JP6782168B2 - アルミニウム合金線材、アルミニウム合金撚線、被覆電線およびワイヤーハーネス、ならびにアルミニウム合金線材の製造方法 - Google Patents
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Description
(1)Mg:0.10〜1.00質量%、Si:0.10〜1.00質量%、Fe:0.01〜1.40質量%、Ti:0 〜0.100質量%、B:0〜0.030質量%、Cu:0〜1.00質量%、Ag:0〜0.50質量%、Au:0〜0.50質量%、Mn:0〜1.00質量%、Cr:0〜1.00質量%、Zr:0〜0.50質量%、Hf:0〜0.50質量%、V:0〜0.50質量%、Sc:0〜0.50質量%、Sn:0〜0.50質量%、Co:0〜0.50質量%、Ni:0〜0.50質量%、残部:Alおよび不可避不純物である組成を有し、(アルミニウム合金線材の結晶粒径の標準偏差)/(アルミニウム合金線材の平均結晶粒径)の比が0.57以下であり、かつ(アルミニウム合金線材の直径)/(アルミニウム合金線材の平均結晶粒径)の比が10以上であることを特徴とするアルミニウム合金線材。なお、上記化学組成に含有範囲が挙げられている元素のうち、含有範囲の下限値が「0質量%」と記載されている元素はいずれも、必要に応じて任意に添加される選択添加元素を意味する。すなわち所定の添加元素が「0質量%」の場合、その添加元素が含まれないことを意味する。
<Mg:0.10〜1.00質量%>
Mg(マグネシウム)は、アルミニウム母材中に固溶して強化する作用を有すると共に、その一部はSiと化合して析出物を形成して引張強度を向上させる作用を有する元素である。しかしながら、Mg含有量が0.10質量%未満だと、上記作用効果が不十分であり、また、Mg含有量が1.00質量%を超えると、導電率が低下する。したがって、Mg含有量は0.10〜1.00質量%とする。なお、Mg含有量は、高強度を重視する場合には0.50〜1.00質量%にすることが好ましく、また、導電率を重視する場合には0.10質量%以上0.50質量%未満とすることが好ましく、このような観点から総合的に0.30〜0.70質量%が好ましい。
Si(ケイ素)は、Mgと化合して析出物を形成して引張強度を向上させる作用を有する元素である。Si含有量が0.10質量%未満だと、上記作用効果が不十分であり、また、Si含有量が1.00質量%を超えると、導電率が低下する。したがって、Si含有量は0.10〜1.00質量%とする。なお、Si含有量は、高強度を重視する場合には0.50〜1.00質量%にすることが好ましく、また、導電率を重視する場合には0.10質量%以上0.50質量%未満とすることが好ましく、このような観点から総合的に0.30〜0.70質量%が好ましい。
Fe(鉄)は、主にAl−Fe系の金属間化合物を形成することによって結晶粒の微細化に寄与すると共に、引張強度を向上させる元素である。Feは、Al中に655℃で0.05質量%しか固溶できず、室温では更に少ないため、Al中に固溶できない残りのFeは、Al−Fe、Al−Fe−Si、Al−Fe−Si−Mgなどの金属間化合物として晶出又は析出する。この金属間化合物は、結晶粒の微細化に寄与すると共に、引張強度を向上させる。また、Feは、Al中に固溶したFeによっても引張強度を向上させる作用を有する。Fe含有量が0.01質量%未満だと、これらの作用効果が不十分であり、また、Fe含有量が1.40質量%超えだと、晶出物または析出物の粗大化により伸線加工性が悪くなり、導電率も低下する。したがって、Fe含有量は0.01〜1.40質量%とし、好ましくは0.10〜0.70質量%、更に好ましくは0.10〜0.45質量%とする。
Ti(チタン)は、溶解鋳造時の鋳塊の組織を微細化する作用を有する元素である。鋳塊の組織が粗大であると、鋳造において鋳塊割れや線材加工工程において断線が発生して工業的に望ましくない。Ti含有量が0.001質量%未満であると、上記作用効果を十分に発揮することができず、また、Ti含有量が0.100質量%超えだと導電率が低下する傾向があるからである。したがって、Ti含有量は0.001〜0.100質量%とし、好ましくは0.005〜0.050質量%、より好ましくは0.005〜0.030質量%とする。
