KR101624270B1 - 알루미늄계 도전 재료, 및 이것을 사용한 전선 및 케이블 - Google Patents

Abstract

로봇 또는 각종 장치의 구동 부분에 사용되고, 예를 들면, 반복적으로 굽힘이 부하되는 배선에 사용되는 알루미늄계 도전 재료 및 이것을 사용한 전선 및 케이블로서, 0.1∼1.0 질량%의 스칸듐을 포함하고, 잔부(殘部)가 알루미늄과 불가피한 불순물로 이루어지고, 평균 입경(粒徑)이 2㎛ 이하인 결정립(結晶粒)(11)과 결정립(11)의 입계(粒界)(12)에 생성된 알루미늄-스칸듐계의 나노 석출물(13)을 가지는 금속 조직(10)으로 구성되어 있다. 그리고, 금속 조직(10)에는, 1㎛ 이하의 결정립(11)이 단면적율(斷面積率)로 15% 이상 포함되어 있는 것이 바람직하다.

Description

알루미늄계 도전 재료, 및 이것을 사용한 전선 및 케이블{ALUMINUM-BASED ELECTROCONDUCTIVE MATERIAL, AND ELECTRIC WIRE AND CABLE OBTAINED USING SAME}

본 발명은, 예를 들면, 산업용 로보트, 민생용 로봇, 또는 각종 장치의 배선에 있어서, 특히 구동 부분 등의 반복적으로 굽힘이 부하되는 배선에 사용되는 알루미늄계 도전 재료, 및 이것을 사용한 전선 및 케이블에 관한 것이다.

예를 들면, 산업용 로보트나 민생용 로봇의 구동 부분, 예를 들면, 암 부분의 배선에 사용하는 케이블에는 암의 구동시에 반복적으로 굽힘이 부하되며, 자동차의 도어 부분의 배선에 사용하는 케이블에는 도어의 개폐시에 반복적으로 굽힘이 부하된다. 이 때문에, 반복적으로 굽힘이 부하되는 케이블에는, 통상의 도선이 아닌 반복적 굽힘에 대하여 강한(쉽게 파단되지 않는) 도선이 사용되고 있다. 또한, 도선도 직경이 가늘어지면, 반복적 굽힘에 대하여 파단되기 어렵게 되므로, 케이블의 도선에는, 단선(單線)이 아닌, 복수의 세선(細線)으로 구성된 연선(twisted wire)이 사용되고 있다.

그리고, 예를 들면, 특허 문헌 1에는, 반복적인 굽힘 부하에 대하여 강한, 예를 들면, 상온에 있어서의 변형 진폭±0.15%의 반복적인 굽힘을 가한 경우의 파단 횟수(피로 수명)가 50000회 이상인 도선으로서 철을 0.1∼0.4 질량%, 동을 0.1∼0.3 질량%, 마그네슘을 0.02∼0.2 질량%, 실리콘을 0.02∼0.2 질량%, 티탄과 바나듐을 합쳐서 0.001∼0.01 질량% 포함하고, 연장선 방향의 수직 단면에 있어서의 결정립(結晶粒) 직경이 5∼25 ㎛인 알루미늄 합금 선재(線材)에 대하여 개시하고 있다.

한편, 가볍고 내열성, 인장 강도, 및 도전성이 우수한 알루미늄계의 도전 재료로서, 예를 들면, 특허 문헌 2에는, 스칸듐을 0.1∼0.3 질량%(중량%) 포함하는 알루미늄 합금에 대하여 개시하고 있다.

또한, 스칸듐을 함유하는 알루미늄 합금의 내열성을 더욱 향상시킨 것으로서, 예를 들면, 특허 문헌 3에는, 지르코늄을 0.1∼0.4 질량%, 스칸듐을 0.05∼0.3 질량% 포함하고, 소성 가공 후에 열처리를 행하여 제조하는 알루미늄 합금이, 예를 들면, 특허 문헌 4에는, 지르코늄을 0.1∼0.5 질량%, 스칸듐을 0.05∼0.5 질량% 포함하고, 열처리 후에 냉간 가공을 행하여 제조하는 알루미늄 합금이, 예를 들면, 특허 문헌 5에는, 지르코늄을 0.1∼0.5 질량%, 스칸듐을 0.05∼0.5 질량% 포함하고, 냉간 가공 후에 열처리를 행하고, 다시 냉간 가공을 행하여 제조하는 알루미늄 합금이 각각 개시되어 있다.

일본 특허출원 공개번호 2010-163675호 공보 일본 특허출원 공개번호 평 7-316705호 공보 일본 특허출원 공개번호 2001-348637호 공보 일본 특허출원 공개번호 2002-266043호 공보 일본 특허출원 공개번호 2002-302727호 공보

특허 문헌 1에 기재된 알루미늄 합금 선재는, 피로 수명을 50000회 이상으로 하고 있어, 실제 로봇에 있어서는, 1회의 동작이 2초라고 하면, 2일간 86400회 움직이게 되어, 반복 횟수는 최저 수명을 초과한다. 그러므로, 특허 문헌 1에 기재된 알루미늄 합금 선재를 로봇에 적용한 경우, 로봇을 장기간에 걸쳐 안정적으로 가동시킬 수 없을 우려가 있다.

특허 문헌 2에 기재된 알루미늄 합금으로서, 예를 들면, 스칸듐을 0.1 질량% 포함하는 알루미늄 합금을 사용하여 선 직경이 80㎛인 소선을 제작하고, 이 소선을 사용하여 제조한, 단면적이 0.2 ㎜²인 케이블을 시험체로서 좌우 반복 굽힘 시험(시험체에 하중 100 g를 부하한 상태에서, 굽힘 반경이 15 ㎜, 절곡 각도 범위가 ±90°)을 행하면, 케이블 파단 횟수는, 예를 들면, 30∼50 만회의 범위로 된다.

특허 문헌 3에 기재된 알루미늄 합금으로서, 예를 들면, 지르코늄을 0.1 질량%, 스칸듐을 0.1 질량% 포함하고, 단면적 감소율이 85%인 냉간 가공을 행하여 제조된 알루미늄 합금을 사용하여 선 직경이 80㎛인 소선을 제작하고, 이 소선을 사용하여 제조한, 단면적이 0.2 ㎜²인 케이블을 시험체로 하고, 마찬가지의 좌우 반복 굽힘 시험을 행하면, 케이블 파단 횟수는, 예를 들면, 50∼80 만회의 범위로 된다.

특허 문헌 4에 기재된 알루미늄 합금으로서, 예를 들면, 지르코늄을 0.3 질량%, 스칸듐을 0.2 질량% 포함하고, 단면적 감소율 90%의 냉간 가공을 행하여 제조된 알루미늄 합금을 사용하여 선직경이 80㎛인 소선을 제작하고, 이 소선을 사용하여 제조한, 단면적이 0.2 ㎜²인 케이블을 시험체로 하고, 마찬가지의 좌우 반복 굽힘 시험을 행하면, 케이블 파단 횟수는, 예를 들면, 200∼300 만회의 범위로 된다.

특허 문헌 5에 기재된 알루미늄 합금으로서, 예를 들면, 지르코늄을 0.3 질량%, 스칸듐을 0.2 질량% 포함하고, 단면적 감소율 30%로 냉간 가공하고, 이어서, 350℃에서 50시간의 열처리를 행하고 나서, 단면적 감소율 75%의 냉간 가공을 행하여 제조된 알루미늄 합금을 사용하여 선직경이 80㎛인 소선을 제작하고, 이 소선을 사용하여 제조한, 단면적이 0.2 ㎜²인 케이블을 시험체로 하고, 마찬가지의 좌우 반복 굽힘 시험을 행하면, 케이블 파단 횟수는, 예를 들면, 300∼400 만회의 범위로 된다.

따라서, 스칸듐을 첨가함으로써 파단 횟수 100만회를 초과하는 케이블을 얻을 수 있지만, 고기능 로봇용 케이블의 요구 특성에 대해서는 반드시 충분한 것은 아니다.

본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 행해진 것이며, 로봇 또는 각종 장치의 구동 부분의 배선에 사용되고, 실제의 사용에 충분히 견디고, 사용 도중의 단선이 극히 적은, 예를 들면, 300만회, 500만회 또는 1000만회의 동적 구동 시험에 견딜 수 있는 알루미늄계 도전 재료, 및 이것을 사용한 전선 및 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적에 따른 제1 발명에 관한 알루미늄계 도전 재료는, 0.1∼1.0 질량%의 스칸듐을 포함하고, 잔부(殘部)가 알루미늄과 불가피한 불순물로 이루어지고, 평균 입경(粒徑)이 2㎛ 이하인 결정립과, 상기 결정립의 입계(粒界)에 생성된 알루미늄-스칸듐계의 나노 석출물을 가지는 금속 조직으로 구성되어 있다.

금속 조직을 구성하고 있는 결정립의 평균 입경을 2㎛ 이하로 하는 방법으로서는, 예를 들면, 냉매(예를 들면, 오일)로 냉각하면서 가공도를 5 이상으로 하는 저온에서의 압연 가공 방법(다이스 인발 방법을 포함함)이 있다. 그리고, 가공도는, ln(S₀/S₁) 식으로 표시되고, S₀는 가공 전의 단면적, S₁은 가공 후의 단면적이다.

결정립의 평균 입경을 2㎛ 이하로 함으로써, 발생한 균열이 전파(傳播)할 때의 결정립과의 충돌이 현저하게 되어, 균열의 편향과 균열의 분기(分岐)를 촉진하여, 균열이 한쪽 방향으로 진전하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 결정립의 입계에 나노 석출물을 생성시킴으로써, 균열이 나노 석출물과 충돌했을 때, 균열을 피닝(pinning)하여, 균열의 진전을 억제할 수 있다. 여기서, 스칸듐의 함유량이 0.1 질량% 미만인 경우, 생성되는 나노 석출물의 양이 적고, 균열에 대한 피닝 효과가 현저하지 않게 된다. 한편, 스칸듐의 함유량이 1.0 질량%를 초과하면, 알루미늄계 도전 재료의 도전율이 저하되어, 도전 재료로서의 기능이 저하되므로, 바람직하지 않다.

