JP6243607B2

JP6243607B2 - アルミニウム合金線、電線、ケーブル、ワイヤハーネス、及び、アルミニウム合金線の製造方法

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Publication number: JP6243607B2
Application number: JP2013008721A
Authority: JP
Inventors: 潤大後藤
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: US10249401B2; PH12015501506A1; JP2014139334A; CN104968816A; WO2014112636A1; EP2947165A1; CN104968816B; US20150325325A1

Description

本発明は、アルミニウム合金線、および、このアルミニウム合金線を導体として用いる電線およびケーブル、並びに、ワイヤハーネスに関する。

導体用アルミニウム合金線として、特許文献１には、Ｍｇを０．２％以上１．０％以下、Ｓｉを０．１％以上１．０％以下、Ｃｕを０．１％以上０．５％以下含有し、残部がＡｌ及び不純物からなり、前記Ｍｇ及びＳｉの質量比Ｍｇ／Ｓｉが０．８≦Ｍｇ／Ｓｉ≦２．７を満たす配合のアルミニウム合金線が開示されている。

この合金線は、「鋳造（連続鋳造あるいはビレット鋳造）、圧延、溶体化処理、時効処理、伸線処理、最終熱処理」の工程で製造することで、引張強さ１２０〜２００ＭＰａ、伸び率１０％以上、導電率５８％ＩＡＣＳ以上の直径０．２〜１．５ｍｍのアルミニウム合金線を製造することが可能となる。

このような技術において、昨今の自動車軽量化の二一ズから、アルミニウム電線に対して、その細径化の要求が高まっている。自動車用アルミニウム電線の規格としては、ＪＡＳＯＤ６０３があるが、この規格によると、最も小さい電線サイズは、０．７５ｓｑ（断面積が０．７５ｍｍ²）であり、また、導体を構成する素線の性能として、引張り強が７０ＭＰａ以上、伸びが１０％以上、導電率が５８％ＩＡＣＳ以上と定められている。

この０．７５ｓｑより細い導体サイズは、ＪＡＳＯＤ６１１に規定される自動車用銅電線のサイズを参考とすると、０．５ｓｑ（断面積が０．５ｍｍ^２）、０．３５ｓｑ（断面積が０．３５ｍｍ^２）、０．２２ｓｑ（断面積が０．２２ｍｍ^２）、０．１３ｓｑ（断面積が０．１３ｍｍ^２）の各規格が将来的に予想される。

ここで、一般に、導体サイズが小さくなると共に、電線の耐荷重は低下するので、このような細い導体を供給する場合には、素線の高強度化が必要となる。例えば、０．５ｓｑ以下の導体サイズでは、導体サイズが０．７５ｓｑの電線と同等の電線の耐荷重性能を得るためには、素線には１００ＭＰａ以上の引張り強さが望まれる。

特許文献１で提案されているアルミニウム合金線では、上記のように引張強さ１２０〜２００ＭＰａ、伸び率１０％以上、導電率５８％ＩＡＣＳ以上の、直径０．２〜１．５ｍｍのアルミニウム合金線を製造することが可能であると記載されているが、上記で述べた０．７５ｓｑより細いアルミニウム電線の導体として用いた場合に、素線強度の不足が懸念される。このように、高強度、十分な伸び、及び、十分な導電性と云う要求を全て満足する導体用アルミニウム合金線が必要とされる。

特許第４６４６９９８号公報

本発明は、上記した従来の問題点を改善する、すなわち、自動車用電線のアルミニウ導体として、導体断面積が０．７５ｓｑより細いアルミニウム電線において、十分な強度、十分な伸び、及び、十分な導電性と云う要求を全て満足することができることを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決する上で、次のような技術的な困難に直面した。

強加工により高い加工ひずみが残った組織に時効処理を施す場合、転位線や結晶粒界面上に粗大なＭｇ₂Ｓｉ安定層が析出しやすくなるため、時効硬化能（時効による強度増加量）はひずみ量の増加に伴い低下し、また、延性も低下することが予想される。

このような問題を避けるためにＴ６処理工程（ＪＩＳ規格に基づく熱処理工程；最終線径において溶体化処理を施し、加工ひずみを除去した後に時効処理を施す）が適当と思われたが、検討の結果、このＴ６処理工程では、溶体化処理により、結晶粒が線径に対して極端に粗大となり（例えば、線径φ３２０μｍに対して結晶粒が１００μｍとなる）、強度は高いものの脆性的な特性を有する材料となることが判明した。

そこで、本発明者等は、加工ひずみが残留している状態で時効処理した場合でも、できるだけ結晶粒内に微細な析出物が形成されるようなマグネシウムおよびケイ素の添加量、時効処理条件、時効処理時の加工ひずみ等について種々の検討を行って、本発明に至った。

