JP4279285B2 - 可動接点用銀被覆ステンレス条およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、長寿命の可動接点が高歩留まりで得られる、銀被覆ステンレス条およびその製造方法に関する。

コネクター、スイッチ、端子などの電気接点部には皿バネ接点、ブラシ接点、クリップ接点などが用いられている。これら接点には、比較的安価で、耐食性、機械的性質などに優れる銅合金やステンレス鋼などの基材上にニッケルを下地めっきし、その上に導電性と半田付け性に優れる銀を被覆した複合接点材料が多用されている（特許文献１）。

ステンレス鋼基材を用いた複合接点材料は、銅合金基材を用いたものより機械的性質、疲労寿命などに優れるため接点の小型化に有利であり、また動作回数の増加も可能なため長寿命のタクティルプッシュスイッチや検出スイッチなどの可動接点に使用されている。

しかしながら、ステンレス鋼基材を用いた複合接点材料は、スイッチの接点圧力が大きいため接点部の銀被覆層が剥離し易いという問題があった。前記剥離は、特に、小径のドーム型可動接点で起き易く、スイッチの小型化に向けて解決すべき重要課題である。

ステンレス鋼基材を用いた複合接点材料の寿命改善については種々提案されているが、いずれにも問題がある。
即ち、（１）ステンレス鋼基材上にニッケル層、パラジウム層、金層をこの順に形成したもの（特許文献２）はパラジウム層が導電性に劣るため、接点の電気抵抗が増加する。（２）ステンレス鋼基材上にニッケル層、銅層、ニッケル層、金層をこの順に形成したもの（特許文献３）はニッケル層が硬いため曲げ加工時に金層にクラックが発生し、下層が露出して耐食性が低下する。（３）ステンレス鋼基材上にニッケル層、銅層、銀層をこの順に電気めっきしたもの（特許文献４〜６）はニッケル下地層が硬く、かつ０．２〜０．５μｍと厚いため接点の小型化に必要な高度の加工性が得られない。

この他、前記銀被覆複合接点材料には、小型可動接点に高速度でプレス成形される際に銀被覆層が剥離して製造歩留まりが低下するという問題がある。
この対策として、ステンレス鋼基材上にニッケルを下地めっきする際のアノードにステンレス鋼または鉄−ニッケル合金を使用し、剥離の一因と目される水素脆化を防止する方法が考案された（特許文献７）が、この方法はニッケルめっき液が鉄イオンにより汚染され、めっき層に鉄が過剰に析出して、めっき層の密着性が低下した。
特開昭５９−２１９９４５号公報 特開平１１−２３２９５０号公報 特開昭６３−１３７１９３号公報 特開２００４−２６３２７４号公報 特開２００５−００２４００号公報 特開２００５−１３３１６９号公報 特開昭６１−２３７８８号公報

本発明者らはこのような状況に鑑み鋭意研究を行い、銀被覆層の剥離は、ステンレス鋼基材とニッケル下地層の間で起きること、前記下地層に所定の活性化処理を施すと双方の密着性が改善されることを知見し、さらに研究を進めて本発明を完成させるに至った。
本発明は、高速プレス成形時や接点として使用中に銀被覆層が剥離しない、長寿命の可動接点が高歩留まりで得られる、銀被覆ステンレス条およびその製造方法の提供を目的とする。

請求項１記載発明は、ステンレス鋼基材表面の少なくとも一部に厚さ０．０１〜０．１μｍのニッケル下地層が形成され、前記ニッケル下地層は４０〜９０℃の温度で３秒以上保持する活性化処理が施されており、前記活性化処理後のニッケル下地層上にニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金のうちの少なくとも１種からなる厚さ０．０５〜０．２μｍの中間層が形成され、前記中間層上に銀または銀合金の最表層が形成されていることを特徴とする可動接点用銀被覆ステンレス条である。

請求項２記載発明は、ステンレス鋼基材表面の少なくとも一部に厚さ０．０１〜０．１μｍのニッケル下地層を電気めっきし、次いで前記ニッケル下地層に４０〜９０℃の温度で３秒以上保持する活性化処理を施し、前記活性化処理温度を前記ニッケル下地層の形成を含むめっき前処理で使用される電流とステンレス鋼材の電気抵抗による発熱により付与し、次いで前記活性化処理後のニッケル下地層上にニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金のうちの少なくとも１種からなる厚さ０．０５〜０．２μｍの中間層を形成し、次いで前記中間層上に銀または銀合金の最表層を形成することを特徴とする可動接点用銀被覆ステンレス条の製造方法である。

