JP5773015B2 - 銅合金線 - Google Patents
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Description
近年、環境保護の観点から、自動車から排出される二酸化炭素量を低減するために、自動車車体の軽量化が強く求められている。一方、自動車のエレクトロニクス化が進み、さらに、ハイブリッド車や電気自動車の開発も進んでおり、自動車に用いられる電気系統の部品数は加速的に増加している。これにより、これらの部品をつなぐワイヤーハーネスの使用量が、今後、さらに増加する見込みであり、このワイヤーハーネスの軽量化が求められている。
ここで、ワイヤーハーネスを軽量化する手段として、電線及び銅線の細径化が図られている。また、電線導体及び銅線の細径化によって、ワイヤーハーネスの軽量化とともに小型化も図られることになり、配線スペースを有効活用できるといったメリットもある。
近年、電車の走行速度の高速化が図られているが、新幹線等の高速鉄道においては、電車の走行速度が、トロリ線等の架線に発生した波の伝播速度よりも速くなると、パンタグラフ等の集電装置とトロリ線との接触が不安定となって、安定して給電を行うことができなくなるおそれがある。
ここで、トロリ線の架線張力を高くすることによって、トロリ線における波の伝播速度を高速化することが可能となるため、従来よりもさらに高強度のトロリ線が求められている。
また、上方連続鋳造機、横型連続鋳造機及びホットトップ連続鋳造機により連続鋳造線材を製造し、この連続鋳造線材を冷間加工することによって銅合金線を製造する方法も提案されている。
Co;0.20mass%以上0.35mass%以下、P;0.095mass%超え0.15mass%以下、Sn;0.01mass%以上0.5mass%以下、を含み、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有し、CoとPの原子比Co/Pが、1.2≦Co/P≦1.7の範囲内とされていることを特徴としている。
この場合、CoとPの原子比Co/Pが、Co/P≧1.2とされているので、Co量が十分に確保され、Co及びPの化合物からなる析出物の個数を確保できる。また、CoとPの原子比Co/Pが、Co/P≦1.7とされているので、P量が十分に確保され、Co及びPの化合物からなる析出物の個数を確保できる。なお、析出物を構成するCo及びPの化合物がCo2Pとすると、CoとPの原子比Co/Pは2となるが、Co、Pの偏析が大きい場合には、理論量よりもPを多く含むことで、Co及びPの化合物(Co2P)からなる析出物の個数を確保することが可能となるのである。
この場合、Ni,Feによって、Co及びPの化合物を微細化することができ、さらなる強度の向上を図ることができる。
この場合、銅材料のリサイクル過程で混入するSを、Zn、Ag、Zrによって無害化することができ、中間温度脆性を防止し、銅合金線の強度及び延性を向上させることができる。
この場合、(Co+P)とSnの原子比を上述の範囲に制御することにより、Co及びPの化合物からなる析出物による析出強化と、Snの固溶による固溶強化とをバランスさせることができる。
本実施形態である銅合金線は、Co,P及びSnを含有する析出強化型銅合金からなり、連続鋳造圧延法、又は、連続鋳造法によって製造された連続鋳造線材を冷間加工することによって製造される銅合金線であって、Co;0.20mass%以上0.35mass%以下、P;0.095mass%超え0.15mass%以下、Sn;0.01mass%以上0.5mass%以下、を含み、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有する。また、本実施形態では、CoとPの原子比Co/Pが、1.2≦Co/P≦1.7の範囲内とされている。さらに、本実施形態では、原子比で、(Co+P)/Snが、3.5≦(Co+P)/Sn≦8.5の範囲内とされている。
また、さらにZn;0.002mass%以上0.5mass%以下、Ag;0.002mass%以上0.25mass%以下、Zr;0.001mass%以上0.1mass%以下、のいずれか1種以上を含んでいてもよい。
以下に、各元素の含有量を上述の範囲内に設定した理由について説明する。
Coは、Pとともに、銅の母相中に分散する析出物を形成する元素である。
ここで、Coの含有量が0.20mass%未満の場合には、析出物の個数が不足し、強度を充分に向上させることができないおそれがある。一方、Coの含有量が0.35mass%を超える場合には、強度の向上に寄与しない元素が多く存在し、導電率の低下等を招くおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、Coの含有量を0.20mass%以上0.35mass%以下の範囲内に設定している。
Pは、Coとともに、銅の母相中に分散する析出物を形成する元素である。
連続鋳造圧延方法によって製造した場合には、CoとPの偏析が大きいため、P量を多くしないと、Co及びPの化合物の個数が不足するおそれがある。そのため、Pの含有量が0.095mass%以下の場合には、析出物の個数が不足し、強度を充分に向上させることができないおそれがある。一方、Pの含有量が0.15mass%を超える場合には、導電率の低下等を招くおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、Pの含有量を0.095mass%超え0.15mass%以下の範囲内に設定している。
