JP2007152398A

JP2007152398A - 銅被覆アルミニウム線の製造方法

Info

Publication number: JP2007152398A
Application number: JP2005351042A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Ohata; 要介大畑
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Fujikura Ltd; Viscas Corp
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Fujikura Ltd; Viscas Corp
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】銅層とアルミニウム線との密着性が高く、かつ伸線加工等における銅層の剥離と断線、及び焼鈍熱処理における膨れ発生の少ない銅被覆アルミニウム線の製造方法を提供する。
【解決手段】銅テープにアルミニウム線を縦添えにし、このアルミニウム線を覆うように銅テープをロールフォーミングにより連続的に管状に成形し、次に該管状銅テープの突合せ部を連続的に溶接する造管方式により複合線を得、その後該複合線を所定径まで伸線加工する銅被覆アルミニウム線の製造方法において、素材として使用するアルミニウム線の表面粗さ（Ｒａ）が５〜５０μｍであり、かつ銅テープのアルミニウム線に接する面の表面粗さ（Ｒａ）が１０μｍ以下であることを特徴とする銅被覆アルミニウム線の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、銅被覆アルミニウム線の製造方法に関し、特に銅被覆層とアルミニウム線との接着性と接合性に優れ、これにより優れた伸線加工性を有する銅被覆アルミニウム線の製造方法に関する。

従来、銅線よりも軽量であると共に高い導電性が要求されるハードディスク用ピックアップコイル、ＣＡＴＶ用同軸ケーブル中心導体、ヘッドホン用巻線等にアルミニウム線に銅を被覆した銅被覆アルミニウム線が使用されている。
この銅被覆アルミニウム線は、表１に示すように軽量化と導電率の兼ね合いから、銅とアルミニウムとの断面積の割合でアルミニウムの面積が１０〜２０％となるようにアルミニウム線と銅とを複合して製造されている。

この銅被覆アルミニウム線は、通常以下の２つの工程により製造されている。
最初の工程では、被覆材となる銅と芯材となるアルミニウム線とを複合化し、銅被覆アルミニウム線の複合線を製造する工程であり、造管方式により製造される。この造管方式では、銅テープにアルミニウム線を縦添えし、このアルミニウム線を覆うように、銅テープをロールフォーミングにより連続的に管状に成形し、銅テープの突合せ部を連続的に溶接する。管状に成形、溶接された銅テープは、更にロールにより縮径され、中にあるアルミニウム線と密着されて銅被覆アルミニウム線の複合線が製造される。

続く工程では、得られた銅被覆アルミニウム線の複合線を伸線機を用いて伸線加工し、所定の径まで縮径化する工程である。
上記工程において、造管方式により複合線を製造する最初の工程で、表面銅層とアルミニウム線との間の密着性が低いと、容易に銅層が剥がれてしまう。銅層とアルミニウム線との密着性は後の工程の伸線加工で加工度が増すと強くなっていく。
また、上記した製造方法とは異なり、外径１．０ｍｍφ以下のアルミニウム導体の表面上に亜鉛置換によって形成させた亜鉛薄膜の外周に、電解メッキによって銅導体を連続被覆させて銅被覆アルミニウム線を製造する方法（特許文献１）も提案されている。

特許第３４７０７９５号公報

しかしながら、上記造管方式を採用する銅被覆アルミニウム線の製造方法には以下に記す問題点がある。
まず巻線として極細線レベルまで伸線加工する場合には、表面銅層とアルミニウム線との密着性（接合性）が伸線加工の初期段階では低く、また場所によってはバラツキが大きいために、伸線加工中にアルミニウム線から表面銅層が剥離し、アルミニウム線が露出して断線することがある。また、最小線径は５０μｍ程度が限界であるほか、製出量（断線することなく１条長当たりに取れる量）も極めて少なく、コスト高となっている。
またＣＡＴＶ用同軸ケーブルの中心導体等に使用する場合には、伸線加工後に焼鈍のための熱処理が行われるが、この際銅層とアルミニウム線との界面で残存しているガスが膨張し、銅層の表面に膨れなどが生ずることがある。

以上のようなトラブルは、銅層とアルミニウム線との間の密着性不足に起因する問題であることから、その解決策として、造管の際に予め両材料の洗浄強化、伸線条件の最適化、及び取扱作業の管理等の改善が実施されている。しかし、このような改善策では、伸線加工性の向上及び製出量の増加を十分に図ることはできず、製品のコストアップの要因になっている。
また、上記製造方法とは異なる前記特許文献１に記載の製造方法も実用性等の点で十分な効果が得られるとは言いがたい状況にある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、銅被覆アルミニウム線の製造に使用する銅テープ及びアルミニウム線の表面粗さが一定のものを使用することにより、造管方式により得られる複合線を所定径まで伸線加工する際に銅層とアルミニウム線との密着性を大幅に高めて、接合を促進できることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、銅テープにアルミニウム線を縦添えにし、このアルミニウム線を覆うように銅テープをロールフォーミングにより連続的に管状に成形し、次に該管状銅テープの突合せ部を連続的に溶接する造管方式により複合線を得、その後該複合線を所定径まで伸線加工する銅被覆アルミニウム線の製造方法において、素材として使用するアルミニウム線の表面粗さ（Ｒａ）が５〜５０μｍであり、かつ銅テープのアルミニウム線に接する面の表面粗さ（Ｒａ）が１０μｍ以下であることを特徴とする銅被覆アルミニウム線の製造方法に関する。

