JP5589175B2 - アルミニウム基導電材料並びにそれを用いた電線及びケーブル - Google Patents
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Description
また、スカンジウムを含有するアルミニウム合金の耐熱性を更に向上させたものとして、例えば特許文献3には、ジルコニウムを0.1〜0.4質量%、スカンジウムを0.05〜0.3質量%含み、塑性加工後に熱処理を行って製造するアルミニウム合金が、例えば特許文献4には、ジルコニウムを0.1〜0.5質量%、スカンジウムを0.05〜0.5質量%含み、熱処理後に冷間加工を行って製造するアルミニウム合金が、例えば特許文献5には、ジルコニウムを0.1〜0.5質量%、スカンジウムを0.05〜0.5質量%含み、冷間加工した後に熱処理を行い、再度冷間加工を行って製造するアルミニウム合金がそれぞれ開示されている。
特許文献3に記載されたアルミニウム合金として、例えばジルコニウムを0.1質量%、スカンジウムを0.1質量%含み、断面積減少率が85%の冷間加工を行って製造されたアルミニウム合金を用いて線径が80μmの素線を作製し、この素線を用いて製造した断面積が0.2mm2 のケーブルを試験体とし、同様の左右繰り返し曲げ試験を行うと、ケーブル破断回数は、例えば50〜80万回の範囲となる。
特許文献5に記載されたアルミニウム合金として、例えばジルコニウムを0.3質量%、スカンジウムを0.2質量%含み、断面積減少率30%で冷間加工し、次いで350℃で50時間の熱処理を行ってから、断面積減少率75%の冷間加工を施して製造されたアルミニウム合金を用いて線径が80μmの素線を作製し、この素線を用いて製造した断面積が0.2mm2 のケーブルを試験体とし、同様の左右繰り返し曲げ試験を行うと、ケーブル破断回数は、例えば300〜400万回の範囲となる。
時効処理された前記アルミニウム合金から形成されるワイヤを、ダイス伸線加工を行って、前記アルミニウムの結晶粒内及び粒界に存在している前記スカンジウムを金属間化合物として粒界に析出させ、平均粒径が2μm以下でかつ1μm以下のサイズのものが断面積率で15%以上含まれる結晶粒と、前記結晶粒の粒界に生成されピン止め効果を発揮する平均粒径が1〜60nmであるアルミニウム−スカンジウム系のナノ析出物とを有する金属組織で構成され、300万回の動的駆動試験に耐える。
第2の発明に係るアルミニウム基導電材料は、0.1〜1.0質量%(0.1〜0.3質量%を除く)のスカンジウムを含み、残部がアルミニウムと不可避的不純物からなるアルミニウム合金から得られるアルミニウム基導電材料において、
時効処理された前記アルミニウム合金から形成されるワイヤを、ダイス伸線加工を行って、前記アルミニウムの結晶粒内及び粒界に存在している前記スカンジウムを金属間化合物として粒界に析出させ、平均粒径が2μm以下でかつ1μm以下のサイズのものが断面積率で15%以上含まれる結晶粒と、前記結晶粒の粒界に生成されピン止め効果を発揮する平均粒径が1〜60nmであるアルミニウム−スカンジウム系のナノ析出物とを有する金属組織で構成され、300万回の動的駆動試験に耐える。
時効処理された前記アルミニウム合金から形成されるワイヤを、加工度5以上のダイス伸線加工を行って、前記アルミニウムの結晶粒内及び粒界に存在している前記スカンジウムを金属間化合物として粒界に析出させ、平均粒径が2μm以下でかつ1μm以下のサイズのものが断面積率で15%以上含まれる結晶粒と、前記結晶粒の粒界に生成されピン止め効果を発揮する平均粒径が1〜60nmであるアルミニウム−スカンジウム系のナノ析出物とを有する金属組織で構成され、300万回の動的駆動試験に耐える。
ここで、前記ナノ析出物は、前記結晶粒の粒内にも生成することができる。
また、結晶粒の平均粒径を2μm以下にすることの作用、スカンジウムの含有量を0.1〜1.0質量%の範囲とすることの作用は、第1の発明に係るアルミニウム基導電材料の場合と同一なので説明は省略する。
ここで、前記ナノ析出物の平均粒径は5〜50nmであることがより好ましい。