B(ホウ素)は、Tiと同様、溶解鋳造時の鋳塊の組織を微細化する作用を有する元素である。鋳塊の組織が粗大であると、鋳造において鋳塊割れや線材加工工程において断線が発生しやすくなるため工業的に望ましくない。B含有量が0.001質量%未満であると、上記作用効果を十分に発揮することができず、また、B含有量が0.030質量%超えだと導電率が低下する傾向がある。したがって、B含有量は0.001〜0.030質量%とし、好ましくは0.001〜0.020質量%、より好ましくは0.001〜0.010質量%とする。
Cu(銅)、Ag(銀)、Au(金)、Mn(マンガン)、Cr(クロム)、Zr(ジルコニウム)、Hf(ハフニウム)、V(バナジウム)、Sc(スカンジウム)、Sn(錫)、Co(コバルト)およびNi(ニッケル)は、いずれも結晶粒を微細化する作用を有する元素であり、さらに、Cu、AgおよびAuは、粒界に析出することで粒界強度を高める作用も有する元素であって、これらの元素の少なくとも1種を0.01質量%以上含有していれば、上述した作用効果が得られ、引張強度および伸びを向上させることができる。一方、Cu、Ag、Au、Mn、Cr、Zr、Hf、V、Sc、Sn、CoおよびNiの含有量のいずれかが、それぞれ上記の上限値を超えると、該元素を含有する化合物が粗大になり、伸線加工性を劣化させるため断線が生じやすく、また、導電率が低下する傾向がある。したがって、Cu、Ag、Au、Mn、Cr、Zr、Hf、V、Sc、Sn、CoおよびNiの含有量の範囲は、それぞれ上記の範囲とする。
上述した成分以外の残部はAl(アルミニウム)および不可避不純物である。ここでいう不可避不純物は、製造工程上、不可避的に含まれうる含有レベルの不純物を意味する。不可避不純物は、含有量によっては導電率を低下させる要因にもなりうるため、導電率の低下を加味して不可避不純物の含有量をある程度抑制することが好ましい。不可避不純物として挙げられる成分としては、例えば、Ga(ガリウム)、Zn(亜鉛)、Bi(ビスマス)、Pb(鉛)などが挙げられる。
本発明は、上記化学組成を有することに加えて、(アルミニウム合金線材の結晶粒径の標準偏差)/(アルミニウム合金線材の平均結晶粒径)の比が0.57以下であり、かつ(アルミニウム合金線材の直径)/(アルミニウム合金線材の平均結晶粒径)の比が10以上であることが必要である。本発明では、このような構成に限定することにより、高い引張強度を保ちつつ、優れた耐衝撃性を有することができる。本発明者らの検討では、材料の変形のしやすさが結晶粒サイズに起因していることを見出し、結晶粒組織が均一に分散している場合において、優れた耐衝撃性が得られることがわかった。(アルミニウム合金線材の結晶粒径の標準偏差)/(アルミニウム合金線材の平均結晶粒径)の比が0.57よりも高い場合、大きな結晶粒から変形が起こりやすく、断線が発生しやすくなり、耐衝撃性が要求される細径電線に好適に用いることができない。また、(アルミニウム合金線材の直径)/(アルミニウム合金の平均結晶粒径)の比が10未満であると、線径との関係で結晶粒径が相対的に大きくなり、材料の変形の不均一性が顕著に現れ、耐衝撃性が低下するからである。なお、「結晶粒径の標準偏差」および「平均結晶粒径」の測定は、以下の方法によって行うことができる。まず、線材長手方向にて線材の中心線を含むように平行に切り出した供試材の断面を樹脂で埋め、機械研磨後、電解研磨を行い、その後、この供試材の断面組織を200〜400倍の光学顕微鏡で撮影し、JIS H 0501−1986(伸銅品結晶粒度試験方法)に準じて切断法による粒径測定によって行うことができる。具体的には、測定方法に偏りが出ないようにするため、撮影された写真に線材長手方向と45°の角度を持たせた直線を引き、その直線と交わるそれぞれの粒界間の直線距離を撮影倍率で除して得られた算出値を結晶粒径とした。この測定方法によって、例えば50個の結晶粒の結晶粒径を求め、求めた(50個の結晶粒の)結晶粒径から、標準偏差および平均結晶粒径を算出することができる。また、(50個の)結晶粒径は、複数本の直線を用いるなどして、直線の長さと本数を調節して測定することができる。
