JP4230377B2 - 端子用クラッド材およびその端子用クラッド材によって形成されたアルミニウム電線用端子 - Google Patents

Description

本発明は、不純物元素の供給源にならず、鉄鋼材の製造原料として有効に再生利用することができるアルミニウム電線用端子、およびその素材として好適な端子用クラッド材に関する。

自動車やトラックなどの交通輸送機、事務機、産業機械などの各種機械装置において、電源、制御装置、モータやアクチュエータなどの駆動機器、検出器などは互いに電線によって電気的に接続される。前記電線は、主として銅線の外周部を合成樹脂などの絶縁材で被覆した被覆銅線が用いられており、通常、その接続端には端子が銅線と導通するように固着される。

前記端子には種々の種類があるが、ワンタッチで連結、分離が可能な端子として、端子同士の連結部が凸状に形成された雄端子と、前記雄端子の凸状連結部を弾性的に把持する凹状連結部を備えた雌端子とからなるワンタッチ連結用端子がある。前記雄端子あるいは雌端子は、通常、それらの複数個が合成樹脂などの絶縁材で成形されたコネクタケースに収納されてコネクタを構成し、コネクタ同士を連結、分離することによって、複数本の電線の接続、分離を一時にワンタッチで行うことができる。これによって、各機器の点検、交換などのメンテナンス、各機器への電気配線が容易になる。

前記雄端子、雌端子は、導電性と共に弾性的把持力を備えたものとするために強度（耐力）、バネ性が必要とされる。さらに、使用状態を考慮すれば百数十℃程度で長時間使用しても端子同士の弾性的連結が確保され、このような高温環境下においてもバネ性が著しく劣化しない耐久性を有することが必要である。

従来、かかる特性を満足する端子材として、Ｃｕ−３０mass％Ｚｎ合金（７：３黄銅）やＣｕ−８mass％Ｓｎ合金（りん青銅３種）をはじめ、ＣｕにＦｅ、Ｚｎ、Ｐ、Ｎｉなどの強化元素を添加した高強度銅合金が使用されてきた。また、一般的に、接触抵抗の低減、耐食性の向上のために、端子表面に錫めっきや金めっきが施される場合もある。

一方、近年、省資源、環境保護の観点から、素材の再利用が要望されており、端子材についてもリサイクル性に富んだ端子用クラッド材が特開平１１−２７３４５０号（特許文献１）に提案されている。この端子用クラッド材は、強磁性体であるフェライト系ステンレス鋼などの鉄系合金で形成された芯材の上に銅または銅合金を接合してクラッド材としたものである。前記銅または銅合金によって導電性を確保するとともに、前記芯材を鉄系合金で形成することで所望の機械的性質を満足させ、さらに磁力分離を可能としたものである。
特開平１１−２７３４５０号公報（特許請求の範囲）

上記特許文献１に記載された端子用クラッド材を用いて端子を形成することにより、被覆銅線付きの端子を備えたコネクタをシュレッダーによって粉砕し、電線の絶縁被覆を比重分離して除去した後、磁力分離によって端子用クラッド材と銅線とを分別することで、銅線のみを容易に回収することができる。

一方、磁力分離によって回収された端子の粉砕物は、端子材の主材が鉄であるため、鉄鋼材の製造原料の一部として再利用される。しかし、芯材には銅材が一体的に接合されているため、必然的に銅が溶鉄中に溶け込む。鉄鋼材に合金元素として銅を微量添加する場合があるが、前記端子用クラッド材の粉砕物を原料として用いる場合、銅の含有量を量的に把握することができないため、合金元素の原料として配合することができず、結局、不純物元素の供給源となる。鋼中の銅は、熱間圧延前の鋼片の加熱の際にスケールの下に濃縮されて融液を生じ、これが結晶粒界に沿って侵入し、粒界破壊を生じさせたり、また熱間脆性の原因となる。このため、前記端子用クラッド材によって形成された端子を用いても、電線の主材を形成する銅の回収には有効であるが、端子材そのものは有効に再生利用されているとは言えず、低品位の鉄鋼材の製造原料として僅かに利用されているに過ぎない。

本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、連結相手側端子の凸状連結部を弾性的に把持する凹状連結部を備えた端子であって、不純物の供給源とならず、有効に鉄鋼材の製造原料として再生利用することができる端子、およびその素材として好適な端子用クラッド材を提供することを目的とする。