そして、ナノ析出物によるき裂のピン止め発生の頻度とナノ析出物によるき裂のピン止めの作用を共に増大させるナノ析出物の平均粒径の範囲は、5〜50nmである。
ここで、前記金属組織には、1μm以下の前記結晶粒が断面積率で20%以上含まれると、少なくとも1000万回の動的駆動試験に耐えることができる。
金属組織中に、1μm以下の結晶粒が断面積率で15%以上とすることで、発生したき裂が伝播する際の結晶粒との衝突を顕著とすることができ、き裂の偏向とき裂の分岐を促進することができ、1μm以下の結晶粒が断面積率で20%以上とすることで、発生したき裂が伝播する際の結晶粒との衝突を更に顕著とすることができ、き裂の偏向とき裂の分岐を更に促進することができる。
そして、該ケーブルを急速充電スタンド機のコネクターケーブル又は電気溶接機のキャブタイヤケーブルに使用することができる。
更に、該ケーブルを機器内配線用のケーブルに使用することもできる。
また、ナノ析出物の平均粒径が5〜50nmである場合、ナノ析出物によるき裂のピン止め発生の頻度とナノ析出物によるき裂のピン止めの作用を共に増大させることができ、ナノ析出物によるき裂のピン止め効果を効果的に生じさせることができる。
また、金属組織に、1μm以下の結晶粒が断面積率で20%以上含まれている場合、発生したき裂が金属組織内を伝播する際に、結晶粒との衝突頻度を更に向上させ、き裂の偏向、き裂の分岐を更に促進することができ、き裂の進展に伴う抵抗が更に大きくなって、き裂の進展速度を更に低下させることができる。これにより、少なくとも1000万回の動的駆動試験に耐えることが可能になる。
また、電線を機器内配線用の電線に使用する場合、機器の軽量化を図ることができる。
ここで、ケーブルを急速充電スタンド機のコネクターケーブルに使用する場合、アルミニウム基導電材料で構成されているためコネクターケーブルが軽量となって、操作性を向上できる。
また、ケーブルを電気溶接機のキャブタイヤケーブルに使用する場合、アルミニウム基導電材料で構成されているためキャブタイヤケーブルが軽量となって、大型構造物の作製を行う際にキャブタイヤケーブルが長尺になっても、キャブタイヤケーブルの移動を比較的容易に行うことができ、溶接の作業性を向上させることができる。
更に、ケーブルを機器内配線用のケーブルに使用する場合、機器の軽量化を図ることができる。
本発明の第1の実施例に係るアルミニウム基導電材料は、図1に示すように、0.1〜1.0質量%のスカンジウムを含み、残部がアルミニウムと不可避的不純物(不可避的不純物の含有量は、例えば0.1〜0.35質量%)からなり、平均粒径が2μm以下のアルミニウムの結晶粒11と、結晶粒11の粒界12に生成したアルミニウム−スカンジウム系の金属間化合物であるAl3 Scのナノ析出物13とを有する金属組織10で構成されている。そして、結晶粒11は、1μm以下のサイズのものが断面積率で15%以上、好ましくは20%以上含まれており、ナノ析出物13の平均粒径は1〜60nm、好ましくは5〜50nmである。なお、不可避的不純物の一部は結晶粒11内に固溶し、残部は粒界12に存在している。以下、詳細に説明する。
なお、アルミニウム基導電材料から、例えばケーブルを製造する場合は、熱処理後のワイヤに対して、ダイス伸線加工を行って伸線材(80〜120μm)を形成し、伸線材を導体素線として縒り線を形成しケーブルを作製する。
また、スエージング機を用いて加工したワイヤの最終仕上がり直径を、例えば2.0mmとした後に、等軸晶形成を促進するための熱処理を行い、その後、直径が80ミクロンに至るまで加工度が6.4となるダイス伸線加工を行うことにより金属組織10を構成する結晶粒11の平均粒径が2μm以下で、1μm以下の結晶粒11が存在する割合が断面積率で20%以上となる。そして、ワイヤの最終仕上がり直径を、例えば3.0mmとし、その後、直径が80ミクロンに至るまで、加工度が7.2となるダイス伸線加工を行うことにより金属組織10を構成する結晶粒11の平均粒径が2μm以下で、1μm以下の結晶粒11が存在する割合が断面積率で50%以上となる。
