JP5186739B2 - 導電用アルミニウム合金配線材料及びそれを用いた配線材 - Google Patents

Description

本発明は、導電用アルミニウム合金配線材料及びそれを用いた配線材に関し、アルミニウムを主成分とする合金からなる高導電性かつ高耐熱性配線材料及びそれを用いた配線材に関するものである。

従来、マグネットワイヤや電線の配線用、導体用材料としては、機械的強度および導電率を重視した点においては銅合金が用いられ、軽量性を重視した点においてはアルミニウムまたはアルミニウム合金が用いられてきた。

従来の銅および銅合金は、材料としての引張強さおよび導電率が高いものの、重量（密度）が大きいため、従来の銅および銅合金をケーブルの配線材料として使用した場合、装置全体の重量が大きくなり、絶えず小型軽量化の進む携帯電話などの携帯機器や医療機器への実装性に劣るといった問題があった。

一方、アルミニウムは、銅および銅合金に比べて密度が約３分の１と小さいが、引張強さが小さいため、機械的強度を満足させるには大きな断面積を必要とする。このため、従来のアルミニウムをケーブルの配線材料として使用した場合、装置の全体に占める配線材料の体積が大きくなってしまう。また、機械的強度が小さいため、極細線への加工が難しく、携帯電話や医療機器などに使用される極細ケーブルヘの適用が困難であった。さらに、アルミニウムからなる配線材で必要な引張強さを得ようとすると、伸びが低下してしまうことから、可とう性が低下し、屈曲寿命の低下を招くという欠点がある。

また、高温環境下での使用においては、アルミニウム自体が軟化するため、配線材の強度が不足するという問題がある。このため、配線材の周りの環境温度が高温になる自動車、特にモータとエンジンを共用するハイブリッド自動車や、電気自動車においては、アルミニウムからなる配線材の信頼性の確保が困難であった。

上記問題を解決するために、ＦｅまたはＦｅとＺｒを添加したアルミニウム合金がある（特許文献１〜４）。

特開２００４−０６０００６号公報 特公昭５１−０３７６１０号公報 特開昭５１−０３２４０９号公報 特公昭６２−０５４１８４号公報

しかし、Ｆｅを添加したアルミニウム合金は、導電性の低下を少なく（抑制）しつつ、強度、伸び、および耐熱性が向上するが、耐熱性の向上の割合は少ない。また、耐熱性をさらに向上させるためにＦｅ添加量を多くすると、導電率が低下し、配線材として問題が生じる。

また、ＦｅとＺｒを添加したアルミニウム合金は、Ｚｒは耐熱性の向上に効果的だが、添加量に対する導電率の低下の割合が大きいために、Ｚｒの添加量を多くすると導電率が急激に低下し、同様に配線材として問題が生じる。

上述した如く、携帯機器や医療機器および自動車などの配線材に使用する配線材料としては、導電率が高いこと、引張強さと伸びが高いこと、耐熱性が高いことが望まれている。しかしながら、従来これらをすべて満足するアルミニウム合金配線材料は知られていない。

そこで、本発明は、上記の課題を解決し、導電率、引張強さ、および伸びに優れた導電用アルミニウム合金配線材料及びそれを用いた配線材を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、純度９９．９５％以上の純アルミニウムからなる母材中にＦｅ、Ｚｒ、その他の元素を特定の割合で添加してなり、Ｆｅを０．２〜１．０質量％、Ｚｒを０．０１〜０．１質量％、ＡｇおよびＭｎから選択される少なくとも１種または２種以上の元素を総量で０．０１〜０．１質量％の割合で、又はＺｎを０．１質量％の割合で添加し、残余がＡｌ及び不可避不純物である導電用アルミニウム合金配線材料である。

請求項２の発明は、伸び２％以下の時の引張強さが２５０ＭＰａ以上、伸び１０％の時の引張強さが１３０ＭＰａ以上であり、且つ、導電率が５９％ＩＡＣＳ以上のものである。

請求項３の発明は、前述した導電用アルミニウム合金配線材料で構成され、直径が０．１ｍｍ以下である配線材である。

本発明は、所定以上の純度を有するアルミニウムに、Ｆｅを０．２〜１．０質量％、Ｚｒを０．０１〜０．１０質量％、その他、ＡｇおよびＭｎから選択される少なくとも１種または２種以上の元素を総量で０．０１〜０．１質量％の割合で、又はＺｎを０．１質量％の割合で添加したことにより、従来のアルミニウム合金と比べて、導電率を大きく低下させることなく、引張強さおよび伸びを大きく向上させることができ、さらに高温環境下でも引張強さが低下しないという高耐熱性が得られる。

以下、本発明の好適一実施の形態を説明する。

本発明者らは、所定以上の純度を有するアルミニウムに、Ｆｅ、Ｚｒの他に、第３添加元素を添加することで、アルミニウムの特徴である高導電性を維持しつつ、機械的強度が向上し、かつ伸びがあり、加えて耐熱性が改善され、添加元素の種類によっては耐食性の向上が得られることを見出し、本発明の完成に至った。

