JP6396279B2 - 電線用導体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、強度が高く、導電率が高いことから、小径化、軽量化が可能であるためにワイヤーハーネスに使用する極細電線の導体として好適に用い得る電線用導体の製造方法に関する。

銅合金導体において、導体材料の使用量の減量、電線の小径化、及び、軽量化を実現するために導体材料の材料強度の高強度化が求められている。

ここで、高強度化の方法として、主として加工硬化（転位強化）、結晶粒微細化強化、固溶強化、析出強化、及び、分散強化の５つの方法が挙げられる。

このうち、高導電性が求められる分野への応用を考えた場合、電気抵抗上昇の原因となる固溶強化による強化方法は一般的に用いることができないと考えられる。また、加工硬化、及び、結晶粒微細化強化は大きなひずみを材料に与えて強度を向上させているために、耐熱性が低く、高温環境による強度低下が激しいために、伸線加工を行う電線分野では充分な強度を得ることができない。さらに、特許文献１（特開２００９−１８５３２０号公報）や特許文献２（特開２００１−２９５０１１号公報）に記載の析出強化の場合、熱処理により組織中に析出元素を分散させるために、比較的高い導電率特性は得られるが、熱処理を行うため十分に高い強度は得られない。そして、分散強化では、母相金属中に酸化アルミニウム（Ａｌ₂０₃）等の非金属分散物を分散させるのが一般的であるが、極細導体の場合には分散物が相対的に大きな異物となり、母材と分散物との界面を起点として破壊が発生してしまう恐れが高い。

特開２００９−１８５３２０号公報 特開２００１−２９５０１１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、強度が高く、導電率が高いことから、小径化、軽量化が可能で極細電線に応用可能な電線用導体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の電線用導体は上記課題を解決するため、請求項１に記載の通り、銅からなる母相中に金属結晶からなる第二相が多数分散されている合金から構成された電線用導体の製造方法であって、銅に、前記第二相を形成するための元素を添加して鋳造し、その後３０℃／秒以上の速度で冷却した銅合金を、前記第二相が前記電線用導体の長手方向に配向する針状形状となるように伸線加工するものであり、かつ、前記第二相が、クロム、バナジウム、ニオブ、イットリウム、タンタル、タングステン、鉄からなる群より選択される１種以上からなり、前記第二相を構成する金属元素が、前記銅合金に対して、内割りで１ａｔ％以上１０ａｔ％以下含まれることを特徴とする電線用導体の製造方法である。

また、本発明の電線用導体の製造方法は、請求項２に記載の通り、請求項１に記載の電線用導体の製造方法において、前記銅合金が、前記第二相を形成するための元素としてのクロムを５ａｔ％、銅を９５ａｔ％の割合で含む合金であり、かつ、１６００℃で溶融し、３０℃／秒で室温まで冷却させた合金であることを特徴とする。

また、本発明の電線用導体の製造方法は、請求項３に記載の通り、請求項１または請求項２に記載の電線用導体の製造方法において、前記伸線加工が、減面率９９．７５％で伸線処理を行う加工であることを特徴とする。

本発明の電線用導体の製造方法によれば、強度が高く、導電率が高いことから、小径化、軽量化が可能で極細電線に応用可能な電線用導体を得ることができる。また、引張強度が９００ＭＰａを満足する高強度の電線用導体を得ることができる。

この電線用導体の製造方法によれば、第二相が針状形状に形成されていることにより高強度の電線用導体を得ることが可能となる。

請求項２に記載の電線用導体の製造方法によれば、引張強度は９００ＭＰａを満足させ、かつ、導電率ＥＣが７０％ＩＡＣＳを満足させることができる。

図１は銅、クロムの二元合金状態図である。 図２（ａ）は伸線加工前の、銅からなる母相中に金属結晶からなる第二相が多数分散されている合金内の第二相の分散状体を示すモデル図である。図２（ｂ）は伸線加工後の、銅からなる母相中に金属結晶からなる第二相が多数分散されている合金から構成された電線用導体であって、前記金属結晶が針状形状であり、かつ、前記電線用導体の長手方向（図中両矢印方向）に配向している状態を示すモデル図である。 本発明の電線用導体の長さ方向断面の走査型電子顕微鏡写真である。図３（ａ）針状形状のクロム−銅合金結晶からなる第二相が多数分散されている合金から構成された電線用導体の走査型電子顕微鏡写真である。図３（ｂ）針状形状のニオブ−銅合金結晶からなる第二相が多数分散されている合金から構成された電線用導体の走査型電子顕微鏡写真である。

本発明の電線用導体は、一般的な電線の導体として用いることができるが、特に極細導体、特にワイヤーハーネス分野で信号伝達用電線用途に用いられる断面積が０．０５ｍｍ²（０．０５ｓｑ）（素線直径０．２５ｍｍ）以下の導体に好適に用いることができる。このような導体は電線使用上、最低破断強度が必要であるために、引張強度が９００ＭＰａ以上、導電性が７０％ＩＡＣＳ以上が求められるが、一般的な技術では、線径が細いために充分な強度が得られないが、本発明では銅からなる母相中に金属結晶からなる第二相が多数分散されている合金から構成された電線用導体であって、前記金属結晶が針状形状であり、かつ、前記電線用導体の長手方向に配向している構成を有しているためにこの要求に応えることができる。

母相は一般的な純銅（例えばＣ１０２０。純度９９．９５ｗｔ％）をそのまま用いて形成することができる。

針状の第二相は、前記銅合金の鋳造時、あるいは、前記銅合金の線材加工時の熱処理時によって前記母相中に分散形成された第二相が、該銅合金の伸線処理により形成することができる。

