JPWO2011105585A1 - アルミニウム合金導体 - Google Patents
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Abstract
Description
アルミニウムの比重は銅の約1/3、アルミニウムの導電率は銅の約2/3(純銅を100%IACSの基準とした場合、純アルミニウムは約66%IACS)であり、純アルミニウムの導体に純銅の導体と同じ電流を流すためには、純アルミニウムの導体の断面積を純銅の導体の約1.5倍にする必要があるが、それでも重量では銅に比べて約半分と有利な点がある。
なお、上記の%IACSとは、万国標準軟銅(International Annealed Copper Standard)の抵抗率1.7241×10−8Ωmを100%IACSとした場合の導電率を表したものである。
一般に強度の高い材料ほど疲労特性は良好と言われている。そこで、強度の高いアルミニウム導体を適用すればよいが、ワイヤーハーネスはその設置時の取り回し(車体への取り付け作業)がしやすいことが要求されているために、一般的には引張破断伸びが10%以上確保できる鈍し材(焼鈍材)が使われていることが多い。
特許文献1の発明は、仕上げ焼鈍を行なっていないため、車体での取り付け作業時に必要な柔軟性が確保できない。
特許文献2の発明は、仕上げ焼鈍の開示があるが、その条件は、優れた柔軟性を保持したまま、耐屈曲疲労特性や導電率等を向上させるように金属間化合物を制御可能な条件とは異なる。
特許文献3の発明は、Siを多く含んでいるため、金属間化合物を適切に制御することができず、伸線加工などの際に断線の原因となる。
特許文献4の発明は、アンチモン(Sb)を0.01〜0.5%含んでおり、環境負荷の観点から、代替製品に置き換えられつつある技術である。
(1)Feを0.4〜1.5mass%と、Mgを0.1〜0.3mass%と、Siを0.04〜0.3mass%とを含有し、残部Alと不可避不純物からなるアルミニウム合金導体であって、
前記導体中に3種類の金属間化合物A、B、Cが存在し、
前記金属間化合物Aの粒子径は0.1μm以上2μm以下の範囲であり、
前記金属間化合物Bの粒子径は0.03μm以上0.1μm未満の範囲であり、
前記金属間化合物Cの粒子径は0.001μm以上0.03μm未満の範囲であり、
前記導体中の任意の範囲における、前記金属間化合物Aの面積率a、前記金属間化合物Bの面積率b、および前記金属間化合物Cの面積率cが、それぞれ1% ≦ a ≦ 9%、1% ≦ b ≦ 6%、1% ≦ c ≦ 10%を満足することを特徴とするアルミニウム合金導体。
(2)Feを0.4〜1.5mass%と、Mgを0.1〜0.3mass%と、Siを0.04〜0.3mass%と、Zrを0.01〜0.4mass%とを含有し、残部Alと不可避不純物からなるアルミニウム合金導体であって、
前記導体中に3種類の金属間化合物A、B、Cが存在し、
前記金属間化合物Aの粒子径は0.1μm以上2μm以下の範囲であり、
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前記金属間化合物Cの粒子径は0.001μm以上0.03μm未満の範囲であり、
前記導体中の任意の範囲における、前記金属間化合物Aの面積率a、前記金属間化合物Bの面積率b、および前記金属間化合物Cの面積率cが、それぞれ1% ≦ a ≦ 9%、1% ≦ b ≦ 8.5%、1% ≦ c ≦ 10%を満足することを特徴とするアルミニウム合金導体。
(3)前記導体の製造工程の最後に急熱、急冷の工程を含む連続通電熱処理を施されることにより、伸線方向の垂直断面における結晶粒径が1〜10μmとなされる(1)または(2)に記載のアルミニウム合金導体。
(4)引張強度が100MPa以上、及び導電率が55%IACS以上である(1)〜(3)のいずれか1項に記載のアルミニウム合金導体。
(5)引張破断伸びが10%以上である(1)〜(4)のいずれか1項に記載のアルミニウム合金導体。
(6)再結晶組織を有する(1)〜(5)のいずれか1項に記載のアルミニウム合金導体。
(7)前記導体が移動体内で、バッテリーケーブル、ハーネス、またはモータ用線材として用いられることを特徴とする(1)〜(6)のいずれか1項に記載のアルミニウム合金導体。
