JP4593013B2 - アルミニウム合金導電体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車用導電体、特にハイブリッドカーを含めた電気自動車用の導電体に適した大電流通電用アルミニウム合金導電体に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電気自動車では、電池群と電気機器(インバータ、モータなど)間の電気的接続、各電池間の電気的接続、インバータ内回路などには大電流通電に適した純銅製の導電母材(平角状、板状などの導体で以下導電体と記す)が用いられ、また前記導電体は前記電気機器などとボルト締めにより接続されている。
しかし、近年、燃費低減を目的に自動車の軽量化が強く求められ、前記の銅導電体を軽量なアルミニウム(以下適宜Alと記す)またはAl合金に代える動きが活発である。
【0003】
因みに、前記銅導電体をAlまたはAl合金導電体(以下適宜Al導電体と記す)に代える場合、銅の比重が8.89で、Alの比重が2.70であること、純銅の導電率100%IACSに対しAl(1060)の導電率は61%IACSであることから、電気抵抗を同じにした場合は、Al導電体は、断面積が銅導電体の160%に増加するが重量は50%に減少する。通電電流を同じにした場合は、Al導電体は、断面積が銅導電体の125%に増加するが重量は40%に減少する。
これらのことから、電気的使用条件が同じなら、Al導電体は銅導電体の半分以下の重量で足りることになる。
【0004】
ところで、地上の配電設備などのAl導電体には、1060(Al99.60%以上の純Al)、6101(Al−0.5%Si−0.5%Mg合金)、6063(Al−0.4%Si−0.7%Mg合金)、6061(Al−0.6%Si−1.0%Mg−0.3%Cu−0.2%Cr合金)などのAlまたはAl合金が用いられている(JIS H 4180)。
前記AlまたはAl合金の成分(組成)および導電率を表1に、前記1060、6101および銅の室温における機械的性質を表2に示す。
【0005】
【表1】
【0006】
【表2】
【0007】
表1および表2から分かるように、純Alの1060硬材は導電率は高いが強度が低い。Al−Si−Mg系合金の6101−T6処理材は強度が銅の半硬材(1/2H)と同等で、導電率も55%IACS以上あり、Al合金の中では最も高い。従って銅導電体に代わるAl導電体としては6101合金相当材が最適と考えられる。しかし電気自動車用導電体に用いるには次の課題をクリヤーする必要がある。
【0008】
即ち、自動車用導電体は使用時の温度上昇(100℃前後)に伴う熱サイクルが長期間繰り返されることから、Al導電体には(1)耐クリープ特性に優れ、使用中にボルト締め付け部に緩みが生じず良好な電気接続特性が安定して得られること、(2)特に接続部での耐食性に優れることが要求される。
【0009】
ところで、地上の配電設備ではAl導電体は、通常、表面処理なしで裸で使用されるが、腐食環境が厳しく耐食性が要求される電気機器はCuとAgの2層メッキやSn−Zn合金半田(摩擦半田)メッキを施して使用される場合がある。このため、本発明者らは、Al合金表面にNiとSnを2層にメッキし、Niメッキにより耐熱性を向上させ、2層メッキとすることにより電気接続性を向上させた自動車用Al合金導電体を提案した(特願平11−9136)。
しかし2層メッキはコスト高となるうえ、メッキ作業に手間が掛かるため、メッキ層は単層が好ましく、その場合、耐食性が良好なNiメッキが推奨される。しかし従来のNiメッキではボルトで強く締め付けるとメッキ皮膜が剥離し、その部分の耐食性や耐酸化性が低下して導電体に必要な電気接続特性が得られなくなるという問題があった。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、軽量で、所要の強度および導電性を有し、耐クリープ特性が良好で電気接続特性に優れ、耐食性にも優れ、かつ安価なAl合金導電体を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、Si0.3〜0.8mass%(以下適宜%と略記する)、Mg0.35〜1.0%を含有し、さらにFe0.1〜0.6%、Cu0.02〜0.1%、Mn0.01〜0.08%のうちの1種または2種以上を含有し残部がAlおよび不可避不純物からなるAl合金材にT6、T8またはT5処理を施したAl合金処理材に厚さ0.1〜3μmのNi−P合金メッキ皮膜または厚さ0.3〜3μmのNi−B合金メッキ皮膜が設けられていることを特徴とするアルミニウム合金導電体である。
