TWI633192B - 熔融鋁鍍覆鋼線與絞線以及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種耐扭轉性優異之熔融鋁鍍覆鋼線，將其應用於會對素材線施加扭轉之一般性的絞線製造裝置時，不會發生受扭轉所引起之斷裂。

本發明之熔融鋁鍍覆鋼線於芯材具有直徑為0.05至0.50mm之鋼芯線，其中，以其長邊方向之平均直徑D_A(mm)及最小直徑D_MIN(mm)滿足下述式(1)之方式，使熔融鋁鍍覆附著量均勻。

(D_A-D_MIN)/D_A≦0.10…(1)

Description

熔融鋁鍍覆鋼線與絞線以及其製造方法

本發明係關於熔融鋁鍍覆鋼線，尤其是關於改善了對於伴隨「扭轉」之變形的抵抗力者。又，關於將該熔融鋁鍍覆鋼線用於素材線之絞線。

以往，以汽車之線束(wire harness)用導線為首之各種導線係使用銅線。然而，由於會與廢鐵一起回收再利用，故銅材之混入並不理想。因此，從再利用性之觀點來看，應用可與廢鐵一起融解且導電性較佳之鋁線者係較有利。

使用絞線用於線束之信號線等之情形很普遍。以使用鋁線之線束用絞線而言，例如將10根左右之直徑為0.25至0.30mm左右之鋁線捻合者已可實際使用。從用於使信號用電流流動之導電性的觀點來看，不需要如該等之大的截面積，但由於鋁線與銅線等相比其強度較差，因此若考慮僅由鋁線所構成之絞線強度，則該程度之粗細是有必要的。

作為提升使用鋁素材線之信號用絞線之強度之手段，以強度比鋁還要高之鋼線為中心素材線來使用，且於其周圍捻合鋁素材線之方法是有効的。藉由絞線之高強度化，能使截面積變小，而達到線束之小型化(downsizing)。作為如該中心素材線用之鋼線，鋁鍍覆鋼線為有利候補。若使用鋁鍍覆鋼線，則可避免例如使用裸露之鋼線或鋅鍍覆鋼線時受與成為問題之異類金屬之接觸而引起之腐蝕。又，比起使用不鏽鋼線之情形，可大幅降低材料成本。

為了大量生產鋁鍍覆鋼線，熔融鋁鍍覆法是有效的。以往，於芯線直徑1mm以下之鋼線穩定地形成熔融鋁鍍覆層者亦被認為並非一定是容易的。然而，近來，各式各樣之附著量之熔融鋁鍍覆鋼線能於連續產線(line)上製造(專利文獻1至3)。

[先行技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2009-179865號公報

[專利文獻2]日本特開2009-187912號公報

[專利文獻3]日本特開2011-208263號公報

藉由專利文獻3等揭露之技術，能製造應用於信號用素材線之較小附著量之熔融鋁鍍覆鋼線。然而， 若將以往之熔融鋁鍍覆鋼線直接用於絞線之中心素材線，則容易發生絞線於製造過程中斷裂之現象，而成新的問題。該原因很明顯地為以往之熔融鋁鍍覆鋼線有不適於「扭轉加工」之缺點。

第1圖係概念性表示一般之絞線製造方法。此圖中，舉例了於中心素材線21之周圍捻合6根外圍素材線22之情形。中心素材線21及外圍素材線22分別從供應線軸(bobbin)23及24供應，將7根一體一邊扭轉一邊捲繞而成絞線30。此時，捲繞側每旋轉1圈對各素材線施以1圈之扭轉。此方式係能藉由僅使線旋轉而製作絞線，因此生產性較高，被廣為使用。然而，於中心素材線21使用熔融鋁鍍覆鋼線，而於外圍素材線22使用鋁素材線時，中心之熔融鋁鍍覆鋼線容易發生藉由扭轉而斷裂之故障。此勢阻礙將熔融鋁鍍覆鋼線用於絞線之實用化。

