JP2008041447A - ケーブル用導体及びその製造方法並びにその導体を用いた耐屈曲性ケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】導電率、取扱性及び生産性を低下させることなく、耐屈曲性を向上させたケーブル用導体及びその製造方法並びにその導体を用いた耐屈曲性ケーブルを提供するものである。
【解決手段】タフピッチ銅又はＣｕ−Ｓｎ合金で構成されるケーブル用導体の平均結晶粒径が１０μｍ未満であり、上記ケーブル用導体の０．２％耐力が１３０ＭＰａを超え、破断時の伸び率が１５％以上で、かつ導電率が９８％ＩＡＣＳ以上である。
【選択図】なし

Description

本発明は、産業用ロボットケーブル、自動工作機械等に用いられるケーブルの導体に係り、特に屈曲疲労寿命を向上させたケーブル用導体及びその製造方法並びにその導体を用いた耐屈曲性ケーブルに関するものである。

産業用ロボットケーブルや自動工作機械等の駆動部に用いられるケーブルは、その使用環境から優れた繰り返し特性、すなわち耐屈曲性が要求される。従来、この種の用途のケーブル（以下、耐屈曲性ケーブルという）の導体は、一般にタフピッチ銅が用いられている。また、耐屈曲性を向上させるために、固溶硬化型のＣｕ−Ｓｎ合金（特許文献１〜３）、析出硬化型のＣｕ−Ｚｒ合金（特許文献４，５）、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ合金（特許文献６，７）等が用いられている。

固溶硬化型のＣｕ−Ｓｎ合金、析出硬化型のＣｕ−Ｚｒ合金、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ合金をはじめとする種々の合金を用いた耐屈曲性ケーブル用導体は、導体の引張強さを向上させ、耐屈曲性を向上させようとするものである。また、いずれの耐屈曲性ケーブル用導体も、適度の伸びを有する軟質銅線が用いられる。この理由は、ケーブルの取扱性を向上させるためである。

特開平６−７６６４０号公報 特開平１１−１７２３９１号公報 特開２００４−１７９１５１号公報 実開平５−２０２０８号公報 特開２０００−２４３１３９号公報 実開平５−２０２０７号公報 特開平６−２８３０３８号公報 特開２００５−３３６５７８号公報

しかしながら、従来の耐屈曲性ケーブルでは、導体にタフピッチ銅の軟質銅線を用いた場合、導電率は１００％ＩＡＣＳと優れているものの、耐屈曲性が不十分であるという不具合がある。

また、Ｃｕ−Ｓｎ合金を用いた場合、耐屈曲性は優れているものの、Ｓｎを０．３質量％固溶させた時の導電率が８０％ＩＡＣＳ、Ｓｎを０．７質量％固溶させた時の導電率が６５％ＩＡＣＳという具合に、Ｓｎ添加量（固溶量）の増加と共に導電率が低下するという不具合がある。

更に、Ｃｕ−Ｚｒ系、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系等の析出硬化型の合金は、優れた導電性及び耐屈曲性を有するものの、伸線後に所定の引張強さに調質するために長時間の熱処理（時効処理）を施す必要があるため、生産性に劣るという問題がある。

そこで本発明の目的は、導電率、取扱性及び生産性を低下させることなく、耐屈曲性を向上させたケーブル用導体及びその製造方法並びにその導体を用いた耐屈曲性ケーブルを提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、タフピッチ銅又はＣｕ−Ｓｎ合金で構成されるケーブル用導体の平均結晶粒径が１０μｍ未満であり、上記ケーブル用導体の０．２％耐力が１３０ＭＰａを超え、破断時の伸び率が１５％以上で、かつ導電率が９８％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とするケーブル用導体である。

請求項２の発明は、上記Ｃｕ−Ｓｎ合金が、Ｓｎ固溶量が０．０２５質量％以下であり、残部が不可避不純物と銅である請求項１記載のケーブル用導体である。

請求項３の発明は、導体本体の表面にＳｎ、Ｎｉ、又はＡｇのめっき膜を設けた請求項１又は２に記載のケーブル用導体である。

請求項４の発明は、タフピッチ銅又はＣｕ−Ｓｎ合金で構成される線材に冷間伸線加工を施した後、その伸線材に通電アニーラ焼鈍による熱処理を施し、平均結晶粒径を１０μｍ未満に調整することを特徴とするケーブル用導体の製造方法である。

