JP4927366B2

JP4927366B2 - アルミニウム導電線

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Publication number: JP4927366B2
Application number: JP2005272437A
Authority: JP
Inventors: 京太須齋; 和生吉田
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2005-02-08
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2025-09-20
Also published as: CN101128887B; EP1852875B1; JP2006253109A; US7550675B2; US20080196923A1; CN102081984A; EP1852875A4; EP1852875A1; CN101128887A; WO2006085638A1

Description

本発明はアルミニウム導電線に係り、軽量で屈曲性および柔軟性に優れ、駆動部など動きを伴う箇所の使用適性に優れ、特に自動車用として、とりわけワイヤハーネスやバッテリーケーブルに使用するのに好適なアルミニウム導電線に関するものである。

従来、自動車の配線用電線として主にＪＩＳＣ３１０２に規定されるような軟銅線、またはこれに錫めっきなどを施した線を撚り合わせて撚り線導体とし、この導体に塩化ビニール、架橋ポリエチレンなどの絶縁体を被覆した電線が使用されてきた。

近年、自動車の高性能化、高機能化に伴って各種電子機器の制御回路が増加して、自動車内の配線箇所が多くなり配線による重量の増大が進む一方、それらに対応した一層高い信頼性が要求されようになってきている。また配線スペースの縮減や軽量化の要求に対しては細線化により対応し、さらに環境保護気運の高まりから、リサイクルし易い自動車用電線が要求されている。また、重心バランスの関係等から、車両後方にバッテリーを配置する電気自動車やハイブリット車では、モーターまでの配線が長くなり、配線材の軽量化が求められる。

このような要求に対して、鋼線に銅を被覆した複合線を用いることにより、所要の導電率とはんだ付着性を改良すると共に屈曲性と引張り強度を高めた自動車用電導体が知られている（例えば、特許文献１）。

また、銅の合金線を用いることなく、硬銅素線と軟銅素線とを撚り合わせて細径化により機械的強度を確保し、併せて軽量化とリサイクル性を高めた導体断面積０．３ｍｍ〜２．０ｍｍ以下の自動車用電線導体が知られている（例えば、特許文献２）。

また、アルミニウム線に亜鉛合金被覆を有する配線用導体とすることにより、電気接続上の問題の解決を図ると共に、銅材を用いないことにより自動車のリサイクルの際に銅の混入がなく、リサイクル鉄鋼材の品質低下が抑制される配線用電線導体が知られている（例えば、特許文献３）。

また、主に架空電線用としてアルミニウム合金による導体が知られている（例えば、特許文献４〜６）。

しかし下記特許文献１、２の自動車用電線導体は、銅または銅合金を材料とした導体であり、重量が大きい。またこの導体は接続時にはんだが使用されており、リサイクルの際、導体の接続時に使用されたハンダに含まれている鉛などが環境汚染物質の一つとなり大きな問題となっている。

特許文献３のように自動車用ワイヤハーネス導体として亜鉛合金被覆したアルミニウム線を用いるものは、リサイクルのし易さ、および軽量化の一環として極めて有効である。しかし、通常の細電線に使用されているアルミニウム線は、電気用硬アルミニウム線（ＪＩＳＣ３１０８）等を主体としたもので、銅線などに比較すると屈曲性が著しく低く、自動車のドアヒンジ回りなど開閉繰り返し回数の多い箇所では、銅線と比較して早期に破断するので、従来の構造部位には使用できないという問題があった。

