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技術 ヒューズ用銅合金

出願人 株式会社神戸製鋼所
発明者 得居康也
出願日 2018年6月29日 (2年6ヶ月経過) 出願番号 2018-123948
公開日 2020年1月9日 (11ヶ月経過) 公開番号 2020-002439
状態 未査定
技術分野 ヒューズ 非鉄金属または合金の熱処理
主要キーワード 電力ヒューズ 銅合金溶 Mg金属間化合物 Mg合金板 溶断試験 銅合金基材 剥離防止効果 溶断時間
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この項目の情報は公開日時点(2020年1月9日)のものです。
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図面 (4)

課題

導電率が高く、かつヒューズ溶断時間を短縮できる析出型ヒューズ用銅合金を提供する。

解決手段

Sn:0.1〜1.0質量%、Mg:0.1〜1.0質量%を含み、残部Cu及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金。

効果

該ヒューズ用銅合金を時効処理すると、SnとMgがSn−Mg金属間化合物を形成して銅マトリックス中に析出し、これによりヒューズ用銅合金は高い導電率を示す。析出したSn−Mg金属間化合物は、350℃を超えた領域において銅マトリックス中に再固溶し、それに伴いヒューズ用銅合金の導電率が低下する。従来材よりかなり低温の領域において導電率が低下することから、ヒューズに過電流が流れたとき、昇温途中の比較的早い段階でジュール熱発生量が増加し、その結果、ヒューズの溶断時間が短縮される。

概要

背景

自動車家電製品及び電子機器等に搭載される電気電子部品の小型化が急速に進行している。これらの電子機器等において、過電流が流れたときに回路を保護し、装置や部品焼損することを避けるため、瞬時に断線するよう機能する電力ヒューズが使用されている。ヒューズ材料固有抵抗が大きければ、過電流が流れたときに発生するジュール熱が大きく、このジュール熱でヒューズ溶断し、電気回路が保護される。
特許文献1には、Zn:37〜43質量%、Sn:0.1〜1質量%、残部Cu及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金が記載されている。特許文献2には、Zn:20〜40質量%、Ni:2〜10質量%、Mn:1〜10質量%、Sn:0.01〜3質量%を含み、残部Cu及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金が記載されている。また、特許文献3には、Ni:7〜25質量%、Zn:5〜32質量%を含み、残部Cu及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金が記載されている。これらのヒューズ用銅合金は、比較的固有抵抗が大きく(導電率が低い)、過電流が流れたとき短時間で溶断するヒューズを製造できる。

一方、自動車の電装化が進むことによって、電気回路に流れる電流値が増加し、ヒューズ用銅合金としても、高い導電率(小さい固有抵抗)が必要とされるようになっている。しかし、ヒューズの導電率が高いと、過電流が流れたときに発生するジュール熱が小さく、ヒューズが溶断するまでの時間が増加するという問題がある。この問題を解決する目的で、低温で比較的高い導電率を示し、温度が上昇したとき導電率が低下するヒューズ用銅合金が開発されている。このヒューズ用銅合金をヒューズとして用いた場合、定常時は導電率が高く、過電流が流れてジュール熱により温度が上昇すると導電率が低下する。ヒューズの導電率が低下することにより発生するジュール熱が増加し,ヒューズは短時間で溶断する。

特許文献4には、Zn:25〜40質量%、P:0.01〜0.1質量%、Fe:0.02〜0.50質量%を含み、残部Cu及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金が記載されている。特許文献5には、Fe:1.5〜3.0質量%、P:0.01〜0.1質量%、Zn:1.0〜5.0質量%を含み、残部Cu及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金が記載されている。特許文献6には、Ni:0.4〜4.0質量%、Si:0.1〜1.0質量%、Zn:0.0.5〜1.0質量%、Mg:0.005〜0.1質量%、及びCr、Ti、Zrの1種以上を0.001〜0.01質量%含み、残部Cu及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金が記載されている。これらのヒューズ用銅合金では、定常時は金属間化合物(Fe−P,Ni−Si)が析出した状態で導電率が比較的高く、温度が上昇すると金属間化合物が再固溶して導電率が低下する。

