选将Ni添加量的下限设定为0.03质量％。另外，在将Fe、Co、W、Mo作为添加元素的情况下，优选将这些元素的合计添加量的下限设定为0.05质量％。 [0029] 而且，阻挡层的厚度优选设定为0.03mm～0.3mm。小于0.03mm时，阻挡层的捕捉氧的作用不足，不能充分抑制接合界面的氧化物形成。对于阻挡层的厚度的上限，没有特别限制，但考虑到触点的尺寸，优选设定为约0.3mm。 [0030] 以上说明的具备阻挡层的本发明的铆钉型触点在其他构成方面与以往的双层结构的铆钉型触点基本相同。 [0031] 形成头部的上表面的触点材料层包含Ag系触点材料，具体而言为纯Ag、Ag合金(Ag-Ni合金、Ag-Cu合金等)。作为Ag合金，也可以应用氧化物分散型的Ag氧化物合金(Ag-SnO2系合金、Ag-SnO2-In2O3系合金、Ag-ZnO系合金等)。需要说明的是，本发明在应用Ag氧化物合金作为触点材料的情况下特别有用。如上所述，这是由于有可能氧从触点材料中的氧化物中扩散。另外，接合于触点材料、主要形成脚部的基体材料可以应用Cu、Cu合金(Cu-Ni合金、Cu-Sn合金)。 [0032] 需要说明的是，触点材料只要接合于头部的上表面即可。触点材料的优选厚度可以根据触点的负荷(额定电流等)进行调整，对于低负荷的触点，为0.1mm以上即可，但对于断路器等高负荷(额定电流为50A以上)的触点，需要为约1mm～约2mm。作为本发明的具体方式，除了仅使头部的上表面部分为触点材料的方式(图1(a))以外，也可以使头部整体为触点材料且使脚部由基体材料形成(图1(b))。 [0033] 另外，如图2所示，可以形成如下形状：使脚部由基体材料形成并且以脚部形状形成直径比脚部大的凸缘部，另一方面，使头部由触点材料形成，以使凸缘部的下端面相对于头部的下端面大致平坦的方式将脚部埋接于头部。此时，优选凸缘部的最端部与脚部起点之间的长度(l)相对于头部的最端部与脚部起点之间的长度(L)为l＜L(优选为0.4L≤l≤0.6L)。 [0034] 此外，阻挡层的厚度优选是均匀的，但不需要使形状是完全的平面。即，可以如图1(a)那样沿着大致平坦的接合界面形成有阻挡层，也可以如图3那样使接合界面成为圆弧形状并沿着该接合界面形成有阻挡层。此外，接合界面也可以为波状的状态。 [0035] 为了制造本发明的铆钉型触点，为了确保耐久性，需要在触点材料、形成阻挡层的Ag合金、基体材料各自被牢固接合的状态下成形加工为具有头部和脚部的铆钉型触点。此处，作为本发明的铆钉型触点的制造方法，将包含触点材料的第一坯段、包含Ag合金的第二坯段和包含基体材料的第三坯段对接并进行压接而制作复合材料，将具有凹状空间的接合凸模与具有筒状空间的接合凹模组合而形成铆钉形状的空间，将上述复合材料从上述接合凹模的下部压入到上述接合凸模的空间内，在上述接合凸模内的空间中填充第一坯段而形成头部的至少构成表层的触点材料层，并且在接合凸模内的剩余空间中填充第二坯段及第三坯段而形成头部的剩余部分、阻挡层和脚部。 [0036] 本发明的铆钉型触点的制造方法中，首先，将包含触点材料的第一坯段、包含Ag合金的第二坯段和包含基体材料的第三坯段压接而制成复合材料。该复合材料的制造工序是用于制造本发明的铆钉型触点所必需的工序。通过将第一坯段与第二坯段牢固接合，可以在头部的形成工序时使接合面跟随第一坯段的变形而使第二坯段和第三坯段也变形。关于该压接时的载荷，优选以0.8～3.0ton·f的强力的加工力进行加工。 [0037] 通过将所制造的复合材料压入到由接合凸模与接合凹模的组合形成的模具，可以制成铆钉型触点。在该成形工序中，被压入到接合凸模的空间中的第一坯段在由于接合凸模的壁面而发生变形的同时形成头部形状，复合材料的各接合面跟随该变形而形成头部的剩余部分和阻挡层以及脚部。此时，铆钉型触点的形态可以利用第一坯段的体积与接合凸模内的空间容积的关系进行调整，在第一坯段的体积比接合凸模内的空间容积小的情况下，形成如图1(a)那样的包含触点材料的层、阻挡层和基体材料这三层的头部。