特許文献４のアルミニウム合金電線では、架空送電線の架線工事における釣車通し時に要求される程度の曲げ性向上であり、本発明が使用される自動車用アルミニウム導体に要求される繰り返しの屈曲性を満足しない。さらにその線径は太く、細径線を撚り合わせて用いる自動車用アルミニウム導体に適用することは難しい。
特許文献５では、柔軟性に関する記述があるが、柔軟性として破断伸びを評価値としており、電線をボディに立体的に配策する際の作業性を容易にする観点から曲げ易さに優れる導体が必要とされる自動車とは、根本的に異なるものである。また、屈曲性に関しても、数十回で破断する曲げ方で評価しており、この評価基準は、自動車のドア部のように数万回の屈曲寿命が必須となるものとは、要求性能の水準が異なるものである。さらに、通信ケーブル用であるためその線径は太く、細径線を撚り合わせて用いる自動車用アルミニウム導体に適用することは難しい。
特許文献６では、屈曲性に関する記載があるが、破断曲げの曲率を自線径を単位として評価しているが、上述のした如く自動車のドア部のように数万回程度の屈曲寿命が必要な場合とは根本的に異なるものである。また、架空送電線用であるためその線径は太く、細径線を撚り合わせて用いる自動車用アルミニウム導体に適用することは難しい。さらに、Ｓｂの含有が必須とされている。

特開平０３−１８４２１０号公報特開平０６−０６０７３９号公報特開平０６−２０３６３９号公報特開昭５１−０４３３０７号公報米国特許第３６９７２６０号明細書米国特許第３７７３５０１号明細書

本発明は、自動車の性能向上の観点から可能な限りの軽量化を図った自動車ワイヤハーネス用として好適なアルミニウム導電線を提供することを目的とする。
さらに本発明は、導電率、耐属曲性等の特性に優れる自動車ワイヤハーネス用として好適なアルミニウム導電線を提供することを目的とする。
さらに本発明は上記のアルミニウム導電線に用いるのが好適なアルミニウム合金素線を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は下記の手段により達成された。

（１）Ｆｅ０．１〜１．０ｍａｓｓ％、Ｃｕ０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｍｇ０．０５〜０．４ｍａｓｓ％を含有し、ＣｕとＭｇの合計が０．３〜０．８ｍａｓｓ％、残部がアルミニウムおよび不可避不純物から成る線径０．０７〜１．５０ｍｍの自動車配線用アルミニウム合金素線を撚り合わせて形成した撚線からなり、前記自動車配線用アルミニウム合金素線が、引張強度が１１０ＭＰａ以上１４６ＭＰａ以下であり、かつ、５００００回以上の屈曲耐久性を示すことを特徴とする自動車配線用アルミニウム導電線。

（２）Ｆｅ０．１〜１．０ｍａｓｓ％、Ｃｕ０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｍｇ０．０５〜０．４ｍａｓｓ％を含有し、ＣｕとＭｇの合計が０．３〜０．８ｍａｓｓ％、残部がアルミニウムおよび不可避不純物から成る線径０．０７〜１．５０ｍｍの自動車配線用アルミニウム合金素線を撚り合わせて形成した撚線と、該撚線を被覆する樹脂層とからなり、前記自動車配線用アルミニウム合金素線が、引張強度が１１０ＭＰａ以上１４６ＭＰａ以下であり、かつ、５００００回以上の屈曲耐久性を示すことを特徴とする自動車配線用アルミニウム導電線。

（３）前記自動車配線用アルミニウム合金素線が、再結晶組織を有してなることを特徴とする、（１）または（２）記載の自動車配線用アルミニウム導電線。

（４）導体と、該導体の外周に設けられる被覆層とを備え、該導体が（１）から（３）のいずれか１項記載の自動車配線用アルミニウム導電線であることを特徴とする自動車配線用電線。
（５）Ｆｅ０．１〜１．０ｍａｓｓ％、Ｃｕ０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｍｇ０．０５〜０．４ｍａｓｓ％を含有し、ＣｕとＭｇの合計が０．３〜０．８ｍａｓｓ％、残部がアルミニウムおよび不可避不純物から成る線径０．０７〜１．５０ｍｍの自動車配線用アルミニウム合金素線であって、引張強度が１１０ＭＰａ以上１４６ＭＰａ以下であり、かつ、５００００回以上の屈曲耐久性を示すことを特徴とする自動車配線用アルミニウム合金素線。
（６）再結晶組織を有してなることを特徴とする、（５）記載の自動車配線用アルミニウム合金素線。