(8)前記導体が車両、電車、または航空機に用いられることを特徴とする(1)〜(7)のいずれか1項に記載のアルミニウム合金導体。
前記導体中に3種類の金属間化合物A、B、Cが存在し、
前記金属間化合物Aの粒子径は0.1μm以上2μm以下の範囲であり、
前記金属間化合物Bの粒子径は0.03μm以上0.1μm未満の範囲であり、
前記金属間化合物Cの粒子径は0.001μm以上0.03μm未満の範囲であり、
前記導体中の任意の範囲における、前記金属間化合物Aの面積率a、前記金属間化合物Bの面積率b、および前記金属間化合物Cの面積率cが、それぞれ1% ≦ a ≦ 9%、1% ≦ b ≦ 6%、1% ≦ c ≦ 10%を満足する。
前記導体中に3種類の金属間化合物A、B、Cが存在し、
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前記金属間化合物Bの粒子径は0.03μm以上0.1μm未満の範囲であり、
前記金属間化合物Cの粒子径は0.001μm以上0.03μm未満の範囲であり、
前記導体中の任意の範囲における、前記金属間化合物Aの面積率a、前記金属間化合物Bの面積率b、および前記金属間化合物Cの面積率cが、それぞれ1% ≦ a ≦ 9%、1% ≦ b ≦ 8.5%、1% ≦ c ≦ 10%を満足する。
その他の合金組成とその作用については上述の第1の実施態様と同様である。
本発明は前記第1及び第2の実施態様に示すように粒子径の異なる3種類の金属間化合物をそれぞれ所定の面積率で含有する。ここで、金属間化合物とは、結晶粒内に存在する、晶出物、析出物などの粒子である。主として、晶出物は溶解鋳造時に形成され、析出物は中間焼鈍及び仕上げ焼鈍で形成される、例えば、Al−Fe、Al−Fe−Si、Al−Zr等の粒子である。なお、面積率は本合金に含まれる金属間化合物の割合を面積で表したものであり、TEMにより観察した写真を基に、以下に詳述するようにして算出できる。
金属間化合物Aは主にAl−Feにより構成され、一部にAl−Fe−Si、Al−Zr等が含まれる。これらの金属間化合物は結晶粒の微細化材として働くと共に、強度、及び耐屈曲疲労特性を向上させる。金属間化合物Aの面積率aを1% ≦ a ≦ 9%としたのは、少なすぎるとこれらの効果が不十分であり、多すぎると金属間化合物を起因として断線が起こりやすく、目的の耐屈曲疲労特性が得られず、柔軟性も低下する。
金属間化合物Bは主にAl−Fe−Si、Al−Zrにより構成される。これらの金属間化合物は析出により強度、及び耐屈曲疲労特性を向上させる。金属間化合物Bの面積率bを第1の実施態様では1% ≦ b ≦ 6%、第2の実施態様では1% ≦ b ≦ 8.5%としたのは、少なすぎるとこれらの効果が不十分であり、多すぎると析出過剰により断線の原因となるためである。また柔軟性も低下する。
金属間化合物Cは、強度を高め、耐屈曲疲労特性を大幅に向上させる。金属間化合物Cの面積率cを1% ≦ c ≦ 10%としたのは、少なすぎるとこれらの効果が不十分であり、多すぎると析出過剰により断線の原因となるためである。また柔軟性も低下する。
なお、仕上げ焼鈍は連続通電熱処理の他に、急熱、急冷過程を含む、例えば、高温に保持した焼鈍炉中を線材が連続的に通過して焼鈍させる走間焼鈍や、磁場中を線材が連続的に通過して焼鈍させる誘導加熱でもよい。雰囲気や熱伝達率が異なるため焼鈍条件は連続通電熱処理と同一条件ではないが、これらの急熱、急冷過程を含む、走間焼鈍や誘導加熱の場合であっても、所定の金属間化合物の析出状態を有してなる本発明のアルミニウム合金導体が得られるように、代表例としての前記の連続通電熱処理における焼鈍条件を参考に仕上げ焼鈍条件(熱履歴)を適切に制御することで、本発明のアルミニウム合金導体を作製することができる。
本発明ではアルミニウム合金導体の伸線方向の垂直断面における結晶粒径を1〜10μmとする。この理由は、粒径が小さすぎると部分再結晶組織が残存して引張破断伸びが著しく低下するためであり、大きすぎると粗大な組織を形成して変形挙動が不均一となり、同様に引張破断伸びが低下、さらに強度が著しく低下するためである。結晶粒径は、好ましくは1〜8μmである。
