JP7296388B2 - 銅被覆鋼線および撚線 - Google Patents

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Description

本開示は、銅被覆鋼線および撚線に関するものである。
鋼からなる芯線と、芯線の外周面を覆い、銅または銅合金からなるめっき層とを備える銅被覆鋼線である斜め巻きばね用鋼線が提案されている（たとえば、特開２０１７－２１８６５９号公報（特許文献１）参照）。
特開２０１７－２１８６５９号公報
本開示に従った銅被覆鋼線は、鋼からなる芯線と、芯線の外周面を覆い、銅または銅合金からなる被覆層と、を備える。被覆層は、芯線との界面を含む領域に配置され、被覆層の他の領域に比べて亜鉛濃度の高い中間層を含む。
図１は、銅被覆鋼線の構造を示す概略図である。 図２は、銅被覆鋼線の構造を示す概略断面図である。 図３は、銅被覆鋼線の製造方法の概略を示すフローチャートである。 図４は、原料鋼線の構造を示す概略断面図である。 図５は、中間被覆層が形成された原料鋼線の構造を示す概略断面図である。 図６は、伸線工程を説明するための概略断面図である。 図７は、中間被覆層、銅被覆層および表面層が形成された原料鋼線の構造を示す概略断面図である。 図８は、第２熱処理工程を説明するための概略断面図である。 図９は、撚線の構造を示す概略図である。 図１０は、オージェ電子分光分析による芯線と被覆層との界面付近の線分析結果を示す図である。 図１１は、図１０の一部を拡大して示す図である。
［本開示が解決しようとする課題］
鋼からなる芯線と、芯線の外周面を覆い、銅または銅合金からなる被覆層と、を備える銅被覆鋼線は、電線として使用することができる。電線に対しては、強度と導電性との両立が求められる。上記銅被覆鋼線においては、鋼からなる芯線により高い強度が確保される。銅または銅合金からなる被覆層により、優れた導電性が確保される。電線に対しては、簡易的な接続を目的として、圧着が可能であることも要求される。圧着は、電線の外周面を含む領域が変形しやすいことにより容易となる。上記銅被覆鋼線においては、鋼に比べて硬度の低い銅または銅合金からなる被覆層が、圧着の容易性に寄与する。
しかしながら、上記銅被覆鋼線を圧着により接続した場合、芯線と被覆層とが剥離する場合がある。そこで、圧着を実施した場合の芯線と被覆層との剥離を抑制することが可能な銅被覆鋼線を提供することを目的の１つとする。
［本開示の効果］
本開示の銅被覆鋼線によれば、芯線と被覆層との密着性を向上させることができる。
［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。本願の銅被覆鋼線は、鋼からなる芯線と、芯線の外周面を覆い、銅または銅合金からなる被覆層と、を備える。被覆層は、芯線との界面を含む領域に配置され、被覆層の他の領域に比べて亜鉛濃度の高い中間層を含む。
本発明者らは、芯線と被覆層との密着性を向上させる方策について検討を行った。その結果、被覆層の芯線との界面を含む領域に他の領域に比べて亜鉛濃度が高い層を形成することにより、芯線と被覆層との密着性が向上することを見出した。本願の銅被覆鋼線においては、被覆層は、芯線との界面を含む領域に配置され、被覆層の他の領域に比べて亜鉛濃度の高い中間層を含む。その結果、本願の銅被覆鋼線によれば、芯線と被覆層との密着性が向上し、圧着を実施した場合の芯線と被覆層との剥離を抑制することができる。
上記銅被覆鋼線において、中間層における亜鉛の濃度の最大値は０．５原子％以上１０原子％以下であってもよい。
上述のように、中間層は芯線と被覆層との密着性を向上させる機能を有する。中間層における亜鉛の濃度の最大値を０．５原子％以上とすることにより、密着性をより確実に向上させることができる。そのため、中間層における亜鉛の濃度の最大値は０．５原子％以上であることが好ましい。一方、中間層における亜鉛の濃度の最大値が１０原子％を超えると、銅被覆鋼線の導電性が低下するおそれがある。そのため、中間層における亜鉛の濃度の最大値は１０原子％以下とすることが好ましい。密着性をより確実に向上させる観点から、中間層における亜鉛の濃度の最大値は１原子％以上であることが好ましい。銅被覆鋼線の導電性の低下をより抑制する観点から、中間層における亜鉛の濃度の最大値は８原子％以下、さらには５原子％以下とすることが好ましい。
なお、中間層における亜鉛の濃度の最大値は、たとえば以下のようにして確認することができる。まず、銅被覆鋼線を長手方向に垂直な断面で切断する。得られた銅被覆鋼線の断面の芯線と被覆層との界面に対して垂直な方向にオージェ電子分光分析による線分析を行い、被覆層内における亜鉛濃度の分布を測定する。この測定を５か所について実施し、得られた亜鉛濃度の最大値を中間層における亜鉛の濃度の最大値とする。