本発明のアルミニウム導電線は、上記のアルミニウム合金素線を用いるアルミ化によりその軽量化が図られ、かつ、伸線時の加工性、導電率、撚り性（撚り線加工の可否）、耐屈曲性（ドア開閉時、振動時）、柔軟性（例えば、自動車ワイヤハーネス組付け時）、接続性（異種金属）、耐熱性に優れる。また、リサイクル化も銅線のワイヤハーネス導体などに比べ大幅に容易になり、環境に対する有害物質の発生もなくクリーンである。よって、産業上また環境上極めて好適である。

以下に本発明を具体的に説明する。図１−１、１−２、１−３は本発明に係るアルミニウム導電線の好ましい実施態様のうち３例を示したアルミニウム導電線の断面図であり、図１−１、１−２、１−３において、同符号は同じものを示す。１はアルミニウム導電線、２はアルミニウム合金素線３を撚り合わせてなる撚り線を示す。ただし、図１−３において、３ａは断面略６角形のアルミニウム合金素線、３ｂはその略６角形の外側に配した断面略矩形のアルミニウム合金素線である。撚り線２を構成するアルミニウム合金素線３又は３ａ、３ｂの総本数は、使用する機器の性能によって、決められるものである。

次に本発明のアルミニウム合金素線３（又は３ａ、３ｂ）を構成するアルミニウム合金の組成の技術的意義を説明する。
Ｆｅの添加量を０．１〜１．０ｍａｓｓ％とする理由は、０．１ｍａｓｓ％未満では自動車用電線として要求される高水準の屈曲耐久性が満足できないからである。また１．０ｍａｓｓ％を超えると自動車用電線として求められる導電率が得られないばかりか、Ａｌ−Ｆｅ系化合物の晶出により屈曲性が低下する。この場合、溶湯の保持温度を十分高くかつ凝固の際の冷却速度を早くすることで、晶出物の生成を低減することが可能だが、逆に過飽和にＦｅが固溶して導電率が低下する。好ましくはＦｅは０．２０〜０．８ｍａｓｓ％である。

Ｃｕの添加量を０．０５〜０．５ｍａｓｓ％とする理由は、０．０５％未満では自動車用電線として要求される水準の屈曲耐久性が達成できない。０．５％を超えると導電率が劣る。好ましくはＣｕは０．１〜０．４ｍａｓｓ％である。

Ｍｇの添加量を０．０５〜０．４ｍａｓｓ％とする理由は、０．０５％未満では自動車用電線として要求される屈曲耐久性が達成できない。０．４％を超えると導電率が劣る。好ましくはＭｇは０．１〜０．３５ｍａｓｓ％である。

ＣｕとＭｇの合計を０．３〜０．８ｍａｓｓ％とする理由は、ＣｕとＭｇの同時添加により屈曲耐久性を向上させるためである。０．３％未満では自動車用電線として要求される高水準の屈曲耐久性が達成できない。また０．８％を越えると導電率が劣る。好ましくは、両成分が合計で０．３〜０．７ｍａｓｓ％である。またＭｇ：Ｃｕの質量比は０．１２５：１〜１．２５：１の質量比が好ましい。

不可避不純物は導電率を低下させるため少なければ少ないほど良い。好ましくは、Ｓｉが０．１０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎが０．０２ｍａｓｓ％以下、ＴｉとＶの総量が０．０２５ｍａｓｓ％以下である。Ｚｒの含有は、Ａｌ−Ｚｒ系の析出物を析出させることにより耐熱性が向上するため、０．１ｍａｓｓ％程度のＺｒを含有してもよい。

