JP2000212664A - Al合金製自動車用導電体 - Google Patents
Al合金製自動車用導電体Info
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Abstract
の発熱により変形しにくく、導電率を低下させないAl
合金製自動車用導電体を提供すること。 【解決手段】 Si0.30〜0.8wt%(以下単に
%と記す)、Mg0.35〜1.0%、Fe0.1〜
0.6%、Cu0.12〜0.5%を含有し、残部がA
lと不可避的不純物からなるAl合金であり、且つその
調質がT6材もしくはT8材又はT5材であることを特
徴とするAl合金製自動車用導電体である。
Description
群、電気機器(インバータ、モータ等)間を電気的に接
続したり、各電池間の接続、インバータ内の回路等の大
電流を通電するために用いられるAl合金製自動車用導
電体に関するものである。なお、本明細書においては、
Al合金組成はすべてwt%を意味するが、これを単に
%と記した。
モータ等の各種の電気機器が使用されている。従来この
電池群と電気機器間、各電池間、インバータ内の回路等
を電気的に接続する導電母材(平角状や板状等の導体で
以下導電体という)としては、純銅材が多用され、主と
してボルト締めで接続されている。
動車の軽量化が求められており、前記の従来の銅製の導
電体を、軽量であるAl又はAl合金製としたいという
要望が強い。一方、地上の配電設備等の導電用Al及び
Al合金材としては、従来、1060(Al分99.60%以上
の純Al )、6101(Al-0.5%Si-0.5%Mg 合金) 、60
63(Al-0.4%Si-0.7%Mg 合金) 、6061(Al-0.6%Si-
1.0%Mg-0.3%Cu-0.2%Cr 合金)が知られている(JIS H 41
80) 。これらの合金組成及び導電率を表1に示す。
製に置き換える場合、銅の比重が8.89であり、アル
ミニウムの比重が2.70であること、又純銅の導電率
を100%IACSとした場合の純アルミニウム1060の
導電率が61%IACS以上であることから、銅と同一電気
抵抗の導体とした場合の断面積は銅の160%となって
増加するが重量は50%となり大幅に減少する。また、
銅と同一電流容量の導体とした場合の断面積は125%
となって増加するが重量は40%にすぎない。これらの
ことから、銅製と同等な電気的条件の導体としてアルミ
ニウムを使用すれば、銅の場合の1/2又はそれ以下の
重量で足りることになる。
銅(純Cu)の室温における代表的機械的性質を示す。
1060は、アルミニウム導体の中で導電率が最も高い
が常温における機械的強度は低い。合金系(Al−Mg
−Si系)の導体である6101−T6の常温における
機械的強度は、銅−1/2・Hと同等であり、導電率も
55%IACS以上でAl合金の中で最も高い。従って、銅
に代わるアルミニウム導体としては、強度と導電率に優
れた6101合金相当材が最も適していると考えられ
る。
前記のAl及びAl合金製導電体は、表面処理なしで裸
で使用される場合が大部分である。しかしながら、腐食
環境の厳しい箇所及び長期に渡って耐食性が要求される
電気機器内で使用される導電体は、Cu+Agメッキ、Sn-Z
n 合金半田( 摩擦半田) メッキ等の表面処理を施して使
用される場合もある。また、これらのAl及びAl合金
製導電体の接続は、接続部表面の酸化膜をワイヤブラシ
で除去した後(メッキを施してある場合は、単に布で汚
れを拭き取った後)、接続コンパウンドを塗布して、ボ
ルト・ナットで接続するのが一般的である。
前記の銅製導体に代えて純Al又はAl合金を用いる場
合、純Alは導電率が61%IACS以上と高いが機械的強
度が低く、又6063、6061合金は機械的強度が比
較的高いが導電率が55%IACS未満で低い。従って、自
動車用Al合金製導電体としては、前述のごとく610
1合金相当材が、強度及び導電率(55%IACS以上)の
点で妥当と考えられるが、自動車用という用途に応じた
いくつかの点についての検討が必要となる。
に適用する場合、通電時での温度の上昇(例えば100
℃前後)とその温度の低下という熱サイクルを伴うこ
と、また長期に渡って使用されることから、ボルト締
めつけ部の材料が変形しにくいこと、即ち耐クリープ性
が従来の銅材と同等以上で優れていること、接続部や
接続部以外の部分で耐食性が良好であること、接続部
の電気特性(接触抵抗)が良好であること等の要件を満
たす必要がある。従って導電用のAl合金材料として
は、高温下での耐クリープ性が従来の銅材と同等以上で
あり、導電率が出来るだけ高いこと(55%IACS以上) が望
ましい。また、使用環境によって、導電体に特に耐食性
等が要求される場合はAl合金材上に好ましい表面処理
を行うことによって解決する必要がある。本発明の課題
は、ボルトの締めつけによる応力荷重下において、通電
時の発熱により変形しにくい即ち耐クリープ性が良好
で、導電率を低下させないAl合金製自動車用導電体を
提供することであり、また特に耐食性等が要求される場
合のAl合金製導電体の好ましい表面処理方法を見出す
ことである。
めの請求項1の発明は、Si0.3〜0.8%、Mg
0.35〜1.0%、Fe0.1〜0.6%、Cu0.