本発明の可動接点用銀被覆ステンレス条は、ニッケル下地層に活性化処理を施すのでステンレス基材とニッケル下地層間の密着性が向上し、高速プレス成形時や可動接点として使用中に銀被覆層が剥離するのが防止され、これにより可動接点の生産性向上、小型化および寿命改善が実現する。また前記銀被覆ステンレス条はニッケル下地層に４０〜９０℃の温度で３秒以上保持する活性化処理を施す以外は、常法により製造できるので生産性に優れる。しかも前記活性化処理温度は前記ニッケル下地層の形成を含むめっき前処理で使用される電流とステンレス鋼材の電気抵抗による発熱により付与できるので低コストである。

本発明では、ニッケル下地層は、活性化処理により、ステンレス鋼基材に含まれる鉄と反応して、厚さ方向の成分変化が緩やかなニッケル鉄合金に変化する。そのためプレス成形時や可動接点として使用中に、ステンレス鋼基材とニッケル下地層界面に集中するひずみがニッケル下地層の厚さ方向に分散されてステンレス鋼基材とニッケル下地層間の剥離が防止される。

本発明において、可動接点の機械的強度を担うステンレス鋼基材には、応力緩和特性および耐疲労破壊特性に優れるＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６などの圧延調質材またはテンションアニール材が好適である。

本発明において、ステンレス鋼基材上に形成されるニッケル下地層は、後の活性化処理により活性化されて、ステンレス鋼基材との密着性が向上する。従って、前記ニッケル下地層上に形成される中間層および最上層からなる銀被覆層の剥離が防止される。

活性化処理後のニッケル下地層（以下、適宜、活性化層と記す。）は、ニッケル下地層にステンレス鋼基材の鉄が反応して形成された、厚さ方向に緩やかに成分変化するニッケル鉄合金からなる。ステンレス鋼には、鉄以外にクロム、コバルト、モリブデンなどが含まれるが、これらの成分が活性化層に混入してもかまわない。

前記活性化層は、ステンレス鋼基材を、ニッケル下地層形成後に４０〜９０℃で３秒以上保持する活性化処理により形成される。

ステンレス鋼基材上にニッケル下地層を電気めっきする際、通常、給電ロールは、給電電圧を下げるため、めっき槽の近くに設置するが、本発明では、給電ロールをめっき槽から離れた位置に設置してステンレス鋼基材の抵抗発熱量を大きくし、この熱を利用してニッケルめっき層を４０〜９０℃に加温する。

本発明において、活性化処理を４０〜９０℃の温度で３秒以上行う理由は、４０℃未満でも、３秒未満でも、ニッケル下地層に鉄ニッケル合金層が十分に形成されず、９０℃を超えると、活性化層表面が酸化して中間層との間の密着性が低下するためである。特に望ましい活性化処理条件は６０〜８０℃、４〜６秒である。

本発明において、ニッケル下地層の厚さを０．０１〜０．１μｍに規定する理由は、０．０１μｍ未満ではステンレス鋼基材との間の密着性が十分向上せず、０．１μｍを超えるとその密着性改善効果が飽和するうえ、活性化層に脆い析出物が生成して、プレス成形時や接点としての使用中に銀被覆層の割れの発生原因になるためである。
ニッケル下地層の特に望ましい厚さは０．０２〜０．１μｍである。

本発明において、活性化処理後のニッケル下地層上に中間層（ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金など）を形成する理由は、最上層（銀または銀合金）を透過する酸素を中間層でトラップして活性化層が酸化してその密着性向上効果が低下するのを防止するためである。

本発明において、中間層の厚さを０．０５〜０．２μｍに規定する理由は、０．０５μｍ未満では、その効果が十分に得られず、０．２μｍを超えるとその効果が飽和するためである。特にニッケル層は硬いため厚くなると曲げ加工時に割れて銀被覆層の剥離の原因になる。

中間層は、ニッケル、ニッケル合金、又は銅、銅合金で形成するが、より長寿命の接点材料が必要な場合には、銅又は銅合金の方がニッケルよりも酸素トラップ性並びに加工性に優れ推奨される。前記ニッケル合金は、ニッケルにコバルト、クロム、銅から選ばれる１種または２種以上を１〜１０質量％含む合金、銅合金は、銅にスズ、亜鉛、ニッケルから選ばれる１種または２種を１〜１０質量％含む合金が使用できる。