上記銅被覆鋼線において、芯線と被覆層との密着強度は５０ＭＰａ以上であってもよい。このようにすることにより、圧着を実施した際の芯線と被覆層との剥離をより確実に抑制することができる。
なお、芯線と被覆層との密着強度は、たとえば以下のように測定することができる。銅被覆鋼線の径方向に表面から被覆層を貫通する複数の切り込みを、各切り込みが全周にわたって連続するように形成する。銅被覆鋼線の長手方向における切り込みの間隔はたとえば２ｍｍとすることができる。次に、銅被覆鋼線の外周面の上記切り込みに挟まれた領域に銅線をはんだ付けにより接続する。銅線の直径は、たとえば０．９ｍｍとすることができる。その後、銅被覆鋼線の径方向に引張応力が負荷されるように、引張試験機により銅線を引張り、芯線と被覆層との剥離が生じる応力を測定する。引張速度は、たとえば１ｍｍ／ｍｉｎ．とすることができる。
上記銅被覆鋼線において、上記鋼はパーライト組織を有していてもよい。パーライト組織を有する鋼は、本願の銅被覆鋼線の芯線を構成する材料として好適である。
上記銅被覆鋼線において、上記鋼の炭素含有量は０．３質量％以上１．１質量％以下であってもよい。炭素含有量は、鋼の強度に大きな影響を与える。炭素含有量を上記範囲とすることにより、芯線に適切な強度を付与することが容易となる。
上記銅被覆鋼線において、上記鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
上記銅被覆鋼線において、上記鋼は、０．１質量％以上０．４質量％以下のニッケル、０．１質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上０．４質量％以下のモリブデンおよび０．０５質量％以上０．３質量％以下のバナジウムからなる群から選択される一種以上の元素をさらに含有していてもよい。
芯線を構成する鋼の成分組成が上記範囲であることが好ましい理由について、以下に説明する。
炭素（Ｃ）：０．５質量％以上１．０質量％以下
炭素は、鋼の強度に大きな影響を与える元素である。銅被覆鋼線の芯線として十分な強度を得る観点から、炭素含有量は０．５質量％以上とすることが好ましい。一方、炭素含有量が多くなると靱性が低下し、加工が困難になるおそれがある。十分な靱性を確保する観点から、炭素含有量は１．０質量％以下とすることが好ましい。強度をさらに向上させる観点から、炭素含有量は０．６質量％以上とすることがより好ましく、０．８質量％以上とすることがさらに好ましい。靱性を向上させて加工を容易とする観点から、炭素含有量は０．９５質量％以下とすることがより好ましい。
珪素（Ｓｉ）：０．１質量％以上２．５質量％以下
珪素は、鋼の精錬において脱酸剤として添加される元素である。脱酸剤としての機能を果たすため、珪素の含有量は０．１質量％以上とすることが好ましく、０．１２質量％以上とすることがより好ましい。また、珪素は、鋼中において炭化物生成元素として機能し、加熱による軟化を抑制する性質（軟化抵抗性）を有する。銅被覆鋼線の製造時および使用時における加熱による軟化を抑制する観点から、珪素含有量は０．８質量％以上とすることが好ましく、１．８質量％以上としてもよい。一方、珪素は過度に添加すると靱性を低下させる。十分な靱性を確保する観点から、珪素含有量は２．５質量％以下とすることが好ましく、２．３質量％以下とすることがより好ましく、さらには２．２質量％以下としてもよい。靱性を重視する観点からは、珪素含有量は１．０質量％以下としてもよい。
マンガン（Ｍｎ）：０．３質量％以上０．９質量％以下
マンガンは、珪素と同様に鋼の精錬において脱酸剤として添加される元素である。脱酸剤としての機能を果たすため、マンガンの含有量は０．３質量％以上とすることが好ましい。一方、マンガンは過度に添加すると、靱性や熱間加工における加工性を低下させる。そのため、マンガン含有量は０．９質量％以下とすることが好ましい。
不可避的不純物
芯線の製造工程において、リン（Ｐ）および硫黄（Ｓ）が不可避的に芯線を構成する鋼中に混入する。リンおよび硫黄は、過度に存在すると粒界偏析を生じたり、介在物を生成したりして、鋼の特性を悪化させる。そのため、リンおよび硫黄の含有量は、それぞれ０．０２５質量％以下とすることが好ましい。また、不可避的不純物の含有量は、合計で０．３質量％以下とすることが好ましい。
ニッケル（Ｎｉ）：０．１質量％以上０．４質量％以下