本発明の一実施例によるアルミニウム合金線材は、Mg:0.10〜1.00質量%、Si:0.10〜1.00質量%、Fe:0.01〜1.40質量%、Ti:0 〜0.100質量%、B:0〜0.030質量%、Cu:0〜1.00質量%、Ag:0〜0.50質量%、Au:0〜0.50質量%、Mn:0〜1.00質量%、Cr:0〜1.00質量%、Zr:0〜0.50質量%、Hf:0〜0.50質量%、V:0〜0.50質量%、Sc:0〜0.50質量%、Sn:0〜0.50質量%、Co:0〜0.50質量%、Ni:0〜0.50質量%、残部:Alおよび不可避不純物である組成を有するアルミニウム合金素材を、溶解、鋳造後に、熱間加工を経て荒引線を形成し、その後、伸線加工を行い、溶体化処理および時効熱処理の各工程を順次行うことを含むアルミニウム合金線材の製造方法であって、溶体化熱処理は、300〜400℃の温度に加熱して保持する第1ステップと、500℃以上に加熱する第2ステップとの2段熱処理で行なう製造方法によって製造することができる。
溶解工程では、上述したアルミニウム合金組成になるように各成分の分量を調整した材料を用意し、それを溶解する。
次いで、鋳造輪とベルトを組み合わせたプロペルチ式の連続鋳造圧延機を用いて、溶湯を水冷した鋳型で鋳造し、連続して圧延を行い、例えば直径5〜13mmφの適宜の太さの棒材とする。このときの鋳造時の冷却速度は、Fe系晶出物の粗大化の防止とFeの強制固溶による導電率低下の防止の観点から、好ましくは1〜20℃/sであるが、これに制限されるものではない。鋳造及び熱間圧延は、ビレット鋳造及び押出法などにより行ってもよい。
次いで、例えば直径5〜12.5mmφの適宜の太さの棒材とし、これを冷間で伸線加工する。伸線加工前に表面の皮むきを行う場合もあり表面の清浄化がなされるが、行わなくてもよい。
冷間伸線した加工材に中間熱処理を施す。加工して硬くなった伸線材の柔軟性を取り戻すために軟化させる熱処理として、好ましくは300〜450℃に保持する。時間は均熱が得られれば特に制限しないが、生産性を考え5時間以下の保持時間とすることが好ましい。
上記中間熱処理の後、さらに冷間で伸線加工を施す。
冷間伸線した加工材に溶体化熱処理を行う。溶体化とはMg及びSiなどの化合物をアルミニウム中に溶け込ませる工程である。本発明の溶体化熱処理は、300〜400℃の温度に加熱して保持する第1ステップと、500℃以上に加熱する第2ステップとの2段熱処理で行なうことが必要である。第一ステップの熱処理温度が300℃未満であると、再結晶が十分になされず、第二ステップにて不均一な結晶粒成長をしてしまい結晶粒径にばらつきが生じて耐衝撃性が低くなる。また、第一ステップの熱処理温度が400℃よりも高いと、結晶粒が大きくなりすぎて第二ステップにて線材の線径との関係で結晶粒径が相対的に大きくなってしまい、やはり耐衝撃性が低くなる。第一ステップの熱処理時間は、結晶粒サイズのばらつきを抑えるため10分以上が好ましく、また、生産性を考えると5時間以内が好ましい。第二ステップの熱処理温度が500℃未満であると溶体化が十分になされず固溶元素による強化が見込めないばかりか、その後の時効熱処理において十分な析出物が得られず強度が低くなる。よって、本発明の溶体化熱処理は、300〜400℃の温度に加熱して保持する第1ステップと、500℃以上に加熱する第2ステップとの2段熱処理で行なうこととする。なお、第2ステップの熱処理温度の上限値は、580℃よりも高いと、結晶粒界から優先的に溶融し、引張強度及び耐衝撃性が低くなる傾向があるため、580℃とすることが好ましい。
