JP6396067B2

JP6396067B2 - バスバー用アルミニウム合金板及びその製造方法

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Publication number: JP6396067B2
Application number: JP2014081332A
Authority: JP
Inventors: 英貴中西; 峰生浅野
Original assignee: UACJ Corp
Current assignee: UACJ Corp
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2018-09-26
Anticipated expiration: 2034-04-10
Also published as: CN105917013A; EP3130684B1; US20170092386A1; KR20160141822A; EP3130684A4; US10475547B2; KR101843343B1; WO2015156319A1; CN105917013B; EP3130684A1; JP2015203117A

Description

本発明は、バスバー用アルミニウム合金板及びその製造方法に関する。

例えば、新幹線、リニアモーターカー、ハイブリッド自動車、電気自動車等の輸送機械には、ＰＣＵ（Power Control Unit）等の配線用導電部材として、無酸素銅、タフピッチ銅、リン脱酸素銅等の、優れた導電性および強度を有する純銅板よりなるバスバーが用いられている。また、純銅板よりも高い強度が必要な場合には、導電性の高い銅合金板に電解Ｎｉめっきを施したバスバー等が用いられている。

近年では、輸送機械のエネルギー効率を向上させる観点から、構成部品の軽量化が強く望まれている。しかし、銅は、導電部材として用いられる金属の中では、比較的比重が大きいため、軽量化には限界がある。また、銅は、材料コストが高いという問題がある。

かかる問題の対策として、銅に比べて安価であり、比重の小さいアルミニウム合金製のバスバーが検討されている。バスバー用のアルミニウム材の例としては、例えば、導電性に優れたＪＩＳＡ１０６０材（特許文献１）や、強度に優れたＪＩＳＡ６１０１材（特許文献２）等が提案されている。

特開２０１１−１９３８５号公報特開２００９−２３８８３１号公報

通常、バスバーは、条材や板材に曲げ加工を施し、配線スペースに合致する形状に成形される。そのため、バスバーの素材として用いられるアルミニウム材には、優れた曲げ加工性を有することが求められる。しかしながら、例えば１０００系アルミニウム材等の優れた曲げ加工性を有する材料は、バスバーに要求される強度特性を満足することが難しい。一方、例えば６０００系アルミニウム材等の高い強度を有する材料は、溶体化処理や人工時効処理により強度面及び導電性の要求を満足できるものの、曲げ加工性が低く、割れが生じ易いという問題がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、強度及び導電性が高く、優れた曲げ加工性を有するバスバー用アルミニウム合金板及びその製造方法を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、Ｍｇ：０．３〜０．９％（質量％、以下同じ。）、Ｓｉ：０．２〜１．２％、Ｃｕ：０．２％以下、Ｆｅ：０．５％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる化学成分を有し、
Ａｌ母相中に、Ｍｇ及びＳｉを含有する針状粒子が９００〜４０００個／μｍ^２存在し、
上記Ａｌ母相中に存在するＦｅ系粒子は、平均円相当径が５μｍ以下であり、かつ、２μｍを超える円相当径を有する粒子の数が１００００個／ｍｍ^２以下であり、
１８０度密着曲げ試験において割れが生じないという曲げ加工性を有することを特徴とするバスバー用アルミニウム合金板にある。

本発明の他の態様は、上記の態様のバスバー用アルミニウム合金板の製造方法であって、
Ｍｇ：０．３〜０．９％（質量％、以下同じ。）、Ｓｉ：０．２〜１．２％、Ｃｕ：０．２％以下、Ｆｅ：０．５％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる化学成分を有する板材を準備し、
４４．５％以上の圧下率で上記板材に冷間圧延を行い、
該板材に溶体化処理を施した後、
１〜１０％の圧下率で上記板材にスキンパスを行い、
その後、上記板材に人工時効処理を施すことを特徴とするバスバー用アルミニウム合金板の製造方法にある。

上記バスバー用アルミニウム合金板（以下、「アルミニウム合金板」という。）は、上記特定の化学成分を有している。そのため、上記アルミニウム合金板は、バスバーに要求される強度特性及び導電性を比較的容易に満足することができる。

