JP5006405B2 - 電子機器用導体線材およびそれを用いた配線用電線 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器用導体線材およびそれを用いた配線用電線に関するものである。

従来、電子機器用途や自動車の配線用電線、ロボット用配線材として、主にＪＩＳ Ｃ ３１０２に規定されるような軟銅線、またはこれに錫メッキ等を施した線を撚り合わせ、この撚線導体に塩化ビニール・架橋ポリエチレン等の絶縁体を同心円状に被覆した電線が使用されてきた。
また、一部の電子機器には被覆無しの状態でコネクタ（メス）側と嵌合（かんごう）するタイプもある。これらには上記に示した軟銅線では、強度が足らず、純銅より導電性を低下させた合金線、例えば、ＪＩＳ−Ｃ２７００Ｗ（黄銅）、Ｃ５１９１Ｗ（リン青銅）やＪＩＳ−Ｃ１９４０Ｗ（鉄入り銅）、Ｃ７０２５Ｗ（コルソン銅）、Ｃ１７２０Ｗ（ベリ銅）などが用いられてきた。
さらに、自動車では搭載される各種の制御回路は近年増加しており、その配線箇所の数は多くなっている。とりわけ自動車配線回路においては、制御用等の信号電流回路の占める割合が高まっている。そのため使用する電線重量が増加するとともに、電線の接合部等における耐久性・永年通電性についての信頼性の要求は一層高まっている。このような状況をうけ、省エネルギーの立場等からは、上記のような信頼性を確保しつつしかも電線重量を軽減化することが要求されるようになってきた。
電子機器の用途でも年々使用される電流の周波数は高くなる関係から、ますます導電性の高い材料が望まれ、更に、同じく軽量化と信頼性の要求から高い接圧に耐える高強度材が所望されている。
一方、嵌合部分で起こる発熱の問題に応じるための高導電性の要求もある。電線及び導体は電気を運ぶ目的と共に、嵌合部分で発生した熱を逃がす役割を担っている。（例えば、非特許文献１参照）つまり、導体部分を通じて、熱を放散させる役目に寄与するため、発火や発熱に伴う劣化を抑制する大きな役割をはたしている。

従来の純銅を用いた電線導体では、通電容量には十分余裕があるにもかかわらず、電線導体自体およびその端子圧着部の機械的強度が弱いため細径化することは困難であった。
一方、合金線の場合は十分な強度が得られたが、逆に、導電性が低いことが問題となった。合金線の製造に関しては、高強度と細線化を試みたものが開示されており（例えば特許文献１参照）、また銅合金線と硬銅線とを複数本撚り合わせることで巻き癖がつきにくいものとし、かつ機械的・電気的特性の改善を試みたものが開示されている（例えば特許文献２参照）。しかし、これらのものは電線同士の接合部やリード線として使用した時の半田接合部が外れやすいなどという欠点がある。さらに、特許文献３、４に記載してある合金線では、所望している強度と導電性を有する材料を得ることはできない。
また、汎用用途して用いるために安価な材料でなければならない。特殊な溶解方法（真空溶解炉）や粉末冶金法などが用いられるとコスト高となる（例えば、特許文献５）。

古河電工時報 第８１号 ｐ１２３ 特開平６−６０７２２号公報 特開平１１−２２４５３８号公報 特開２００１−３１６７４１公報 特開２００７−１５７５０９公報 特開平１０−１４０２６７号公報

本発明者らは、鋭意検討した結果、特定の組成の銅合金により、高強度かつ高導電性の材料を製造し得ることを見出した。このような点に鑑み、本発明はなされたものである。
すなわち本発明は、以下の電子機器用導体線材および配線用電線を提供するものである。

