CN101536112B - 电线导体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有优良的抗拉强度、断裂伸长率、抗冲击性、导电率和耐疲劳性的导体及其生产方法。该导体包括由铝合金制成的基线，所述铝合金含有质量含量为0.3-1.2％的Si、含量使得Mg/Si重量比率在0.8到1.8的范围中的Mg，以及主要包括Al和不可避免的杂质的剩余部分。该导体具有240MPa或者更高的抗拉强度、10％或者更高的断裂伸长率、8J/m或者更高的冲击吸收能，和40％IACS或者更高的导电率。该生产方法包括通过捆束具有以上组分的基线而制备线束的步骤，和对线束进行固溶处理、淬火以及时效热处理的步骤。固溶处理温度是500-580℃，并且时效热处理温度是150-220℃。在固溶处理时的加热是高频感应加热。

Description

电线导体及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种电线导体及其制造方法，更具体而言，本发明涉及一种适用于汽车电线的导体及其制造方法。
背景技术
在提供高架电力线的电力工业领域中，因为铝导体具有轻的重量和优良的导电性，所以在传统上使用由铝基材料制成的铝导体。在汽车、OA设备以及家电领域中，由具有优良导电性的铜基材料制成的铜导体被用作信号线和电力线。
在汽车领域中，已经快速地提高了汽车的性能和功能。因此，在汽车中安装的电气装置、控制装置以及其它装置的数目在增加，并且据此用于汽车中的铜导体的数目也在增加。
近来，特别地在汽车领域中，对于铝导体加以关注，在铝导体中，其比重大约是铜的三分之一的铝被用作导体，其目的在于降低重量(作为信息，铝的密度是2.70g/cm3并且铜的密度是8.89g/cm3)。
虽然纯铝(纯度为99％或者更高)被用作具有10mm2或者更大的截面面积的导体例如在汽车领域中的电池电缆，但是纯铝的强度低并且耐疲劳性低劣，并且据此难以用作具有1.5mm2或者更小的截面面积的普通导体。
因此，已经作出尝试以提高这种铝导体的强度和耐疲劳性。例如，由Al-Mg-Si合金制成汽车电线(见日本专利申请未审定公开No.2004-134212)。
通过捆束含有0.6wt％或者更低的Fe、0.2到1.0wt％的Si、0.2到1.0wt％的Mg以及包括铝和不可避免的杂质的剩余部分的多根铝合金线而制备这种导体，并且通过在生产导体的过程中利用热处理在Al基体中析出Mg2Si和其它元素而提高铝合金的强度。
发明内容
本发明所要解决的问题
然而，在于日本专利申请未审定公开No.2004-134212中披露的电线中，虽然铝合金导体被硬化并且因此强度提高，但是伸长率低并且在高应变状态中的耐疲劳性和抗冲击性低劣。因此，存在以下问题，即该导体难以用作具有例如0.75mm2或者更小的截面面积的小直径导体。
本发明的一个目的在于克服上述问题并且在于提供一种具有优良的抗拉强度、断裂伸长率、抗冲击性、导电性和耐疲劳性的导体，及其生产方法。
解决问题的手段
为了实现该目的并且根据本发明的意图，一种导体包括由铝合金制成的多根基线，所述铝合金含有质量含量为0.3到1.2％的Si、含量使得Mg/Si重量比率在0.8到1.8的范围中的Mg，以及主要包括Al和不可避免的杂质的剩余部分，其中所述导体具有240MPa或者更高的抗拉强度、10％或者更高的断裂伸长率、8J/m或者更高的冲击吸收能，以及40％IACS或者更高的导电率。
所述铝合金还可含有从包括Fe、Cu、Cr和Mn的组选择的一种或者多种元素，其中所述一种或者多种元素的总质量含量是0.5％或者更低。
铝合金还可含有从包括不大于500ppm的Ti和不大于50ppm的B的组选择的一种或者两种元素。
该导体适用于其导体具有0.75mm2或者更小的截面面积的电线。
根据本发明的一种生产导体的方法包括通过捆束由铝合金制成的多根基线而制备线束的步骤，所述铝合金含有质量含量为0.3到1.2％的Si、含量使得Mg/Si重量比率在0.8到1.8的范围中的Mg，和主要包括Al和不可避免的杂质的剩余部分；以及对所述线束进行固溶处理，然后对所述线束进行淬火，并且然后对所述线束进行时效热处理的步骤。
