JP2008112620A - 電線導体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】引張強度、破断伸び、耐衝撃性、導電性、耐疲労特性に優れる電線導体およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】Ｓｉ０．３〜１．２質量％と、Ｍｇ／Ｓｉ＝０．８〜１．８の範囲となるＭｇとを含有し、残部が実質的にＡｌおよび不可避的不純物よりなるアルミニウム合金素線を複数本撚り合わせてなり、引張強度が２４０ＭＰａ以上、破断伸びが１０％以上、吸収衝撃エネルギーが８Ｊ／ｍ以上、導電率が４０％ＩＡＣＳ以上である電線導体とする。また、上記組成となるアルミニウム合金素線を複数本撚り合わせて撚線とした後、この撚線を溶体化処理し、急冷してさらに時効熱処理することを含む製造方法とする。溶体化処理温度は５００〜５８０℃、時効熱処理温度は１５０〜２２０℃が好ましく、溶体化処理時の加熱は、高周波加熱によることが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、電線導体およびその製造方法に関し、さらに詳しくは、自動車用電線に好適に用いられる電線導体およびその製造方法に関するものである。

従来より、架空送電線などの電力分野においては、軽量かつ電気伝導性に優れることから、アルミニウム系材料からなる導体線を有するアルミ電線が使用されている。これに対して、自動車、ＯＡ機器、家電製品の分野においては、電気伝導性に優れた銅系材料からなる導体線を有する銅電線が信号線、電力線として使用されている。

ここで、自動車分野においては、車輌の高性能・高機能化が急速に進められてきていることから、車載される各種電気機器、制御機器等の増加に伴って使用される銅電線も増加する傾向にある。

そこで、軽量化を図る目的から、比重が銅の約３分の１であるアルミニウムを導体線に用いたアルミ電線が、最近、自動車分野において特に注目されている（銅の８．８９ｇ／ｃｍ^３に対し、アルミニウムは２．７０ｇ／ｃｍ^３）。

自動車分野においては、例えばバッテリーケーブルなどの１０ｍｍ^２以上の電線において、純アルミ電線（アルミ純度９９％以上）が用いられている例があるものの、純アルミ電線は強度が低く耐疲労特性に劣るため、例えば導体断面積が１．５ｍｍ^２以下の一般電線への適用は困難であった。

そこで、アルミ電線の強度や耐疲労特性を改善する試みがなされている。例えば特許文献１には、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミ合金からなる自動車用電線が開示されている。

このものは、Ｆｅ：０．６重量％以下、Ｓｉ：０．２〜１．０重量％、Ｍｇ：０．２〜１．０重量％を含み、残部がアルミニウムおよび不可避的不純物からなるアルミ合金素線を撚り合わせてなり、素線製造中の熱処理によりＡｌマトリックス中にＭｇ_２Ｓｉ等を析出させてアルミ合金素線の強度向上を図ったものである。

特開２００４−１３４２１２号公報

しかしながら、特許文献１に示されるものは、アルミ合金素線が硬質の状態となっているため、強度は向上しているものの、伸びが低下して高ひずみ状態での耐疲労特性や耐衝撃性に劣る。そのため、例えば導体断面積が０．７５ｍｍ^２以下の細径電線への適用は困難であるという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、引張強度、破断伸び、耐衝撃性、導電性、耐疲労特性に優れる電線導体およびその製造方法を提供することにある。

本発明に係る電線導体は、Ｓｉ０．３〜１．２質量％と、Ｍｇ／Ｓｉ＝０．８〜１．８の範囲となるＭｇとを含有し、残部が実質的にＡｌおよび不可避的不純物よりなるアルミニウム合金素線を複数本撚り合わせてなる電線導体であって、前記電線導体の引張強度が２４０ＭＰａ以上、破断伸びが１０％以上、吸収衝撃エネルギーが８Ｊ／ｍ以上、導電率が４０％ＩＡＣＳ以上であることを要旨とするものである。

