JP2018154927A

JP2018154927A - アルミニウム合金、アルミニウム合金を用いたアルミニウム合金電線、アルミニウム合金電線を用いた自動車用ワイヤーハーネス、及びアルミニウム合金素線の製造方法

Info

Publication number: JP2018154927A
Application number: JP2018099448A
Authority: JP
Inventors: 潤大後藤; Jundai Goto
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2018-10-04

Abstract

【課題】自動車用電線の配線材料として充分な導電率と引張強さを備えたアルミニウム合金、アルミニウム合金を用いたアルミニウム合金電線、アルミニウム合金電線を用いた自動車用ワイヤーハーネス、及びアルミニウム合金素線の製造方法を提供する。
【解決手段】０．１質量％以上、１．０質量％未満のＦｅと、０．０２〜０．２１質量％のＺｒと、０．０２〜０．３５質量％のＳｉと、０．６４質量％以上、１．９質量％以下のＣｕ、及び０．４６質量％以上、１．３質量％以下のＭｇのうち少なくとも一方とを含み、残部がＡｌ及び不可避不純物であり、１トンの荒引線から素線を製造する際に何回断線するかをカウントした場合に、５回／トン以下である。
【選択図】なし

Description

本発明は、導電用のアルミニウム合金に関し、特に、自動車用電線として利用可能なアルミニウム合金、アルミニウム合金を用いたアルミニウム合金電線、アルミニウム合金電線を用いた自動車用ワイヤーハーネス、及びアルミニウム合金素線の製造方法に関する。

作今、自動車軽量化のニーズから、従来の銅合金による電線から細径のアルミニウム電線への要求が高まっている。自動車用アルミニウム電線の規格としては、JASO D 603があるが、この規格によると、最も小さい電線サイズは、０．７５ｓｑ（ｍｍ²）であり、また、導体を構成する素線の性能として、引張強さ７０ＭＰａ以上、導電率５８％ＩＡＣＳ以上、伸び率１０％以上が定められている。０．７５ｓｑより小さい電線サイズは、JASO D 611に規定される自動車用銅電線のサイズを参考にすると、０．５ｓｑ、０．３５ｓｑ、０．２２ｓｑ、０．１３ｓｑが予想されるが、電線サイズが小さくなると共に、電線の耐荷重は低下するため、素線の高強度化が必要となる。例えば、強度として１００ＭＰａ以上が必要である。また、素線は高強度化されても、自動車用電線として適度な導電性を有している必要がある。

そこで、導線用アルミニウム合金材料として、高純度アルミニウム（純度９９．９５％）中に鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）およびその他の元素を配合したアルミニウム合金配線材料が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、導線用アルミニウム合金材料として、高純度アルミニウム（純度９９．９５％）中に銅（Ｃｕ）および／またはマグネシウム（Ｍｇ）と、ジルコニウム（Ｚｒ）および／またはケイ素（Ｓｉ）を配合したアルミニウム合金配線材料が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。また、導線用アルミニウム合金材料として、Ｆｅ、Ｍｇ、及び硫黄（Ｓ）を各々所定量で含むアルミニウム合金配線材料が提案されている（例えば、特許文献３，４参照。）。また、導線用アルミニウム合金材料として、チタン（Ｔｉ）等を含むアルミニウム合金配線材料が提案されている（例えば、特許文献５参照。）。また、導線用アルミニウム合金材料として、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｃｕおよび／またはＭｇを含むアルミニウム合金配線材料が提案されている（例えば、特許文献６参照。）。

特許文献１〜４に記載のアルミニウム合金の場合、伸線加工と伸線加工との間に熱処理を行うことで、断線を防止して所望の太さにまで細線化することが可能となっているが、バッチ式等で複数の熱処理工程を行うことは時間的にもコスト的にも好ましくない。特許文献５に記載のアルミニウム合金の場合、伸線加工前に熱処理を行ってから連続伸線加工を施しているが、伸線加工前に熱処理を行うと、その後の伸線加工による硬化により線が硬くなり易く、導電率および伸び特性が低下するという問題がある。更に、所定量のＴｉを含むことにより電線の導電率が著しく低下することが懸念される。特許文献６に記載のアルミニウム合金の場合、特許文献１〜５の課題を解決するが、上述した０．７５ｓｑより小さいアルミニウム電線に対しては、素線強度が不足することが懸念される。そこで、上述の要求を全て満足し、適度な伸びと自動車用電線として必要な導電性を有する導電用アルミニウム合金材料が要求されている。