当对所述线束进行固溶处理时的加热温度优选地为500到580℃，并且当对所述线束进行时效热处理时的加热温度优选地为150到220℃。
在固溶处理期间的加热优选地是高频感应加热。
本发明的效果
因为根据本发明的导体由利用具有以上规定范围的Al-Mg-Si合金制成的基线构成并且具有240MPa或者更高的抗拉强度、10％或者更高的断裂伸长率、8J/m或者更高的冲击吸收能，以及40％IACS或者更高的导电率，所以它具有优良的抗拉强度、断裂伸长率、抗冲击性、导电率，以及耐疲劳性，并且能够用作小直径电线。
如果所述铝合金进一步含有从包括Fe、Cu、Cr和Mn的组选择的一种或者多种元素，其中所述一种或者多种元素的总质量含量是0.5％或者更低，则导体强度被进一步提高。
如果所述铝合金进一步含有从包括不大于500ppm的Ti和不大于50ppm的B的组选择的一种或者两种元素，则导体强度和伸长率被进一步提高。因为这些元素具有微细的晶体结构的优点，所以设想获得了这些优点。
因为所述导体可以用作其导体具有0.75mm2或者更小的截面面积的电线，所以能够扩大铝导体的应用范围，并且在汽车领域能够实现电线的重量降低。
在根据本发明的导体生产方法中，在通过捆束铝合金基线制备线束之后的固溶处理由于恢复伸长率而提高了冲击吸收能。另外，随后的时效热处理提供了由于改进了析出而提高强度的优点以及由于降低被溶解的元素数量而提高导电率的优点。据此，根据本发明的导体具有优良的抗拉强度、断裂伸长率、抗冲击性、导电率，和耐疲劳性。
如果当对线束进行固溶处理时的加热温度是500到580℃并且当对线束进行时效热处理时的加热温度是150到220℃，则能够适当地执行固溶处理和时效热处理。
通过高频感应加热的固溶处理允许执行局部加热，并且据此能够紧邻加热区地安置淬火区。因此，不仅能够在具有较大热容量的结构部件上而且能够在具有较小热容量例如金属丝的结构部件上紧接在固溶处理之后执行淬火，在所述金属丝中，紧接在停止加热之后开始缓慢冷却。另外，允许连续加热和淬火的根据本发明的生产方法适用于长的结构部件例如金属丝。
具体实施方式
现在将给出本发明的详细说明。
通过将由铝合金制成的多根基线(elemental wire)形成为线束而制备根据本发明的导体，所述铝合金含有Si、Mg以及主要包括Al和不可避免的杂质的剩余部分。该导体具有240MPa或者更高的抗拉强度、10％或者更高的断裂伸长率、8J/m或者更高的冲击吸收能，以及40％IACS或者更高的导电率。
给出对于如上所述规定合金组分的原因的说明。在下面的说明中，每一种构成元素的含量均以单位质量％表达。
Si与Mg结合以在Al基体中微细地析出Mg2Si粒子以及其它粒子，并且有助于提高铝合金基线的强度。为了获得提高强度的优点，Si的含量优选地为0.3到1.2％。如果Si含量小于0.3％，则提高强度的优点较小，并且难以使得该导体具有240MPa或者更高的抗拉强度。在另一方面，如果Si的含量大于1.2％，则难以使得该导体具有40％IACS或者更高的导电率。
Mg与Si结合以在Al基体中微细地析出Mg2Si粒子以及其它粒子，并且有助于提高铝合金基线的强度。为了获得提高强度的优点，Mg/Si重量比率优选地在从0.8到1.8的范围中，更加优选地在从1.0到1.4的范围中。如果Mg/Si重量比率小于0.8，则Mg2Si化合物的数量较小，提高强度的优点较小，并且据此难以使得该导体具有240MPa或者更高的抗拉强度。另外，过量的Si转变成结晶物质，并且由于结晶物质的影响，难以使得该导体具有10％或者更高的断裂伸长率以及8J/m或者更高的冲击吸收能。在另一方面，如果Mg/Si重量比率大于1.8，则过量Mg的溶液数量变大，并且难以使得该导体具有40％IACS或者更高的导电率。