另一方面，亦已開發有各式各樣以不對各素材線施以扭轉之方式來製造絞線之技術，且已被實用化。第2圖概略地表示其一個例子，該例子係被稱為行星方式(planetary method)之絞線製造方法。於該方法中，將外圍素材線22之供應線軸24配置於旋轉盤25，由於藉由該旋轉盤25之旋轉而於中心素材線21周圍捻合各外圍素材線22，因此不會將扭轉施加於中心素材線21。又，各外圍素材線22之供應線軸24亦於旋轉盤25上具有自轉之機構，而能同時避免外圍素材線22之扭轉。然而，如該等裝置之機構複雜，且零件數量多，因此昂貴，運轉費用亦變 高。又，由於旋轉部分之質量較大等因素，使得旋轉速度難以變快，使得生產性較差。避開素材線之扭轉之其他方法亦於應用於線束用信號線之大量生產時，有不少關於成本或生產性之問題。

本發明之目的為提供一種耐扭轉性優異之熔融鋁鍍覆鋼線，將該熔融鋁鍍覆鋼線應用於會對素材線施以扭轉之一般性的絞線製造裝置時，不造成受上述之扭轉引起斷裂之問題。

上述目的可藉由下述熔融鋁鍍覆鋼線來達成：該熔融鋁鍍覆鋼線，其於芯材具有直徑為0.05至0.50mm之鋼芯線，其中，以其長邊方向之平均直徑D_A(mm)及最小直徑D_MIN(mm)滿足下述式(1)之方式，使熔融鋁鍍覆附著量均勻。

(D_A-D_MIN)/D_A≦0.10…(1)

上述平均直徑D_A(mm)及最小直徑D_MIN(mm)可於1根鋁鍍覆鋼線上，藉由測量連續供應至絞線加工之部分之長度L的線直徑來求得。於此，令線材之長邊方向互相垂直且直交之2個方向為x方向及y方向時，將長邊方向之某一位置的x方向之直經D_X(mm)與y方向之直經D_Y(mm)的平均值(D_X+D_Y)/2定為該長邊方向位置之線直徑。直經D_X及D_Y係能藉由例如將雷射光線照射時，測量從一個方向觀察線材時之投影直徑的手法來求得。平均直徑D_A及最小直徑D_MIN係某一長度L之範圍的線直徑D之 平均值及最小值者。求平均直徑D_A及最小直徑D_MIN時，將與長邊方向相鄰之測量點之間隔(線直徑D之測量間距)設為0.2mm以下。

上述熔融鋁鍍覆附著量為均勻之熔融鋁鍍覆鋼線，特別是以熔融鋁鍍覆後未進行拉線(wire drawing)加工者為合適之對象。

用於熔融鋁鍍覆之素材鋼線除了裸露之鋼線之外，能使用鋅鍍覆鋼線、鎳鍍覆鋼線等鍍覆鋼線。本說明書中，將對用於熔融鋁鍍覆之素材鋼線之表面預先實施之鍍覆稱作「預先鍍覆」。前述「鋼芯線」係意味著佔據熔融鋁鍍覆鋼線之剖面之鋼的部分。於熔融鋁鍍覆後未進行拉線加工者中，構成用於熔融鋁鍍覆之素材鋼線的鋼的部分之直徑係與前述鋼芯線之直徑相等。預先鍍覆層厚度不包含於鋼芯線之直徑。

又，本發明提供一種絞線，該絞線係將上述熔融鋁鍍覆鋼線用於素材線，並在對該熔融鋁鍍覆鋼線施以扭轉之狀態下，與其他之素材線一起捻合而成者。又，本發明提供一種絞線之製造方法，該方法係於對該熔融鋁鍍覆鋼線施以扭轉之手法中，與其他素材線一起捲繞。

本發明之熔融鋁鍍覆鋼線顯著地改善對扭轉之抵抗力。因此作為絞線之素材線，於施以扭轉之泛用手法中，用於絞線加工時，能夠解決以往斷裂故障之問題。特別是能於熔融鋁鍍覆後不進行拉線加工，而用於施以扭 轉之絞線加工，因此若將其作為絞線之中心素材線使用，則可謀求以較低成本來提升絞線之強度。因此，本發明特別是對同時兼顧線束用絞線之高強度化與低成本化致為有用者。