CoとPは、上述のようにCo及びPの化合物からなる析出物を形成する。ここで、CoとPの原子比Co/Pが1.2未満の場合には、Co量が不足してCo及びPの化合物からなる析出物の個数を十分に確保することができないおそれがある。一方、CoとPの原子比Co/Pが1.7を超える場合には、P量が不足してCo及びPの化合物からなる析出物の個数を十分に確保することができないおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、CoとPの原子比Co/Pを1.2≦Co/P≦1.7の範囲内に設定している。
なお、Co及びPの化合物からなる析出物をとしてはCo2Pが挙げられる。本実施形態では、CoとPの原子比Co/Pを、1.2≦Co/P≦1.7の範囲内に設定しており、Co2Pの理論上の原子比Co/P=2よりも多くのPを含むように構成している。CoとPの偏析が大きい場合には、Pを過剰に含むことによって、Co及びPの化合物からなる析出物の個数を確保することが可能となるのである。
Snは、銅の母相中に固溶することによって強度を向上させる作用を有する元素である。また、CoとPとを主成分とする析出物の析出を促進させる効果や、耐熱性、耐食性を向上させる作用も有する。
ここで、Snの含有量が0.01mass%未満の場合には、上述した作用効果を確実に奏功せしめることができないおそれがある。一方、Snの含有量が0.5mass%を超える場合には、導電率を確保できなくなるおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、Snの含有量を0.01mass%以上0.5mass%以下の範囲内に設定している。さらに望ましくは0.03mass%以上0.1mass%の範囲内が良い。
Co、Pは、上述のようにCo及びPの化合物からなる析出物を形成して析出強化に寄与することになる。一方、Snは、母相中に固溶することにより固溶強化に寄与することになる。よって、(Co+P)/Snを制御することにより、析出強化と固溶強化とをバランスさせることが可能となる。
ここで、(Co+P)/Snが3.5未満の場合には、Snによる固溶強化が中心となってしまい、強度向上を図ろうとすると導電率が低下するため、高い導電率が要求される用途においては強度向上に限界がある。一方、(Co+P)/Snが8.5を超える場合には、Co、Pの化合物による析出強化が中心となり、化合物の析出状態(析出物粒子サイズ、析出均一性)の観点から強度向上の効果が飽和する。また、高温環境下で使用した場合に、強度等が変化してしまうおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、(Co+P)/Snを3.5≦(Co+P)/Sn≦8.5の範囲内に設定している。
Ni及びFeは、Co及びPの化合物からなる析出物を微細化する作用効果を有する元素である。
ここで、Niの含有量が0.01mass%未満の場合あるいはFeの含有量が0.005mass%未満の場合には、上述した作用効果を確実に奏功せしめることができないおそれがある。一方、Niの含有量が0.15mass%を超える場合あるいはFeの含有量が0.07mass%を超える場合には、導電率を確保できなくなるおそれがある。
以上のことから、Niを含有する場合には、Niの含有量を0.01mass%以上0.15mass%以下の範囲内に、Feを含有する場合には、Feの含有量を0.005mass%以上0.07mass%以下の範囲内とすることが好ましい。
Zn,Ag,Zrといった元素は、Sと化合物を生成し、銅の母相中へのSの固溶を抑制する作用効果を有する元素である。
ここで、Zn,Ag,Zrといった元素の含有量がそれぞれ上述の下限値未満の場合には、銅の母相中へのSの固溶を抑制する作用効果を十分に奏功せしめることができない。一方、Zn,Ag,Zrといった元素の含有量がそれぞれ上述の上限値を超える場合には、導電率を確保できなくなるおそれがある。
以上のことから、Zn,Ag,Zrといった元素を含有する場合には、それぞれ上述の範囲内とすることが好ましい。
まず、上記の組成の銅合金からなる銅荒引線50を連続鋳造圧延法によって連続的に製出する(連続鋳造圧延工程S01)。この連続鋳造圧延工程S01においては、例えば図2に示す連続鋳造圧延設備が用いられる。
炉本体の下部には円周方向に複数のバーナ(図示なし)が上下方向に多段状に配備されている。そして、炉本体の上部から原料である電気銅が装入され、前記バーナの燃焼によって溶解され、銅溶湯が連続的に製出される。
この連続圧延装置Eは、ベルトホイール式連続鋳造機Dから製出された鋳塊21を連続的に圧延して、所定の外径の銅荒引線50を製出するものである。
この連続圧延装置Eから製出された銅荒引線50は、洗浄冷却装置15及び探傷器16を介してコイラーFに巻き取られる。
ここで、上述の連続鋳造圧延設備によって製出される銅荒引線50の外径は、例えば8mm以上40mm以下とされており、本実施形態では25mmとされている。
ここで、時効熱処理工程S03では、熱処理温度が200℃以上700℃以下、保持時間が1時間以上30時間以下の条件で実施される。
この2次冷間加工工程S04においては、複数段の加工が実施され、外径0.01mm以上20mm以下の範囲内の銅合金線とする。本実施形態の銅合金線は、外径12mmとされている。
上述の工程により、本実施形態である銅合金線が製造されることになる。