（１）コバルトを０．５〜３．０質量％、ケイ素を０．１〜１．０質量％含有し、残部が銅と不可避不純物とからなり、マトリクス中にＣｏ−Ｓｉ析出物を形成させた銅合金材よりなり、時効処理を３００℃〜６００℃で０．５〜４時間行い、前記時効処理前と時効処理後の冷間加工率の総和が９９％以上であることを特徴とする電子機器用導体線材。
（２）前記銅合金材が、さらに、ニッケルを０．１〜３．０質量％含有し、マトリックス中に更にＮｉ−Ｓｉ析出物を形成させたことを特徴とする（１）記載の電子機器用導体線材。
（３）前記銅合金材が、さらに、鉄、銀、クロム、ジルコニウム、およびチタンからなる群からから選ばれる１種または２種以上の元素を合計で０．０５〜１．０質量％含有することを特徴とする（１）または（２）記載の電子機器用導体線材。
（４）前記銅合金材が、さらに、０．０５〜０．５質量％のマグネシウム、０．１〜２．５質量％の亜鉛、０．１〜２．０質量％のスズ、０．０１〜０．５質量％のマンガン、および０．０１〜０．５質量％のアルミニウムからなる群から選ばれる１種または２種以上を合計で０．０１〜３．０質量％含有することを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の電子機器用導体線材。
（５）（１）〜（４）のいずれか１項に記載の電子機器用導体線材を複数本撚り合わせてなる配線用電線。
（６）時効処理を３００℃〜６００℃で０．５〜４時間行い、前記時効処理前と時効処理後の冷間加工率の総和が９９％以上であることを特徴とする、（１）〜（５）のいずれか１項に記載の電子機器用導体線材の製造方法。
（７）前記時効処理を５００℃〜６００℃で０．５〜４時間行うことを特徴とする、（６）記載の電子機器用導体線材の製造方法。
（８）（１）〜（４）のいずれか１項に記載の電子機器用導体線材を複数本撚り合わせた後に圧縮を行い、さらに時効処理を行うことを特徴とする、配線用電線の製造方法。
（９）前記時効処理の後に絶縁体材料を被覆することを特徴とする、（８）記載の配線用電線の製造方法。

本発明の上記及び他の特徴及び利点は、下記の記載からより明らかになるであろう。

以下に、本発明の電子機器用導体線材について詳細に説明する。
まず、本発明の電子機器用導体線材に用いられる銅（Ｃｕ）合金の各合金元素および合金組成について、その作用効果とあわせて詳しく説明する。

コバルト（Ｃｏ）とケイ素（Ｓｉ）は、その添加量比を制御することによりマトリクス中にＣｏ−Ｓｉ析出物（ＣｏＳｉ、Ｃｏ_２Ｓｉ、ＣｏＳｉ_２）を形成させて析出強化を行うことができ、その添加により銅合金の強度を向上させることができる元素である。コバルトの含有量は０．５〜３．０質量％であり、好ましくは１．０〜２．０質量％である。コバルトの量が少なすぎるとその析出硬化量が小さく強度が不足する。これが多すぎてもその効果は飽和する。
ケイ素は質量％で計算するときはコバルトの添加量の約１〜１／２の時に強化量が大きくなることが知られている。この点に鑑み、本発明の電子機器用導体線材においては、ケイ素の含有量を０．１〜１．０質量％とし、０．３〜０．８質量％とすることが好ましい。

ニッケル（Ｎｉ）はコバルトと同様にケイ素と析出物（Ｎｉ−Ｓｉ，Ｎｉ_２Ｓｉ）を形成する。また、一部はコバルトと置換を行って、三元系化合物（Ｎｉ−Ｃｏ−Ｓｉ系）が生成され、共に銅合金の強度を向上させることができる。ニッケルを含有させる場合を含有させる場合の含有量は、好ましくは０．１〜３．０質量％、さらに好ましくは０．５〜１．５質量％である。ニッケルの量が少なすぎるとその析出硬化量が小さく強度が不足することがある。これが多すぎてもその効果は飽和する。また、過剰な含有量はニッケルが銅母相に固溶して導電性を阻害する。

鉄（Ｆｅ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）はいずれも銅母相に自ら析出し、強化する元素である。それらの元素を含有させる場合の含有量の合計は、好ましくは０．０５〜１．０質量％であり、さらに好ましくは０．１〜０．５質量％である。これらの元素の含有量が少なすぎるとでは十分な強化量を得られないことがあり、逆に含有量が多すぎると加工性（割れ、断線などを発生）を阻害する。

マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）、マンガン（Ｍｎ）、アルミニウム（Ａｌ）はいずれも銅母相に固溶し、固溶強化を発揮する元素である。添加すれば強度は向上するが、逆に含有量が多すぎると、導電性を阻害する。
マグネシウムを含有させる場合の含有量は好ましくは０．０５〜０．５質量％、さらに好ましくは０．１〜０．５質量％である。
亜鉛を含有させる場合の含有量は好ましくは０．１〜２．５質量％、さらに好ましくは０．３〜１．０質量％である。
スズを含有させる場合の含有量は好ましくは０．１〜２．０質量％、さらに好ましくは０．２〜１．０質量％である。
マンガンを含有させる場合の含有量は好ましくは０．０１〜０．５質量％、さらに好ましくは０．０５〜０．２質量％である。
アルミニウムを含有させる場合の含有量は好ましくは０．０１〜０．５質量％、さらに好ましくは０．０５〜０．２質量％である。
これらのマグネシウム、亜鉛、スズ、マンガンおよびアルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有させる場合、該少なくとも１種の元素の含有量の合計は、好ましくは０．０１〜３．０質量％、さらに好ましくは０．０５〜１．０質量％である。

本発明の電気・電子機器用の配線電線導体に用いられる銅合金線材は通常の方法にしたがって製造することができる。例えば、以下のような方法で製造することができる。すなわち、所望の金属の配合した原料を溶解して鋳造した鋳塊を作製する。次いで、その鋳塊中には溶解鋳造時の生じる粗大な晶出物、析出物（いずれも≧１μｍ）が存在するため、これらを再固溶させるため、８００〜１０００℃で０．１〜２時間保持する均質化処理と称した熱処理を行う。その熱処理後、熱間押出または圧延を行い、直ちに急冷する。このようにすることで結晶粒を微細化でき、かつ、粗大な析出物の形成を抑制した熱間加工材を提供することができる。熱間押出の後は、ただちに水中焼入れを行うことが好ましい。また、鋳造した鋳塊をそのまま連続的に熱間加工する方法（ＳＣＲ法など）の提供も本発明では適用可能である。
こうして例えば丸棒を製造し、これを所定の直径に伸線して導体線材とすることができる。このようにして得られた導体線材は、径方向にかかる歪がほぼ均一になっているため、例えば端子を圧着した際に圧着強度が安定する利点がある。ただし、本発明の導体線材は、上記のような丸棒・伸線加工に限られず、目的の用途に応じて必要な大きさ・形状となるように成型加工すればよい。

高強度かつ高導電性の材料を得るためには、一般的には析出強化と加工強化を用いた強化機構を活用する。
本発明に用いられる合金は析出熱処理（いわゆる時効熱処理）の前後の冷間加工率の総和を好ましくは９９％以上、より好ましくは９９．３〜９９．９％、さらに好ましくは９９．５〜９９．９％とすることで高強度高導電性の電気機器用導体線材を得ることができる。冷間加工とは材料を加熱無しで加工する方法で、上記に示した熱間加工（押出）は該当しない。本発明では、時効熱処理条件として３００〜６００℃で０．５〜４時間が好ましい。更に、好ましくは時効熱処理前の冷間加工率が≦５０％行った場合には５００〜６００℃で、≦９０％行った場合は４００〜５００℃で、＞９０％の場合は３００〜４５０℃が望ましい。しかし、いずれの場合も時効熱処理前と後の冷間加工率の和（≒熱間加工から製品までの加工率）が≧９９％となるように加工率を調整することによって、強度と導電率のバランスが良い材料とすることができる。
また、時効熱処理を数回に分けて行うと更に、導電性の特性が向上する。例えば、熱間圧延後の材料に５５０℃×２時間の熱処理を行い、次いで、冷間加工を９０％行って、４００℃×１時間の熱処理を行い、再び、冷間加工を９０％行って、トータルの加工率（熱間加工から製品までの加工率）が９９％の材料は、時効熱処理が１回の材料より更に高導電性の材料とすることができる。
なお、ここで、加工率は加工前の材料の断面積と加工後の断面積の差を加工前の断面積で割った百分率である。