本発明の端子用クラッド材は、連結相手側端子の凸状連結部を弾性的に把持する凹状連結部と、アルミニウム電線を導通状態で固着する電線固着部を備えたアルミニウム電線用端子を形成するための端子用クラッド材であって、純アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金によって形成されたアルミニウム層と、ステンレス鋼によって形成され、前記アルミニウム層の両面に接合されたステンレス層とを備え、前記ステンレス層の合計層厚が端子用クラッド材の板厚の３５〜７０％とされたものである。

この端子用クラッド材によると、アルミニウム層によって導線性を確保するとともに、このアルミニウム層の外側に接合配置されたステンレス層によって、アルミニウム層の保護と強度向上を材料力学的見地から効果的に達成することができる。また、アルミニウム材とステンレス鋼とは熱膨張率が大きく相違するが、アルミニウム層を中心としてその両側にステンレス層を対称的に配置することによって熱膨張率差に基づく熱変形の発生およびその繰り返し変形を防止することができ、耐久性が向上する。さらに、アルミニウムは鉄鋼材の精錬において脱酸材として作用し、ステンレス鋼の主合金成分であるＮｉ、ＣｒはＦｅに固溶し、材料特性にほとんど悪影響を及ぼさないため、端子用クラッド材全体を鉄鋼材の製造原料として有効に再生利用することができる。しかも、この端子用クラッド材によって形成された端子を用いることにより、端子にアルミニウム電線（絶縁被覆アルミニウム線）を取り付けたままコネクタごと粉砕し、粉砕物から絶縁被覆材を比重分離により除去すれば、残存物であるアルミニウム線部分と端子部分とを分別することなく、そのまま再生原料として用いることができる。

前記端子用クラッド材は、さらに前記ステンレス層の合計層厚が端子用クラッド材の板厚（全厚）に対して３５〜７０％とされるので、端子として必要な導電性を損なうことなく、百数十℃程度の高温環境下で優れたバネ性と機械的強度を保持することができる。このため、このクラッド材によって連結相手側端子の凸状連結部を弾性的に把持する凹状連結部を備えたアルミニウム電線用端子を形成することにより、高温環境下における前記端子の弾性的連結性、高温耐久性を確保することができる。

また、前記ステンレス鋼としては、オーステナイト系ステンレス鋼が好ましい。オーステナイト系ステンレス鋼は、端子への成形加工が容易であり、しかも加工硬化によって強度の向上を図ることができる。このため、ステンレス層の層厚を薄くすることができる利点がある。

また、本発明のアルミニウム電線用端子は、連結相手側端子の凸状連結部を弾性的に把持する凹状連結部と、アルミニウム電線を導通状態で固着する電線固着部を備えた端子であって、前記端子が上記端子用クラッド材によって形成されたものである。このため、高温環境下で長時間使用しても連結相手側端子の凸状連結部に対する弾性的連結を確保するためのバネ性が劣化せず、高温環境下での弾性的連結性、高温耐久性に優れた端子を提供することができる。しかも端子に固着されたアルミニウム電線ごと鉄鋼材の製造原料として有効に再生利用することができる。

本発明の端子用クラッド材によれば、純アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金によって形成されたアルミニウム層と、ステンレス鋼によって形成され、前記アルミニウム層の両面に接合されたステンレス層とを備え、前記ステンレス層の合計層厚が端子用クラッド材の板厚の３５〜７０％とされるので、端子として必要な導電性を損なうことなく、百数十℃程度の高温環境下で優れたバネ性と強度を保持することができる。このため、本発明のクラッド材によって、連結相手側端子の凸状連結部を弾性的に把持する凹状連結部を備えたアルミニウム電線用端子（ワンタッチ連結用端子の雌端子）を形成することにより、高温環境下で長時間使用しても連結相手側端子の凸状連結部に対する弾性的連結を確保するためのバネ性が劣化せず、高温環境下での弾性的連結性、高温耐久性に優れた端子を提供することができる。さらに、前記クラッド材によって形成されたアルミニウム電線用端子は絶縁被覆を除去するだけでアルミニウム電線ごと鉄鋼材の製造原料として再生利用することができる。