本発明のアルミニウム合金導体は、引張強度(TS)が100MPa以上、及び導電率が55%IACS以上であり、好ましくは引張強度が100〜180MPa及び導電率が55〜65%IACS、より好ましくは引張強度が100〜170MPa及び導電率が57〜63%IACSである。
引張強度と導電率は相反する性質のものであり、引張強度が高いほど導電率が低く、逆に引張強度が低い純アルミニウムは導電率が高い。アルミニウム合金導体を考えた場合、引張強度が100MPa未満では、取り扱いを含めて強度不足であり、工業用導体として使用することが難しい。動力線に用いる場合には数十A(アンペア)の高電流が流れるため、導電率は55%IACS以上であることが望まれる。
本発明のアルミニウム合金導体は、十分な柔軟性を有する。これは前述の仕上げ焼鈍を行なうことにより得ることができる。柔軟性の指標として前述の通り、引張破断伸びを用い、好ましくは10%以上とする。この理由は、引張破断伸びが小さすぎると前述の通り電気配線体設置時の取り回し(例えば車体への取り付け作業)がしにくくなるためである。また、引張破断伸びが大きすぎると強度不足となり取り回し時に弱々しく、断線の原因になりうるため、50%以下であることが望ましい。引張破断伸びはより好ましくは10%〜40%であり、更に好ましくは10〜30%である。
本発明のアルミニウム合金組成を得るには、Fe、Mg、Si及びAl、またはFe、Mg、Si、Zr及びAlを所望の濃度となるような分量で溶製する。
次いで、例えば、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連続的に鋳造しながら圧延を行ない、約10mmφの棒材とする。このときの鋳造冷却速度は上述の通り通常1〜20℃/秒である。鋳造及び熱間圧延は、鋳造冷却速度を1〜20℃/秒としたビレット鋳造、及び押出法などにより行なってもよい。
次いで、表面の皮むきを実施して、9〜9.5mmφとし、これを伸線加工する。ここで、伸線加工前の導体断面積をA0、伸線加工後の導体断面積をA1とすると、η=ln(A0/A1)で表される加工度は、1以上6以下が望ましい。1未満であると、次工程の熱処理時、再結晶粒が粗大化し強度及び引張破断伸びが著しく低下し、断線の原因にもなる。6を越えると、加工硬化しすぎて伸線加工が困難となり、伸線加工中に断線するなど品質の面で問題がある。線材表面の皮むきは、行なうことによって表面の清浄化がなされるが、行なわなくてもよい。
冷間伸線した加工材に中間焼鈍を施す。中間焼鈍の条件は上述の通り通常300〜450℃30分以上である。
さらに伸線加工を施す。この際も加工度は前述の理由により1以上6以下が望ましい。
冷間伸線した加工材に連続通電熱処理により仕上げ焼鈍を行なう。焼鈍条件は上述の通り線材温度y(℃)、焼鈍時間x(秒)で表される数式を用いると、0.03≦x≦0.55の範囲で24x−0.6+402 ≦ y ≦ 17x−0.6+502を満たす。
Fe、Mg、Si及びAl、またはFe、Mg、Si、Zr及びAlを表1−1及び表2−1に示す量(質量%)で、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連続的に鋳造しながら圧延を行ない、約10mmφの棒材とした。このときの鋳造冷却速度は1〜20℃/秒(比較例では0.2℃/秒、50℃/秒を含む)である。
次いで、表面の皮むきを実施して、9〜9.5mmφとし、これを伸線加工して、2.6mmφとする。次に表1−1及び表2−1に示すように、この冷間伸線した加工材に温度300〜450℃(比較例では200℃、550℃を含む)で0.5〜4時間(比較例では0.1時間を含む)の中間焼鈍を施し、更に、実施例1〜12、比較例101〜114、201、202では0.31mmφまで、実施励13では0.37mmφまで、実施励14では0.43mmφまで伸線加工を行った。
最後に仕上げ焼鈍として連続通電熱処理を温度477〜629℃(比較例では465℃を含む)、時間0.03〜0.54秒行なった。温度はファイバ型放射温度計(ジャパンセンサー株式会社製)で線材の温度が最も高くなる水面直上の温度を測定した。