この場合、前記アルミニウム合金は、さらに、Ｆｅ、Ｃｕ、ＣｒおよびＭｎから選択される１種または２種以上を合計で０．５質量％以下含有するものであっても良い。

また、前記アルミニウム合金は、さらに、Ｔｉ５００ｐｐｍ以下およびＢ５０ｐｐｍ以下から選択される１種または２種以上を含有するものであっても良い。

そして、前記電線導体の断面積が０．７５ｍｍ^２以下のものに好適に用いることができる。

一方、本発明に係る電線導体の製造方法は、Ｓｉ０．３〜１．２質量％と、Ｍｇ／Ｓｉ＝０．８〜１．８の範囲となるＭｇとを含有し、残部が実質的にＡｌおよび不可避的不純物よりなるアルミニウム合金素線を複数本撚り合わせて撚線を形成する撚線工程と、前記撚線を溶体化処理した後、急冷してさらに時効熱処理する工程とを含むことを要旨とするものである。

この場合、前記撚線の溶体化処理温度は、５００〜５８０℃であり、前記時効熱処理温度は、１５０〜２２０℃であることが望ましい。

そして、前記溶体化処理時の加熱は、高周波加熱によることが望ましい。

本発明に係る電線導体によれば、電線導体を構成する素線が、上記特定範囲のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミ合金からなり、電線導体の引張強度が２４０ＭＰａ以上、破断伸びが１０％以上、吸収衝撃エネルギーが８Ｊ／ｍ以上、導電率が４０％ＩＡＣＳ以上であるので、引張強度、破断伸び、耐衝撃性、導電性、耐疲労特性に優れ、細径電線にも適用可能となる。

この場合、前記アルミニウム合金が、さらに、Ｆｅ、Ｃｕ、ＣｒおよびＭｎから選択される１種または２種以上を合計で０．５質量％以下含有するものであれば、さらに、電線導体の強度が向上する。

また、前記アルミニウム合金が、さらに、Ｔｉ５００ｐｐｍ以下およびＢ５０ｐｐｍ以下から選択される１種または２種以上を含有するものであれば、さらに、電線導体の強度および伸びが向上する。これは、結晶組織が微細化されるためであると推測される。

そして、前記電線導体の断面積が０．７５ｍｍ^２以下のものにも用いることができるので、アルミ電線の適用範囲が広がり、自動車などの分野において電線の軽量化を図ることができる。

一方、本発明に係る電線導体の製造方法によれば、上記アルミニウム合金素線から撚線を形成した後溶体化処理を行なうことにより、電線導体は、伸びの回復による衝撃エネルギー吸収量が向上する。また、その後に時効熱処理を行なうことにより、析出強化による強度の向上と、固溶元素量の低下による導電率の向上効果が得られる。これにより、引張強度、破断伸び、耐衝撃性、導電性、耐疲労特性に優れるものとなる。

この場合、前記撚線の溶体化処理温度は、５００〜５８０℃であり、前記時効熱処理温度は、１５０〜２２０℃であると、適切な溶体化処理および時効熱処理を行なうことができる。

そして、高周波加熱により溶体化処理を行なえば、局部加熱できるので、加熱エリアの直後に冷却エリアを配置することができる。これにより、熱容量の大きな構造部材と比較して、電線のように熱容量が小さく加熱停止すると徐冷しやすいものであっても溶体化処理後に急冷することができる。また、連続して加熱−急冷することが可能となるので、電線のような長尺なものに特に好適となる。

次に、本発明の実施形態について詳細に説明する。

本発明に係る電線導体は、ＳｉとＭｇとを含有し、残部が実質的にＡｌおよび不可避的不純物よりなるアルミニウム合金素線を複数本撚り合わせてなり、電線導体の引張強度が２４０ＭＰａ以上、破断伸びが１０％以上、吸収衝撃エネルギーが８Ｊ／ｍ以上、導電率が４０％ＩＡＣＳ以上となるものである。