1‧‧‧熔融鋁鍍覆浴

2‧‧‧大氣環境

3‧‧‧鋼線

4‧‧‧遮蔽體

5‧‧‧鍍覆浴升起部

6‧‧‧遮蔽體內部之浴面部分

7‧‧‧開口部

8‧‧‧氣相空間

10‧‧‧浴面

21‧‧‧中心素材線

22‧‧‧外圍素材線

23、24‧‧‧供應線軸

25‧‧‧旋轉盤

30‧‧‧絞線

31‧‧‧接觸構件

41a、41b‧‧‧夾盤

42‧‧‧線材試料

43‧‧‧錘

50‧‧‧鍍覆浴槽

51‧‧‧送出裝置

52‧‧‧捲繞裝置

53‧‧‧冷卻裝置

56‧‧‧惰性氣體供應管

57‧‧‧惰性氣體供應裝置

58‧‧‧轉軸

61‧‧‧惰性氣體吹出噴嘴

62‧‧‧含氧氣體吹出口

63‧‧‧含氧氣體供應管

64‧‧‧含氧氣體供應裝置

第1圖係概念性表示對各素材線施以扭轉之一般性的絞線製造方法之圖。

第2圖係概念性表示不對各素材線施以扭轉之行星方式之絞線製造方法之圖。

第3圖係示意性表示扭轉測試裝置之構成之圖。

第4圖係表示針對熔融鋁鍍覆鋼線(D_A-D_MIN)/D_A與斷裂扭轉次數之關係之曲線圖。

第5圖係示意性表示熔融鋁鍍覆鋼線製造設備之構成的一例之圖。

第6圖係示意性表示與包含鍍覆浴升起部之鉛直方向平行之剖面之圖。

第7圖係示意性表示設置接觸構件時，與包含鍍覆浴升起部之鉛直方向平行之剖面之圖。

作為擔負補強線束用之絞線之作用的熔融鋁鍍覆鋼線，鋼芯線之直徑在0.05至0.50mm之範圍者致為有用。若鋼芯線過細，則提升絞線之強度的効果就較小，若過粗，則不僅易造成強度太強，絞線整體之直徑變粗， 而與線束之細線化及輕量化之需求背道而行。

根據發明人們之探討得知：鋼芯線之直徑為如上述之較細之熔融鋁鍍覆鋼線於製造時，在長邊方向之線直經容易變得不均勻，其係使保持熔融鋁鍍覆之狀態下對「扭轉加工」之耐久性(以下有時稱作「耐扭轉性」)下降之主要原因。然而，即使僅將長邊方向之最大直徑與最小直徑的差作為參數而對扭轉特性進行評價，亦難以找出穩定得到良好之耐扭轉性之條件。於是，於更進一步探討後，得知：關於熔融鋁鍍覆鋼線之耐扭轉性，長邊方向之線直徑變化中，線直徑變粗之部分並不會造成不良影響。因此，必須設定排除線直徑變粗之影響的參數。經詳細地研究後，證實了藉由熔融鋁鍍覆鋼線之長邊方向之平均直徑D_A(mm)與最小直徑D_MIN(mm)之函數，即下式，(D_A-D_MIN)/D_A，能夠良好地對熔融鋁鍍覆鋼線之耐扭轉性進行評價。

線材之扭轉測試方法例如於JIS G3521有針對硬鋼線之規格。但是，其係以線直徑0.70mm以上者為對象，而找不到評價較其細之線材之耐扭轉性的一般之規格。於是發明人們參考上述JIS規格，使用示意性地表示於第3圖之扭轉測試裝置，對各式各樣之熔融鋁鍍覆鋼線(於鋁鍍覆後沒有進行拉線加工者)進行耐扭轉性之調查。即，將線材試料42以夾盤41a，41b來抓住，給予50g之重量使線材試料呈不彎曲之狀態，測量將一方之夾盤41b旋轉直到線材斷裂為止之最多旋轉數(整數值)，將其作為 該線材之斷裂扭轉次數。例如，於旋轉11圈結束為止不斷裂，但於旋轉第12圈結束前斷裂時之斷裂扭轉次數為11圈。使夾盤間距離為100mm。目前用於汽車用之線束的絞線其每100mm之扭轉次數幾乎皆為5至20圈左右。因此，於此處採用之扭轉測試方法中，斷裂扭轉次數為50圈以上之具有耐扭轉性的熔融鋁鍍覆鋼線可評價為：於以對素材線施以扭轉之泛用之絞線製造裝置來製造線束用絞線時，具有能避免斷裂之實用性能。關於以往之熔融鋁鍍覆鋼線之斷裂扭轉次數，鋁鍍覆後未進行拉線加工者大多為從幾圈至15圈左右者。