次に、本発明の配線用電線について説明する。
本発明で撚線の場合は、その複数本を常法によって撚り合わせて（好ましくは３〜２０本撚り合わせて）、本発明の配線用電線にすることができる。本発明の配線用電線の形態・大きさは特に限定されず、目的とする用途に応じて所望の形態・大きさに加工すればよく、さらに絶縁体材料などを被覆してもよい。また本発明の配線用電線は、さらに圧縮した後、例えば、３００〜５５０℃で１〜５時間時効焼鈍を行うことができる。

このように、本発明に用いられる電気・電子機器用導体は、Ｃｕ−Ｃｏ−Ｓｉ合金に、必要により所定量の種々の元素を添加することにより、高強度かつ高導電性を発揮し、電子・電気機器用途の線材、および、それを用いた配線用電線のみならず、オス端子、ピン、自動車用ワイヤーハーネスなどに好適に利用することができる。

本発明の電子機器用導体線材は、引張強度（ＴＳ）が６００ＭＰａ以上で、導電率が４０％ＩＡＣＳ以上の高強度高導電線材とすることができ、特殊な溶解方法や線引方法などを必要せずに安価に製造可能である。
また、本発明の電子機器用導体線材は、強度、および導電性に優れ、高強度化、高導電化が求められる電気・電子機器用途および配線用電線に好適に用いることができる。

また本発明によれば、衝撃荷重が作用するなどにより材料の伸びを必要とする用途の場合は、所望のサイズへの冷間加工後に時効熱処理を実施することで、伸びが５％以上で、引張強度（ＴＳ）が４００ＭＰａ以上、導電率が４０％ＩＡＣＳ以上の導体線材が得られる。特に、自動車、ロボット等の配線用途で、本発明の導体線材を複数本撚り合わせた後に圧縮を行い、さらに時効熱処理を実施することで、伸び値の高い配線用電線を得ることができる。ここで、導体線材に加工する際の時効熱処理と、該時効熱処理前後での冷間加工時の加工率の総和や、さらに導体線材を複数本撚り合わせた後に行う時効熱処理については、それぞれ上記好ましい条件で施すことが好ましい。

以下に、本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

［実施例１］
下記表１〜２中に示す合金組成となるよう、各金属材料を高周波溶解炉ならびに大気溶解炉にて溶解し、ビレットを鋳造した。次に前記ビレットを９００℃で×１時間の均質化処理後に、熱間押出して、直ちに水中焼入れを行い、丸棒（直径２０ｍｍ）を得た。次いで、前記丸棒を冷間にて伸線し、種々の線径の材料を得た。その種々の線径を有する線材を様々な熱処理条件で熱処理した後、冷間伸線した。また、必要に応じて、時効熱処理と冷間伸線とを繰り返す工程を経て作製したサンプルを準備した。
なお本発明において規定の範囲の合金組成を有するものは本発明例として、その範囲外のものについては比較例に示されている。

このようにして得られた各々の電線試料について、［１］引張強度、［２］導電率を下記方法により測定した。各項目の測定方法は以下のとおりである。
［１］引張強度（ＴＳ）
ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準じて、各電線試料の３本について引張強度を測定し、その平均値（ＭＰａ）を表３〜４に示した。
［２］導電率（ＥＣ）
四端子法を用いて、２０℃（±１℃）に管理された恒温槽中で、各電線試料の２本について導電率を測定し、その平均値（％ＩＡＣＳ）を表３〜４に示した。このとき端子間距離は１００ｍｍとした。

