專利名稱：諸如電接觸彈簧的金屬條狀產(chǎn)品及其制造方法
諸如電接觸彈簧的金屬條狀產(chǎn)品及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及按照權利要求1的前序部分的金屬條狀構(gòu)件及制造這 種金屬條狀構(gòu)件的方法。
金屬條狀構(gòu)件為諸如用作移動電話、計算機等的電子設備的觸臂。 現(xiàn)有技術公開了對于這些觸臂要滿足的要求的不同解決方案。這些要
求為
一低接觸電阻
一優(yōu)良導電性
一優(yōu)良彈性特征
一高疲勞強度
一高耐腐蝕性
諸如不銹鋼或鎳基合金等含有至少10%鉻含量的合金由于在表 面上存在惰態(tài)的氧化鉻層而具有優(yōu)良的抗腐蝕性。此外，這些材料具 有優(yōu)良的彈性而使它們適合于作為接觸彈簧的材料。然而，氧化鉻層 構(gòu)成高電阻，從而這些材料本身不適合作為接觸材料。
數(shù)年來，曾提出過用不銹鋼制成并鍍有諸如鎳、銅或錫等材料的 彈性接觸臂。
US 3,837,818公開了 一種由夾在兩層不銹鋼之間的銅制成的條形 接觸條構(gòu)件以便獲得良好的彈性特征與良好的導電性。將一層金配置 在不銹鋼上來獲得低接觸電阻。
EP 604 856 Bl公開了一種用鍍有鎳的不銹鋼制成的條形接觸條 構(gòu)件，其中在鎳鍍層上鍍有貴金屬、錫或錫合金。
這一現(xiàn)有技術的問題在于在某些環(huán)境下的疲勞強度有可能不足。 當將金屬條狀構(gòu)件用作接觸材料并反復彎曲時，條形構(gòu)件的至少一面 會遭受動態(tài)拉應力。 一段時間之后，這些拉應力可導致疲勞故障。如 果存在微裂紋且材料經(jīng)受包含拉應力的動態(tài)負荷，則會經(jīng)常出現(xiàn)材料
疲勞故障。
WO 2004/007789公開了用含碳和/或氮的氣體表面硬化不銹鋼制 品的方法，使碳和/或氮原子滲透通過制品的表面，該方法包括在活化 表面上施加Ni、 Ru、 Co或Pd的表層以防止重新鈍化。表面硬化是 在產(chǎn)生氮化物或碳化物的溫度以下進行的。
本發(fā)明的目的不限于電子設備的接觸臂，也適用于諸如用在壓縮 機、車輛懸掛系統(tǒng)等中的瓣閥或簧片閥等經(jīng)受動態(tài)拉應力的其它條形 制品上。
本發(fā)明的目的為提供具有與現(xiàn)有技術相比改進了的性質(zhì)的金屬條 狀構(gòu)件以及制造這種金屬條狀構(gòu)件的方法。
按照本發(fā)明的金屬條狀構(gòu)件包括厚度小于3mm的金屬條，并且 其至少鄰接的 一個面由包含具有至少10wt%的鉻含量的基底合金構(gòu) 成，并且其中在上述金屬條的至少一個面上的基底合金上設有鎳、釕、 鈷、鈀或它們的合金的與表面面層，并且其特征在于將碳和/或氮原子 溶入與表面層鄰接的基底合金中提供壓應力，并且在基底合金中基本 上不存在碳化物和/或氮化物。溶入鄰接表面層的基底合金中的碳原子 和/或氮原子所導致的壓應力至少部分地抵消了由于彎曲條形構(gòu)件而 導致的彎曲應力。如果碳原子和/或氮原子溶入基底材料中但不產(chǎn)生碳 化物或氮化物，可保持耐腐蝕性。再者，與周圍的材料相比碳化物或 氮化物是相對脆性的，如果它們存在的話，有可能降低所謂的抗裂性 而加速疲勞故障。
按照本發(fā)明的一實施方案，基底合金為不銹鋼或鎳基合金。不銹 鋼以鐵作為基底材料，而鎳基合金以鎳作為基底材料。除了鉻含量， 鎳基合金可包含鈷、鋁及其它合金元素。
按照優(yōu)選實施方案，金屬條完全由基底合金制成。
按照一實施方案，基底合金為沉淀硬化不銹鋼，優(yōu)選為馬氏體沉 淀^_化不銹鋼。