次に、線径０．０７〜１．５０ｍｍのアルミニウム合金素線を撚り合わせ、その上に樹脂を被覆加工したアルミニウム導電線は引張強度を１１０ＭＰａ以上とする。これは、例えば、このアルミニウム導電線を自動車に組付ける作業中に、アルミニウム導電線と端子との接続部が破断しないためには、所定以上の引張強度を有する必要があり、１１０ＭＰａの引張強度を有することにより接続部の健全性（９８ｍ／ｓｅｃ、５０〜１００Ｈｚで掃引、３時間、軸方向に振動をかけ、破断がないこと）が保たれるからである。そのため、使用するアルミニウム合金素線にも少なくとも１１０ＭＰａ以上の引張強度が必要である。なお、被覆樹脂の層は、通常はアルミニウム導電線の引張強度にはほとんど寄与しないことが知られている。

導電性については、自動車の車載電子機器の高度化につれ、高導電性であることが求められている。導電率は５５％ＩＡＣＳ以上が好ましい。

実用上、充分な屈曲性を維持しつつ、より高い柔軟性を必要とする場合には、伸線加工または撚り線加工後に、熱処理を加えることで、これらの効果を得ることが可能となる。その条件としては、熱処理後に再結晶が完了し、線材の伸びと導電率が回復すればよく、２５０℃以上であれば良い。熱処理時間は、特に制限するものではないが、好ましくは３０分〜６時間である。

なお、再結晶熱処理を行い場合に、伸線加工後に低温焼鈍を施すことで、引張強度を維持しつつも屈曲性を高めることが可能となる。その条件としては、温度８０℃〜１２０℃、時間１００〜１２０時間で熱処理するのがよい。

また、本発明のアルミニウム導電線において屈曲耐久性の向上には、表面の健全性（表面にクラック、異物の押し込み、むしれなどの傷がないこと）は重要であり、伸線後のダイス筋などが少ないことが望ましい。さらに、熱処理後に伸線加工時のスキンパス等により表面近傍のみを硬化させることで、柔軟性を維持しつつ屈曲耐久性を維持することができる。

本発明で使用される被覆樹脂は、絶縁性および難燃性の面から、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）およびノンハロゲン樹脂が好ましい。特に、その厚みには制限はないが、工業的に見て厚すぎるのは好ましくない。撚り線の線径にもよるが、その厚みは０．１０ｍｍ〜１．７０ｍｍ程度が好ましい。

以下に、実施例に基づき本発明をさらに詳細に説明する。
（実施例１）
表１は本発明例および比較例に係るＡｌ合金の成分組成（残部はアルミニウムおよび不可避不純物である）を示したものである。表１に示す成分組成のＡｌ合金を常法により溶解し、２５．４ｍｍ角の鋳型に鋳込んで鋳塊を得た。次に４００℃に１時間鋳塊を保持し、溝ロールで熱間圧延を行い線径９．５ｍｍの荒引線に加工した。なお、この荒引き線への加工方法は、断面が角形の鋳塊の熱間圧延法に限定されるものではなく、連続鋳造圧延法や、押出法などの他の加工方法を用いてもよい。

次に、この荒引き線を線径０．９ｍｍまで伸線加工した後、３５０℃で２時間保持の熱処理を加え焼き入れ後、更に伸線加工を続けて図１−１に示す線径０．３２ｍｍのアルミニウム合金素線３を作製した。導電率の測定は、０．９ｍｍの線材を熱処理・焼き入れ後に測定を行った。

撚り線を樹脂被覆した本発明に係るアルミニウム導電線における引張強度、屈曲性、導電性は、用いたアルミニウム合金素線の諸特性に影響されることから、作製した線径０．３２ｍｍのアルミニウム合金素線を３５０℃で２時間保持の熱処理を加え徐冷し、引張強度、屈曲性の評価を行った。

引張強度は、線径０．３２ｍｍのアルミニウム合金素線の引張強度をＪＩＳＺ２２４１に準じてｎ＝３で測定し、その平均値を求めた。

導電性についても引張強度と同様に、線径０．３２ｍｍのアルミニウム合金素線を２０℃（±０．５℃）に保った恒温漕中で、四端子法を用い、その比抵抗を計測して導電率を算出した。なお、端子間距離は１００ｍｍとした。

