JP6965511B2 - 銅合金線材の製造方法 - Google Patents
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Description
近年、環境保護の観点から、自動車から排出される二酸化炭素量を低減するために、自動車車体の軽量化が強く求められている。一方、自動車のエレクトロニクス化が進み、さらに、ハイブリッド車や電気自動車の開発も進んでおり、自動車に用いられる電気系統の部品数は加速的に増加している。これにより、これらの部品をつなぐワイヤーハーネスの使用量が、今後、さらに増加する見込みであり、このワイヤーハーネスの軽量化が求められている。
ここで、ワイヤーハーネスを軽量化する手段として、電線及び銅線の細径化が図られている。また、電線導体及び銅線の細径化によって、ワイヤーハーネスの軽量化とともに小型化も図られることになり、配線スペースを有効活用できるといったメリットもある。
近年、電車の走行速度の高速化が図られているが、新幹線等の高速鉄道においては、電車の走行速度が、トロリ線等の架線に発生した波の伝播速度よりも速くなると、パンタグラフ等の集電装置とトロリ線との接触が不安定となって、安定して給電を行うことができなくなるおそれがある。
ここで、トロリ線の架線張力を高くすることによって、トロリ線における波の伝播速度を高速化することが可能となるため、従来よりもさらに高強度のトロリ線が求められている。
また、上方連続鋳造機、横型連続鋳造機及びホットトップ連続鋳造機により連続鋳造線材を製造し、この連続鋳造線材を再加熱せずに直接冷間加工することによって銅合金線を製造する方法も提案されている。
このため、Co及びPの比率を限定することなく、連続鋳造圧延法又は連続鋳造法を適用して、強度及び導電率に優れた銅合金部材を生産効率良く製造することが求められている。
(1)式:X+Y+Z≦1000
(2)式:1≦(X/5)+(Y/50)+(Z/100)
を満足し、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有する銅合金からなる銅合金線材の製造方法であって、連続鋳造圧延法、又は、連続鋳造法によって連続鋳造材を製造する連続鋳造工程と、前記連続鋳造材に対して、900℃以上1000℃以下の温度で30分以上600分以下保持する溶体化処理工程と、前記溶体化処理工程後の溶体化材に、冷間加工を行う冷間加工工程と、前記冷間加工工程後の冷間加工材に、時効熱処理を行う時効熱処理工程と、を備えており、Bを2massppm以上1000massppm以下の範囲内で含有しており、強度が552MPa以上、かつ、導電率が66.0%IACS以上とされていることを特徴としている。
(1)式:X+Y+Z≦1000
(2)式:1≦(X/5)+(Y/50)+(Z/100)
を満足し、さらに、Ni;0.01mass%以上0.15mass%以下、Fe;0.005mass%以上0.07mass%以下のいずれか1種又は2種を含み、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有する銅合金からなる銅合金線材の製造方法であって、連続鋳造圧延法、又は、連続鋳造法によって連続鋳造材を製造する連続鋳造工程と、前記連続鋳造材に対して、900℃以上1000℃以下の温度で30分以上600分以下保持する溶体化処理工程と、前記溶体化処理工程後の溶体化材に、冷間加工を行う冷間加工工程と、前記冷間加工工程後の冷間加工材に、時効熱処理を行う時効熱処理工程と、を備えており、Bを2massppm以上1000massppm以下の範囲内で含有しており、強度が576MPa以上、かつ、導電率が66.8%IACS以上とされていることを特徴としている。
(1)式:X+Y+Z≦1000
(2)式:1≦(X/5)+(Y/50)+(Z/100)
を満足し、さらに、Zn;0.002mass%以上0.50mass%以下、Mg;0.002mass%以上0.25mass%以下、Ag;0.002mass%以上0.25mass%以下のいずれか1種又は2種以上を含み、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有する銅合金からなる銅合金線材の製造方法であって、連続鋳造圧延法、又は、連続鋳造法によって連続鋳造材を製造する連続鋳造工程と、前記連続鋳造材に対して、900℃以上1000℃以下の温度で30分以上600分以下保持する溶体化処理工程と、前記溶体化処理工程後の溶体化材に、冷間加工を行う冷間加工工程と、前記冷間加工工程後の冷間加工材に、時効熱処理を行う時効熱処理工程と、を備えており、Bを2massppm以上1000massppm以下の範囲内で含有しており、強度が540MPa以上、かつ、導電率が72.1%IACS以上とされていることを特徴としている。