ここで、1μm以下の結晶粒11が、断面積率で15%以上であると、単位体積の金属組織10に含まれる結晶粒11の個数を増大させることができ、き裂と結晶粒11との衝突が顕著になって、き裂の偏向及びき裂の分岐を促進させることができる。更に、1μm以下の結晶粒11が、断面積率で20%以上であると、単位体積の金属組織10に含まれる結晶粒11の個数を更に増大させることができ、き裂と結晶粒11との衝突が更に顕著になって、き裂の偏向及びき裂の分岐がより促進され、少なくとも1000万回の動的駆動試験に耐えることが可能になる。
ここで、ナノ析出物13の平均粒径が1nm未満では、ナノ析出物13の個数が多くなってき裂のピン止め発生の頻度は高まるが、ナノ析出物13によるき裂のピン止め作用は大きくなく、き裂のピン止め効果は顕著とならない。一方、ナノ析出物13の平均粒径が60nmを超えると、ナノ析出物13によるき裂のピン止め作用は大きくなるが、ナノ析出物13の個数が少なくなってき裂のピン止め発生の頻度は低下し、き裂のピン止め効果は顕著とならない。このため、ナノ析出物13の総量が一定の場合、ナノ析出物13の平均粒径を1〜60nmにすることで、ナノ析出物13によるき裂のピン止め効果により、き裂の進展停止やき裂の進展速度低下を図ることができる。そして、ナノ析出物13の平均粒径を5〜50nmにすることで、ナノ析出物13によるき裂のピン止め発生の頻度を高位に維持しながらナノ析出物13によるき裂のピン止めの作用も高位に維持することができ、ナノ析出物13によるき裂のピン止め効果を向上させることができる。
また、本発明の第1の実施例に係るアルミニウム基導電材料からなり、導体素線径が0.05mm以上0.5mm以下の導体素線を使用したケーブルを、電気自動車の急速充電スタンド機用のコネクターケーブルや電気溶接機のキャブタイヤケーブル等のように使用時に引張り、曲げ、及び捩れが加わる用途に使用することで、アルミニウム合金系の特徴である軽量化及び高柔軟性に加えて、高耐久性(ケーブルの早期における断線防止)を達成することができ、装置を長期間に亘って安定して稼動させることができ、装置の信頼性を向上させると共に、メンテナンスの負担を軽減することができる。
なお、ジルコニウムの一部は結晶粒15内に固溶し、残部は粒界16に存在する。不可避的不純物の一部は結晶粒15内に固溶し、残部は粒界16に存在している。以下、詳細に説明する。
なお、アルミニウム基導電材料から、例えばケーブルを製造する場合は、熱処理後のワイヤに対して、ダイス伸線加工を行って伸線材(80〜120μm)を形成し、伸線材を導体素線として縒り線を形成しケーブルを作製する。
ここで、1μm以下の結晶粒15が、断面積率で15%以上であると、単位体積の金属組織14に含まれる結晶粒15の個数を増大させることができ、き裂と結晶粒15との衝突が顕著になって、き裂の偏向及びき裂の分岐を促進させることができる。更に、1μm以下の結晶粒15が、断面積率で20%以上であると、単位体積の金属組織14に含まれる結晶粒15の個数を更に増大させることができ、き裂と結晶粒15との衝突が更に顕著になって、き裂の偏向及びき裂の分岐がより促進され、少なくとも1000万回の動的駆動試験に耐えることが可能になる。
ここで、スカンジウムをアルミニウムの結晶粒の粒界及び粒内にそれぞれ存在させると、スカンジウムはアルミニウムとそれぞれ反応して、結晶粒の粒界及び粒内にそれぞれナノ析出物として析出する。
なお、ナノ析出物がアルミニウムの結晶粒の粒内にも生成する場合、即ち、金属組織がアルミニウムの結晶粒と、アルミニウムの結晶粒の粒界に存在するナノ析出物と、アルミニウムの結晶粒の粒内に存在するナノ析出物とを有する場合、金属組織内を進展するき裂は、結晶粒の粒界に沿って進展する際は粒界に存在するナノ析出物と衝突して、結晶粒の粒内を進展する際は粒内に存在するナノ析出物とそれぞれ衝突してピン止めされる。このため、金属組織内を進展するき裂の進展停止、又はき裂の進展速度低下が促進される。