また、上記アルミニウム合金板には、上記Ａｌ母相中にＭｇ及びＳｉを含有する上記針状粒子が必須に含まれており、上記針状粒子の数が上記特定の範囲内に制御されている。さらに、Ｆｅに由来する上記Ｆｅ系粒子が上記Ａｌ母相中に含まれる場合には、上記Ｆｅ系粒子の粒径分布が上記特定の範囲に規制されている。このように、上記アルミニウム合金板は、上記特定の化学成分に加えて上記のようにきめ細かく制御された金属組織を具備していることにより、従来の６０００系アルミニウム合金板に比べて曲げ加工の際に割れにくく、優れた曲げ加工性を有する。

以上のように、上記アルミニウム合金板は、強度及び導電性が高く、優れた曲げ加工性を有する。

また、上記アルミニウム合金板の製造方法は、溶体化処理を施した上記板材に上記特定の範囲の圧下率でスキンパスを施した後、人工時効処理を施す工程を含んでいる。このように、溶体化処理、スキンパス及び人工時効処理をこの順で行うことにより、得られるアルミニウム合金板の金属組織を所望の状態に制御することができる。その結果、強度及び導電性が高く、曲げ加工性に優れた上記アルミニウム合金板を容易に作製することができる。

溶体化処理後にスキンパスを行い、その後人工時効処理を行ったアルミニウム合金板の金属組織の例を示す図面代用写真。溶体化処理の後、スキンパスを行わずに人工時効処理を行ったアルミニウム合金板の金属組織の例を示す図面代用写真。

上記アルミニウム合金板について、以下に詳説する。

＜化学成分＞
・Ｍｇ：０．３〜０．９％
Ｍｇ（マグネシウム）は、Ｓｉと共存することにより針状粒子を析出させ、析出強化によりアルミニウム合金板の強度を向上させる作用を有する。一方、針状粒子として析出しないＭｇはＡｌ母相に固溶しているため、Ｍｇの固溶量が過度に多くなると導電率が低下する傾向がある。

Ｍｇの含有量を０．３〜０．９％とすることにより、アルミニウム合金板の強度特性、導電性及び曲げ加工性を向上させることができる。同じ観点から、Ｍｇの含有量を０．３５〜０．８５％にすることが好ましい。Ｍｇの含有量が０．３％未満の場合には、針状粒子の数が過少となり、アルミニウム合金板の強度が低くなる。一方、Ｍｇの含有量が０．９％を超える場合には、針状粒子の数が過多となるため、曲げ加工性が低下し、アルミニウム合金板に割れが発生しやすくなる。また、Ｍｇの含有量が０．９％を超える場合には、バスバーに要求される導電性を満足することが難しい。

・Ｓｉ：０．２〜１．２％
Ｓｉ（シリコン）は、Ｍｇと共存することにより針状粒子を析出させ、アルミニウム合金板の強度を向上させる作用を有する。Ｓｉの含有量を０．２〜１．２％の範囲とすることにより、アルミニウム合金板の強度特性及び曲げ加工性を向上させることができる。同じ観点から、Ｓｉの含有量を０．２５〜１．１％にすることが好ましい。

Ｓｉの含有量が０．２％未満の場合には、針状粒子の数が過少となり、アルミニウム合金板の強度が低くなる。一方、Ｓｉの含有量が１．２％を超える場合には、針状粒子の数が過多となるため、曲げ加工性が低下し、アルミニウム合金板に割れが発生しやすくなる。

・Ｃｕ：０．２％以下
Ｃｕ（銅）は、使用する原料の種類によってある程度混入する可能性がある。Ｃｕは曲げ加工の際にせん断帯の形成を促進する作用を有する。せん断帯が存在すると、曲げ加工の際に生じる微小な割れがせん断帯を伝播して拡大し、アルミニウム合金板に割れが発生し易くなる。それ故、Ｃｕの含有量が過度に多くなると曲げ加工性の低下を招く。また、Ｃｕの含有量が多くなると、導電率が低下する傾向がある。そのため、Ｃｕの含有量を０．２％以下に規制することにより、上述の問題を回避し、アルミニウム合金板の導電性及び曲げ加工性を向上させることができる。同じ観点から、Ｃｕの含有量を０．１％以下に規制することが好ましい。