상기 목적에 따른 제2 발명에 관한 알루미늄계 도전 재료는, 0.1∼1.0 질량%의 스칸듐 및 0 초과(바람직하게는 0.05 질량% 이상) 0.2 질량% 이하의 지르코늄을 포함하고, 잔부가 알루미늄 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 평균 입경이 2㎛ 이하인 결정립과, 상기 결정립의 입계에 생성된 알루미늄-스칸듐계의 나노 석출물을 가지는 금속 조직으로 구성되어 있다.

여기서, 상기 나노 석출물은, 상기 결정립의 알갱이 내에도 생성될 수 있다.

결정립의 평균 입경을 2㎛ 이하로 하는 방법으로서는, 제1 발명에 관한 알루미늄계 도전 재료의 경우와 동일한 방법을 채용할 수 있다.

또한, 결정립의 평균 입경을 2㎛ 이하로 하는 것에 의한 작용, 스칸듐의 함유량을 0.1∼1.0 질량%의 범위로 하는 것에 의한 작용은, 제1 발명에 관한 알루미늄계 도전 재료의 경우와 동일하므로, 설명은 생략한다.

지르코늄은, 일부가 결정립에 고용(固溶)하고, 잔부는 결정립의 입계에 존재하고, 고온하에서의 결정립 및 입계의 변형을 억제하고, 알루미늄계 도전 재료의 고온의 열이력 후의 인장 강도의 저하를 방지한다. 여기서, 고온 강도의 개선 효과는, 지르코늄의 함유량의 증가에 따라 증가하지만, 함유량 0.05 질량% 이상에서 현저하게 된다. 한편, 지르코늄의 함유량이 0.2 질량%를 초과하면, 알루미늄계 도전 재료의 도전율의 저하가 현저해져, 도전 재료로서의 기능이 저하되므로, 바람직하지 않다. 또한 지르코늄의 과잉 고용은 금속 조직의 동적 유연성을 해치며(동적 구동 시험의 내구성이 저하되며), 이로써, 반복적인 굽힘 부하에 대한 내굴곡성(파단까지의 반복 굽힘 회수, 즉 파단 횟수)이 저하되므로, 바람직하지 않다.

제1, 제2 발명에 관한 알루미늄계 도전 재료에 있어서, 상기 나노 석출물의 평균 입경은 1∼60 ㎚인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 나노 석출물의 평균 입경은 5∼50 ㎚인 것이 더욱 바람직하다.

알루미늄계 도전 재료의 조직 관찰에 의하면, 함유되는 스칸듐은, 거의 전체량이 나노 석출물로서 존재하는 것을 확인할 수 있으므로, 나노 석출물의 입경이 커지면, 나노 석출물의 개수는 감소한다. 또한, 나노 석출물에 의해 균열의 피닝 작용은, 나노 석출물의 입경이 클수록 현저하게 된다. 따라서, 알루미늄계 도전 재료 중에 발생한 균열이 진전할 때, 균열이 나노 석출물에 의해 피닝되는 효과는, 나노 석출물의 개수와 나노 석출물의 입경에 의존하게 되며, 나노 석출물의 평균 입경이 1 ㎚ 미만에서는 나노 석출물의 개수가 많아져서 균열의 피닝 발생 빈도는 높아지지만, 나노 석출물에 의한 균열의 피닝 작용은 크지 않으며, 균열의 피닝 효과는 현저하지 않게 된다. 한편, 나노 석출물의 평균 입경이 60 ㎚를 초과하면, 나노 석출물에 의한 균열의 피닝 작용은 커지지만, 나노 석출물의 개수가 적어져서 균열의 피닝 발생 빈도는 저하되어, 균열의 피닝 효과는 현저하지 않게 된다. 이 때문에, 나노 석출물의 평균 입경의 범위를 1∼60 ㎚로 하였다.

그리고, 나노 석출물에 의한 균열의 피닝 발생 빈도와 나노 석출물에 의한 균열의 피닝 작용을 함께 증대시키는 나노 석출물의 평균 입경의 범위는, 5∼50 ㎚이다.

제1, 제2 발명에 관한 알루미늄계 도전 재료에 있어서, 상기 금속 조직에는, 1㎛ 이하의 상기 결정립이 단면적율(斷面積率)로 15% 이상 포함되어 있는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 금속 조직에는, 1㎛ 이하의 상기 결정립이 단면적율로 20% 이상 포함되면 적어도 1000만회의 동적 구동 시험에 견딜 수 있다.

금속 조직 중에, 1㎛ 이하의 결정립이 단면적율로 15% 이상 포함되도록 하기 위해서는, 예를 들면, 냉매(예를 들면, 오일)로 냉각하면서 가공도를 3.0 이상으로 하는 저온에서의 압연 가공 방법(다이스 인발 방법을 포함함)을 사용할 수 있고, 1㎛ 이하의 결정립이 단면적율로 20% 이상 포함되도록 하기 위해서는, 냉매로 냉각하면서 가공도를 3.5 이상으로 하는 저온에서의 압연 가공 방법을 이용할 수 있다.

금속 조직 중에, 1㎛ 이하의 결정립을 단면적율로 15% 이상으로 함으로써, 발생한 균열이 전파할 때의 결정립과의 충돌을 현저하게 할 수 있고, 균열의 편향과 균열의 분기를 촉진할 수 있고, 1㎛ 이하의 결정립이 단면적율로 20% 이상으로 함으로써, 발생한 균열이 전파할 때의 결정립과의 충돌을 더욱 현저하게 할 수 있어, 균열의 편향과 균열의 분기를 더욱 촉진할 수 있다.

상기 목적에 따른 제3 발명에 관한 전선은, 제1, 제2 발명에 관한 알루미늄계 도전 재료를 도체 소선(素線)에 사용하고 있다.

여기서, 상기 도체 소선의 직경은, 0.05 ㎜ 이상 0.5 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 전선을 기기내 배선용의 전선에 사용할 수 있다.

상기 목적에 따른 제4 발명에 관한 케이블은, 제1, 제2 발명에 관한 알루미늄계 도전 재료를 도체 소선에 사용하고 있다.

여기서, 상기 도체 소선의 직경은, 0.05 ㎜ 이상 0.5 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 케이블을 급속 충전 스탠드기의 커넥터 케이블 또는 전기 용접기의 캡타이어 케이블(cabtyre cable)에 사용할 수 있다. 또한, 상기 케이블을 기기내 배선용의 케이블에 사용할 수도 있다.

제1, 제2 발명에 관한 알루미늄계 도전 재료에 있어서는, 결정립의 평균 입경이 2㎛ 이하이므로, 발생한 균열은, 전파할 때 결정립과 빈번하게 충돌하고, 균열의 편향과 균열의 분기가 촉진되어, 균열이 한쪽 방향으로 진전할 때의 속도가 저하된다. 또한, 알루미늄-스칸듐계의 나노 석출물이 생성되고 있으므로, 발생한 균열의 선단이 나노 석출물에 의해 피닝되어 균열의 진전 정지, 또는 균열의 진전 속도 저하가 더욱 촉진된다. 이로써, 알루미늄계 도전 재료는, 동적 구동 시험에 견딜 수 있으며, 예를 들면, 로봇의 암이나 각종 장치의 구동 부분 등의 반복적으로 굽힘이 부하되는 부분에 사용되는 전선이나 케이블 소재로서 사용하면, 전선이나 케이블의 사용시의 단선을 방지할 수 있고, 로봇이나 각종 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 로봇이나 각종 장치의 메인터넌스 부담을 경감할 수 있고, 운용 비용의 저감을 도모할 수 있다.

제2 발명에 관한 알루미늄계 도전 재료에 있어서, 나노 석출물이, 결정립의 알갱이 내에도 생성되는 경우, 균열이 결정립의 알갱이 내를 진전할 때, 균열의 선단이 나노 석출물에 의해 피닝되어 균열의 진전 정지, 또는 균열의 진전 속도 저하가 촉진되어 결정립의 알갱이 내 파괴를 억제할 수 있다.

제1, 제2 발명에 관한 알루미늄계 도전 재료에 있어서, 나노 석출물의 평균 입경이 1∼60 ㎚인 경우, 나노 석출물에 의한 균열의 피닝 효과에 의해, 균열의 진전 정지나 균열의 진전 속도 저하를 도모할 수 있다.

또한, 나노 석출물의 평균 입경이 5∼50 ㎚인 경우, 나노 석출물에 의한 균열의 피닝 발생 빈도와 나노 석출물에 의한 균열의 피닝 작용을 함께 증대시킬 수 있고, 나노 석출물에 의한 균열의 피닝 효과를 효과적으로 생기게 할 수 있다.

제1, 제2 발명에 관한 알루미늄계 도전 재료에 있어서, 금속 조직에, 1㎛ 이하의 결정립이 단면적율로 15% 이상 포함되어 있는 경우, 발생한 균열이 금속 조직 내를 전파할 때, 결정립과의 충돌 빈도를 향상시켜, 균열의 편향, 균열의 분기를 촉진할 수 있고, 균열의 진전에 따른 저항이 커져서, 균열의 진전 속도를 저하시킬 수 있다.

또한, 금속 조직에, 1㎛ 이하의 결정립이 단면적율로 20% 이상 포함되어 있는 경우, 발생한 균열이 금속 조직 내를 전파할 때, 결정립과의 충돌 빈도를 더욱 향상시켜, 균열의 편향, 균열의 분기를 더욱 촉진할 수 있고, 균열의 진전에 따른 저항이 더욱 커져서, 균열의 진전 속도를 더욱 저하시킬 수 있다. 이로써, 적어도 1000만회의 동적 구동 시험에 견딜 수 있게 된다.

제3 발명에 관한 전선에 있어서는, 제1, 제2 발명에 관한 알루미늄계 도전 재료를 사용하므로, 예를 들면, 반복적으로 굽힘이 부하되는 부분에 사용할 수 있는 전선을 제작할 수 있다. 이로써, 전선 사용시의 조기 단선을 방지하여, 이 전선을 사용한 각종 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 동시에, 각종 장치의 메인터넌스 부담을 경감시킬 수 있다.