除了上述构成元素，构成根据本发明的导体的铝合金可以含有从包括Fe、Cu、Cr和Mn的组选择的一种或者多种添加剂元素。这些添加剂元素有助于提高铝合金的强度。为了获得提高强度的优点，添加剂元素的总含量优选地为0.5％或者更低。另外，添加剂元素的数目优选地是两种或者更少。较大的添加剂元素含量能够易于降低断裂伸长率和冲击吸收能并且易于增加导体电阻。
除了上述构成元素，根据本发明的导体可以含有从包括Ti和B的组选择的一种或者两种添加剂元素。这些添加剂元素具有更微细的结晶结构的优点并且有助于提高强度以及提高铝合金的伸长率。为了获得更微细的结晶结构的优点，Ti优选地不大于500ppm，并且B优选地不大于50ppm。这些添加剂元素的更大含量能够易于增加导体电阻。
因为根据本发明的导体具有优良的抗拉强度、断裂伸长率、抗冲击性、导电率，和耐疲劳性，所以它适用于小直径电线。根据本发明的导体适用于其导体具有优选的0.75mm2或者更小并且更加优选的0.22到0.75mm2的截面面积的电线。因此，扩大了铝导体的应用范围，并且优选地在汽车领域中能够实现电线的重量降低。应该指出，该导体可以是被压缩的导体。
下面，给出根据本发明的导体生产方法的实例的说明。根据本发明一个优选实施例的一种导体生产方法包括通过捆束由具有上述合金组分的铝合金制成的多根基线而制备线束的步骤，以及对所述线束进行固溶处理、然后对所述线束进行淬火、并且然后对所述线束进行时效热处理的步骤。
在制造铝合金基线时，熔融给定含量的Al、Mg和Si以便获得具有所期浓度的熔融金属。在必要时，Fe、Cu、Cr和Mn被添加于此以便获得具有所期浓度的熔融金属。
下面，利用连续铸造机铸造熔融金属以制备铸棒。然后，通过使用串联连接的热轧机将铸棒制成为线材。可以通过如上所述的连续铸造轧制方法或者通过锭坯铸造和挤出方法制成线材。在锭坯铸造和挤出方法的情形中，优选地在锭坯铸造之后执行均质化处理。有利的是，紧接在铸造之前添加形成精炼剂的Ti和B。
然后对线材进行拉拔从而具有用于基线的所期直径。如果线材由于拉拔极限而断裂，则适当的话优选地执行退火。
在捆束过程中，如上所述制备的所期数目的基线被捆束成线束。然后，该线束经历热处理过程。
在热处理过程中，在固溶处理期间的加热温度优选地是500到580℃。通过执行固溶处理，在铝合金中的Mg2Si化合物被溶解。如果在固溶处理期间的加热温度低于500℃，则Mg2Si化合物难以溶解从而产生粗大的化合物粒子，并且不能容易地获得提高强度的优点。另外，在捆束过程之前由于冷加工引起的加工硬化难以消除，并且不能容易地获得提高伸长率的优点。在另一方面，如果在固溶处理期间的加热温度高于580℃，则在铝合金中的低熔点相再次熔融，并且容易发生变形和由于Mg被氧化而引起的颜色变化。
在热处理步骤中，优选地通过使用冷却水执行淬火。通过执行淬火，在固溶处理期间已在合金中被溶解的Mg2Si化合物不被析出并且在溶解状态中被固定于合金中。如果在加热和淬火之间存在时间间隔，则被溶解的Mg2Si化合物易于析出以产生粗大的化合物粒子，并且不能容易地获得提高强度的优点。因此，优选地紧接在加热之后执行淬火。
优选地通过使用带有淬火池的连续退火机以下述方式执行固溶处理和淬火，即，使得线束被加热部分加热到给定温度并且然后通过被输送通过靠近加热部分放置的淬火池而被冷却。连续退火机的实例包括电式连续退火机、管式炉连续退火机，和高频感应加热连续退火机。在它们之中，高频感应加热连续退火机是特别优选的。在使用高频感应加热连续退火机的情形中，通过高频感应加热执行固溶处理，并且据此允许进行局部加热。因此，能够紧邻加热区地安置淬火区。
例如，在具有较大热容量的结构部件中，在停止加热之后能够保持高温状态。相反，在具有较小热容量的结构部件例如金属丝中，紧接在停止加热之后，缓慢冷却开始。然而，甚至在其中紧接在停止加热之后缓慢冷却易于开始的具有较小热容量的结构部件例如金属丝上，如上所述紧邻加热区地安置淬火区也允许从高温状态执行淬火。
另外，紧邻加热区地安置淬火区允许连续地执行加热和淬火，并且特别地适用于长结构部件例如金属丝。连续加热和淬火提高了导体生产率。