本実施の形態に係る導電用アルミニウム合金配線材料は、９９．９５％以上の純度を有するアルミニウムに、Ｆｅを０．２〜１．０質量％、Ｚｒを０．０１〜０．１０質量％、その他、ＡｇおよびＭｎから選択される少なくとも１種または２種以上の元素（以下、第３添加元素という）を総量で０．０１〜０．１質量％の割合で、又はＺｎを０．１質量％の割合で添加、含有させて得られる合金である。この合金は、伸び２％以下の時の引張強さが２５０ＭＰａ以上、伸び１０％の時の引張強さが１３０ＭＰａ以上、好ましくは１３７ＭＰａ以上であり、且つ、導電率が５９％ＩＡＣＳ以上のものである。

具体的には、導電用アルミニウム合金配線材料の組成は、好ましくはＦｅを０．３〜０．６質量％、Ｚｒを０．０１〜０．０３質量％、第３添加元素を０．０１〜０．０５質量％又はＺｎを０．１質量％の割合で含有し、かつ、残余がＡｌおよび０．０５質量％以下のＳｉ等の不可避不純物で構成される。

第３添加元素として好ましい元素は、Ａｇ、Ｍｎ、Ｚｎが挙げられる。Ｍｎは耐食性の向上に特に有効であり、また、Ａｇは引張強さ、耐熱性の向上に特に有効であり、また、Ａｇ、Ｚｎは導電率低下の抑制に特に有効である。

導電用アルミニウム合金配線材料の配線材料母材として使用する純アルミニウムの純度が９９．９５％よりも低いと、得られる導電用アルミニウム合金配線材料において添加元素による効果が小さくなり、良好な機械的および電気的特性を得ることができない。

導電用アルミニウム合金配線材料のＦｅ含有量を０．２〜１．０質量％としたのは、０．２質量％未満だと強度、伸び、耐熱性の向上が望めないためであり、１．０質量％を超えると導電率が５９％ＩＡＣＳ未満となるためである。

導電用アルミニウム合金配線材料のＺｒ含有量を０．０１〜０．１０質量％としたのは、０．０１質量％未満だと耐熱性の向上が望めないためであり、０．１０質量％を超えると導電率が急激に低下するためである。

導電用アルミニウム合金配線材料の第３添加元素含有量を０．０１〜０．１質量％としたのは、０．０１質量％未満だと強度、伸び、耐熱性の更なる向上が望めないためであり、０．１質量％を超えると導電率が５９％ＩＡＣＳ未満となるためである。

このような化学組成を有する導電用アルミニウム合金配線材料の合金溶湯を用いて鋳造を行い、得られた鋳造体に塑性加工（減面加工）を施すことで線材が得られる。加工後の線材に熱処理を施した後、最終線径まで再度の塑性加工（減面加工）を行うことで、本実施の形態に係る配線材が得られる。

鋳造体に施す塑性加工としては、例えば、断面減少率（減面率）８５％以上、好ましくは９０％以上の加工とされる。また、得られた配線材の断面形状は特に限定するものではない。配線材が丸線の場合は、直径（最終線径）０．１ｍｍ以下となるように減面加工される。

次に、本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る導電用アルミニウム合金配線材料は、９９．９５％以上の純度を有するアルミニウムに、Ｆｅ、Ｚｒ、及び第３添加元素を所定の割合で添加し、含有させている。これらの元素はＡｌ（アルミニウム合金母相）中に固溶状態で存在しており、これらの元素による固溶強化によって、アルミニウム合金の母相が強化される。

特に、第３添加元素は、０．０１〜０．１質量％の範囲で含有させることで、Ｚｒと同様に強度、伸び、耐熱性の向上効果が得られるが、その効果はＺｒと同程度又はそれ以上である。さらに第３添加元素は、Ｚｒと異なり、含有量が０．１質量％未満の範囲であれば、アルミニウム合金の導電率を殆ど低下させることはない。

その結果、本実施の形態に係る導電用アルミニウム合金配線材料を用いた配線材は、従来のアルミニウム又はアルミニウム合金からなる配線材と比べて、導電率を大きく低下させることなく（導電率は同程度に保ったまま）、引張強さ、伸び、耐熱性を大きく向上させることができる。

この導電用アルミニウム合金配線材料は、携帯機器や医療機器および自動車などの配線材に適用可能な有益な配線材料である。また、本実施の形態に係る配線材は、アルミニウム合金を使用したモータ用巻線や、その他のアッセンブリー品などに適用できる。