제3 발명에 관한 전선에 있어서는, 제1, 제2 발명에 관한 알루미늄계 도전 재료를 도체 소선에 사용하는 것으로, 예를 들면, 로봇의 암이나 각종 장치의 구동 부분과 같이, 반복적으로 굽힘이 부하되는 부분의 배선에 사용함으로써 조기 단선을 방지하여, 로봇이나 각종 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 또한 로봇이나 각종 장치의 메인터넌스 부담을 경감시킬 수 있다.

제3 발명에 관한 전선에 있어서, 도체 소선의 직경이, 0.05 ㎜ 이상 0.5 ㎜ 이하인 경우, 전선에 반복적으로 굽힘이 부하되었을 때 도체 소선에 생기는 변형을 작게 할 수 있고, 도체 소선(전선)의 조기 단선을 더욱 방지할 수 있다.

또한, 전선을 기기내 배선용의 전선에 사용하는 경우, 기기의 경량화를 도모할 수 있다.

제4 발명에 관한 케이블에 있어서는, 제1, 제2 발명에 관한 알루미늄계 도전 재료를 도체 소선에 사용하므로, 예를 들면, 로봇의 암이나 각종 장치의 구동 부분과 같이, 반복적으로 굽힘이 부하되는 부분의 배선에 사용함으로써 조기 단선을 방지하여, 로봇이나 각종 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 동시에, 로봇이나 각종 장치의 메인터넌스 부담을 경감시킬 수 있다.

제4 발명에 관한 케이블에 있어서, 도체 소선의 직경이, 0.05 ㎜ 이상 0.5 ㎜ 이하인 경우, 케이블에 반복적으로 굽힘이 부하되었을 때 도체 소선에 생기는 변형을 작게 할 수 있고, 도체 소선(케이블)의 조기 단선을 더욱 방지할 수 있다.

여기서, 케이블을 급속 충전 스탠드기의 커넥터 케이블에 사용하는 경우, 알루미늄계 도전 재료로 구성되어 있으므로, 커넥터 케이블이 가볍게 되어, 조작성을 향상시킬 수 있다.

또한, 케이블을 전기 용접기의 캡타이어 케이블에 사용하는 경우, 알루미늄계 도전 재료로 구성되어 있으므로, 캡타이어 케이블이 가볍게 되어, 대형 구조물의 제작을 행할 때 캡타이어 케이블이 장척으로 되어도, 캡타이어 케이블의 이동을 비교적 용이하게 행할 수 있고, 용접의 작업성을 향상시킬 수 있다.

또한, 케이블을 기기내 배선용의 케이블에 사용하는 경우, 기기의 경량화를 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 알루미늄계 도전 재료의 조직의 설명도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 알루미늄계 도전 재료의 조직의 설명도이다.

이어서, 첨부한 도면을 참조하면서, 본 발명을 구체화한 실시예에 대하여 설명한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 알루미늄계 도전 재료는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 0.1∼1.0 질량%의 스칸듐을 포함하고, 잔부가 알루미늄과 불가피한 불순물(불가피한 불순물의 함유량은, 예를 들면, 0.1∼0.35 질량%)로 이루어지고, 평균 입경이 2㎛ 이하인 알루미늄의 결정립(11)과, 결정립(11)의 입계(12)에 생성된 알루미늄-스칸듐계의 금속간 화합물인 Al₃Sc의 나노 석출물(13)을 가지는 금속 조직(10)으로 구성되어 있다. 그리고, 결정립(11)은, 1㎛ 이하의 사이즈의 것이 단면적율로 15% 이상, 바람직하게는 20% 이상 포함되어 있고, 나노 석출물(13)의 평균 입경은 1∼60 ㎚, 바람직하게는 5∼50 ㎚이다. 그리고, 불가피한 불순물의 일부는 결정립(11) 내에 고용하고, 잔부는 입계(12)에 존재하고 있다. 이하에서, 상세하게 설명한다.

순도가 99.9 질량% 이상인 알루미늄과, 순도가 99 질량% 이상인 스칸듐을 사용하여, 스칸듐이 0.1∼1.0 질량% 함유되는 알루미늄 합금을 주조(鑄造)하여, 도전 재료 블록을 제작한다. 이어서, 250∼450 ℃에서 0.5∼30 시간, 예를 들면, 350℃에서 1시간의 시효(時效) 처리를 행한 도전 재료 블록으로부터, 예를 들면, 직경 10 ㎜의 와이어 로드를 절삭 가공에 의해 제작한다. 그리고, 와이어 로드를 스웨이징기(swaging machine)에 의해 소정의 직경에 도달할 때까지 회전 단조(鍛造) 가공을 실시하여 와이어로 만들고, 300∼500 ℃에서 0.1∼5 시간, 예를 들면, 450℃에서 1시간의 열처리를 행한다. 스웨이징 가공 후에 열처리를 행함으로써, 등축정(等軸晶)의 형성을 촉진하고, 평균 결정립의 미세화 및 1㎛ 이하의 미세한 결정립의 형성 확률을 향상시킬 수 있다.

그리고, 알루미늄계 도전 재료로부터, 예를 들면, 케이블을 제조하는 경우에는, 열처리 후의 와이어에 대하여, 다이스 신선(伸線) 가공을 행하여 신선재(80∼120 ㎛)를 형성하고, 신선재를 도체 소선으로 하여 연선을 형성하여 케이블을 제작한다.

여기서, 스웨이징기를 사용하여 가공한 와이어의 최종 완성 직경을, 예를 들면, 1.5 ㎜로 한 후에, 등축정 형성을 촉진하기 위한 열처리를 행하고, 그 후, 직경이 80 미크론에 이를 때까지 가공도가 5.9로 되는 다이스 신선(伸線) 가공을 행함으로써 금속 조직(10)을 구성하는 결정립(11)의 평균 입경이 2㎛ 이하이며, 1㎛ 이하의 결정립(11)이 존재하는 비율이 단면적율로 15% 이상이 된다.

또한, 스웨이징기를 사용하여 가공한 와이어의 최종 완성 직경을, 예를 들면, 2.0 ㎜로 한 후에, 등축정 형성을 촉진하기 위한 열처리를 행하고, 그 후, 직경이 80 미크론에 이를 때까지 가공도가 6.4로 되는 다이스 신선 가공을 행함으로써 금속 조직(10)을 구성하는 결정립(11)의 평균 입경이 2㎛ 이하이며, 1㎛ 이하의 결정립(11)이 존재하는 비율이 단면적율로 20% 이상이 된다. 그리고, 와이어의 최종 완성 직경을, 예를 들면, 3.0 ㎜로 하고, 그 후, 직경이 80 미크론에 이를 때까지, 가공도가 7.2로 되는 다이스 신선 가공을 행함으로써 금속 조직(10)을 구성하는 결정립(11)의 평균 입경이 2㎛ 이하이며, 1㎛ 이하의 결정립(11)이 존재하는 비율이 단면적율로 50% 이상이 된다.

결정립(11)의 평균 입경을 2㎛ 이하로 함으로써, 단위 체적의 금속 조직(10)에 포함되는 결정립(11)의 개수가 많아져서, 예를 들면, 반복 굽힘 부하에 의해 균열이 발생하면, 균열이 전파할 때 균열은 결정립(11)과 빈번하게 충돌한다. 이 때문에, 균열이 진전할 때, 균열의 편향과 균열의 분기가 촉진되어, 균열이 한쪽 방향으로 진전할 때의 속도를 저하시킬 수 있다. 그 결과, 반복 굽힘 부하에 대한 내굴곡성(파단까지의 반복 굽힘 회수, 즉 파단 횟수)을 향상시킬 수 있다.

여기서, 1㎛ 이하의 결정립(11)이, 단면적율로 15% 이상이면, 단위 체적의 금속 조직(10)에 포함되는 결정립(11)의 개수를 증대시킬 수 있고, 균열과 결정립(11)과의 충돌이 현저하게 되어, 균열의 편향 및 균열의 분기를 촉진시킬 수 있다. 또한, 1㎛ 이하의 결정립(11)이, 단면적율로 20% 이상이면, 단위 체적의 금속 조직(10)에 포함되는 결정립(11)의 개수를 더욱 증대시킬 수 있고, 균열과 결정립(11)과의 충돌이 더욱 현저하게 되어, 균열의 편향 및 균열의 분기가 보다 촉진되어, 적어도 1000만회의 동적 구동 시험에 견디는 것이 가능하게 된다.

그리고, 시효 처리 중에, 알루미늄의 결정립(11) 내 및 입계(12)에 존재하고 있는 스칸듐은 알루미늄과 반응하여, 금속간 화합물인 Al₃Sc의 나노 석출물(13)로서 입계(12)에 석출된다. 그리고, 시효 처리 온도 및 시효 처리 시간의 범위 내에서, 온도 및 시간을 선택함으로써, 나노 석출물(13)의 평균 입경을 1∼60 ㎚의 범위에서 조정할 수 있다.

입계(12)에 나노 석출물(13)이 생성하고 있으면, 입계(12)를 따라 진전하는 균열의 선단이 나노 석출물(13)에 충돌하고, 균열의 선단이 나노 석출물(13)에 의해 피닝되어 균열의 진전 정지가 일어나, 균열의 진전 속도 저하가 더욱 촉진된다. 여기서, 스칸듐의 함유량이 0.1 질량% 미만에서는, 생성되는 나노 석출물(13)의 양이 적어져서, 균열의 피닝 효과가 저하된다. 한편, 스칸듐의 함유량이 1.0 질량%를 초과하면, 입계(12)에 존재하는 나노 석출물(13)이 많아져서, 균열의 피닝 효과는 향상되지만, 도전성이 저하되어, 도전 재료로서의 기능이 저하된다. 그러므로, 스칸듐의 함유량을 0.1∼1.0 질량%의 범위로 하였다.