(1)式:X+Y+Z≦1000
(2)式:1≦(X/5)+(Y/50)+(Z/100)
を満足し、さらに、Ni;0.01mass%以上0.15mass%以下、Fe;0.005mass%以上0.07mass%以下のいずれか1種又は2種を含み、さらに、Zn;0.002mass%以上0.50mass%以下、Mg;0.002mass%以上0.25mass%以下、Ag;0.002mass%以上0.25mass%以下のいずれか1種又は2種以上を含み、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有する銅合金からなる銅合金線材の製造方法であって、連続鋳造圧延法、又は、連続鋳造法によって連続鋳造材を製造する連続鋳造工程と、前記連続鋳造材に対して、900℃以上1000℃以下の温度で30分以上600分以下保持する溶体化処理工程と、前記溶体化処理工程後の溶体化材に、冷間加工を行う冷間加工工程と、前記冷間加工工程後の冷間加工材に、時効熱処理を行う時効熱処理工程と、を備えており、Bを2massppm以上1000massppm以下の範囲内で含有しており、強度が575MPa以上、かつ、導電率が71.1%IACS以上とされていることを特徴としている。
また、連続鋳造工程によって連続鋳造材を製造しているので、長尺の銅合金線材を効率良く製造することができる。
(3)式:1≦(2X/5)+(2Y/50)
(4)式:Y<400
上記(3)式及び(4)式を満足することが好ましい。
(1)式:X+Y+Z≦1000
を満たし、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有する銅合金で構成されたものとされている。
(1)式:X+Y+Z≦1000
を満足し、さらに、Ni;0.01mass%以上0.15mass%以下、Fe;0.005mass%以上0.07mass%以下のいずれか1種又は2種を含み、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有する銅合金で構成されたものであってもよい。
(1)式:X+Y+Z≦1000
を満足し、さらに、Zn;0.002mass%以上0.50mass%以下、Mg;0.002mass%以上0.25mass%以下、Ag;0.002mass%以上0.25mass%以下のいずれか1種又は2種以上を含み、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有する銅合金で構成されたものであってもよい。
(1)式:X+Y+Z≦1000
を満足し、さらに、Ni;0.01mass%以上0.15mass%以下、Fe;0.005mass%以上0.07mass%以下のいずれか1種又は2種を含み、さらに、Zn;0.002mass%以上0.50mass%以下、Mg;0.002mass%以上0.25mass%以下、Ag;0.002mass%以上0.25mass%以下のいずれか1種又は2種以上を含み、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有する銅合金で構成されたものであってもよい。
(2)式:1≦(X/5)+(Y/50)+(Z/100)
(3)式:1≦(2X/5)+(2Y/50)
(4)式:Y<400
Coは、Pとともに、銅の母相中に分散する析出物を形成する元素である。
ここで、Coの含有量が0.05mass%未満の場合には、析出物の個数が不足し、強度を充分に向上させることができないおそれがある。一方、Coの含有量が0.70mass%を超える場合には、強度の向上に寄与しない元素が多く存在し、導電率の低下等を招くおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、Coの含有量を0.05mass%以上0.70mass%以下の範囲内に設定している。