屈曲性に関しては、図２に示す屈曲試験装置を用いて行った。試料として線径０．３２ｍｍのアルミニウム合金素線３の試料５をマンドレル６で挟み、線のたわみを抑えるため下端部に５０ｇの錘７をつるして荷重をかけている。試料の上端部は接続具８で固定される。

この状態で錘７を左右に振って試料５を左右に３０度ずつ折り曲げ、毎分１００回の速さで繰り返しの曲げを行い、破断するまでの曲げ回数をそれぞれの試料について測定した。なお、曲げ回数は一往復を一回と数え、又マンドレル６の間隔は、試験中にアルミニウム合金素線の試料を圧迫しないように１ｍｍとした。

破断の判定は、試料５の下端部に吊るした錘７が落下したときに、破断したものとした。なおマンドレル６は半径９０ｍｍの円に相当するような、円弧部をもちあわせたマンドレルで、これにより半径９０ｍｍ相当の曲げ応力を加えることが可能となる。

総合評価は、引張強度、屈曲性及び導電性の材料特性、並びに軽量化可能性及びリサイクル性の環境特性について評価した。屈曲耐久性は５００００回以上、引張強度は１１０ＭＰａ以上、導電性は導電率５５．０％ＩＡＣＳ以上、軽量化可能性は従来の銅製より軽くできるもの、リサイクル性は自己転回が容易なもの、これらの全てを満足する場合を「○」、材料特性は満足するが環境特性を満足しないものを「△」、材料特性を一つでも満足しないものを「×」とした。なお、特に６００００回以上の屈曲耐久性かつ導電率５６．５％ＩＡＣＳ以上で環境特性も満足するものについては「◎」と記した。上記、測定結果を表１に合わせて記す。

表１から明らかなように、本発明例では、屈曲性、引張強度、導電性のいずれもが優れ、アルミニウム合金による軽量性およびリサイクル性を充分に利用できるものである。

これに対し、比較例は本願発明の成分範囲およびＭｇとＣｕの比の範囲が外れているため、屈曲性、強度、導電率が劣った。また、軟銅線の従来例では屈曲耐久性などは優れているが、銅合金製であるため重く、リサイクル性に劣った。また純アルミニウム導電線の従来例では、屈曲耐久性が大きく劣っている。

（実施例２）
実施例１で作製した表１の本発明例１及び２の線径０．３２ｍｍのアルミニウム合金素線３を７本撚りし（撚りピッチ２０ｍｍ）、導体断面積０．５ｍｍ^２の撚線２を作成し、１本を中心とし、周りに６本配し、撚り線後にダイスにて減面加工した後さらにノンハロゲン樹脂４を被覆して、図１−３に示すアルミニウム導電線を作製した。その引張強度を実施例１と同様の方法で測定したところ、それぞれ６０Ｎ、７５Ｎの値を得た。この値は、自動車への組み付け時のアルミニウム導電線と端子の接続部の信頼性を満足するものである。

（実施例３）
実施例1で作製した線径０．３２ｍｍの表１の本発明例１アルミニウム合金素線、又は従来例の銅線を、図１−３に従ってそれぞれ７本ずつ撚り合わせ（撚りピッチ２０ｍｍ）、導体面積０．５ｍｍ^２の撚り線を２つ作製した。さらにそれぞれの線に樹脂の被覆を施した上でそれぞれ３０本束ね、ＰＶＣテープで結束した試料を作製し、この試料を用いて柔軟性の評価を行った。

図３は、この柔軟性試験方法の説明図で、２点支持柔軟性試験冶具９の支持間隔１００ｍｍに設定された支持体の直径１９ｍｍのマンドレル１０に、長さ３５０ｍｍとした試料１１をマンドレル上で支持し、両マンドレルの中間部を引張試験機（図示せず）を用いて下方に引張ることで試料（導電線）１１の引抜強さを測定し、柔軟性の評価を行った。１２はＰＶＣテープである。