このような第二相は銅に、銅の融点よりも高い融点を有する共晶を銅とともに形成する元素、または／及び、銅よりも融点の高い金属結晶を添加したのち鋳造することで得ることができる。

銅の融点よりも高い融点を有する共晶を銅とともに形成する元素としては、クロム、バナジウム、ニオブなどが挙げられ、このうち、実用上、実現可能な融点範囲を有する共晶を形成することができるので、クロム、及び、ニオブであることが好ましい。

また、銅よりも融点の高い体心立方格子構造（ｂｃｃ）を有する金属元素結晶としては、ニオブ、クロム、イットリウム、タンタル、タングステン、鉄などの金属元素結晶が挙げられる。ここで、体心立方格子構造を有する金属元素結晶以外の金属結晶、すなわち、面心立体格子構造や稠密六方格子構造を有する金属元素結晶では銅に対する固溶限が高い、もしくは、銅と金属間化合物を形成するために充分な強度及び導電率が得られないことがある。

ここで、金属元素結晶を構成する元素としては、融点が銅の融点よりもできるだけ高いこと、かつ、銅への固溶量が少ないことが好ましく、さらに、固溶量が高温では大きく、かつ、温度が低くなるほど急激に低下しその温度がなるべく低い温度であることが好ましい。

ここで、体心立方格子構造を有する結晶を形成するクロムの場合、銅との二元合金状態図（図１）に示されるように融点は１８６３℃超と銅の１０８３℃よりも８００℃以上も高く、銅への固溶量は１ａｔ％未満であり、８００℃ではほとんど固溶できなくなる。さらにクロムへの銅の固溶量も極めてわずかであるために、銅にクロムを添加し溶融した場合、冷却後に、純銅に近い母相内に、純クロムに近い組性を持つクロム−銅合金が第二相として分散した構造が形成される（図２（ａ）参照）。

第二相の分散量としては、１ａｔ％以上１０ａｔ％以下の範囲であることが、高強度を維持しながら導電率を満足できる範囲に高めるために、好ましい。

鋳造は、当然、銅の融点以上、そして、銅の融点よりも高い融点を有する共晶を銅とともに形成する元素を添加する場合には、その共晶が発生する温度以上で行う必要がある。

鋳造後の冷却は、３０℃／秒以上の比較的速い速度で行うことが、第二相として分散した構造が形成されやすいので好ましい。

冷却後、伸線処理を行う。これはダイスを用いた一般的な方法で行うことができる。この伸線処理により、母相中の第二相は針状に延伸されるとともに配向される（図２（ｂ）参照）。

ここで、銅に対してクロムを５ａｔ％添加し、１６００℃で溶融し、３０℃／秒で室温まで冷却させた合金を減面率（伸線前から伸線後の線材の断面積減少率）９９．７５％で伸線処理を行うと、母相中の結晶からなる針状の第二相同士の距離が０．２５μｍ以下とすることができ、このとき、引張強度は９００ＭＰａを満足させ、かつ、導電率ＥＣが７０％ＩＡＣＳを満足させることができる。

以下に本発明の電線用導体の実施例について具体的に説明する。

純銅（母相材）としてＣ１０２０を用いた。

これに、金属元素のニオブ、あるいは、クロム（体心立方格子）を、それぞれ１．８ａｔ％となるようにそれぞれ加え、１６００℃に加熱して鋳造し、３０℃／秒で室温まで冷却させてそれぞれ合金塊（形状：直径２ｃｍ、長さ７ｃｍ）を得た。

その後、ダイスを用いて減面率が９９．９１％となるように伸線処理を行い、それぞれ断面直径が０．１４ｍｍの導体を得た。

それぞれの組織について走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察を行ったところ、母相中に針状の結晶（第二相）が形成されており、その長さ／太さの商（平均値）はともに１００〜１５０であり、針状の第二相同士の距離はとも０．２５μｍであった。

図３（ａ）には針状形状のクロム−銅合金結晶からなる第二相が多数分散されている合金から構成された電線用導体の長さ方向断面走査型電子顕微鏡写真を、図３（ｂ）には針状形状のニオブ−銅合金結晶からなる第二相が多数分散されている合金から構成された電線用導体の長さ方向断面走査型電子顕微鏡写真示す。

これらの導体（銅−ニオブ合金導体、銅−クロム合金導体）、及び、Ｃ１０２０について、ＪＩＳ Ｚ２２０１及びＪＩＳ Ｚ２２４１に準拠して、引張強度及び導電率を測定した。

また、上記銅−クロム合金導体と同様に、ただし、クロムの代わりにニッケル（面心立方格子構造ｆｃｃ 融点：１４５５℃）またはすず（ダイヤモンド構造 融点：１４１４℃）を、それぞれ５ａｔ％または０．５ａｔ％となるように用いて合金導体を得て、上記同様に評価した。これら結果を表１に示す。

表１より本発明に係る導体は極細な導体であるにもかかわらず引張強度、導電率ともに高い優れた導体であることが判る。

Claims (1)

1. 銅からなる母相中に金属結晶からなる第二相が多数分散されている合金から構成された電線用導体の製造方法であって、
   純銅であるＣ１０２０に、前記第二相を形成するための元素を添加して１６００℃に加熱して鋳造し、その後３０℃／秒の速度で室温まで冷却した銅合金を、前記第二相が前記電線用導体の長手方向に配向する針状形状となるように、ダイスを用いて減面率が９９．９１％となるように伸線加工するものであり、かつ、
   前記第二相が、クロムまたはニオブであり、前記第二相を構成する金属元素が、前記銅合金に対して、内割りで１．８ａｔ％含まれることを特徴とする、引張強度が９００ＭＰａ以上、かつ、導電率が７０％ＩＡＣＳ以上である電線用導体の製造方法。