ニッケルを添加することにより、芯線の伸線加工時における断線の発生が抑制される。この機能を確実に発揮させる観点から、ニッケルは０．１質量％以上添加されてもよい。一方、０．４質量％を超えて添加してもニッケルの上記効果は飽和する。また、高価な元素であるニッケルを０．４質量％を超えて添加すると、芯線の製造コストが上昇する。そのため、ニッケルの添加量は０．４質量％以下とすることが好ましい。
クロム（Ｃｒ）：０．１質量％以上１．８質量％以下
クロムは、鋼中において炭化物生成元素として機能し、微細な炭化物の生成による金属組織の微細化や加熱時の軟化抑制に寄与する。このような効果を確実に発揮させる観点から、クロムは０．１質量％以上添加されてもよく、０．２質量％以上、さらには０．５質量％以上添加されてもよい。一方、クロムの過度の添加は靱性低下の原因となる。そのため、クロムの添加量は１．８質量％以下とすることが好ましい。クロムの添加による上記効果は、珪素、バナジウムとの共存によって、特に顕著となる。そのため、クロムは、これらの元素とともに添加されることが好ましい。
モリブデン（Ｍｏ）：０．１質量％以上０．４質量％以下
モリブデンを添加することにより、鋼の強度を上昇させることができる。この機能を確実に発揮させる観点から、モリブデンは０．１質量％以上添加されてもよい。一方、０．４質量％を超えて添加してもモリブデンの上記効果は飽和する。また、高価な元素であるモリブデンを０．４質量％を超えて添加すると、芯線の製造コストが上昇する。そのため、モリブデンの添加量は０．４質量％以下とすることが好ましい。
バナジウム（Ｖ）：０．０５質量％以上０．３質量％以下
バナジウムは、鋼中において炭化物生成元素として機能し、微細な炭化物の生成による金属組織の微細化や加熱時の軟化抑制に寄与する。このような効果を確実に発揮させる観点から、バナジウムは０．０５質量％以上添加されてもよい。一方、バナジウムの過剰な添加は、靱性を低下させる。十分な靱性を確保する観点から、バナジウムの添加量は０．３質量％以下とすることが好ましい。バナジウムの添加による上記効果は、珪素、クロムとの共存によって、特に顕著となる。そのため、バナジウムは、これらの元素とともに添加されることが好ましい。
上記銅被覆鋼線の引張強さは９５０ＭＰａ以上３０００ＭＰａ以下であってもよい。引張強さを９５０ＭＰａ以上することにより、銅被覆鋼線として、特に電線として使用される銅被覆鋼線として十分な強度を得ることが容易となる。引張強さを３０００ＭＰａ以下とすることにより、十分な靱性を確保することが容易となる。上記銅被覆鋼線の引張強さは、１５００ＭＰａ以上であることが好ましい。上記銅被覆鋼線の引張強さは、２５００ＭＰａ以下であることが好ましい。
上記銅被覆鋼線において、上記被覆層の硬度は５０ＨＶ以上２００ＨＶ以下であってもよい。被覆層の硬度を５０ＨＶ以上とすることにより、被覆層に十分な強度を付与することが容易となる。被覆層の硬度を２００ＨＶ以下とすることにより、被覆層に十分な変形能を付与することが容易となり、圧着による接続に適した銅被覆鋼線を得ることが容易となる。
上記銅被覆鋼線の線径は０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下であってもよい。このようにすることにより、特に電線として使用することに適した銅被覆鋼線を得ることが容易となる。なお、本願において「線径」とは、銅被覆鋼線の長手方向に垂直な断面が円形である場合、その直径を意味する。上記断面が円径以外である場合、断面に外接する円の直径を意味する。
上記銅被覆鋼線の導電率は２０％ＩＡＣＳ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｎｎｅａｌｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ Ｓｔａｎｄａｒｄ）以上８０％ＩＡＣＳ以下であってもよい。このようにすることにより、特に電線として使用することに適した銅被覆鋼線を得ることが容易となる。
上記銅被覆鋼線において、芯線の拡散性水素濃度が２．０ｐｐｍ以下であってもよい。このようにすることにより、水素脆性に起因する芯線の損傷を抑制することができる。
上記銅被覆鋼線は、表面を含むように配置され、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、スズ（Ｓｎ）、パラジウム（Ｐｄ）およびニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択される１以上の金属からなる表面層をさらに備えていてもよい。耐摩耗性の向上や、銅被覆鋼線を端子等に接続した場合の接触抵抗の低減等を目的として、このような表面層を形成してもよい。