合金組成を規定した理由を以下に説明する。なお、以下の含有率の単位は質量％である。

Ｓｉは、Ｍｇと結合してＭｇ_２Ｓｉ粒子などをＡｌマトリックス中に微細に析出させて、アルミニウム合金素線の強度を向上させるのに寄与する。その効果を得るには、Ｓｉの含有率を０．３〜１．２％とするのが良い。Ｓｉの含有率が０．３％未満では、強度向上効果が小さく、電線導体の引張強度２４０ＭＰａ以上となりにくい。一方、Ｓｉの含有率が１．２％を超えると、導電率が４０％ＩＡＣＳ以上となりにくい。

Ｍｇは、Ｓｉと結合してＭｇ_２Ｓｉ粒子などをＡｌマトリックス中に微細に析出させて、アルミニウム合金素線の強度を向上させるのに寄与する。その効果を得るには、Ｍｇ／Ｓｉ＝０．８〜１．８とするのが良い。より好ましくは、Ｍｇ／Ｓｉ＝１．０〜１．４である。Ｍｇ／Ｓｉが０．８未満では、Ｍｇ_２Ｓｉ化合物量が少なくなるので、アルミニウム合金素線の強度向上効果が小さく、電線導体の引張強度が２４０ＭＰａ以上となりにくい。また、過剰Ｓｉの晶出物の影響で、破断伸びが１０％以上、吸収衝撃エネルギーが８Ｊ／ｍ以上となりにくい。一方、Ｍｇ／Ｓｉが１．８を超えると、過剰Ｍｇの固溶量が高まるので、導電率が４０％ＩＡＣＳ以上となりにくい。

本発明に係る電線導体を構成するアルミニウム合金は、上記する構成元素に加えて、さらに、Ｆｅ、Ｃｕ、ＣｒおよびＭｎから選択される１種または２種以上を含んでいても良い。これらの添加元素は、アルミ合金素線の強度を高めるのに寄与する。その効果を得るには、合計で０．５％以下とするのが好ましい。そして、添加元素を２種以下とするのが好ましい。これらの添加元素の量が多いと、破断伸びの低下、衝撃エネルギー吸収量の低下、および導体抵抗の増大を伴いやすいからである。

また、本発明に係る電線導体は、上記する構成元素に加えて、さらに、ＴｉおよびＢから選択される１種または２種以上を含んでいても良い。これらの添加元素には、結晶組織を微細化させる効果があり、アルミニウム合金素線の強度を高めるとともに伸びを向上させるのに寄与する。その効果を得るには、Ｔｉ５００ｐｐｍ以下、Ｂ５０ｐｐｍ以下とするのが好ましい。これらの添加元素の量が多いと、導体抵抗の増大を伴いやすいからである。

本発明に係る電線導体は、引張強度、破断伸び、耐衝撃性、導電性、耐疲労特性に優れるので、細径電線に好適に用いることができる。好ましくは導体の断面積が０．７５ｍｍ^２以下のもの、より好ましくは０．２２〜０．７５ｍｍ^２のものである。これにより、アルミ電線の適用範囲が広がり、自動車などの分野において電線の軽量化を図ることができる。なお、電線導体は圧縮導体であっても良い。

次に、本発明に係る電線導体の製造方法の一例について説明する。一実施形態に係る電線導体の製造方法は、上述する合金組成で、アルミニウム合金素線を複数本撚り合わせて撚線を形成する撚線工程と、撚線を溶体化処理した後、急冷してさらに時効熱処理する工程とを含む。

アルミニウム合金素線を得るには、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉを所望の濃度となるような分量で溶製する。この際、必要に応じて、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｎを所望の濃度となるよう添加する。