ここで、ナノ析出物17の平均粒径が1nm未満では、ナノ析出物17の個数が多くなってき裂のピン止め発生の頻度は高まるが、ナノ析出物17によるき裂のピン止め作用は大きくなく、き裂のピン止め効果は顕著とならない。一方、ナノ析出物17の平均粒径が60nmを超えると、ナノ析出物17によるき裂のピン止め作用は大きくなるが、ナノ析出物17の個数が少なくなってき裂のピン止め発生の頻度は低下し、き裂のピン止め効果は顕著とならない。このため、ナノ析出物17の総量が一定の場合、ナノ析出物17の平均粒径を1〜60nmにすることで、ナノ析出物17によるき裂のピン止め効果により、き裂の進展停止やき裂の進展速度低下を図ることができる。そして、ナノ析出物17の平均粒径を5〜50nmにすることで、き裂のピン止め発生の頻度を高位に維持しながらナノ析出物17によるき裂のピン止め作用も高位に維持することができ、ナノ析出物17によるき裂のピン止め効果を更に向上させることができる。
また、本発明の第2の実施例に係るアルミニウム基導電材料からなり、導体素線径が0.05mm以上0.5mm以下の導体素線を導体素線に使用したケーブルを、電気自動車の急速充電スタンド機用のコネクターケーブルや電気溶接機のキャブタイヤケーブル等のように使用時に引張り、曲げ、及び捩れが加わる用途に使用することで、アルミニウム合金系の特徴である軽量化及び高柔軟性に加えて、高耐久性(ケーブルの早期における断線防止)を達成することができ、装置を長期間に亘って安定して稼動させることができ、装置の信頼性を向上させると共に、メンテナンスの負担を軽減することができる。
(比較例1)
純度が99.95質量%のアルミニウムのインゴットから直径が10mmのワイヤロッドを切削加工により取出し、取出したワイヤロッドをスエージング機により直径2mmのワイヤに成形した。次いで、ワイヤを450℃で1時間の熱処理を施した後、ダイス伸線加工を行って直径80μmの伸線材を作製した。伸線材の金属組織観察から、金属組織を構成している結晶粒の平均結晶粒径は2μmであり、1μm以下の結晶粒の割合は断面積率で20%であった。
得られた伸線材の導電率を測定し、伸線材から断面積が0.2mm2 のケーブルを作製して常温でケーブル屈曲試験を行った。なお、ケーブル屈曲試験では、ケーブルに荷重100gを負荷した状態で、曲げ半径が15mm、折り曲げ角度範囲が±90度の左右繰り返し曲げを加えた。導電率の値及びケーブル屈曲試験の結果(ケーブルの破断回数)を表1に示す。
純度が99.95質量%のアルミニウムと、純度が99質量%のスカンジウムを用いて、スカンジウムが0.05〜5.0質量%含有されるアルミニウム合金をそれぞれ鋳造して導電材料ブロックを作製した。次いで、導電材料ブロックに350℃で1時間の時効処理を行った後に、直径が10mmのワイヤロッドを切削加工により取出し、取出したワイヤロッドをスエージング機により直径2mmのワイヤに成形した。次いで、ワイヤを450℃で1時間の熱処理を施した後、ダイス伸線加工を行って直径80μmの伸線材を作製した。伸線材の金属組織観察から、金属組織を構成している結晶粒の平均結晶粒径は2μmであり、1μm以下の結晶粒の割合は断面積率で20%であった。また、スカンジウムが0.05〜2.0質量%含有される場合、比較例3、実験例2〜6では、結晶粒の粒界に粒径が20nmのAl3 Scのナノ析出物が存在し、比較例2では検出されず(ND)、実験例1では2nmのAl3 Scのナノ析出物が存在する。スカンジウムが5.0質量%含有される場合(比較例4)は、結晶粒の粒界には粒径が100nmのAl3Scのナノ析出物が存在している。
得られた伸線材の導電率を測定し、伸線材から断面積が0.2mm2のケーブルを作製して比較例1と同様のケーブル屈曲試験を行った。導電率の値及びケーブル屈曲試験の結果を表1に示す。
また、スカンジウムの含有量が0.3質量%の実験例3の伸線材については、260℃で1時間加熱直後における引張り強度σ260及び常温での引張強度σRTを求め、線材の耐熱性(σ260/σRT)×100を求めた。その結果、耐熱性は98%であった。
なお、スカンジウムの含有量が5.0質量%の比較例4では破断回数が低下した。これは、結晶粒の粒界に100nmのナノ析出物が存在することにより、伸線材の強度が低下したためと考えられる。