第4圖中，表示針對熔融鋁鍍覆鋼線(鋁鍍覆後未進行拉線加工者)進行(D_A-D_MIN)/D_A與藉由上述扭轉測試之斷裂扭轉次數的關係。此曲線圖係表示後述表1所示之各例子之數據者。於此，平均直徑D_A係以相同製造條件製造之熔融鋁鍍覆鋼線之全長(約8000m)皆採用依據以0.1mm間距測量之x方向及y方向之線直徑數據之值。惟，最小直徑D_MIN係採用依據與實際用於扭轉測試之試料之夾盤間距離100mm一樣之方法來測量之線直徑數據之值。

從第4圖可知，(D_A-D_MIN)/D_A與斷裂扭轉次數之間有相關關係。為了確保斷裂扭轉次數為50圈以上之耐扭轉性，線直徑變化只要滿足下式(1)即可。

(D_A-D_MIN)/D_A≦0.10…(1)

如上所述，於此，最小直徑D_MIN係採用夾盤間距離100mm之值，但於絞線製造時最容易斷裂之部位為長邊方 向全長中直徑最細之位置。因此，依據長邊方向全長之線直徑測量數據之D_A及D_MIN滿足式(1)時，可斷定該熔融鋁鍍覆鋼線之全長皆具有避免絞線製造時之扭轉斷裂之性能。

滿足上述式(1)之熔融鋁鍍覆鋼線係能於熔融鋁鍍覆時藉由應用使鋁鍍覆附著量均勻之手段，於其後不進行拉線加工，而能以熔融鋁鍍覆步驟直接製造。例如，已確認可藉由以下手法來製造。

首先，熔融鋁鍍覆鋼線能以下述方法製造：將由直徑為0.05至0.50mm之鋼芯線所構成之素材鋼線，或，由在前述鋼芯線之表面具有平均厚度為5μm以下之鋅鍍覆層或鎳鍍覆層之鍍覆鋼線所構成之素材鋼線予以浸漬於熔融鋁鍍覆浴後，於氣相空間中連續地拉起之方法。

第5圖係示意性地表示能用於實施前述製造方法之熔融鋁鍍覆鋼線製造設備的構成之一例。鍍覆浴槽50中收容有熔融鋁鍍覆浴1。從送出裝置51送出之鋼線3沿著箭頭方向連續地搬運，於通過熔融鋁鍍覆浴1中後，從浴面10朝鉛直上方拉起，並通過藉由遮蔽體4與大氣環境2隔絕之氣相空間8中。遮蔽體4之上部有鋼線3通過之開口部7。拉起過程中，鋼線表面之鍍覆金属凝固而成熔融鋁鍍覆鋼線，藉由捲繞裝置52來捲繞。

第6圖係示意性地表示鋼線3通過熔融鋁鍍覆浴1後，從浴面10朝鉛直上方拉起之浴面位置之狀況。 鍍覆浴1伴隨鋼線3而升高，於鋼線3之周圍形成彎月面(meniscus)70，並且於離開彎月面70之處的浴面10之高度幾乎保持水平。將此高度稱作「平均浴面高度」。又，將鋼線3拉起之浴面位置稱作「鍍覆浴升起部」(符號5)。

