JP2012229485A - アルミニウム合金線 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】線径が0.5mm以下の極細のAl合金線であり、質量%で、Mg:0.03%〜1.5%,Si:0.02%〜2.0%,Cu,Fe,Cr,Mn及びZrから選択される一種以上の元素を合計0.1%〜1.0%含有し、残部がAl及び不純物からなり、導電率:40%IACS以上、引張強さ:150MPa以上、伸び:5%以上である。ZrやMnなどを含有する特定の組成のAl合金で構成されることで、極細線であっても最大結晶粒径が50μm以下の組織であり、このAl合金線は、伸びにも優れる。80℃〜150℃から選択される任意の温度に1000時間保持した後の引張強さが150MPa以上であり、このAl合金線は、耐熱性にも優れる。
【選択図】図1
Description
[Al合金線]
《組成》
本発明Al合金線を構成するAl合金は、Mg:0.03%〜1.5%、Si:0.02%〜2.0%を必須元素とするAl-Mg-Si系合金であり、結晶の微細化のための元素として、Cu,Fe,Cr,Mn及びZrから選択される少なくとも一種の元素を含有する。MgやSiは、Alに固溶又は析出して存在することで、本発明Al合金線は、強度に優れる。Mg,Siの含有量が高いほどAl合金線の強度が高まるが、導電率や伸びといった靭性が低下する上に、伸線加工時などでも断線が生じ易くなるため、Mg:1.5%以下、Si:2.0%以下とする。
上記特定の組成からなるAl合金は、最大結晶粒径が50μm以下であることを最大の特徴とする。最大結晶粒径が小さいほど、合金全体の組織が微細になり易く、破断の起点となるような粗大粒が存在し難くなり、伸びに優れると考えられる。また、上記特定の組成からなるAl合金は、高温に長時間曝された場合にも結晶粒が微細な状態を維持し易く、破断の起点となるような粗大粒が存在し難くなる、つまり、最大結晶粒径が50μm以下である組織を維持することができ、耐熱性に優れる。従って、最大結晶粒径の下限は特に設けないが、線径に対する最大結晶粒径の割合が10%未満を満たすことが好ましい。組成や製造条件にもよるが、最大結晶粒径が40μm以下、更に30μm以下といった形態とすることができる。一方、上記特定の組成からなるAl合金は、最大結晶粒径が50μm以下を満たす範囲で結晶粒がある程度大きいことで、高温での変形において支配的である粒界すべりを抑制して、高温強度に優れる。例えば、最大結晶粒径が25μm〜40μm程度である組織とすると、高温強度や耐熱性に優れる傾向にある。最大結晶粒径の測定方法は後述する。
上記特定の組成及び組織のAl合金からなる本発明Al合金線は、高強度である上に導電率も高く、引張強さ(室温):150MPa以上、導電率(室温):40%IACS以上を満たす。引張強さ及び導電率は、添加元素の種類、含有量、製造条件(伸線加工度、熱処理(例えば、時効処理)の温度など)により変化させることができる。例えば、添加元素を多くしたり、伸線加工度を高めたり(線径を細くしたり)すると、引張強さが高く、導電率が小さくなる傾向にある。また、時効処理を施す場合、時効温度を低めにすると、引張強さ(室温):240MPa以上、かつ導電率(室温):45%IACS以上を満たす高強度である形態、時効温度を高めにすると、引張強さ(室温):200MPa以上、かつ導電率(室温):50%IACS以上を満たす高導電率である形態を得ることができる。引張強さ及び導電率は、高いほど好ましいが、伸びといった靭性と強度とのバランスを考慮すると、引張強さの上限は400MPa程度であり、添加元素の時効析出による導電率の増加の限界を考慮すると、導電率の上限は60%IACS程度である。
上記特定の組成及び組織のAl合金からなる本発明Al合金線として、室温での機械的特性に優れるだけでなく、高温での強度にも優れる形態が挙げられる。具体的には、80℃以上150℃以下の温度範囲から選択される任意の温度(例えば、80℃、85℃、100℃、120℃、125℃、150℃など)における引張強さ(以下、高温強度と呼ぶ)が150MPa以上を満たす形態が挙げられる。組成によっては、高温強度が160MPa以上、更に180MPa以上、190MPa以上を有する。代表的には、上記温度範囲において80℃に近いほど高温強度が高く、150℃に近いほど高温強度が低くなる傾向にあるものの、上述のように150MPa以上を満たし、高い高温強度を有する。例えば、80℃における引張強さが220MPa以上を満たす形態、100℃における引張強さが215MPa以上を満たす形態、120℃における引張強さが210MPa以上を満たす形態、150℃における引張強さが195MP以上満たす形態が挙げられる。この形態は、使用温度が80℃〜150℃から選択される任意の温度になり得る用途に好適に利用できると期待される。このような優れた高温強度を有する形態は、Mn及びZrの少なくとも一方を0.01%以上含有するAl合金や、Feを0.1%以上含有するAl合金から構成される形態が挙げられる。