本願の撚線は、複数の上記本願の銅被覆鋼線が撚り合わされて構成される。本願の撚線によれば、上記本願の銅被覆鋼線が撚り合わされた構造を有することにより、芯線と被覆層との密着性が高いだけでなく、柔軟性にも優れた撚線を提供することができる。
［本願発明の実施形態の詳細］
次に、本開示にかかる銅被覆鋼線および撚線の実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
（実施の形態１）
図１は、銅被覆鋼線の構造を示す概略図である。図２は、銅被覆鋼線の構造を示す概略断面図である。図２は、銅被覆鋼線の長手方向に垂直な面における断面図である。
図１および図２を参照して、本実施の形態における銅被覆鋼線１は、鋼からなる芯線１０と、芯線１０の外周面１１を覆い、銅または銅合金からなる被覆層２０と、表面３１（外周面）を含むように配置され、金、銀、スズ、パラジウムおよびニッケルからなる群から選択される１以上の金属からなる表面層３０とを備える。
芯線１０の長手方向に垂直な断面の形状は円形である。芯線１０を構成する鋼は、たとえばパーライト組織を有している。芯線１０を構成する鋼の炭素含有量は０．３質量％以上１．１質量％以下であることが好ましい。芯線１０を構成する鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。芯線１０を構成する鋼は、０．１質量％以上０．４質量％以下のニッケル、０．１質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上０．４質量％以下のモリブデンおよび０．０５質量％以上０．３質量％以下のバナジウムからなる群から選択される一種以上の元素をさらに含有していてもよい。芯線１０は、たとえばＪＩＳ規格に規定されるピアノ線、具体的にはＳＷＰ－Ｂであってもよい。芯線１０の拡散性水素濃度は２．０ｐｐｍ以下であることが好ましい。
被覆層２０は、芯線１０の外周面１１を全周にわたって覆っている。被覆層２０は、芯線１０の外周面１１に接触して配置されている。被覆層２０は、めっき層、たとえば銅めっき層である。被覆層２０は、たとえばめっき処理により形成された層である。本実施の形態において、被覆層２０は純銅からなっている（銅および不可避的不純物からなっている）。被覆層２０の硬度は、たとえば５０ＨＶ以上２００ＨＶ以下である。
被覆層２０は、芯線１０との界面を含む領域に配置され、被覆層２０の他の領域に比べて亜鉛（Ｚｎ）濃度の高い中間層２２を含んでいる。中間層２２は、芯線１０の外周面１１を全周にわたって取り囲むように、配置されている。中間層２２は、芯線１０の外周面１１に対して全周にわたって接触するように配置されている。中間層２２における亜鉛の濃度の最大値は、たとえば０．５原子％以上１０原子％以下である。
表面層３０は、被覆層２０の外周面２１を全周にわたって覆っている。表面層３０は、被覆層２０の外周面２１に接触して配置されている。表面層３０は、被覆層２０の外周面２１を全周にわたって取り囲むように、配置されている。表面層３０は、被覆層２０の外周面２１に対して全周にわたって接触するように配置されている。表面層３０の外周面が銅被覆鋼線１の表面３１（外周面）である。
本実施の形態の銅被覆鋼線１においては、被覆層２０は、芯線１０との界面を含む領域に配置され、被覆層２０の他の領域に比べて亜鉛濃度の高い中間層２２を含んでいる。その結果、本実施の形態の銅被覆鋼線１は、芯線１０と被覆層２０との密着性が向上し、圧着を実施した場合の芯線１０と被覆層２０との剥離を抑制することが可能な銅被覆鋼線となっている。
本実施の形態の銅被覆鋼線１において、芯線１０と被覆層２０との密着強度は５０ＭＰａ以上であることが好ましい。これにより、圧着を実施した場合の芯線１０と被覆層２０との剥離をより確実に抑制することができる。
本実施の形態の銅被覆鋼線１の引張強さは９５０ＭＰａ以上３０００ＭＰａ以下であることが好ましい。引張強さを９５０ＭＰａ以上することにより、銅被覆鋼線として、特に電線として使用される銅被覆鋼線として十分な強度を得ることが容易となる。引張強さを３０００ＭＰａ以下とすることにより、十分な靱性を確保することが容易となる。
本実施の形態の銅被覆鋼線１の線径φは０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下とすることが好ましい。これにより、特に電線として使用することに適した銅被覆鋼線を得ることが容易となる。
本実施の形態の銅被覆鋼線１の導電率は２０％ＩＡＣＳ以上８０％ＩＡＣＳ以下であることが好ましい。これにより、特に電線として使用することに適した銅被覆鋼線を得ることが容易となる。