於遮蔽體4內部之氣相空間8中，配置有噴嘴61，用以將惰性氣體吹至鋼線3拉起之浴面位置(鍍覆浴升起部5)。該惰性氣體係從惰性氣體供應裝置57通過管路56而被供應至噴嘴61。管路56之途中或惰性氣體供應裝置57內部設置有氣體流量調整機構(未圖示)，能調整從噴嘴61吹出之惰性氣體之流量。又，前述噴嘴61係以來自前述噴嘴61之惰性氣體氣流不觸碰被拉起之鋼線的平均浴面高度20mm以上之部分的方式，調整惰性氣體吹出方向。即，從噴嘴61吹出之惰性氣體係直接觸碰包含鍍覆浴升起部5之鍍覆浴面6之一部分及從鍍覆浴升起部5拉起之鋼線3之平均浴面高度未達20mm之區域之一部分，保持該等部分之氧濃度於較低之狀態。惰性氣體供應系統係藉由噴嘴61，管路56，惰性氣體供應裝置57及氣體流量調整機構(未圖示)而構成。惰性氣體可舉出氮氣，氬氣，氦氣等。再者，遮蔽體4內部之氣相空間8設置有具有吹出口62之管路63，以導入含氧氣體，視需要來調整遮蔽體4內部之氧濃度。

通過遮蔽體4內之氣相空間8而拉起之鋼線3於拉起過程中冷卻，使鍍覆層凝固。拉起過程中可視需要設置冷卻裝置53，藉由氣體或液體噴物之吹拂等來強制 冷卻。又，可於送出裝置51與鍍覆浴1之間插入熱處理裝置。熱處理環境空間可採用例如還原性氣體環境空間(H₂-N₂混合氣體等)。有時亦於從熱處理裝置至浸漬於鍍覆浴1之區間中設置用以與大氣遮蔽之吻部(snout)。再者，於前一步驟中進行預先鍍覆或拉線等時，可將該等前一步驟之裝置與該鍍覆裝置配置成一直線而構成連續產線(line)。

為了以滿足上述式(1)之方式使熔融鋁鍍覆附著量均勻，使用第5圖之裝置時，例如可改用於鍍覆浴升起部再設置接觸構件，以使拉起之鋼線3與該接觸構件接觸之手法，此為有效。

第7圖係示意性地表示該手法。以與從鍍覆浴升起部5鉛直地被拉起之鋼線3接觸之方式，設置接觸構件31。與接觸構件31之鋼線3接觸的接觸部例如可藉由耐熱布(cloth)等來構成。藉由一邊保持鋼線3與接觸構件31之接觸狀態一邊拉起，可製造抑制鋼線3之輕微震動且滿足式(1)之條件之線直徑變化較少之熔融鋁鍍覆鋼線。

如前所述，用於熔融鋁鍍覆之素材鋼線可使用鋅鍍覆鋼線或鎳鍍覆鋼線等，施行有預先鍍覆者。使用未施行有預先鍍覆之裸露之鋼線於熔融鋁鍍覆時，於還原熱處理後，以不觸碰大氣之方式使其通過吻部內而使其連續地進入熔融鋁鍍覆浴中即可。鋼芯線除了從以往作為鋅鍍覆鋼線或鎳鍍覆鋼線使用之鋼種以外，亦可視需要應用不鏽鋼。不鏽鋼係鉻含有量10質量%以上之合金鋼。可 舉例如，JIS G4309：2013所規定之沃斯田鐵(austenite)系，肥粒體(ferrite)系，麻田散鐵(martensite)系等之不鏽鋼種。可具體舉出：以SUS301,SUS304等之通常被認為沃斯田鐵金相係穩定性之不鏽鋼，SUS305,SUS310,SUS316等之安定之沃斯田鐵系不鏽鋼，SUS405,SUS410,SUS429,SUS430,SUS434,SUS436,SUS444,SUS447等之鐵氧體系不鏽鋼，SUS403,SUS410,SUS416,SUS420,SUS431,SUS440等之麻田散鐵系不鏽鋼等為首，被分類於SUS200系列之鉻-鎳-錳系之不鏽鋼等，但並不限定於此等。應用不鏽鋼於芯線時，以實施鎳鍍覆作為預先鍍覆者為理想。

熔融鋁鍍覆浴可為矽含量在0至12質量%。即，除了可應用無添加矽之純鋁鍍覆浴之外，亦可應用含有矽含量在12質量%以下之範圍之鋁鍍覆浴。藉由添加矽，可抑制生成於鋼芯線與鋁鍍覆層之間的脆弱之鐵-鋁系合金層的成長。又，藉由添加矽，熔點會降低，因此容易製造。惟，若矽含量增加，則鋁鍍覆層本身的加工性會降低。又會導致導電性降低。因此，使鋁鍍覆浴1含有矽時，以12質量%以下之範圍者為理想。再者，不可避免地，浴中有時會有例如鐵、鉻、鎳、鋅、銅等不純物元素混入。