すなわち、本発明のアルミニウム合金線は、上記課題を解決するため、請求項１に記載の通り、（イ）マグネシウムの原子基準含有量（Ｍ）（ａｔ％）とケイ素（Ｓｉ）の原子基準含有量（Ｓ）（ａｔ％）とが、下記式（１）および式（２）で示される範囲であり、残部がアルミニウムおよび不可避不純物により構成されるアルミニウム合金線であり、（ロ）断面における金属組織の平均結晶粒サイズが３μｍ以上２０μｍ以下であり、（ハ）断面における金属組織の析出物サイズが１００ｎｍ以下であり、かつ、（ニ）断面における析出物の数密度が１個／μｍ^２以上であり、引張強さが１５０ＭＰａ以上、引張伸び率が１０％以上、かつ、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とするアルミニウム合金線である。

［数１］
０．２ ≦ Ｍ ≦ １．１９ ……（１）
−０．８１Ｍ＋１．４４ ≦ Ｓ ≦ −１．５４Ｍ＋２．３１……（２）

また、本発明の電線は、請求項２に記載の通り、請求項１に記載のアルミニウム合金線を導体として有することを特徴とする。

また、本発明のケーブルは、請求項３に記載の通り、請求項１に記載のアルミニウム合金線を導体として有することを特徴とする。

また、本発明の自動車用ワイヤハーネスは、請求項４に記載の通り、請求項２に記載の電線を有することを特徴とする。

また、本発明のアルミニウム合金線の製造方法は、請求項５に記載の通り、（イ）原料を、マグネシウムの原子基準含有量（Ｍ）（ａｔ％）とケイ素（Ｓｉ）の原子基準含有量（Ｓ）（ａｔ％）とを、下記式（１）および式（２）で示される範囲として、残部をアルミニウムおよび不可避不純物により構成し、前記原料を鋳造することにより得られた鋳造塊を伸線して、伸線したものに溶体化処理を施した後、最終線径まで断面減少率９９％以上で更に伸線加工し、次いで２００℃以上２５０℃以下で０．５時間以上１時間以下の時効処理を施し、（ロ）断面における金属組織の平均結晶粒サイズが３μｍ以上２０μｍ以下であり、（ハ）断面における金属組織の析出物サイズが１００ｎｍ以下であり、かつ、（ニ）断面における析出物の数密度が１個／μｍ^２以上であるアルミニウム合金線を製造することを特徴とする。
［数２］
０．２ ≦ Ｍ ≦ １．１９ ……（１）
−０．８１Ｍ＋１．４４ ≦ Ｓ ≦ −１．５４Ｍ＋２．３１ ……（２）

本発明のアルミニウム合金線によれば、自動車用電線のアルミニウム導体として用いた場合、導体断面積が０．７５ｓｑより細いアルミニウム電線において、十分な強度、十分な伸び、及び、十分な導電性と云う要求を全て満足する電線を実現させることができる。また、導体断面積が０．３５ｓｑの電線において望まれる、１５０ＭＰａ以上の引張り強さを有するアルミニウム合金線を得ることができる。また、素線として求められるこのような高強度で、自動車用電線の導体として適度な伸びと導電性とを有するアルミニウム合金線を得ることができる。

図１は、式（１）および式（２）で示される範囲を図示した図面である。図２は本発明にかかる電線（被覆電線）のモデル断面図である。図３は実施例

本発明のアルミニウム合金線において、その組成は、マグネシウムの原子基準含有量（Ｍ）（ａｔ％）とケイ素（Ｓｉ）の原子基準含有量（Ｓ）（ａｔ％）とが、下記式（１）および式（２）で示される範囲であり、残部がアルミニウムおよび不可避不純物により構成されることが必要である。なお、図１において、横軸をマグネシウムの原子基準含有量（Ｍ）（ａｔ％）とし、縦軸をケイ素（Ｓｉ）の原子基準含有量（Ｓ）（ａｔ％）としたときに、ハッチングされた三角形として示される範囲（境界を含む）が式（１）および式（２）を満足する範囲である。

［数３］
０．２ ≦ Ｍ ≦ １．１９ ……（１）
−０．８１Ｍ＋１．４４ ≦ Ｓ ≦ −１．５４Ｍ＋２．３１ ……（２）

マグネシウムの量が少なすぎると強度が１５０ＰＭａ未満となり、多すぎると伸びが１０％未満となる。

また、マグネシウムに対するケイ素の量が少なすぎると強度が１５０ＰＭａ未満となり、多すぎると伸びが１０％未満となる。

本発明のアルミニウム合金線の構成成分は、上記マグネシウムおよびケイ素以外はアルミニウムであるが、不可避不純物が含有されていてもよい。不可避不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、ルビジウム（Ｐｂ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、スズ（Ｓｎ）、バナジウム（Ｖ）、ガリウム（Ｇａ）、ホウ素（Ｂ）、ナトリウム（Ｎａ）などが挙げられ、０．０７質量％以下であることが、本発明の効果を損なわないために好ましい。