次に、銅被覆鋼線１の製造方法の一例について、図１～図８に基づいて説明する。図３を参照して、本実施の形態の銅被覆鋼線１の製造方法においては、まず工程（Ｓ１０）として原料鋼線準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、図４を参照して、芯線１０となるべき原料鋼線９０が準備される。具体的には、たとえば０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼からなる原料鋼線９０が準備される。原料鋼線９０を構成する鋼は、０．１質量％以上０．４質量％以下のニッケル、０．１質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上０．４質量％以下のモリブデンおよび０．０５質量％以上０．３質量％以下のバナジウムからなる群から選択される一種以上の元素をさらに含有していてもよい。
次に、図３を参照して、工程（Ｓ２０）としてパテンティング工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図４を参照して、工程（Ｓ１０）において準備された原料鋼線９０に対してパテンティングが実施される。具体的には、原料鋼線９０がオーステナイト化温度（Ａ１点）以上の温度域に加熱された後、マルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）よりも高い温度域まで急冷され、当該温度域で保持される熱処理が実施される。これにより、原料鋼線９０の金属組織がラメラ間隔の小さい微細パーライト組織となる。ここで、上記パテンティング処理において、原料鋼線９０をＡ１点以上の温度域に加熱する処理は、脱炭の発生を抑制する観点から不活性ガス雰囲気中で実施されることが好ましい。
次に、図３を参照して、工程（Ｓ３０）として中間被覆層形成工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、図４および図５を参照して、工程（Ｓ２０）においてパテンティング処理が実施された原料鋼線９０の外周面９５を覆うように、銅及び亜鉛を含む中間被覆層５０が形成される。具体的には、たとえば原料鋼線９０の外周面９５に、銅および亜鉛を含む金属層である中間被覆層５０がめっきにより形成される。中間被覆層５０は、たとえば２５質量％以上５０質量％以下の亜鉛を含有し、残部が銅および不可避的不純物からなっている。不可避的不純物は、たとえば１質量％以下であることが好ましく、０．５質量％以下であることが好ましい。中間被覆層５０中の亜鉛の含有量は、３６質量％以上４２質量％以下であることがより好ましい。この工程（Ｓ３０）が実施されることにより、第１中間鋼線９１が得られる。なお、本実施の形態においては、銅及び亜鉛を含む中間被覆層５０が形成される場合について説明したが、亜鉛を含み、銅を含まない中間被覆層５０が形成されてもよい。
次に、図３を参照して、工程（Ｓ４０）として第１熱処理工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図５を参照して、工程（Ｓ３０）までが実施されて得られた第１中間鋼線９１に対して、熱処理が実施される。具体的には、亜鉛の融点（４１９．５℃）以上の温度に第１中間鋼線９１が加熱される。これにより、工程（Ｓ３０）において形成された中間被覆層５０を構成する亜鉛と銅とが一様な合金となる。工程（Ｓ４０）における加熱温度は５５０℃以上であることが好ましい。工程（Ｓ４０）における加熱温度は６５０℃以下であることが好ましい。工程（Ｓ４０）における加熱時間は、たとえば３秒以上７秒以下とすることができる。
次に、図３を参照して、工程（Ｓ５０）として伸線工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、図５および図６を参照して、工程（Ｓ４０）の熱処理が実施された第１中間鋼線９１に対して伸線加工（引抜き加工）が実施される。工程（Ｓ５０）の伸線加工における加工度（減面率）は、たとえば９０％以上９９％以下とすることができる。工程（Ｓ５０）の伸線加工における真歪は、たとえば２．３以上３．９以下とすることが好ましい。以上の手順により、第２中間鋼線９２が得られる。
次に、図３を参照して、工程（Ｓ６０）として銅被覆層形成工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、図６および図７を参照して、工程（Ｓ５０）までが実施されて得られた第２中間鋼線９２の中間被覆層５０の外周面５１を全周にわたって覆うように銅被覆層９６が形成される。銅被覆層９６は、中間被覆層５０の外周面５１に接触するように形成される。銅被覆層９６は、たとえばめっきにより形成することができる。銅被覆層９６は、たとえば純銅からなる。
