JP2004139832A

JP2004139832A - ニッケル被覆アルミニウム線およびエナメル絶縁ニッケル被覆アルミニウム線

Info

Publication number: JP2004139832A
Application number: JP2002303129A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kitazawa; 北沢　弘; Takashi Miyazawa; 宮澤　貴志
Original assignee: Totoku Electric Co Ltd
Current assignee: Totoku Electric Co Ltd
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2004-05-13

Abstract

【課題】ニッケル−アルミ複合素材の冷間塑性加工を容易とし、熱拡散による特性の劣化が抑制でき、はんだ接合が可能であり、且つ軽量化に好適なコイル用線材として使用されるニッケル被覆アルミニウム線およびエナメル絶縁ニッケル被覆アルミニウム線を提供する。
【解決手段】Ｍｇ（マグネシウム）が０．５％以上含有されているＡｌ（アルミニウム）−Ｍｇ合金で、導体のＴＳ（引張り強度）が２５０Ｎ／ｍｍ^２以上であるアルミニウム導体（１）の外周に、亜鉛置換によって亜鉛薄膜（２）を形成させ、次に電解ニッケルめっきにより、ニッケル被覆率が１０％以上のニッケル皮膜（３）を連続して被覆してニッケル被覆アルミニウム線（母線）（５）とし、更に母線に冷間塑性加工を施してニッケル被覆アルミニウム線（５）とする。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、はんだ付け可能な軽量化電線およびコイル用線材に関し、更に詳しくはニッケル被覆アルミニウム線およびエナメル絶縁ニッケル被覆アルミニウム線に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近時、電子機器あるいは電子部品（以下、電子機器部品と略記する）の軽薄短小化に伴い、これらに用いられているコイル等の導体においても細径化がなされ、また導体の軽量化要求に対しては比重が銅の１／３以下であるアルミニウムまたはアルミニウム合金が採用されてきている。
しかしながら、アルミニウム導体（以下、アルミ導体と略記する）は電気化学的に卑な電位を有しており、瞬時に酸化皮膜が形成されるため、はんだ付けが非常に困難な材料である。また、アルミ導体自身の機械的強度不足もあって、接続箇所に対する十分な信頼性を保持させるには特別な接続技術を必要とした。
このようにアルミ導体は、はんだ付けによる接続に問題があるため、アルミ導体より若干比重は大きくなるが、アルミ導体の外周に銅テープを溶接によってパイプとなした銅パイプ被覆層を設け、更に線引き加工を施して銅クラッドアルミ線とする方法と、他方ではアルミニウム表面に亜鉛薄膜を設け、更に当該亜鉛薄膜上に直接電解銅めっきを施すことによって、良好な銅被覆層を形成して銅クラッドアルミ線とする方法の、２通りの製法によって、それぞれはんだ付け可能な軽量化電線として上市されている。更に、前記銅クラッドアルミ線の外周にエナメル絶縁被覆を施したエナメル被覆銅クラッドアルミ線は、電子機器部品に使用されるコイル用線材として幅広い分野で活用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