純度が99.95質量%のアルミニウムと、純度が99質量%のスカンジウムを用いて、スカンジウムが0.3質量%含有されるアルミニウム合金を鋳造して導電材料ブロックを作製した。次いで、導電材料ブロックに対して350℃で1時間の時効処理を行った後に、直径が10mmのワイヤロッドを切削加工により取出し、次いでスエージング機により直径1mmのワイヤに成形した。そのワイヤを450℃で1時間の熱処理を施した後、ダイス伸線加工を行って直径80μmの伸線材を作製した。伸線材の金属組織観察から、金属組織を構成している結晶粒の平均結晶粒径は2μmであり、1μm以下の結晶粒の割合は断面積率で20%であった。また、結晶粒の粒界には粒径が20nmのAl3Scのナノ析出物が存在した。得られた伸線材の導電率を測定し、伸線材から断面積が0.2mm2のケーブルを作製して比較例1と同様のケーブル屈曲試験を行った。導電率の値及びケーブル屈曲試験の結果を表1に示す。伸線材の導電率は61%IACS、ケーブル屈曲試験の破断回数は950万回であった。
純度が99.95質量%のアルミニウムと、純度が99質量%のスカンジウムを用いて、スカンジウムが0.3質量%含有されるアルミニウム合金を鋳造して導電材料ブロックを作製した。そして、350℃で1時間の時効処理を行った後に、導電材料ブロックから直径が10mmのワイヤロッドを切削加工により取出し、取出したワイヤロッドをスエージング機により直径1.5mmのワイヤに成形した。次いで、ワイヤを450℃で0.5時間の熱処理を施した後、ダイス伸線加工を行って直径80μmの伸線材を作製した。伸線材の金属組織観察から、金属組織を構成している結晶粒の平均結晶粒径は2μmであり、1μm以下の結晶粒の割合は断面積率で15%であった。また、結晶粒の粒界には粒径が20nmのAl3Scのナノ析出物が存在した。
得られた伸線材の導電率を測定し、伸線材から断面積が0.2mm2のケーブルを作製して比較例1と同様のケーブル屈曲試験を行った。導電率の値及びケーブル屈曲試験の結果を表1に示す。伸線材の導電率は61%IACS、ケーブル屈曲試験の破断回数は970万回であった。
純度が99.95質量%のアルミニウムと、純度が99質量%のスカンジウムを用いて、スカンジウムが0.3質量%含有されるアルミニウム合金を鋳造して導電材料ブロックを作製した。次いで、350℃で8分間、120時間の時効処理をそれぞれ行った後に、導電材料ブロックから、直径が10mmのワイヤロッドを切削加工により取出し、取出したワイヤロッドをスエージング機により直径1.5mmのワイヤに成形した。次いで、ワイヤを450℃で1時間の熱処理をそれぞれ施した後、ダイス伸線加工を行って直径80μmの伸線材を作製した。伸線材の金属組織観察から、金属組織を構成している結晶粒の平均結晶粒径は2μmであり、1μm以下の結晶粒の割合は断面積率で20%であった。また、350℃で8分間の時効処理を行った実験例9では、結晶粒の粒界には粒径が3nmのAl3Scのナノ析出物が、350℃で120時間の時効処理を行った実験例10では、結晶粒の粒界には粒径が60nmのAl3Scのナノ析出物が存在した。
純度が99.95質量%のアルミニウムと、純度が99質量%のスカンジウムを用いて、スカンジウムが0.3質量%含有されるアルミニウム合金をそれぞれ鋳造して導電材料ブロックを作製した。次いで、導電材料ブロックに325℃で1時間、300℃で1時間、300℃で30分間、300℃で8分間の時効処理をそれぞれ行った後に、直径が10mmのワイヤロッドを切削加工により取出し、取出したワイヤロッドをスエージング機により直径2mmのワイヤに成形した。次いで、ワイヤをそれぞれ325℃で1時間、325℃で1時間、250℃で1時間、250℃で1時間の熱処理を施した後、ダイス伸線加工を行って直径80μmの伸線材を作製した。伸線材の金属組織観察から、金属組織を構成している結晶粒の平均結晶粒径は2μmであり、1μm以下の結晶粒の割合は断面積率で20%であった。また、325℃で1時間の時効処理を行った場合、結晶粒の粒界に粒径が8nmのAl3Scのナノ析出物が存在し(実験例11)、300℃で1時間の時効処理を行った場合、粒界に平均粒径が5nmのナノ析出物が存在し(実験例12)、300℃で30分間の時効処理を行った場合、粒界に平均粒径が2nmのナノ析出物が存在し(実験例13)、300℃で8分間の時効処理を行った場合、粒界に平均粒径が1nmのナノ析出物が存在している(実験例14)。