생성된는 나노 석출물(13)의 총량은 스칸듐의 함유량으로 정해지므로, 나노 석출물(13)의 개수가 증가하면 나노 석출물(13)의 입경은 감소하고, 나노 석출물(13)의 개수가 감소하면 나노 석출물(13)의 입경은 증가하게 된다. 한편, 금속 조직(10) 중에 발생한 균열이 진전할 때, 균열이 나노 석출물(13)에 의해 피닝되는 효과는, 나노 석출물(13)의 개수가 많아질수록, 나노 석출물(13)의 입경이 커질수록 증가한다.

여기서, 나노 석출물(13)의 평균 입경이 1 ㎚ 미만에서는, 나노 석출물(13)의 개수가 많아져서 균열의 피닝 발생 빈도는 높아지지만, 나노 석출물(13)에 의한 균열의 피닝 작용은 크지 않아, 균열의 피닝 효과는 현저하지 않게 된다. 한편, 나노 석출물(13)의 평균 입경이 60 ㎚를 초과하면, 나노 석출물(13)에 의한 균열의 피닝 작용은 커지지만, 나노 석출물(13)의 개수가 적어져서 균열의 피닝 발생 빈도는 저하되어, 균열의 피닝 효과는 현저하지 않게 된다. 그러므로, 나노 석출물(13)의 총량이 일정한 경우, 나노 석출물(13)의 평균 입경을 1∼60 ㎚로 함으로써, 나노 석출물(13)에 의한 균열의 피닝 효과에 의해, 균열의 진전 정지나 균열의 진전 속도 저하를 도모할 수 있다. 그리고, 나노 석출물(13)의 평균 입경을 5∼50 ㎚로 함으로써, 나노 석출물(13)에 의한 균열의 피닝 발생 빈도를 높게 유지하면서 나노 석출물(13)에 의한 균열의 피닝 작용도 높게 유지할 수 있어, 나노 석출물(13)에 의한 균열의 피닝 효과를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 알루미늄계 도전 재료에서는, 1㎛ 이하의 결정립(11)이 단면적율로 15% 이상 포함되도록 조직 제어를 행하면, 금속 조직(10) 중에 균열이 발생해도, 금속 조직(10) 중의 입계(12)를 균열이 진전할 때 생기는 균열의 편향 및 균열의 분기와, 균열이 나노 석출물(13)에 충돌했을 때의 균열의 피닝 효과가 상승(相乘)하게 되어, 금속 조직(10) 중을 균열이 한쪽 방향으로 진전하는 데 필요한 시간이 길어진다. 그 결과, 장기간의 동적 구동 시험(예를 들면, 반복 굽힘 시험)에 견딜 수 있게 된다. 그리고, 1㎛ 이하의 결정립이 단면적율로 20% 이상 포함되도록 조직 제어를 행하면, 적어도 1000만회의 동적 구동 시험에 견딜 수 있게 된다.

그러므로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 알루미늄계 도전 재료로 이루어지고, 도체 소선의 직경이 0.05 ㎜ 이상 0.5 ㎜ 이하인 도체 소선을 사용한 전선 또는 케이블을, 예를 들면, 엘리베이터의 승강부나 로봇의 암 부분 등의 구동부의 배선(기기내 배선용 전선 또는 케이블의 일례)에 사용함으로써, 전선 또는 케이블에 반복적으로 굽힘이 부하되어도, 도체 소선에 생기는 변형을 작게 할 수 있고, 도체 소선(전선 또는 케이블)의 조기 단선을 더욱 방지할 수 있다. 그 결과, 알루미늄 합금계의 특징인 경량화 및 고유연성뿐만 아니라, 고내구성(전선 또는 케이블의 조기(早期) 단선 방지)을 달성할 수 있고, 장치를 장기간에 걸쳐 안정적으로 가동시킬 수 있고, 장치의 신뢰성을 향상시키고, 또한 메인터넌스의 부담을 경감시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 알루미늄계 도전 재료로 이루어지고, 도체 소선의 직경이 0.05 ㎜ 이상 0.5 ㎜ 이하인 도체 소선을 사용한 케이블을, 전기 자동차의 급속 충전 스탠드기용의 커넥터 케이블이나 전기 용접기의 캡타이어 케이블 등과 같이 사용시에 인장, 굽힘 및 뒤틀림이 가해지는 용도에 사용함으로써, 알루미늄 합금계의 특징인 경량화 및 고유연성뿐만 아니라, 고내구성(케이블의 조기 단선 방지)을 달성할 수 있고, 장치를 장기간에 걸쳐 안정적으로 가동시킬 수 있고, 장치의 신뢰성을 향상시키고, 또한 메인터넌스의 부담을 경감시킬 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 알루미늄계 도전 재료는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 0.1∼1.0 질량%의 스칸듐 및 0 초과 0.2 질량% 이하의 지르코늄을 포함하고, 잔부가 알루미늄 및 불가피한 불순물(불가피한 불순물의 함유량은, 예를 들면, 0.1∼0.35 질량%)로 이루어지고, 평균 입경이 2㎛ 이하인 알루미늄의 결정립(15)과 결정립(15)의 입계(16)에 생성된 알루미늄-스칸듐계의 금속간 화합물인 Al₃Sc의 나노 석출물(17)을 가지는 금속 조직(14)으로 구성되어 있다. 그리고, 결정립(15)은, 1㎛ 이하의 사이즈의 것이 단면적율로 15% 이상, 바람직하게는 20% 이상 포함되어 있고, 나노 석출물(17)의 평균 입경은 1∼60 ㎚, 바람직하게는 5∼50 ㎚이다. 여기서, 나노 석출물의 일부를, 알루미늄의 결정 입계에 뿐만 아니라, 알루미늄의 결정립 내에도 존재시킬 수 있다.

그리고, 지르코늄의 일부는 결정립(15) 내에 고용하고, 잔부는 입계(16)에 존재한다. 불가피한 불순물의 일부는 결정립(15) 내에 고용하고, 잔부는 입계(16)에 존재하고 있다. 이하에서, 상세하게 설명한다.

순도가 99.9 질량% 이상인 알루미늄과, 순도가 99 질량% 이상인 스칸듐과, 순도가 99 질량% 이상인 지르코늄을 사용하여, 스칸듐이 0.1∼1.0 질량%, 지르코늄이 0 초과 0.2 질량% 이하로 함유되는 알루미늄 합금을 주조하여 도전 재료 블록을 제작한다. 이어서, 250∼450 ℃에서 0.5∼30 시간, 예를 들면, 350℃에서 24시간의 시효 처리를 행한 도전 재료 블록으로부터, 예를 들면, 직경이 10 ㎜인 와이어 로드를 절삭 가공에 의해 제작한다. 그리고, 와이어 로드를 스웨이징기에 의해 소정의 직경에 도달할 때까지 회전 단조 가공을 실시하여 와이어로 만들고, 300∼500 ℃에서 0.1∼5 시간, 예를 들면, 450℃에서 1시간의 열처리를 행한다. 스웨이징 가공 후에 열처리를 행함으로써, 등축정의 형성을 촉진하고, 평균 결정립의 미세화 및 1㎛ 이하의 미세한 결정립의 형성 확률을 향상시킬 수 있다. 그리고, 알루미늄계 도전 재료로부터, 예를 들면, 케이블을 제조하는 경우에는, 열처리 후의 와이어에 대하여, 다이스 신선 가공을 행하여 신선재(80∼120 ㎛)를 형성하고, 신선재를 도체 소선으로 하여 연선을 형성하여 케이블을 제작한다.

여기서, 스웨이징기를 사용하여 가공한 와이어의 최종 완성 직경을, 예를 들면, 1.5 ㎜로 한 후에, 등축정 형성을 촉진하기 위한 열처리를 행하고, 그 후, 직경이 80 미크론에 도달할 때까지 가공도가 5.9로 되는 다이스 신선 가공을 행함으로써 금속 조직(14)을 구성하는 결정립(15)의 평균 입경이 2㎛ 이하이며, 1㎛ 이하의 결정립(15)이 존재하는 비율이 단면적율로 15% 이상으로 된다. 또한, 스웨이징기를 사용하여 가공한 와이어의 최종 완성 직경을, 예를 들면, 2.0 ㎜로 한 후에, 등축정 형성을 촉진하기 위한 열처리를 행하고, 그 후, 직경이 80 미크론에 도달할 때까지 가공도가 6.4로 되는 다이스 신선 가공을 행함으로써 금속 조직(14)을 구성하는 결정립(15)의 평균 입경이 2㎛ 이하이며, 1㎛ 이하의 결정립(15)이 존재하는 비율이 단면적율로 20% 이상으로 된다. 그리고, 와이어의 최종 완성 직경을, 예를 들면, 3.0 ㎜로 하고, 그 후, 직경이 80 미크론에 도달할 때까지, 가공도가 7.2로 되는 다이스 신선 가공을 행함으로써 금속 조직(14)을 구성하는 결정립(15)의 평균 입경이 2㎛ 이하이며, 1㎛ 이하의 결정립(15)이 존재하는 비율이 단면적율로 50% 이상으로 된다.

결정립(15)의 평균 입경을 2㎛ 이하로 함으로써, 단위 체적의 금속 조직(14)에 포함되는 결정립(15)의 개수가 많아지고, 예를 들면, 반복 굽힘 부하에 의해 균열이 발생하면, 균열이 전파할 때 균열은 결정립(15)과 빈번하게 충돌한다. 그러므로, 균열이 진전할 때, 균열의 편향과 균열의 분기가 촉진되어, 균열이 한쪽 방향으로 진전할 때의 속도를 저하시킬 수 있다. 그 결과, 반복 굽힘 부하에 대한 내굴곡성(파단에 도달할 때까지 가한 반복 굽힘 횟수, 즉 파단 횟수)을 향상시킬 수 있다.

여기서, 1㎛ 이하의 결정립(15)이, 단면적율로 15% 이상이면, 단위 체적의 금속 조직(14)에 포함되는 결정립(15)의 개수를 증대시킬 수 있고, 균열과 결정립(15)과의 충돌이 현저하게 되어, 균열의 편향 및 균열의 분기를 촉진시킬 수 있다. 또한, 1㎛ 이하의 결정립(15)이, 단면적율로 20% 이상이면, 단위 체적의 금속 조직(14)에 포함되는 결정립(15)의 개수를 더욱 증대시킬 수 있고, 균열과 결정립(15)과의 충돌이 더욱 현저하게 되어, 균열의 편향 및 균열의 분기가 보다 촉진되어, 적어도 1000만회의 동적 구동 시험에 견딜 수 있게 된다.