各種電子機器部品に使用されるコイル用線材も軽薄短小化や高機能化に伴い、例えば伝送速度、回転数、高密度化による内部温度雰囲気の上昇によって、更に耐熱性向上の要求が高まっている。すなわち、コイル用線材の導体としては、熱履歴に於ける物理的および機械的特性変動が少なく安定した特性を維持している導体が切望されている。
前記した銅クラッドアルミ線は、長時間の高温加熱によって銅−アルミ境界に脆い金属間化合物が形成されて成長し、これが厚くなると線材の特性を大きく損なうことになる。また銅・アルミの平衡状態図から、化合物はＣｕ_３Ａｌ_２をはじめＣｕＡｌ、ＣｕＡｌ_２などの各層から成り立っていることが確認され、これら脆弱な化合物層が導電率の低下と引張り強さ、伸び、屈曲特性など物理的および機械的特性の大幅な低下を招いている。銅やアルミに於いては、一般的な安定化領域として１４０℃以下の雰囲気であることが望ましい。そのため、コイル部品も１４０℃以下の雰囲気で動作するものには大きな影響はないが、１４０℃を超える高温雰囲気に対しては大きな影響を受け、信頼性に乏しいものとなる。
また、Ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｉｎａｒｙ　ａｌｌｏｙｓ，　Ｄｒ．　ｐｈｉｌ．　Ｍａｘ　Ｈａｎｓｅｎ　ｅｔ．　，１９５８，　Ｐ１１８−１２１に記載された金属状態図からも、Ａｌ−Ｎｉ（ニッケル）の２００℃以下の雰囲気での金属間化合物の生成状態に関し、Ａｌ−Ｃｕ（銅）のそれと比較すると大きくその抑制効果は認められていることが分かり、そのことからもＮｉは上述した問題を解決する有望な金属の１つに挙げられる。
しかしながら、ＡｌとＮｉの有する機械的特性の大きな相違により、ニッケル−アルミ複合素材であるニッケル被覆アルミニウム線の冷間塑性加工は困難を極め、Ｎｉ表面に微視的欠陥を招来してしまうという問題点があった。
【０００４】
本発明は上記従来技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、ニッケル−アルミ複合素材の冷間塑性加工を容易とし、熱拡散による特性の劣化が抑制でき、はんだ接合が可能であり、且つ軽量化に好適なコイル用線材として使用されるニッケル被覆アルミニウム線およびエナメル絶縁ニッケル被覆アルミニウム線を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の観点として本発明は、アルミニウム導体の外周に、電解ニッケルめっきによりニッケル皮膜を連続して被覆し、更にその後、冷間塑性加工を施したニッケル被覆アルミニウム線に於いて、前記ニッケル皮膜の被覆率が１０％以上であり、且つアルミニウム導体のＴＳ（Ｔｅｎｓｉｌｅ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ）（引張り強度）が２５０Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とするニッケル被覆アルミニウム線にある。
なお、ニッケル皮膜を被覆する前に、アルミ導体を脱脂、エッチング後、亜鉛置換によって亜鉛薄膜を形成させるとより好ましい。
上記第１観点のニッケル被覆アルミニウム線（以下、ニッケル被覆アルミ線ともいう）は、ニッケル皮膜の被覆率（以下、ニッケル被覆率と略記する）を１０％以上とし、且つアルミ導体のＴＳを２５０Ｎ／ｍｍ^２以上とすることによって、冷間塑性加工時の引抜き応力と減面加工率（冷間塑性加工率）の関係に於いて、減面加工率の増加とともに引抜き応力が直線的に上昇するため、塑性加工を容易に施すことができ、細線径化できるので軽薄短小化に好適となる。一方、ニッケル被覆率が１０％未満、叉は／及びアルミ導体のＴＳが２５０Ｎ／ｍｍ^２未満では、引抜き応力と減面加工率の関係に於いて、減面加工率が増加しても直線的な上昇傾向が得られず不規則な変動が生じるため、均一な塑性加工を施すことが困難となり、細線径化できず軽薄短小化にも不適となる。またニッケル被覆率が１０％未満の場合には、ニッケル皮膜に無数の亀裂が生じて素地アルミニウムが表面に露出されるため、耐熱効果が得られなくなる。なお、軽量化の観点からすると、ニッケルの面積比率（被覆率）は前記記載の条件を満足する範囲内で極めて少ないことが好ましい。