本発明Al合金線は、線径0.5mm以下の極細線とする。伸線加工時の加工度(断面減少率)を適宜調整することで、線径を変化させることができる。例えば、車載ワイヤーハーネスの電線用導体に利用する場合、線径は0.1mm以上0.4mm以下が挙げられる。
本発明Al合金線は、伸線加工時のダイス形状によって種々の横断面形状を有することができる。横断面が円形状である丸線が代表的である。その他、横断面形状は、楕円形状、矩形や六角形といった多角形状などの種々の形状が挙げられる。上記楕円形状や多角形状といった異形状の場合、線径は、横断面における最大長さ(楕円:長径、矩形や六角形:対角線)とする。
上記本発明Al合金線は、極細線であるため、複数本を撚り合わせた撚り線(本発明Al合金撚り線)とすることで、耐衝撃性や屈曲特性に更に優れる導体が得られる。撚り合わせ本数は、特に問わない。例えば、7,11,19,37,49,133本が挙げられる。本発明Al合金撚り線を圧縮成形して圧縮線材とすると、撚り合わせた状態よりも線径を小さくすることができ、導体の小径化に寄与することができる。
上記本発明Al合金線や本発明Al合金撚り線、上述した圧縮線材は、このままでも電線の導体に利用できる。上述のようにこの導体の外周に絶縁被覆層を具える本発明被覆電線として使用することもできる。上記絶縁被覆層を構成する絶縁材料は、例えば、ポリ塩化ビニル(PVC)やノンハロゲン樹脂、難燃性に優れる材料などが挙げられる。絶縁被覆層の厚さは、所望の絶縁強度を考慮して適宜選択することができ、特に限定されない。
上記被覆電線は、本発明ワイヤーハーネスの構成部材に好適に利用することができる。本発明ワイヤーハーネスは、代表的には、本発明被覆電線を1本以上含む複数の電線を具え、各電線の端部に端子部が取り付けられている。上記各電線は、上記端子部を介して電気機器などの接続対象に接続される。本発明ワイヤーハーネスは、電線ごとに一つの端子部がそれぞれ設けられた形態の他、複数の電線が一つの端子部にまとめて取り付けられた電線群を含む形態でもよい。上記端子部は、雄型、雌型、圧着型、溶接型などの種々の形態が挙げられ、特に限定されない。ワイヤーハーネスに具える複数の電線は、結束具などにより一纏まりに束ねると、ハンドリング性に優れる。
本発明Al合金線は、代表的には、以下の製造方法により製造することができる。この製造方法は、導体に利用されるアルミニウム合金線の製造方法であって、以下の連続鋳造圧延工程、伸線工程、溶体化工程を具える。
連続鋳造圧延工程:質量%で、Mgを0.03%以上1.5%以下、Siを0.02%以上2.0%以下、Cu,Fe,Cr,Mn及びZrから選択される少なくとも一種の元素を合計で0.1%以上1.0%以下含有し、残部がAlからなるAl合金の溶湯を連続鋳造した後、連続して圧延を行い、連続鋳造圧延材を形成する工程。
伸線工程:上記連続鋳造圧延材に伸線加工を施し、線径が0.5mm以下の伸線材を形成する工程。
溶体化工程:上記伸線材に溶体化処理を施し、固溶線材を形成する工程。
特に、上記溶体化処理は、加熱温度を450℃以上とし、加熱後の冷却工程において、冷却速度を100℃/min以上とする。
極細線であって、かつ最大結晶粒径が小さい結晶組織を有するAl合金線を製造するためには、製造工程の上流工程においても微細な結晶組織を有するものを製造することが好ましい、との知見を得た。そこで、本発明Al合金線の製造に当たり、連続鋳造圧延を利用することを提案する。連続鋳造は、溶湯を急冷凝固できるため、微細な結晶組織を有する鋳造材が得られる。鋳造時の冷却速度は、適宜選択することができるが、固液共存温度域である600℃〜700℃において5℃/sec以上が好ましい。例えば、水冷銅鋳型や強制水冷機構などを有する連続鋳造装置を用いると、上述のような冷却速度による急冷凝固を容易に実現できる。連続鋳造は、ベルトアンドホイール法などの可動鋳型を用いる形態や枠状の固定鋳型を用いる形態が挙げられる。
上述のように伸線後に溶体化処理、更には、適宜時効処理を施すことで、最大結晶粒径が小さい組織からなり、伸びに優れるAl合金線が得られるが、伸線前の素材(連続鋳造圧延材)に均質化処理を施しておくと、伸びに優れるAl合金線が得られ易い、との知見を得た。この理由は、伸線前において、鋳造時に形成された粗大な化合物(代表的にはMgとSiとの化合物)を均一的に微細分散させておくことで、伸線後の溶体化工程において当該元素を十分に、かつ均一的に固溶できるため、と考えられる。また、微細化効果を有する元素:Cu,Fe,Cr,Mn,Zrを添加していることで、均質化処理時に結晶粒の粗大化を抑制することができる上に、後述する伸線工程での中間熱処理時や、伸線後の溶体化処理時、時効処理時にも結晶の成長を防止して、最大結晶粒径が小さい組織を維持できる。
上記連続鋳造圧延材、又は均質材に(冷間)伸線加工を施す。伸線加工度は、所望の線径に応じて適宜選択することができる。ZrやMnなどの微細化効果のある元素を特定の範囲で含有することで、伸線時に断線し難く、連続して長尺な伸線材を製造することができ、伸線材の製造性に優れる。