特開２００８−３８２０７号公報特開２００６−１７６８３２号公報特開２００６−１９１６３号公報特開２００４−１３４２１２号公報特開２００３−１３１６２号公報ＷＯ２０１１／００４８１４公報

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、自動車用電線の配線材料として充分な導電率と引張強さを備えたアルミニウム合金、アルミニウム合金を用いたアルミニウム合金電線、アルミニウム合金電線を用いた自動車用ワイヤーハーネス、及びアルミニウム合金素線の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、０．１質量％以上、１．０質量％未満のＦｅと、０．０２〜０．２１質量％のＺｒと、０．０２〜０．３５質量％のＳｉと、０．６４質量％以上、１．９質量％以下のＣｕ、及び０．４６質量％以上、１．３質量％以下のＭｇのうち少なくとも一方とを含み、残部がＡｌ及び不可避不純物であり、１トンの荒引線から素線を製造する際に何回断線するかをカウントした場合に、５回／トン以下のアルミニウム合金であることを要旨とする。

本発明の他の態様によれば、０．１質量％以上、１．０質量％未満のＦｅと、０．０２〜０．２１質量％のＺｒと、０．０２〜０．３５質量％のＳｉと、０．６４質量％以上、１．９質量％以下のＣｕ、及び０．４６質量％以上、１．３質量％以下のＭｇのうち少なくとも一方とを含み、残部がＡｌ及び不可避不純物であるアルミニウム合金をアルミニウム合金素線として用いたアルミニウム合金電線であり、前記アルミニウム合金素線は、１トンの荒引線から素線を製造する際に何回断線するかをカウントした場合に、５回／トン以下であることを要旨とする。

本発明の他の態様によれば、上述のアルミニウム合金電線を用いた自動車用ワイヤーハーネスであることを要旨とする。

本発明の他の態様によれば、０．１質量％以上、１．０質量％未満のＦｅと、０質量％以上、０．２１質量％以下のＺｒと、０．０２質量％以上、１．５質量％以下のＳｉと、０．６４質量％以上、１．９質量％以下のＣｕ、及び０．４６質量％以上、１．３質量％以下のＭｇのうち少なくとも一方とを含み、残部がＡｌ及び不可避不純物であるアルミニウム合金を用いて荒引線を形成する工程と、荒引線を所望の最終線径にまで伸線する工程と、伸線する工程により形成された線材を連続焼鈍またはバッチ焼鈍する工程とを含み、１トンの荒引線から素線を製造する際に何回断線するかをカウントした場合に、５回／トン以下のアルミニウム合金素線を製造するアルミニウム合金素線の製造方法であることを要旨とする。

本発明によれば、自動車用電線の配線材料として充分な導電率と引張強さを備えたアルミニウム合金、アルミニウム合金を用いたアルミニウム合金電線、アルミニウム合金電線を用いた自動車用ワイヤーハーネス、及びアルミニウム合金素線の製造方法を提供することができる。

（実施の形態）
本発明の実施の形態で用いるアルミニウム合金は、母材となるアルミニウム地金に所定の元素を添加して含有させたものである。

アルミニウム地金としては、純度９９．７質量％以上の純アルミニウムを用いることが好ましい。すなわち、JIS H 2102に規定される純アルミニウム地金のうち、１種のアルミニウム地金以上の純度のものを好ましく用いることができる。具体的には、純度９９．７質量％の１種アルミニウム地金、純度９９．８５質量％以上の特２種アルミニウム地金、及び純度９９．９０質量％以上の特１種アルミニウム地金が挙げられる。このように、本発明の実施の形態では、アルミニウム地金として、特１種、特２種のような高価な高純度のものばかりではなく、価格的にも手頃な純度９９．７質量％のアルミニウム地金を使用できる。