【0012】
請求項2記載の発明は、前記Ni−P合金メッキ皮膜またはNi−B合金メッキ皮膜のビッカース硬さが500〜1200Hvであることを特徴とする請求項1記載のアルミニウム合金導電体である。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の構成、作用、効果および実施形態について詳細に説明する。
本発明で用いるAl合金はSiおよびMgを主要合金元素とする。これら元素はAlマトリックス中に固溶して或いはMg2 Si粒子として微細に析出して強度を高め、導電体の変形を防止する。
SiまたはMgのいずれが本発明規定値の下限未満でも、その固溶量或いはMg2 Si粒子量が減少して十分な強度が得られず、いずれが本発明規定値の上限を上回ってもその固溶量が増加して導電率が低下し、またMg2 Si粒子が粗大化して成形性が低下する。
【0014】
副成分のFe、Mn、Cuは導電体の強度および耐クリープ特性を高める。
このうち、Fe、Mnは、Alと金属間化合物を形成し、分散強化により強度を向上させる。また前記金属間化合物が微細に析出して亜結晶粒組織や再結晶粒組織を安定させ、通電時の発熱により組織内に生じる歪みの回復を阻止して耐クリープ特性を向上させる。Cuは固溶して導電体の強度および耐クリープ特性を向上させる。副成分のいずれが本発明規定値の下限未満でも、その効果が十分に得られず、上限を超えると成形性が低下する。
【0015】
前記本発明で用いるAl合金は導電体形状に加工されたあと、T6、T8またはT5のいずれかの処理が施されて強度や耐クリープ特性が調整される。
前記T6、T8またはT5処理後のAl合金処理材の室温における機械的性質は表3に示す通りである。
【0016】
【表3】
【0017】
前記Al合金処理材は、その表面にNi−P合金メッキ皮膜またはNi−B合金メッキ皮膜を設けて耐食性と電気特性(接続部の電気の接触抵抗)が高められる。
本発明において、Ni−P合金メッキ皮膜の厚さを0.1〜3μmに、Ni−B合金メッキ皮膜の厚さを0.3〜3μmにそれぞれ規定するのは、前記下限値未満ではメッキによる前記効果が十分に得られず、上限値(3μm)を超えるとメッキ皮膜が剥離し易くなるうえ、メッキコストが高くなるためである。
前記皮膜の厚さは、特性およびコスト面から1〜3μmがより好ましい。
【0018】
前記Ni−P合金メッキ皮膜またはNi−B合金メッキ皮膜のビッカース硬さ(以下硬さと略記する)は500〜1200Hvが好ましい。前記硬さが500Hvより低いと、導電体を電気接続する際などに表面に傷がつき、外観不良や電気接続特性の低下を招き、さらに傷の部分から腐食が進行する。一方、硬さが1200Hvより高いと、ボルト締め付け時に割れが発生し、耐食性および電気接続特性が低下する。前記硬さは、主に合金元素濃度により制御し、メッキ浴のpH、電流密度、スルファミン酸の添加量などにより微調整する。Ni−P合金メッキおよびNi−B合金メッキとも、合金濃度は3〜8mass%が適当である。
【0019】
本発明のAl合金導電体は、Al圧延材やAl押出材を切断、打抜き、曲げ加工などにより所定形状の平角材(例えば2×20×200mm)や板材(例えば2×200×200mm)に加工し、前記平角材または板材にボルト穴を開け、次いでNi−P合金メッキまたはNi−B合金メッキを施して製造される。
【0020】
以下に、本発明のAl合金導電体を熱間圧延により製造する場合と、熱間押出しにより製造する場合に分けて具体的に説明する。