表１に示す材料Ｎｏ．１〜３０が本発明の合金の成分を有する本発明例であり、表２に示す材料１０１〜１１８が比較例である。

表２中、材料Ｎｏ．１０１、１０２および１１３〜１１６は、前記（１）項に係る発明（本発明例材料Ｎｏ．１〜５）の比較例であり、材料Ｎｏ．１０３は、前記（２）項に係る発明（本発明例材料Ｎｏ．６〜８）の比較例であり、材料Ｎｏ．１０４〜１０７は、前記（３）項に係る発明（本発明例材料Ｎｏ．９〜１３、２３）の比較例であり、材料Ｎｏ．１０８〜１１２、１１７および１１８は、前記（４）項に係る発明（本発明例材料Ｎｏ．１４〜１８、２０〜２２および２４〜３０）の比較例である。
表１〜２中、数値の単位は質量％であり、残部は銅と不可避不純物である。

表３〜４には時効熱処理と冷間加工率の組み合わせを変えて試作したときの材料特性（引張強度、導電率）を示す。表３〜４において、引張強度（ＴＳ）の単位はＭＰａ、導電率（ＥＣ）の単位は％ＩＡＣＳである。なお、表３は本発明例、表４は比較例を示す。
工程（１）：冷間加工（加工率＝９０％）−時効熱処理（４４０℃、２時間）−冷間加工（加工率＝９０％）［トータルの加工率９９％］
工程（２）：時効熱処理（５５０℃、２時間）−冷間加工（加工率＝９９％）
工程（３）：冷間加工（加工率＝７５％）−時効熱処理（４９０℃、２時間）−冷間加工（加工率＝７５％）−時効熱処理（５００℃、２時間）−冷間加工（加工率＝９０％）［トータルの加工率９９．３７５％］

表３に示すように、本発明例のＮｏ．１〜３０は、工程（１）〜工程（３）のうち少なくとも１つの工程により製造されている線材について、引張強度６００ＭＰａ以上で、導電率が４０％ＩＡＣＳ以上の優れた特性を有することがわかる。特に、工程（３）で処理された線材は、工程（１）、工程（２）で処理された線材に比較して更に高導電性であることが示されている。
これに対し、表４に示すように、比較例のＮｏ．１０１〜１１８は、工程（１）〜工程（３）のいずれの工程により製造されている線材についても、引張強度が６００ＭＰａ未満であるか、導電率が４０％ＩＡＣＳ未満であるか、途中断線するかのいずれかのものであった。

次に、冷間加工率を本発明の好ましい範囲外とした例および時効熱処理を実施しなかった例を表５に示す。表５において、引張強度（ＴＳ）の単位はＭＰａ、導電率（ＥＣ）の単位は％ＩＡＣＳである。
工程(４)：冷間加工（加工率＝５０％）−時効熱処理（５００℃、２時間）−冷間加工（加工率＝５０％）［トータルの加工率７５％］
工程(５)：冷間加工（加工率＝９９％）［トータルの加工率９９％］熱処理無し。

表５に示すように、工程（４）は工程（１）〜（３）と比較して金属材料の強度が若干劣る傾向があり、工程（５）は工程（１）〜（３）と比較して金属材料の導電率が若干劣る傾向があることがわかる。すなわち、表５に示される例は、本発明の実施例の内、満足することが好ましい要求物性について必要最小限の物性を満たした例を示す。なお、工程（４）または（５）において、引張強度が６００ＭＰａ以上かつ導電率が４０％ＩＡＣＳ以上である例（好ましい例）は存在するが、工程（１）〜（３）のように、材料Ｎｏ．１〜３０のすべてにおいて引張強度が６００ＭＰａ以上かつ導電率が４０％ＩＡＣＳ以上となるわけではない。

なお、本発明の各実施例において得られた線材は、例えば公知の撚線機を用いて複数本撚り合わせることにより、配線用の撚線とすることができる。表３および表５に示される本発明例１〜３０の電線を７本常法によって撚り合わせて配線用撚線を形成したが、いずれも断線などの不具合は発生しなかった。

