JP5986770B2 - 電線及び金属線材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電線及び金属線材の製造方法に関する。

従来、電線などの素材として導電性の金属線材（素線）が利用されており、この金属線材の製造方法として、材料導体を一軸方向に引っ張りつつダイスを通して細く引き伸ばす伸線加工が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載の製造方法は、一般的な伸線加工を施して材料導体を引き伸ばした後に、この材料導体を屈曲させる曲げ加工（二次加工）を施すものであり、このような曲げ加工を施して得られた素線は、導体中の結晶粒が微細な等軸粒となることで、その強度が高められている。

特開２００８−２１８１７６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたような従来の製造方法により得られた金属線材では、その強度は十分に高められているものの、延性の向上が不十分であり、さらなる延性向上を図った金属線材の開発が望まれていた。

本発明は、強度のみならず延性も十分に高められた高強度かつ高延性の金属線材及び電線を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本件出願人が鋭意研究を行ったところ、金属線材における軸直交断面の硬度分布と延性との間に強い相関を見出し、適切な硬度分布を付与することにより金属線材の高強度化かつ高延性化が実現可能であるとの知見を得た。

請求項１に記載の電線は、結晶粒径が１μｍ以下の超微細金属組織を有する金属線材を一又は複数備えた電線であって、前記金属線材が、軸直交断面において、中心部から特定径方向の特定周辺部に向かって硬度が低下した硬度分布を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の電線は、請求項１に記載された電線において、中心から半径の１／２を超えた外縁側において、前記特定周辺部の硬度が前記中心部よりも１０％以上低下していることを特徴とする。

請求項３に記載の電線は、請求項１又は２に記載の電線において、中心部から前記特定周辺部と径方向の反対側に位置する反対周辺部の硬度が、前記中心部の硬度の±１０％の範囲であり、かつ、前記特定周辺部の硬度よりも高いことを特徴とする。

請求項４に記載の金属線材の製造方法は、結晶粒径が１μｍ以下の超微細金属組織を有する金属線材の製造方法であって、伸線加工によって金属線材の径方向の周辺部の硬度を中心部よりも高くする工程と、前記伸線加工後に施す二次加工によって前記中心部から特定径方向の特定周辺部の硬度を前記中心部よりも低下させる工程と、を含むことを特徴とする。

請求項５に記載の金属線材の製造方法は、請求項４に記載された金属線材の製造方法において、前記二次加工後における前記中心部の硬度が該二次加工前よりも高く、前記二次加工後における前記特定周辺部の硬度が該二次加工前よりも１０％以上低下していることを特徴とする。

請求項１に記載された発明によれば、中心部から特定径方向の特定周辺部に向かって硬度が低下した硬度分布を備えたことで、大幅な延性の向上を図ることができる。ここで、特定周辺部とは、軸直交断面における周方向の限定された範囲（例えば、３０°〜９０°程度の扇形の範囲）でもよいし、それよりも広い範囲（例えば、９０°〜１８０°）でもよいし、さらには略全周に亘る範囲でもよい。このような本願発明の金属線材と比較して、従来の一般的な伸線加工を施しただけの金属線材は、中心部よりも周辺部の硬度が高くなるという硬度分布を備えている。このため従来の金属線材では、強度の向上を図ることはできるものの、硬度の高い周辺部が脆性的になりやすいことから十分な延性が得られない。これに対して本願発明の金属線材は、その中心部よりも周辺部の硬度が低下した硬度分布を備えたことで、軟化した周辺部が延びやすくて亀裂等が生じにくくなり、これによって金属線材の延性が向上する。また、延性が向上した金属線材を用いて電線が構成されるので、電線を製造する際の金属線材の断線を防止することができる。特に、複数の金属線材を撚り合わせた撚り線によって電線を構成する場合には、撚り合わせる際の断線が防止できることで、電線の製造効率や歩留まりを向上させて製造コストを低減させることができる。

請求項２に記載された発明によれば、中心から半径の１／２を超えた外縁側において、
特定周辺部の硬度が中心部よりも１０％以上低下している、即ち、特定周辺部の硬度が中
心部の硬度の９０％以下になっていることで、特定径方向の過半の範囲を特定周辺部とす
ることができ、軟化した特定周辺部によって金属線材の延性の向上をより確実に図ること
ができる。

