(57)【要約】【課題】摩擦係数が小さく且つ耐摩耗性に優れる金属材料を提供する。【解決手段】金属材料は、銅又は銅合金からなる基材１と、銀又は銀合金からなり基材１上の最表面に積層された銀被覆層２と、基材１と銀被覆層２との間に介在する１層以上の中間層３と、を備えている。中間層３は、銅、ニッケル、亜鉛、クロム、又はこれらのうち１種以上の金属を含有する合金からなるめっき層である。銀被覆層２の表面の算術平均粗さＲａは０．１μｍ以上１０μｍ以下であり、銀被覆層２の表面から厚さ方向の中央位置まで圧子を押し込んで測定した押し込み硬さは、基材１の押し込み硬さの０．３倍以上１倍以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅又は銅合金からなる基材と、銀又は銀合金からなり前記基材上の最表面に積層された銀被覆層と、前記基材と前記銀被覆層との間に介在する１層以上の中間層と、を備え、
前記中間層は、銅、ニッケル、亜鉛、クロム、又はこれらのうち１種以上の金属を含有する合金からなるめっき層であり、
前記銀被覆層の表面の算術平均粗さＲａは０．１μｍ以上１０μｍ以下であり、
前記銀被覆層の表面から厚さ方向の中央位置まで圧子を押し込んで測定した押し込み硬さが、前記基材の押し込み硬さの０．３倍以上１倍以下である金属材料。
【請求項２】
銅又は銅合金からなる圧延板である基材と、銀又は銀合金からなり前記基材上の最表面に積層された銀被覆層と、前記基材と前記銀被覆層との間に介在する１層以上の中間層と、を備え、
前記中間層は、銅、ニッケル、亜鉛、クロム、又はこれらのうち１種以上の金属を含有する合金からなるめっき層であり、
前記銀被覆層の表面の最大高さＲｙは、前記圧延板の圧延方向に平行な方向と前記圧延板の圧延方向に直交する方向のいずれにおいても０．１μｍ以上１０μｍ以下であり、
前記銀被覆層の表面から厚さ方向の中央位置まで圧子を押し込んで測定した押し込み硬さが、前記基材の押し込み硬さの０．３倍以上１倍以下である金属材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
銅、銅合金からなる基材に銀めっきを施した金属材料は、自動車端子用の材料として好適である（例えば特許文献１〜３を参照）。嵌合型の自動車端子は、低挿入力で組み付け可能であることが要求されているため、低挿入力を達成する手段の一つとして表面の摩擦係数が小さいことが求められる。また、自動車端子は高温環境下で使用されることから、高温環境下に曝されても高い導電性、すなわち低い接触抵抗を維持する必要がある。
【０００３】
摩擦係数を下げる方法としては、潤滑油等の潤滑剤を使用する方法や、表面粗さを小さくして摩擦や摩耗を抑制する方法がある。しかしながら、潤滑剤は使用初期においては十分な効果が見られるものの、潤滑剤が枯渇すると直ちに効果が無くなる上、潤滑剤そのものが接触抵抗を大きくするおそれがあった。また、表面粗さを小さくして平滑性を上げたとしても、凝着による摩耗を完全に防ぐことは困難であるため、時間とともに摩擦係数が増加する場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１８９６８１号公報
【特許文献２】特開２００８−８８４９３号公報
【特許文献３】特開２００８−１６６７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、摩擦係数が小さく且つ耐摩耗性に優れる金属材料を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る金属材料は、銅又は銅合金からなる基材と、銀又は銀合金からなり基材上の最表面に積層された銀被覆層と、基材と銀被覆層との間に介在する１層以上の中間層と、を備え、中間層は、銅、ニッケル、亜鉛、クロム、又はこれらのうち１種以上の金属を含有する合金からなるめっき層であり、銀被覆層の表面の算術平均粗さＲａは０．１μｍ以上１０μｍ以下であり、銀被覆層の表面から厚さ方向の中央位置まで圧子を押し込んで測定した押し込み硬さが、基材の押し込み硬さの０．３倍以上１倍以下であることを要旨とする。
【０００７】