［実施例２］
表１の本発明例の材料（Ｎｏ．１、１４、１６、２８、３０）および表２の比較例の材料（Ｎｏ．１０１、１１８）について、それぞれ丸棒（直径２０ｍｍ）を前記実施例１中の工程（１）に従って冷間伸線（冷間加工）と時効熱処理に付し、直径０．１７ｍｍの銅合金線材（導体線材）を得た。前記線材を７本常法により撚り合わせ、さらに圧縮して断面積０．１３ｍｍ^２の撚線とした。前記撚線を４５０℃で２時間時効熱処理を行い、さらに絶縁体（ポリエチレン）で被覆し配線用電線（試作材）を製造した。
得られた電線について、前記の方法により、引張強度（ＴＳ 単位：ＭＰａ）、導電率（ＥＣ 単位：％ＩＡＣＳ）を測定した。引張強度測定時には、同時に伸び（ＥＬ 単位：％）も測定した。表６に試作材の特性の測定結果を示す。

表６に示されるように、各材料により製造された試作材は、いずれも伸びが５％以上となっていることから、衝撃荷重が作用することなどにより材料の伸びを必要とする用途にも適用できることがわかる。しかしながら、本発明の合金組成の範囲外またはその好ましい範囲外である比較例の材料Ｎｏ．１０１、１１８により製造された試作材は、引張強度（ＴＳ）が４００ＭＰａ未満と低いか、または導電率（ＥＣ）が４０％ＩＡＣＳ未満と低く、配線用電線として用いるにはあまり好ましくないことがわかった。

本発明の電子機器用導体線材は、電子機器用用途に用いられる線材全般に好適に用いることができるが、特に、自動車およびロボットの配線等に好適に用いることができ、さらに、接続のために端子を圧着して使用する電子機器用導体線材としても好適に用いられるものである。
本発明の電子機器用導体線材を用いた配線用電線は、配線用電線として好適に用いられるものである。

本発明をその実施態様とともに説明したが、我々は特に指定しない限り我々の発明を説明のどの細部においても限定しようとするものではなく、添付の請求の範囲に示した発明の精神と範囲に反することなく幅広く解釈されるべきであると考える。

本願は、2007年11月1日に日本国で特許出願された特願2007-285585に基づく優先権を主張するものであり、これはここに参照してその内容を本明細書の記載の一部として取り込む。

Claims (9)

1. コバルトを０．５〜３．０質量％、ケイ素を０．１〜１．０質量％含有し、残部が銅と不可避不純物とからなり、マトリクス中にＣｏ−Ｓｉ析出物を形成させた銅合金材よりなり、時効処理を３００℃〜６００℃で０．５〜４時間行い、前記時効処理前と時効処理後の冷間加工率の総和が９９％以上であることを特徴とする電子機器用導体線材。
2. 前記銅合金材が、さらに、ニッケルを０．１〜３．０質量％含有し、マトリックス中に更にＮｉ−Ｓｉ析出物を形成させたことを特徴とする請求項１記載の電子機器用導体線材。
3. 前記銅合金材が、さらに、鉄、銀、クロム、ジルコニウム、およびチタンからなる群からから選ばれる１種または２種以上の元素を合計で０．０５〜１．０質量％含有することを特徴とする請求項１または２記載の電子機器用導体線材。
4. 前記銅合金材が、さらに、０．０５〜０．５質量％のマグネシウム、０．１〜２．５質量％の亜鉛、０．１〜２．０質量％のスズ、０．０１〜０．５質量％のマンガン、および０．０１〜０．５質量％のアルミニウムからなる群から選ばれる１種または２種以上を合計で０．０１〜３．０質量％含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子機器用導体線材。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子機器用導体線材を複数本撚り合わせてなる配線用電線。
6. 時効処理を３００℃〜６００℃で０．５〜４時間行い、前記時効処理前と時効処理後の冷間加工率の総和が９９％以上であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電子機器用導体線材の製造方法。
7. 前記時効処理を５００℃〜６００℃で０．５〜４時間行うことを特徴とする、請求項６記載の電子機器用導体線材の製造方法。
8. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子機器用導体線材を複数本撚り合わせた後に圧縮を行い、さらに時効処理を行うことを特徴とする、配線用電線の製造方法。
9. 前記時効処理の後に絶縁体材料を被覆することを特徴とする、請求項８記載の配線用電線の製造方法。