本発明に係る銅被覆アルミニウム線の製造方法において、複合線製造時、銅テープとアルミニウム線とを複合化する際に、これらの素材の表面粗さが適正な範囲にあるものを使用することにより、後工程の伸線加工において早い段階で銅層とアルミニウム線との密着性を大幅に高めて接合を促進させることが可能となる。この結果、伸線加工や取扱い時において銅層の剥離や断線等のトラブル、焼鈍熱処理における膨れ発生等のトラブルを減少させることが可能となった。

本発明の銅被覆アルミニウム線の製造方法は、銅テープにアルミニウム線を縦添えにし、このアルミニウム線を覆うように銅テープをロールフォーミングにより連続的に管状に成形し、次に該管状銅テープの突合せ部を連続的に溶接する造管方式により複合線を得（複合化工程）を得、その後該複合線を所定径まで伸線加工（伸線工程）する銅被覆アルミニウム線の製造方法において、素材として使用するアルミニウム線の表面粗さ（Ｒａ）が５〜５０μｍであり、かつ銅テープのアルミニウム線に接する面の表面粗さ（Ｒａ）が１０μｍ以下であることを特徴とする。

以下に本発明の各工程について説明する。
本発明の主な工程は、複合化工程と伸線工程よりなるが、素材として使用するアルミニウム線の表面粗さ（Ｒａ）が５〜５０μｍ、また銅テープのアルミニウム線に接する面の表面粗さ（Ｒａ）が１０μｍ以下でない場合には、これらの工程の前に下記の前処理工程により、素材として使用する銅テープとアルミニウム線の表面粗さ（Ｒａ）を調節する。
素材として使用するアルミニウム線は、通常、連続鋳造圧延された荒引線、あるいは前記荒引線を伸線加工して設けられた線材が用いられる。荒引線は圧延ロールで２方向又は３方向から圧延して加工されるが、該圧延ロール表面にはある程度の凹凸が設けられているために、この圧延ロールにより圧延加工される荒引線の表面にも凹凸が形成されて表面粗さ（Ｒａ）が５０μｍよりもはるかに大きく、更に、横断面の真円度が低い多角形となる。従って、荒引線を使用する場合には以下に記載するような前処理工程が必要となる。また、荒引線を伸線加工された線材を使用する場合には、表面粗さ（Ｒａ）が５μｍ未満と小さくなるため、この場合にも以下に記載する前処理工程が必要となる。
一方、銅テープは、所定の厚さに熱間圧延して成形されるので、圧延後の表面粗さ（Ｒａ）は１０μｍ以下と良好であるが、このようにして得られた銅テープは、保管の際の酸化による変色を防止する目的で表面に酸化防止膜が設けられることが多い。この酸化防止膜が設けられていない場合には表面粗さ（Ｒａ）を調節するための表面処理は不要である。一方、酸化防止膜が設けられている場合にはこの膜の除去と表面粗さ（Ｒａ）の調節のために、以下に記載する前処理工程が必要となる。
尚、銅テープとアルミニウム線について、本発明で使用する表面粗さ（Ｒａ）であるものが直接製造される場合、又は前処理された、本発明で使用する表面粗さ（Ｒａ）のものが入手できる場合、また銅テープについては更に酸化防止膜が設けられていない場合には下記前処理工程をそれぞれ省略することができる。
（１）前処理工程
前処理工程において、本発明の銅被覆アルミニウム線の製造に使用する銅テープ及びアルミニウム線を研磨等による表面粗さ（Ｒａ）を調節するための表面処理を行う。
前処理工程において、アルミニウム線の表面粗さ（Ｒａ）を５〜５０μｍとする。これは、伸線加工されるときに銅層との境界部にできる空隙を極力少なくし、伸線加工の早い段階で銅層との間で密着性が高まるようにするためと、更に伸線加工が進むにつれて両金属表面に塑性加工が起こり、新生面が露出することで、この新生面同士で頑固な金属結合ができるようにするためであり、その結果として両金属の接合が促進される効果がある。