本発明において、最表層（銀または銀合金）の厚さを０．５〜２．０μｍに規定する理由は、０．５μｍ未満では銀または銀合金の接触安定性に優れる効果が十分に得られず、２．０μｍを超えるとその効果が飽和するためである。銀合金としては、銀にアンチモンを０．１〜２．０質量％含む合金が耐摩耗性に優れ推奨される。

本発明において、中間層が銅層または銅合金層の場合、互いに接する層同士の金属元素（銀と銅、銅とニッケル）が相互に固溶するため、プレス成形時に作用するせん断応力による剥がれが起き難い。

特に、中間層が銅層または銅合金層の場合、最表層形成後、非酸化性雰囲気中で加熱処理することにより、中間層と最表層間で銀と銅の合金層が厚く形成され、せん断応力が向上する。加熱処理の温度が高すぎたり、時間が長すぎたりすると最表層の銀がすべて合金化して接触安定性および導電性が低下する。銀と銅の合金層の厚さは０．１μｍ以下が好ましく、加熱条件は２００〜４００℃×１分間〜５時間が好ましい。加熱処理するときの非酸化性雰囲気は、水素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガスなどの還元雰囲気或いは不活性ガス雰囲気が使用できるが、特にアルゴンガス雰囲気が好ましい。

本発明において、ニッケル下地層、中間層（ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金）、最表層（銀、銀合金）の各層は、電気めっき法、無電解めっき法、物理・化学的蒸着法など任意の方法により形成できるが、電気めっき法が生産性およびコストの面で有利である。前記各層は、ステンレス鋼基材の全面に形成してもよいが、接点部のみに形成するのが経済的である。

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、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

金属条を連続的に通板して巻取るめっきラインを用いて、厚さ０．０６ｍｍ、幅１００ｍｍのＳＵＳ３０１条に、電解脱脂、水洗、ニッケル下地めっき、活性化処理、水洗、中間層（ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金）めっき、水洗、銀ストライクめっき、最表層（銀）めっき、水洗、乾燥の各処理をこの順に施して、銀被覆ステンレス条を製造した。中間層のニッケル合金にはＮｉ−２質量％Ｃｏ合金、銅合金にはＣｕ−１質量％Ｓｎ合金およびＣｕ−５質量％Ｚｎ合金を用いた。中間層に銅を用いた銀被覆ステンレス条の一部は２５０℃のアルゴン雰囲気中で２時間熱処理した。

前記各処理の条件は次の通りである。
（１）電解脱脂：ＳＵＳ３０１条をオルソケイ酸ソーダ１００ｇ／ｌの水溶液を用いて陰極電解して施した。（２）ニッケル下地めっき：塩化ニッケル５ｇ／ｌと３０％遊離塩酸のめっき液を用いて陰極電流密度２Ａ／ｄｍ^２の条件で施した。（３）活性化処理：ニッケル下地めっき後のＳＵＳ３０１条を４０〜９０℃の温水〜熱水に３秒以上保持して施した。電解脱脂から活性化処理までの間のＳＵＳ３０１条の温度は、ＳＵＳ３０１条を冷却器により温度調整した水洗槽内に浸漬して制御した。（４）中間層（ニッケル系）めっき：塩化ニッケル２５０ｇ／ｌと遊離塩酸５０ｇ／ｌを含むめっき液を用い、全陰極電流密度５Ａ／ｄｍ^２の条件で施した。（５）中間層（銅系）めっき：硫酸銅１５０ｇ／ｌと遊離硫酸１００ｇ／ｌを含むめっき液を用いて陰極電流密度５Ａ／ｄｍ^２の条件で施した。（６）銀ストライクめっき：シアン化銀５ｇ／ｌとシアン化カリウム５０ｇ／ｌを含むめっき液を用い、陰極電流密度２Ａ／ｄｍ^２の条件で施した。（７）銀めっき：シアン化銀５０ｇ／ｌ、シアン化カリウム５０ｇ／ｌ、炭酸カリウム３０ｇ／ｌを含むめっき液を用いて、陰極電流密度５Ａ／ｄｍ^２の条件で施した。

