JP2015159065A - 銅材被覆アルミニウム線材 - Google Patents

Abstract

【課題】銅材で形成される外層部とアルミニウム材で形成されるコア部との密着性を向上できる新しい銅材被覆アルミニウム線材を提供する。【解決手段】本発明は、長手方向に連続する凹及び/又は凸部が内周面３に形成された管状銅材からなる外層部１と、前記外層部の内径側にアルミニウム材が充填されたコア部２と、を有する銅材被覆アルミニウム線材である。また、本発明は、銅材被覆アルミニウム線材の断面に占める銅材の面積率は３０〜７０％であることが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、純アルミニウムもしくはアルミニウム合金(以下、アルミニウム材ともいう)が純銅もしくは銅合金(以下、銅材ともいう)に被覆された銅材被覆アルミニウム線材に関するものである。

従来より、建物、車両、電子機器等に用いられる配線材料として、高い導電率から銅もしくは銅合金の線材が用いられてきた。しかし、このような銅材は高価であり、また比重が大きいという側面を有している。
一方、銅に替わる配線材料としてアルミニウムもしくはアルミニウム合金の線材も使用されている。しかし、このようなアルミニウム材は、銅材に比べて比重が軽いという特性を持つ反面、導電率は％IACSで６０程度しかなく、銅と同じ抵抗を得ようとすると１．６倍の大きな断面積が必要になってしまうという問題がある。
また、アルミニウム材は表面酸化層が形成されやすく、そのままだと、かしめや半田付け等の接続が難しいという問題もある。

この様な問題を解決する材料として、アルミニウム材に銅材を被覆した銅材被覆アルミニウム線材が提案されている(たとえば特開平９−１７２３７号（特許文献１）参照)。
銅材被覆アルミニウム線材は、銅材とアルミニウム線材とのほぼ中間の特性を持っており、上述したそれぞれの欠点を補うものとして有効である。

特開平９−１７２３７号公報

特許文献１にも記載されるように、従来の銅材被覆アルミニウム線材は、たとえば以下の工程で製造される。まず、洗浄及び研磨といった前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する。そして、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、銅テープの突合わせ部を連続的に溶接した後に、所定径まで伸線加工する。

本発明者らが検討したところ、アルミニウム線と銅テープを用いる手法では、アルミニウム線と銅テープとの間は機械的に圧接されるだけであり空隙が残存しやすいという問題があった。このような空隙があると、伸線加工等の塑性加工工程でアルミニウムと銅が均一に変形しなかったり、塑性加工後も空隙として残存する場合があり、電気的特性上あるいは機械的特性上好ましくない。
また、ロールフォーミング可能な銅テープ厚は、機械的な柔軟性が必要であり、適用可能な銅テープ厚さに限界がある。また、銅テープの連続的溶接時間は銅テープ厚と比例することから、銅テープを厚くすると生産性が低下するという欠点がある。銅材の占積率を高めることは、特に導電率を重視する場合に重要であり、新しい製造技術の開発が必要である。

本発明者らは、鋭意検討した結果、鋳造技術を適用し、アルミニウム材を管状銅材の内径部に鋳造して銅材被覆アルミニウム素材を得た後、伸線加工を行なうことで、銅材被覆アルミニウム線材を得る新しい製造技術を開発した。
本発明の目的は、上記の新しい鋳造技術をベースとして、銅材とアルミニウム材との間の空隙の発生を抑制するとともに、密着性を向上した新しい銅材被覆アルミニウム線材を提供することである。

本発明は、長手方向に連続する凹及び/又は凸部が内周面に形成された管状銅材からなる外層部と、前記外層部の内径側にアルミニウム材が充填されたコア部と、を有する銅材被覆アルミニウム線材である。

また、本発明は、銅材被覆アルミニウム線材の断面に占める銅材の面積率は３０〜７０％であることが好ましい。
なお、本発明において、長手方向に連続する凹及び/又は凸部とは、典型的には長手方向の任意の位置でその断面形状が同じであるということである。

本発明によれば、長手方向に連続する凹及び/又は凸部が内周面に形成された管状銅材からなる外層部により、銅材とアルミニウム材とが強固に接合され密着性が向上するため、信頼性の高い銅材被覆アルミニウム線材となる。

本発明の銅材被覆アルミニウム線材の一例を示す模式図である。 図１に示す銅材被覆アルミニウム線材を得るための管状銅材の一例を示す模式図である 本発明の銅材被覆アルミニウム線材の別の例示す模式図である。 本発明の銅材被覆アルミニウム線材の別の例を示す図である。 本発明の銅材被覆アルミニウム線材を得るための装置の一例を示す概略図である。