그리고, 시효 처리 중에, 알루미늄의 결정립(15)의 입계(16)에 존재하고 있는 스칸듐은 알루미늄과 반응하여 나노 석출물(17)로서 입계(16)에 석출된다. 그리고, 시효 처리 온도 및 시효 처리 시간의 범위 내에서, 온도 및 시간을 선택함으로써, 나노 석출물(17)의 평균 입경을 1∼60 ㎚의 범위에서 조정할 수 있다.

여기서, 스칸듐을 알루미늄의 결정립의 입계 및 알갱이 내에 각각 존재시키면, 스칸듐은 알루미늄과 각각 반응하여, 결정립의 입계 및 알갱이 내에 각각 나노 석출물로서 석출된다.

입계(16)에 나노 석출물(17)이 생성되면, 입계(16)를 따라 진전하는 균열의 선단이 나노 석출물(17)에 충돌하여, 균열의 선단이 나노 석출물(17)에 의해 피닝되어 균열의 진전 정지가 일어나, 균열의 진전 속도 저하가 더욱 촉진된다.

여기서, 스칸듐의 함유량이 0.1 질량% 미만에서는, 생성되는 나노 석출물(17)의 양이 적어져서, 균열의 피닝 효과가 저하된다. 한편, 스칸듐의 함유량이 1.0 질량%를 초과하면, 입계(16)에 존재하는 나노 석출물(17)이 많아져서, 균열의 피닝 효과는 향상되지만, 도전성이 저하되어, 도전 재료로서의 기능이 저하된다. 이 때문에, 스칸듐의 함유량을 0.1∼1.0 질량%의 범위로 하였다.

그리고, 나노 석출물이 알루미늄의 결정립의 알갱이 내에도 생성되는 경우, 즉 금속 조직이 알루미늄의 결정립과 알루미늄의 결정립의 입계에 존재하는 나노 석출물과, 알루미늄의 결정립의 알갱이 내에 존재하는 나노 석출물을 가지는 경우, 금속 조직 내를 진전하는 균열은, 결정립의 입계를 따라 진전할 때는 입계에 존재하는 나노 석출물과 충돌하고, 결정립의 알갱이 내를 진전할 때는 알갱이 내에 존재하는 나노 석출물과 각각 충돌하여 피닝된다. 이 때문에, 금속 조직 내를 진전하는 균열의 진전 정지가 촉진되거나, 또는 균열의 진전 속도 저하가 촉진된다.

생성되는 나노 석출물(17)의 총량은, 스칸듐의 함유량으로 정해지므로, 나노 석출물(17)의 개수가 증가하면 나노 석출물(17)의 입경은 감소하고, 나노 석출물(17)의 개수가 감소하면 나노 석출물(17)의 입경은 증가하게 된다. 한편, 금속 조직(14) 중에 발생한 균열이 진전할 때, 균열이 나노 석출물(17)에 의해 피닝되는 효과는, 나노 석출물(17)의 개수가 많아질수록, 나노 석출물(17)의 입경이 커질수록 증가한다.

여기서, 나노 석출물(17)의 평균 입경이 1 ㎚ 미만에서는, 나노 석출물(17)의 개수가 많아져서 균열의 피닝 발생의 빈도는 높아지지만, 나노 석출물(17)에 의한 균열의 피닝 작용은 크지 않으며, 균열의 피닝 효과는 현저하지 않게 된다. 한편, 나노 석출물(17)의 평균 입경이 60 ㎚를 초과하면, 나노 석출물(17)에 의한 균열의 피닝 작용은 커지지만, 나노 석출물(17)의 개수가 적어져서 균열의 피닝 발생의 빈도는 저하되고, 균열의 피닝 효과는 현저하지 않게 된다. 그러므로, 나노 석출물(17)의 총량이 일정한 경우, 나노 석출물(17)의 평균 입경을 1∼60 ㎚로 함으로써, 나노 석출물(17)에 의한 균열의 피닝 효과에 의해, 균열의 진전 정지나 균열의 진전 속도 저하를 도모할 수 있다. 그리고, 나노 석출물(17)의 평균 입경을 5∼50 ㎚로 함으로써, 균열의 피닝 발생의 빈도를 높게 유지하면서 나노 석출물(17)에 의한 균열의 피닝 작용도 높게 유지할 수 있고, 나노 석출물(17)에 의한 균열의 피닝 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 지르코늄이 결정립(15) 내 및 입계(16)에 존재함으로써, 고온의 열이력 후의 인장 강도의 저하를 방지할 수 있다. 예를 들면, 스칸듐을 0.3 질량% 함유하는 알루미늄계 도전 재료로 형성된 선재의 상온에 있어서의 인장 강도 σ_RT는 300 MPa, 260℃에서 1시간 가열한 직후의 인장 강도 σ₂₆₀은 294 MPa가 되어, 인장 강도는 저하된다. 여기서, 선재의 내열성을, (σ₂₆₀/σ_RT)×100으로 평가하면, 스칸듐을 0.3 질량% 함유하는 알루미늄계 도전 재료의 내열성은 98%로 된다.

한편, 지르코늄을 0.01 질량%, 스칸듐을 0.3 질량% 함유하는 알루미늄계 도전 재료로 형성한 선재의 상온에 있어서의 인장 강도 σ_RT는 300 MPa, 260℃에서 1시간 가열한 직후의 인장 강도 σ₂₆₀은 294 MPa(내열성 98%)로서, 지르코늄을 포함하지 않는 경우와 큰 차이는 없다. 그런데, 지르코늄을 0.05 질량%, 스칸듐을 0.3 질량% 함유하는 알루미늄계 도전 재료로 형성한 선재의 상온에 있어서의 인장 강도 σ_RT는 305 MPa, 260℃에서 1시간 가열한 직후의 인장 강도 σ₂₆₀은 303 MPa(내열성 99%), 지르코늄을 0.1 질량%, 스칸듐을 0.3 질량% 함유하는 알루미늄계 도전 재료로 형성한 선재의 상온에 있어서의 인장 강도 σ_RT는 310 MPa, 260℃에서 1시간 가열한 직후의 인장 강도 σ₂₆₀은 309 MPa(내열성 100%)로 되어, 지르코늄이 함유되는 것에 의해, 260℃에서 1시간 가열한 직후의 인장 강도를 개선(인장 강도의 저하를 방지)할 수 있다. 따라서, 알루미늄계 도전 재료의 고온의 열이력을 받은 직후에 있어서도 선재로서의 강도를 확보할 수 있다.

그리고, 알루미늄계 도전 재료의 고온하에서의 인장 강도 개선 효과는, 지르코늄 함유량이 0.05 질량% 이상에서 현저로 된다. 한편, 지르코늄의 함유량이 0.2 질량%를 초과하면, 열이력 후의 인장 강도 개선 효과는 증대하지만, 도전성이 저하되어, 도전 재료로서의 기능이 저하된다. 그러므로, 지르코늄의 함유량은 0.05 질량% 이상인 것이 바람직하고, 상한은 0.2 질량%로 하였다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 알루미늄계 도전 재료에서는, 1㎛ 이하의 결정립(15)이 단면적율로 15% 이상 포함되도록 조직 제어를 행하면, 금속 조직(14)중에 균열이 발생해도, 금속 조직(14)중의 입계(16)를 균열이 진전할 때 생기는 균열의 편향 및 균열의 분기와, 균열이 나노 석출물(16)에 충돌했을 때의 균열의 피닝 효과가 상승하게 되어, 금속 조직(14)중을 균열이 한쪽 방향으로 진전하는 데 필요한 시간이 길어진다. 그 결과, 장기간의 동적 구동 시험(예를 들면, 반복 굽힘 시험)에 견딜 수 있게 된다. 그리고, 1㎛ 이하의 결정립이 단면적율로 20% 이상 포함되도록 조직 제어를 행하면, 적어도 1000만회의 동적 구동 시험에 견딜 수 있다.

그러므로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 알루미늄계 도전 재료로 이루어지고, 도체 소선의 직경이 0.05 ㎜ 이상 0.5 ㎜ 이하인 도체 소선에 사용한 전선 또는 케이블을, 예를 들면, 엘리베이터의 승강부나 로봇의 암 부분 등의 구동부의 배선(기기내 배선용의 전선 또는 케이블의 일례)에 사용함으로써, 전선 또는 케이블에 반복적으로 굽힘이 부하되어도, 도체 소선에 생기는 변형을 작게 할 수 있고, 도체 소선(전선 또는 케이블)의 조기 단선을 더욱 방지할 수 있다. 그 결과, 알루미늄 합금계의 특징인 경량화 및 고유연성뿐만 아니라, 고내구성(전선 또는 케이블의 조기 단선 방지)을 달성할 수 있고, 장치를 장기간에 걸쳐 안정적으로 가동시킬 수 있고, 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 또한 메인터넌스의 부담을 경감시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 알루미늄계 도전 재료로 이루어지고, 도체 소선의 직경이 0.05 ㎜ 이상 0.5 ㎜ 이하인 도체 소선을 도체 소선에 사용한 케이블을, 전기 자동차의 급속 충전 스탠드기용의 커넥터 케이블이나 전기 용접기의 캡타이어 케이블 등과 같이(처럼 사용시에 인장, 굽힘 및 뒤틀림이 가해지는 용도에 사용함으로써, 알루미늄 합금계의 특징인 경량화 및 고유연성뿐만 아니라, 고내구성(케이블의 조기 단선 방지)을 달성할 수 있고, 장치를 장기간에 걸쳐 안정적으로 가동시킬 수 있으며, 장치의 신뢰성을 향상시키고, 또한 메인터넌스의 부담을 경감시킬 수 있다.