＜実施例１＞
配線材料母材として純度９９．９５％のＡｌを用いて、化学組成がＡｌ−０．６Ｆｅ−０．０２Ｚｒ−０．０１Ｍｎ（質量％）のアルミニウム合金を鋳造し、その鋳造体に断面減少率９０％の塑性加工（減面加工）を施して線材を形成し、その線材に熱処理を施し、その後、直径０．０４ｍｍまで塑性加工（減面加工）を行ってアルミニウム合金配線材を作製した。
＜実施例２＞
配線材料母材として純度９９．９５％のＡｌを用いて、化学組成がＡｌ−０．６Ｆｅ−０．０２Ｚｒ−０．０５Ａｇ（質量％）のアルミニウム合金を鋳造し、その鋳造体に断面減少率９０％の塑性加工（減面加工）を施して線材を形成し、その線材に熱処理を施し、その後、直径０．０４ｍｍまで塑性加工（減面加工）を行ってアルミニウム合金配線材を作製した。
＜実施例３＞
配線材料母材として純度９９．９５％のＡｌを用いて、化学組成がＡｌ−０．６Ｆｅ−０．０２Ｚｒ−０．１Ｚｎ（質量％）のアルミニウム合金を鋳造し、その鋳造体に断面減少率９０％の塑性加工（減面加工）を施して線材を形成し、その線材に熱処理を施し、その後、直径０．０４ｍｍまで塑性加工（減面加工）を行ってアルミニウム合金配線材を作製した。
＜比較例１＞
配線材料として純度９９．９５％のＡｌを用いて純アルミニウムを鋳造し、その後は、実施例１と同様にしてアルミニウム配線材を作製した。
＜比較例２＞
配線材料母材として純度９９．９５％のＡｌを用いて、化学組成がＡｌ−０．６Ｆｅ（質量％）のアルミニウム合金を鋳造し、その後は、実施例１と同様にしてアルミニウム合金配線材を作製した。
＜比較例３＞
配線材料母材として純度９９．９５％のＡｌを用いて、化学組成がＡｌ−０．９Ｆｅ（質量％）のアルミニウム合金を鋳造し、その後は、実施例１と同様にしてアルミニウム合金配線材を作製した。
＜比較例４＞
配線材料母材として純度９９．９５％のＡｌを用いて、化学組成がＡｌ−０．６Ｆｅ−０．０２Ｚｒ（質量％）のアルミニウム合金を鋳造し、その後は、実施例１と同様にしてアルミニウム合金配線材を作製した。
＜比較例５＞
配線材料母材として純度９９．９５％のＡｌを用いて、化学組成がＡｌ−０．６Ｆｅ−０．０５Ｚｒ（質量％）のアルミニウム合金を鋳造し、その後は、実施例１と同様にしてアルミニウム合金配線材を作製した。

得られた各配線材について、室温で伸びが１０％時の導電率、室温（２０℃）で伸びが２％と１０％の時の引張強さ、高温環境下での強度比率（％；（２８０℃での引張強さ／室温での引張強さ）×１００）、および耐食性を求めた。耐食性は、各配線材の耐食性が、純Ａｌと比較して、同程度又は僅かに良好なものを△、良好なものを○、非常に良好なものを◎とした。

実施例および比較例の各配線材について、特性を測定した結果を表１に示す。

表１から以下のことが明らかである。

比較例１〜３を比較すると、Ｆｅの添加量を増やすことで、強度と耐熱性を向上させることができるが、Ｆｅのみの添加では耐熱性の向上が小さかった。そこで、比較例２のものにＺｒを添加すると（比較例４，５）、耐熱性の大幅な向上が得られるが、強度の向上を得ようとＺｒの添加量を増やすと、比較例５のように導電率が大きく低下した。

実施例１は、比較例５と比べて、同等の強度および耐熱性を有し、かつ導電率が上回っており、さらに耐食性に非常に優れていた。

実施例２は、比較例５と比べて、同等以上の強度および耐熱性を有し、かつ導電率が大きく上回っていた。

実施例３は、比較例５と比べて、同等の強度および耐熱性を有し、かつ導電率が実施例２よりも更に良好であり、比較例４と比べても遜色はなかった。

以上より、所定以上の純度を有するアルミニウムに、Ｆｅ、Ｚｒと共に、第３添加元素を所定の割合で添加することで、導電率を低下させることなく、引張強さ、伸び、耐熱性を向上させることができることが確認できた。また、第３添加元素の種類によっては、耐食性を向上させることができることも確認できた。

各配線材を構成する配線材料の組成については、請求項の範囲内であれば、実施例１〜３の限りではなく、種々変更が可能である。また、各配線材の製造方法についても実施例１〜３の限りではない。

Claims (3)

1. 純度９９．９５％以上の純アルミニウムからなる母材中にＦｅ、Ｚｒ、その他の元素を特定の割合で添加してなり、Ｆｅを０．２〜１．０質量％、Ｚｒを０．０１〜０．１質量％、ＡｇおよびＭｎから選択される少なくとも１種または２種以上の元素を総量で０．０１〜０．１質量％の割合で、又はＺｎを０．１質量％の割合で添加し、残余がＡｌ及び不可避不純物であることを特徴とする導電用アルミニウム合金配線材料。
2. 伸び２％以下の時の引張強さが２５０ＭＰａ以上、伸び１０％の時の引張強さが１３０ＭＰａ以上であり、且つ、導電率が５９％ＩＡＣＳ以上である請求項１記載の導電用アルミニウム合金配線材料。
3. 請求項１又は２に記載の導電用アルミニウム合金配線材料で構成され、直径が０．１ｍｍ以下であることを特徴とする配線材。