本発明の他の態様に係る金属材料は、銅又は銅合金からなる圧延板である基材と、銀又は銀合金からなり基材上の最表面に積層された銀被覆層と、基材と銀被覆層との間に介在する１層以上の中間層と、を備え、中間層は、銅、ニッケル、亜鉛、クロム、又はこれらのうち１種以上の金属を含有する合金からなるめっき層であり、銀被覆層の表面の最大高さＲｙは、圧延板の圧延方向に平行な方向と圧延板の圧延方向に直交する方向のいずれにおいても０．１μｍ以上１０μｍ以下であり、銀被覆層の表面から厚さ方向の中央位置まで圧子を押し込んで測定した押し込み硬さが、基材の押し込み硬さの０．３倍以上１倍以下であることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の金属材料は、摩擦係数が小さく且つ耐摩耗性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る金属材料の構造を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。なお、以下に示す各実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は以下の各実施形態に限定されるものではない。また、以下の各実施形態には種々の変更又は改良を加えることが可能であり、その様な変更又は改良を加えた形態も本発明に含まれ得る。
【００１１】
〔第一実施形態〕
図１に示す第一実施形態の金属材料は、銅又は銅合金からなる基材１と、銀又は銀合金からなり基材１上の最表面に積層された銀被覆層２と、基材１と銀被覆層２との間に介在する１層以上の中間層３と、を備えている。基材１の形状は特に限定されるものではなく、板状、棒状、線状、帯状、球状、粒状、塊状等があげられる。また、銀被覆層２の形成方法は特に限定されるものではないが、例えばめっき法を用いることができる。すなわち、銀被覆層２はめっき被膜とすることができる。
【００１２】
中間層３はめっき層であり、銅、ニッケル、亜鉛、又はクロムからなる。あるいは、中間層３は、銅、ニッケル、亜鉛、及びクロムのうち１種以上の金属を含有する合金からなるものでもよい。図１には、中間層３の数が１層である場合の例を示したが、中間層３の数は２層、３層等の複数であってもよい。中間層３の数が複数である場合は、これら複数の中間層３は、全て異なる金属からなるめっき層であってもよいし、隣接しない一部の中間層３は、同種の金属からなるめっき層であってもよい。
【００１３】
銀被覆層２の表面の算術平均粗さＲａは、０．１μｍ以上１０μｍ以下とされている。また、銀被覆層２の表面から厚さ方向の中央位置まで押し込み硬さ試験装置の圧子を押し込んで測定した押し込み硬さは、基材１の押し込み硬さの０．３倍以上１倍以下とされている。これらの押し込み硬さは、ＩＳＯ１４５７７に準拠する超微小押し込み硬さ試験で測定した押し込み硬さである。
【００１４】
このような第一実施形態の金属材料は、摩擦係数が小さく且つ耐摩耗性に優れる。そのため、第一実施形態の金属材料を用いて製造した自動車端子等の圧着端子、嵌合端子は、表面の摩擦係数が小さく低摩擦力であるため、低挿入力で組み付け可能である。また、高温環境下に曝されても、長期間にわたって低い接触抵抗を維持可能である。よって、第一実施形態の金属材料は、例えば、車載用や民生用の電気配線に使用されるコネクタ、スイッチ、リレー等の接点や端子部品の材料として好適に使用可能である。
【００１５】
〔第二実施形態〕
第二実施形態の金属材料の構成は、第一実施形態の金属材料の構成とほぼ同様であるので、図１を参照しながら第二実施形態の金属材料を説明する。また、第二実施形態の金属材料においては、第一実施形態の金属材料と同一又は相当する部分には同一の符号を使用する。
【００１６】
第二実施形態の金属材料は、銅又は銅合金からなる圧延板である基材１と、銀又は銀合金からなり基材１上の最表面に積層された銀被覆層２と、基材１と銀被覆層２との間に介在する１層以上の中間層３と、を備えている。銀被覆層２の形成方法についての説明と、中間層３の数や材質など中間層３についての説明は、第一実施形態の金属材料の場合と同様であるので、省略する。
【００１７】
銀被覆層２の表面の最大高さＲｙは、圧延板（基材１）の圧延方向に平行な方向と圧延板の圧延方向に直交する方向のいずれにおいても０．１μｍ以上１０μｍ以下とされている。また、銀被覆層２の表面から厚さ方向の中央位置まで押し込み硬さ試験装置の圧子を押し込んで測定した押し込み硬さは、基材１の押し込み硬さの０．３倍以上１倍以下とされている。これらの押し込み硬さは、ＩＳＯ１４５７７に準拠する超微小押し込み硬さ試験で測定した押し込み硬さである。
【００１８】
このような第二実施形態の金属材料は、第一実施形態の金属材料の場合と同様に、摩擦係数が小さく且つ耐摩耗性に優れる。そのため、第二実施形態の金属材料は、第一実施形態の金属材料の場合と同様の用途に使用可能であり、優れた性能を発揮しうる。