次いで、時効熱処理を施す。時効熱処理は、Mg及びSiの集合体または析出物を出現させるために行う。時効熱処理における加熱温度は、好ましくは100〜250℃である。前記加熱温度が100℃未満であると、Mg及びSiの集合体または析出物を十分に出現させることができず、引張強度および導電率が不足しがちである。また、前記加熱温度が250℃よりも高いと、Mg及びSiの析出物のサイズが大きくなりすぎるため、導電率は上昇するが、引張強度が不足しがちである。時効熱処理における加熱温度は、好ましくは100〜200℃である。なお、加熱時間は、温度によって最適な時間が変化する。低温では長時間、高温では短時間の加熱が引張強度を向上させる上で好ましい。生産性を考慮すると短時間が良く、好ましくは15時間以下、更に好ましくは10時間以下である。なお、時効熱処理における冷却は、特性のバラつきを防止するために、可能な限り冷却速度を速くすることが好ましい。しかし、製造工程上、速く冷却できない場合は、冷却中にMg及びSiの析出物量の変化が起こることも考慮に入れて時効条件を適宜設定することができる。
Mg、Si、Fe及びAlと、選択的に添加するTi、B、Cu、Ag、Au、Mn、Cr、Zr、Hf、V、Sc、Sn、Co、Niを、表1に示す含有量(質量%)になるようにプロペルチ式の連続鋳造圧延機を用いて、溶湯を調合し、水冷した鋳型で連続的に鋳造しながら圧延を行い、約9.5mmφの棒材とした。このときの鋳造時の冷却速度は約15℃/sとした。次に、第1伸線加工を施し、350℃、2時間の中間熱処理を施し、さらに0.31mmφの線径まで第2伸線加工を行った。次に、表2に示す条件で溶体化熱処理を施した。中間熱処理及び溶体化熱処理とも、線材に熱電対を巻きつけて線材温度を測定した。溶体化熱処理後に、表2に示す条件で時効熱処理を施し、アルミニウム合金線を製造した。
「結晶粒径の標準偏差」および「平均結晶粒径」の測定は、以下の方法によって行った。まず、線材長手方向にて線材の中心線を含むように平行に切り出した供試材の断面を樹脂で埋め、機械研磨後、電解研磨を行い、その後、この供試材の断面組織を200〜400倍の光学顕微鏡で撮影し、JIS H 0501−1986(伸銅品結晶粒度試験方法)に準じて切断法による粒径測定によって行った。具体的には、測定方法に偏りが出ないようにするため、撮影された写真に線材長手方向と45°の角度を持たせた直線を引き、その直線と交わるそれぞれの粒界間の直線距離を撮影倍率で除して得られた算出値を結晶粒径とした。この測定方法によって、例えば50個の結晶粒の結晶粒径を求め、求めた(50個の結晶粒の)結晶粒径から、標準偏差および平均結晶粒径を算出した。また、(50個の)結晶粒径は、複数本の直線を用いるなどして、直線の長さと本数を調節して測定した。
JIS Z 2241:2011に準じて各3本ずつの供試材(アルミニウム合金線)について引張試験を行い、それらの平均値を求めた。従来同様、断面積が小さい細径線に適用しても断線することなく使用可能とするために、高い引張強度が求められていることから、本発明においても200MPa以上を合格レベルとした。
時効熱処理が完了したアルミニウム合金撚線11は、図1に示すように、一端12を固定し、他端13に300gの錘をつけ、一端12から他端13までの撚線長を300mmとし、錘を300mmの高さまで垂直上方に持ち上げた後に自由落下させたときに撚線が断線するか否かを試験し、耐衝撃性を評価した。なお、表3中に示す耐衝撃性は、撚線が断線しなかった場合を合格として「○」、断線した場合をNG品として「×」として示す。
端子圧着されたワイヤーハーネスのアルミ電線21の端子固定部分22を固定し、電線端23に500gの錘をつけ、端子固定部分22から電線端23までの電線長を300mmとし、錘を300mmの高さまで垂直上方に持ち上げた後に自由落下させたときにアルミ電線21が断線するか否かを試験し、耐衝撃性を評価した。なお、表3中に示す耐衝撃性は、電線が断線しなかった場合を合格として「○」、断線した場合をNG品として「×」として示す。
12 アルミニウム合金撚線の一端
13 アルミニウム合金撚線の他端
21 ワイヤーハーネスのアルミ電線
22 ワイヤーハーネスのアルミ電線の端子固定部分
23 ワイヤーハーネスのアルミ電線の電線端
Claims (10)
- Mg:0.10〜1.00質量%、Si:0.10〜1.00質量%、Fe:0.01〜0.45質量%、Ti:0〜0.100質量%、B:0〜0.030質量%、Cu:0〜1.00質量%、Ag:0〜0.50質量%、Au:0〜0.50質量%、Mn:0〜1.00質量%、Cr:0〜1.00質量%、Zr:0〜0.50質量%、Hf:0〜0.50質量%、V:0〜0.50質量%、Sc:0〜0.50質量%、Sn:0〜0.50質量%、Co:0〜0.50質量%、Ni:0〜0.50質量%、残部:Alおよび不可避不純物である組成を有し、