また、本実施形態において、さらにZn;0.002mass%以上0.5mass%以下、Ag;0.002mass%以上0.25mass%以下、Zr;0.001mass%以上0.1mass%以下、のいずれか1種以上を含む場合には、銅材料のリサイクル過程で混入するSを、Zn、Ag、Zrによって無害化することができ、中間温度脆性を防止し、銅合金線の強度及び延性を向上させることができる。
例えば、上述の実施形態では、銅合金線の製造方法の一例として、図2に示すベルトホイール式連続鋳造機を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、ツインベルト式の連続鋳造圧延機等を用いてもよい。
さらに、上方連続鋳造機、横型連続鋳造機及びホットトップ連続鋳造機により連続鋳造線材を製造し、この連続鋳造線材を冷間加工することによって銅合金線を製造してもよい。
(本発明例1−13及び比較例1−6)
ベルトホイール式連続鋳造機を備えた連続鋳造圧延設備を用いて、表1に示す組成の銅合金からなる銅荒引線(外径25mm)を製出した。この銅荒引線に対して、1次冷間加工を実施して外径18mmとした後に、表2記載の条件で時効熱処理を施した。その後、2次冷間加工を実施して外径12mmとした。
表1に示す組成の銅合金からなる外径240mmのビレットを準備し、950℃に再加熱して熱間押出を実施した。得られた押出材を1次冷間加工して外径18mmとした後に、表2記載の条件で時効熱処理を施した。その後、2次冷間加工を実施して外径12mmとした。
引張強度は、JIS Z 2241に準拠し、島津製作所製AG−100kNXを用いて引張試験を実施し、引張強度を測定した。結果を表2に示す。
導電率は、JIS H 0505に準拠して、ダブルブリッジ法によって測定した。
評価結果を表2に示す。
さらに、本発明例1において、連続鋳造圧延工程における中間圧延材の断面中央部から5mm×5mmの観察用試料を採取し、EPMA分析によって、CoとPの線分析を実施した。その結果を図4に示す。
Co、Pの含有量が本発明の範囲よりも多い比較例2,4においては、導電率が低かった。
Snの含有量が本発明の範囲よりも少ない比較例5においては、引張強度が不十分であった。Snの固溶硬化が不十分であったためと推測される。
Snの含有量が本発明の範囲よりも多い比較例6においては、導電率が低かった。
特に、本発明例1においては、熱間押出工程を含む製造方法で製造された従来例と同等の強度を有していた。なお、図3及び図4から、従来例では、Co,Pの偏析が解消されているのに対して、本発明例1では、Co,Pの偏析が解消されていない。本発明例1では、偏析が解消されていなくても十分な強度が得られていることが確認された。
さらに、Ni,Fe、Zn、Mg、Ag、Zrを含む本発明例6−9においては、これらの元素を含有していないものに比べて強度がさらに向上していることが確認される。
また、Snの含有量が多い本発明例10−13においては、導電率が若干低いものの強度が大幅に向上している。
(本発明例21−28)
上方連続鋳造機を用いて、表3に示す組成の銅合金からなる連続鋳造線材(外径25mm)を製出した。この連続鋳造線材に対して、1次冷間加工を実施して外径18mmとした後に、500℃×4時間の条件で時効熱処理を施した。その後、2次冷間加工を実施して外径12mmとした。
横型連続鋳造機を用いて、表3に示す組成の銅合金からなる連続鋳造線材(外径25mm)を製出した。この連続鋳造線材に対して、1次冷間加工を実施して外径18mmとした後に、500℃×4時間の条件で時効熱処理を施した。その後、2次冷間加工を実施して外径12mmとした。
ホットトップ連続鋳造機を用いて、表3に示す組成の銅合金からなる連続鋳造線材(外径25mm)を製出した。この連続鋳造線材に対して、1次冷間加工を実施して外径18mmとした後に、500℃×4時間の条件で時効熱処理を施した。その後、2次冷間加工を実施して外径12mmとした。
(本発明例51−64)
次に、例えばワイヤーハーネスのように強度と導電率との高いバランスが要求される用途向けとして、表4に示すように、(Co+P)/Snを制御した銅合金線を評価した。
Claims (4)
- Co,P及びSnを含有する析出強化型銅合金からなり、連続鋳造圧延法、又は、連続鋳造法によって製造された連続鋳造線材を冷間加工することによって製造される銅合金線であって、
Co;0.20mass%以上0.35mass%以下、P;0.095mass%超え0.15mass%以下、Sn;0.01mass%以上0.5mass%以下、を含み、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有し、
CoとPの原子比Co/Pが、1.2≦Co/P≦1.7の範囲内とされていることを特徴とする銅合金線。 - さらに、Ni;0.01mass%以上0.15mass%以下、Fe;0.005mass%以上0.07mass%以下のいずれか1種以上を含むことを特徴とする請求項1に記載の銅合金線。
- さらに、Zn;0.002mass%以上0.5mass%以下、Ag;0.002mass%以上0.25mass%以下、Zr;0.001mass%以上0.1mass%以下、のいずれか1種以上を含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の銅合金線。
- 原子比で(Co+P)/Snが、3.5≦(Co+P)/Sn≦8.5の範囲内とされていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の銅合金線。
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