JP5074773B2 - 銅合金およびその製造方法ならびに銅合金を用いた電線・ケーブル - Google Patents

Description

本発明は、銅合金およびその製造方法ならびに銅合金を用いた電線・ケーブルに関するものである。特に、導電性と伸びに優れた銅合金に関するものである。

配電線やトロリ線、産業機器の制御用または電力供給用電線などの導体には、従来より銅や銅合金が用いられている。そのうち、純銅よりも機械的特性や耐熱性に優れる銅合金として析出強化型の銅合金があり、この析出強化型銅合金を導体とした電線が特許文献１に開示されている。

この銅合金は、銅にZrとCrを添加し、一旦素地に固溶された添加元素を時効熱処理により析出させることで、素地中の溶質濃度を低下させ、所定の強度や導電率を確保している。

特開平5-47232号公報

しかし、従来の銅合金では、多種類の添加元素を用意しなければならない。そのため、より簡易な組成で導電性と機械的特性に優れた銅合金の開発が望まれていた。特に、電線やケーブルの導体に利用する銅合金の場合、導電率はもちろん、伸びも備えた合金であることが要求される。さらには、導電率、伸びおよび引張強さをバランスよく備えた銅合金の開発が望まれていた。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、組成が単純な二元系の合金でありながら、伸びや導電率に優れる銅合金およびその製造方法を提供することにある。

本発明者らは二元系の銅合金で、銅に添加する元素を種々検討したところ、Hfが好適であるとの知見を得て本発明を完成するに至った。

本発明銅合金は、Hfを0超1.1質量％以下含有し、残部が銅及び不純物からなり、伸びが5％以上であることを特徴とする。

二元系の銅合金において、所定量のHfを添加することで、導電性と伸びを兼備する銅合金を得ることができる。特に、本発明合金は、導電性、伸び、引張強さの３つの特性をバランスよく備えた銅合金とすることができる。

上記本発明合金の一形態としては、Hfの含有量は、0.3〜1.1質量％とすることが好ましい。

Hfの含有量を0.3〜1.1質量％に限定することで、導電性と伸びに加えて、引張強さにも優れる銅合金を得ることができる。

上記本発明合金の一形態としては、この合金中にはHf含有析出物が分散され、この析出物のうち粒径が10〜1000nmの析出物の平均密度が0.1個／μm²以上であることが好ましい。

このような粒径の析出物が上記の密度で合金中に分散されていることで、導電性と伸びを兼備する銅合金を得ることができる。

また、本発明の電線・ケーブルは、上述した本発明銅合金を導体に用いたことを特徴とする。

本発明銅合金は、導電率と伸びに優れるため、電線・ケーブルの導体として好適に利用することができる。

一方、本発明銅合金の製造方法は、Hfを0超1.1質量％以下含有し、残部が銅及び不純物からなる合金素材を準備する工程と、この合金素材に対して300〜500℃の時効処理を施す工程とを備えることを特徴とする。

本発明の製造方法によれば、所定量のHfを添加した銅合金に所定の時効処理を施すことで、導電性と伸びを兼備する銅合金を得ることができる。

上記の本発明銅合金の製造方法の一形態としては、前記時効処理の前に、溶体化処理を行うことが好ましい。

時効処理の前に溶体化処理を行い、添加元素であるHfを十分に銅中に固溶させ、さらにこの固溶体に焼入れ処理を行えば過飽和固溶体を容易に得ることができる。そして、この過飽和固溶体を時効処理することで、微細なHf含有析出物を多く析出させることができる。

本発明銅合金によれば、添加元素を所定量のHfとすることで、二元系の銅合金でありながら、導電率と可とう性の双方に優れた合金とすることができる。

以下、本発明の構成をより詳しく説明する。

＜Hf＞
本発明合金の添加元素はHfとする。不純物を除けば、添加元素がHfだけの単純な組成の合金とすることで、多数種の添加元素を用いることなく本発明合金を得ることができる。

Hfの添加量は、0超1.1質量％以下とする。Hfの添加がなければ、5％以上の伸びや400MPa以上の引張強さを得ることが難しい。Hfの好ましい添加量の下限は0.3質量％以上である。この下限値以上のHfが含有されていると、引張強さに優れた銅合金とすることができる。但し、Hfの含有量が増えると導電率が低下する。Hfの添加量の上限値は、1.1質量％以下とする。この上限値は銅に対するHfの固溶限である。

＜合金ベース＞
本発明合金の合金ベースは銅とする。合金ベースを銅とすることで、高い導電率を確保することができる。不純物は、通常、不可避的に合金中に混入する不純物である。

