JP7327716B1

JP7327716B1 - 銅被覆鋼線

Info

Publication number: JP7327716B1
Application number: JP2023532807A
Authority: JP
Inventors: 健太松岡; 寛泉田; 昭人星間
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2022-05-30
Filing date: 2023-01-16
Publication date: 2023-08-16
Anticipated expiration: 2043-01-16
Also published as: JPWO2023233698A1

Abstract

銅被覆鋼線は、オーステナイト系ステンレス鋼からなる芯線と、芯線の外周面を覆い、Ｎｉからなる第１被覆層と、第１被覆層の外周面を覆い、銅または銅合金からなる第２被覆層と、を備える。芯線は、外周面を構成するように配置され、１μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有し、オーステナイト組織の体積率が８０％以上であるオーステナイト層と、オーステナイト層の内周側に配置され、マルテンサイト組織の体積率が８０％以上であるマルテンサイト層と、を含む。

Description

本開示は、銅被覆鋼線に関するものである。

本出願は、２０２２年５月３０日出願の日本出願第２０２２－８７５４５号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

電線において強度および導電性の両立が求められる場合、鋼からなる芯線と、銅（Ｃｕ）または銅合金からなる被覆層とを含む銅被覆鋼線が採用される場合がある（たとえば、特開平１－２８９０２１号公報（特許文献１）、特開２００２－２７００３９号公報（特許文献２）および特開２０２０－０２１６２０号公報（特許文献３）参照）。鋼からなる芯線が強度の向上に寄与し、銅または銅合金からなる被覆層が高い導電性を担う。

特開平１－２８９０２１号公報特開２００２－２７００３９号公報特開２０２０－０２１６２０号公報

本開示に従った銅被覆鋼線は、オーステナイト系ステンレス鋼からなる芯線と、芯線の外周面を覆い、Ｎｉからなる第１被覆層と、第１被覆層の外周面を覆い、銅または銅合金からなる第２被覆層と、を備える。芯線は、外周面を構成するように配置され、１μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有し、オーステナイト組織の体積率が８０％以上であるオーステナイト層と、オーステナイト層の内周側に配置され、マルテンサイト組織の体積率が８０％以上であるマルテンサイト層と、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、圧縮試験において剥離が発生しなかったサンプルの断面の一例を示す写真である。図５は、圧縮試験において剥離が発生したサンプルの断面の一例を示す写真である。

［本開示が解決しようとする課題］
上記銅被覆鋼線の使用環境によっては、耐食性が必要となる場合がある。この場合、芯線を構成する鋼として耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を採用することができる。このとき、芯線の表面にニッケル（Ｎｉ）からなる第１被覆層を形成し、第１被覆層上に銅または銅合金からなる第２被覆層を形成する。オーステナイト系ステンレス鋼からなる芯線の表面は、不働態膜で覆われている。そのため、芯線の表面に直接銅または銅合金からなる被覆層を形成すると、芯線と被覆層との間の十分な密着性が得られない。オーステナイト系ステンレス鋼からなる芯線および銅または銅合金からなる第２被覆層の両方と密着可能なニッケルからなる第１被覆層を採用することにより、芯線から被覆層が剥離することを抑制することができる。

しかし、上記ニッケルからなる第１被覆層を採用した場合でも、圧着端子にて銅被覆鋼線を加締める場合、芯線から被覆層が剥離する場合がある。圧着端子との接続は、簡易的な接続方法として、銅被覆鋼線にとって重要である。被覆層の剥離が発生した場合、圧着端子との接続部分における強度の低下、芯線の隙間腐食などが懸念される。

そこで、耐食性を有し、強度および導電性の両立を達成するとともに、圧着端子との接続時における被覆層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本開示の目的の１つとする。

［本開示の効果］
上記銅被覆鋼線によれば、耐食性を有し、強度および導電性の両立を達成するとともに、圧着端子との接続時における被覆層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ができる。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。本開示の銅被覆鋼線は、オーステナイト系ステンレス鋼からなる芯線と、芯線の外周面を覆い、Ｎｉからなる第１被覆層と、第１被覆層の外周面を覆い、銅または銅合金からなる第２被覆層と、を備える。芯線は、外周面を構成するように配置され、１μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有し、オーステナイト組織の体積率が８０％以上であるオーステナイト層と、オーステナイト層の内周側に配置され、マルテンサイト組織の体積率が８０％以上であるマルテンサイト層と、を含む。

