JP4973437B2

JP4973437B2 - 銅合金線、銅合金撚線、同軸ケーブル、多芯ケーブルおよび銅合金線の製造方法

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Publication number: JP4973437B2
Application number: JP2007268714A
Authority: JP
Inventors: 智也久慈; 幸治熊谷; 洋光黒田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2027-10-16
Also published as: JP2009097033A

Description

本発明は、高強度、高導電性を有し、生産性に優れた極細の銅合金線及びその製造方法に関するものである。

近年、電子機器、ＩＣテスタ、医療機器等の小型化に伴い、それらに適用されているケーブルの細径化が進んでいる。

また、一般的に、これらの医療機器に用いられるケーブルにあっては、可撓性や耐屈曲性を得るため、外径は従来と同等で線芯数を多くしたものが求められている。そのためには、ケーブルの導体（素線）、特に素線の細径化（φ０．０２５ｍｍ以下）が不可欠となる。

従来、このような要求を満足するケーブルの導体としては、強度と導電性に優れた硬銅（Ｃｕ）線、例えば、引張強さ約８００ＭＰa、導電率８０％ＩＡＣＳ（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＡｎｎｅａｌｅｄＣｏｐｐｅｒＳｔａｎｄｅｒｄ）以上であるＣｕ−０．３ｗｔ％Ｓｎ合金からなる硬銅線が用いられている。

最近では、引張強さ１０００ＭＰａを超えるＣｕ−Ａｇ合金等からなる、いわゆる繊維強化型合金線が開発され、実用化が進んでいる。

このＣｕ−Ａｇの例を以下に示す。

溶製したＣｕ−２４ｗｔ％Ａｇを冷間加工（加工度１０％）し、４５０℃で２時間の熱処理を施した後、引き続き冷間加工（加工度３５％）し、４５０℃で１時間の熱処理、さらに、冷間加工（加工度６０％）、４００℃１時間の熱処理を施しし、最後に冷間加工（加工度９６％）を行っている。この結果、引張強さ１０５０ＭＰａ、７５％ＩＡＣＳを得ている（特許文献１参照）。

また、溶製したＣｕ−２ｗｔ％Ａｇを冷間加工（加工度９８．７％）し、８００℃で２０秒間の再結晶熱処理をした後、引き続き冷間加工（加工度９９．９％）を行った。この結果、引張強さ９００ＭＰａ、導電率８４％ＩＡＣＳを得たものがある（特許文献２参照）。

特許第２７１４５５５号公報特開２００５−３３６５１０号公報

しかしながら、特許文献１記載のＣｕ−Ａｇ合金は、高強度・高導電率を有するが、特性を引き出すために、多段時効を必要としている。このため、生産効率が悪化し、コストが高くなるという問題点がある。

また、特許文献２のＣｕ−Ａｇ合金は、生産性には優れるが、強度が９００ＭＰａ程度であり、線径０．０１０ｍｍまで伸線するためには、不十分である。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、線径０．０１０〜０．０２５ｍｍの極細線で、高強度特性と高導電性を両立し、かつ生産性に優れた銅合金線、銅合金撚線及びそれらの製造方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は０．０２５ｍｍ以下の線径を有する素線からなる銅合金線において、銅母材に、Ａｇを１〜３ｗｔ％、Ｎｂ又はＴａを０．１〜３ｗｔ％含有し、かつ、前記素線の銅母相中にＡｇとＮｂ又はＡｇとＴａからなる金属繊維を有するものであって、前記金属繊維の直径が８０ｎｍ未満、前記素線の引張強さが１０００ＭＰａ以上、導電率が８５％ＩＡＣＳ以上である銅合金線である。

請求項２の発明は、素線の表面にＳｎ、Ａｇ又はＮｉのめっき層を備えた請求項１に記載の銅合金線である。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の銅合金線を複数本撚り合わせた銅合金撚線である。

請求項４の発明は、請求項３記載の銅合金撚線を中心導体とし、その中心導体の外周に絶縁体被覆を形成し、その絶縁体被覆の外周に銅又は銅合金からなる外部導体を配置し、その外部導体の外周にジャケット層を設けた同軸ケーブルである。

請求項５の発明は、請求項４記載の同軸ケーブルをシールド層内に複数本配置し、そのシールド層の外周にシースを設けた多芯ケーブルである。

請求項６の発明は、０．０２５ｍｍ以下の線径を有する素線からなる銅合金線の製造方法において、銅母材にＡｇを１〜３ｗｔ％、Ｎｂ又はＴａを０．１〜３ｗｔ％の割合で添加した銅合金溶湯を形成し、その銅合金溶湯を鋳造して鋳造材を形成し、その鋳造材を冷間伸線加工した後、６００〜９００℃で５〜１２０秒の熱処理を施し、さらに９９％以上の加工度で最終線径まで冷間伸線加工して素線の銅母相中にＡｇとＮｂ又はＡｇとＴａからなる直径が８０ｎｍ未満の金属繊維を形成する銅合金線の製造方法である。