なお、析出物の個数を確実に確保するためには、Coの含有量の下限を0.12mass%以上とすることが好ましく、0.25mass%以上とすることがさらに好ましい。一方、導電率の低下を確実に抑制するためには、Coの含有量の上限を0.40mass%以下とすることが好ましく、0.36mass%以下とすることがさらに好ましい。
Pは、Coとともに、銅の母相中に分散する析出物を形成する元素である。Pの含有量が0.02mass%未満の場合には、析出物の個数が不足し、強度を充分に向上させることができないおそれがある。一方、Pの含有量が0.20mass%を超える場合には、導電率の低下等を招くおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、Pの含有量を0.02mass%以上0.20mass%以下の範囲内に設定している。
なお、析出物の個数を確実に確保するためには、Pの含有量の下限を0.04mass%以上とすることが好ましく、0.08mass%以上とすることがさらに好ましい。一方、導電率の低下を確実に抑制するためには、Pの含有量の上限を0.16mass%以下とすることが好ましく、0.14mass%以下とすることがさらに好ましい。
Snは、銅の母相中に固溶することによって強度を向上させる作用を有する元素である。また、CoとPとを主成分とする析出物の析出を促進させる効果や、耐熱性、耐食性を向上させる作用も有する。
ここで、Snの含有量が0.005mass%未満の場合には、上述した作用効果を奏功せしめることができないおそれがある。一方、Snの含有量が0.70mass%を超える場合には、導電率を確保できなくなるおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、Snの含有量を0.005mass%以上0.70mass%以下の範囲内に設定している。
なお、上述した作用効果を確実に奏功せしめるためには、Snの含有量の下限を0.01mass%以上とすることが好ましく、0.02mass%以上とすることがさらに好ましい。一方、導電率の低下を確実に抑制するためには、Snの含有量の上限を0.50mass%以下とすることが好ましく、0.10mass%以下とすることがさらに好ましい。
これらB,Cr,Zrは、高温で保持した際の結晶粒の粗大化を抑制する作用を有する元素であることから、これらの元素を添加することで、溶体化処理時における結晶粒の粗大化を抑制でき、加工性及び高温伸びを向上させることができる。ここで、本実施形態では、これらB,Cr,Zrの含有量について、Bの含有量をX(massppm)、Crの含有量をY(massppm)、Zrの含有量をZ(massppm)としたときに、以下の(1)式及び(2)式で規定している。
一方、B,Cr,Zrの含有量が、(2)式:1≦(X/5)+(Y/50)+(Z/100)を満足することにより、高温で保持した際に結晶粒の粗大化を十分に抑制することが可能となる。
以上のことから、本実施形態においてB,Cr,Zrを添加する場合には、B,Cr,Zrの含有量は、上述の(1)式及び(2)式を満足することが好ましい。
なお、高温で保持した際に結晶粒の粗大化をさらに抑制するためには、B,Cr,Zrの含有量が、(3)式:1≦(2X/5)+(2Y/50)を満足することがさらに好ましい。
また、鋳造性や加工性(伸線性)の低下をさらに抑制するためには、B,Cr,Zrの含有量が、(4)式:Y<400を満足することがさらに好ましい。
なお、本実施形態において、高温で保持した際の結晶粒の粗大化を抑制するために、Bを単独添加した場合には、Bの含有量を5massppm以上1000massppm以下の範囲内とすることが好ましい。
Bの含有量を5massppm以上とすることで、上述の結晶粒の粗大化を抑制する作用効果を奏することができる。一方、Bの含有量を1000massppm以下とすることで、鋳造性、加工性(伸線性)の低下を抑制することができる。
なお、上述した作用効果を確実に奏功せしめるためには、Bの含有量の下限を10massppmとすることが好ましく、15massppm以上とすることがさらに好ましい。一方、鋳造性、加工性(伸線性)の低下を確実に抑制するためには、Bの含有量の上限を200massppm以下とすることが好ましく、100massppm以下とすることがさらに好ましい。
Ni及びFeは、Co及びPの化合物からなる析出物を微細化する作用効果を有する元素である。