なお、第二実施形態の金属材料は、第一実施形態の金属材料が備えるべき要件を同時に備えていてもよい。すなわち、銀被覆層２の表面の算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上１０μｍ以下で、且つ、最大高さＲｙが圧延板（基材１）の圧延方向に平行な方向と圧延板の圧延方向に直交する方向のいずれにおいても０．１μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。
【００１９】
ここで、第一、第二実施形態の金属材料における表面性状と摩擦係数、耐摩耗性との関係について説明する。
クーロンの摩擦法則Ｆ＝μＮ（Ｆ：摩擦力、μ：摩擦係数、Ｎ：垂直荷重）と、凝着理論に基づいた摩擦力の式Ｆ＝τ・Ａ（Ｆ：摩擦力、τ：せん断力、Ａ：接触面積）とから、摩擦係数μを小さくするためには、せん断力τ又は接触面積Ａを小さくすればよいことが分かる。よって、金属材料の表面（銀被覆層２）の算術平均粗さＲａ又は最大高さＲｙを小さくすれば、見かけ上の接触面積を適度に低下させることができ、ひいては摺動による銀被覆層２の削れ量を減少させ、低い摩擦係数を実現することができる。
【００２０】
この時、算術平均粗さＲａや最大高さＲｙが０．１μｍよりも小さいと、金属材料の表面が平滑すぎて見かけ上の接触面積が増大し、摩擦係数が十分に低下しないおそれがある。
一方、算術平均粗さＲａや最大高さＲｙが１０μｍよりも大きいと、接触面積は小さくなるものの、電気接点として接触箇所が減少するため接触抵抗が増大してしまい、端子材として十分な性能を備えることが困難となるおそれがある。また、相手材との接触時に銀被覆層２の表面の凸部のみに荷重が集中するため、動摩擦係数が高くなり、摩耗が発生するおそれがある。
【００２１】
また、銀被覆層２の表面に押し込み硬さ試験装置（例えばナノインデンター）の圧子を押し込んで測定した押し込み硬さが、基材１の押し込み硬さ以下であれば、相手材との摺動による銀被覆層２の削れが生じにくくなるので、長期間摺動させた場合においても低い摩擦係数が維持される。
【００２２】
〔実施例〕
以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
クロム及びマグネシウムを含有する銅合金からなる厚さ０．３ｍｍ、幅２５０ｍｍの条（古河電気工業株式会社製の「ＥＦＴＥＣ（登録商標）−５５０」）を基材とした。まず、この条に電解脱脂処理、酸洗処理、水洗処理、必要に応じて乾燥処理をこの順に行って、前処理を施した。電解脱脂処理に用いた脱脂液は、濃度６０ｇ／Ｌの水酸化ナトリウム水溶液である。電解脱脂処理の条件は、電流密度２．５Ａ／ｄｍ２、温度６０℃、脱脂時間６０秒である。酸洗処理に用いた酸洗液は、濃度１０質量％の硫酸水溶液である。酸洗処理の条件は、室温の酸洗液に３０秒間浸漬するというものである。
【００２３】
次に、前処理を行った銅合金製の条に各種めっきを施して、中間層に相当するニッケル被膜と銀被覆層に相当する銀被膜とを被覆し、実施例１〜８及び比較例１〜５の金属材料を得た。めっきは、ニッケルめっき、銀ストライクめっき、銀めっきの順に行った。ニッケルめっきに用いためっき液は、スルファミン酸ニッケル、塩化ニッケル（ＮｉＣｌ２）、ホウ酸を含有するものであり、スルファミン酸ニッケル濃度は５００ｇ／Ｌ、塩化ニッケル濃度は３０ｇ／Ｌ、ホウ酸濃度は３０ｇ／Ｌである。ニッケルめっきのめっき条件は、電流密度１０Ａ／ｄｍ２、温度５５℃である。
【００２４】
銀ストライクめっきに用いためっき液は、シアン化銀（ＡｇＣＮ）、シアン化カリウム（ＫＣＮ）、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）を含有するものであり、シアン化銀濃度は５ｇ／Ｌ、シアン化カリウム濃度は６０ｇ／Ｌ、炭酸カリウム濃度は３０ｇ／Ｌである。銀ストライクめっきのめっき条件は、電流密度２Ａ／ｄｍ２、温度３０℃である。
【００２５】
銀めっきに用いためっき液は、シアン化銀（ＡｇＣＮ）、シアン化カリウム（ＫＣＮ）、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）を含有するものであり、シアン化銀濃度は５０ｇ／Ｌ、シアン化カリウム濃度は１００ｇ／Ｌ、炭酸カリウム濃度は３０ｇ／Ｌである。銀めっきのめっき条件は、温度３０℃である。
【００２６】
ニッケルめっきと銀めっきにおいては、電流値と通電時間を制御することにより、ニッケル被膜と銀被膜の膜厚を制御した。ニッケル被膜と銀被膜の平均膜厚は、表１に示す通りである。なお、ニッケル被膜と銀被膜の平均膜厚は、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製の蛍光Ｘ線膜厚計ＳＦＴ９４００を用いて測定した。その際には、金属材料の幅方向中央部分の３箇所にて測定を行い、それらの平均値を算出して平均膜厚とした。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