また、特許文献7,8には、特許文献4〜6に記載されたヒューズ用銅合金と同様の作用を有するヒューズ用銅合金材が記載されている。このヒューズ用銅合金材は、銅合金基材の表面に、Ni−Sn合金又は/及びNi−Cu−Sn合金層からなるNi,Sn含有合金層、及びSn層をめっきしたものである。これらのヒューズ用銅合金材は、過電流が流れてジュール熱により温度が上昇すると、銅合金基材のCuとSn層のSnが合金化し、銅合金基材が急速に減肉して電気抵抗が増加する。

概要

導電率が高く、かつヒューズの溶断時間を短縮できる析出型ヒューズ用銅合金を提供する。Sn:0.1〜1.0質量%、Mg:0.1〜1.0質量%を含み、残部Cu及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金。該ヒューズ用銅合金を時効処理すると、SnとMgがSn−Mg金属間化合物を形成して銅マトリックス中に析出し、これによりヒューズ用銅合金は高い導電率を示す。析出したSn−Mg金属間化合物は、350℃を超えた領域において銅マトリックス中に再固溶し、それに伴いヒューズ用銅合金の導電率が低下する。従来材よりかなり低温の領域において導電率が低下することから、ヒューズに過電流が流れたとき、昇温途中の比較的早い段階でジュール熱の発生量が増加し、その結果、ヒューズの溶断時間が短縮される。

目的

本発明は、上記のような考え方を基になされたもので、比較的導電率が高く、かつヒューズの溶断時間をより短縮できる析出型ヒューズ用銅合金を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

Sn:0.1〜1.0質量%、Mg:0.1〜1.0質量%を含み、残部Cu及び不可避不純物からなることを特徴とするヒューズ銅合金

請求項2

Sn:0.4〜0.6質量%、Mg:0.1〜0.3質量%である請求項1に記載されたヒューズ用銅合金。

技術分野

0001

本発明は、導電率が高く、かつ過電流に対する溶断特性に優れたヒューズ銅合金に関する。

背景技術

0002

自動車家電製品及び電子機器等に搭載される電気電子部品の小型化が急速に進行している。これらの電子機器等において、過電流が流れたときに回路を保護し、装置や部品焼損することを避けるため、瞬時に断線するよう機能する電力ヒューズが使用されている。ヒューズ材料固有抵抗が大きければ、過電流が流れたときに発生するジュール熱が大きく、このジュール熱でヒューズが溶断し、電気回路が保護される。
特許文献1には、Zn:37〜43質量%、Sn:0.1〜1質量%、残部Cu及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金が記載されている。特許文献2には、Zn:20〜40質量%、Ni:2〜10質量%、Mn:1〜10質量%、Sn:0.01〜3質量%を含み、残部Cu及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金が記載されている。また、特許文献3には、Ni:7〜25質量%、Zn:5〜32質量%を含み、残部Cu及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金が記載されている。これらのヒューズ用銅合金は、比較的固有抵抗が大きく(導電率が低い)、過電流が流れたとき短時間で溶断するヒューズを製造できる。

0003

一方、自動車の電装化が進むことによって、電気回路に流れる電流値が増加し、ヒューズ用銅合金としても、高い導電率(小さい固有抵抗)が必要とされるようになっている。しかし、ヒューズの導電率が高いと、過電流が流れたときに発生するジュール熱が小さく、ヒューズが溶断するまでの時間が増加するという問題がある。この問題を解決する目的で、低温で比較的高い導電率を示し、温度が上昇したとき導電率が低下するヒューズ用銅合金が開発されている。このヒューズ用銅合金をヒューズとして用いた場合、定常時は導電率が高く、過電流が流れてジュール熱により温度が上昇すると導電率が低下する。ヒューズの導電率が低下することにより発生するジュール熱が増加し,ヒューズは短時間で溶断する。