請求項７の発明は、前記熱処理の後、さらに素線の表面にＳｎ、Ａｇ又はＮｉのめっき層を形成する請求項６記載の銅合金線の製造方法である。

本発明によれば、線径０．０１０〜０．０２５ｍｍの極細線で、高強度特性と高導電性を両立し、かつ生産性に優れた銅合金線を提供することができる。

金属繊維強化型合金は、繊維の直径が細く緻密になるほど強度が向上することが知られている。この作用を利用した銅合金がＣｕ−Ａｇ合金である。

Ｃｕ−Ａｇ合金は、緻密な金属繊維を形成するために都合がよい。鋳造時にすでにＣｕとＡｇの網目状の複合組織が形成され、これを伸線することで金属繊維状の組織を形成されること、さらに、時効処理をすることで、結晶粒界からノジュール状のＣｕ及びＡｇが析出され、それを伸線することでより微細な金属繊維を形成した素線を得られることが理由である。

本発明者らはＣｕ−Ａｇ合金の鋳造組織に着目し、Ｃｕ及びＡｇの複合組織上にＮｂを晶出させ、Ｃｕ及びＡｇのより微細な複合組織を形成させ、伸線後により緻密な繊維を形成させることを狙って本発明を完成した。

図１は、本発明の好適な実施形態に係る銅合金線の横断面図である。

本実施形態に係る銅合金線（極細銅合金線）１は、０．０２５ｍｍ以下の線径を有する素線からなり、銅母材に、Ａｇを１〜３ｗｔ％、好ましくは１〜２ｗｔ％およびＮｂを０．１〜３ｗｔ％、好ましくは０．５〜２ｗｔ％含有し、かつ、素線の銅母相中にＡｇおよびＮｂからなる金属繊維を有していることを特徴とする。

銅合金線１の添加元素としてＮｂを選定したのは、Ｃｕ及びＡｇの複合組織（共晶相）を形成すること、かつ、Ｃｕ及びＡｇにほとんど固溶せず、導電率低下を引き起こさないためである。

Ａｇの含有量を１〜３ｗｔ％としたのは、１ｗｔ％未満では強度の向上が望めず、３ｗｔ％を超えると強度は向上するものの導電率が低下してしまうためである。

Ｎｂを０．１〜３ｗｔ％としたのは、０．１ｗｔ％未満では、強度の向上が望めず、３ｗｔ％を超えると、Ｎｂを溶解できず、銅合金溶湯中に溶け残ってしまうためである。さらに、好ましくはＡｇの含有量を１〜２ｗｔ％及びＮｂの含有量を０．５〜２ｗｔ％の範囲とすることにより、強度特性と導電率特性が最も両立した性能が得られる。

さらに、銅合金線１は、金属繊維の直径が８０ｎｍ未満、素線の引張強さが１０００ＭＰａ以上、導電率が８５％ＩＡＣＳ以上である。

金属繊維の直径を８０ｎｍ未満としたのは、素線の引張強さが１０００ＭＰａ以上の強度を得るためである。

素線の引張強さを１０００ＭＰａ以上としたのは、屈曲性、可撓性などの諸特性を満足することができず、これ以下の引張強さでは、線径０．０１０ｍｍまで伸線することができないためである。

導電率８５％ＩＡＣＳ以上としたのは、これ以下にすると電気抵抗が増加し、医療機器用ケーブルとして不適切となるためである。

次に、銅合金線１の製造方法について説明する。

まず不純物濃度の総和が１０ｐｐｍ以下である銅母材にＡｇを１〜３ｗｔ％及びＮｂを０．１〜３ｗｔ％の割合で含有させた銅合金溶湯を形成し、この銅合金溶湯を連続鋳造、第一冷間伸線加工した後、６００〜９００℃で、５〜１２０秒熱処理を施し、さらに最終線径まで冷間伸線加工することで、銅母相中にＡｇおよびＮｂからなる金属繊維を有する０．０１０〜０．０２５ｍｍの銅合金線１を製造することができる。

以上の処理により得られた銅合金線１は線径０．０１０〜０．０２５ｍｍの金属繊維強化合金であり、添加元素として、Ａｇ１〜３ｗｔ％の割合で含有させ、かつ、銅母相中に、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｂからなる金属繊維を有し、引張強さが１０００ＭＰａ以上、導電率８５％ＩＡＣＳ以上とすることができる。