次に、図３を参照して、工程（Ｓ７０）として表面層形成工程が実施される。この工程（Ｓ７０）では、図７を参照して、工程（Ｓ６０）において形成された銅被覆層９６の外周面９７を全周にわたって覆うように表面層３０が形成される。表面層３０は、銅被覆層９６の外周面９７に接触するように形成される。表面層３０は、たとえばめっきにより形成することができる。表面層３０は、金、銀、スズ、パラジウムおよびニッケルからなる群から選択される１以上の金属からなる。以上の手順により、第３中間鋼線９３が得られる。
次に、図３を参照して、工程（Ｓ８０）として第２熱処理工程が実施される。この工程（Ｓ８０）では、図７および図８を参照して、工程（Ｓ７０）までが実施されて得られた第３中間鋼線９３に対して、熱処理が実施される。具体的には、銅の再結晶温度以上の温度に第３中間鋼線９３が加熱される。工程（Ｓ８０）における加熱温度は１００℃以上であることが好ましい。工程（Ｓ８０）における加熱温度は４００℃以下であることが好ましい。工程（Ｓ８０）における加熱時間は、たとえば５分間以上３時間以下とすることができる。これにより、銅被覆層９６を構成する銅が再結晶化する。また、中間被覆層５０と銅被覆層９６とが一体化し、被覆層２０となる。原料鋼線９０は、芯線１０となる。このとき、中間被覆層５０に含まれる亜鉛が銅被覆層９６内へと拡散する。その結果、被覆層２０内の芯線１０との界面を含む領域に、被覆層２０の他の領域に比べて亜鉛濃度の高い中間層２２が形成される。以上の手順により、第４中間鋼線９４が得られる。
次に、図３を参照して、工程（Ｓ９０）として線径調整工程が実施される。この工程（Ｓ９０）では、図８、図１および図２を参照して、工程（Ｓ８０）の熱処理が実施された第４中間鋼線９４に対して、加工度の小さい伸線加工（引抜き加工）が実施される。工程（Ｓ９０）の伸線加工における加工度（減面率）は、たとえば１％以上２０％以下とすることができる。以上の手順により、本実施の形態の銅被覆鋼線１を容易に製造することができる。本実施の形態の銅被覆鋼線１の製造方法においては、工程（Ｓ５０）で加工度の大きい伸線加工が実施される前に、工程（Ｓ３０）において亜鉛を含む中間被覆層５０が形成される。これにより、工程（Ｓ５０）における加工度の大きな伸線加工が容易となる。また、本実施の形態の銅被覆鋼線１の製造方法においては、工程（Ｓ６０）における銅被覆層９６の形成（めっき処理）の前に、亜鉛を含む中間被覆層５０が形成されている。そのため、工程（Ｓ６０）において原料鋼線９０（芯線１０）に水素が侵入することを抑制することができる。また、本実施の形態の銅被覆鋼線１の製造方法においては、工程（Ｓ５０）における加工度の大きな伸線加工が実施された後で、銅被覆層９６が形成される。そのため、銅被覆層９６が形成された鋼線に対して加工度の大きな伸線加工を実施する必要がなく、銅被覆鋼線１の安定的な製造が可能となっている。
（実施の形態２）
次に、実施の形態２として、本願の撚線の一実施の形態について説明する。図９を参照して、本実施の形態における撚線１００は、複数の上記実施の形態１の銅被覆鋼線１が撚り合わされて構成されている。本実施の形態においては、１９本の銅被覆鋼線１が撚り合わされた構造を有している。撚線１００に含まれる各銅被覆鋼線１は、上記実施の形態１の銅被覆鋼線である。撚線１００は、上記実施の形態１の銅被覆鋼線１が撚り合わされた構造を有することにより、芯線１０と被覆層２０との密着性が高いだけでなく、柔軟性にも優れるため、電線として好適である。
本実施の形態の撚線１００は、上記実施の形態１において説明した製造方法により製造された銅被覆鋼線１を複数本撚り合わせることにより製造することができる。
なお、本実施の形態においては、１９本の銅被覆鋼線１が撚り合わされた場合について説明したが、撚線１００を構成する銅被覆鋼線１の本数は複数であれば特に限定されるものではなく、その用途および要求特性に応じて適切な本数の銅被覆鋼線１が撚り合わされた構造を選択することができる。
（実験１）
本願の銅被覆鋼線における中間層の形成状態を確認する実験を行った。実験の手順は以下の通りである。まず、上記実施の形態１と同様の手順において、工程（Ｓ７０）を省略したプロセスで銅被覆鋼線１を作製した。次に、銅被覆鋼線１を長手方向に垂直な断面で切断した。この断面において、芯線１０と被覆層２０との界面に対して垂直な方向に当該界面を横断するようにオージェ電子分光分析による線分析を行い、当該界面付近の鉄、銅および亜鉛の濃度を調査した。オージェ電子分光分析装置としては、アルバック・ファイ社製ＰＨＩ７００（商品名）を用いた。測定条件は１０ｋＶ １０ｎＡ、試料傾斜は無し、スパッターは１ｋＶとした。実験の結果を図１０および図１１に示す。図１０および図１１において、細い実線が鉄、破線が銅、太い実線が亜鉛に対応する。図１０および図１１において、横軸は距離を示す。図１０および図１１において、縦軸は各元素の含有量を示す。図１０および図１１において、横軸の値が８μｍである付近が、芯線１０と被覆層２０との界面に対応する。図１１は、図１０の芯線１０と被覆層２０との界面付近を拡大して示した図である。