在热处理步骤中，时效热处理能够析出在固溶处理和淬火期间已在合金中溶解的Mg2Si化合物。因此，能够提高强度和导电率。在时效热处理期间的加热温度优选地是150到220℃。时效热处理的持续时间优选地是4到20个小时。
如果在时效热处理期间的加热温度低于150℃，则已在合金中溶解的Mg2Si化合物难以析出，并且不能容易地获得提高强度的优点。在另一方面，如果在时效热处理期间的加热温度高于220℃，则析出的Mg2Si化合物易于增长成为粗大的粒子，并且不能容易地获得提高强度的优点。另外，如果时效热处理的持续时间短于4个小时，则Mg2Si化合物的析出不充分，并且不能容易地获得提高强度的优点，并且导体电阻易于增加。在另一方面，如果时效热处理的持续时间长于20个小时，则析出的Mg2Si化合物容易地增长成为粗大的粒子，并且不能容易地获得提高强度的优点。
优选地在导体被缠绕在卷轴上时执行时效热处理。虽然可以在通常气氛中执行时效热处理，但是优选地在还原性气体气氛或者惰性气体气氛中执行时效热处理以避免表面氧化。
由于如上所述的生产方法，能够获得根据本发明的导体的性能。利用绝缘体包覆的如此获得的导体形成绝缘电线。
实例
在下文中通过参考实例给出本发明的详细说明。
(实例1到4)
利用连续铸造机铸造具有表1所示的合金组分的熔融合金以制备铸棒。然后，利用热轧机将每一个铸棒制成为具有9.5mm直径的线材，并且对所获得的每一个线材进行拉拔以制备具有0.26mm直径的基线。然后，捆束七根基线以制备每一根线束。随后，在表1所示的条件下，对线束进行固溶处理、淬火和时效热处理。结果，获得了根据实例1到4的导体。
(比较例1到8)
以与实例1到4相同的方式利用表1所示的合金组分和条件获得根据比较例1到8的导体。
(比较例9和10)
除了在通过捆束基线制备每一根线束之后不执行固溶处理、淬火和时效热处理之外，以与实例1到4相同的方式获得根据比较例9和10的导体。
(评价试验)
在给定应变振幅(Δε)下关于抗拉强度、断裂伸长率、冲击吸收能、导电率和耐疲劳性对每一个导体进行测量。另外，测量每一个导体的表面形貌。其结果在表1中示出。在合金组分中的每一种构成元素的含量均被表达成相对于整个铝合金的单位质量％。
(测量方法和评价方法)
抗拉强度
利用通用抗拉强度测试器测量抗拉强度。240MPa或者更高的抗拉强度被视为通过。
断裂伸长率
利用通用抗拉强度测试器测量断裂伸长率。10％或者更高的断裂伸长率被视为通过。
冲击吸收能
通过向在标记之间具有1米距离的每一个导体的端部联结重物，并且提升1米然后使得重物自由地下落，从而测量冲击吸收能。进行如下定义：当使得导体不会断裂的重物的最大重量是W(N)时，冲击吸收能是W(J/m)。8J/m或者更高的在断裂之前的冲击吸收能被视为通过。
导电率
利用电桥方法测量导电率。40％IACS(国际退火铜标准)或者更高的导电率被视为通过。
耐疲劳性
利用并不施加拉伸载荷的反向弯曲疲劳测试器测量通过利用绝缘体覆盖每一个导体制备的电线的耐疲劳性。在10-2的应变振幅Δε下为900次或者更高的耐疲劳性以及在10-4的应变振幅Δε下10×104次或者更高的耐疲劳性被视为通过。
表面形貌
在视觉上检查颜色变化和变形的存在。利用“○”示意不存在颜色变化和变形，并且利用“×”示意存在颜色变化和变形。
[表1]
Figure G2007800407637D00111
参考表1，因为构成根据实例1到4的导体的铝合金每一个均含有含量为0.3到1.2％的Si以及含量使得Mg/Si重量比率在0.8到1.8的范围中的Mg，每一个导体均具有240MPa或者更高的抗拉强度、10％或者更高的断裂伸长率、8J/m或者更高的冲击吸收能，以及40％IACS或者更高的导电率。另外，每一个导体在高应变振幅下均具有900次或者更高的耐疲劳性。另外，在导体的表面上没有探测到颜色变化和变形。据此，表中显示在实例1到4中的导体具有优良的抗拉强度、断裂伸长率、抗冲击性、导电率和耐疲劳性。
作为对照，在根据比较例1到4的导体中，因为每一个铝合金的Si含量和Mg含量均不在以上规定的范围中，所以抗拉强度、断裂伸长率、冲击吸收能、导电率和在高应变振幅下的耐疲劳性并非全部满足以上规定的范围。据此，表中显示根据比较例1到4的导体具有低劣的抗拉强度、断裂伸长率、抗冲击性、导电率和耐疲劳性。