また上記第１観点のニッケル被覆アルミ線は、熱拡散による特性の劣化が抑制でき、且つはんだ接合が容易となる。
【０００６】
第２の観点として本発明は、前記アルミニウム導体は、Ｍｇ（マグネシウム）が０．５％以上含有されているＡｌ（アルミニウム）−Ｍｇ合金からなることを特徴とするニッケル被覆アルミニウム線にある。
上記第２観点のニッケル被覆アルミ線は、アルミ導体として、Ｍｇが０．５％以上含有されているＡｌ−Ｍｇ合金が好ましく用いられる。なお、なおＭｇが０．５％未満の含有では、アルミ導体のＴＳが２５０Ｎ／ｍｍ^２以上にならないので、上記第１観点で説明したように、均一な塑性加工を施すことが困難となる等の問題があるので好ましくない。なお、アルミ導体の含有物について鋭意検討したところ、Ｍｇが０．５％以上含有されていれば、その他の不可避的に混在する成分として、Ｓｉ（シリコン）が微量含まれていても同様の結論となることが分かった。
【０００７】
上記第１および第２観点については、ニッケル被覆率と冷間塑性加工の関係、およびアルミニウム導体のＭｇ含有量と冷間塑性加工の関係について、減面加工率に対する引抜き応力を測定し、グラフ化して検討した結果から分かったものであり、図３、図４を用いて説明する。
【０００８】
図３は、ニッケル被覆率と冷間塑性加工の関係を示すグラフ図で、更に詳しくは、アルミ導体外周のニッケル皮膜の被覆率を５％（５％Ｎｉ），１０％（１０％Ｎｉ），１５％（１５％Ｎｉ）（（）内は図３での表示））と変化させたときの減面加工率と引抜き応力の関係を示すグラフ図である。
図３から明らかなように、ニッケル被覆率が１０％以上（１０，１５％）の条件に於いて、減面加工率が９３％付近までは、減面加工率が増加しても直線的な上昇が得られる。なお、ニッケル被覆率が１０％未満（５％）では、緩やかな上昇は得られるものの減面加工率が７０％以上から不規則な変動領域に達し、冷間塑性加工が極めて困難であることが伺える。なお減面加工率が０％時の各アルミ導体（素線）としては、外径Φ０．９ｍｍで、ＴＳが２５０Ｎ／ｍｍ^２位のものを用いている。
【０００９】
図４は、アルミニウム導体のＭｇ含有量と冷間塑性加工の関係を示すグラフ図で、更に詳しくは、純度９９．７２％アルミ導体（Ｐｕｒｅ−Ａｌ）、およびアルミ導体のＭｇの含有量を０．２５％（Ａｌ−０．２５Ｍｇ）、０．５％（Ａｌ−０．５Ｍｇ）、５．０％（Ａｌ−５．０Ｍｇ）と調整し（（）内は図４での表示））、また全て１０％のニッケル被覆率に調整したときの減面加工率と引抜き応力の関係を示すグラフ図である。
図４から明らかなように、減面加工率において直線的な上昇が得られる条件は、アルミ導体に含まれるＭｇの含有量が０．５％以上の条件（０．５、５．０％）であることが確認された。また、このときのアルミ導体（素線）のＴＳを測定したところ２５０Ｎ／ｍｍ^２以上あった（０．５％−２７０Ｎ／ｍｍ^２、５．０％−３３６Ｎ／ｍｍ^２）。一方、純度９９．７２％アルミ導体およびＭｇの含有量が０．２５％のアルミ導体（素線）のＴＳ　は、それぞれ１７８Ｎ／ｍｍ^２および２３４Ｎ／ｍｍ^２であり、２５０Ｎ／ｍｍ^２未満であった。なお減面加工率が０％時の各アルミ導体（素線）としては、外径Φ０．９ｍｍのものを用いている。