請求項３に記載された発明によれば、硬度が中心部の±１０％の範囲で、かつ、特定周
辺部よりも高い反対周辺部を備えることで、軸直交断面において、中心部を挟んで特定周
辺部側と反対周辺部側とで硬度が不均一、即ち中心軸に対して非対称な硬度分布を有する
ことで、金属線材の強度と延性をバランスよく向上させることができる。

請求項４に記載された発明によれば、伸線加工後における径方向の周辺部の硬度が中心
部よりも高くなった材料金属に対して二次加工を施すことで、伸線加工によって硬くなっ
た周辺部のうち、特に特定周辺部を軟化させることによって延性を向上させることができ
る。

請求項５に記載された発明によれば、二次加工によって、二次加工前よりも中心部の硬
度を高めるとともに特定周辺部の硬度を１０％以上低下させることで、金属線材の強度を
高めつつ延性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る金属線材の製造方法を示す断面図である。 前記金属線材の製造方法を詳しく説明する図である。 前記金属線材の機械的性質（強度−歪）を示すグラフである。 前記金属線材の硬度比を示すグラフである。

本発明の一実施の形態にかかる金属線材について図１〜図４に基づいて説明する。本実施形態の金属線材１は、例えば、電線用の素線として利用されるものである。電線としては、一本の金属線材１を絶縁被覆で覆った単線や、複数の金属線材１を撚り合わせた上で絶縁被覆で覆った撚り線、さらには同軸ケーブルやシールド線等に用いられる編組線などが例示できる。このような電線は、例えば、自動車に搭載される電子機器間を接続するワイヤハーネスとして用いられたり、バッテリや発電機に接続される電力線として用いられたりなど、その用途は特に限定されない。また、金属線材１としては、例えば、銅、銅合金を素材とした軟銅線、錫めっき銅線又はニッケルめっき銅線や、アルミやアルミニウム合金を素材としたアルミ線やアルミニウム合金線等が例示できる。

金属線材１は、図１に示すように、材料金属２に対して、一次加工である伸線加工と、二次加工である曲げ加工と、を施すことによって製造される。先ず、伸線加工は、複数（本実施形態では、３箇所）のダイス３を用いて、徐々に内径が小さくなるダイス３に材料金属２を順次通過させることで、一軸方向（図中の矢印Ｘで示す方向）に引き伸ばしていく。複数のダイス３は、それぞれ材料金属２を挿通させる成形孔４を有し、成形孔４は、引き伸ばし方向の上流側に開口した円錐台形状の大径部４Ａと、引き伸ばし方向の下流側に開口した円筒状の小径部４Ｂと、を有して構成されている。

次に、曲げ加工は、曲げ伸ばし型５と、その下流の図示しない引張装置とを用いて、材料金属２を一軸方向に引っ張りつつ、その途中で材料金属２を比較的小さな曲げ半径で屈曲させることで、材料金属２をさらに引き伸ばしていく。曲げ伸ばし型５は、内部で略直角に折れ曲がった挿通孔６と、この挿通孔６の折れ曲がり部分の内側に設けられた送りローラ７と、を有して構成されている。挿通孔６は、引き伸ばし方向の上流側（図１の左側）に開口して材料金属２を受け入れる受入部６Ａと、引き伸ばし方向の下流側（図１の上側）に開口して材料金属２（金属線材１）を送り出す送出部６Ｂと、を有し、これらの受入部６Ａと送出部６Ｂとが略９０°交差して設けられている。

送りローラ７は、受入部６Ａと送出部６Ｂとの交差位置内側に設けられ、図２（Ａ）にも示すように、材料金属２の曲げ半径（内径）ｒに応じた直径を有して形成されるとともに、図示しない駆動手段としてのモータ等によって回転駆動されるものである。この送りローラ７は、曲げ伸ばし型５よりも下流側に位置する引張装置を補助して材料金属２を一軸方向に送るものであり、即ち、材料金属２の周面のうち屈曲部の内周面２Ａに対して摩擦力を作用させる。一方、材料金属２の屈曲部の外周面２Ｂには、送り方向への摩擦力が作用せず、屈曲による引っ張り力が作用することとなる。従って、曲げ伸ばし型５によって屈曲されつつ引き伸ばされる材料金属２の断面内の応力σとしては、内周面２Ａの応力σｉと外周面２Ｂの応力σｏｉとで一軸方向に沿った応力履歴が相違することとなる。