本発明のアルミニウム合金線の断面における金属組織の平均結晶粒サイズが３μｍ以上２０μｍ以下であることが必要である。

金属組織の平均結晶粒サイズが小さすぎると伸びが１０％未満となる。また素線のサイズに対して平均結晶粒サイズが大きすぎても伸びが１０％未満となる。

そして、本発明のアルミニウム合金線の断面における金属組織の析出物サイズが１００ｎｍ以下であることが必要である。

金属組織中には、Ｍg₂ＳｉやＳｉなどの析出物が生じるがこれら析出物サイズが大きすぎると強度が１５０ＰＭａ未満となる。

さらに、断面における析出物の数密度が１個／μｍ²以上であることが必要である。析出物の数密度が少なすぎると強度が１５０ＰＭａ未満となる。

ここで、このようなアルミニウム合金線は次のようにして得ることができる。

原料にJIS H 2102に規定される１種アルミニウム地金、純ＭｇまたはＡｌ−Ｍｇ合金、Ａｌ−Ｓｉ合金を使用し、これらを所定の配合比になるように調合して、るつぼ等の容器で溶解した後に、鋳型に流し込んで鋳造塊を得る。この鋳造塊を圧延機、伸線により所定のサイズまで加工し、例えば５２０℃程度以上に加熱して溶体化処理を施した後、空冷し、次いで、伸線機により所定の最終線径（例えば、０．５ｓｑ、０．３５ｓｑ、０．２２ｓｑ、０．１３ｓｑ等）まで断面減少率９９％以上で伸線加工し、必要に応じて巻き取る。圧延までの工程は、連続鋳造圧延機を用いても可能である。

次いで、時効処理を行う。処理条件としては、２００℃以上２５０℃以下で０．５時間以上１時間以下である。

時効処理の温度が低すぎると伸びが１０％未満となる場合があり、高すぎると強度が１５０ＰＭａ未満となる場合がある。特に好ましい範囲は２３０℃以上２４０℃以下である。

また、時効処理の処理時間が短すぎると伸びが１０％未満となる場合があり、長すぎると強度が１５０ＰＭａ未満となる場合がある。特に好ましい時間としては０．５時間以上０．７５時間以下である。

このような時効処理を行った後、通常の芯線と同様に、必要に応じて撚り合わせや圧縮を行って導体を得た後、押出成形により被覆電線（図２に本発明に係るアルミニウム金属線を芯線1とした被覆電線のモデル断面図を示す。図中符号２は被覆層である）とし、あるいは複数本束ねて一本に外装してケーブル、ワイヤーハーネスとする。時効処理は、より合わせ、圧縮を行った後に行うことも可能である。

このようにして得た電線は、十分な強度、十分な伸び、そして、十分な導電性を有するため、自動車用アルミニウム細径電線として好適に用いることができる。

以上、本発明について、好ましい実施形態を挙げて説明したが、本発明のアルミニウム合金線、電線、ケーブル、及び、ワイヤハーネスは、上記実施形態の構成に限定されるものではない。

当業者は、従来公知の知見に従い、本発明のアルミニウム合金線、電線、ケーブル、及び、ワイヤハーネスを適宜改変することができる。このような改変によってもなお本発明のアルミニウム合金線、電線、ケーブル、及び、ワイヤハーネスを具備する限り、もちろん、本発明の範疇に含まれるものである。

以下に本発明のアルミニウム金属線について実施例を示してより具体的に説明する。

＜鋳造工程＞
マグネシウム、ケイ素をそれぞれ表１に示した実施例１〜９、比較例１〜４のそれぞれの配合比となるようにアルミニウムに配合して、るつぼで溶解した後に、鋳型に流し込んで、それぞれ鋳造塊を得た。

＜圧延・伸線工程＞
上記それぞれの鋳造塊を圧延機、伸線機により所定のサイズまで加工を行い、線径φ１８ｍｍ（後述する減面率９９．９％の延伸加工用）、φ３．２ｍｍ（後述する減面率９９％の延伸加工用）の２種類の圧延後材料を得た。ここまでの工程は連続鋳造圧延機、伸線機を使用しても可能である。

＜溶体化処理工程＞
上記の圧延・伸線後材料のそれぞれに、５２０℃、３０分の溶体化処理を行い、溶体化後材料を得た。このときの不可避不純物についてＩＣＰ発光分析装置を用いて分析したところ、主として亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、ルビジウム（Ｐｂ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、スズ（Ｓｎ）、バナジウム（Ｖ）、ガリウム（Ｇａ）、ホウ素（Ｂ）、ナトリウム（Ｎａ）が含有されており、その量はいずれの鋳造塊においても０．０７質量％以下であった。