0004

特許文献4には、Zn:25〜40質量%、P:0.01〜0.1質量%、Fe:0.02〜0.50質量%を含み、残部Cu及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金が記載されている。特許文献5には、Fe:1.5〜3.0質量%、P:0.01〜0.1質量%、Zn:1.0〜5.0質量%を含み、残部Cu及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金が記載されている。特許文献6には、Ni:0.4〜4.0質量%、Si:0.1〜1.0質量%、Zn:0.0.5〜1.0質量%、Mg:0.005〜0.1質量%、及びCr、Ti、Zrの1種以上を0.001〜0.01質量%含み、残部Cu及び不可避不純物からなるヒューズ用銅合金が記載されている。これらのヒューズ用銅合金では、定常時は金属間化合物(Fe−P,Ni−Si)が析出した状態で導電率が比較的高く、温度が上昇すると金属間化合物が再固溶して導電率が低下する。

0005

また、特許文献7,8には、特許文献4〜6に記載されたヒューズ用銅合金と同様の作用を有するヒューズ用銅合金材が記載されている。このヒューズ用銅合金材は、銅合金基材の表面に、Ni−Sn合金又は/及びNi−Cu−Sn合金層からなるNi,Sn含有合金層、及びSn層をめっきしたものである。これらのヒューズ用銅合金材は、過電流が流れてジュール熱により温度が上昇すると、銅合金基材のCuとSn層のSnが合金化し、銅合金基材が急速に減肉して電気抵抗が増加する。

先行技術

0006

特開昭61−41737号公報
特開昭63−213628平号公報
特開昭63−230837号公報
特開平3−253527号公報
特開平5−86428号公報
特開平5−198247号公報
特開2007−35314号公報
特開2008−169445号公報

発明が解決しようとする課題

0007

特許文献5,6に記載されたヒューズ用銅合金は析出型であり、金属間化合物が析出しているとき、比較的に導電率が高く(60%IACS程度)、その状態(金属間化合物を析出させた状態)でヒューズとして用いられる。
一方、特許文献5の図4及び特許文献6の図5を見ると、これらのヒューズ用銅合金において、金属間化合物(Fe−P,Ni−Si)は500℃を越える温度領域で固溶し、ヒューズ用銅合金の導電率が低下する(電気抵抗が増加する)。従って、これらのヒューズ用銅合金からなるヒューズに過電流が流れたとき発生するジュール熱は、ヒューズの温度が500℃を超えるまでは増加せず、500℃を越えてから増加する。このように、ヒューズの昇温途中でジュール熱の発生量が増加することで、ヒューズの溶断時間が短縮されるが、仮にヒューズ用銅合金の導電率が500℃より低温の領域で低下するのであれば、昇温途中のより早い段階でジュール熱の発生量が増加し、ヒューズの溶断時間がより短縮されるはずである。

0008

本発明は、上記のような考え方を基になされたもので、比較的導電率が高く、かつヒューズの溶断時間をより短縮できる析出型ヒューズ用銅合金を提供することを目的とする。なお、本発明においてヒューズ用とは、ヒューズ端子用(特許文献4〜8参照)を含む。

課題を解決するための手段

0009

本発明に係るヒューズ用銅合金は、Sn:0.1〜1.0質量%、Mg:0.1〜1.0質量%を含み、残部Cu及び不可避不純物からなる。好ましくは、Sn:0.4〜0.6質量%、Mg:0.1〜0.3質量%である。

発明の効果

0010

本発明に係るヒューズ用銅合金を時効処理すると、SnとMgがSn−Mg金属間化合物を形成して銅マトリックス中に析出し、これによりヒューズ用銅合金は高い導電率を示す。析出したSn−Mg金属間化合物は、350℃を超えた領域において銅マトリックス中に再固溶し、それに伴いヒューズ用銅合金の導電率が低下する。従来材よりかなり低温の領域において導電率が低下することから、ヒューズに過電流が流れたとき、昇温途中の比較的早い段階でジュール熱の発生量が増加し、その結果、ヒューズの溶断時間が短縮される。