第一冷間伸線加工の加工度は９０〜９９％が望ましい。これ未満ではＣｕ、Ａｇ、Ｎｂが十分に延伸できず、目的の線径において、十分な特性が得られず、また、これ以上では、第二冷間伸線加工において、十分な加工度を得られないためである。

すなわち、第一冷間伸線加工の加工度を９０％以上とすることで、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｂを十分に延伸でき、目的の線径において十分な特性を得ることができる。また加工度９９％未満とすることで第二冷間伸線加工において十分な加工度が得ることができる。

第二冷間伸線加工の加工度は９９％以上とする。これ未満では、十分な引張強さ、金属繊維径を得られないためである。

すなわち、第二冷間伸線加工の加工度を９９％以上とすることで、十分な素線の引張強さと、十分な金属繊維径の細さを得ることができる。

熱処理を６００〜９００℃で、５〜１２０秒としたのは、６００℃未満かつ５秒未満の熱処理ではＣｕ中のＡｇを十分析出できず、導電率が不適となり、９００℃を超えかつ１２０秒を超える熱処理では、Ｃｕ中にＡｇが再固溶、または金属繊維が粗大化し、引張強さ、導電率が不適となるためである。

また、本実施形態に係る銅合金線は、電子機器用、医療機器用のみではなく、エナメル線など強度と導電性が必要とされる分野すべてに適用が可能である。

図２に示す銅合金撚線（極細銅合金撚線）２１のように、図１に示した銅合金線１を７本撚り合わせて形成してもよい。

図３に示すめっき被銅合金線（めっき被極細銅合金線）３１のように、図１に示した銅合金線１の外周に、めっき層２を形成してもよい。めっき層２は、主に銅合金線の耐食性向上と半田接続性の向上の点から、Ｓｎ、Ａｇ、またはＮｉからなる。図３では最終線径の銅合金線１の外周に、めっき層２を形成したが、途中の線径において、Ｓｎ、Ａｇ、またはＮｉめっきを施して、最終線的に線径が０．０１０〜０．０２５ｍｍの極細線となるように作製してもよい。

図４に示すめっき被銅合金撚線（めっき被極細銅合金撚線）４１のように、めっき被銅合金線３１を７本撚り合わせて形成してもよい。

図５に示す同軸ケーブル５１のように、図２に示す銅合金撚線２１を中心導体３とし、中心導体３の外周に絶縁体被覆４を形成し、絶縁体被覆４の外周に銅または銅合金からなる外部導体５を配置し、その外周にジャケット層６を設けてもよい。なお図５では中心導体３を銅合金撚線２１としたが、中心導体３をめっき被銅合金撚線４１としてもよい。

図６に示す多芯ケーブル６１ように、図５に示す同軸ケーブル５１を複数本シールド層内に配置し、シールド層７の外周にシース８を設けてもよい。

このように線径０．０１０〜０．０２５ｍｍの銅合金線１は、高強度特性と高導電性を両立している。銅合金線１を使用して、銅合金撚線２１、めっき被銅合金線３１、めっき被銅合金撚線４１、同軸ケーブル５１、多芯ケーブル６１などを製造すれば、小型化、細径化、軽量化、高耐屈曲性、高伝送化が要求される電子機器および医療機器用ケーブルに好適に用いることができる。なお、銅合金撚線２１は７本の銅合金線１、めっき被銅合金撚線４１は７本のめっき被銅合金線３１から成るが、これに限らず複数本としたものでもよい。

また、本発明の添加元素であるＮｂの他に、同族元素であるＴａでも同様の効果が期待できる。

（実施例１〜６）
無酸素銅に表１に示す量のＡｇ、Ｎｂを各々添加したものを、真空チャンバ内に固定してある黒鉛坩堝において加熱溶解した後、黒鉛鋳型を用いて連続鋳造してφ８．０ｍｍの鋳造材を作製した。その後、伸線加工し、８００℃、２０秒で走行熱処理を施し、次いで０．０１０ｍｍまで伸線し、極細銅合金線１を得た。
（比較例１〜３）
本発明の規定範囲外のＮｂ濃度において極細銅合金線を作製した。その他の条件は実施例１〜６と同様である。
（従来例１）
無酸素銅に２ｗｔ％のＡｇを添加し、極細銅合金線を作製した。その他の条件は実施例１〜６と同様である。

作製した極細銅合金線において、引張強さ（ＭＰａ）、導電率（％ＩＡＣＳ）、金属繊維径を測定した。この結果を表１に示す。ただし、引張強さは１０００ＭＰａ以上を○、１１００ＭＰａ以上を◎、１０００ＭＰａ未満を×とした。導電率は８５％ＩＡＣＳ以上を○、それ未満を×とした。金属繊維径は８０ｎｍ未満を○、それ以上のものを×とした。