図１は本発明の実施形態に係る端子用クラッド材の板厚断面を示しており、この端子用クラッド材は導電性に富んだアルミニウム材で形成されたアルミニウム層１の両面に同じ厚さのステンレス層２，２が接合されたものである。

前記アルミニウム層１は導電性を確保する部分であり、前記アルミニウム材としては導電性、加工性の良好な純アルミニウムやアルミニウムを主成分として、好ましくは９５mass％以上、より好ましくは９８mass％以上含有するアルミニウム合金を用いることができる。例えば、ＪＩＳＡ１０５０，１０６０，１０８０，１Ｎ３０等の純Ａｌ（合金系統１０００系、１Ｎ系）のほか、ＪＩＳＡ３００３，３００４等のＡｌ−Ｍｎ合金（合金系統３０００系）、ＪＩＳＡ４０４２等のＡｌ−Ｓｉ合金（合金系統４０００系）、ＪＩＳＡ５００５，５０５２等のＡｌ−Ｍｇ合金（合金系統５０００系）を挙げることがきる。

前記ステンレス層２，２は強度、バネ性などの機械的特性を確保する部分であり、ＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼やＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス鋼など、各種ステンレス鋼によって形成される。特に、オーステナイト系ステンレス鋼は、冷間加工性に優れ、しかも加工硬化によって成形加工後の端子に高強度、高弾性を付与することができる。

前記アルミニウム層１とステンレス層２，２との層厚の割合は、ステンレス層２，２の合計層厚がクラッド材板厚（全厚）に対して３５〜７０％程度、好ましくは３５〜６０％程度、より好ましくは４０〜５７％程度、さらに好ましくは４５〜５０％程度とすることが望ましい。ステンレス層２，２の合計層厚率が３５％未満では後述の実施例から明らかなように高温環境下でのバネ性の劣化が著しくなり、一方、７０％を越えるとアルミニウム層１の断面積が不足するようになり、導電性がりん青銅３種の導電性レベルより低下するようになる。端子用クラッド材の板厚は、用途に応じて適宜設定することができるが、ワンタッチ連結用端子の素材としては、通常、１５０〜４００μm 程度である。

次に、前記クラッド材の典型的な製造方法について説明する。
まず、アルミニウム層１の元になるアルミニウム材のシートの表裏面に、ステンレス層２の元になるステンレス鋼のシートを重ね合わせ、一対のロールに通して圧接し、その後、アルミニウム層とステンレス層とが圧接された圧接シートを拡散焼鈍する。拡散焼鈍後は必要に応じて仕上圧延することができ、これによって板厚を調整することができる。

前記圧接の際のロール圧下率は４０〜７０％程度でよく、また圧接法としては大気下での冷間圧接あるいは温間圧接のいずれでもよい。温間圧接する場合、アルミニウム材シート、ステンレス鋼シートを各々２００〜３００℃程度に加熱して、速やかにロール圧接すればよい。拡散焼鈍は、表面酸化を防止するには窒素等の不活性ガス、水素ガス等の還元性ガス雰囲気下で行うことが好ましく、焼鈍温度は４５０〜６００℃程度とし、焼鈍時間は４５０℃で５〜６ｈｒ程度、６００℃では１〜２分程度とされる。６００℃超になるとＡｌ−Ｆｅ金属間化合物が接合界面に生成し、接合強度がかえって劣化するので、６００℃以下の温度で焼鈍することが好ましい。

以上のようにして製造されたクラッド材は、適宜の幅にスリットされ、さらに目的とする端子の展開形状を有するブランク材に打ち抜き加工される。前記ブランク材はプレス加工によって、所定形状の端子に成形加工される。ワンタッチ連結用端子の雌端子の場合、連結相手側端子の凸状連結部を弾性的に把持する凹状連結部と、該凹状連結部に連成された電線固着部とを有する。前記電線固着部は、通常、アルミニウム電線の導体（アルミニウム線）を固着する導体固着部と、被覆絶縁層を含む電線全体を固定する電線固定部とで構成される。接触抵抗を低減させるために、端子の表面に錫めっき、金めっきなど耐食性かつ導電性に優れた金属めっきを施してもよい。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。