材料金属２の断面内の応力履歴について、図２（Ｂ）に示す概念図に基づいて具体的に説明する。なお、図２（Ｂ）においては、縦軸＋側を引張応力とし、縦軸−側を圧縮応力として示す。先ず、内周面２Ａの応力σｉは、屈曲による圧縮力に加えて送りローラ７の摩擦力が作用することによって、一旦、圧縮側に大きな応力値を示すこととなり、その後、引張装置によって引っ張られることで、引張側に漸増していくような応力履歴を受けることとなる。一方、外周面２Ｂの応力σｏは、屈曲によって引張側に増加するものの、その後、挿通孔６の送出部６Ｂで直線的に引っ張られることで、漸減しつつも常に引張側となる応力履歴を受けることとなる。

以上のように加工した金属線材１の引張強度と断面内の硬度分布との測定結果を図３及び図４に基づいて説明する。ここで、図３のグラフは、引張強度と歪との関係を示すものであって、このグラフにおいて、加工前の材料金属２が一点鎖線で示され、伸線加工後で曲げ加工前の材料金属２が細実線で示され、及び曲げ加工後の金属線材１が太実線で示されている。図３に示すように、加工前の材料金属２（一点鎖線）と比較して、伸線加工後の材料金属２（細実線）及び曲げ加工後の金属線材１（太実線）ともに引張強度が大幅に増加していることが分かる。また、伸線加工後の材料金属２と比較して、曲げ加工後の金属線材１は、引張強度が１０％程度低下しているものの、破断歪が３０％程度増加しており、強度の低下と比較して延性の向上が図られていることが分かる。ここで、金属線材１は、結晶粒径が１μｍ以下の超微細金属組織を有し、これによって高い引張強度が得られるものであり、曲げ加工後においても結晶粒径に大きな変化が生じていないことが分かる。

次に、図４のグラフは、伸線加工後で曲げ加工前の材料金属２（図中、菱形）及び曲げ加工後の金属線材１（図中、四角形）における断面内の硬度分布を示すものである。図４において、グラフの横軸は、材料金属２及び金属線材１における径方向位置であり、グラフの縦軸は、硬度比を示すものである。さらに、図４において、各グラフの右側に前記内周面２Ａ側の硬度比が示され、各グラフの左側に前記外周面２Ｂ側の硬度比が示されている。ここで、本発明における特定径方向としては、内周面２Ａと外周面２Ｂとを結ぶ直径に沿った方向であり、内周面２Ａ側に向かう径方向を意味し、即ち、特定周辺部とは、内周面２Ａ側の周辺部を意味するものである。また、図４（Ａ）のグラフにおける硬度比は、各位置で測定した硬度をある一点の硬度で基準化したものであり、図４（Ｂ）のグラフにおける硬度比は、曲げ加工後（二次加工後）の金属線材１の各位置の硬度を、対応する各位置ごとに伸線加工後で曲げ加工前（二次加工前）の材料金属２の硬度で基準化したものである。

先ず、図４（Ａ）のグラフにおいて、伸線加工後（二次加工前）の材料金属２の硬度分布は、断面の中心部（グラフの横軸中央）よりも径方向両側に向かって徐々に硬度が高くなり、半径の１／２の距離を超えた周辺部において硬度が最大値となるものであり、断面の中心に対して左右対称かつ中心部よりも周辺部が硬い硬度分布となっている。一方、曲げ加工後（二次加工後）の金属線材１の硬度分布は、断面の中心部において硬度が最大値となり、内周面２Ａ側（特定径方向の特定周辺部側であり、グラフの右側）に向かって片下がりで硬度が低下し、外周面２Ｂ側（特定径方向の反対周辺部側であり、グラフの左側）に向かって若干低下しつつも大きく硬度が低下しないものであり、断面の中心に対して左右非対称の硬度分布となっている。特に、二次加工後の金属線材１の内周面２Ａ側（特定周辺部側）において、半径の１／２の距離では、中心部よりも１０％以上の硬度低下が見られ、外縁部（グラフの右端）では、中心部よりも２０％以上の硬度低下が見られる。一方、外周面２Ｂ側（反対周辺部側）では、中心部に対して±１０％の範囲の硬度を有していることが分かる。