熱間圧延により製造する場合は、本発明で規定する成分のAl合金を半連続鋳造法などの常法により鋳塊とし、この鋳塊を500〜540℃の温度で均質化処理(ソーキング)後、熱間圧延と冷間圧延をこの順に施して所定板厚とする。この冷間圧延の前後または途中に500℃以上の温度に保持したのち、冷却(200℃までは1℃/sec以上の冷却速度で冷却)する溶体化処理を施し、続いて必要に応じて最終冷間圧延を行い、最後に150〜250℃の温度で時効硬化処理を施す。
なお、前記冷間圧延の前または途中に溶体化処理を施すのがT8処理であり、前記冷間圧延後に溶体化処理を施すのがT6処理である。
【0021】
前記鋳塊の均質化処理を500〜540℃の温度で施すのは、合金元素の固溶量を増やすためで、500℃未満では合金元素が十分に固溶せず、540℃を超えると鋳塊が部分的に溶融する恐れがあるからである。
【0022】
前記溶体化処理を、500℃以上の温度に保持した後冷却(200℃または1℃/sec以上の冷却速度で冷却)して施すのは、保持温度が500℃未満でも冷却速度が1℃/sec未満でも合金元素が十分に固溶しないからである。
【0023】
前記時効処理は、過剰に固溶したMg、Si、Cu元素をMg2 SiやCu化合物として析出させて導電体の強度をより向上させるために施す。
その処理温度を150〜250℃にするのは、150℃未満では析出量が不足し、250℃を超えると析出物が粗大化していずれも十分な強度が得られないためである。
【0024】
本発明のAl合金導電体を熱間押出しにより製造する場合は、前記熱間圧延の場合と同様にして得た鋳塊を500〜540℃の温度で均質化処理した後、熱間押出し、次いで冷間引抜きする。前記冷間引抜の前後または途中に500℃以上の温度で保持後冷却(200℃までは1℃/sec以上の冷却速度で冷却)する溶体化処理を施し、続いて必要に応じて所定の冷間引抜を行い、最後に150〜250℃の温度で時効硬化処理を施す。
【0025】
前記冷間引抜の前または途中に溶体化処理を施すのがT8処理であり、前記冷間引抜後に溶体化処理を施すのがT6処理である。
熱間押出し時の製出材をそのまま焼入れ、次いで時効硬化処理を施すのがT5処理である。このT5処理では溶体化処理を省略できる。
【0026】
前記均質化処理、溶体化処理(焼入れ)、時効硬化処理の条件は、熱間圧延の場合と同じ理由で設定される。
【0027】
【実施例】
以下に本発明を実施例により詳細に説明する。
(実施例1)
表4に示す本発明規定組成のAl合金(No.1、3、4)を溶解鋳造し、得られた鋳塊を540℃で均質化処理後、熱間圧延し、次いで厚さ5mmに冷間圧延し、この冷間圧延材に540℃で溶体化処理後200℃まで20℃/secの冷却速度で冷却し、次いで200℃で2時間時効硬化処理を施して(T6処理)Al合金処理材を製造した。
【0028】
(実施例2)
表4に示す本発明規定組成のAl合金(No.2)を溶解鋳造し、得られた鋳塊に540℃で均質化処理後、熱間圧延し、次いで厚さ7mmに冷間圧延材し、前記冷間圧延材に540℃で溶体化処理後、厚さ5mmに再び冷間圧延し、この冷間圧延材に200℃で2時間の時効硬化処理を施して(T8処理)Al合金処理材を製造した。
【0029】
(比較例1)
表4に示す本発明規定組成外のAl合金(No.5〜12)を用いた他は、実施例1と同じ方法によりAl合金処理材を製造した。
【0030】
実施例1、2および比較例1で製造した各々のAl合金処理材について、室温での導電率および耐クリープ特性(高温状態におけるボルト締め接続部の耐クリープ特性)を測定した。
前記耐クリープ特性は、板材サンプル(5mm×20mm×20mm)の表面に定圧荷重(1.2ton/cm2 )を負荷し、この状態で120℃に3時間保持後室温まで冷却して板厚tを測定し、元の板厚(5mm)Tに対する板厚減少比率((〔T−t〕/T)×100%)を求めて評価した。
なお、参考のため、従来の銅板材(半硬)および純Al板材(1060半硬)についても、同様に試験して、導電率と耐クリープ特性を評価した。
結果を表4に併記した。
【0031】
【表4】
【0032】