更加具体地，当Si含量小于0.3％时(比较例1)，抗拉强度小于240MPa，并且当Si含量大于1.2％时(比较例2)，导电率小于40％IACS。另外，当Mg/Si重量比率小于0.8时(比较例3)，抗拉强度小于240MPa。当Mg/Si重量比率大于1.8时(比较例4)，断裂伸长率小于10％，冲击吸收能小于8J/m，并且导电率小于40％IACS。
在根据比较例5到8的导体中，因为没有执行具有500到580℃的加热温度的固溶处理以及具有150到220℃的加热温度和4到20个小时的持续时间的时效热处理，所以抗拉强度、断裂伸长率、冲击吸收能、导电率和在高应变振幅下的耐疲劳性并非全部满足以上规定的范围。据此，表中显示在比较例5到8中的导体具有低劣的抗拉强度、断裂伸长率、抗冲击性和耐疲劳性。
更加具体地，当在固溶处理期间的加热温度低于500℃时(比较例5)，断裂伸长率小于10％，并且冲击吸收能小于8J/m。当在固溶处理期间的加热温度高于580℃时(比较例6)，抗拉强度小于240MPa，断裂伸长率小于10％，并且冲击吸收能小于8J/m。另外地，在导体的表面上探测到颜色变化和变形。当在时效热处理期间的加热温度低于150C并且时效热处理的持续时间短于4个小时时(比较例7)，抗拉强度小于240MPa。当在时效热处理期间的加热温度高于220℃并且时效热处理的持续时间长于20个小时时(比较例8)，抗拉强度小于240MPa。
在根据比较例9和10的导体中，如在传统的铝导体的情形中那样，在通过捆束基线制备线束之后没有执行固溶处理、淬火和时效热处理。因此，在捆束步骤之前由于冷加工引起的加工硬化难以被充分地消除，并且伸长率较低。结果，断裂伸长率小于10％，并且冲击吸收能小于8J/m。据此，发现根据比较例9和10的导体具有低劣的断裂伸长率和抗冲击性。
对本发明优选实施例的前述说明并非旨在具有穷尽性或者将本发明限制为所被披露的精确形式，而是根据以上教导可以进行修改和变化或者可以从实施本发明获取修改和变化。
例如，在上述实例中的导体每一个均被布置成将七根基线形成为线束；然而，本发明不限于此。
工业适用性
根据本发明的导体例如适用于汽车电线。

Claims (8)

1.一种导体，包括由铝合金制成的多根基线，所述铝合金含有：
Si，其含量为0.3到1.2质量％；
Mg，其含量使得Mg/Si重量比率在0.8到1.8的范围中；和
剩余部分，主要包括Al和不可避免的杂质，
其中，所述导体具有240MPa或者更高的抗拉强度、10％或者更高的断裂伸长率、8J/m或者更高的冲击吸收能和40％IACS或者更高的导电率。
2.根据权利要求1的导体，其中，所述铝合金还含有从包括Fe、Cu、Cr和Mn的组中选择的一种或者多种元素，其中所述一种或者多种元素的总含量是0.5质量％或者更低。
3.根据权利要求1或2的导体，其中，所述铝合金还含有从包括500ppm以下的Ti和50ppm以下的B的组中选择的一种或者两种元素。
4.根据权利要求1或2的导体，其中，所述导体具有0.75mm2或者更小的截面面积。
5.根据权利要求3的导体，其中，所述导体具有0.75mm2或者更小的截面面积。
6.一种导体的制造方法，所述方法包括以下步骤：
通过对由铝合金制成的多根基线进行捆束而制备线束，所述铝合金含有：含量为0.3到1.2质量％的Si、含量使得Mg/Si重量比率在0.8到1.8的范围中的Mg、以及主要包括Al和不可避免的杂质的剩余部分；和
对所述线束进行固溶处理，然后对所述线束进行淬火，然后对所述线束进行时效热处理。
7.根据权利要求6的方法，其中，对所述线束进行固溶处理时的加热温度为500到580℃，对所述线束进行时效热处理时的加热温度为150到220℃。
8.根据权利要求6或7的方法，其中，在所述固溶处理期间的加热是高频感应加热。
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