伸線方向に垂直に切り出した供試材の横断面を樹脂で埋め、機械研磨後、電解研磨を行った。電解研磨条件は、研磨液が過塩素酸20%のエタノール溶液、液温は0〜5℃、電圧は10V、電流は10mA、時間は30〜60秒である。次いで、結晶粒コントラストを得るため、2%ホウフッ化水素酸を用いて、電圧20V、電流20mA、時間2〜3分の条件でアノーダイジング仕上げを行なった。この組織を200〜400倍の光学顕微鏡で撮影し、交差法による粒径測定を行った。具体的には、撮影された写真に任意に直線を引いて、その直線の長さと粒界が交わる数を測定して平均粒径を求めた。なお、粒径は50〜100個が数えられるように直線の長さと本数を変えて評価した。
(b)金属間化合物の寸法(粒子径)及び面積率
実施例および比較例の線材を電解研磨薄膜法(ツインジェット研磨法)にて薄膜にして、透過電子顕微鏡(TEM)を用い、倍率6000〜30000倍で任意の範囲を観察した。次いで、エネルギー分散型X線検出器(EDX)を用いて、金属間化合物に電子線を絞り、Al−Fe、Al−Fe−Si、Al−Zr系等の金属間化合物を検出した。
金属間化合物の寸法は撮影された写真のスケールから判断し、形状を等体積球相当に換算して算出した。金属間化合物の面積率a、b、cは、撮影された写真を基に、金属間化合物Aについては約5〜10個、金属間化合物Bについては20〜50個、金属間化合物Cについては50〜100個をカウントできる範囲を設定して、それぞれの金属間化合物の大きさ及び個数から金属間化合物の面積を算出して、ぞれぞれの金属間化合物の面積をカウント対象とした範囲の面積で割って求めた。
面積率は上記薄片の試料厚さを0.15μmを基準厚さとして算出している。試料厚さが基準厚さと異なる場合、試料厚さを基準厚さに換算して、つまり、(基準厚さ/試料厚さ)を撮影された写真を基に算出した面積率にかけることによって、面積率を算出できる。本実施例および比較例では試料厚さは写真から観察された等厚縞の間隔を観測することにより算出し、すべての試料においてほぼ0.15μmであった。
(c)引張強度(TS)及び引張破断伸び
JIS Z 2241に準じて各3本ずつ試験し、その平均値を求めた。
(d)導電率(EC)
長さ300mmの試験片を20℃(±0.5℃)に保持した恒温漕中で、四端子法を用いて比抵抗を各3本ずつ測定し、その平均導電率を算出した。端子間距離は200mmとした。
(e)繰返破断回数
耐屈曲疲労特性の基準として、常温におけるひずみ振幅は±0.17%とした。耐屈曲疲労特性はひずみ振幅によって変化する。ひずみ振幅が大きい場合疲労寿命は短くなり、ひずみ振幅が小さい場合疲労寿命は長くなる。ひずみ振幅は図1記載の線材1の線径と曲げ冶具2、3の曲率半径により決定することができるため、線材1の線径と曲げ冶具2、3の曲率半径は任意に設定して屈曲疲労試験を実施することが可能である。
藤井精機株式会社(現 株式会社フジイ)製の両振屈曲疲労試験機を用い、線材に±0.17%の曲げ歪みが与えられる治具を使用して、繰り返し曲げを実施することにより、繰返破断回数を測定した。繰返破断回数は各4本ずつ測定し、その平均値を求めた。図1の説明図に示すように、線材1を、曲げ治具2及び3の間を1mm空けて挿入し、冶具2及び3に沿わせるような形で繰り返し運動をさせた。線材の一端は繰り返し曲げが実施できるよう押さえ冶具5に固定し、もう一端には約10gの重り4をぶら下げた。試験中は押さえ冶具5が動くため、それに固定されている線材1も動き、繰り返し曲げが実施できる。繰り返しは1.5Hz(1秒間に往復1.5回)の条件で行い、線材の試験片1が破断すると、重り4が落下し、カウントを停止する仕組みになっている。
1日あたりの開閉回数を10回とし15年間の使用を想定した場合、開閉回数は54750回となる(1年365日として計算)。実際に使用される電線は単線ではなく、撚り線構造となり、さらに被覆処理がされているために電線導体への負担は数分の一となる。単線での評価値として十分な耐屈曲疲労特性が確保できる60000回以上の繰返破断回数が好ましく、より好ましくは80000回以上である。
比較例101〜107ではアルミニウム合金の添加成分が本発明の範囲外である。比較例101では、Feが少なすぎるため、金属間化合物AおよびBが少なく、引張強度、繰返破断回数が悪い。比較例102では、Feが多すぎるため、伸線加工中に断線した。比較例103では、Mgが少なすぎるため、金属間化合物Cが少なく、繰返破断回数が悪い。比較例104では、Mgが多すぎるため、金属間化合物Cが多く、繰返破断回数、導電率が悪い。比較例105では、Siが少なすぎるため、金属間化合物Cが少なく、繰返破断回数が悪い。比較例106では、Siが多すぎるため、伸線加工中に断線した。比較例7では、Zrが多すぎるため、金属間化合物Bが多く、導電率及び繰返破断回数が悪い。