次いで、合金溶湯を連続鋳造機にて鋳造し、キャストバーを作製する。次いで、タンデムに接続された熱間圧延機により、ワイヤロッドを作製する。なお、ワイヤロッドの製造は、上述する連続鋳造圧延法によっても良いし、ビレット鋳造−押出法であっても良い。ビレット鋳造−押出法の場合には、ビレット鋳造後に均質化処理を行なうことが望ましい。微細化剤としてのＴｉ、Ｂの添加は、鋳造直前に行なうことが効果的である。

その後、伸線加工により所望の素線径になるまで伸線する。このとき、加工限界により断線する場合には、適宜軟化処理を行なうと良い。

このようにして作製した電線素線を、撚線工程にて所望の本数撚り合わせて撚線とする。撚線とした後、熱処理工程を経る。

熱処理工程において、溶体化処理時の加熱温度は、５００〜５８０℃が好ましい。溶体化処理により、アルミニウム合金中のＭｇ_２Ｓｉ化合物を溶体化させる。５００℃未満では、Ｍｇ_２Ｓｉ化合物が溶体化されにくく粗大化合物粒となるため、強度向上効果が得られにくい。また、撚線にするまでの工程で生じた冷間加工による加工硬化が除去されにくいので、伸びの向上効果が得られにくい。一方、５８０℃を超えると、合金中の低融点相の再溶融が起こるので、変形や添加Ｍｇの酸化による変色が発生しやすくなる。

熱処理工程において、急冷は、冷却水などで行なうと良い。急冷により、溶体化処理で合金中に溶体化させたＭｇ_２Ｓｉ化合物を析出させることなく固溶した状態で合金中に固定させる。このとき、加熱から冷却までに時間を置くと、溶体化させたＭｇ_２Ｓｉ化合物が粗大化合物粒として析出しやすく、強度向上効果が得られにくくなるため、加熱直後に冷却（急冷）すると良い。

上記溶体化処理および急冷は、冷却水槽を設けた連続軟化機により、加熱部で所定の温度に加熱し、連続する冷却水槽に通して行なう方法などを採用することができる。連続軟化機は、通電連続軟化機、パイプ連続軟化機、高周波連続軟化機のいずれでも良い。特に好ましいのは、高周波連続軟化機である。高周波連続軟化機を用いる場合、高周波加熱により溶体化処理を行うので、局部加熱が可能となる。これにより、加熱エリアの直後に冷却エリアを配置することができる。

例えば熱容量の大きな構造部材においては、加熱停止後も高温を維持できるが、電線のように熱容量が小さいものにおいては、加熱を停止すると、すぐに徐冷し始める。上述するように、加熱エリアの直後に冷却エリアを配置することができれば、電線のように熱容量が小さく加熱停止すると徐冷し始めやすいものであっても、高温状態から急冷することができる。

また、加熱エリアの直後に冷却エリアを配置することができれば、連続して加熱−急冷することが可能となるので、電線のような長尺なものに特に好適となる。そして、連続して加熱−急冷することにより、電線導体の生産性が向上する。

熱処理工程において、時効熱処理をすると、溶体化処理および急冷により合金中に固溶しているＭｇ_２Ｓｉ化合物を析出させることができる。これにより、強度と導電率を向上させることができる。時効熱処理温度は、１５０℃〜２２０℃が好ましい。また、時効熱処理時間は、４〜２０時間が好ましい。

時効熱処理温度が１５０℃未満では、固溶したＭｇ_２Ｓｉ化合物の析出が起こりにくいので、強度向上効果を得られにくい。一方、時効熱処理温度が２２０℃を超えると、Ｍｇ_２Ｓｉ化合物が析出後、粗大粒に成長しやすくなるので、強度向上効果を得られにくい。また、時効熱処理時間が４時間未満では、Ｍｇ_２Ｓｉ化合物の析出が不完全であり、強度向上効果を得られにくく、導体抵抗も高まりやすい。一方、時効熱処理時間が２０時間を超えると、析出したＭｇ_２Ｓｉ化合物が粗大粒に成長しやすいので、強度向上効果を得られにくい。