図１０および図１１を参照して、芯線１０と被覆層２０との界面の被覆層２０側に、亜鉛の濃度が他の領域に比べて高い中間層２２が形成されていることが確認される。中間層２２における亜鉛の濃度の最大値は、約３原子％である。また、中間層２２の厚みは、約４μｍである。中間層２２の厚みは、その機能を必要かつ十分に発揮させる観点から、１μｍ以上１０μｍ以下とすることが好ましい。以上の実験結果から、上記実施の形態１の製造方法により、中間層２２を含む実施の形態１の銅被覆鋼線１を製造可能であることが確認された。
（実験２）
本願の銅被覆鋼線の芯線と被覆層との密着性等を確認する実験を行った。実験の手順は以下の通りである。
まず、上記実施の形態１と同様の手順において、工程（Ｓ７０）を省略したプロセスで銅被覆鋼線１を作製した。そして、銅被覆鋼線１の表面粗さ、密着強度、最小Ｒ／ｄ、引張強さ、かしめ後引張強さを測定した（サンプルＡ～Ｈ；実施例）。また、同様の手順で作製したサンプルにおいて、工程（Ｓ５０）完了時点（銅被覆前）および工程（Ｓ６０）完了時点（銅被覆後）のそれぞれの時点における拡散性水素量を測定した（工程Ａ；実施例）。比較のため、銅被覆鋼線ではなく、銅合金線についても引張強さ、かしめ後の引張強さを測定した。銅合金線を構成する銅合金は、銅－銀合金（サンプルａおよびｂ；比較例）および銅－スズ合金（サンプルｃおよびｄ；比較例）とした。さらに比較のため、工程（Ｓ６０）の省略に加えて、中間層２２を形成するための工程（Ｓ３０）および（Ｓ４０）をさらに省略したサンプルも作製し、同様に表面粗さ、最小Ｒ／ｄ、引張強さ、かしめ後の引張強さを測定した（サンプルｅ～ｈ；比較例）。また、同様の手順で作製したサンプルについて、銅被覆前および銅被覆後のそれぞれの時点における拡散性水素量を測定した（工程Ｂ；比較例）。
表面粗さとしては、算術平均粗さＲａを測定した。この表面粗さＲａの、被覆層２０の厚みに対する割合に基づいて、表面粗さを評価した。密着強度は、以下のように測定した。銅被覆鋼線１の径方向に表面から被覆層２０を貫通する複数の切り込みを、各切り込みが全周にわたって連続するように形成した。銅被覆鋼線１の長手方向における切り込みの間隔は、２ｍｍとした。次に、銅被覆鋼線１の外周面の上記切り込みに挟まれた領域に銅線をはんだ付けにより接続した。銅線の直径は、０．９ｍｍとした。その後、銅被覆鋼線１の径方向に引張応力が負荷されるように、引張試験機により銅線を引張り、芯線１０と被覆層２０との剥離が生じる応力を測定した。引張速度は、たとえば１ｍｍ／ｍｉｎ．とした。
最小Ｒ／ｄは、銅被覆鋼線を曲げた場合にどの程度の曲率半径まで芯線と被覆層との間に剥離を生じることなく曲げることが可能であるかを評価する指標である。銅被覆鋼線を曲げ、芯線と被覆層との間に剥離が生じた時点における銅被覆鋼線の曲率半径Ｒを、銅被覆鋼線の半径ｄで除した値（最小Ｒ／ｄ）で、銅被覆鋼線の曲げに対する耐久性を評価した。かしめ後引張強さは、銅被覆鋼線に対して径方向に圧縮する方向に力を付与する圧着端子にてかしめた後、引張試験を実施して評価した。かしめ後引張強さは、６００ＭＰａ以上であることが、実用上好ましい。実験の結果を、線径等の実験条件とともに表１および表２に示す。
Figure 0007296388000001
Figure 0007296388000002
 表１を参照して、本願の実施例であるサンプルＡ～Ｈは、密着強度において、比較例であるサンプルｅ～ｈを大幅に上回っている。また、最小Ｒ／ｄに関しても、サンプルＡ～Ｈは、サンプルｅ～ｈを明確に上回っている。このことから、本願の銅被覆鋼線は、中間層２２を含むことにより、芯線と被覆層との剥離が抑制された銅被覆鋼線であることが確認される。また、引張強さに関しては、鋼からなる芯線を有するサンプルｅ～ｈは、サンプルａ～ｄよりも高く、サンプルＡ～Ｈと同等の引張強さを有している。しかし、サンプルｅ～ｈは、かしめ後引張強さに関しては、サンプルａ～ｄに近い値となっている。これは、かしめ（圧着）によって芯線と被覆層との間に剥離が生じたためであると考えられる。これに対し、本願の銅被覆鋼線である中間層２２を含むサンプルＡ～Ｈは、かしめ後引張強さにおいて、サンプルｅ～ｈを大幅に上回っている。これは、中間層２２の存在により、芯線１０と被覆層２０との密着強度が上昇し、芯線１０と被覆層２０との剥離が抑制されたためであると考えられる。