本発明者らは、圧着端子との接続時における被覆層の剥離を抑制する方策について検討を行った。その結果、通常は伸線加工によってマルテンサイト組織（加工誘起マルテンサイト組織）が主体の組織となっている芯線の表層部をオーステナイト組織主体の組織とすることにより、被覆層の剥離を抑制できることを見出した。これは、以下のような理由によるものと考えることができる。通常は伸線加工によって芯線の表層部が加工誘起マルテンサイト組織主体の組織となっている。加工誘起マルテンサイト組織の結晶構造は体心正方格子であり、格子定数は０．２８４～０．２９６ｎｍ（２.８４～２.９６Å）である。これに対し、第１被覆層を構成するＮｉの結晶構造は面心立方格子であり、格子定数は０．３５２ｎｍ（３．５２Å）である。このように、芯線の表層部と第１被覆層との間で結晶構造が異なり、格子定数の差も大きいことが、圧着端子との接続時における被覆層の剥離の原因となっているものと考えられる。一方、オーステナイト組織の結晶構造は面心立方格子であり、格子定数は０．３６４ｎｍ（３．６４Å）である。芯線の表層部をオーステナイト組織主体の組織とすることにより、芯線の表層部と第１被覆層との間で結晶構造が一致し、格子定数の差も小さくなることで、圧着端子との接続時における被覆層の剥離が抑制される。

本開示の銅被覆鋼線においては、芯線を構成する鋼としてオーステナイト系ステンレス鋼が採用されることにより、優れた耐食性が確保される。また、鋼製の芯線、特に強度の高いマルテンサイト層が、強度の向上に寄与する。さらに、銅または銅合金からなる第２被覆層が、高い導電性を担う。そして、芯線の外周面を構成するように、１μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有し、オーステナイト組織の体積率が８０％以上であるオーステナイト層が配置される。これにより、圧着端子との接続時における被覆層の剥離が抑制される。このように、本開示の銅被覆鋼線によれば、耐食性を有し、強度および導電性の両立を達成するとともに、圧着端子との接続時における被覆層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、芯線の外径は０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下であってもよい。芯線の外径が０．０５ｍｍ未満の場合、芯線に占めるオーステナイト層の割合が大きくなる。その結果、十分な強度を確保することが難しくなる。一方、芯線の外径が１ｍｍを超える場合、オーステナイト層の厚みを１μｍ以上１０μｍ以下となるような製造条件の設定が難しくなる。芯線の外径を０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下とすることにより、十分な強度を有する上記銅被覆鋼線を製造することが容易となる。なお、本願において「線径」とは、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。

上記銅被覆鋼線において、第１被覆層の厚みは０．００１μｍ以上５０μｍ以下であってもよい。第１被覆層の厚みを０．００１μｍ以上とすることにより、第２被覆層との密着性をより確実に得ることができる。一方、第１被覆層の厚みについては、５０μｍを超えて厚くしても効果が飽和する。そのため、第１被覆層の厚みは５０μｍ以下とすることが好ましく、３０μｍ以下としてもよい。より確実に第２被覆層との密着性を得る観点から、第１被覆層の厚みは０．０１５μｍ以上とすることが好ましい。

上記銅被覆鋼線の引張強さは６００ＭＰａ以上２５００ＭＰａ以下であってもよい。引張強さを６００ＭＰａ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２５００ＭＰａ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、９００ＭＰａ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、２２００ＭＰａ以下であることが好ましい。

上記銅被覆鋼線の導電率は２０％ＩＡＣＳ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、芯線を構成するオーステナイト系ステンレス鋼は、ＪＩＳ規格ＳＵＳ３０１（ＳＵＳ３０１－ＣＳＰ）、ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６であってもよい。強度および耐食性等の観点から、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０４およびＳＵＳ３１６は、芯線を構成する材料として好適である。なお、本願において、上記オーステナイトステンレス鋼とは、ＪＩＳ規格（ＪａｐａｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＳｔａｎｄａｒｄ）のＪＩＳＧ４３０８およびＪＩＳＧ４３１３に規定される成分組成を有する鋼を意味する。

［本開示の実施形態の詳細］
次に、本開示にかかる銅被覆鋼線の実施の形態を、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。

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って、第１被覆層の近傍を拡大して示す。

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、芯線１０と、第１被覆層３０と、第２被覆層２０とを備える。銅被覆鋼線１の長手方向に垂直な断面の形状は円形である。芯線１０は、オーステナイト系ステンレス鋼からなる。芯線１０を構成するオーステナイト系ステンレス鋼としては、たとえばＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６を採用することができる。芯線１０の外径は、たとえば０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下とすることができる。芯線１０の長手方向に垂直な断面の形状は円形である。

第１被覆層３０は、芯線１０の外周面１０Ａを全域にわたって覆うように配置されている。第１被覆層３０は、内周面３０Ａにおいて、芯線１０の外周面１０Ａに接触している。第１被覆層３０は、Ｎｉから構成される。第１被覆層３０の厚みは、たとえば０．００１μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。第１被覆層３０は、たとえばめっきにより形成されためっき層であってもよい。本実施の形態において、第２被覆層２０は、純Ｎｉからなっている（Ｎｉおよび不可避的不純物からなっている）。