純アルミニウム地金からなる母材（すなわち、アルミニウム原料）中に添加される元素は、Ｆｅと、Ｚｒと、Ｓｉと、Ｃｕおよび／またはＭｇである。

Ｆｅは、固溶限が低く、析出強化が主な強化機構となり、導電率を下げずに強度を増加させることのできる元素である。この効果を好ましく得るために、Ｆｅはアルミニウム合金中に０．１質量％以上、１．０質量％未満含まれ、０．４〜０．９質量％含まれることが好ましい。尚、本明細書において「ａ〜ｂ質量％」と記載した場合は、ａ質量％以上、ｂ質量％以下を意味する。

Ｚｒは、耐熱性の向上に有効な元素であり、固溶強化により強度向上を図ることのできる元素である。この効果を得るために、Ｚｒはアルミニウム合金中に０〜０．２１質量％含まれ、０〜０．０８質量％含まれることが好ましく、また、実用的には０．０２〜０．２１質量％とすることができる。

Ｓｉは、強度の向上に有効な元素である。この効果を得るために、Ｓｉはアルミニウム合金中に０．０２〜１．５質量％含まれ、０．０２〜０．３５質量％含まれることが好ましく、０．０２〜０．２０質量％含まれることがより好ましい。

ＣｕおよびＭｇは、固溶強化により強度向上を図ることのできる元素である。Ｃｕはアルミニウム合金中に０．６４〜１．９質量％含まれ、０．９０〜１．３０質量％含まれることが好まししい。

Ｍｇはアルミニウム合金中に０．４６〜１．３質量％含まれ、０．７〜１．２質量％含まれることが好ましい。ＣｕとＭｇが共に含まれる場合、アルミニウム合金中の両者の合計量は１．１０〜１．３０質量％であることが好ましい。

以上の各元素の含有量は、母材となるアルミニウム地金に初めから含まれているＦｅ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇの各量を含むものであって、必ずしも添加量を意味するものではない。

これらの各元素はそれぞれ、上記範囲を超えて多量に含まれるとアルミニウム合金の導電率を低下させてしまうため好ましくない。具体的には、自動車用電線として必要な５８％ＩＡＣＳを達成するためには、Ｚｒは０．２１質量％以下、Ｓｉは１．５質量％以下、Ｃｕは１．９質量％以下、Ｍｇは１．３質量％以下の範囲でそれぞれ含有される。

このアルミニウム合金に含まれる可能性がある不可避不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、ルビジウム（Ｐｂ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、スズ（Ｓｎ）、バナジウム（Ｖ）、ガリウム（Ｇａ）、ホウ素（Ｂ）、ナトリウム（Ｎａ）等が挙げられる。これらは、本発明の効果を阻害せず、実施の形態に係るアルミニウム合金の特性に格別な影響を与えない範囲で不可避的に含まれるものであり、使用する純アルミニウム合金に予め含有されている元素も、ここでいう不可避不純物に含まれる。

不可避不純物の量としては、合金中に合計で０．０７質量％以下であることが好ましく、０．０５質量％以下であることがより好ましい。

アルミニウム合金は、アルミニウム地金に所定の元素を添加し、通常の製法に従って鋳造することができる。

本発明の実施の形態に係るアルミニウム合金電線（電線またはケーブル）は、導体として、上記導線用アルミニウム合金からなる素線を含むものである。ここで、アルミニウム合金素線を含むとは、単線（すなわち、単線導体）である素線を複数本（３〜１５００本）撚り合わせて形成した撚線（すなわち、撚線導体）として含むことも意味しており、一般的には撚線（芯線ともいう）の形態で含んでいる。

電線は、裸線であるこの撚線を任意の絶縁樹脂層で覆った被覆線であり、この電線を複数本束ねて１本に外装したものがケーブルまたはワイヤーハーネスである。すなわち、実施の形態に係るアルミニウム合金電線は、上記アルミニウム合金からなる素線を含む導体（すなわち、撚線）と、その導体の外周に設けられる被覆層とを含むものであればよく、その他の具体的な構成および形状、ならびに製造方法は、何ら限定されることはない。