또한, 지르코늄의 일부가 결정립(15) 내에 고용하고, 잔부가 입계(16)에 존재하므로, 제2 실시예에 따른 알루미늄계 도전 재료에서는, 고온의 열이력 후의 인장 강도의 저하를 방지할 수 있고, 고온의 열이력을 받은 후 알루미늄계 도전 재료의 내굴곡성의 저하를 방지할 수 있다. 그러므로, 예를 들면, 전기 자동차의 급속 충전 스탠드기용의 커넥터 케이블, 전기 용접기의 캡타이어 케이블과 같이(처럼 사용시에 큰 전류가 흘러 일시적으로 온도가 상승하는 케이블, 태양광 발전 모듈의 접속용 케이블(기기내 배선용의 케이블의 일례)과 같이 환경 변화에 따라 온도가 크게 변화하는 케이블, 공장이나 재해 현장 등의 고온 환경하에 노출될 가능성이 있는 로봇의 구동 부분(암 부분)의 배선용 케이블(기기내 배선용의 케이블의 일례)의 도체 소선을, 제2 실시예에 따른 알루미늄계 도전 재료를 사용하여 제작하면, 일시적인 고열하에 노출되어 때의 인장 강도, 나아가서는 내구성도 확보할 수 있고, 케이블을 장기간에 걸쳐 안정적으로 사용할 수 있다. 그 결과, 케이블이나 장치의 신뢰성을 향상시키고, 또한 메인터넌스의 부담을 경감시킬 수 있다.

다음으로, 본 발명의 작용 효과를 확인하기 위해 행한 실험예(비교예도 포함함)에 대하여, 이하에서 설명한다.

(비교예 1)

순도가 99.95 질량%인 알루미늄 잉곳으로부터 직경이 10 ㎜인 와이어 로드를 절삭 가공에 의해 취출하고, 취출한 와이어 로드를 스웨이징기에 의해 직경 2 ㎜의 와이어로 성형했다. 이어서, 와이어를 450℃에서 1시간 열처리를 행한 후, 다이스 신선 가공을 행하여 직경 80㎛의 신선재를 제작하였다. 신선재의 금속 조직을 관찰한 결과, 금속 조직을 구성하고 있는 결정립의 평균 결정립 직경은 2㎛이며, 1㎛ 이하의 결정립의 비율은 단면적율로 20%였다.

얻어진 신선재의 도전율을 측정하고, 신선재로부터 단면적이 0.2 ㎜²의 케이블을 제작하여 상온에서 케이블 굴곡 시험을 행하였다. 그리고, 케이블 굴곡 시험에서는, 케이블에 하중 100 g를 부하한 상태에서, 굽힘 반경이 15 ㎜, 절곡 각도 범위가 ±90°의 좌우 반복적으로 굽힘을 가하였다. 도전율의 값 및 케이블 굴곡 시험의 결과 (케이블의 파단 횟수)를 표 1에 나타내었다.

[표 1]

(실험예 1∼6, 비교예 2∼4)

순도가 99.95 질량%인 알루미늄과 순도가 99 질량%인 스칸듐을 사용하여, 스칸듐이 0.05∼5.0 질량% 함유되는 알루미늄 합금을 각각 주조하여 도전 재료 블록을 제작하였다. 이어서, 도전 재료 블록에 350℃에서 1시간의 시효 처리를 행한 후에, 직경이 10 ㎜인 와이어 로드를 절삭 가공에 의해 취출하고, 취출한 와이어 로드를 스웨이징기에 의해 직경 2 ㎜의 와이어로 성형했다. 이어서, 와이어를 450℃에서 1시간의 열처리를 행한 후, 다이스 신선 가공을 행하여 직경 80㎛의 신선재를 제작하였다. 신선재의 금속 조직을 관찰한 결과, 금속 조직을 구성하고 있는 결정립의 평균 결정립 직경은 2㎛이며, 1㎛ 이하의 결정립의 비율은 단면적율로 20%였다. 또한, 스칸듐이 0.05∼2.0 질량% 함유되는 경우, 비교예 3, 실험예 2∼6에서는, 결정립의 입계에 입경 20 ㎚의 Al₃Sc의 나노 석출물이 존재하고, 비교예 2에서는 검출되지 않았고(ND), 실험예 1에서는 2 ㎚의 Al₃Sc의 나노 석출물이 존재하였다. 스칸듐이 5.0 질량% 함유되는 경우(비교예 4)는, 결정립의 입계에는 입경 100 ㎚의 Al₃Sc의 나노 석출물이 존재하고 있었다.

얻어진 신선재의 도전율을 측정하고, 신선재로부터 단면적이 0.2 ㎜²인 케이블을 제작하여 비교예 1과 동일한 방법으로 케이블 굴곡 시험을 행하였다. 도전율의 값 및 케이블 굴곡 시험의 결과를 표 1에 나타내었다.

비교예 2, 실험예 1∼4의 각 신선재는 스칸듐의 함유량이 0.4 질량% 이하이며, 도전율은 61%IACS로서, 알루미늄(비교예 1)의 도전율과 동일한 값을 나타낸다. 그리고, 스칸듐의 함유량이 0.4 질량%를 초과하면, 도전율은 서서히 저하되고, 실험예 5, 6, 비교예 3, 4(스칸듐의 함유량이 0.6, 1.0, 2.0, 5.0 질량%)에서는, 각각 60, 59, 57, 53 %IACS였다. 케이블 굴곡 시험에서는, 스칸듐의 함유량이 0.05∼2.0 질량%의 범위에서는, 금속 조직을 구성하고 있는 결정립의 평균 결정립 직경이 2㎛이며, 1㎛ 이하의 결정립의 비율이 단면적율로 20%이며, 나노 석출물의 입경이 20 ㎚ 이하로 되어 있으므로, 비교예 2, 실험예 1∼3에서는, 스칸듐의 함유량의 증가에 따라 파단 횟수가 증대하지만, 스칸듐의 함유량이 0.4 질량% 이상의 실험예 4∼6, 비교예 3에서는 파단 횟수는 거의 일정하게 되었다. 한편, 비교예 3, 4에서는, 케이블의 파단 횟수는 각각 1200만회, 900만회로서 높은 값을 나타내지만, 알루미늄-스칸듐계의 금속간 화합물인 Al₃Sc의 나노 석출물이 입계에 많이 석출되므로 도전율이 저하되어, 비교예 3, 4의 각 신선재로 이루어지는 도체 소선을 사용하여 전선 또는 케이블을 형성하는 것은 문제가 있다.

한, 스칸듐의 함유량이 0.3 질량%의 실험예 3의 신선재에 대하여는, 260℃에서 1시간 가열 직후의 인장 강도 σ₂₆₀ 및 상온에서의 인장 강도 σ_RT를 구하고, 선재의 내열성(σ₂₆₀/σ_RT)×100을 구하였다. 그 결과, 내열성은 98%였다.

그리고, 스칸듐의 함유량이 5.0 질량%의 비교예 4에서는 파단 횟수가 저하되었다. 이는, 결정립의 입계에 100 ㎚의 나노 석출물이 존재함으로써, 신선재의 강도가 저하되었기 때문인 것으로 여겨진다.

(실험예 7)

순도가 99.95 질량%인 알루미늄과 순도가 99 질량%인 스칸듐을 사용하여, 스칸듐이 0.3 질량% 함유되는 알루미늄 합금을 주조하여 도전 재료 블록을 제작하였다. 이어서, 도전 재료 블록에 대하여 350℃에서 1시간의 시효 처리를 행한 후에, 직경이 10 ㎜의 와이어 로드를 절삭 가공에 의해 취출하고, 이어서, 스웨이징기에 의해 직경 1 ㎜의 와이어로 성형했다. 그 와이어를 450℃에서 1시간의 열처리를 행한 후, 다이스 신선 가공을 행하여 직경 80㎛의 신선재를 제작하였다. 신선재의 금속 조직을 관찰한 결과, 금속 조직을 구성하고 있는 결정립의 평균 결정립 직경은 2㎛이며, 1㎛ 이하의 결정립의 비율은 단면적율로 20%였다. 또한, 결정립의 입계에는 입경 20 ㎚의 Al₃Sc의 나노 석출물이 존재하였다. 얻어진 신선재의 도전율을 측정하고, 신선재로부터 단면적이 0.2 ㎜²의 케이블을 제작하여 비교예 1과 동일한 방법으로 케이블 굴곡 시험을 행하였다. 도전율의 값 및 케이블 굴곡 시험의 결과를 표 1에 나타내었다. 신선재의 도전율은 61%IACS이며, 케이블 굴곡 시험의 파단 횟수는 950만회였다.

(실험예 8)

순도가 99.95 질량%인 알루미늄과 순도가 99 질량%인 스칸듐을 사용하여, 스칸듐이 0.3 질량% 함유되는 알루미늄 합금을 주조하여 도전 재료 블록을 제작하였다. 그리고, 350℃에서 1시간의 시효 처리를 행한 후에, 도전 재료 블록으로부터 직경 10 ㎜의 와이어 로드를 절삭 가공에 의해 취출하고, 취출된 와이어 로드를 스웨이징기에 의해 직경 1.5 ㎜의 와이어로 성형했다. 이어서, 와이어를 450℃에서 0.5시간의 열처리를 행한 후, 다이스 신선 가공을 행하여 직경 80㎛의 신선재를 제작하였다. 신선재의 금속 조직을 관찰한 결과, 금속 조직을 구성하고 있는 결정립의 평균 결정립 직경은 2㎛이며, 1㎛ 이하의 결정립의 비율은 단면적율로 15%였다. 또한, 결정립의 입계에는 입경 20 ㎚의 Al₃Sc의 나노 석출물이 존재하였다.

얻어진 신선재의 도전율을 측정하고, 신선재로부터 단면적이 0.2 ㎜²의 케이블을 제작하여 비교예 1과 동일한 방법으로 케이블 굴곡 시험을 행하였다. 도전율의 값 및 케이블 굴곡 시험의 결과를 표 1에 나타내었다. 신선재의 도전율은 61%IACS이며, 케이블 굴곡 시험의 파단 횟수는 970만회였다.