・Ｆｅ：０．５％以下
Ｆｅ（鉄）は、Ｃｕと同様に、使用する原料の種類によってある程度混入する可能性がある。Ｆｅの含有量が多くなると、Ａｌ母相中に粗大なＦｅ系粒子を発生させ易くなる。粗大なＦｅ系粒子は曲げ加工の際に割れの起点となり得るため、Ｆｅの含有量が過度に多くなると曲げ加工性の低下を招き、アルミニウム合金板に割れが発生しやすくなる。そのため、Ｆｅの含有量を０．５％以下に規制することにより、上述の問題を回避し、アルミニウム合金板の曲げ加工性を向上させることができる。同じ観点から、Ｆｅの含有量を０．４％以下に規制することが好ましい。

＜金属組織＞
・針状粒子
Ａｌ母相に含まれる第二相粒子のうち、Ｍｇ及びＳｉを含有し、針状を呈する粒子を針状粒子という。針状粒子は、人工時効処理により析出し、析出強化によりアルミニウム合金板の強度を向上させる作用を有する。また、針状粒子が多く析出するほどＡｌ母相中のＭｇ固溶量が相対的に低下するため、針状粒子の数が多いほど導電率が高くなる傾向がある。それ故、針状粒子の数を９００個／μｍ^２以上とすることにより、アルミニウム合金板の強度及び導電性を向上させることができる。

一方、針状粒子の数が過度に多くなると、曲げ加工性の低下を招き、アルミニウム合金板に割れが発生しやすくなる。かかる問題を回避する観点から、針状粒子の数は４０００個／μｍ^２以下とする。従って、針状粒子の数を９００〜４０００個／μｍ^２の範囲に制御することにより、アルミニウム合金板の強度特性、導電性及び曲げ加工性を向上させることができる。なお、Ａｌ母相中には、Ｍｇ及びＳｉを含み、針状以外の形状を呈する析出物や晶出物が含まれることがあるが、これらの析出物等は、アルミニウム合金板の強度特性、導電性及び曲げ加工性を向上させる効果を有しない。

・Ｆｅ系粒子
Ａｌ母相中に含まれる第二相粒子のうち、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｆｅ系の晶出物や析出物よりなる粒子をＦｅ系粒子という。Ｆｅ系粒子は、アルミニウム合金板にＦｅが含まれる場合に形成される。Ａｌ母相中に粗大なＦｅ系粒子が存在すると、曲げ加工における割れの起点となり、曲げ加工性の低下を招く。従って、曲げ加工性に優れたアルミニウム合金板を得るために、Ｆｅ系粒子の平均円相当径を５μｍ以下に規制し、かつ、２μｍを超える円相当径を有する粒子の数を１００００個／ｍｍ^２以下に規制する。なお、アルミニウム合金板は、例えば、Ｆｅを含まない化学成分とする等の方法により、Ｆｅ系粒子を含まない構成とすることも可能である。Ａｌ母相中にＦｅ系粒子が存在しない場合であっても、アルミニウム合金板の強度特性、導電性及び曲げ加工性が低下することはない。

＜導電率及び引張強さ＞
アルミニウム合金板は、１７０ＭＰａ以上の引張強さ及び５５％ＩＡＣＳ以上の導電率を有することが好ましい。かかる特性を有するアルミニウム合金板は、バスバーに要求される強度特性及び導電性を十分に満足するため、バスバーの素材として好適である。

次に、上記アルミニウム合金板の製造方法について詳説する。

まず、上記特定の化学成分を有する板材を準備する。板材の作製工程及び条件は特に限定されないが、通常、鋳塊に均質化処理及び熱間圧延を順次施すことにより板材を作製することができ、熱間圧延の後に必要に応じて冷間圧延を追加しても良い。均質化処理における加熱温度は、例えば、４５０〜５８０℃の範囲から適宜選択することが好ましい。また、熱間圧延は、例えば、板材の温度が４００〜５５０℃である間に圧延を開始し、圧延終了時の温度が２００〜３５０℃となるように行うことが好ましい。熱間圧延後に冷間圧延を行う場合には、板材の温度を２００℃未満として行うことができる。上記冷間圧延における圧下率は、溶体化処理において結晶粒が粗大化しない条件を採用することが好ましい。