【００１０】
上記図３、図４の結果をまとめると、図３からは、例えアルミ導体のＴＳが２５０Ｎ／ｍｍ^２あっても、ニッケル被覆率が５％未満では冷間塑性加工が極めて困難であることが分かる。また図４からは、ニッケル被覆率が１０％あっても、Ｍｇの含有量が０．５％未満ではＴＳが２５０Ｎ／ｍｍ^２以上にならず冷間塑性加工が極めて困難であることが分かる。
従って、図３、図４より、ニッケル被覆率が１０％以上であり、且つアルミ導体のＴＳが２５０Ｎ／ｍｍ^２以上（Ｍｇの含有量が０．５％以上）あれば冷間塑性加工が容易であることが明らかとなったものである。
【００１１】
第３の観点として本発明は、前記ニッケル被覆アルミニウム線の外周に、更に、エナメル塗料を塗布焼付けしてエナメル絶縁皮膜を設けたことを特徴とするエナメル絶縁ニッケル被覆アルミニウム線（以下、絶縁ニッケル被覆アルミ線ともいう）にある。
上記第３観点の絶縁ニッケル被覆アルミ線は、前記ニッケル被覆アルミ線の外周に、ポリウレタン、ポリエステル、ポリアミドイミド、またはポリイミド塗料等のエナメル塗料を塗布焼付けしてエナメル絶縁皮膜を設けることにより容易に製造可能であり、はんだ接合が可能で、熱履歴による影響がなく、軽量化されたコイル用線材として好適となった。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の内容を、図に示す実施の形態により更に詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
図１は、本発明のニッケル被覆アルミニウム線の実施形態を示す断面図である。図２は、本発明のエナメル絶縁ニッケル被覆アルミニウム線の実施形態を示す断面図である。
これらの図において、１はアルミニウム導体（Ａｌ−Ｍｇ合金）、２は亜鉛薄膜、３はニッケル皮膜（ニッケルめっき層）、５はニッケル被覆アルミニウム線（ニッケル被覆アルミニウム線母線）、６はエナメル絶縁皮膜（ポリウレタン絶縁皮膜）、また１０はエナメル絶縁ニッケル被覆アルミニウム線（ポリウレタン絶縁ニッケル被覆アルミニウム線）である。
【００１３】
−第１の実施の形態（実施例１）−
本発明のニッケル被覆アルミニウム線の第１実施形態について図１を用いて説明する。
アルミニウム純度９９．９２％の高純度アルミニウムと２０％Ｍｇ含有Ａｌ−Ｍｇ母合金を用いて鋳造し、アルミ中に０．５％のマグネシウムが含有されているＡｌ−０．５％Ｍｇ合金組成を得、最終的に外径Φ０．９ｍｍのアルミニウム導体（素線）（１）とし、続いて当該アルミ導体を脱脂、エッチング後、亜鉛置換によって亜鉛薄膜（２）を形成させた。次に、スルファミン酸ニッケル（結晶）６００ｇ／Ｌ、塩化ニッケル５ｇ／Ｌ、ホウ酸３０ｇ／Ｌ、浴温５０℃、ｐＨ４．５に調整したニッケル電解浴によって、陰極電流密度１０Ａ／ｄｍ^２の電解条件で、１５分間通電して２５μｍ厚さのニッケルめっき層（ニッケル皮膜）（３）を得、仕上がり外径Φ０．９５０ｍｍのニッケル被覆アルミニウム線（母線）（５）を作製した。その後、前記母線を、ダイヤモンドダイスを用いた伸線によって冷間塑性加工を施し、仕上がり外径Φ０．１０ｍｍのニッケル被覆アルミニウム線（５）を製造した。
前記ニッケル皮膜（３）の被覆率は約１０％であり、またアルミ導体（素線）（１）のＴＳは２７０Ｎ／ｍｍ^２であった。
【００１４】
−第２の実施の形態（実施例２）−
本発明のニッケル被覆アルミニウム線の第２実施形態について説明する。なおニッケル被覆アルミニウム線の構造は実施例１と同様である。（以下実施例３，４も同様）