(실험예 9, 10)

순도가 99.95 질량%인 알루미늄과 순도가 99 질량%인 스칸듐을 사용하여, 스칸듐이 0.3 질량% 함유되는 알루미늄 합금을 주조하여 도전 재료 블록을 제작하였다. 이어서, 350℃에서 8분간, 120시간의 시효 처리를 각각 행한 후에, 도전 재료 블록으로부터, 직경이 10 ㎜의 와이어 로드를 절삭 가공에 의해 취출하고, 취출된 와이어 로드를 스웨이징기에 의해 직경 1.5 ㎜의 와이어로 성형했다. 이어서, 와이어를 450℃에서 1시간의 열처리를 행한 후, 다이스 신선 가공을 행하여 직경 80㎛의 신선재를 제작하였다. 신선재의 금속 조직을 관찰한 결과, 금속 조직을 구성하고 있는 결정립의 평균 결정립 직경은 2㎛이며, 1㎛ 이하의 결정립의 비율은 단면적율로 20%였다. 또한, 350℃에서 8분간 시효 처리를 행한 실험예 9에서는, 결정립의 입계에는 입경 3 ㎚의 Al₃Sc의 나노 석출물이 존재하였고, 350℃에서 120시간의 시효 처리를 행한 실험예 10에서는, 결정립의 입계에는 입경 60 ㎚의 Al₃Sc의 나노 석출물이 존재하였다.

얻어진 신선재의 도전율을 측정하고, 신선재로부터 단면적이 0.2 ㎜²인 케이블을 제작하여 비교예 1과 동일한 방법으로 케이블 굴곡 시험을 행하였다. 도전율의 값 및 케이블 굴곡 시험의 결과를 표 1에 나타내었다. 실험예 9의 신선재의 도전율은 61%IACS이며, 케이블 굴곡 시험의 파단 횟수는 1050만회이며, 실험예 10의 신선재의 도전율은 61%IACS이며, 케이블 굴곡 시험의 파단 횟수는 900만회였다. 실험예 3과 비교하여, 실험예 9의 파단 횟수가 1050만회로 저하된 것은, 나노 석출물의 입경이 작으므로, 나노 석출물에 의한 균열의 피닝 작용이 저하되었기 때문으로 여겨진다.

(실험예 11∼14)

순도가 99.95 질량%인 알루미늄과 순도가 99 질량%인 스칸듐을 사용하여, 스칸듐이 0.3 질량% 함유되는 알루미늄 합금을 각각 주조하여 도전 재료 블록을 제작하였다. 이어서, 도전 재료 블록에 325℃에서 1시간, 300℃에서 1시간, 300℃에서 30분간, 300℃에서 8분간 시효 처리를 각각 행한 후에, 직경 10 ㎜의 와이어 로드를 절삭 가공에 의해 취출하고, 취출된 와이어 로드를 스웨이징기에 의해 직경 2 ㎜의 와이어로 성형했다. 이어서, 와이어를 각각 325℃에서 1시간, 325℃에서 1시간, 250℃에서 1시간, 250℃에서 1시간의 열처리를 행한 후, 다이스 신선 가공을 행하여 직경 80㎛의 신선재를 제작하였다. 신선재의 금속 조직을 관찰한 결과, 금속 조직을 구성하고 있는 결정립의 평균 결정립 직경은 2㎛이며, 1㎛ 이하의 결정립의 비율은 단면적율로 20%였다. 또한, 325℃에서 1시간의 시효 처리를 행한 경우, 결정립의 입계에 입경 8 ㎚의 Al₃Sc의 나노 석출물이 존재하고(실험예 11), 300℃에서 1시간의 시효 처리를 행한 경우, 입계에 평균 입경이 5 ㎚의 나노 석출물이 존재하고(실험예 12), 300℃에서 30분간 시효 처리를 행한 경우, 입계에 평균 입경이 2 ㎚의 나노 석출물이 존재하고(실험예 13), 300℃에서 8분간 시효 처리를 행한 경우, 입계에 평균 입경이 1 ㎚의 나노 석출물이 존재하고 있다(실험예 14). 얻어진 신선재의 도전율을 측정하고, 신선재로부터 단면적이 0.2 ㎜²인 케이블을 제작하여 비교예 1과 동일한 방법으로 케이블 굴곡 시험을 행하였다. 도전율의 값 및 케이블 굴곡 시험의 결과를 표 1에 나타내었다.

실험예 11∼14의 각 신선재의 도전율은 61%IACS였다. 또한, 비교예 1과 동일한 방법으로 케이블 굴곡 시험을 행하면, 나노 석출물의 평균 입경이 8 ㎚(실험예 11), 5 ㎚(실험예 12)인 경우, 파단 횟수는 1300만회를 초과하지만, 나노 석출물의 평균 입경이 2 ㎚(실험예 13)로 감소하면 파단 횟수는 1050만회로 저하되고, 나노 석출물의 평균 입경이 1 ㎚(실험예 14)로 감소하면 파단 횟수는 850만회가 되었다. 이는, 나노 석출물의 평균 입경이 1 ㎚에서는, 나노 석출물의 알갱이 성장이 불충분하기 때문에, 나노 석출물에 의한 균열의 피닝 효과가 저하되기 때문으로 여겨진다. 따라서, 나노 석출물의 평균 입경은 5∼50 ㎚가 더욱 바람직한 것을 알 수 있다.

(실험예 15)

순도가 99.95 질량%인 알루미늄과 순도가 99 질량%인 스칸듐을 사용하여, 스칸듐이 0.3 질량% 함유되는 알루미늄 합금을 주조하여 도전 재료 블록을 제작하였다. 그리고, 350℃에서 1시간의 시효 처리를 행한 후에, 도전 재료 블록으로부터 직경이 10 ㎜의 와이어 로드를 절삭 가공에 의해 취출하고, 취출된 와이어 로드를 스웨이징기에 의해 직경 3 ㎜의 와이어로 성형했다. 이어서, 와이어를 450℃에서 1시간의 열처리를 행한 후, 다이스 신선 가공을 행하여 직경 80㎛의 신선재를 제작하였다. 신선재의 금속 조직을 관찰한 결과, 금속 조직을 구성하고 있는 결정립의 평균 결정립 직경은 2㎛이며, 1㎛ 이하의 결정립의 비율은 단면적율로 30%였다. 또한, 결정립의 입계에는 입경 20 ㎚의 Al₃Sc의 나노 석출물이 존재하였다. 얻어진 신선재의 도전율을 측정하고, 신선재로부터 단면적이 0.2 ㎜²의 케이블을 제작하여 비교예 1과 동일한 방법으로 케이블 굴곡 시험을 행하였다. 도전율의 값 및 케이블 굴곡 시험의 결과를 표 1에 나타내었다. 신선재의 도전율은 61%IACS이며, 케이블 굴곡 시험의 파단 횟수는 1300만회였다.

(실험예 16∼19, 비교예 5∼7)

순도가 99.95 질량%인 알루미늄, 순도가 99 질량%인 스칸듐, 및 순도가 99 질량%의 지르코늄을 사용하여, 스칸듐이 0.3 질량%, 지르코늄이 0.01∼1.0 질량% 함유되는 알루미늄 합금을 각각 주조하여 도전 재료 블록을 제작하였다. 이어서, 350℃에서 24시간의 시효 처리를 행한 후에, 도전 재료 블록으로부터, 직경이 10 ㎜인 와이어 로드를 절삭 가공에 의해 취출하고, 취출된 와이어 로드를 스웨이징기에 의해 직경 1.5 ㎜의 와이어로 성형했다. 이어서, 와이어를 450℃에서 1시간의 열처리를 행한 후, 다이스 신선 가공을 행하여 직경 80㎛의 신선재를 제작하였다. 신선재의 금속 조직을 관찰한 결과, 금속 조직을 구성하고 있는 결정립의 평균 결정립 직경은 2㎛이며, 1㎛ 이하의 결정립의 비율은 단면적율로 20%였다. 또한, 결정립의 입계에는 입경 20 ㎚의 Al₃Sc의 나노 석출물이 존재하고 있다. 얻어진 신선재의 도전율을 측정하고, 신선재로부터 단면적이 0.2 ㎜²인 케이블을 제작하여 비교예 1과 동일한 방법으로 케이블 굴곡 시험을 행하고, 실험예 3과 동일한 방법으로 선재의 내열성을 평가했다. 도전율의 값, 케이블 굴곡 시험 결과, 및 내열성의 평가 결과를 표 2에 나타내었다.

[표 2]

실험예 16∼19, 비교예 5∼7의 각 신선재의 도전율은, 지르코늄의 함유량의 증가함에 따라 저하되고, 지르코늄의 함유율이 0.3 질량% 이상인 비교예 5∼7에서는, 각각 55, 52, 44 %IACS로 크게 감소하였다. 실온에 있어서의 케이블 굴곡 시험에서는, 파단 횟수는 지르코늄의 함유량이 0.01 질량%로부터 1.0 질량%까지 증가함에 따라, 1300만회로부터 700만회까지 저하되었다. 여기서, 비교예 5∼7에서는, 케이블의 파단 횟수는 각각 950만회, 800만회, 및 700만회로 높은 값을 나타내지만, 지르코늄이 금속 조직의 입계 및 알갱이 내에 존재하므로, 도전율이 저하되어, 비교예 5∼7의 각 신선재로 이루어지는 도체 소선를 사용하여 전선 또는 케이블을 형성하는 것은 문제가 있다. 또한, 선재의 내열성을 평가하면, 대략 100%가 되었다. 한편, 지르코니아를 첨가하지 않는 실험예 3의 선재의 내열성은 98%이므로, 지르코니아를 첨가함으로써, 내열성 저하를 방지할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

(실험예 20)

순도가 99.9 질량%인 알루미늄, 순도가 99 질량%인 스칸듐, 및 순도가 99 질량%인 지르코늄을 사용하여, 스칸듐 및 지르코늄이 각각 0.3 및 0.1 질량% 함유되는 알루미늄 합금을 주조하여 도전 재료 블록을 제작하였다. 이어서, 350℃에서 24시간의 시효 처리를 행한 후에, 도전 재료 블록으로부터, 직경이 10 ㎜인 와이어 로드를 절삭 가공에 의해 취출하고, 취출된 와이어 로드를 스웨이징기에 의해 직경 1.5 ㎜의 와이어로 성형했다. 이어서, 와이어를 450℃에서 1시간의 열처리를 행한 후, 다이스 신선 가공을 행하여 직경 80㎛의 신선재를 제작하였다. 신선재의 금속 조직을 관찰한 결과, 금속 조직을 구성하고 있는 결정립의 평균 결정립 직경은 2㎛이며, 1㎛ 이하의 결정립의 비율은 단면적율로 20%였다. 또한, 결정립의 입계에는 입경 20 ㎚ Al₃Sc의 나노 석출물이 존재하였다. 얻어진 신선재의 도전율을 측정하고, 신선재로부터 단면적이 0.2 ㎜²의 케이블을 제작하여 비교예 1과 동일한 방법으로 케이블 굴곡 시험을 행하였다. 도전율의 값 및 케이블 굴곡 시험의 결과를 표 2에 나타내었다. 신선재의 도전율은 60%IACS이며, 케이블 굴곡 시험의 파단 횟수는 940만회였다.