得られた伸線材の導電率を測定し、伸線材から断面積が0.2mm2のケーブルを作製して比較例1と同様のケーブル屈曲試験を行った。導電率の値及びケーブル屈曲試験の結果を表1に示す。
純度が99.95質量%のアルミニウムと、純度が99質量%のスカンジウムを用いて、スカンジウムが0.3質量%含有されるアルミニウム合金を鋳造して導電材料ブロックを作製した。そして、350℃で1時間の時効処理を行った後に、導電材料ブロックから直径が10mmのワイヤロッドを切削加工により取出し、取出したワイヤロッドをスエージング機により直径3mmのワイヤに成形した。次いで、ワイヤを450℃で1時間の熱処理を施した後、ダイス伸線加工を行って直径80μmの伸線材を作製した。伸線材の金属組織観察から、金属組織を構成している結晶粒の平均結晶粒径は2μmであり、1μm以下の結晶粒の割合は断面積率で30%であった。また、結晶粒の粒界には粒径が20nmのAl3Scのナノ析出物が存在した。
得られた伸線材の導電率を測定し、伸線材から断面積が0.2mm2のケーブルを作製して比較例1と同様のケーブル屈曲試験を行った。導電率の値及びケーブル屈曲試験の結果を表1に示す。伸線材の導電率は61%IACS、ケーブル屈曲試験の破断回数は1300万回であった。
純度が99.95質量%のアルミニウム、純度が99質量%のスカンジウム、及び純度が99質量%のジルコニウムを用いて、スカンジウムが0.3質量%、ジルコニウムが0.01〜1.0質量%含有されるアルミニウム合金をそれぞれ鋳造して導電材料ブロックを作製した。次いで、350℃で24時間の時効処理を行った後に、導電材料ブロックから、直径が10mmのワイヤロッドを切削加工により取出し、取出したワイヤロッドをスエージング機により直径1.5mmのワイヤに成形した。次いで、ワイヤを450℃で1時間の熱処理を施した後、ダイス伸線加工を行って直径80μmの伸線材を作製した。伸線材の金属組織観察から、金属組織を構成している結晶粒の平均結晶粒径は2μmであり、1μm以下の結晶粒の割合は断面積率で20%であった。また、結晶粒の粒界には粒径が20nmのAl3Scのナノ析出物が存在している。
得られた伸線材の導電率を測定し、伸線材から断面積が0.2mm2のケーブルを作製して比較例1と同様のケーブル屈曲試験を行い、実験例3と同様の方法で線材の耐熱性を評価した。導電率の値、ケーブル屈曲試験結果、及び耐熱性の評価結果を表2に示す。
室温におけるケーブル屈曲試験では、破断回数はジルコニウムの含有量が0.01質量%から1.0質量%まで増加するのに伴って、1300万回から700万回まで低下した。ここで、比較例5〜7では、ケーブルの破断回数はそれぞれ950万回、800万回、及び700万回と高い値を示すが、ジルコニウムが金属組織の粒界及び粒内に存在するため導電率が低下し、比較例5〜7の各伸線材からなる導体素線を用いて電線又はケーブルを形成するのは問題がある。
また、線材の耐熱性を評価すると、ほぼ100%となった。一方、ジルコニアを添加しない実験例3の線材の耐熱性は98%であるので、ジルコニアを添加することにより、耐熱性低下を防止できることが確認できた。
純度が99.9質量%のアルミニウム、純度が99質量%のスカンジウム、及び純度が99質量%のジルコニウムを用いて、スカンジウム及びジルコニウムがそれぞれ0.3及び0.1質量%含有されるアルミニウム合金を鋳造して導電材料ブロックを作製した。次いで、350℃で24時間の時効処理を行った後に、導電材料ブロックから、直径が10mmのワイヤロッドを切削加工により取出し、取出したワイヤロッドをスエージング機により直径1.5mmのワイヤに成形した。次いで、ワイヤを450℃で1時間の熱処理を施した後、ダイス伸線加工を行って直径80μmの伸線材を作製した。伸線材の金属組織観察から、金属組織を構成している結晶粒の平均結晶粒径は2μmであり、1μm以下の結晶粒の割合は断面積率で20%であった。また、結晶粒の粒界には粒径が20nmのAl3Scのナノ析出物が存在した。