比較例108〜114および比較例201〜202は、アルミニウム合金導体中の金属間化合物の面積率が本発明の範囲外であるか、製造中に断線したものを示す。ここでは、アルミニウム合金の製造条件によって本発明の規定するアルミニウム合金導体が得られなかった例を示す。比較例108では、仕上げ焼鈍を行わなかったため、伸線加工中に断線した。比較例109では、鋳造冷却速度が速すぎて、金属間化合物Aが少なく、金属間化合物Bが多くなり、導電率、繰返破断回数が悪い。比較例110〜112では、仕上げ焼鈍を行わなかったため、伸線加工中に断線した。比較例113では仕上げ焼鈍工程での軟化不足が原因で未焼鈍状態となり、金属間化合物が観察されなかったため、引張破断伸びが悪い。比較例114では、仕上げ焼鈍温度が高すぎたために、金属間化合物Cが少なく、引張強度、繰返破断回数、及び引張破断伸びが悪い。比較例201〜202はバッチ式焼鈍炉を用いて仕上げ焼鈍を行なった例であるが、金属間化合物Cが少なく、繰返破断回数が悪い。
これに対し実施例1〜14では、引張強度、導電率、引張破断伸び(柔軟性)、繰返破断回数(耐屈曲疲労特性)に優れたアルミニウム合金導体が得られた。
2、3 曲げ治具
4 重り
5 押さえ冶具
Claims (8)
- Feを0.4〜1.5mass%と、Mgを0.1〜0.3mass%と、Siを0.04〜0.3mass%とを含有し、残部Alと不可避不純物からなるアルミニウム合金導体であって、
前記導体中に3種類の金属間化合物A、B、Cが存在し、
前記金属間化合物Aの粒子径は0.1μm以上2μm以下の範囲であり、
前記金属間化合物Bの粒子径は0.03μm以上0.1μm未満の範囲であり、
前記金属間化合物Cの粒子径は0.001μm以上0.03μm未満の範囲であり、
前記導体中の任意の範囲における、前記金属間化合物Aの面積率a、前記金属間化合物Bの面積率b、および前記金属間化合物Cの面積率cが、それぞれ1% ≦ a ≦ 9%、1% ≦ b ≦ 6%、1% ≦ c ≦ 10%を満足することを特徴とするアルミニウム合金導体。 - Feを0.4〜1.5mass%と、Mgを0.1〜0.3mass%と、Siを0.04〜0.3mass%と、Zrを0.01〜0.4mass%とを含有し、残部Alと不可避不純物からなるアルミニウム合金導体であって、
前記導体中に3種類の金属間化合物A、B、Cが存在し、
前記金属間化合物Aの粒子径は0.1μm以上2μm以下の範囲であり、
前記金属間化合物Bの粒子径は0.03μm以上0.1μm未満の範囲であり、
前記金属間化合物Cの粒子径は0.001μm以上0.03μm未満の範囲であり、
前記導体中の任意の範囲における、前記金属間化合物Aの面積率a、前記金属間化合物Bの面積率b、および前記金属間化合物Cの面積率cが、それぞれ1% ≦ a ≦ 9%、1% ≦ b ≦ 8.5%、1% ≦ c ≦ 10%を満足することを特徴とするアルミニウム合金導体。 - 前記導体の製造工程の最後に急熱、急冷の工程を含む連続通電熱処理を施されることにより、伸線方向の垂直断面における結晶粒径が1〜10μmとなされる請求項1または請求項2に記載のアルミニウム合金導体。
- 引張強度が100MPa以上、及び導電率が55%IACS以上である請求項1〜3のいずれか1項に記載のアルミニウム合金導体。
- 引張破断伸びが10%以上である請求項1〜4のいずれか1項に記載のアルミニウム合金導体。
- 再結晶組織を有する請求項1〜5のいずれか1項に記載のアルミニウム合金導体。
- 前記導体が移動体内で、バッテリーケーブル、ハーネス、またはモータ用線材として用いられることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のアルミニウム合金導体。
- 前記導体が車両、電車、または航空機に用いられることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のアルミニウム合金導体。
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