上記時効熱処理は、電線導体をリールに巻いた状態で行なうと良い。大気中においても可能であるが、表面酸化を回避するため、還元ガス雰囲気あるいは不活性ガス雰囲気にて行なうことが好ましい。

上述する製造方法により、本発明に係る電線導体の性能を得ることができる。そして、このようにして得られた電線導体を絶縁体で被覆すれば、絶縁電線となる。

以下、本発明を実施例を用いてより具体的に説明する。

（実施例１−４）
表１に示す合金組成となるように、溶製した合金溶湯を連続鋳造機により鋳造して、キャストバーを作製した。次いで、熱間圧延機によりφ９．５ｍｍのワイヤロッドを作製し、得られたワイヤロッドに冷間伸線加工を施して、φ０．２６ｍｍの電線素線を作製した。次いで、電線素線７本を撚り合わせて撚線とした。その後、表１に示す条件で、溶体化処理、冷却、時効熱処理を行ない、各々電線導体を得た。

（比較例１−８）
表１に示す合金組成、条件で、実施例と同様にして、各々電線導体を得た。

（比較例９−１０）
電線素線を撚線とした後、溶体化処理、冷却、時効熱処理を行わないこと以外、実施例と同様にして、各々電線導体を得た。

（評価試験）
電線導体の引張強度、破断伸び、吸収衝撃エネルギー、導電率、所定のひずみ振幅（Δε）における耐疲労特性を測定した。また、得られた電線導体の表面の様子を調べた。これらの結果を表１に示す。なお、合金組成における含有元素の量は、アルミニウム合金全体に対する質量％で示している。

（測定方法および評価方法）
引張強度
汎用引張試験機にて測定した。２４０ＭＰａ以上を合格とした。

破断伸び
汎用引張試験機にて測定した。１０％以上を合格とした。

吸収衝撃エネルギー
評点間距離１ｍの電線導体の先端に錘を取付け、１ｍ上方に持ち上げた後に自由落下させ、電線が破断しない最大の錘重量がＷ（Ｎ）のとき、Ｗ（Ｊ／ｍ）とした。破断までの衝撃エネルギー吸収量８Ｊ／ｍ以上を合格とした。

導電率
ブリッジ法にて測定した。４０％ＩＡＣＳ（万国軟銅標準）以上を合格とした。

耐疲労特性
導体に絶縁体を被覆した電線において、引張り荷重を負荷しない繰返し曲げ疲労試験機を用いて測定した。Δε＝１０^−２において９００回以上、Δε＝１０^−４において１０×１０^４回以上を合格とした。

表面の様子
目視にて変色、変形の有無を調べた。変色、変形が無ければ「○」、変色、変形があれば「×」とした。

表１より、実施例１−４に示すように、電線導体を構成するアルミニウム合金がＳｉ０．３〜１．２％とＭｇ／Ｓｉ＝０．８〜１．８となるＭｇとを含有することで、引張強度２４０ＭＰａ以上、破断伸び１０％以上、吸収衝撃エネルギー８Ｊ／ｍ以上、導電率４０％ＩＡＣＳ以上となった。そして、高ひずみ振幅状態での耐疲労特性が９００回以上となった。また、電線導体表面に変色や変形は見られなかった。これにより、引張強度、破断伸び、耐衝撃性、導電性、耐疲労特性に優れることが確認された。

一方、比較例１−４に示すように、アルミニウム合金のＳｉ量とＭｇ量が上記範囲にない場合には、引張強度、破断伸び、吸収衝撃エネルギー、導電率、高ひずみ振幅状態での耐疲労特性のすべてが上記範囲を満たすものとはならなかった。これにより、引張強度、破断伸び、耐衝撃性、導電性、耐疲労特性に劣ることが確認された。