また、銀めっきにおいては、電位と通電時間（平均膜厚）を制御することにより、銀被膜の表面の算術平均粗さＲａ及び最大高さＲｙと銀被膜の硬さとを制御した。銀被膜の表面の算術平均粗さＲａ及び最大高さＲｙは、表１に示す通りである。なお、銀被膜の表面の算術平均粗さＲａ及び最大高さＲｙは、触針式の表面粗さ計を用いて測定した。その際には、金属材料の幅方向中央部分の４箇所にて測定を行い、それらの平均値を算出して銀被膜の表面の算術平均粗さＲａ及び最大高さＲｙとした。また、最大高さＲｙについては、条の圧延方向に平行な方向の最大高さＲｙと条の圧延方向に直交する方向の最大高さＲｙとをそれぞれ測定した。
【００２９】
銀被膜の硬さは、ＩＳＯ１４５７７に準拠する超微小押し込み硬さ試験で測定した押し込み硬さであり、銀被膜の表面から厚さ方向の中央位置まで超微小押し込み硬さ試験装置（例えば、株式会社エリオニクス製の超微小押し込み硬さ試験機ＥＮＴ−２１００）の圧子を押し込んで測定したものである。表１に銀被膜の硬さを示すが、表１には、上記のようにして測定した銀被膜の押し込み硬さと条（基材）の押し込み硬さの比（［銀被膜の押し込み硬さ］／［条の押し込み硬さ］）を示す。
【００３０】
このようにして得られた実施例１〜８及び比較例１〜５の金属材料の評価を行った。評価項目は、動摩擦係数、接触抵抗（加熱処理前及び加熱処理後）、及び曲げ加工性である。各評価方法について以下に説明する。
（動摩擦係数の測定方法について）
金属材料の表面の動摩擦係数の測定は、バウデン型摩擦試験機を用いて行った。実施例１〜８及び比較例１〜５の金属材料に摺動させる相手材としては、被検体である金属材料と同じ物を張り出し加工して曲率半径２ｍｍの半球部を有する形状に加工したもの（以下「張り出し材」と記す）を用いた。具体的には、実施例１〜８及び比較例１〜５の金属材料の表面に張り出し材の半球部の球面を接触させ、荷重０．９８Ｎを負荷しつつ１０ｍｍの距離を相対移動させ、往復１０回摺動させた。この際の摺動速度は１００ｍｍ／分とした。そして、摺動終了後の動摩擦係数を評価した。結果を表１に示す。
【００３１】
（接触抵抗の測定方法について）
実施例１〜８及び比較例１〜５の金属材料をそれぞれ切断して、一辺５０ｍｍの正方形状の被検体を作製した。また、動摩擦係数の測定方法の場合と同様にして、被検体である金属材料と同じ物を張り出し加工して半球部を有する形状に加工した張り出し材を作製した。
【００３２】
次に、張り出し材の半球部の球面と被検体の表面とを、荷重１Ｎを負荷しつつ接触させて、ＤＣ電流源（株式会社ＴＦＦ  ケースレーインスツルメンツ製の６２２０型精密ＤＣ電流源）から１０ｍＡの電流を流した。そして、張り出し材の半球部の球面と被検体の表面との界面に生じる電気抵抗を、電流測定器（株式会社ＴＦＦ  ケースレーインスツルメンツ製の２１８２Ａ型ナノボルトメータ）で測定した。測定は１０回行い、それらの平均値を算出して金属材料の接触抵抗とした。
【００３３】
金属材料の接触抵抗の測定は、金属材料に加熱処理を施す前後でそれぞれ行った。すなわち、金属材料の接触抵抗の測定は、金属材料に加熱処理を施す前に行うとともに、金属材料を大気下で１７０℃に加熱し１０００時間放置するという加熱処理を施した後にも行った。結果を表１に示す。
【００３４】
（曲げ加工性の評価方法について）
実施例１〜８及び比較例１〜５の金属材料をそれぞれ切断して、幅１０ｍｍ、長さ３０ｍｍの長方形状の被検体を作製し、各被検体に対してＪＩＳ  Ｚ２２４８：２００６に規定されたＶブロック法による９０°曲げ試験を実施した。なお、曲げ試験時に被検体に負荷する荷重は５００ｋｇであり、曲げ半径は０．１ｍｍであり、曲げ方向は被検体（条）の圧延方向と直交する方向である。
【００３５】
そして、株式会社キーエンス製のマイクロスコープを用いて、曲げ部の頂上部に銀被膜の割れが生じたか否かを確認した。結果を表１に示す。表１においては、銀被膜の割れが生じなかった場合は「○」印で示し、銀被膜の割れが生じて基材（条）の露出が確認された場合は「×」印で示した。
【００３６】
表１に示す結果から分かるように、実施例１〜８の金属材料は、比較例１〜５の金属材料に比べて、動摩擦係数、接触抵抗ともに小さい。
【符号の説明】
【００３７】
１      基材
２      銀被覆層
３      中間層
【図１】
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