次に、図４（Ｂ）のグラフにおいて、二次加工前に対して二次加工後の硬度を比較すると、断面の中心部では１０％程度硬くなり、内周面２Ａ側（特定周辺部側）では、半径の１／２の位置で１０％程度軟らかくなり（曲げ加工前後の硬度比が約９０％となり）、内周面２Ａ側の外縁で２０％程度軟らかくなっている（曲げ加工前後の硬度比が約８０％となる）ことが分かる。一方、外周面２Ｂ側（反対周辺部側）では、さほど大きな硬度変化が見られず、５％程度以内の硬度低下に収まっている（曲げ加工前後の硬度比が約９５％〜１０５％の範囲となる）ことが分かる。このことから、前述のような送りローラ７を用いた曲げ加工によって、特定径方向における特定周辺部側と反対周辺部側とで硬度が大きく変化し、これによって前述の図３に示したように、引張強度の低下を抑えつつ破断歪を大幅に延ばすことができ、延性の向上を図った金属線材１が得られることが判明した。従って、高い延性を有する金属線材１を用いて電線を製造することにより、金属線材１の断線を防止することができ、特に、撚り線によって電線を構成する場合には、撚り合わせる際の断線が防止できることで、電線の製造効率や歩留まりを向上させて製造コストを低減させることができる。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

例えば、前記実施形態の金属線材１は、複数のダイス３を用いた伸線加工（一次加工）と、曲げ伸ばし型５及び送りローラ７を用いた曲げ加工（二次加工）と、によって製造されるものに限られない。即ち、伸線加工としては、複数のダイス３を用いたものに限らず、連続した挿通孔を有した伸線装置を用いて材料金属２を一軸方向に引き伸ばすものであってもよい。また、二次加工としては、曲げ加工に限らず、伸線加工後の材料金属２を直線的に引き伸ばすものでもよいし、捩じりを加えながら引き伸ばすものでもよく、さらには、適宜な熱処理（例えば、焼鈍し等）によって特定周辺部の硬度を低下させてもよい。また、本発明の金属線材を構成する材料は、前述した銅、銅合金、アルミ、アルミニウム合金に限らず、アモルファス金属を除き、結晶構造を有したものであればよく、特に、金属線材としては、結晶粒径が１μｍ以下の超微細金属組織を有したものが好ましい。さらに、金属線材の材料は、単一元素又は複数元素からなるものでもよいし、添加元素が入っていてもよいし、あるいは第二相析出などからなる金属組織を有したものであってもよい。

１ 金属線材
２ 材料金属

Claims (5)

1. 結晶粒径が１μｍ以下の超微細金属組織を有する金属線材を一又は複数備えた電線であって、
   前記金属線材が、軸直交断面において、中心部から特定径方向の特定周辺部に向かって硬度が低下した硬度分布を備えたことを特徴とする電線。
2. 中心から少なくとも半径の１／２を超えた外縁側において、前記特定周辺部の硬度が前記中心部よりも１０％以上低下していることを特徴とする請求項１に記載の電線。
3. 中心部から前記特定周辺部と径方向の反対側に位置する反対周辺部の硬度が、前記中心部の硬度の±１０％の範囲であり、かつ、前記特定周辺部の硬度よりも高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の電線。
4. 結晶粒径が１μｍ以下の超微細金属組織を有する金属線材を製造する金属線材の製造方法であって、
   伸線加工によって金属線材の径方向の周辺部の硬度を中心部よりも高くする工程と、前記伸線加工後に施す二次加工によって前記中心部から特定径方向の特定周辺部の硬度を前記中心部よりも低下させる工程と、を含むことを特徴とする金属線材の製造方法。
5. 前記二次加工後における前記中心部の硬度が該二次加工前よりも高く、前記二次加工後における前記特定周辺部の硬度が該二次加工前よりも１０％以上低下していることを特徴とする請求項４に記載の金属線材の製造方法。

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