導体を構成するアルミニウム合金素線の形状等についても特に限定されないが、例えば素線が丸線であって自動車用の電線に使用する場合は、直径（すなわち、最終線径）は０．０７〜１．５ｍｍ程度であることが好ましく、０．１４〜０．５ｍｍ程度であることがより好ましい。

被覆層に用いられる樹脂の種類は、架橋ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン樹脂や、塩化ビニル等の公知の絶縁樹脂を任意に使用でき、その被覆厚は適宜定められる。

実施の形態に係るアルミニウム合金電線（電線またはケーブル）は、電気または電子部品、機械部品、車両用部品、建材等の様々な用途に使用することができる。なかでも、車両用電線またはケーブルとして好ましく使用できる。

実施の形態に係るアルミニウム合金電線の導体となるアルミニウム合金素線は、通常の製法に従って荒引線を製造し、これを伸線することにより製造される。伸線加工に際し熱処理（焼鈍）が適宜行われてもよいが、熱処理前に最終線径にまで伸線されたアルミニウム合金素線であることが好ましい。伸線加工前および伸線加工途中の熱処理を行わずに伸線されることで、加工硬化が抑制され、また、伸線加工後に焼鈍を行うことで、導電率および伸び等の特性を向上させることができる。

したがって、アルミニウム合金素線の好ましい製造方法としては、次の工程を含む製造方法が挙げられる。すなわち、（１）上述の導線用アルミニウム合金を用いて荒引線を形成する工程（圧延工程）、（２）得られた荒引線を最終線径にまで伸線する工程（減面加工工程）、および（３）伸線加工後の線材を連続焼鈍またはバッチ焼鈍する工程、である。ここで、（２）伸線加工工程は、減面加工を意味し、熱処理工程を含まない。したがって、工程（２）の伸線加工は、熱処理を伴わずに行われる。

このように、本発明の実施の形態に係るアルミニウム合金素線の製造方法によれば、合金の鋳造工程を含めて記載すると、鋳造、圧延、伸線加工、熱処理という工程の流れで素線を製造することができる。したがって、本発明の実施の形態に係るアルミニウム合金素線の製造方法は、従来法の鋳造、圧延、伸線加工、熱処理、伸線加工、熱処理という工程と比較し、時間とコストの両面で、著しく効果が高い製法である。

各工程は、公知の方法により行うことができ、上記（１）〜（３）以外にも、例えば面削工程など必要に応じて素線製造のためのその他の工程を含んでもよい。

（１）の荒引線への加工は、連続鋳造圧延法、押出法等により行うことができる。

（２）の伸線加工は、乾式または湿式の伸線機を用いて行われ、その条件は特に限定されることはない。導線用アルミニウム合金は、伸線加工性に優れているため、例えば、直径９．５ｍｍの荒引線を、熱処理を行うことなく、仕上がり直径（最終線径）０．３ｍｍ程度にまで伸線することができる。

（３）の焼鈍工程のうち、連続焼鈍は、連続焼鈍炉を用いて行うことができ、例えば、アルミニウム線を所定速度で搬送して加熱炉中を通過させ、所定区間において加熱して焼鈍することができる。加熱手段としては、例えば、高周波加熱炉等が挙げられる。また、バッチ焼鈍も好適に利用できる。搬送速度、焼鈍時間、焼鈍温度等は特に限定されず、焼鈍後の冷却条件も特に限定されることはない。

以上述べてきたように、本発明の実施の形態に係るアルミニウム合金を用いることで、熱処理前の伸線加工とその後の焼鈍が可能である。この伸線加工後の熱処理を行うことで素線の導電率と伸び特性を向上させることができるが、一方で加工により硬化した合金を軟化させるための強度（引張強さ）低下が伴われる。しかし、実施の形態に係るアルミニウム合金は、強度低下が生じてもなお、強度も含め様々な要求特性を満たすことができる組成であり、アルミニウムの特徴である軽量性を備え、良好な導電率を維持し、良好な伸び率と充分な引張強さを備えたアルミニウム合金素線を得ることができる。