次いで、板材に溶体化処理を施す。溶体化処理においては、まず、所定の温度に到達するまで板材を加熱する。この時の板材の到達温度は、４８０〜６００℃の範囲内に設定することが好ましい。板材が所定の温度に到達した後、すぐに加熱を終了しても良く、所定の温度に一定時間保持した後に加熱を終了しても良い。板材の温度を保持する場合の保持時間は、５分以下とすることが好ましい。

溶体化処理の後、板材に、１〜１０％の圧下率でスキンパスを施す。上記特定の範囲の圧下率でスキンパスを施すことにより、得られるアルミニウム合金板の曲げ加工性を改善することができる。これは、以下の理由によるものである。

針状粒子は、通常、人工時効処理において結晶粒内に高密度かつ微細に析出し易い。そして、針状粒子が高密度に分布することにより、曲げ加工に伴うせん断帯の形成が促進され、曲げ加工の際に割れが発生しやすくなる。一方、板材に上記のスキンパスを施すと、スキンパスにより導入された転位上に針状粒子が優先的に析出するため、上記のスキンパスを施さない場合に比べて針状粒子の密度を低くすることができる。その結果、曲げ加工性が向上し、割れの発生を抑制できる。

スキンパスにおける圧下率が１％未満の場合には、上述した転位の導入が不十分となり、針状粒子の密度が過度に高くなるため曲げ加工性が低下する。一方、圧下率が１０％を超える場合には、加工硬化量が過度に大きくなるため、曲げ加工性が低下してアルミニウム合金板に割れが発生しやすくなる。従って、過度の加工硬化を回避しつつ曲げ加工性を向上させる観点から、圧下率を１〜１０％とする。同様の観点から、圧下率を１．５〜９％とすることが好ましい。

スキンパスの後、板材に人工時効処理を施す。人工時効処理における処理条件は、上記特定の金属組織が得られる条件であればよく、上記特定の金属組織に加えて上記特定の範囲の引張強さ及び導電率が得られる条件であることが好ましい。具体的には、以下の処理条件を採用することができる。まず、所定の温度に到達するまで板材を加熱する。この時の板材の到達温度は、１６０〜２１０℃の範囲内で設定することが好ましい。板材が所定の温度に到達した後、すぐに加熱を終了しても良く、所定の温度に一定時間保持した後に加熱を終了しても良い。板材の温度を保持する場合の保持時間は、３０時間以下とすることが好ましい。

（実施例１）
上記アルミニウム合金板の実施例について、以下に説明する。本例においては、表１に示す化学成分（合金Ａ〜Ｍ）を有するアルミニウム合金圧延板（試験材１〜１３）を作製し、引張強さ、導電率及び曲げ加工性について評価を行った。

試験材の作製は、以下の手順により行った。まず、ＤＣ鋳造により、表１に示す化学成分を有する厚さ５００ｍｍ、幅５００ｍｍの鋳塊を作製した。得られた鋳塊を５５０℃で１２時間加熱して均質化処理を行った後、熱間圧延を行って厚さ６．０ｍｍの粗圧延板を作製した。なお、熱間圧延の開始時における鋳塊の温度は５５０℃とした。また、熱間圧延終了時の粗圧延板の温度は３５０℃であった。その後、粗圧延板に冷間圧延を施し、厚さ２．１ｍｍの板材を準備した。

次に、板材を加熱して溶体化処理を行った。溶体化処理における板材の到達温度は５５０℃とし、５５０℃に到達した後の保持時間は１分とした。溶体化処理の後、５％の圧下率でスキンパスを行い、板材の厚さを２．０ｍｍにした。その後、板材を加熱して人工時効処理を行った。人工時効処理における板材の到達温度は１７０℃とし、１７０℃に到達した後の保持時間は８時間とした。以上により、アルミニウム合金板（試験材１〜１３）を得た。