上記最終線径の伸線材、撚り線とする場合には、撚り合せる前の伸線材、又は撚り合せ後の撚り線、圧縮線材とする場合には、撚り合せる前の伸線材、圧縮前の撚り線、又は圧縮後の圧縮線材に溶体化処理を施す。この溶体化処理は、主としてMgやSiの固溶を目的とする。また、時効処理を行う場合には、溶体化処理を行うことで、次工程の時効処理において、強度に寄与する化合物:MgとSiとの化合物を結晶粒内に微細分散させられる。更に、この溶体化処理により、Cu,Fe,Cr,Mn,Zrといった元素も固溶させることで、強度の向上を図ることができる。
上記溶体化処理後に時効処理を行うことで、Al合金中のMgやSi、その他Zrなどの添加元素を析出させ、Al合金中に析出物を分散させることができる。この析出物の分散強化、即ち、時効硬化により強度の向上を図ることができると共に、固溶元素の低減による導電率の向上を図ることができる。従って、時効工程を経て得られた本発明Al合金線は、より高強度・高導電率である。また、本発明Al合金線は、ZrやMnなどの微細化効果がある元素を含有することで、時効後も結晶粒が微細であり、この微細な結晶粒からなる組織中に微細な析出物が均一的に分散した組織となり易い。このような微細組織を有することでも、強度を更に向上でき、強度及び導電率の双方により優れるAl合金線が得られる。かつ、本発明Al合金線は、時効後も最大結晶粒径が小さい組織であることで、伸びにも優れる。溶体化処理に加えて、更に時効処理を行うと、高温強度や高温保持後の強度にも優れる傾向にある。
上記溶体化処理や適宜時効処理が施された固溶線材や時効線材(単線、撚り線、及び圧縮線材のいずれか)を用意し、これらの線材の外周に上述した絶縁材料からなる絶縁被覆層を形成する工程を具えることで、本発明被覆電線を製造することができる。
得られた上記被覆電線の端部に端子部を装着し、代表的には、端子部付きの被覆電線を複数束ねることで、本発明ワイヤーハーネスを製造することができる。
Al合金線を作製してAl合金線の種々の特性を調べた。Al合金線は、溶解→連続鋳造圧延→均質化→伸線(適宜中間熱処理)→溶体化→時効という手順で作製した。
Al合金線を作製して、Al合金線の高温特性を調べた。
通電加熱:線速50m/min〜200m/minから選択、電流値33A〜66Aから選択、
水槽までの距離1.6m
高周波加熱:線速200m/min〜1000m/minから選択、電流値100A、
水槽までの距離1.6m
炉式:線速4m/min〜8m/minから選択、パイプ炉内温度580℃〜620℃から選択、
水槽までの距離2m
Claims (9)
- 導体に利用されるアルミニウム合金線であって、
質量%で、
Mgを0.03%以上1.5%以下、
Siを0.02%以上2.0%以下、
Cu,Fe,Cr,Mn及びZrから選択される少なくとも一種の元素を合計で0.1%以上1.0%以下含有し、残部がAl及び不純物からなり、
導電率が40%IACS以上、
引張強さが150MPa以上、
伸びが5%以上、
線径が0.5mm以下、かつ、
最大結晶粒径が50μm以下であることを特徴とするアルミニウム合金線。 - Zrを0.01質量%以上含有することを特徴とする請求項1に記載のアルミニウム合金線。
- Mnを0.01質量%以上含有することを特徴とする請求項1又は2に記載のアルミニウム合金線。
- 80℃以上150℃以下の温度範囲から選択される任意の温度に1,000時間保持した後における引張強さが150MPa以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のアルミニウム合金線。
- 80℃以上150℃以下の温度範囲から選択される任意の温度における引張強さが150MPa以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のアルミニウム合金線。
- 更に、質量%で、Tiを0.08%以下、及びBを0.016%以下の少なくとも一方の元素を含有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のアルミニウム合金線。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載のアルミニウム合金線を複数撚り合わせてなることを特徴とするアルミニウム合金撚り線。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載のアルミニウム合金線、又は請求項1〜6のいずれか1項に記載のアルミニウム合金線を複数撚り合せたアルミニウム合金撚り線、又はこの撚り線を圧縮成形した圧縮線材のいずれかを導体とし、その外周に絶縁被覆層を具えることを特徴とする被覆電線。
- 請求項8に記載の被覆電線と、この電線の端部に装着された端子部とを具えることを特徴とするワイヤーハーネス。
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