請求項５の発明は、請求項１〜３いずれかに記載のケーブル用導体を使用した単線材あるいは撚線材で形成したことを特徴とする耐屈曲性ケーブルである。

請求項６の発明は、上記単線材あるいは撚線材の周囲を絶縁層で被覆した請求項５記載の耐屈曲性ケーブルである。

本発明のケーブル用導体によれば、従来のタフピッチ銅の軟質銅と比べて、導電率と、伸び、すなわちケーブル取扱性とを低下させることなく、耐屈曲性を向上させることができる。

以下、本発明の好適一実施の形態を説明する。

軟質銅の耐屈曲性を向上させるために、前述の通り、引張強さの向上による手段が想起される。硬質銅においては、引張強さと耐屈曲性の関係について、両者の相関は見られる。しかし、軟質銅においては、引張強さと耐屈曲性の相関が取れていない。

本実施の形態においては、曲げによる塑性変形を受けにくくし、耐屈曲性を向上させることに着目し、塑性変形に必要な強さである０．２％耐力を指標とし、この０．２％耐力の向上によって耐屈曲性の向上を図る。そのため、従来技術で使用されているタフピッチ銅の軟質銅の０．２％耐力である１３０ＭＰａを基準にし、０．２％耐力を１３０ＭＰａ超に向上させ、耐屈曲性の向上を図る。

０．２％耐力の向上には、ホール・ペッチ（Ｈａｌｌ−Ｐｅｔｃｈ）の関係がよく用いられる。これによれば、０．２％耐力は、元素の固溶あるいは結晶粒径の微細化によって向上させることができる。

そこで、本実施の形態においては、固溶元素として、０．２％耐力の向上効果が大きいＳｎを選択、採用している。ただし、多量にＳｎ元素を固溶させると、前述したように著しい導電率の低下を引き起こすため、Ｓｎ固溶量の上限値は、導電率９８％ＩＡＣＳ以上を維持、満足できる０．０２５質量％以下に限定される。

また、本実施の形態においては、結晶粒微細化による０．２％耐力の向上も図っており、これによって耐屈曲性を更に向上させている。結晶粒径は、従来技術で使用されているタフピッチ銅の１０μｍを基準にし、１０μｍ未満に微細化される。

また、耐屈曲性ケーブル用導体は、ＪＩＳ Ｃ３１０２規格を満たすべく、導電率が９８％ＩＡＣＳ以上、伸び率が１５％以上の電気用軟質銅線とされる。

以上より、本実施の形態に係るケーブル用導体は、その０．２％耐力を１３０ＭＰａ超、破断時の伸び率を１５％以上かつ導電率を９８％ＩＡＣＳ以上とすべく、タフピッチ銅又はＣｕ−Ｓｎ合金でケーブル用導体を構成し、かつ、その導体の平均結晶粒径を１０μｍ未満としたものである。ケーブル用導体をＣｕ−Ｓｎ合金で構成する場合、Ｓｎ固溶量は０．０２５質量％以下、好ましくは０．０２０質量％以下（又は０．００５質量％前後）とされる。

また、このケーブル用導体の本体表面にＳｎ、Ｎｉ、又はＡｇのめっき膜を設けてもよい。

次に、本実施の形態に係るケーブル用導体の製造方法を説明する。

タフピッチ銅又はＣｕ−Ｓｎ合金で線材（荒引線）を形成し、その線材に冷間伸線加工を施す。この加工硬化によって、硬質銅線（伸線材）が得られる。この硬質銅線は、例えば、０．２％耐力は４００ＭＰａ以上と高いものの、伸びは殆どない（１％程度）。

次に、得られた伸線材に対して、通電アニーラ焼鈍による熱処理を施す。この熱処理によって線材の軟質化を図る際、従来のタフピッチ銅の結晶粒径（１０μｍ）よりも更に粒径が微細となるように微細化を図り、平均結晶粒径を１０μｍ未満に調整する。通電アニーラ焼鈍は、アニーラ電圧が高くなるにつれ、０．２％耐力が低くなると共に、伸びが大きくなる。また、通電時間は、極短時間、例えば０．０００５秒前後とされる。結晶粒径の調整は、アニーラ電圧及び／又は通電時間の調整によってなされる。

この通電アニーラ焼鈍によって、本実施の形態に係るケーブル用導体である軟質銅線が得られる。

このケーブル用導体の本体表面に、適宜、Ｓｎ、Ｎｉ、又はＡｇ等のめっき膜を設けた後、この線材の単線材あるいは撚線材の周囲を絶縁層で被覆することで耐屈曲性ケーブルが得られる。

次に、本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係るケーブル用導体は、ＪＩＳ Ｃ３１０２規格を満たしている必要があるため、その構成材料をＣｕ、又はＳｎ固溶量が０．０２５質量％以下のＣｕ−Ｓｎ合金としている。その結果、９８％ＩＡＣＳ以上の導電率、１５％以上の伸び率を得ることができ、良好な導電率および取扱性を有するケーブル用導体が得られる。