(실험예 21)

순도가 99.95 질량%인 알루미늄과, 순도가 99 질량%인 스칸듐, 및 순도가 99 질량%인 지르코늄을 사용하여, 스칸듐 및 지르코늄이 각각 0.3 및 0.1 질량% 함유되는 알루미늄 합금을 주조하여 도전 재료 블록을 제작하였다. 이어서, 350℃에서 24시간의 시효 처리를 행한 후에, 도전 재료 블록으로부터, 직경이 10 ㎜의 와이어 로드를 절삭 가공에 의해 취출하고, 취출된 와이어 로드를 스웨이징기에 의해 직경 1.5 ㎜의 와이어로 성형했다. 이어서, 와이어를 450℃에서 0.5시간의 열처리를 행한 후, 다이스 신선 가공을 행하여 직경 80㎛의 신선재를 제작하였다. 신선재의 금속 조직을 관찰한 결과, 금속 조직을 구성하고 있는 결정립의 평균 결정립 직경은 2㎛이며, 1㎛ 이하의 결정립의 비율은 단면적율로 15%였다. 또한, 결정립의 입계에는 입경 20 ㎚의 Al₃Sc의 나노 석출물이 존재하였다. 얻어진 신선재의 도전율을 측정하고, 신선재로부터 단면적이 0.2 ㎜²인 케이블을 제작하여 비교예 1과 동일한 방법으로 케이블 굴곡 시험을 행하였다. 도전율의 값 및 케이블 굴곡 시험의 결과를 표 2에 나타내었다. 신선재의 도전율은 60%IACS이며, 케이블 굴곡 시험의 파단 횟수는 950만회였다.

(실험예 22, 23)

순도가 99.95 질량%인 알루미늄과, 순도가 99 질량%인 스칸듐, 및 순도가 99 질량%인 지르코늄을 사용하여, 스칸듐이 0.3 질량%, 지르코늄이 0.1 질량% 함유되는 알루미늄 합금을 주조하여 도전 재료 블록을 제작하였다. 이어서, 350℃에서 8분간, 120시간의 시효 처리를 각각 행한 후에, 도전 재료 블록으로부터, 직경이 10 ㎜의 와이어 로드를 절삭 가공에 의해 취출하고, 취출된 와이어 로드를 스웨이징기에 의해 직경 1.5 ㎜의 와이어로 성형했다. 이어서, 와이어를 450℃에서 1시간의 열처리를 각각 행한 후, 다이스 신선 가공을 행하여 직경 80㎛의 신선재를 제작하였다. 신선재의 금속 조직을 관찰한 결과, 금속 조직을 구성하고 있는 결정립의 평균 결정립 직경은 2㎛이며, 1㎛ 이하의 결정립의 비율은 단면적율로 20%였다. 또한, 350℃에서 8분간의 열처리를 행한 실험예 22에서는, 결정립의 입계에는 입경 3 ㎚의 Al₃Sc의 나노 석출물이 존재하고, 350℃에서 120시간의 열처리를 행한 실험예 23에서는, 결정립의 입계에는 입경이 60 ㎚의 Al₃Sc의 나노 석출물이 존재하였다.

(실험예 24)

순도가 99.95 질량%인 알루미늄, 순도가 99 질량%인 스칸듐, 및 순도가 99 질량%인 지르코늄을 사용하여, 스칸듐이 0.3 질량%, 지르코늄이 0.1 질량% 함유되는 알루미늄 합금을 주조하여 도전 재료 블록을 제작하였다. 이어서, 325℃에서 5시간의 시효 처리를 행한 후에, 도전 재료 블록으로부터, 직경이 10 ㎜인 와이어 로드를 절삭 가공에 의해 취출하고, 취출된 와이어 로드를 스웨이징기에 의해 직경 2.0 ㎜의 와이어로 성형했다. 이어서, 와이어를 325℃에서 1시간의 열처리를 각각 행한 후, 다이스 신선 가공을 행하여 직경 80㎛의 신선재를 제작하였다. 신선재의 금속 조직을 관찰한 결과, 금속 조직을 구성하고 있는 결정립의 평균 결정립 직경은 2㎛이며, 1㎛ 이하의 결정립의 비율은 단면적율로 20%였다. 또한, 결정립의 입계에는 입경 8 ㎚의 Al₃Sc의 나노 석출물이 존재하고 있다.

얻어진 신선재의 도전율을 측정하고, 신선재로부터 단면적이 0.2 ㎜²인 케이블을 제작하여 비교예 1과 동일한 방법으로 케이블 굴곡 시험을 행하고, 실험예 3으로 동일한 방법으로 선재의 내열성을 평가했다. 도전율의 값, 케이블 굴곡 시험 결과, 및 내열성의 평가 결과를 표 2에 나타내었다. 신선재의 도전율은 60%IACS이며, 케이블 굴곡 시험의 파단 횟수는 1100만회이며, 선재의 내열성은 대략 100%였다.

본 발명은 전술한 실시예로 한정되지 않으며, 본 발명의 요지를 변경시키지 않는 범위에서 그 구성을 변경할 수도 있다.

예를 들면, 알루미늄 합금을 주조하여 도전 재료 블록을 제작하고, 이어서, 이 도전 재료 블록에 시효 처리를 행하였으나, 제작한 도전 재료 블록의 용체화(溶體化) 처리(예를 들면, 550∼600 ℃)를 행한 후에 시효 처리를 행할 수도 있다.

또한, 도체 소선을 구성하는 도체 소선의 직경(신선재의 선 직경)을, 80∼120 ㎛로 하였으나, 전선 또는 케이블의 사용 개소, 사용 상태에 따라, 신선재의 선 직경은 0.05 ㎜ 이상 0.5 ㎜ 이하의 범위에서 임의로 선택할 수 있다.

[산업상 이용가능성]

본 발명의 알루미늄계 도전 재료 및 이것을 사용한 전선 및 케이블은, 적어도 300만회(보다 바람직하게는, 500만회, 더욱 바람직하게는 1000만회)의 동적 구동 시험(예를 들면, 반복 굽힘)에도 견디므로, 예를 들면, 산업용 로봇, 민생용 로봇, 또는 각종 장치의 배선에 있어서, 특히 구동 부분 등의 반복적으로 굽힘이 부하되는 배선에 사용할 수 있고, 전선이나 케이블의 사용시의 단선을 방지할 수 있고, 로봇이나 각종 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 로봇이나 각종 장치의 메인터넌스 부담을 경감할 수 있고, 운용 비용의 저감을 도모할 수 있다.

10: 금속 조직, 11: 결정립, 12: 입계, 13: 나노 석출물, 14: 금속 조직, 15: 결정립, 16: 입계, 17: 나노 석출물

Claims (14)

1. 0.2 질량% 초과, 1.0 질량% 이하의 스칸듐을 포함하고, 잔부(殘部)가 알루미늄과 불가피한 불순물로 이루어지는 알루미늄 합금으로부터 얻어지는 알루미늄계 도전 재료에 있어서,
   시효(時效) 처리된 상기 알루미늄 합금으로부터 형성되는 와이어를, 열처리를 행한 후, 냉각하면서 가공도 3~7.2의 다이스 신선(伸線) 가공을 행하고, 상기 알루미늄 결정립(結晶粒) 내 및 입계(粒界)에 존재하고 있는 상기 스칸듐을 금속간 화합물로서 입계에 석출(析出)시키고, 평균 입경(粒徑)이 2㎛ 이하이며, 또한 1㎛ 이하의 사이즈를 가지는 것이 단면적율(斷面積率)로 15% 이상 포함되는 결정립(結晶粒)과, 상기 결정립의 입계에 생성되고 피닝(pinning) 효과를 발휘하는 평균 입경이 1∼60 nm인 알루미늄-스칸듐계의 나노 석출물을 가지는 금속 조직으로 구성되고, 상기 단면적은 연장선 방향의 수직 단면의 면적이며, 300만회의 동적 구동 시험에 견디는, 알루미늄계 도전 재료.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스칸듐의 양은 0.3~1.0 질량%인, 알루미늄계 도전 재료.
3. 제1항에 있어서,
   상기 알루미늄 합금은, 0 초과 0.2 질량% 이하의 지르코늄을 추가로 포함하는, 알루미늄계 도전 재료.
4. 제1항에 있어서,
   상기 금속 조직에는, 1㎛ 이하의 상기 결정립이 단면적율로 20% 이상 포함되고, 1000만회의 동적 구동 시험에 견디는, 알루미늄계 도전 재료.
5. 제3항에 있어서,
   상기 금속 조직에는, 1㎛ 이하의 상기 결정립이 단면적율로 20% 이상 포함되고, 1000만회의 동적 구동 시험에 견디는, 알루미늄계 도전 재료.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 알루미늄계 도전 재료를 선경 (線徑)이 0.05mm 이상 0.5mm 이하인 도체 소선(素線)에 사용하는, 전선.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 알루미늄계 도전 재료를 도체 소선에 사용하는, 케이블.
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