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ベリリウム銅の電気コネクタへの応用に関する一考察

2025-05-29 16:46

要旨：本稿では、ベリリウム銅合金の分類、電気コネクタに使用される代表的なベリリウム銅の種類、化学成分、性能、そして国内外における発展状況を紹介し、ベリリウム銅が電気コネクタ産業において持つ応用の展望とその発展方向について論じる。

キーワード：ベリリウム銅、電気コネクタ

1．はじめに

弾性材料には多くの種類があり、用途は幅広く、加工も精密で、特有の性能を備えている。銅基弾性合金は、優れた導電性・熱伝導性および良好な機械的特性により、各種の導電性弾性部品に広く使用されている。弾性性能の強弱により、銅基弾性合金は高弾性・中弾性・低弾性・複合弾性銅合金に分類される。

電気コネクタに使用される弾性材料は、接続および保持力の安定性を保証する上で重要な材料であり、現在は主に高弾性銅合金が採用されている。これらは熱処理によって強化でき、代表的な合金がベリリウム銅である。ベリリウム銅は析出強化型の高導電・高弾性合金であり、これで作られた弾性部品は弾性ヒステリシスが小さく、弾性回復性も高く、総合性能に優れる重要な弾性材料である。

本稿では、一般的なベリリウム銅合金の分類、代表的な品種、化学成分、性能などの基本情報を紹介するとともに、国内外の発展現状を比較し、電気コネクタ分野における応用の可能性と課題を考察する。

2．ベリリウム銅合金の研究概況

2.1 ベリリウム銅の分類

ベリリウム銅合金は、固溶化処理および時効熱処理によって高い強度、硬度、弾性限度を得ることができ、弾性ヒステリシスが小さく、安定性に優れ、疲労、腐食、摩耗、低温への耐性を持ち、非磁性、高い導電・熱伝導性、衝撃時の無火花性など、非常に優れた総合性能を備えており、「非鉄弾性材料の王」と称されている。

性能により分類すると：

高強度・高弾性型ベリリウム銅（Be：1.6〜2.1%）
高導電型ベリリウム銅（Be：0.2〜0.7%）

成形方法により分類すると：

加工用合金：圧延や鍛造により板、帯、棒、線材等に加工され、スイッチ、バネ片、接触子などの弾性部品に使用される。
鋳造用合金：高強度・高硬度を有し、航空・電子・機械部品（例：航空機の軸受やドリルヘッド）に用いられる。

2.2 品種と化学成分

本稿では、主に高強度・高弾性型のベリリウム銅合金を対象とし、中国で広く使用されている代表的な品種はQBe2である。これは加工用ベリリウム銅であり、日本およびアメリカの同等品種との化学成分比較は以下の通りである：

品種	国	Be（%）	Ni（%）	Co（%）	Si（%）	Cu
QBe2	中国	1.9～2.2	0.2～0.5	-	-	残部
C1720	日本	1.9～2.15	0.2～0.25	0.35～0.65	<0.15	残部
C17200	アメリカ	1.8～2.0	≥0.2	≥0.6	-	残部

NiおよびCoはどちらも時効過程での過時効を抑制し、合金強度を高める効果を持つ。日本のC1720には少量のSiが含まれており、Coと一定比率で共存するとCoSiやCo₂Siを形成して強度を向上させる。ただし、Siが多すぎるとBeと共晶を形成し、脆くて硬い相となって靱性が低下するため、含有量の制限が必要である。

加工中の粘着や切削性の悪さ（工具との溶着など）を改善するため、各国ではPb（鉛）を添加する方法が取られている。Pbは溶融中に析出して微細粒子となり、切削時に容易に破壊されることで切屑を分断し、工具への粘着を抑え、加工性を大幅に向上させる。

代表的な快削性ベリリウム銅として、中国のQBe1.9-0.4と米国のC17300があり、両者の化学成分は以下の通り同一である：

品種	Be（%）	Ni+Co（%）	Ni+Co+Fe（%）	Pb（%）	Al（%）	Si（%）	Cu
QBe1.9-0.4	1.8～2.0	≥0.2	≤0.6	0.2～0.6	≤0.2	≤0.2	残部
C17300	同上	同上	同上	同上	同上	同上	残部

中国の国家規格 GB/T 5231-2012 において、QBe1.9-0.4 はC17300を参照しており、両者は等価であるとされる。

2.3 発展状況

現在、世界のベリリウム銅のリーディングメーカーは、米国のBrush Wellman社と日本のNGK社である。中国は参入が遅れ、技術面ではまだ一定の差がある。主な理由は、製造規模の小ささ、生産ラインの技術と装備の遅れ、オートメーション化の不足である。

中外の技術・装備差異の主な点：

溶解方式：
　国外：非真空誘導炉＋窒素脱気＋ボトム注湯方式により、鋳塊の欠陥が少なく、品質安定。
　国内：真空溶解＋傾注方式で、吸気酸化しやすく、気泡・介在物が多い。
熱間圧延：
　国外：高圧力の圧延機、大型鋳塊、道次少、温度管理良好、製品寸法公差が小さい。
　国内：圧延力小、鋳塊小、道次多く温度低下が早いため寸法ばらつきが大きい。
熱処理設備：
　国外：ガス保護付きのベル型光輝炉・エアクッション式焼入炉を使用し、表面光沢良好、性能安定。
　国内：ボックス炉、連続炉、推し棒式炉など、ガス保護なしで性能にばらつきがある。

しかし近年、国内のベリリウム銅産業は技術研究面で顕著な進展を遂げており、多くの成果が実用化されている。多くの大手メーカーが加工技術と設備の改善を図り、材料の精度、外観品質、機械性能の安定性が向上している。また、国外のC17200、C17300を代替する国産品も登場し、市場で実際に使用されている。

3．電気コネクタにおけるベリリウム銅の応用展望

電気コネクタは電子・電気システムを構成するために広く使用される基本部品であり、その「分離可能性」は他部品と異なる本質的な特徴である。コネクタの中で最も重要な部品は接触子であり、電気信号の正常な伝達は接触子のかみ合わせによって実現される。接触の信頼性を欠くと、コネクタはその機能を失う。

接触材料の選定では、弾性限界、弾性係数、強度、伸び、疲労強度などの性能を総合的に考慮すべきである。剛性の高いピンによる曲げ損失を防ぎ、かつ確実な接触を確保するため、一般的には高強度・高弾性のQBe2が使用される。今後は、加工性に優れるQBe1.9-0.4がQBe2を徐々に置き換え、幅広く採用されていくと予想される。

しかし、ベリリウムは有毒であり、Pbも人体および環境に対して深刻な影響を与える。製造過程で発生するBeおよびPbの粉塵は作業者に治療困難な健康被害をもたらし、またコストも高いため、民生用電気コネクタへの適用は制限される。