得られた伸線材の導電率を測定し、伸線材から断面積が0.2mm2のケーブルを作製して比較例1と同様のケーブル屈曲試験を行った。導電率の値及びケーブル屈曲試験の結果を表2に示す。伸線材の導電率は60%IACS、ケーブル屈曲試験の破断回数は940万回であった。
純度が99.95質量%のアルミニウムと、純度が99質量%のスカンジウム、及び純度が99質量%のジルコニウムを用いて、スカンジウム及びジルコニウムがそれぞれ0.3及び0.1質量%含有されるアルミニウム合金を鋳造して導電材料ブロックを作製した。次いで、350℃で24時間の時効処理を行った後に、導電材料ブロックから、直径が10mmのワイヤロッドを切削加工により取出し、取出したワイヤロッドをスエージング機により直径1.5mmのワイヤに成形した。次いで、ワイヤを450℃で0.5時間の熱処理を施した後、ダイス伸線加工を行って直径80μmの伸線材を作製した。伸線材の金属組織観察から、金属組織を構成している結晶粒の平均結晶粒径は2μmであり、1μm以下の結晶粒の割合は断面積率で15%であった。また、結晶粒の粒界には粒径が20nmのAl3Scのナノ析出物が存在した。
得られた伸線材の導電率を測定し、伸線材から断面積が0.2mm2のケーブルを作製して比較例1と同様のケーブル屈曲試験を行った。導電率の値及びケーブル屈曲試験の結果を表2に示す。伸線材の導電率は60%IACS、ケーブル屈曲試験の破断回数は950万回であった。
純度が99.95質量%のアルミニウムと、純度が99質量%のスカンジウム、及び純度が99質量%のジルコニウムを用いて、スカンジウムが0.3質量%、ジルコニウムが0.1質量%含有されるアルミニウム合金を鋳造して導電材料ブロックを作製した。次いで、350℃で8分間、120時間の時効処理をそれぞれ行った後に、導電材料ブロックから、直径が10mmのワイヤロッドを切削加工により取出し、取出したワイヤロッドをスエージング機により直径1.5mmのワイヤに成形した。次いで、ワイヤを450℃で1時間の熱処理をそれぞれ施した後、ダイス伸線加工を行って直径80μmの伸線材を作製した。伸線材の金属組織観察から、金属組織を構成している結晶粒の平均結晶粒径は2μmであり、1μm以下の結晶粒の割合は断面積率で20%であった。また、350℃で8分間の熱処理を行った実験例22では、結晶粒の粒界には粒径が3nmのAl3Scのナノ析出物が、350℃で120時間の熱処理を行った実験例23では、結晶粒の粒界には粒径が60nmのAl3Scのナノ析出物が存在した。
純度が99.95質量%のアルミニウム、純度が99質量%のスカンジウム、及び純度が99質量%のジルコニウムを用いて、スカンジウムが0.3質量%、ジルコニウムが0.1質量%含有されるアルミニウム合金を鋳造して導電材料ブロックを作製した。次いで、325℃で5時間の時効処理を行った後に、導電材料ブロックから、直径が10mmのワイヤロッドを切削加工により取出し、取出したワイヤロッドをスエージング機により直径2.0mmのワイヤに成形した。次いで、ワイヤを325℃で1時間の熱処理をそれぞれ施した後、ダイス伸線加工を行って直径80μmの伸線材を作製した。伸線材の金属組織観察から、金属組織を構成している結晶粒の平均結晶粒径は2μmであり、1μm以下の結晶粒の割合は断面積率で20%であった。また、結晶粒の粒界には粒径が8nmのAl3Scのナノ析出物が存在している。
伸線材の導電率は60%IACS、ケーブル屈曲試験の破断回数は1100万回、線材の耐熱性はほぼ100%となった。
例えば、アルミニウム合金を鋳造して導電材料ブロックを作製し、次いでこの導電材料ブロックの時効処理を行ったが、作製した導電材料ブロックの溶体化処理(例えば550〜600℃)を施した後に時効処理を行ってもよい。
また、導体素線を構成する導体素線径(伸線材の線径)を、80〜120μmとしたが、電線又はケーブルの使用箇所、使用状態に応じて、伸線材の線径は0.05mm以上0.5mm以下の範囲で任意に選択できる。
Claims (13)