図面の簡単な説明

0011

Cu−Sn−Mg合金板保持温度時効温度)と導電率の関係を示す図である。
Cu−Fe−P合金板の保持温度(時効温度)と導電率の関係を示す図である。
Cu−Ni−Si合金の保持温度(時効温度)と導電率の関係を示す図である。

0012

以下、本発明に係るヒューズ用銅合金について、より詳細に説明する。
Sn及びMgを含む銅合金は、それ自体、例えば特開平11−80863号公報に記載されているように公知であり、端子コネクタリードフレーム等の電気・電子部品用として用いられる。
本発明に係るヒューズ用銅合金において、SnとMgはそれぞれ0.1〜1.0質量%の範囲で含まれる。SnとMgは銅合金中に固溶状態で存在し、又はSn−Mg金属間化合物を形成して析出する。Sn−Mg金属間化合物が析出することにより、銅合金の導電率が増加する。本発明に係るヒューズ用銅合金は、ヒューズとして使用されるとき、Sn−Mg金属間化合物が析出した状態とされる。

0013

本発明に係るヒューズ用銅合金は、定常時において高い導電率を有するが、過電流が流れジュール熱により昇温したとき導電率が低下する。このときの導電率の低下は、銅合金が昇温してSn−Mg金属間化合物が再固溶するためである。Sn−Mg金属間化合物の析出及び再固溶に伴う導電率の変動を実現するため、本発明に係るヒューズ用銅合金は、Sn及びMgをそれぞれ0.1質量%以上含有する。また、Sn及びMgは固溶状態で又はSn−Mg金属間化合物として析出することにより、銅合金の強度を向上させる作用があり、その作用のためにもSn及びMgの含有量はそれぞれ0.1質量%以上必要とされる。一方、Sn及びMgの含有量が多くなると、Sn−Mg金属間化合物を析出させても、十分高い導電率が得られない。特許文献5〜8に開示されたヒューズ用銅合金及び銅合金材を越える導電率60%IACS以上を達成するため、Sn及びMgの含有量は、それぞれ1.0質量%以下とする。Sn含有量は好ましくは0.4〜0.6質量%、Mg含有量は好ましくは0.1〜0.3質量%である。

0014

本発明に係るヒューズ用銅合金は、不可避不純物として又は副成分として、導電率60%IACSを達成し得る範囲内で、Fe、Zn、Cr、Mn、P、Zr、Ag、Al、Ca、Ni、Si等を含み得る。一般的に、Fe、Cr、Mn、Zr、Ag、Ca、Ni、Siは銅合金の強度を向上させる効果を有し、Pは銅合金溶解時の脱酸効果を有し、Alは溶解時の脱硫効果を有し、ZnはSnめっき及びはんだめっきの耐熱剥離防止効果を有する。各元素の含有量は、好ましくは、Feが0.001〜0.02質量%、Znが0.01〜1.0質量%、Crが0.001〜0.04質量%、Mnが0.01〜0.1質量%、Pが0.001〜0.1質量%、Zr,Ag,Al,Ca,Ni,Siがいずれも0.001〜0.01質量%の範囲である。

0015

本発明に係るヒューズ用銅合金は、鋳造均質化処理−熱間圧延冷間圧延−時効処理の工程で製造することができる。各工程の好ましい条件は下記のとおりである。
均質化処理は850〜950℃、保持時間30分〜2時間の範囲から選択する。均質化熱処理後、そのまま熱間圧延を行う。熱間圧延後は700℃以上の温度から水冷し、両面を面削して酸化スケールを除去する。時効処理は300〜400℃、保持時間30分〜5時間の範囲から選択する。この時効処理によりSn−Mg金属間化合物が析出し、銅合金の導電率が向上する。時効処理後のヒューズ用銅合金がヒューズとして使用される。
時効処理後、耐食性向上のため、必要に応じてSnめっきを行う。Snめっきの厚さは0.1〜3μmの範囲から選択する。