アルミニウム純度９９．９２％の高純度アルミニウムと２０％Ｍｇ含有Ａｌ−Ｍｇ母合金を用いて鋳造し、アルミ中に１．０％のマグネシウムが含有されているＡｌ−１．０％Ｍｇ合金組成を得、最終的に外径Φ０．９ｍｍのアルミニウム導体（素線）（１）とし、続いて当該アルミ導体を脱脂、エッチング後、亜鉛置換によって亜鉛薄膜（２）を形成させた。次に、スルファミン酸ニッケル（結晶）６００ｇ／Ｌ、塩化ニッケル５ｇ／Ｌ、ホウ酸３０ｇ／Ｌ、浴温５０℃、ｐＨ４．５に調整したニッケル電解浴によって、陰極電流密度１０Ａ／ｄｍ^２の電解条件で、１５分間通電して２５μｍ厚さのニッケルめっき層（３）を得、仕上がり外径Φ０．９５０ｍｍのニッケル被覆アルミニウム線（母線）（５）を作製した。その後、前記母線を、ダイヤモンドダイスを用いた伸線によって冷間塑性加工を施し、仕上がり外径Φ０．１０ｍｍのニッケル被覆アルミニウム線（５）を製造した。
前記ニッケル皮膜（３）の被覆率は約１０％であり、またアルミ導体（素線）（１）のＴＳは２８５Ｎ／ｍｍ^２であった。
【００１５】
−第３の実施の形態（実施例３）−
本発明のニッケル被覆アルミニウム線の第３実施形態について説明する。
アルミニウム純度９９．９２％の高純度アルミニウムと２０％Ｍｇ含有Ａｌ−Ｍｇ母合金を用いて鋳造し、アルミ中に５．０％のマグネシウムが含有されているＡｌ−５．０％Ｍｇ合金組成を得、最終的に外径Φ０．９ｍｍのアルミニウム導体（素線）（１）とし、続いて当該アルミ導体を脱脂、エッチング後、亜鉛置換によって亜鉛薄膜（２）を形成させた。次に、スルファミン酸ニッケル（結晶）６００ｇ／Ｌ、塩化ニッケル５ｇ／Ｌ、ホウ酸３０ｇ／Ｌ、浴温５０℃、ｐＨ４．５に調整したニッケル電解浴によって、陰極電流密度１０Ａ／ｄｍ^２の電解条件で、１５分間通電して２５μｍ厚さのニッケルめっき層（３）を得、仕上がり外径Φ０．９５０ｍｍのニッケル被覆アルミニウム線（母線）（５）を作製した。その後、前記母線を、ダイヤモンドダイスを用いた伸線によって冷間塑性加工を施し、仕上がり外径Φ０．１０ｍｍのニッケル被覆アルミニウム線（５）を製造した。
前記ニッケル皮膜（３）の被覆率は約１０％であり、またアルミ導体（素線）（１）のＴＳは３３６Ｎ／ｍｍ^２であった。
【００１６】
−第４の実施の形態（実施例４）−
本発明のニッケル被覆アルミニウム線の第４実施形態について説明する。
アルミニウム純度９９．７％の純アルミニウムと２０％Ｍｇ＋４％Ｓｉ含有Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ母合金を用いて鋳造し、アルミ中に１．０％のマグネシウムおよび０．２％のシリコンが含有されているＡｌ−１．０％Ｍｇ−０．２％Ｓｉ合金組成を得、最終的に外径Φ０．９ｍｍのアルミニウム導体（素線）（１）とし、続いて当該アルミ導体を脱脂、エッチング後、亜鉛置換によって亜鉛薄膜（２）を形成させた。次に、スルファミン酸ニッケル（結晶）６００ｇ／Ｌ、塩化ニッケル５ｇ／Ｌ、ホウ酸３０ｇ／Ｌ、浴温５０℃、ｐＨ４．５に調整したニッケル電解浴によって、陰極電流密度１０Ａ／ｄｍ^２の電解条件で、１５分間通電して２５μｍ厚さのニッケルめっき層（３）を得、仕上がり外径Φ０．９５０ｍｍのニッケル被覆アルミニウム線（母線）（５）を作製した。その後、前記母線を、ダイヤモンドダイスを用いた伸線によって冷間塑性加工を施し、仕上がり外径Φ０．１０ｍｍのニッケル被覆アルミニウム線（５）を製造した。
前記ニッケル皮膜（３）の被覆率は約１０％であり、またアルミ導体（素線）（１）のＴＳは２９６Ｎ／ｍｍ^２であった。
【００１７】