按照本發(fā)明，金屬條狀構(gòu)件兩面都可設有所述表面層。當在使用 時要求金屬薄條構(gòu)件的兩面都與其它接觸構(gòu)件接觸，和/或如果在使用
時金屬條狀構(gòu)件的兩面都會受到拉應力時，這樣做是合適的。
按照一實施例，金屬條是冷軋的并具有1000MPa的最小抗拉強 度。金屬薄板冷軋增進其機械強度，但在表面中引發(fā)內(nèi)部拉伸應力。 通過在鄰接表面的材料中溶入碳和/或氮原子，能提供壓應力以增進疲 勞強度。
表面層的平均厚度可小于2pm，優(yōu)選小于0.3pm。測試結(jié)果顯示 有可能通過這些厚度的表面層來表面硬化。
金屬條狀構(gòu)件可用作彈性、電接觸條構(gòu)件。
金屬條狀構(gòu)件也可用在所謂瓣閥或簧片閥中，在其中該閥構(gòu)件包 含覆蓋閥口并只在一端固定的彈性條構(gòu)件。這些閥通常用在壓縮機中， 并且經(jīng)受強大的動態(tài)拉應力。
本發(fā)明進一步涉及制造金屬條狀構(gòu)件的方法，該方法包括下述步
驟
一提供厚度小于3mm的金屬條且其至少鄰接的一個面由具有至
少10wt"/。鉻含量的基底合金構(gòu)成，
一去除金屬條至少一個面上的基底合金上的氧化物層， 一用鎳、釕、鈷、鈀或其合金的表面層涂覆所述金屬條面， 一利用包含碳和/或氮的氣體通過所述表面層表面硬化所述基底
合金，從而碳和/或氮原子滲透通過表面層，使碳和/或氮原子溶入與
力，這一表面硬化是在低于產(chǎn)生碳化物和/或氮化物的溫度下進行的。 按照本發(fā)明的一實施方案，該表面硬化是一滲氮過程，它是在低 于生成氮化物的溫度下，優(yōu)選在低于大約450X:下，用諸如NH3等含 氮氣體進行的。
另一種方法是，該表面硬化是在低于產(chǎn)生碳化物的溫度下，優(yōu)選 低于大約550。C下，更優(yōu)選低于大約510。C下用諸如CO等含碳氣體的 滲碳。
按照一實施方案，金屬條完全是用基底合金制成的，其中該基底 合金為沉淀硬化不銹鋼，優(yōu)選為馬氏體沉淀硬化不銹鋼。在高溫下的
表面硬化期間，基底合金沉淀硬化不形成氮化物或碳化物。用這一方 法，能避免表面上的硬度與基底合金中心部分的硬度之間的過大差別。 可用化學或電解鍍敷方法施加表面層。
另一種方法是用諸如電子束蒸發(fā)等物理氣相沉積施加表面層。
在按照本發(fā)明的方法的優(yōu)選實施方案中，以連續(xù)的巻到巻(rollto roll)工藝將金屬條帶通過電子束蒸發(fā)室，在該電子束蒸發(fā)室中施加表 面層，然后從金屬條帶上切下金屬條。
在進入電子束蒸發(fā)室之前，可令所述金屬條帶通過刻蝕室，在其 中進行離子輔助的刻蝕以除去氧化物層。
在按照本發(fā)明的方法的實施方案中，在表面硬化之前將所述金屬 條彎曲成要求的形狀。
下面將參照


本發(fā)明，附圖中
圖1公開了按照本發(fā)明的第一實施方案的金屬條狀構(gòu)件的一部
分，
圖2為按照本發(fā)明的第二實施方案的金屬條狀構(gòu)件的一部分， 圖3為按照本發(fā)明的第三實施方案的金屬條狀構(gòu)件的一部分， 圖4為用按照本發(fā)明的金屬條制成的在斷開位置上的彈性電接觸 彈簧構(gòu)件，以及