＜伸び＞
本発明合金の伸びは5％以上とする。5％以上の伸びを有する銅合金であれば、例えば電線の導体として用いた場合に、要求される導体の可とう性や耐屈曲性を満たすことができる。伸びは、合金の塑性加工条件や熱処理条件により調整することができる。

＜引張強さ＞
本発明合金の引張強さは、400〜650MPaが好適である。このような引張強さを有する合金は、電線・ケーブルの導体などとして好適に利用することができる。より好ましい引張強さの下限は450MPa以上である。なお、引張強さは、合金の塑性加工条件、例えば伸線する際の減面率の他、伸線前後の熱処理条件により種々変更することができる。

＜導電率＞
本発明合金の導電率は、40％IACS以上であることが好ましい。40％以上の導電率があれば、コネクタなどの接点金具などに本発明合金を好適に利用することができる。電線などの用途を考慮した場合、導電率は60％以上であることが好ましい。より好ましい導電率は、70％以上であり、さらに好ましい導電率は80％以上である。導電率の調整は、基本的には合金組成に依存しているが、合金を熱処理する際の温度によっても変化させることができる。

＜Hf含有析出物＞
本発明合金中には、Hf含有析出物が認められる。この析出物の粒径には、種々のサイズが存在する。但し、その析出物の粒径は10〜1000nmであることが好ましい。この下限値を下回ると、析出物による析出強化効果が認められにくい。逆に上限値を超えると、導電性と伸びの向上に寄与する度合いが小さい。より好ましい析出物の粒径の範囲は20〜500nmである。

Hf含有析出物のうち、粒径が10〜1000nmである粒子の平均密度は、0.1個／μm²以上であることが好ましい。この密度の下限値を下回ると、析出物による析出強化の効果が不十分である上、合金中の固溶Hf濃度の低減、すなわち導電率の向上効果が少ない。この平均密度は、高い方が好ましい。より好ましい析出物の平均密度は0.5個／μm²である。

＜合金の製造方法＞
本発明合金は、Hfを所定量含有する二元銅合金に熱処理を施すことで得られる。銅合金の引張強さを向上させる手段の一つとして、固溶強化型合金とすることが考えられる。固溶強化型合金としてはCu-Sn合金やCu-Ag合金があり、銅にSnまたはAgを固溶することで引張強さは改善できるが、十分な伸びを得ることができない。ここで、伸びを改善する手法として合金を熱処理することが考えられる。しかし、固溶強化型合金は、一般に熱処理を行うと伸びは増加するが、再結晶により引張強さが著しく低下するため、固溶強化型合金に熱処理を行うことはなされていない。本発明では、固溶強化型合金と考えられるCu-Hf合金に敢えて所定の時効処理を施すことで、Hf含有析出物の析出強化と合金結晶粒の再結晶による引張強さ低下のバランスを適切にとり、引張強さを保持しつつ、伸びに優れる銅合金を得ている。

この時効処理温度は、300〜500℃とする。この下限値未満では十分な伸びや導電率を得ることが難しく、上限値を超えると引張強さが低下する傾向にある。より好ましい時効処理温度は400℃以下である。400℃以下の時効処理であれば、引張強さを高いレベルで保持することができる。

時効処理時間は、0.5〜24時間程度が好ましい。時効処理時間が長くなると、導電率が上がり、引張強さが低下する傾向にある。この下限値未満では、5％以上の伸びを有する合金を得ることが難しく、逆に上限値を超えると、時効処理時間が長時間となり、伸びの改善効果がほぼ飽和するからである。より好ましくは、3時間以内とする。

その他、本発明合金としてより良好な引張強さを得るためには、上記時効処理前に合金を十分に溶体化させておくことが望ましい。すなわち、(1)Hfを完全固溶させる固相温度以下の高温にて一定時間合金を保持した後、十分な冷却速度で急冷させ、過飽和固溶体としてもよいし、(2)溶融状態の合金を急冷して凝固させてもよい。前者の場合、溶体化熱処理の好ましい条件は、800〜1080℃で5〜600分である。また、いずれの場合も、急冷（焼入れ処理）の冷却速度は10℃／秒以上とすることが好ましい。

＜電線・ケーブル＞
本発明合金を電線・ケーブルに用いるには、本発明合金の素線を得て、その素線で電線・ケーブルの導体を構成する。素線は、例えば本発明合金のロッドを用意し、このロッドを伸線加工することにより得ることができる。ロッドは、所定の組成の銅合金を鋳造し、その鋳塊を切削、スウェージや圧延などの手法を単独でまたは組み合わせて加工し、所望される径に成形することで得られる。一方、ロッドを伸線加工して得られた伸線材は、通常、複数本を撚り合せて電線の導体とされる。そして、その導体上に所定の絶縁層を形成して電線あるいはケーブルとすれば良い。この製造過程において、前述した時効処理は、伸線材に対して行えばよい。