ここで、Niの含有量が0.01mass%未満の場合あるいはFeの含有量が0.005mass%未満の場合には、上述した作用効果を確実に奏功せしめることができないおそれがある。一方、Niの含有量が0.15mass%を超える場合あるいはFeの含有量が0.07mass%を超える場合には、導電率を確保できなくなるおそれがある。
以上のことから、Niを含有する場合には、Niの含有量を0.01mass%以上0.15mass%以下の範囲内に、Feを含有する場合には、Feの含有量を0.005mass%以上0.07mass%以下の範囲内とすることが好ましい。
Zn,Mg,Agといった元素は、Sと化合物を生成し、銅の母相中へのSの固溶を抑制する作用効果を有する元素である。
ここで、Zn,Mg,Agといった元素の含有量がそれぞれ上述の下限値未満の場合には、銅の母相中へのSの固溶を抑制する作用効果を十分に奏功せしめることができないおそれがある。一方、Zn,Mg,Agといった元素の含有量がそれぞれ上述の上限値を超える場合には、導電率を確保できなくなるおそれがある。
以上のことから、Zn,Mg,Agといった元素を含有する場合には、それぞれ上述の範囲内とすることが好ましい。
まず、上記の組成の銅合金からなる銅荒引線50を連続鋳造圧延法によって連続的に製出する(連続鋳造圧延工程S01)。この連続鋳造圧延工程S01においては、例えば図2に示す連続鋳造圧延設備が用いられる。
炉本体の下部には円周方向に複数のバーナ(図示なし)が上下方向に多段状に配備されている。そして、炉本体の上部から原料である電気銅が装入され、前記バーナの燃焼によって溶解され、銅溶湯が連続的に製出される。
この連続圧延装置Eは、ベルトホイール式連続鋳造機Dから製出された銅合金鋳塊21を連続的に圧延して、所定の外径の銅荒引線50を製出するものである。
この連続圧延装置Eから製出された銅荒引線50は、洗浄冷却装置15及び探傷器16を介してコイラーFに巻き取られる。
なお、この溶体化処理工程S02後の溶体化材においては、導電率が45%以下とされている。
一方、溶体化処理工程S02における保持温度が1000℃を超える場合、あるいは、保持時間が600分を超える場合には、結晶粒が過度に粗大化して脆化するとともに、表面近傍に表面変質層が厚く形成されるおそれがある。なお、表面変質層とは、Co及びPが母相に固溶しておらず、導電率が90%IACS以上になっている領域である。
なお、Co及びPをさらに確実に固溶させるためには、溶体化処理工程S02における保持温度の下限を930℃以上とすることが好ましく、保持時間の下限を60分以上とすることが好ましい。一方、結晶粒の粗大化及び表面変質層が厚く形成されることをさらに抑制するためには、保持温度の上限を950℃以下とすることが好ましく、保持時間の上限を240分以下とすることが好ましい。
ここで、時効熱処理工程S04では、熱処理温度が200℃以上700℃以下、保持時間が1時間以上30時間以下の条件で実施される。
なお、必要に応じて、時効熱処理工程S04後にさらに冷間加工及び熱処理を実施してもよい。
また、連続鋳造圧延工程S01によって連続鋳造材を製造しているので、銅合金部材を効率良く製造することができる。
また、B,Cr,Zrの含有量が、(2)式:1≦(X/5)+(Y/50)+(Z/100)を満足しているので、これらの元素によって、高温に加熱保持した場合でも結晶粒径が粗大化されることが抑制され、伸線性及び高温伸びに優れている。さらに、十分な溶体化処理を行うことが可能となり、強度及び導電率を向上させることができる。
また、(4)式:Y<400を満足しているので、鋳造性の低下をさらに抑制することができる。
例えば、本実施形態では、銅合金部材の製造方法の一例として、図2に示すベルトホイール式連続鋳造機を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、ツインベルト式の連続鋳造圧延機等を用いてもよい。また、上方連続鋳造機、横型連続鋳造機及びホットトップ連続鋳造機により連続鋳造線材を製造してもよい。
次に、得られた銅合金荒引線に対して、大気炉を用いて表に示す条件で溶体化処理を行った。
溶体化処理後の溶体化材に対して、加工率80%で冷間加工を行った。
この冷間加工材に対して、大気炉を用いて460℃で1時間保持の条件で時効熱処理を実施した。
上述のようにして得られた銅合金荒引線に対して、大気炉を用いて表1に示す条件で溶体化処理した後水冷した。得られた試験片に対してエメリー紙及びバフにて研磨を行い、エッチング液でエッチング後、光学顕微鏡で適切な倍率で観察し、JIS H0321に規定された面積法によって、平均結晶粒径を算出した。