- 0.1〜1.0質量%のスカンジウムを含み、残部がアルミニウムと不可避的不純物からなるアルミニウム合金から得られるアルミニウム基導電材料において、
時効処理された前記アルミニウム合金から形成されるワイヤを、ダイス伸線加工を行って、前記アルミニウムの結晶粒内及び粒界に存在している前記スカンジウムを金属間化合物として粒界に析出させ、平均粒径が2μm以下でかつ1μm以下のサイズのものが断面積率で15%以上含まれる結晶粒と、前記結晶粒の粒界に生成されピン止め効果を発揮する平均粒径が1〜60nmであるアルミニウム−スカンジウム系のナノ析出物とを有する金属組織で構成され、300万回の動的駆動試験に耐えることを特徴とするアルミニウム基導電材料。 - 0.1〜1.0質量%(0.1〜0.3質量%を除く)のスカンジウムを含み、残部がアルミニウムと不可避的不純物からなるアルミニウム合金から得られるアルミニウム基導電材料において、
時効処理された前記アルミニウム合金から形成されるワイヤを、ダイス伸線加工を行って、前記アルミニウムの結晶粒内及び粒界に存在している前記スカンジウムを金属間化合物として粒界に析出させ、平均粒径が2μm以下でかつ1μm以下のサイズのものが断面積率で15%以上含まれる結晶粒と、前記結晶粒の粒界に生成されピン止め効果を発揮する平均粒径が1〜60nmであるアルミニウム−スカンジウム系のナノ析出物とを有する金属組織で構成され、300万回の動的駆動試験に耐えることを特徴とするアルミニウム基導電材料。 - 請求項1記載のアルミニウム基導電材料において、前記金属組織には、1μm以下の前記結晶粒が断面積率で20%以上含まれ、1000万回の動的駆動試験に耐えることを特徴とするアルミニウム基導電材料。
- 請求項2記載のアルミニウム基導電材料において、前記金属組織には、1μm以下の前記結晶粒が断面積率で20%以上含まれ、1000万回の動的駆動試験に耐えることを特徴とするアルミニウム基導電材料。
- 0.1〜1.0質量%のスカンジウム及び0を超え0.2質量%以下のジルコニウムを含み、残部がアルミニウムと不可避的不純物からなるアルミニウム合金から得られるアルミニウム基導電材料において、
時効処理された前記アルミニウム合金から形成されるワイヤを、加工度5以上のダイス伸線加工を行って、前記アルミニウムの結晶粒内及び粒界に存在している前記スカンジウムを金属間化合物として粒界に析出させ、平均粒径が2μm以下でかつ1μm以下のサイズのものが断面積率で15%以上含まれる結晶粒と、前記結晶粒の粒界に生成されピン止め効果を発揮する平均粒径が1〜60nmであるアルミニウム−スカンジウム系のナノ析出物とを有する金属組織で構成され、300万回の動的駆動試験に耐えることを特徴とするアルミニウム基導電材料。 - 請求項5記載のアルミニウム基導電材料において、前記金属組織には、1μm以下の前記結晶粒が断面積率で20%以上含まれ、1000万回の動的駆動試験に耐えることを特徴とするアルミニウム基導電材料。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載のアルミニウム基導電材料において、前記ワイヤは熱処理された後、ダイス伸線加工が行われていることを特徴とするアルミニウム基導電材料。
- 請求項1又は3記載のアルミニウム基導電材料を、線径が0.05mm以上0.5mm以下の導体素線に使用することを特徴とする電線。
- 請求項2又は4記載のアルミニウム基導電材料を、線径が0.05mm以上0.5mm以下の導体素線に使用することを特徴とする電線。
- 請求項5又は6記載のアルミニウム基導電材料を、線径が0.05mm以上0.5mm以下の導体素線に使用することを特徴とする電線。
- 請求項1又は3記載のアルミニウム基導電材料を導体素線に使用することを特徴とするケーブル。
- 請求項2又は4記載のアルミニウム基導電材料を導体素線に使用することを特徴とするケーブル。
- 請求項5又は6記載のアルミニウム基導電材料を導体素線に使用することを特徴とするケーブル。
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