アルミニウム合金素線の特性に関しては、引張強さ１００ＭＰａ以上であり、導電率５０％ＩＡＣＳ以上であり、且つ伸び率１０％以上であることが好ましい。引張強さは１００〜２００ＭＰａであることが好ましく、１５０〜２００ＭＰａであることがより好ましい。伸び率は１０〜３０％であることが好ましく、１５〜２０％であることがより好ましい。導電率は、純アルミニウムの６４％ＩＡＣＳ以下である。更に、伸線加工性については、１トンの荒引線から素線を製造する際の目安として、断線が５回以下／トンであることが好ましい。

以下に、本発明を実施例により詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例および比較例）
JIS H 2102に規定される１種アルミニウム地金を用い、これに所定量のＦｅ、Ｚｒ、Ｓｉ、ならびにＣｕまたはＭｇを添加して表１に示す成分組成のアルミニウム合金を得る。これを常法により溶解し、連続鋳造圧延法により線径９．５ｍｍの荒引線に加工した。

次に、この荒引線を、連続伸線機を用いて伸線し、直径０．３２ｍｍの線材（細線）を得る。この線材に連続焼鈍を行い、アルミニウム合金素線を製造する。

得られた線径０．３２ｍｍのアルミニウム合金素線について、JIS C 3002に準拠して以下の特性を評価した。導電率は、２０℃（±０．５℃）に保った恒温槽中で、四端子法を用い、その比抵抗を測定して導電率を算出する。端子間距離は１０００ｍｍとする。引張強度および伸び率は、引張速度５０ｍｍ／分で測定する。

更に、伸線加工性の評価として、１トンの荒引線から素線を製造する際に何回断線するかをカウントし、５回／トン以下を「○」評価とし、６回〜９回／トンを「△」評価とし、１０回／トン以上を「×」評価として断線性を評価する。

得られた結果を表１に併せて示す。

実施例のアルミニウム合金素線は、導電率、引張強度、伸び特性、および伸線加工性のいずれにも優れており、自動車用電線またはケーブルの導体として好ましく使用できることが確認された。

これに対し、比較例のアルミニウム合金素線は伸線加工性に劣るため、製造過程で１０回／トン以上の断線が発生したものもあった。

Claims

０．１質量％以上、１．０質量％未満のＦｅと、
０．０２〜０．２１質量％のＺｒと、
０．０２〜０．３５質量％のＳｉと、
０．６４質量％以上、１．９質量％以下のＣｕ、及び０．４６質量％以上、１．３質量％以下のＭｇのうち少なくとも一方とを含み、
残部がＡｌ及び不可避不純物であり、
１トンの荒引線から素線を製造する際に何回断線するかをカウントした場合に、５回／トン以下であることを特徴とするアルミニウム合金。
０．１質量％以上、１．０質量％未満のＦｅと、
０．０２〜０．２１質量％のＺｒと、
０．０２〜０．３５質量％のＳｉと、
０．６４質量％以上、１．９質量％以下のＣｕ、及び０．４６質量％以上、１．３質量％以下のＭｇのうち少なくとも一方とを含み、
残部がＡｌ及び不可避不純物であるアルミニウム合金をアルミニウム合金素線として用いたアルミニウム合金電線であり、
前記アルミニウム合金素線は、１トンの荒引線から素線を製造する際に何回断線するかをカウントした場合に、５回／トン以下であることを特徴とするアルミニウム合金電線。
請求項２に記載のアルミニウム合金電線を用いたことを特徴とする自動車用ワイヤーハーネス。
０．１質量％以上、１．０質量％未満のＦｅと、０質量％以上、０．２１質量％以下のＺｒと、０．０２質量％以上、１．５質量％以下のＳｉと、０．６４質量％以上、１．９質量％以下のＣｕ、及び０．４６質量％以上、１．３質量％以下のＭｇのうち少なくとも一方とを含み、残部がＡｌ及び不可避不純物であるアルミニウム合金を用いて荒引線を形成する工程と、
前記荒引線を所望の最終線径にまで伸線する工程と、
前記伸線する工程により形成された線材を連続焼鈍またはバッチ焼鈍する工程
とを含み、
１トンの荒引線から素線を製造する際に何回断線するかをカウントした場合に、５回／トン以下のアルミニウム合金素線を製造することを特徴とするアルミニウム合金素線の製造方法。