具体的には、Ｓｉ量が０．３％未満（比較例１）では、引張強度が２４０ＭＰａ未満となり、Ｓｉ量が１．２％を超えている（比較例２）と、導電率が４０％ＩＡＣＳ未満となった。また、Ｍｇ／Ｓｉが０．８未満（比較例３）では、引張強度が２４０ＭＰａ未満となった。Ｍｇ／Ｓｉが１．８を超えている（比較例４）と、破断伸びが１０％未満、吸収衝撃エネルギーが８Ｊ／ｍ未満、導電率が４０％ＩＡＣＳ未満となった。

また、比較例５−８に示すように、溶体化処理が５００〜５８０℃、時効熱処理が１５０℃〜２２０℃、４〜２０時間で行なわれないと、引張強度、破断伸び、吸収衝撃エネルギー、導電率、高ひずみ振幅状態での耐疲労特性のすべてが上記範囲を満たすものとはならなかった。これにより、引張強度、破断伸び、耐衝撃性、耐疲労特性に劣ることが確認された。

具体的には、溶体化処理の温度が５００℃未満（比較例５）では、破断伸びが１０％未満、吸収衝撃エネルギーが８Ｊ／ｍ未満となった。一方、溶体化処理の温度が５８０℃を超えていると（比較例６）、引張強度が２４０ＭＰａ未満、破断伸びが１０％未満、吸収衝撃エネルギーが８Ｊ／ｍ未満となった。このとき、電線導体表面に変色や変形が見られた。そして、時効熱処理の温度が１５０℃未満で熱処理時間が４時間未満（比較例７）では、引張強度が２４０ＭＰａ未満となり、時効熱処理の温度が２２０℃を超え、熱処理時間が２０時間を超えると（比較例８）、引張強度が２４０ＭＰａ未満となった。

さらに、比較例９−１０に示すように、従来のアルミ電線導体では、電線素線を撚線とした後、溶体化処理、冷却、時効熱処理を行っていないので、撚線までの冷間加工による加工硬化を除去しきれず、伸びが低くなっている。その結果、破断伸びが１０％未満、吸収衝撃エネルギーが８Ｊ／ｍ未満となり、破断伸び、耐衝撃性に劣ることが確認された。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

例えば上記実施例において、電線素線７本を撚り合わせた電線導体について示しているが、特にこれに限定されるものではない。

本発明に係る電線導体は、例えば自動車用電線に好適に用いられる。

Claims (7)

1. Ｓｉ０．３〜１．２質量％と、Ｍｇ／Ｓｉ＝０．８〜１．８の範囲となるＭｇとを含有し、残部が実質的にＡｌおよび不可避的不純物よりなるアルミニウム合金素線を複数本撚り合わせてなる電線導体であって、
   前記電線導体の引張強度が２４０ＭＰａ以上、破断伸びが１０％以上、吸収衝撃エネルギーが８Ｊ／ｍ以上、導電率が４０％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする電線導体。
2. 前記アルミニウム合金は、さらに、Ｆｅ、Ｃｕ、ＣｒおよびＭｎから選択される１種または２種以上を合計で０．５質量％以下含有することを特徴とする請求項１に記載の電線導体。
3. 前記アルミニウム合金は、さらに、Ｔｉ５００ｐｐｍ以下およびＢ５０ｐｐｍ以下から選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の電線導体。
4. 前記電線導体の断面積は、０．７５ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電線導体。
5. Ｓｉ０．３〜１．２質量％と、Ｍｇ／Ｓｉ＝０．８〜１．８の範囲となるＭｇとを含有し、残部が実質的にＡｌおよび不可避的不純物よりなるアルミニウム合金素線を複数本撚り合わせて撚線を形成する撚線工程と、
   前記撚線を溶体化処理した後、急冷してさらに時効熱処理する工程とを含むことを特徴とする電線導体の製造方法。
6. 前記撚線の溶体化処理温度は、５００〜５８０℃であり、前記時効熱処理温度は、１５０〜２２０℃であることを特徴とする請求項５に記載の電線導体の製造方法。
7. 前記溶体化処理時の加熱は、高周波加熱によることを特徴とする請求項５または６に記載の電線導体の製造方法。