第２被覆層２０は、第１被覆層３０の外周面３０Ｂを全域にわたって覆うように配置されている。第２被覆層２０は、内周面２０Ａにおいて第１被覆層３０の外周面３０Ｂと接触している。第２被覆層２０は、ＣｕまたはＣｕ合金から構成される。第２被覆層２０の厚みは、たとえば５μｍ以上１５０μｍ以下とすることができる。第２被覆層２０は、たとえばめっきにより形成されためっき層であってもよい。第２被覆層２０は、Ｃｕめっき層であってもよい。すなわち、第２被覆層２０は、純銅からなっていてもよい（銅および不可避的不純物からなっていてもよい）。本実施の形態において、第２被覆層２０が、銅被覆鋼線１の表面（外周面）を構成している。他の実施の形態においては、銅被覆鋼線１の表面（外周面）を構成するように、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が形成されていてもよい。

図２を参照して、芯線１０は、オーステナイト層１２と、マルテンサイト層１１とを含んでいる。オーステナイト層１２は、芯線１０の外周面１０Ａを構成するように配置されている。芯線１０の外周面１０Ａは、全域にわたってオーステナイト層１２により構成されている。オーステナイト層１２は、オーステナイト組織の体積率が８０％以上の層である。オーステナイト層１２の厚みは、１μｍ以上１０μｍ以下である。

マルテンサイト層１１は、オーステナイト層１２の内周側に配置されている。マルテンサイト層１１は、マルテンサイト組織の体積率が８０％以上の層である。マルテンサイト層１１とオーステナイト層１２との間には、マルテンサイト組織の体積率およびオーステナイト組織の体積率がいずれも８０体積％未満である中間層が形成されていてもよい。本実施の形態において、マルテンサイト層１１は、オーステナイト層１２の内周側（または中間層の内周側）の全域を構成している。マルテンサイト層１１は、芯線１０のコアを構成している。マルテンサイト層１１は、芯線１０のうち、８０体積％以上を占めることが好ましい。なお、マルテンサイト層１１およびオーステナイト層１２の存在は、たとえば芯線１０の長手方向に垂直な断面に対してＸ線回折による分析を行い、オーステナイト組織に対応するピークおよびマルテンサイト組織に対応するピークから確認することができる。

本実施の形態の銅被覆鋼線１においては、芯線１０を構成する鋼としてオーステナイト系ステンレス鋼が採用されることにより、優れた耐食性が確保されている。また、鋼製の芯線１０、特に強度の高いマルテンサイト層１１が、強度の向上に寄与している。さらに、銅または銅合金からなる第２被覆層２０が、高い導電性を担う。そして、芯線１０の外周面１０Ａを構成するように、オーステナイト層１２が配置されている。これにより、圧着端子との接続時における被覆層２０，３０の剥離が抑制される。このように、本実施の形態の銅被覆鋼線１は、耐食性を有し、強度および導電性の両立を達成するとともに、圧着端子との接続時における被覆層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。

銅被覆鋼線１の引張強さは、６００ＭＰａ以上２５００ＭＰａ以下であることが好ましい。引張強さを６００ＭＰａ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２５００ＭＰａ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。

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。このようにすることにより、銅被覆鋼線１を、特に電線として使用することに適したものとすることができる。

次に、銅被覆鋼線１の製造方法の一例について、主に図３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、芯線１０となるべき原料鋼線が準備される。具体的には、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６に対応する成分組成を有する鋼線が準備される。原料鋼線の外径は、たとえば０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることができる。

次に、工程Ｓ２０として伸線工程が実施される。この工程Ｓ２０では、工程Ｓ１０において準備された原料鋼線に対して伸線加工（引抜き加工）が実施される。工程Ｓ２０の伸線加工における加工度（減面率）は、たとえば９０％以上９８％以下とすることができる。伸線加工は、複数回に分けて実施してもよい。

この工程Ｓ２０において、マルテンサイト層１１およびオーステナイト層１２が形成される。工程Ｓ１０において準備される原料鋼線は、全域にわたってオーステナイト組織が主体の組織を有している。上記の通り、工程Ｓ２０における減面率を高い値とすることにより、芯部を含む領域をマルテンサイト層１１とすることができる。一方、オーステナイト層１２を形成するためには、工程Ｓ２０において原料鋼線の表面を通常よりも高温、具体的には２００℃以上として、表層部における加工誘起マルテンサイト変態を抑制する必要がある。原料鋼線の表面を２００℃以上とするためには、たとえば複数回に分けて伸線加工を実施する場合の１回あたりの減面率を大きくする、伸線に用いるダイスのダイス半角を加工が可能な範囲で大きくする、伸線速度を加工が可能な範囲で大きくする等の加工条件の調整を実施してもよい。また、別途準備した加熱手段によって原料鋼線の表面温度を調整してもよい。以上のように工程Ｓ２０を実施することにより、マルテンサイト層１１とオーステナイト層１２とを含む芯線１０を得ることができる。