鋁鍍覆附著量係以長邊方向之熔融鋁鍍覆層之平均厚度為5至50μm者為理想。若鋁鍍覆附著量過少，則於絞線加工或其後之型鍛(swage)加工等中，會有鋼的基體材料露出之虞，且成為耐腐蝕性惡化之主要原因。 另一方面，若鋁鍍覆附著量過剩，則鋼芯線之剖面比例相對地減少，使每單位線直徑之強度降低。

[實施例]

使用第5圖所示構成之熔融鋁鍍覆鋼線製造裝置，製造熔融鋁鍍覆鋼線。將從浴面拉起鋼線之氣相空間以遮蔽體隔絕，使該氣相空間之氧濃度為0.1體積%以下。實施了：於鍍覆浴升起部設置接觸構件(參照第7圖)，一邊使鋼線接觸該接觸構件一邊拉起之製造例，以及不使用接觸構件而直接從浴面將該鋼線拉起之製造例。使用於不鏽鋼製之方桿之表面捲有耐熱布者作為上述接觸構件。接觸構件之方桿係被固定於浴槽。鋁鍍覆浴係純鋁浴或添加矽之鋁-矽浴。

使用以JIS G3560之硬鋼線材做為芯材之鋅鍍覆鋼線，鎳鍍覆鋼線，或裸露之鋼線作為用於熔融鋁鍍覆之素材鋼線。其中，鋅鍍覆鋼線係對直徑1.0mm之熔融鋅鍍覆硬鋼線藉由回火(drawing)來進行拉線加工，使其成為預定之直徑。鎳鍍覆鋼線及裸露之鋼線亦藉由拉線加工來調整至預定之直徑。素材鋼線之鋅鍍覆或鎳鍍覆(預先鍍覆)之厚度係可藉由(素材鋼線之外徑D₁-鋼芯線之直徑D₀)/2而得知。

使用第3圖所示之扭轉測試裝置，針對得到之熔融鋁鍍覆鋼線藉由上述方法(夾盤間距離100mm，重量50g)來求得斷裂扭轉次數。將結果表示於第1表。又，(D_A-D_MIN)/D_A與斷裂扭轉次數之關係係如前述第4圖所示 者。

再者，關於得到之熔融鋁鍍覆鋼線之直徑，如前所述，平均直徑D_A係採用依據各熔融鋁鍍覆鋼線之全長約100至8000m之測量數據之值，最小直徑D_MIN係採用依據實際用於扭轉測試之線材之夾盤間距離100mm之測量數據之值。

從表1可知，不使用接觸構件而直接從浴面將該鋼線拉起時，無法實現如滿足前述式(1)之熔融鍍覆附著量之均勻。因此，耐扭轉性較差。

相較於此，使用接觸構件之本發明例係以滿足前述式(1)之方式使熔融鋁鍍覆附著量均勻。評價結果為：該等之斷裂扭轉次數超過50圈，保持在熔融鋁鍍覆之狀態下，具有能耐的住施以扭轉之絞線加工的耐扭轉性。

Claims (4)

1. 一種熔融鋁鍍覆鋼線，其於芯材具有直徑為0.05至0.50mm之鋼芯線，其中，其長邊方向之平均直徑D_A(mm)及最小直徑D_MIN(mm)滿足下述式(1)(D_A-D_MIN)/D_A≦0.10…(1)。
2. 如申請專利範圍第1項所述之熔融鋁鍍覆鋼線，其中，該熔融鋁鍍覆鋼線係於熔融鋁鍍覆後未進行拉線加工者。
3. 一種絞線，係使用如申請專利範圍第1項或第2項所述之熔融鋁鍍覆鋼線為素材線，在對該熔融鋁鍍覆鋼線施加扭轉之狀態下，與其他素材線一起捻合。
4. 一種絞線之製造方法，係使用如申請專利範圍第1項或第2項所述之熔融鋁鍍覆鋼線為素材線，以對該熔融鋁鍍覆鋼線施加扭轉之手法，與其他素材線一起予以捲繞。