アルミニウム線の表面粗さ（Ｒａ）を５μｍ以上とするのは、５μｍ未満になると銅テープと接触した際にいわゆるアンカー効果が得にくく、密着性を高める効果が小さいためである。一方、前記５０μｍ以下とするのは、５０μｍを越えると凸部と凹部とで銅層との密着性に際が生じ、密着性にバラツキが生じ易くなるためと、伸線加工において密着性が弱い凹部に伸線加工の引張応力や曲げ応力が集中し、破壊や膨れなどの起点となり、伸線途中で銅層が剥離したり、断線するといったトラブルや、焼鈍処理時の膨れが発生するためである。

一方、銅テープに関しても同様の理由で、アルミニウム線に接する面の表面粗さ（Ｒａ）を１０μｍ以下とする。銅テープの場合には、アルミニウム線に比べて硬度が高く、表面に近いことから、粗さが大きいと伸線中にすぐ境界部の破壊の起点になることから、この表面粗さ（Ｒａ）はアルミニウム線よりも小さい１０μｍ以下とする。
本発明において、前記表面粗さ（Ｒａ）の測定は、以下の測定方法によるものとする。
表面粗さの測定には、非接触型、接触型のいずれの表面粗さ測定機を用いてもよい。
表面粗さの測定は、図１に示すように、アルミニウム線については長手方向と平行に４個所、銅テープについては長手方向に４個所の測定を行い、測定１箇所ごとに粗さ曲線から算術平均高さ（Ｒａ）を求め、それぞれの平均値によりその材料の表面粗さを表す。
尚、測定時のカットオフ値、評価長さは算術平均高さ（Ｒａ）の範囲による標準値を使用する。

前処理工程における表面粗さ（Ｒａ）の調節方法は、特に制限されるものではなく、例えば、銅テープとアルミニウム線にステンレス製のブラシを用いた研磨により行うことができるが、この場合、研磨に使用するステンレス製ブラシの太さや回転速度により、表面粗さ（Ｒａ）を調節することが可能である。その他には、例えばショットブラスト等の方法で行うことも可能である。

（２）複合化工程
複合化工程では、被覆材となる銅と芯材となるアルミニウム線とを複合化し、銅被覆アルミニウム線の複合線を製造する工程であり、造管方式により製造される。この造管方式では、前記処理を施した銅テープに、同様な前処理を施したアルミニウム線を縦添えし、このアルミニウム線を覆うように、銅テープをロールフォーミングにより連続的に管状に成形し、銅テープの突合せ部を連続的に溶接する。管状に成形、溶接された銅テープは、更にロールにより縮径され、中にあるアルミニウム線と密着されて銅被覆アルミニウム線の複合線が製造される。

本発明の製造方法において、銅テープは、溶接性に優れた酸素量１０ｐｐｍ以下の無酸素銅を使用することが好ましい。同様にアルミニウム線は導電率が６２％ＩＡＣＳ以上の導電用純アルミニウム線を使用することが好ましい。また銅テープの厚さは、成形性、溶接性の点から約０．２〜０．６ｍｍが好ましく、アルミニウム線は銅の面積比率から、約９〜１２ｍｍφのものが好ましい。複合化工程で製造される銅被覆アルミニウム線の複合線の径は、特に制限はないが９．５〜１３ｍｍ程度にするのが好ましい。

（３）伸線工程
伸線工程では、得られた銅被覆アルミニウムの複合線を伸線機を用いて伸線加工し、所定の径まで縮径化する工程である。銅被覆アルミニウム線は、ハードディスク用ピックアップコイルやヘッドホン用巻線等の用途に使用されるものでは、主に数十μｍから数百μｍの極細線にまで伸縮加工され、エナメル等の絶縁被膜を付けた後、巻線として使用される。一方、ＣＡＴＶ用同軸ケーブルの中心導体等に使用される場合には、１〜３ｍｍ程度の線径まで伸線した後、熱処理炉によって伸線加工の歪を除去した軟質材にして使用される。

本発明の製造方法において、造管方式により複合線を製造する複合化工程では、表面銅層とアルミニウム線との間の密着性は著しく向上するので銅層の剥がれを防止でき、更に銅層とアルミニウム線との密着性は伸線工程で加工度が増すごとに強くなっていき、使用される線径では、完全に両者は金属結合かまたはそれに近い結合をしているものと考えられる。