0016

3種類の銅合金をそれぞれ大気造塊して、表1に示す成分組成を有する銅合金鋳塊を作製した。これらの鋳塊を前記条件で均質化処理後、そのまま熱間圧延して厚さ20mmとし、700℃以上の温度から水冷し、両面を面削して厚さ18mmの熱延材を作製した。この熱延材を、冷間圧延して厚さ0.8mmの冷延材を作製した。
得られた冷延材(銅合金板)を供試材として、下記要領で導電率を測定した。その結果を図1図3に示す。

0017

0018

(導電率の測定)
導電率は、各供試材から採取した試験片(幅10mm、長さ180mm)を用いて、JISH0505の規定に基づき、室温にて、平均断面積法を用いて測定した。
また、各供試材から採取した複数の試験片(幅10mm、長さ180mm)を、300℃以上650℃以下の温度領域において25℃又は50℃刻みの保持温度に保持し、それぞれ4時間の保持後急冷した。次いで、各試験片の導電率を、JISH0505の規定に基づき、室温にて、平均断面積法を用いて測定した。

0019

図1によれば、Cu−Sn−Mg合金は、保持温度が350℃のとき導電率が最も高く、72%IACSを示し、保持温度が350℃を超えると導電率が低くなる。保持温度が350℃においてCu−Sn−Mg合金の導電率が高くなったのは、Sn−Mg金属間化合物が他の保持温度に比べて相対的に多く析出したためである。
図2によれば、Cu−Fe−P合金は、保持温度が550℃で導電率が最も高い。また、保持温度が600℃、650℃になっても導電率がほとんど低下しない。
図3によれば、Cu−Ni−Si合金は、保持温度が450℃及び500℃において導電率が最も高い。保持温度が550℃を超えると導電率が低くなる。

0020

図1より、適切な時効処理(例えば350℃×4時間の時効処理)を行ったCu−Sn−Mg合金からなるヒューズは、定常時において高い導電率を有し、過電流が流れジュール熱により昇温したとき、昇温過程の早い段階(350℃超の温度)で導電率が急速に低下することが分かる。導電率の低下は、Sn−Mg金属間化合物が母相に再固溶することにより生じる。昇温過程の早い段階で導電率が低下し、高いジュール熱が発生することにより、溶断までの時間が短縮される。
一方、図2より、Cu−Fe−P合金からなるヒューズは、550℃超の高温になっても導電率があまり低下せず、溶断までの時間が、Cu−Sn−Mg合金に比べて短縮されないことが分かる。また、図3より、Cu−Ni−Si合金からなるヒューズは、500℃超の高温にならなければ導電率が低下せず、溶断までの時間が、Cu−Sn−Mg合金に比べて短縮されないことが分かる。

0021

次に、Cu−Sn−Mg合金の供試材に350℃×4時間の時効処理を行った後、下記要領で引張強さ及び溶断特性の測定を行った。
(引張強さ)
引張強さは、JISZ2241の規定に基づき、時効処理後の供試材から長手方向が圧延方向になるようにJIS5号引張試験片を採取し、引張試験を行って求めた。
(溶断特性の測定)
時効処理後の供試材から幅0.5mm、長さ22mmの試験片を採取し、5V、80Aの定電圧・定電流条件下で溶断試験を行い、試験開始から溶断までに要する時間(溶断時間)を測定した。

実施例

0022

測定された引張強さは375N/mm2、溶断時間は4秒であった。このCu−Sn−Mg合金は、ヒューズ用銅合金として十分な強度を有し、導電率が高く(図1より72%IACS)、溶断時間が短く溶断特性に優れる。

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