得られた試験材を用いて、金属組織観察、引張試験、導電率測定及び１８０度密着曲げ試験を行った。各試験の詳細を以下に説明する。

＜金属組織観察＞
・針状粒子の数の評価
厚み方向における試験材の中心部から、板面に平行な薄片状試料を採取した。透過型電子顕微鏡を用いて、薄片状試料を倍率５００００倍で観察した電子顕微鏡像を取得した。得られた電子顕微鏡像の画像解析を行い、視野内に存在する針状粒子の個数を計測した。そして、針状粒子の個数を視野面積で除して単位面積当たりの個数（個／μｍ²）に換算した。なお、上記の手法は、微細な第二相粒子の観察方法として一般的であるが、上記手法に基づいて針状粒子の粒子径を測定することは困難である。

図１及び図２に、電子顕微鏡像の一例を示す。図１は、Ｍｇ：０．６％、Ｓｉ：０．５％を含有するアルミニウム合金よりなり、溶体化処理後に９％の圧下率でスキンパスを行った後、さらに人工時効処理を行ったアルミニウム合金板の電子顕微鏡像である。図２は、上記において、溶体化処理後に、スキンパスを行うことなく人工時効処理を行ったアルミニウム合金板の電子顕微鏡像である。図１及び図２のいずれにおいても、Ａｌ母相中に、図の斜め方向に伸びた針状粒子（符号Ｐ）が存在していることが確認できる。また、スキンパスを行ったアルミニウム合金板（図１）は、スキンパスを行わないアルミニウム合金板（図２）に比べて視野内に存在する針状粒子の数が少ないことが理解できる。

・Ｆｅ系粒子の粒径分布評価
厚み方向における試験材の中心部に、板面に平行な断面を露出させた。走査型電子顕微鏡を用い、当該断面を倍率５００倍で観察した電子顕微鏡像を取得した。得られた電子顕微鏡像の画像解析を行い、視野内に存在するＦｅ系粒子の円相当径を算出し、度数分布を作成した。そして、当該度数分布に基づいてＦｅ系粒子の平均円相当径及び２μｍを超える円相当径を有するＦｅ系粒子の数を算出した。

＜引張試験＞
ＪＩＳＺ２２４１に規定された試験方法に準じて引張試験を行い、試験材の引張強さを測定した。なお、引張試験片は、長手方向と圧延方向とが平行となるように採取した。また、引張試験においては、引張強さが１７０ＭＰａ以上の試験材を合格と判定した。

＜導電率測定＞
導電率測定器（日本フェルスター社製「ＳＩＧＭＡＴＥＳＴ２．０６９」）を用い、２５℃における試験材の導電率を測定した。なお、導電率測定においては、導電率が５５％ＩＡＣＳ以上の試験材を合格と判定した。

＜１８０度密着曲げ試験＞
ＪＩＳＺ２２４８に規定された試験方法に準じて、試験材から採取した条材を用いて１８０度密着曲げ試験を行い、試験後の割れの有無を目視により確認した。なお、１８０度密着曲げ試験は、予備曲げ時の内側曲げ半径が２．０ｍｍとなるように行った。また、１８０度密着曲げ試験においては、試験後の割れがない試験材を合格と判定した。

表２に、各評価の結果を示す。なお、各評価において合格と判定されなかった項目は、表２中に下線を付して示した。

表１及び表２より知られるように、試験材１〜７は、上記特定の化学成分（合金Ａ〜Ｇ）を有し、かつ、上記特定の金属組織を有している。そのため、試験材１〜７は、優れた引張強さ、導電率及び曲げ加工性を示した。試験材１〜７は、バスバーに要求される特性を満足しており、バスバーの素材として好適である。

試験材８は、Ｍｇの含有量が少ない合金Ｈを用いたため、針状粒子の数が過少となった。その結果、引張試験において不合格と判定された。
試験材９は、Ｍｇの含有量が多い合金Ｉを用いたため、針状粒子の数が過多となった。その結果、１８０度密着曲げ試験において不合格と判定された。また、Ｍｇの含有量が多いため、導電率測定において不合格と判定された。

試験材１０は、Ｓｉの含有量が少ない合金Ｊを用いたため、針状粒子の数が過少となった。その結果、引張試験において不合格と判定された。
試験材１１は、Ｓｉの含有量が多い合金Ｋを用いたため、針状粒子の数が過多となった。その結果、１８０度密着曲げ試験において不合格と判定された。