表１に示すように、実施例１〜６の極細銅合金線１は、各サイズにおいて引張強さ１０００ＭＰａ以上、導電率８５％ＩＡＣＳ以上の高強度、高導電性を有し、比較例１〜３、従来例１の特性と比較しても優位性は明らかであり、Ｎｂを０．１〜０．３ｗｔ％含有させることが有効である。
（実施例７〜１１）
無酸素銅に、２ｗｔ％Ａｇ、３ｗｔ％Ｎｂを添加し、これを真空チャンバ内に固定してある黒鉛坩堝において加熱溶解した後、黒鉛鋳型を用いて連続鋳造してφ８．０ｍｍの鋳造材を作製した。

その後、伸線加工し、表２に示すような熱処理温度と熱処理時間で走行熱処理を施し、次いで０．０１０ｍｍまで伸線し、極細銅合金線１を得た。
（比較例４〜９）
実施例７〜１１と同様な鋳造材を作製し、伸線加工後、表２に示すように実施例の範囲外の熱処理温度と熱処理時間で走行熱処理を施し、次いで０．０１０ｍｍまで伸線し、極細銅合金線を得た。
表１と同様にして、評価した結果を表２に示す。

表２に示すように、実施例７〜１１の極細銅合金線１は、各サイズにおいて引張強さ１０００ＭＰａ以上、導電率８５％ＩＡＣＳ以上の高強度、高導電性を有し、比較例４〜９の特性と比較しても優位性は明らかであり、６００〜９００℃の熱処理温度と５〜１２０秒の熱処理時間が有効である。
（実施例１２〜１７、実施例１８〜２２）
（比較例１０〜１２、比較例１３〜１８）
また、上述した各実施例、各比較例において、添加元素をＮｂから表３に示すＴａに変更した以外、同様の製造条件で実施例１〜６に対応した実施例１２〜１７の各極細銅合金線１、実施例７〜１１に対応した実施例１８〜２２の各極細銅合金線１、比較例１〜３に対応した比較例１０〜１２の各極細銅合金線、比較例４〜９に対応した比較例１３〜１８の各極細銅合金線を、それぞれ作製した。

表３、表４に示すように、実施例１２〜２２は、銅母材にＡｇと共にＴａを含有させることで、比較例１０〜１８の特性と比較して優れており、実施例１〜１１と同様の効果が得られることがわかる。

本発明の好適な実施形態を示す極細銅合金線の横断面図である。図１の銅合金線を用いた極細銅合金撚線の横断面図である。図１の銅合金線を用いためっき被極細銅合金線の横断面図である。図１の銅合金線を用いためっき被極細銅合金撚線の横断面図である。図１の銅合金線を用いた同軸ケーブルの横断面図である。図１の銅合金線を用いた多芯ケーブルの横断面図である。

符号の説明

１銅合金線

Claims

０．０２５ｍｍ以下の線径を有する素線からなる銅合金線において、銅母材に、Ａｇを１〜３ｗｔ％、Ｎｂ又はＴａを０．１〜３ｗｔ％含有し、かつ、前記素線の銅母相中にＡｇとＮｂ又はＡｇとＴａからなる金属繊維を有するものであって、前記金属繊維の直径が８０ｎｍ未満、前記素線の引張強さが１０００ＭＰａ以上、導電率が８５％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする銅合金線。
前記素線の表面にＳｎ、Ａｇ又はＮｉのめっき層を備えた請求項１に記載の銅合金線。
請求項１又は２に記載の銅合金線を複数本撚り合わせたことを特徴とする銅合金撚線。
請求項３記載の銅合金撚線を中心導体とし、その中心導体の外周に絶縁体被覆を形成し、その絶縁体被覆の外周に銅又は銅合金からなる外部導体を配置し、その外部導体の外周にジャケット層を設けたことを特徴とする同軸ケーブル。
請求項４記載の同軸ケーブルをシールド層内に複数本配置し、そのシールド層の外周にシースを設けたことを特徴とする多芯ケーブル。
０．０２５ｍｍ以下の線径を有する素線からなる銅合金線の製造方法において、銅母材にＡｇを１〜３ｗｔ％、Ｎｂ又はＴａを０．１〜３ｗｔ％の割合で添加した銅合金溶湯を形成し、その銅合金溶湯を鋳造して鋳造材を形成し、その鋳造材を冷間伸線加工した後、６００〜９００℃で５〜１２０秒の熱処理を施し、さらに９９％以上の加工度で最終線径まで冷間伸線加工して素線の銅母相中にＡｇとＮｂ又はＡｇとＴａからなる直径が８０ｎｍ未満の金属繊維を形成することを特徴とする銅合金線の製造方法。
前記熱処理の後、さらに素線の表面にＳｎ、Ａｇ又はＮｉのめっき層を形成する請求６に記載の銅合金線の製造方法。