本発明は、上述したとおり、銅材被覆アルミニウム線材として、長手方向に連続する凹及び/又は凸部が内周面に形成された管状銅材からなる外層部と、該外層部の内径側にアルミニウム材が充填されたコア部との構成を採用したことである。
従来のように、アルミニウム線と銅テープとを用いる手法では、銅テープをロールフォーミングしたとき内面に凹凸が形成されていると、アルミニウム線との間の空隙となってしまい、銅材被覆アルミニウム線材として適さない。
そのため、銅材とアルミニウム材と境界の形状については、特別な形状が採用されてこなかった。

これに対して、本発明者らは、管状銅材からなる外層部と、アルミニウム材からなるコア部とを密着させる手法を考えた。その結果、従来のような固体同士の接合ではなく、アルミニウム材を鋳造により充填すれば、容易に充填でき、また、鋳造によれば、液体として充填されるため、充填性は管状銅材の内周面の形状に大きく影響されないことを見出した。
そして、長手方向に連続する凹及び/又は凸部が内周面に形成された管状銅材を適用しても、アルミニウム材の十分な充填が可能であり、これにより外層部とコア部の境界の面積を拡大でき、密着性を向上できることを見出したものである。

本発明において、長手方向に連続する凹及び/又は凸部が内周面に形成された管状銅材は、押出成形や連続鋳造を適用して得ることが好ましい。これらの方法によれば、押出ダイスやモールドの出口形状によって、容易にその形状を得ることができる。また、これらの方法によれば、ロールフォーミングを適用する場合の、銅テープを厚くすると生産性が低下するといった問題が発生しないという利点がある。
また、内周面形状を長手方向に連続させておくと、アルミニウム材の鋳造時に気泡が混入した場合でも除去しやすいという効果もある。

本発明において、凹及び/又は凸部の形状は、特に限定されるものではないが、外層部と同じ回転軸を持つ回転対称の形状とするのが好ましい。これは、銅材とアルミニウム材とは変形能が異なるため、回転対称でない異形のコア部では、円形断面の線材としては製造しにくいためである。
また、コア部の外形に形成する凹及び/又は凸部を周方向の波としてみたときに評価される波高値は、外層部の肉厚の５０％以下が望ましい。これは、凹及び/又は凸部が大きすぎると、銅材に求める電気的特性を得にくくなるとともに、円形断面の線材として製造しにくいためである。

また、本発明においては、銅材被覆アルミニウム線材の断面に占める銅材の面積率は
３０〜７０％であることが好ましい。これは、銅材の面積率は３０未満では、導電率がアルミニウム材に近づくため、複合化のメリットが少なく、一方、７０％を超えると重くなって、複合化のメリットが少なくなるためである。当該面積率は、より好ましくは、４０％〜６０％である。
本発明における典型的な銅材被覆アルミニウム線材の線径は、φ１００μｍないしφ２ｍｍ程度である。

以下、図面を用いて、本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は各図面に例示する形態に限定されるものではない。
図１は、本発明の銅材被覆アルミニウム線材の一例を示す図であり、図１（ａ）は、断面構成を示す図であり、図１（ｂ）は斜視図である。
図１に示すように、本発明の銅材被覆アルミニウム線材は、長手方向に連続する凹及び/又は凸部が内周面３に形成された管状銅材からなる外層部１と、外層部１の内径側にアルミニウム材が充填されたコア部２と、を有する。そして、図１に示す外層部１の内周面３の凹及び/又は凸部は、断面において回転対象な連続曲線として形成している。

図１に示す銅材被覆アルミニウム線材を製造する場合、例えば図２に示すように、まず、長手方向に連続する凹及び/又は凸部が内周面に形成された管状銅材４を準備し、その内径部５にアルミニウム材を鋳造して、銅材被覆アルミニウム素材を得る。次に得られた銅材被覆アルミニウム素材に伸線加工を適用することで本発明の銅材被覆アルミニウム線材を製造することができる。

伸線加工は、所定径の銅材被覆アルミニウム線材を得るための加工であって、太寸な素材から小径長尺な製品を得る手段である。伸線加工は、種々の手法が適用できるが、連続での加工ができること、銅材とアルミニウム材とを圧接しながら縮径することで銅材とアルミニウム材との接合をより強固なものとすることができるという点で、圧延やダイスによる引抜加工による伸線加工が好ましい。また、圧延や引抜加工の前にスエージング加工を適用して荒引線を得ることもできる。
伸線加工によれば、アルミニウム材を鋳造した管状鋼材４の断面形状が、ほぼ相似形で縮径したものとすることができる。