上述の銅合金荒引線に対して、大気炉を用いて表1に示す条件で溶体化処理した後水冷した。この材料からJIS G0567に規定する形状の試験片を採取し、460℃にて引張試験を行い、伸びを評価した。
時効熱処理後の銅合金部材から、JIS Z2241に規定する形状の試験片を採取し、常温で引張試験を行い、引張強度を評価した。
時効熱処理後の銅合金部材を用いて、四端子法によって導電率を測定した。
上述の銅合金荒引線に対して、大気炉を用いて表1に示す条件で溶体化処理した後水冷し、その後冷間伸線を行い、直径2mmの銅合金線に加工した。直径2mmで伸線長さが100mとなるまで伸線加工した際に断線した回数を評価した。
表に示す組成となるように各種原料を秤量し、これをアルミナ坩堝に3kg装入した。Arガス雰囲気で溶解し、溶落後、1150℃で10分間保持した。別途準備したモールドに静かに注湯し、湯面上に生じた膜をアルミナ坩堝内に残存させ、この重量を測定した。
真空溶解炉にて1200℃にて溶解後、図3に示すH字型金型に鋳造した。なお、このH字型金型は予め100℃に予熱しておいた。大気中で室温まで冷却後、H字中央部分の割れの有無を評価した。
溶体化処理後の溶体化材から観察試料を採取し、エメリー紙及びバフにて研磨を行い、エッチング液でエッチング後、光学顕微鏡で適切な倍率で観察した。表面変質層は、Co及びPが固溶していないために導電率が90%IACS以上とされた領域である。なお、Co及びPを固溶した場合には、通常導電率が85%IACS以下となる。光学顕微鏡で観察した場合、図4に示すように、明らかに組織が異なっている。
溶体化処理工程における温度が1050℃と本発明の範囲よりも高い比較例102,104,106,108,113においては、平均結晶粒径が大きく、伸線性にも劣っていた。また、表面変質層の厚みも厚くなった。
溶体化処理工程における保持時間が1000分と本発明の範囲よりも長い比較例112においては、平均結晶粒径が大きく、伸線性にも劣っていた。また、表面変質層の厚みも厚くなった。
また、(2)式、(3)式及び(4)式を満足することにより、さらに平均結晶粒径が小さくなり、伸線性、高温脆性、鋳造性もさらに向上した。また、強度、導電率にも優れていた。
なお、Ni,Feの含有量が多い本発明例44、及び、Zn,Mg,Agの含有量が多い本発明例45においては、導電率が低くなった。このため、導電率を確保するためには、これらの元素の含有量を規制することが好ましい。
Claims (5)
- Co;0.05mass%以上0.70mass%以下、P;0.02mass%以上0.20mass%以下、Sn;0.005mass%以上0.70mass%以下、を含み、さらにBの含有量をX(massppm)、Crの含有量をY(massppm)、Zrの含有量をZ(massppm)としたときに、
(1)式:X+Y+Z≦1000
(2)式:1≦(X/5)+(Y/50)+(Z/100)
を満足し、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有する銅合金からなる銅合金線材の製造方法であって、
連続鋳造圧延法、又は、連続鋳造法によって連続鋳造材を製造する連続鋳造工程と、
前記連続鋳造材に対して、900℃以上1000℃以下の温度で30分以上600分以下保持する溶体化処理工程と、
前記溶体化処理工程後の溶体化材に、冷間加工を行う冷間加工工程と、
前記冷間加工工程後の冷間加工材に、時効熱処理を行う時効熱処理工程と、を備えており、
Bを2massppm以上1000massppm以下の範囲内で含有しており、強度が552MPa以上、かつ、導電率が66.0%IACS以上とされていることを特徴とする銅合金線材の製造方法。 - Co;0.05mass%以上0.70mass%以下、P;0.02mass%以上0.20mass%以下、Sn;0.005mass%以上0.70mass%以下、を含み、さらにBの含有量をX(massppm)、Crの含有量をY(massppm)、Zrの含有量をZ(massppm)としたときに、
(1)式:X+Y+Z≦1000
(2)式:1≦(X/5)+(Y/50)+(Z/100)