また、本実施の形態に係るケーブル用導体は、極短時間の熱処理によって線材の軟質化を図る際、同時に結晶粒径の更なる微細化を図り、結晶粒径を１０μｍ未満に微細化している。その結果、ケーブル用導体の０．２％耐力を、タフピッチ銅の０．２％耐力（１３０ＭＰａ）よりも大きくすることができる。

以上より、本実施の形態に係るケーブル用導体によれば、従来のタフピッチ銅の軟質銅と比べて、導電率と、伸び、すなわちケーブル取扱性とを低下させることなく、耐屈曲性を向上させることができる。また、本実施の形態に係るケーブル用導体は、優れた導電性及び耐屈曲性を有しつつ、かつ、その製造時に長時間の熱処理（時効処理）を必要としないため、生産性が高い。

本実施の形態では、通電アニーラ焼鈍による連続式熱処理で熱処理を行う場合を例に挙げて説明を行ったが、オイル／ソルトバス等によるバッチ式熱処理で熱処理を行うようにしてもよい。

また、本実施の形態においては、Ｃｕに対する固溶元素としてＳｎを用いているが、Ｉｎ、Ｍｇ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｚｎを用いても、耐屈曲性向上の効果が期待できる。

（実施例１，２）
電気銅を鋳造後、連続圧延を行って直径８ｍｍの荒引線を製造した。その荒引線を直径０．２６ｍｍまで減面率２０％以下で冷間伸線加工し、タフピッチ銅の硬質銅線を製造した。この導体（伸線材）に通電アニーラ焼鈍を行い、タフピッチ銅の軟質銅線を得た。この通電アニーラ焼鈍は、導体に通電し、通電時に発生するジュール熱によって導体の熱処理を行う方法である。

具体的には、導体（直径０．２６ｍｍ、タフピッチ銅の硬質銅線）に通電する時間を０．０００５秒に設定、固定し、電圧を０〜３０Ｖの範囲で変更することで導体に流れる電流を制御しつつ通電アニーラ焼鈍を行い、得られたタフピッチ銅の軟質銅線における０．２％耐力および伸び率をそれぞれ測定した。それらの測定結果を表１に示す。アニーラ電圧が２５Ｖの時のタフピッチ銅の軟質銅線を実施例１、２１Ｖの時のタフピッチ銅の軟質銅線を実施例２とした。

（実施例３）
電気銅に０．０５質量％の割合でＳｎを添加した合金を鋳造し、実施例１，２と同じ手順を経てＣｕ−０．０５質量％Ｓｎ合金の硬質銅線を得た。この線材に、０．０００５秒、２４Ｖの通電アニーラ焼鈍を行い、Ｃｕ−０．０５質量％Ｓｎ合金の軟質銅線を得た。
（比較例１）
電気銅に０．１５質量％の割合でＳｎを添加した合金を鋳造し、実施例１，２と同じ手順を経てＣｕ−０．１５質量％Ｓｎ合金の硬質銅線を得た。この線材に、０．０００５秒、３０Ｖの通電アニーラ焼鈍を行い、Ｃｕ−０．１５質量％Ｓｎ合金の軟質銅線を得た。
（比較例２）
実施例１において、直径０．２６ｍｍのタフピッチ銅の硬質銅線に対し、３０Ｖのアニーラ電圧で通電アニーラ焼鈍を行い、タフピッチ銅の軟質銅線を得た。
（比較例３）
１０ｐｐｍ以下の酸素を有する低酸素銅に０．１質量％の割合でＩｎを添加した合金を鋳造し、実施例１，２と同じ手順を経てＣｕ−０．１質量％Ｉｎ合金の硬質銅線を得た。この線材に、０．０００５秒、２５Ｖの通電アニーラ焼鈍を行い、Ｃｕ−０．１質量％Ｉｎ合金の軟質銅線を得た。
（従来例）
実施例１において、直径０．２６ｍｍのタフピッチ銅の硬質銅線に対し、２４Ｖの通電アニーラ焼鈍を行い、タフピッチ銅の軟質銅線を得た。

上記実施例、比較例、および従来例に対し、Ｓｎ固溶量、導電率、伸び率、０．２％耐力、結晶粒径および耐屈曲性の評価を行った。以下に、その方法を記載する。

Ｓｎ固溶量は、Ｓｎ添加合金の電気抵抗値と純銅（タフピッチ銅）の電気抵抗値との差、およびＳｎ、１ｐｐｍ当たりの電気抵抗上昇値を用いて算出した。Ｓｎ、１ｐｐｍ当たりの電気抵抗上昇値は、次の文献を参照した（P.Gregory, A.J.Bangay and T.L.Bird,「Metallurgia」,vol.71,1965,p.207）。Ｉｎ固溶量もＳｎ同様に計算した。