また、銅材を管状に連続鋳造しつつ、管状銅材の内径部にアルミニウムを鋳造することで、連続して銅材被覆アルミニウム素材を得ることができる。さらに、連続して銅材被覆アルミニウム素材を得つつ、伸線加工を行なえば、連続的に製品である銅材被覆アルミニウム線材を得ることもできる。

本発明に適用する銅材としては、純銅の他、チタン銅、ベリリウム銅、銀入り銅、クロム銅、銅鉄合金などの高銅合金が適用できる。また、アルミニウム材としては、純アルミニウムの他、アルミニウム・銅系、アルミニウム・マグネシウム系、アルミ二ウム・シリコン系などのアルミニウム合金が適用できる。

本発明の銅材被覆アルミニウム線材の別の形態として図３および図４を例示して説明する。なお、図１と共通する構成の説明は省略する。
図３（ａ）は、断面構成を示す図であり、図３（ｂ）は斜視図である。図３に示す銅材被覆アルミニウム線材は、外層部１の内周面３に連続した矩形波形状の凹凸を形成している。
図４（ａ）は、断面構成を示す図であり、図４（ｂ）は斜視図である。図４に示す銅材被覆アルミニウム線材は、外層部１の内周面３に正六角形状の凹凸を形成している。
図３のように内周面を密度の高い凹凸とすることは、銅材とアルミニウム材との接触面積をほぼ均一に拡大させることができ、伸線加工において均一な縮径加工に有利である。一方、図４のように単純形状の内周面３を形成する場合は、管状銅材を得やすいという利点がある。
図３および図４では、屈曲した内周面形状として示したが、屈曲部は面取り形状とすることが好ましい。角のある内周面３は形成しにくいためである。

以下、本発明の銅材被覆アルミニウム線材を製造する好適な方法の一例について図５を用いて説明する。図５は本発明の銅材被覆アルミニウム線材を得るための連続鋳造装置の一例を示す断面概略図である。
銅保持炉１１は、図示しない溶解炉で溶解した銅材２１を溶融状態で保持するものであり、炉底部に連続鋳造用モールド１２が設置されている。
アルミニウム保持炉１３は図示しない溶解炉で溶解したアルミニウム材２２を溶融状態で保持するものであり、連続鋳造用モールド１２にアルミニウム材２２を供給するためのノズル１４が配置されている。なお、ノズル１４は、銅保持炉１１の内部を通る溶融したアルミニウム材２２が加熱されないように断熱されている。

この連続鋳造用モールド１２により、銅材２１が管状に連続して凝固していき、管状銅材４を形成する。一方、溶融したアルミニウム材２２は、連続鋳造モールド１２内では凝固せず、管状銅材４の内径部に溶融状態で連続的に供給される。アルミニウム材２２の凝固を促進するために、図示していない水冷装置が連続鋳造モールド１２の下流に設けられ、銅材被覆アルミニウム素材６が冷却される。これにより形成された銅材被覆アルミニウム素材６は、引出装置１５によって引き出される。連続処理する場合は、スエージング加工やその後の圧延や引抜加工といった塑性加工を行なう装置を後段に設置する。また、連続処理しない場合は、切断装置１６で所定の長さに切断して、後工程の伸線加工工程に供給する。

図５において、本発明に適用する管状銅材の内周面を含む断面形状は、連続鋳造モールド１２から管状銅材４の出口形状で決定することができる。
また、図５では、ノズル１４を銅保持炉１１内に通す形態としているが、銅保持炉１１外から、連続鋳造モールド１２に供給しても良い。また、図５では、垂直方向に鋳造される形態を示しているが、水平方向に鋳造しても良い。
このような連続鋳造装置の適用は、本発明の銅材被覆アルミニウム線材の生産性を高める有効な手段となる。

１ 外層部、２ コア部、３ 内周面
４ 管状銅材、５ 内径部、６ 銅材被覆アルミニウム素材
１１ 銅保持炉、１２ 連続鋳造用モールド、１３ アルミニウム保持炉
１４ ノズル、１５ 引出装置、１６ 切断装置
２１ 銅材、２２ アルミニウム材

Claims (2)

1. 長手方向に連続する凹及び/又は凸部が内周面に形成された管状銅材からなる外層部と、該外層部の内径側にアルミニウム材が充填されたコア部と、を有することを特徴とする銅材被覆アルミニウム線材。
2. 銅材被覆アルミニウム線材の断面に占める銅材の面積率は３０〜７０％であることを特徴とする請求項１に記載の銅材被覆アルミニウム線材。
   
   
   

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