得られた各々の銀めっきステンレス条を直径４ｍｍのドーム型可動接点にプレス成形して割れの発生状況を２０倍の実体顕微鏡を用いて調べた（ｎ＝１０００）。
また割れが生じなかった健全な可動接点を用いてスイッチを組立て、図２（イ）、（ロ）に示す方法で打鍵試験を、接点圧力９．８Ｎ／ｍｍ^２、打鍵速度５Ｈｚ、打鍵回数１００万回で行い、打鍵試験後の銀被覆層の接触抵抗を調べた（ｎ＝２０）。また打鍵試験後の銀被覆層の状況を観察した。

前記スイッチは、図１に示すように、樹脂ケース１内の１対の固定接点２上にドーム型可動接点４を固定接点３を跨いで配置したものであり、このスイッチは、図２（イ）に示すように、ドーム型可動接点４の中央部表面を押圧（打鍵）して、その裏面を固定接点３に接触させると２極の固定接点２、３間に電流が流れる（図２（ロ））。固定接点２、３には銀を１μｍ厚さにめっきした黄銅条を用いた。図２で５は樹脂の充填材である。

［比較例１］
ニッケル下地層或いは中間層の厚さ、または活性化処理温度或いは処理時間を本発明規定値外とした他は、実施例１と同じ方法により銀被覆ステンレス条を製造し、実施例１と同じ調査を行った。

実施例１および比較例１の調査結果を表１に示した。
表１には打鍵試験前の接触抵抗を併記した。

表１から明らかように、実施例１（本発明例）の可動接点用銀めっきステンレス条は、プレス成形で銀被覆層が剥がれることがなく、良好な形状を呈していた。また１００万回打鍵後においても銀被覆層の接触抵抗の増加は極僅かであった。特にＮｏ．１４は、銀めっき後熱処理を施して中間層と最表層間に銀銅合金層を形成したため、両層間の密着性が向上した。そのため打鍵による接触抵抗の増加は全く認められなかった。

これに対し、比較例１のＮｏ．１５はニッケル下地層（活性化層）の厚さが薄すぎ、Ｎｏ．１６はニッケル下地層の厚さが厚すぎて脆化傾向が現れたため、Ｎｏ．１７はニッケル下地層を設けなかったため、また、Ｎｏ．１８は処理温度が低く活性化層を充分に形成されなかったため、Ｎｏ．１９は活性化処理温度が高すぎたため、更に、Ｎｏ．２０は中間層の厚さが薄く活性化層が酸化したため、Ｎｏ．２１は中間層の厚さが厚すぎて割れが生じやすくなったため、いずれにおいてもステンレス鋼基材とニッケル下地層間の密着性が低下した。その結果、比較例１は、プレス成形時に銀被覆層に割れが多数生じ、また打鍵後に銀被覆層の接触抵抗が増大した。

打鍵試験に用いたスイッチの平面説明図である。 図１に示したスイッチのＡ−Ａ断面説明図で、(イ)はスイッチ動作前、（ロ）はスイッチ動作後である。

符号の説明

１ 樹脂ケース
２ 固定接点
３ 固定接点
４ ドーム型可動接点
５ 樹脂の充填材

Claims (2)

1. ステンレス鋼基材表面の少なくとも一部に厚さ０．０１〜０．１μｍのニッケル下地層が形成され、前記ニッケル下地層は４０〜９０℃の温度で３秒以上保持する活性化処理が施されており、前記活性化処理後のニッケル下地層上にニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金のうちの少なくとも１種からなる厚さ０．０５〜０．２μｍの中間層が形成され、前記中間層上に銀または銀合金の最表層が形成されていることを特徴とする可動接点用銀被覆ステンレス条。
2. ステンレス鋼基材表面の少なくとも一部に厚さ０．０１〜０．１μｍのニッケル下地層を電気めっきし、次いで前記ニッケル下地層に４０〜９０℃の温度で３秒以上保持する活性化処理を施し、前記活性化処理温度を前記ニッケル下地層の形成を含むめっき前処理で使用される電流とステンレス鋼材の電気抵抗による発熱により付与し、次いで前記活性化処理後のニッケル下地層上にニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金のうちの少なくとも１種からなる厚さ０．０５〜０．２μｍの中間層を形成し、次いで前記中間層上に銀または銀合金の最表層を形成することを特徴とする可動接点用銀被覆ステンレス条の製造方法。

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