表4から明らかなように、本発明のAl合金処理材(No.1〜4)はいずれも導電率が55%IACS以上であり、従来の純銅材と同等の優れた耐クリープ特性を示した。
これに対し、比較例の(No.5〜12)は、いずれも導電率が55%IACS未満か、耐クリープ特性が劣った。
【0033】
(実施例3)
実施例1で製造したNo.1(表4参照)のAl合金処理材(5×30×100mm)に8mm径のボルト穴を開けたのち、常法により、種々組成のNi−P合金またはNi−B合金をメッキしてAl合金導電体を製造した。メッキ皮膜厚さは本発明規定値内で種々に変化させた。
【0034】
(比較例2)
メッキ厚さを3μmを超える厚さとした他は、実施例3と同じ方法によりAl合金導電体を製造した。
【0035】
(比較例3)
Ni−P合金メッキまたはNi−B合金メッキに代え、NiとSnの2層メッキとした他は、実施例3と同じ方法によりAl合金導電体を製造した。
【0036】
実施例3および比較例2、3で製造した各々のAl合金導電体について、耐クリープ特性および耐食性を調査した。また処理コストを比較した。
比較のため、従来のCuとAgの2層メッキまたは摩擦半田メッキしたAl合金導電体についても同様の試験を行い評価を行った。
【0037】
耐クリープ特性は、前記各々のAl合金導電体を所定寸法に切り出して供試材とし、この供試材を各2枚づつ重ね合わせ(合わせ部の長さ10mm)、この重ね合わせ材をフランジ付きボルト・ナットで定圧荷重1.2ton/cm2 で締め付け(ボルトの締め付けトルク1.2kg・m)、この締め付け体に、120℃と室温で各12時間保持する工程を1サイクルとする熱サイクル試験を240時間(10サイクル、10日間)施し、試験前後の電気的接触抵抗を測定して評価した。前記フランジ付きボルト・ナットには、フランジ部の径が12mm、ボルト径が6mmのCrメッキしたステンレス製のものを用いた。
【0038】
耐食性は、前記熱サイクル試験で用いた締め付け体に塩水噴霧試験を96時間(4日)施し、試験後の合わせ材のボルト締め付け部とそれ以外の部分(他部)の腐食状況を観察し評価した。
結果を表5に示す。
【0039】
【表5】
【0040】
表5から明らかなように、本発明例のNo.15〜22はいずれも、耐クリープ特性および耐食性に優れ、処理コストも安価であった。特にNo.16〜21はメッキ皮膜の硬さが適正であり接触抵抗がより安定して低い値を示した。
これに対し、比較例のNo.23、24はNiメッキ層が厚かったため、ボルト締め付け時にNiメッキ層に割れが入り耐食性が劣った。No.25は2層メッキのため表面処理に手間が掛かり、コスト高になった。
また従来のCuとAgの2層メッキ材(No.26)および摩擦半田材(No.27)はいずれも処理コストが高くなり、また後者は耐食性が劣った。
このように、本発明の導電体は、接触抵抗が安定して低く、耐食性に優れ、かつ処理コストが安く、従って製品としての総合評価が非常に良好または良好である。
【0041】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明のAl合金導電体は、従来の銅導電体に較べて軽量であり、所要の強度および導電性を有し、耐クリープ特性が良好で電気接続特性に優れ、耐食性にも優れ、またメッキ処理コストも安い。依って、工業上顕著な効果を奏する。
Claims (2)
- Si0.3〜0.8mass%(以下適宜%と略記する)、Mg0.35〜1.0%を含有し、さらにFe0.1〜0.6%、Cu0.02〜0.1%、Mn0.01〜0.08%のうちの1種または2種以上を含有し残部がAlおよび不可避不純物からなるAl合金材にT6、T8またはT5処理を施したAl合金処理材に厚さ0.1〜3μmのNi−P合金メッキ皮膜または厚さ0.3〜3μmのNi−B合金メッキ皮膜が設けられていることを特徴とするアルミニウム合金導電体。
- 前記Ni−P合金メッキ皮膜またはNi−B合金メッキ皮膜のビッカース硬さが500〜1200Hvであることを特徴とする請求項1記載のアルミニウム合金導電体。
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