圖5為在閉合位置上的按照圖4的接觸彈簧構(gòu)件。 按照圖1的金屬條狀構(gòu)件1包括厚度為3mm且用奧氏體不銹鋼 AISI 304制成的金屬條2。該金屬條在第一面3上復蓋有平均厚度為 0.2pni的鎳層4。與不銹鋼相比這一鎳層具有相對低的接觸電阻并且 提供接觸面13。該鎳層是在不銹鋼表面在100ml 15% w/w鹽酸+lml 35%過氧化氬溶液中去惰性15秒后在伍德鍍鎳槽(Wood's nickel bath)中鍍敷的。不銹鋼包含鄰接鎳層4的"S相"層5。 S相也稱 作"膨脹奧氏體"并包含溶入不銹鋼中的氮原子(或碳原子)。這一 膨脹奧氏體在材料中提供壓應力。S-相是在注滿純NH3的爐中在429 °C下通過鎳層表面硬化不銹鋼17小時30分鐘得到的。在這一溫度下 進行表面硬化時，不形成氮化鉻。從而保持了游離鉻成份并借此保持
耐腐蝕性。此外，由于不存在脆性氮化鉻而降低了疲勞故障的風險。
按照圖2的金屬條狀構(gòu)件1對應于按照圖1的金屬條狀構(gòu)件，但 在不銹鋼條2的3、 8兩面都設有鎳層4與S相層5。因此，按照圖2 的金屬條狀構(gòu)件在兩面都具有接觸面。
按照圖1與2的金屬條狀構(gòu)件1包含完全用不銹鋼制成的金屬條 2并分別在其一面或兩面具有鎳層。按照圖3的金屬條狀構(gòu)件1包含 用夾心材料制成的金屬條。銅的中央核心層7夾在兩層不銹鋼6之間。 這一實施方案保證同時獲得良好的導電性與良好的彈性。
圖4公開了用按照圖1的金屬條狀構(gòu)件制成的彈性電接觸彈簧構(gòu) 件9。該金屬條狀構(gòu)件9彎曲成180°,使其包括一上方直線部分10、 曲線部分11及下方直線部分12。包含鎳層(未示出)與下襯的S相 層(未示出)的接觸面13在接觸彈簧構(gòu)件9的上方直線部分10面向 上方而在接觸彈簧構(gòu)件9的下方直線部分12面向下方。通過焊接連 接部14將下方直線部分9焊接在焊點15上。可移動的第二接觸構(gòu)件 16配置在上方直線部分10的接觸面13上方。第二接觸構(gòu)件16可在 箭頭A的方向上向上方直線部分10移動以便閉合該觸點。圖5公開 了閉合位置上的觸點，其中的焊點15與第二接觸構(gòu)件16是電連接的。 如圖5中所示，第二接觸構(gòu)件已使彈性接觸彈簧構(gòu)件9彎曲，從而帶 有接觸面13的一面受到拉伸。如果在接觸彈簧9中不存在原始內(nèi)部 應力，這一拉伸將在接觸彈簧9的外側(cè)面上產(chǎn)生拉應力。S相產(chǎn)生的 原始壓應力防止或者至少減少了由拉伸引起的拉應力的出現(xiàn)。因此， 明顯地降低了疲勞故障的危險，即使接觸彈簧構(gòu)件彎曲至十萬次以上
圖4與5中公開的實施方案只在一面具有接觸面13。然而，如果 在使用時兩面都經(jīng)受拉伸，兩面都可設有鎳層與下襯的S相層。
在公開的實施方案中將AISI 304不銹鋼用作基底合金。諸如AISI 316等其它奧氏體不銹鋼類型也能使用。
此外，能使用包含鐵素體與奧氏體的雙相(Duplex )不銹鋼AISI 329。測試顯示當在400。C下氮化時，在表面硬化區(qū)中鐵素體轉(zhuǎn)化成
奧氏體(和s相)。
初步測試顯示馬氏體不銹鋼AISI 420與馬氏體沉淀硬化不銹鋼 AISI 17-4 PH也能使用，由于馬氏體在表面硬化區(qū)中轉(zhuǎn)變成奧氏體 (與S相)。
當將沉淀硬化不銹鋼用作基底合金時，在表面硬化過程中發(fā)生基 底合金的沉淀硬化。從而可降低具有硬表面與相對軟的內(nèi)核的缺點。 從US 5,512,237中可知適用的可沉淀硬化的馬氏體不銹鋼。
并且也能使用諸如lnconel合金等鎳基合金。對于不銹鋼，氮和/ 或碳原子能滲透進鎳基合金中并形成亞穩(wěn)的S相(固溶硬化)。