另外，如果第一坯段的体积为接合凸模内的空间容积以上，则接合凸模内没有剩余空间，因此，头部整体由触点材料形成(图1(b))。该复合材料的压入中的载荷只要是能够对第一坯段进行变形、加工的载荷即可，可以根据第一坯段的触点材料的种类进行调整。 [0038] 以上的复合材料的制造和利用压入的成形加工可以在常温下进行。而且，对于形成有头部和凸缘部的铆钉型触点，可以适当对头部进行成型而赋予加压加工性。该成型工序在需要对头部的形状、尺寸进行严格限制时是有用的。 [0039] 发明效果 [0041] 图1是对本发明的铆钉型触点的构成的一例进行说明的图。 [0042] 图2是对本发明的铆钉型触点的另一构成例进行说明的图。 [0043] 图3是对本发明的铆钉型触点的接合界面的状态进行说明的图。 [0044] 图4是对本实施方式的铆钉型触点的制造工序进行说明的图。 [0045] 图5是实施例2、比较例1、现有例的加热试验后的接合界面的照片。 [0046] 图6是实施例2、比较例1、现有例的耐久试验的结果。 [0047] 图7是对以往的具有双层结构的铆钉型触点的构成进行说明的图。 具体实施方式[0048] 以下，对本发明的优选实施例进行说明。 [0049] [第一实施方式] [0050] 实施例1～实施例5：应用Ag氧化物合金作为触点材料，应用Cu作为基体材料，应用添加有3.0～20质量％的Cu和0.5重量％的Ni的Ag-Cu合金作为阻挡层，制造铆钉型触点。图4是对本实施方式的铆钉型触点的制造工序进行说明的图。首先，从Ag氧化物合金(Ag-SnO2-In2O3合金：商品名SIE-29B)的丝上切下第一坯段(尺寸：φ2.2mm、0.79mm)，从Ag-Cu合金的丝上切下第二坯段(尺寸：φ2.2mm、0.14mm)，从Cu的丝上切下第三坯段(尺寸：φ2.2mm、2.1mm)。 [0051] 然后，如图4(A)所示，将第一坯段、第二坯段、第三坯段重叠后插入到接合凹模中，将两者压接而制成复合材料。接合凹模具有超硬制的φ2.45mm的孔径。而且，用于该接合的载荷设定为2.2ton·f。需要说明的是，本实施方式中，将第一至第三坯段插入到接合凹模中进行了接合，但这是因为，除了能够直接进行成型加工这样的便利性以外，还为了在横向上给予适度的约束而使得复合材料不会过度变形。需要说明的是，关于插入各坯段的凹模的孔径，优选应用比坯段的直径大0.05～0.25mm的孔径。 [0052] 接着，如图4(B)所示，在接合凹模上设置接合凸模，将复合材料加工成铆钉形状。接合凸模为超硬制，具有侧面弯曲的圆盘形状的空间(尺寸：上表面φ2.4mm、下表面φ2.8mm、高度1.1mm)。该工序中，将复合材料从接合凹模下方一次性压入到接合凸模的空间内，使其发生变形，以使第一坯段部分作为头部的上表面且使第三坯段成为头部下部和脚部，并使第二坯段形成阻挡层。 [0053] 在利用模具的铆钉型触点制作后，如图4(C)所示，使接合凸模移动，利用臼型成形模具对头部的上表面进行加压来成型。对于通过以上方法制造的铆钉型触点的尺寸，头部为φ3.2mm、厚度0.8mm，脚部为φ2.45mm、长度1.2mm。而且，头部的触点层的厚度为0.45mm，阻挡层的厚度为0.07μm。 [0054] 比较例1～比较例3：在此，应用Ag氧化物合金(Ag-SnO2-In2O3合金)作为触点材料，应用Cu作为基体材料，并且应用纯Ag(比较例1)、添加有0.3质量％(比较例2)的Cu的Ag-Cu合金、添加有28质量％(比较例3)的Cu的Ag-Cu合金作为阻挡层，制造铆钉型触点。 [0055] 现有例：此外，应用Ag氧化物合金(Ag-SnO2-In2O3合金)作为触点材料，应用Cu作为基体材料，并且制造无阻挡层的以往的铆钉型触点。在实施例1的制造工序中不使用第二坯段(Ag-Cu合金)，利用同样的工序将第一坯段和第二坯段接合，与实施例1同样地进行成形加工。触点层的厚度与实施例1相同。 [0056] 对于以上制造的实施例、比较例、现有例的铆钉型触点，进行用于确认高温气氛中的触点材料有无剥离的加热试验。该加热试验中，将各触点加热至600℃、700℃、750℃3小时，然后，对铆钉型触点的头部进行横向压缩，观察压缩至头部的直径达到1/2时的接合界面有无剥离。将该加热试验的结果示于表1。 [0057] [表1] [0058] [0059] ○：无剥离(合格) [0060] ×：发生剥离(不合格) [0061] 根据表1，具备具有适当组成范围的Ag-Cu合金作为阻挡层的实施例1～实施例5中，即使经受600～750℃的加热和压缩，在接合界面也未观察到剥离。与此相对，无阻挡层的现有例在600℃的加热的阶段中在接合界面发生了剥离。另外，就阻挡层的构成而言，从以纯Ag作为阻挡层的比较例1来看，直至加热到600℃为止不会发生剥离，但通过700℃以上的加热而发生了剥离。此外，即使将Ag-Cu合金作为阻挡层，也会因Cu添加量的过度不足而通过700℃以上的加热发生剥离(比较例2、比较例3)，因而需要注意其组成范围。 [0062] 图5是对于实施例2、比较例1、现有例的各触点的加热试验后的接合界面的观察结果。作为现有例的无阻挡层的触点在600℃的加热下发生了明确的剥离。另外，对于比较例1而言，尽管在600℃加热下未观察到剥离，但在基体材料(Cu)与阻挡层(Ag)的界面观察到氧化物(氧化Cu)的析出(黑色的部分)。而且，在加热温度为700℃以上的阶段中，氧化物的量增加，发生了剥离。与此相对，在实施例2中，直至加热到700℃为止未观察到明显的变化，在750℃加热中，在触点材料与阻挡层的界面产生了微量的氧化Cu。但是，在阻挡层与基体材料之间没有观察到氧化物的生成也没有发生剥离。认为触点材料与阻挡层之间的氧化物通过作为阻挡层的Ag-Cu合金的Cu捕捉氧而生成。由以上的结果可以确认，利用包含Ag合金的阻挡层能够阻止氧到达基体材料。 [0063] 接着，对于各铆钉型触点，评价其耐久性。耐久性评价中，将铆钉型触点作为固定触点安装于铰链式交流通用继电器，在通电负荷的状态下反复进行开关动作，测定直至产生故障为止的耐久寿命开关次数。耐久评价试验中的试验条件如下所述。 [0065] ·试验电流：10A [0066] ·负荷：电阻负荷 [0067] ·开关频率：1秒开(ON)/1秒关(OFF) [0068] 上述耐久试验利用多个继电器试验机来进行，将各继电器中发生了故障的耐久寿命开关次数在威布尔概率纸上绘图。将该结果示于图6。根据图6，关于各铆钉型触点的特性寿命，实施例2为约26万次，比较例1为约24万次，现有例为约22万次。因此可以确认，本实施方式的铆钉型触点的耐久寿命优良。 [0069] [第二实施方式] [0070] 在此，在对触点材料的种类和形成阻挡层的Ag合金的种类、厚度进行改变的同时确认其效果。基本的制造工序与实施例1相同，在调整厚度(长度)的同时从各种Ag合金上切下第二坯段，供于加工。然后，对于所制造的铆钉型触点，与第一实施方式同样地进行加热试验。加热温度设定为750℃。将该评价结果示于表2中。 [0071] [表2] [0072] [0073] 触点材料：SIE-29B…Ag-SnO2-In2O3合金 [0074] FE-160…Ag-SnO2合金 [0075] Ag…纯Ag [0076] 利用各种阻挡层进行了加热、压缩试验，但由表2可知，均没有观察到接合界面剥离。另外，即使改变触点材料，效果也没有变化。可知该阻挡层对各种触点材料有效。 [0077] 产业上的可利用性 [0078] 本发明的铆钉型触点防止了在使用过程中的触点材料的剥离、脱落。本发明中，对于减少触点材料的使用量来抑制构件成本这样的以往的双层铆钉型触点原本的特征，附加了耐久寿命的改善。本发明的铆钉型触点对于面向家电、产业设备及其他普通用途的继电器或开关、住宅布线、产业设备布线断路器及电磁开关器是有用的。 |
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