上記実施例１〜４により得られたニッケル被覆アルミ線（母線）（５）は、冷間塑性加工が容易となり、細線径化でき、量産安定性が極めて良好であった。また本発明のニッケル被覆アルミ線は、軽薄短小化に好適となり、熱拡散による特性の劣化が抑制でき、且つはんだ接合が容易となった。
【００１８】
−第５の実施の形態（実施例５）−
本発明のエナメル絶縁ニッケル被覆アルミニウム線の実施形態について図２を用いて説明する。
上記実施例１により得られた外径Φ０．１０ｍｍのニッケル被覆アルミニウム線（５）の外周に、ポリウレタン塗料を塗布，焼付して０．００６ｍｍ厚さのポリウレタン絶縁皮膜（６）を設けて外径Φ０．１１２ｍｍのポリウレタン絶縁ニッケル被覆アルミニウム線（１０）を製造した。
【００１９】
上記実施例５により得られた絶縁ニッケル被覆アルミ線（１０）は、熱履歴による影響がなく、軽薄短小化に好適なコイル用線材となった。
【００２０】
【発明の効果】
本発明のニッケル被覆アルミ線は、アルミ導体の外周に、電解ニッケルめっきによりニッケル皮膜を連続被覆させ、更にその後、冷間塑性加工を施すニッケル被覆アルミ線に於いて、ニッケル被覆率を１０％以上とし、且つ、アルミ導体のＴＳが２５０Ｎ／ｍｍ^２以上であることにより、冷間塑性加工が容易となり、細線径化できるので軽薄短小化に好適となり、極めて量産安定性が良い線材を提供できるようになった。また本発明のニッケル被覆アルミ線は、熱拡散による特性の劣化が抑制でき、且つはんだ接合が容易となった。また、前記ニッケル被覆アルミ線の外周にエナメル絶縁皮膜を設けた絶縁ニッケル被覆アルミ線は、熱履歴による影響がなく、軽薄短小化に好適なコイル用線材となった。また導体にアルミニウムを用いることによって軽量化も図れた。従って、本発明は、電子機器部品の軽薄短小化、高性能化に大きく寄与するところ極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のニッケル被覆アルミニウム線の実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明のエナメル絶縁ニッケル被覆アルミニウム線の実施形態を示す断面図である。
【図３】ニッケル被覆率と冷間塑性加工の関係を示すグラフ図である。
【図４】アルミニウム導体のＭｇ含有量と冷間塑性加工の関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１　アルミニウム導体（Ａｌ−Ｍｇ合金）
２　亜鉛薄膜
３　ニッケル皮膜（ニッケルめっき層）
５　ニッケル被覆アルミニウム線（ニッケル被覆アルミニウム線母線）
６　エナメル絶縁皮膜（ポリウレタン絶縁皮膜）
１０　エナメル絶縁ニッケル被覆アルミニウム線（ポリウレタン絶縁ニッケル被覆アルミニウム線）

Claims

アルミニウム導体の外周に、電解ニッケルめっきによりニッケル皮膜を連続して被覆し、更にその後、冷間塑性加工を施したニッケル被覆アルミニウム線に於いて、
前記ニッケル皮膜の被覆率が１０％以上であり、且つアルミニウム導体のＴＳ（Ｔｅｎｓｉｌｅ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ）（引張り強度）が２５０Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とするニッケル被覆アルミニウム線。
前記アルミニウム導体は、Ｍｇ（マグネシウム）が０．５％以上含有されているＡｌ（アルミニウム）−Ｍｇ合金からなることを特徴とする請求項１記載のニッケル被覆アルミニウム線。
請求項１または２に記載のニッケル被覆アルミニウム線の外周に、更に、エナメル塗料を塗布焼付けしてエナメル絶縁皮膜を設けたことを特徴とするエナメル絶縁ニッケル被覆アルミニウム線。