由于其相對低的接觸電阻及其高抗腐蝕性，鎳是一種非常適用于 表面層的材料。鎳對諸如NH3、 CO及CJHx等含氮和碳的氣體的分 解有催化作用。如果鎳層足夠薄，氮與碳原子能通過它滲透到下襯的 基底合金中。在一些情況下，也可選擇鎳以外的材料作為表面層。釕、 鈷與鈀也是抗腐蝕的，對含氮和碳的氣體的分解起催化作用并且能透 過氮與碳原子的。當然，這些金屬的合金能用來代替單一的金屬。表 面層應厚得足以防止下村基底合金惰化，并且薄得足以使氮和/或碳 原子能滲透通過表面層。
按照本發(fā)明的金屬條狀構(gòu)件是表面硬化的，從而使氮和/或碳原子 溶入鄰接表面層的基底合金中。表面硬化是通過在高溫下將金屬條狀 構(gòu)件放置在含氮和/或碳原子的氣體中進行的。利用含碳或氮的氣體 對鋼進行熱化學表面處理是眾所周知的過程，稱作表面硬化、滲碳或 滲氮。通常，這些過程是在形成碳化物或氮化物的溫度下進行的，借 此來增進硬度。按照本發(fā)明，表面硬化是在低于這些溫度下進行的。 如果將溫度保持在低于4S0。C，則不會形成氮化鉻，而如果將溫度保 持在低于550。C，則不會形成碳化鉻。使用含碳和氮兩者的氣體的滲 氮一滲碳也可用于本發(fā)明。通過滲氮一滲碳，氮與碳原子兩者滲透到 材料中。在這種情況下，溫度必須保持低于450°C,以防止氮化鉻的 生成。
可用諸如電鍍、無電鍍覆、物理氣相沉積或化學氣相沉積等任何
已知方法來施加鎳、釕、鈷、鈀或其合金的表面層。
在已公開的實施方案中，表面層完全覆蓋金屬條的一面或兩面。 然而本發(fā)明不局限于這一方式。這樣，表面層可以只覆蓋部分金屬條。 用表面層部分覆蓋金屬條可通過屏蔽掉不應用表面層覆蓋的那些表 面區(qū)域來達到。另外，可釆用噴墨印刷法，其中用雙噴嘴來進行雙成 分金屬噴鍍。
適合于作為接觸材料，^中，所述表面層可以是鎳^釕、鈷、鈀或它 們的合金。然而，為了進一步降低接觸電阻，可在表面硬化后的表面 層上施加一最上層。例如，可在鎳表面層上涂敷一層銀或金。沒有必 要使最上層完全覆蓋表面，而只覆蓋需要特別低的接觸電阻的區(qū)域。 按照本發(fā)明的金屬條狀構(gòu)件適合于作為接觸材料。然而，本發(fā)明 不限于這一用途。需要高疲勞強度與高抗腐蝕性的其它應用可得益于 按照本發(fā)明的金屬條狀構(gòu)件。這些應用可以是用在壓縮機等中的瓣 閥。
實施例1:用100nm ( O.lpm )厚的鎳層涂敷厚度為70pm (=0.07mm)的不銹鋼AISI 301的冷軋板的一面。在420"C、在60% 氨中將該板滲氮17小時。這一處理之后由于板的滲氮面的體積膨脹 而使板彎曲。這說明如果板材厚得足以防止彎曲，則通過滲氮產(chǎn)生內(nèi) 部壓應力。 參照數(shù)字
1 金屬條狀構(gòu)件
2 金屬條
3 金屬條的第一面
4 表面層
5 S相(溶解的碳和/或氮原子)
6 基底合金層
7 中心層
8 金屬條的第二面
9 彎曲的接觸條構(gòu)件 10接觸條構(gòu)件的上部分
11 接觸金屬構(gòu)件的彎曲部分
12 接觸金屬構(gòu)件的下部分
13 接觸金屬構(gòu)件的接觸面 14焊接連接部
15焊點
16第二接觸構(gòu)件
權利要求
1.一種金屬條狀構(gòu)件(1)，其包括厚度小于3mm且至少鄰接的一個面(3)由具有至少10wt％的鉻含量的基底合金構(gòu)成的金屬條(2)，并且在所述金屬條的至少一面上的基底合金上設有鎳、釕、鈷、鈀或它們的合金的表面層(4)，其特征在于將碳和/或氮原子(5)溶入與表面層鄰接的基底合金中提供壓應力，及在所述基底合金中基本上不存在碳化物和/或氮化物。
2. 按照權利要求1的金屬條狀構(gòu)件，其中所述基底合金為不銹鋼 或鎳基合金。
3. 按照權利要求1或2的金屬條狀構(gòu)件，其中金屬條(2)是完 全由基底合金制成的。