表２を参照して、本願の実施例の銅被覆鋼線１が製造される工程Ａでは、銅被覆の前後とも、拡散性水素量が低い状態が維持されている。これに対し、比較例の銅被覆鋼線が製造される工程Ｂでは、銅被覆前においては拡散性水素量が低い状態であるものの、銅被覆後においては拡散性水素量が高くなっている。これは、本願の実施例の銅被覆鋼線１が製造される工程Ａにおいては、工程（Ｓ６０）における銅被覆層９６の形成（めっき処理）の前に、芯線後の原料鋼線９０の表面に亜鉛を含む中間被覆層５０が形成されているため、原料鋼線９０（芯線１０）に水素が侵入することが抑制されたためであると考えられる。
以上の実験結果より、本願の銅被覆鋼線によれば、圧着を実施した場合の芯線と被覆層との剥離を抑制することが可能な銅被覆鋼線を提供できることが確認される。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって規定され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 銅被覆鋼線、１０ 芯線、１１ 外周面、２０ 被覆層、２１ 外周面、２２ 中間層、３０ 表面層、３１ 表面、５０ 中間被覆層、５１ 外周面、９０ 原料鋼線、９１ 第１中間鋼線、９２ 第２中間鋼線、９３ 第３中間鋼線、９４ 第４中間鋼線、９５ 外周面、９６ 銅被覆層、９７ 外周面、１００ 撚線。

Claims (13)

  1. 鋼からなる芯線と、
    前記芯線の外周面を覆い、銅または銅合金からなる被覆層と、を備え、
    前記被覆層は、前記芯線との界面を含む領域に配置され、前記被覆層の他の領域に比べて亜鉛濃度の高い中間層を含み、
    前記中間層における亜鉛の濃度の最大値は０．５原子％以上１０原子％以下である、銅被覆鋼線。
  2. 前記芯線と前記被覆層との密着強度が５０ＭＰａ以上である、請求項１に記載の銅被覆鋼線。
  3. 前記鋼はパーライト組織を有する、請求項１または請求項２に記載の銅被覆鋼線。
  4. 前記鋼の炭素含有量は０．３質量％以上１．１質量％以下である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の銅被覆鋼線。
  5. 前記鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる、請求項４に記載の銅被覆鋼線。
  6. 前記鋼は、０．１質量％以上０．４質量％以下のニッケル、０．１質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上０．４質量％以下のモリブデンおよび０．０５質量％以上０．３質量％以下のバナジウムからなる群から選択される一種以上の元素をさらに含有する、請求項５に記載の銅被覆鋼線。
  7. 引張強さが９５０ＭＰａ以上３０００ＭＰａ以下である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の銅被覆鋼線。
  8. 前記被覆層の硬度は５０ＨＶ以上２００ＨＶ以下である、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の銅被覆鋼線。
  9. 線径が０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下である、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の銅被覆鋼線。
  10. 導電率が２０％ＩＡＣＳ以上８０％ＩＡＣＳ以下である、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の銅被覆鋼線。
  11. 前記芯線の拡散性水素濃度が２．０ｐｐｍ以下である、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の銅被覆鋼線。
  12. 表面を含むように配置され、金、銀、スズ、パラジウムおよびニッケルからなる群から選択される１以上の金属からなる表面層をさらに備える、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の銅被覆鋼線。
  13. 複数の請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の銅被覆鋼線が撚り合わされて構成される、撚線。
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