電気抵抗値は４端子法を用いて−１９６℃で測定した。

導電率はＪＩＳ Ｃ３００２に従い、ダブルブリッジ法にて２０℃で測定した。この時の試料長は５０ｃｍであった。また、導電率は、万国軟銅標準に規定する標準軟銅の導電率に対する百分率（％ＩＡＣＳ）で示した。

引張試験も、導電率と同様に、ＪＩＳ Ｃ３００２に従って評価を行った。なお、実施例、比較例、および従来例のいずれも、伸び率は１５％以上であった。

屈曲特性は、垂直に垂らした導体に、この導体の破断荷重の２％に相当する荷重をかけ、曲げ歪０．４３％で左右に９０°の屈曲を繰り返し行った時、導体が破断するまでに要する屈曲回数にて評価を行った。

実施例１，３及び比較例１のＳｎ添加量、Ｏ₂含有量、Ｓｎ固溶量および導電率の評価を表２に示す。

表２によれば、Ｓｎ固溶量が０，０．００５（質量％）の実施例１，３の耐屈曲性ケーブル用導体の導電率は、共に９８％ＩＡＣＳ以上であった。一方、Ｓｎ固溶量が０．０２５質量％の比較例１の耐屈曲性ケーブル用導体の導電率は、９７％ＩＡＣＳであった。これにより、Ｓｎ固溶量は０．０２５質量％未満とする必要がある。

次に、実施例１、比較例２、および従来例に示したタフピッチ銅の結晶粒径と０．２％耐力の評価を表３に示す。結晶粒径が、従来例の結晶粒径（１０μｍ）よりも粗大な場合を×、微細な場合を○とした。

表３によれば、Ｈａｌｌ−Ｐｅｔｃｈの式に基づいて、結晶粒径の微細化と共に０．２％耐力が向上し、結晶粒径の粗大化と共に０．２％耐力が低下していた。これにより、０．２％耐力を向上させるためには、結晶粒径は従来例の結晶粒径（１０μｍ）未満とする必要がある。

次に、実施例１〜３、比較例２，３、および従来例のＳｎ又はＩｎの固溶量、０．２％耐力および耐屈曲性の評価を表４に示す。耐屈曲性の評価は、従来例の導体が破断するまでの屈曲回数を基準（１．０）とし、相対比で示した。

表４によれば、タフピッチ銅の耐屈曲性ケーブル用導体において、従来例と比較して０．２％耐力が低い比較例２は、従来例よりも耐屈曲性が低く、逆に、従来例と比較して０．２％耐力が高い実施例１，２は、従来例よりも耐屈曲性が高かった。

また、実施例２，３および比較例３を比較すると、０．２％耐力はいずれもほぼ同等であるが、Ｓｎを固溶させた実施例３が最も高い耐屈曲性を有していた。このことから、耐屈曲性を特に重視する場合は、タフピッチ銅よりも、０．０２５質量％未満の範囲でＳｎを固溶させたＣｕ−Ｓｎ合金を用いることが好ましい。

Claims (6)

1. タフピッチ銅又はＣｕ−Ｓｎ合金で構成されるケーブル用導体の平均結晶粒径が１０μｍ未満であり、上記ケーブル用導体の０．２％耐力が１３０ＭＰａを超え、破断時の伸び率が１５％以上で、かつ導電率が９８％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とするケーブル用導体。
2. 上記Ｃｕ−Ｓｎ合金が、Ｓｎ固溶量が０．０２５質量％以下であり、残部が不可避不純物と銅である請求項１記載のケーブル用導体。
3. 導体本体の表面にＳｎ、Ｎｉ、又はＡｇのめっき膜を設けた請求項１又は２に記載のケーブル用導体。
4. タフピッチ銅又はＣｕ−Ｓｎ合金で構成される線材に冷間伸線加工を施した後、その伸線材に通電アニーラ焼鈍による熱処理を施し、平均結晶粒径を１０μｍ未満に調整することを特徴とするケーブル用導体の製造方法。
5. 請求項１〜３いずれかに記載のケーブル用導体を使用した単線材あるいは撚線材で形成したことを特徴とする耐屈曲性ケーブル。
6. 上記単線材あるいは撚線材の周囲を絶縁層で被覆した請求項５記載の耐屈曲性ケーブル。