本発明例１の引抜強さは、被覆樹脂がノンハロゲンの場合に１１．７Ｎであった。被覆樹脂がＰＶＣの場合に本発明の試料は８．１Ｎ、銅線の従来例では１３．６Ｎ、となり、本発明に係るアルミニウム導電線の柔軟性は、銅線のそれ以下であり、格段に柔軟性が向上することがわかる。

本発明に係るアルミニウム導電線の実施様態の一例を示す１９本のアルミニウム合金素線からなる撚り線に樹脂被覆したアルミニウム導電線の断面図である。本発明に係るアルミニウム導電線の実施様態の一例を示す７本のアルミニウム合金素線からなる撚り線に樹脂被覆したアルミニウム導電線の断面図である。本発明に係るアルミニウム導電線の実施様態の一例を示す７本のアルミニウム合金素線からなる圧縮導体撚り線に樹脂被覆したアルミニウム導電線である。アルミニウム合金素線の屈曲性試験の説明図である。導電線の柔軟性試験方法の説明図である。

符号の説明

１アルミニウム導電線
２撚り線
３アルミニウム合金素線
３ａ、３ｂ圧縮導体アルミニウム合金素線
４被覆樹脂
５試料
６マンドレル
７錘
８接続具
９２点支持型柔軟性試験冶具
１０マンドレル
１１試料
１２ＰＶＣテープ

Claims

Ｆｅ０．１〜１．０ｍａｓｓ％、Ｃｕ０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｍｇ０．０５〜０．４ｍａｓｓ％を含有し、ＣｕとＭｇの合計が０．３〜０．８ｍａｓｓ％、残部がアルミニウムおよび不可避不純物から成る線径０．０７〜１．５０ｍｍの自動車配線用アルミニウム合金素線を撚り合わせて形成した撚線からなり、前記自動車配線用アルミニウム合金素線が、引張強度が１１０ＭＰａ以上１４６ＭＰａ以下であり、かつ、５００００回以上の屈曲耐久性を示すことを特徴とする自動車配線用アルミニウム導電線。
Ｆｅ０．１〜１．０ｍａｓｓ％、Ｃｕ０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｍｇ０．０５〜０．４ｍａｓｓ％を含有し、ＣｕとＭｇの合計が０．３〜０．８ｍａｓｓ％、残部がアルミニウムおよび不可避不純物から成る線径０．０７〜１．５０ｍｍの自動車配線用アルミニウム合金素線を撚り合わせて形成した撚線と、該撚線を被覆する樹脂層とからなり、前記自動車配線用アルミニウム合金素線が、引張強度が１１０ＭＰａ以上１４６ＭＰａ以下であり、かつ、５００００回以上の屈曲耐久性を示すことを特徴とする自動車配線用アルミニウム導電線。
前記自動車配線用アルミニウム合金素線が、再結晶組織を有してなることを特徴とする、請求項１または２記載の自動車配線用アルミニウム導電線。
導体と、該導体の外周に設けられる被覆層とを備え、該導体が請求項１から３のいずれか１項記載の自動車配線用アルミニウム導電線であることを特徴とする自動車配線用電線。
Ｆｅ０．１〜１．０ｍａｓｓ％、Ｃｕ０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｍｇ０．０５〜０．４ｍａｓｓ％を含有し、ＣｕとＭｇの合計が０．３〜０．８ｍａｓｓ％、残部がアルミニウムおよび不可避不純物から成る線径０．０７〜１．５０ｍｍの自動車配線用アルミニウム合金素線であって、引張強度が１１０ＭＰａ以上１４６ＭＰａ以下であり、かつ、５００００回以上の屈曲耐久性を示すことを特徴とする自動車配線用アルミニウム合金素線。
再結晶組織を有してなることを特徴とする、請求項５記載の自動車配線用アルミニウム合金素線。