＜伸線加工工程＞
上記の溶体化後材料について、空冷後、それぞれ伸線機を用いて、表１に示す減面率で伸線加工を行いボビンにそれぞれ巻き取った。なお、これら金属線の最終線径はφ３２２μｍであった。

＜時効処理＞
上記で伸線加工を行って得た金属線を、巻き取ったままの状態で、それぞれ表１に示す条件で時効処理を行った。その後、空冷して、１３種類の時効処理を行ったアルミニウム金属線を得た。

＜評価＞
上記１３種類の時効化処理を行ったアルミニウム金属線について、クロスセクションポリッシャを用いて切断し、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察して、平均結晶粒サイズ、平均析出物サイズ、および、平均析出物数密度を調べた。

具体的には、平均結晶粒サイズは、素線断面の中心から外周部に向かって１５０μｍ×５０μｍの範囲でＥＢＳＤにより結晶方位測定を行った結果から、結晶方位差２°以上を結晶粒界として、判別した結晶粒のサイズについて、面積比による加重平均で求めた。

平均析出物サイズは、ＴＥＭ／ＥＤＸ分析によるＡｌ、Ｍｇ、Ｓｉの元素マッピングでＭｇ₂Ｓｉ析出物、及び、Ｓｉ析出物を確認し、無作為に選んだ計５０個、の析出物のサイズについて、算術平均して求めた。

平均析出物数密度はＴＥＭ／ＥＤＸ分析によるＡｌ、Ｍｇ、Ｓｉの元素マッピングでＭｇ₂Ｓｉ析出物、及び、Ｓｉ析出物を確認し、確認した析出物の個数を測定し、面積で除して求めた。

また、上記１３種類の溶体化処理を行ったアルミニウム金属線について、ＪＩＳＺ２２４１に準拠して、引張強度と伸び率を測定し、またＪＩＳＨ０５０５に準拠して導電率を測定した。

これら評価結果を表１に併せて記載した。

また、図３に、実施例９に係るアルミニウム金属線の断面の走査型電子顕微鏡による写真を示す。

表１より、本発明に係るアルミニウム金属線は、引張強度が１５０ＭＰａ以上、伸び率が１０％以上、そして、導電率が５０％ＩＡＣＳであることが求められると想定される、細径アルミニウム電線の基準想定値をいずれも満足していることが理解される。

１芯線
２被覆層

Claims

（イ）マグネシウムの原子基準含有量（Ｍ）（ａｔ％）とケイ素（Ｓｉ）の原子基準含有量（Ｓ）（ａｔ％）とが、下記式（１）および式（２）で示される範囲であり、残部がアルミニウムおよび不可避不純物により構成されるアルミニウム合金線であり、
（ロ）断面における金属組織の平均結晶粒サイズが３μｍ以上２０μｍ以下であり、
（ハ）断面における金属組織の析出物サイズが１００ｎｍ以下であり、かつ、
（ニ）断面における析出物の数密度が１個／μｍ^２以上であり、
引張強さが１５０ＭＰａ以上、引張伸び率が１０％以上、かつ、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とするアルミニウム合金線。
［数１］
０．２ ≦ Ｍ ≦ １．１９ ……（１）
−０．８１Ｍ＋１．４４ ≦ Ｓ ≦ −１．５４Ｍ＋２．３１ ……（２）
請求項１に記載のアルミニウム合金線を導体として有することを特徴とする電線。
請求項１に記載のアルミニウム合金線を導体として有することを特徴とするケーブル。
請求項２に記載の電線を有することを特徴とする自動車用ワイヤハーネス。
（イ）原料を、マグネシウムの原子基準含有量（Ｍ）（ａｔ％）とケイ素（Ｓｉ）の原子基準含有量（Ｓ）（ａｔ％）とを、下記式（１）および式（２）で示される範囲として、残部をアルミニウムおよび不可避不純物により構成し、
前記原料を鋳造することにより得られた鋳造塊を伸線して、伸線したものに溶体化処理を施した後、最終線径まで断面減少率９９％以上で更に伸線加工し、次いで２００℃以上２５０℃以下で０．５時間以上１時間以下の時効処理を施し、
（ロ）断面における金属組織の平均結晶粒サイズが３μｍ以上２０μｍ以下であり、
（ハ）断面における金属組織の析出物サイズが１００ｎｍ以下であり、かつ、
（ニ）断面における析出物の数密度が１個／μｍ^２以上であるアルミニウム合金線を製造することを特徴とするアルミニウム合金線の製造方法。
［数２］
０．２ ≦ Ｍ ≦ １．１９ ……（１）
−０．８１Ｍ＋１．４４ ≦ Ｓ ≦ −１．５４Ｍ＋２．３１ ……（２）