Fe、Ti、B、Cu、Ag、Au、Mn、Cr、Zr、Hf、V、Sc、Sn、CoおよびNiの含有量の合計が0.01〜2.0質量%であり、
(アルミニウム合金線材の結晶粒径の標準偏差)/(アルミニウム合金線材の平均結晶粒径)の比が0.57以下であり、かつ(アルミニウム合金線材の直径)/(アルミニウム合金線材の平均結晶粒径)の比が10以上であることを特徴とするアルミニウム合金線材。 - 前記組成が、Ti:0.001〜0.100質量%とB:0.001〜0.030質量%のうち両方かいずれかひとつを含有する、請求項1に記載のアルミニウム合金線材。
- 前記組成が、Cu:0.01〜1.00質量%、Ag:0.01〜0.50質量%、Au:0.01〜0.50質量%、Mn:0.01〜1.00質量%、Cr:0.01〜1.00質量%、Zr:0.01〜0.50質量%、Hf:0.01〜0.50質量%、V:0.01〜0.50質量%、Sc:0.01〜0.50質量%、Sn:0.01〜0.50質量%、Co:0.01〜0.50質量%およびNi:0.01〜0.50質量%のうち、少なくともひとつを含有する、請求項1または2に記載のアルミニウム合金線材。
- 直径が0.10〜0.50mmである、請求項1〜3のいずれか1項に記載のアルミニウム合金線材。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載のアルミニウム合金線材を複数本撚り合わせてなるアルミニウム合金撚線。
- 前記アルミニウム合金撚線の耐衝撃性を評価する手法にて、荷重2.94N(300gf)にて断線しないことを特徴とする、請求項5に記載のアルミニウム合金撚線。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載のアルミニウム合金線材または請求項5に記載のアルミニウム合金撚線の外周に被覆層を有する被覆電線。
- 請求項7に記載の被覆電線と、該被覆電線の、前記被覆層を除去した端部に装着された端子とを備えるワイヤーハーネス。
- 端子圧着された電線の耐衝撃性を評価する手法にて、荷重4.90N(500gf)にて断線しないことを特徴とする、請求項8に記載のワイヤーハーネス。
- Mg:0.10〜1.00質量%、Si:0.10〜1.00質量%、Fe:0.01〜0.45質量%、Ti:0〜0.100質量%、B:0〜0.030質量%、Cu:0〜1.00質量%、Ag:0〜0.50質量%、Au:0〜0.50質量%、Mn:0〜1.00質量%、Cr:0〜1.00質量%、Zr:0〜0.50質量%、Hf:0〜0.50質量%、V:0〜0.50質量%、Sc:0〜0.50質量%、Sn:0〜0.50質量%、Co:0〜0.50質量%、Ni:0〜0.50質量%、残部:Alおよび不可避不純物である組成を有し、Fe、Ti、B、Cu、Ag、Au、Mn、Cr、Zr、Hf、V、Sc、Sn、CoおよびNiの含有量の合計が0.01〜2.0質量%であるアルミニウム合金素材を、溶解、鋳造後に、熱間加工を経て荒引線を形成し、その後、伸線加工を行い、溶体化処理および時効熱処理の各工程を順次行うことにより得られる、(アルミニウム合金線材の結晶粒径の標準偏差)/(アルミニウム合金線材の平均結晶粒径)の比が0.57以下であり、かつ(アルミニウム合金線材の直径)/(アルミニウム合金線材の平均結晶粒径)の比が10以上であるアルミニウム合金線材の製造方法であって、
溶体化熱処理は、300〜400℃の温度に加熱して保持する第1ステップと、500℃以上に加熱する第2ステップとの2段熱処理で行ない、
第1ステップの熱処理時間は、10分以上5時間以内であり、
時効熱処理における加熱温度は、100〜250℃であり、加熱時間は、10時間以下である、アルミニウム合金線材の製造方法。
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