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
尚、本実施例において、評価方法は下記の方法によった。
（１）表面粗さ（Ｒａ）の測定
表面粗さ（Ｒａ）の測定には、触針式表面粗さ測定機を用いた。
アルミニウム線については、図１（Ａ）の断面図及び図１（Ｂ）の斜視図に示すように長手方向と平行に４個所、銅テープについては、図１（Ｂ）の斜視図に示すように長手方向に４個所の測定を行い、それぞれ測定１箇所ごとに粗さ曲線から算術平均高さ（Ｒａ）を求めて平均値により評価した。尚、測定時のカットオフ値、評価長さは算術平均高さ（Ｒａ）の範囲による標準値を使用した。
（２）密着線径の測定
引張試験機を使用して、長さ３００ｍｍのサンプルに引張速度１０〜３０ｍｍ/分の条件でサンプルに引張荷重をかけ、引張破断させる。引張破断した引張破断面を観察することにより、銅層とアルミニウム線との間に隙間が見られず、一体となって破断したかどうかを判定し、隙間なく破断した線径を密着線径とした。
（３）焼鈍条件と評価方法
伸縮加工により線径が２．８５ｍｍφのサンプルを調製して、窒素雰囲気中で３００℃、１時間の焼鈍を行い、室温まで冷やした後に表面に膨れが発生していないかどうかの評価を行った。
（４）断線回数と製出量
各複合線サンプル２０ｋｇに対し、最終線径１８０ｍｍφまで伸線したときの断線回数と、製出量（破断することなく１条長さ当たり取れた量）について評価を行った。

[実施例１〜８]
銅テープは、酸素量１０ｐｐｍの無酸素銅テープで、厚さ０．４ｍｍ、幅４２ｍｍのものを用いた。アルミニウム線は、導電率が６２％ＩＡＣＳの導電用純アルミニウム線９．５ｍｍφを使用した。
銅テープはアルミニウム線に接する面のみステンレス製の回転ブラシにより研磨し、表面の酸化皮膜等を除去すると共に、表面粗さ（Ｒａ）を表２に示す適正な値にした後、スリッター装置を用いて３７ｍｍ幅となるように、テープの両側を切断、除去して造管のフォーミングリールに挿入した。一方、アルミニウム線は同様にステンレス製の回転ブラシにより、表面を表２に示す表面粗さ（Ｒａ）に研磨して銅テープに縦添えした状態で、造管のフォーミングリールに挿入した。
尚、両金属の研磨に使用したステンレス製ブラシの太さや回転速度により、表２に示す表面粗さ（Ｒａ）に調節した。
また、各実施例における複合線の径は１０ｍｍφであり、その断面における銅の面積割合は１５％であった。

続いて、銅被覆アルミニウム線の複合線を伸線機を用いて伸線加工し、その伸線性を評価した。目標とした最終線径は１８０μｍφであり、伸線加工の貫割は２０％を標準とした。
評価では１パスごとのサンプルを採り、引張試験を行ってその引張断面を観察した。
密着線径、焼鈍の評価、断線回数、製出量についてその評価結果をまとめて表２に示す。

[比較例１〜８]
表２に記載する条件で、実施例に記載したと同様の方法で銅被覆アルミニウム線を作製し、実施例で行ったと同様の評価を実施した。その評価結果をまとめて表２に示す。

表２に示すように、各実施例では、銅層とアルミニウム線との密着線径が３ｍｍ以上であり、伸線加工の早い段階で密着性が高くなったことが判った。また、線径２．８５ｍｍφで行った焼鈍実験では、表面に膨れは発生せず、銅層とアルミニウム線との境界にガス等の残留がなく、清浄な状態であることが判った。
更に各実施例のサンプルでは、１８０μｍφまでの伸線時に破断が殆ど発生せず、製出量が１０ｋｇ以上で良好であった。

一方、本発明の製造条件の範囲外で製造された比較例のサンプルでは、密着線径は、２．８５ｍｍφ以下であり、密着性が低いまま伸線加工されていることが判った。また、線径２．８５ｍｍφで行った焼鈍試験では、表面に膨れが派生し、銅層とアルミニウム線との界面にガス等の残留があり、同軸ケーブルのような用途には適さないことが判った。更に、１８０μｍφまでの伸線加工では断線が多発し、製出量が０．５ｋｇ以下であった。

本発明の製造方法により得られる銅被覆アルミニウム線は、軽量であると共に高い導電性を有するので、ハードディスク用ピックアップコイル、ＣＡＴＶ用同軸ケーブル中心導体、ヘッドホン用巻線等に広く使用することができる。

銅テープとアルミニウム線の表面粗さの測定個所を示す断面図及び斜視図

Claims

銅テープにアルミニウム線を縦添えにし、このアルミニウム線を覆うように銅テープをロールフォーミングにより連続的に管状に成形し、次に該管状銅テープの突合せ部を連続的に溶接する造管方式により複合線を得、その後該複合線を所定径まで伸線加工する銅被覆アルミニウム線の製造方法において、素材として使用するアルミニウム線の表面粗さ（Ｒａ）が５〜５０μｍであり、かつ銅テープのアルミニウム線に接する面の表面粗さ（Ｒａ）が１０μｍ以下であることを特徴とする銅被覆アルミニウム線の製造方法。