クラッド材（圧接シート）の板厚に対してステンレス層（両層）の合計層厚率が表１に示す値となるようにように種々の厚さの純アルミニウムシート（材質ＪＩＳＡ１０５０）およびステンレス鋼シート（材質ＳＵＳ３０４）を準備し、前記純アルミニウムシートの両面にステンレス鋼シートを重ね合わせて圧下率６０％で冷間圧接した。この圧接シートに対して水素ガス雰囲気下で５８０℃、３分の拡散焼鈍を施した後、板厚調整のため冷間圧延を行った。このようにして、板厚（全体厚さ）が２５０μm のクラッド材（構成：ＳＵＳ／Ａｌ／ＳＵＳ）の試料を得た。また、比較試料として、同様にしてステンレス層の両面に純アルミニウム層を接合したクラッド材（構成：Ａｌ／ＳＵＳ／Ａｌ）、純Ａｌ板、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）板、黄銅（Ｃｕ−３０％Ｚｎ合金）板およびりん青銅（Ｃｕ−８％Ｓｎ合金）板を準備した。

各試料から導電性試験片、引張試験片を採取し、導電率（％ＩＡＣＳ）および０．２％耐力を測定した。また、高温耐久性として高温雰囲気に曝した後のバネ性を下記バネ性保持試験によって評価した。
バネ性保持試験は、図２に示すように、基盤１１の一端に試験片Ｔ（板幅１０mm）の一端を固定金具１２によって固定し、前記固定金具１２からＬ＝８０mm離間した位置（撓み測定位置）に、最大曲げ応力が耐力の８０％となるようにＬ字金具１３を取り付け、試験片Ｔを弾性変形させた状態で保持した試験治具を準備し、これを１６０℃、１２０ｈｒ保持した後、室温まで冷却し、Ｌ字金具１３を取り外して永久歪の残存により生じた撓みδｔを測定した。加熱保持前の撓み測定位置における撓みをδｏとしたとき、バネ性保持率ＲＳを下記式によって求めた。なお、ＲＳ＝１００％は、高温保持によってバネ性の劣化が生じなかったことを示す。
ＲＳ（％）＝（δｏ−δｔ）／δｏ×１００

上記測定結果を表１に併せて示す。測定値は３点平均値である。また、試料No. １〜１１について、ステンレス層の合計層厚率と導電率、バネ性保持率（ＲＳ）との関係を示したグラフを図３および図４に示す。図中、●はＡｌ／ＳＵＳ／Ａｌクラッド材（試料No. １１）のデータである。

表１および図３、図４より、ステンレス層の合計層厚率が３５〜７０％の発明例は、従来使用されていたりん青銅板並以上の導電率、黄銅板並以上の高温雰囲気に対するバネ性保持率を有しており、ワンタッチ連結端子の端子材として有効なことが確認された。なお、０．２％耐力については、発明例の一部は黄銅よりも低い結果であったが、４００ＭＰａ以上であれば実用上問題はない。一方、クラッド材の構成が本発明とは逆の試料No. １１は、ステンレス層の合計層厚率が同等の発明例（No. ５）と比較して導電率、耐力は同等であるが、バネ性保持率の劣化が著しい。

本発明の実施形態に係る端子用クラッド材の部分断面図である。 バネ性保持試験に用いた試験治具の斜視図である。 実施例におけるクラッド材のステンレス層の合計層厚率と導電率との関係を示すグラフである。 実施例におけるクラッド材のステンレス層の合計層厚率と高温保持後のバネ性保持率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ アルミニウム層
２ ステンレス層

Claims (3)

1. 連結相手側端子の凸状連結部を弾性的に把持する凹状連結部と、アルミニウム電線を導通状態で固着する電線固着部を備えたアルミニウム電線用端子を形成するための端子用クラッド材であって、純アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金によって形成されたアルミニウム層と、ステンレス鋼によって形成され、前記アルミニウム層の両面に接合されたステンレス層とを備え、前記ステンレス層の合計層厚が端子用クラッド材の板厚の３５〜７０％とされた、端子用クラッド材。
2. 前記ステンレス鋼はオーステナイト系ステンレス鋼である、請求項１に記載した端子用クラッド材。
3. 連結相手側端子の凸状連結部を弾性的に把持する凹状連結部と、アルミニウム電線を導通状態で固着する電線固着部を備えた端子であって、前記端子が請求項１または２に記載された端子用クラッド材によって形成された、アルミニウム電線用端子。

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