真空溶解鋳造したCu−0.3質量％HfとCu−0.9質量％Hfの各鋳塊をφ24mmの丸棒に切削し、これをスウェージ加工によりφ11.6mmのロッドとした。このロッドを950℃、0.5時間の条件で溶体化処理した後、15℃／秒の冷却速度で急冷して過飽和固溶体のロッドとした。このロッドを室温にてφ8.3mmまでスウェージ加工し、さらにφ0.9mmまで伸線加工した。この伸線加工で得られたワイヤを20、200、300、400、500、600℃の各温度にて3時間保持（時効処理）した後に空冷し、室温にて導電率測定ならびに引張試験に供した。導電率測定は四端子法にて実施し、電圧端子間距離を500mmとした。引張試験はJIS Z 2241 （1998）の規格に準じて評点間距離250mmとして行った。

表1〜3および図1〜3に導電率（％IACS）、伸び（％）、引張強さ（MPa）の各々に対する時効処理温度（℃）の影響を示す。なお、表1〜3において、20℃にて時効処理したものについては「なし」と記載している。

表１および図１に示すように、導電率は室温から徐々に向上し、300℃から400℃にかけて急激に増加する。一方、500℃を越えると導電率はほぼ飽和する。また、伸びは、表２および図２に示すように、室温から200℃までは１％未満しかなく、300℃から500℃の温度で5％以上の値が得られる。さらに500℃を超える温度になれば、極端に大きな伸びが得られている。そのため、300℃から500℃の時効処理条件によって、導電率と伸びに優れる銅合金が得られることがわかる。一方、引張強さは、表３および図３に示すように、室温から400℃までほぼ一定値を保ち、それより高温側で減少し、特に500℃を超えると大幅に低下する。従って500℃以下の時効処理条件、特に400℃以下の時効処理条件とすれば、引張強さを高水準に保持したまま、高導電率の合金を得られることがわかる。

さらに、Cu-0.9質量％Hfの600℃時効処理材については透過型電子顕微鏡(TEM)にて組織観察を行った。その顕微鏡写真（倍率15000倍）を図４に示す。その結果、長径が30〜400nmの析出物を確認した。図４の写真における黒い粒子が析出物である。この析出物の組成については、合金のEDX（Energy-dispersive X-ray Spectroscopy）分析結果とCu-Hf平衡状態図とからCu₅Hfと推察される。これらの考察から、Hfを含有する銅合金に所定の時効処理を行えば、Hf含有析出物の析出が固溶Hf濃度を下げることによって導電率を向上させ、微細析出物（Hf含有析出物）による析出強化が、再結晶による合金の軟化を相殺することによって良好な引張強さと伸びを生じせしめたと考えられる。

TEM写真を粒子解析し、Hf含有析出物の密度と粒径を算出した。この密度は、４視野の写真（倍率：15000倍）を用いて、各視野毎に「Hf含有析出物の個数／視野面積」で求めた。但し、下記表４の、「視野1、3、4」については、視野の実寸：縦5.7μm×横4.4μm、視野面積：25.08μm²であり、「視野2」については、視野面積：21.1μm²である。これら４視野から求めたHf含有析出物の平均密度は約0.9であった。また、析出物の粒径は、画像処理により、析出物の面積と同一面積の円の直径を演算することで求めている。解析結果を表４に示す。

本発明合金は、電線の導体や、電線のコネクタ用の金具といった各種導電材料などに好適に利用することができる。

時効処理温度と導電率との関係を示すグラフである。 時効処理温度と伸びとの関係を示すグラフである。 時効処理温度と引張強さとの関係を示すグラフである。 本発明合金の一例の透過型電子顕微鏡(TEM)による組織写真である。

Claims (6)

1. Hfを0.3質量％以上1.1質量％以下含有し、残部が銅及び不純物からなり、
   伸びが5％以上、
   引張強さが400MPa以上650MPa以下であることを特徴とする銅合金。
2. この合金中にはHf含有析出物が分散され、この析出物のうち粒径が10〜1000nmの析出物の平均密度が0.1個／μm²以上であることを特徴とする請求項1に記載の銅合金。
3. 請求項1又は2に記載の銅合金を導体に用いたことを特徴とする電線・ケーブル。
4. Hfを0.3質量％以上1.1質量％以下含有し、残部が銅及び不純物からなる合金素材を準備する工程と、
   この合金素材に対して300〜500℃の時効処理を施す工程とを備えることを特徴とする銅合金の製造方法。
5. 前記時効処理は、400℃以下で行うことを特徴とする請求項4に記載の銅合金の製造方法。
6. 前記時効処理の前に、溶体化処理を行うことを特徴とする請求項4又は5に記載の銅合金の製造方法。