試験材１２は、Ｃｕの含有量が多い合金Ｌを用いたため、導電率測定及び１８０度密着曲げ試験において不合格と判定された。
試験材１３は、Ｆｅの含有量が０．５％を超える合金Ｍを用いたため、粗大なＦｅ系粒子の数が過多となった。その結果、１８０度密着曲げ試験において不合格と判定された。

（実施例２）
本例は、スキンパスを施す際の圧下率を変更して作製したアルミニウム合金板の例である。本例においては、まず、ＤＣ鋳造により、Ｍｇ：０．６５％、Ｓｉ：０．４０％、Ｃｕ：０．０２％、Ｆｅ：０．２５％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる化学成分を有し、厚さ５００ｍｍ、幅５００ｍｍの寸法を有する鋳塊を作製した。得られた鋳塊を５６０℃で１０時間加熱して均質化処理を行った後、熱間圧延を行って厚さ４．０ｍｍの粗圧延板を作製した。なお、熱間圧延の開始時における鋳塊の温度は５６０℃とした。また、熱間圧延終了時の粗圧延板の温度は３３０℃であった。次いで、表３に示す圧下率で粗圧延板に冷間圧延を行い、板材を準備した。

次に、板材を加熱して溶体化処理を行った。溶体化処理における板材の到達温度は５６０℃とし、５６０℃に到達した後の保持時間は３０秒とした。溶体化処理の後、表３に示す圧下率でスキンパスを行い、板材の厚さを２．０ｍｍにした。その後、板材を加熱して人工時効処理を行った。人工時効処理における板材の到達温度は１８０℃とし、１８０℃に到達した後の保持時間は６時間とした。以上により、アルミニウム合金板（試験材２１〜２５）を得た。

得られた試験材を用いて、実施例１と同様に各種評価を実施した。その結果を表４に示す。なお、各評価において合格と判定されなかった項目は、表４中に下線を付して示した。

表３及び表４より知られるように、試験材２１〜２３は、スキンパスを上記特定の範囲の圧下率で行ったため、引張強さ、導電率及び曲げ加工性のいずれも優れた特性を示した。試験材２１〜２３は、バスバーに要求される特性を満足しており、バスバーの素材として好適である。

一方、試験材２４は、スキンパスにおける圧下率が１％未満であったため、１８０度密着曲げ試験において不合格と判定された。
試験材２５は、スキンパスにおける圧下率が１０％を超えたため、加工硬化量が過度に大きくなり、１８０度密着曲げ試験において不合格と判定された。

Claims

Ｍｇ：０．３〜０．９％（質量％、以下同じ。）、Ｓｉ：０．２〜１．２％、Ｃｕ：０．２％以下、Ｆｅ：０．５％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる化学成分を有し、
Ａｌ母相中に、Ｍｇ及びＳｉを含有する針状粒子が９００〜４０００個／μｍ^２存在し、
上記Ａｌ母相中に存在するＦｅ系粒子は、平均円相当径が５μｍ以下であり、かつ、２μｍを超える円相当径を有する粒子の数が１００００個／ｍｍ^２以下であり、
１８０度密着曲げ試験において割れが生じないという曲げ加工性を有することを特徴とするバスバー用アルミニウム合金板。
１７０ＭＰａ以上の引張強さ及び５５％ＩＡＣＳ以上の導電率を有することを特徴とする請求項１に記載のバスバー用アルミニウム合金板。
請求項１または２に記載のバスバー用アルミニウム合金板の製造方法であって、
Ｍｇ：０．３〜０．９％（質量％、以下同じ。）、Ｓｉ：０．２〜１．２％、Ｃｕ：０．２％以下、Ｆｅ：０．５％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる化学成分を有する板材を準備し、
４４．５％以上の圧下率で上記板材に冷間圧延を行い、
該板材に溶体化処理を施した後、
１〜１０％の圧下率で上記板材にスキンパスを行い、
その後、上記板材に人工時効処理を施すことを特徴とするバスバー用アルミニウム合金板の製造方法。