次に、工程Ｓ３０として第１被覆層形成工程が実施される。この工程Ｓ３０では、工程Ｓ２０において得られた芯線１０の表面を覆うように、Ｎｉからなる第１被覆層３０が形成される。具体的には、たとえばＮｉストライクめっきにより、所望の厚みを有する第１被覆層３０を形成することができる。

次に、工程Ｓ４０として第２被覆層形成工程が実施される。この工程Ｓ４０では、工程Ｓ３０において形成された第１被覆層３０の表面を覆うように、ＣｕまたはＣｕ合金からなる第２被覆層２０が形成される。具体的には、たとえばＣｕめっきを実施することにより、所望の厚みを有する第２被覆層２０を形成することができる。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。

本開示の銅被覆鋼線において、圧着端子との接続を想定した加工を実施した際の被覆層の剥離の発生について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、上記実施の形態と同様の手順にて銅被覆鋼線１を作製した。原料鋼線として、ＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４製の鋼線を準備した。第２被覆層２０としては、純Ｃｕ層をめっきにて形成した。芯線１０の外径、第２被覆層２０の厚みを変化させた複数のサンプルを作製した（実施例）。一方、工程Ｓ２０における伸線加工の条件を変更し、オーステナイト組織の体積率が８０％以上であるオーステナイト層１２が存在しないサンプルも作製した（比較例）。そして、各サンプルの導電率、引張強さおよび芯線１０の外周面１０Ａから５μｍの深さにおけるオーステナイト組織の割合を確認するとともに、銅被覆鋼線１の圧縮試験を実施した。圧縮試験は、銅被覆鋼線１を径方向に圧縮し、高さが元の外径の４０％となった時点で荷重を解除する条件にて実施した。そして、圧縮試験後における被覆層３０，２０の剥離の有無を観察した。

図４は、圧縮試験において剥離が発生しなかったサンプルの断面の一例を示す写真である。図５は、圧縮試験において剥離が発生したサンプルの断面の一例を示す写真である。図４および図５を参照して、図４のように芯線１０と第２被覆層２０との間に隙間Ｇが形成されていないものを剥離無し、図５のように隙間Ｇが形成されているものを剥離あり、と判定した。実験の条件および結果を表１に示す。

表１を参照して、サンプルＡ～Ｉが本開示の実施例、サンプルＪ～Ｌが本開示の条件を満たさない比較例に対応する。導電率については、導電性を純Ｃｕ製の第２被覆層２０が担うことから、銅被覆鋼線１の長手方向に垂直な断面における第２被覆層２０の面積率に依存した導電率となっていることが確認された。また、引張強さについては、引張強さを芯線１０が担うことから、芯線１０の外径に依存した引張強さとなっていることが確認された。そして、芯線１０がオーステナイト層１２を有さないサンプルＪ～Ｌにおいては、圧縮試験において剥離が発生した一方で、芯線１０がオーステナイト層１２を有するサンプルＡ～Ｉについては、線径、導電率、引張強さに関わらず、剥離が発生しなかった。このことから、本開示の銅被覆鋼線によれば、芯線１０がオーステナイト層１２を有することにより、圧着端子との接続時における被覆層の剥離を抑制できることが確認された。

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、１０Ａ外周面、１１マルテンサイト層、１２オーステナイト層、２０第２被覆層、２０Ａ内周面、３０第１被覆層、３０Ａ内周面、３０Ｂ外周面、Ｇ隙間。

Claims

オーステナイト系ステンレス鋼からなる芯線と、
前記芯線の外周面を覆い、Ｎｉからなる第１被覆層と、
前記第１被覆層の外周面を覆い、銅または銅合金からなる第２被覆層と、を備え、
前記芯線は、
外周面を構成するように配置され、１μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有し、オーステナイト組織の体積率が８０％以上であるオーステナイト層と、
前記オーステナイト層の内周側に配置され、マルテンサイト組織の体積率が８０％以上であるマルテンサイト層と、を含む、銅被覆鋼線。
前記芯線の外径は０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下である、請求項１に記載の銅被覆鋼線。
前記第１被覆層の厚みは０．００１μｍ以上５０μｍ以下である、請求項１に記載の銅被覆鋼線。
前記銅被覆鋼線の引張強さは６００ＭＰａ以上２５００ＭＰａ以下である、請求項１に記載の銅被覆鋼線。
前記銅被覆鋼線の導電率は２０％ＩＡＣＳ以上８０％ＩＡＣＳ以下である、請求項１に記載の銅被覆鋼線。
前記芯線を構成する前記オーステナイト系ステンレス鋼は、ＪＩＳ規格ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の銅被覆鋼線。