を満足し、さらに、Ni;0.01mass%以上0.15mass%以下、Fe;0.005mass%以上0.07mass%以下のいずれか1種又は2種を含み、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有する銅合金からなる銅合金線材の製造方法であって、
連続鋳造圧延法、又は、連続鋳造法によって連続鋳造材を製造する連続鋳造工程と、
前記連続鋳造材に対して、900℃以上1000℃以下の温度で30分以上600分以下保持する溶体化処理工程と、
前記溶体化処理工程後の溶体化材に、冷間加工を行う冷間加工工程と、
前記冷間加工工程後の冷間加工材に、時効熱処理を行う時効熱処理工程と、を備えており、
Bを2massppm以上1000massppm以下の範囲内で含有しており、強度が576MPa以上、かつ、導電率が66.8%IACS以上とされていることを特徴とする銅合金線材の製造方法。 - Co;0.05mass%以上0.70mass%以下、P;0.02mass%以上0.20mass%以下、Sn;0.005mass%以上0.70mass%以下、を含み、さらにBの含有量をX(massppm)、Crの含有量をY(massppm)、Zrの含有量をZ(massppm)としたときに、
(1)式:X+Y+Z≦1000
(2)式:1≦(X/5)+(Y/50)+(Z/100)
を満足し、さらに、Zn;0.002mass%以上0.50mass%以下、Mg;0.002mass%以上0.25mass%以下、Ag;0.002mass%以上0.25mass%以下のいずれか1種又は2種以上を含み、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有する銅合金からなる銅合金線材の製造方法であって、
連続鋳造圧延法、又は、連続鋳造法によって連続鋳造材を製造する連続鋳造工程と、
前記連続鋳造材に対して、900℃以上1000℃以下の温度で30分以上600分以下保持する溶体化処理工程と、
前記溶体化処理工程後の溶体化材に、冷間加工を行う冷間加工工程と、
前記冷間加工工程後の冷間加工材に、時効熱処理を行う時効熱処理工程と、を備えており、
Bを2massppm以上1000massppm以下の範囲内で含有しており、強度が540MPa以上、かつ、導電率が72.1%IACS以上とされていることを特徴とする銅合金線材の製造方法。 - Co;0.05mass%以上0.70mass%以下、P;0.02mass%以上0.20mass%以下、Sn;0.005mass%以上0.70mass%以下、を含み、さらにBの含有量をX(massppm)、Crの含有量をY(massppm)、Zrの含有量をZ(massppm)としたときに、
(1)式:X+Y+Z≦1000
(2)式:1≦(X/5)+(Y/50)+(Z/100)
を満足し、さらに、Ni;0.01mass%以上0.15mass%以下、Fe;0.005mass%以上0.07mass%以下のいずれか1種又は2種を含み、さらに、Zn;0.002mass%以上0.50mass%以下、Mg;0.002mass%以上0.25mass%以下、Ag;0.002mass%以上0.25mass%以下のいずれか1種又は2種以上を含み、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有する銅合金からなる銅合金線材の製造方法であって、
連続鋳造圧延法、又は、連続鋳造法によって連続鋳造材を製造する連続鋳造工程と、
前記連続鋳造材に対して、900℃以上1000℃以下の温度で30分以上600分以下保持する溶体化処理工程と、
前記溶体化処理工程後の溶体化材に、冷間加工を行う冷間加工工程と、
前記冷間加工工程後の冷間加工材に、時効熱処理を行う時効熱処理工程と、を備えており、
Bを2massppm以上1000massppm以下の範囲内で含有しており、強度が575MPa以上、かつ、導電率が71.1%IACS以上とされていることを特徴とする銅合金線材の製造方法。 - 前記銅合金は、さらに、Bの含有量をX(massppm)、Crの含有量をY(massppm)、としたときに、
(3)式:1≦(2X/5)+(2Y/50)
(4)式:Y<400
上記(3)式及び(4)式を満足することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の銅合金線材の製造方法。
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