4. 按照權利要求3的金屬條狀構(gòu)件，其中所述基底合金為沉淀硬 化不銹鋼，優(yōu)選為馬氏體沉淀硬化不銹鋼。
5. 按照權利要求1-4中任何一項的金屬條狀構(gòu)件，其中兩面(3， 8)都設有所述表面層(4)。
6. 按照權利要求1-5中任何一項的金屬條狀構(gòu)件，其中所述金屬 條是冷軋的并具有l(wèi)OOOMPa的最小拉伸強度。
7. 按照權利要求1-6中任何一項的金屬條狀構(gòu)件，其中表面層(4) 的平均厚度小于2jim,優(yōu)選小于0.3jim。
8. —種由按照前述權利要求中任何一項的金屬條狀構(gòu)件制造的彈 性電接觸彈簧構(gòu)件(9)。
9. 一種制造按照權利要求1-7中任何一項的金屬條狀構(gòu)件的方 法，該方法包括下述步驟—提供厚度小于3mm且至少鄰接的一個面由具有至少10wt。/。鉻含量的基底合金構(gòu)成的金屬條，一去除所述金屬條的至少一面上的基底合金上的氧化物層， 一用鎳、釕、鈷、鈀或它們的合金的表面層涂敷所述金屬條的所述面, —用含碳和/或氮的氣體通過所述表面層表面硬化所述基底合金， 借此碳和/或氮原子滲透通過表面層，使得碳和/或氮原子溶入鄰接表 面層的基底合金中并在鄰接表面層的基底合金中產(chǎn)生壓應力，這一表 面硬化是在低于生成碳化物和/或氮化物的溫度下進行的。
10. 按照權利要求8的方法，其中該表面硬化是滲氮過程，它是 用諸如NH3等含氮氣體在低于生成氮化物的溫度下，優(yōu)選低于大約 450"C下進行的。
11. 按照權利要求8的方法，其中該表面硬化是用諸如CO等含 碳氣體在低于生成碳化物的溫度下，優(yōu)選低于大約550'C下，更優(yōu)選 低于大約510。C下的滲碳處理。
12. 按照權利要求9-11中任何一項的方法，其中的金屬條(2) 是完全用基底合金制成的，以及其中該基底合金為沉淀硬化不銹鋼， 優(yōu)選馬氏體沉淀》更化不銹鋼。
13. 按照權利要求9-12中任何一項的方法，其中該表面層是用化 學或電解鍍敷方法施加的。
14. 按照權利要求9-12中任何一項的方法，其中該表面層是用諸 如電子束蒸發(fā)等物理氣相沉積施加的。
15. 按照權利要求14的方法，其中以連續(xù)的巻到巻工藝令金屬條 帶通過電子束蒸發(fā)室，在該電子束蒸發(fā)室中施加表面層，此后從金屬 條帶上切割金屬條。
16. 按照權利要求15的方法，其中該金屬條帶在進入電子束蒸發(fā) 室之前通過一刻蝕室，在其中進行離子輔助刻蝕以便除去氧化物層。
17. 按照權利要求9-16中任何一項的方法，其中在表面硬化之前 將金屬條彎曲成要求的形狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬條狀構(gòu)件(1)，其包含厚度小于3mm且至少鄰接的一個面(3)由具有至少10wt％的鉻含量的基底合金構(gòu)成的金屬條(2)。在金屬條的至少一面上的基底合金上設有鎳、釕、鈷、鈀或它們的合金的表面層(4)。將碳和/或氮原子(5)溶入與表面層鄰接的基底合金中提供壓應力，并且在所述基底合金中基本上不存在碳化物和/或氮化物。本發(fā)明還涉及用這種金屬條狀構(gòu)件制成的彈性電接觸彈簧構(gòu)件以及制造這種金屬條狀構(gòu)件的方法。
文檔編號C23C8/02GK101184863SQ200680018905
公開日2008年5月21日 申請日期2006年5月24日 優(yōu)先權日2005年5月31日
發(fā)明者F·T·彼特森, M·A·J·索莫斯, R·B·弗蘭德森, T·克瑞斯特蘭森 申請人:桑德維克知識產(chǎn)權股份公司