12〜0.5%を含有し、残部がAlと不可避的不純物
からなるAl合金であり、且つその調質がT6材もしく
はT8材又はT5材であることを特徴とするAl合金製
自動車用導電体である。
0.8%、Mg0.35〜1.0%、Fe0.1〜0.
6%、Cu0.12〜0.5%を含有し、さらにMn
0.1〜0.3%、Zr0.1〜0.3%の1種又は2
種を含有し、残部がAlと不可避的不純物からなるAl
合金であり、且つその調質がT6材もしくはT8材又は
T5材であることを特徴とするAl合金製自動車用導電
体である。
又は請求項2に記載のAl合金材の表面に、第1層とし
て厚さ3〜10μmのNiメッキ被膜を有し、その上に
第2層として厚さ2〜10μmのSnメッキ被膜を有す
ることを特徴とするAl合金製自動車用導電体である。
の構成、作用効果及び具体的な実施の形態等について、
詳細に説明する。 (1)請求項1の発明は、前記のごとく所定の合金組成
からなるAl合金であって、所定の調質材とすることを
特徴とするAl合金製自動車用導電体である。このよう
にすることによって、所定の成形性(曲げ加工性等)と
導電率(55%IACS以上)を維持しながら、耐クリ
ープ性(高温強度)を従来の純Cu材や6101合金材
以上とすることができる。請求項1の発明を前記のごと
く限定した理由は、次のとおりである。Al合金中の元
素Si、Mgは、材料強度を高め、導電用材料として用
いたときの変形などを防止する作用を果たす。Si、M
gによる材料強度を高める作用の一つは、主にアルミニ
ウムマトリックスに固溶することによる固溶硬化であ
る。それぞれの成分範囲の下限未満で添加された場合に
は、固溶量が少ないために十分な効果が得られず、成分
範囲の上限を越えて添加した場合には導電率が低下し導
電材としての性能が低下する。また、SiとMgは、M
g2 Si粒子として微細に析出して、析出硬化の作用が
ある。SiとMgのそれぞれが規定値未満ではMg2 S
i粒子の析出が少なく十分な強度が得られない。また、
多く添加しすぎた場合には、Mg2 Si粒子が大きくな
り、成形性を低下させる。
Mgのほかに、さらに所定量のFe、Cuを含有したも
のである。Feは、Alと金属間化合物を形成し、分散
強化により材料の強度を向上させる。添加量が少ない場
合はその効果が得られず、多い場合には成形性が低下す
る。また、微細に析出したこれら金属間化合物が亜結晶
粒組織や再結晶粒組織を安定化させ、通電時の発熱によ
る組織内の歪みの回復を阻害することにより耐クリープ
性を向上させる。Cuは、アルミニウムマトリックスに
固溶することによって材料を強化するものであるが、通
電時の材料の耐クリープ性を向上させる。成分範囲の下
限未満では、その効果が充分に発揮されず、上限を越え
ると成形性が低下する。
材、押出材)は、調質がT6材もしくはT8材又はT5
材である。このようにするのは、所定の強度を得るため
である。調質をT6材もしくはT8材又はT5材とする
ことによって、所定の強度や、所定の耐クリープ性(高
温強度)を得ることができる。この調質は、後に好まし
い製造方法として詳しく述べるが、T6、T8は、圧延
材及び押出材のいずれにも適用され、T5は押出材のみ
に適用される。調質T6は、材料の終わりの製造工程に
おいて、溶体化処理(焼き入れ)後続いて時効硬化処理
を施すものであり、調質T8は溶体化処理後冷間加工続
いて時効硬化処理を施すものである。また、調質T5
は、特別の溶体化処理(焼き入れ)工程を省いて、所定
の断面寸法に熱間押出後冷却(焼き入れ)、続いて時効
硬化処理を施すものである。
金組成からなるAl合金であって、所定の調質材とした
ことを特徴とするAl合金製自動車用導電体であり、請
求項1のAl合金に、さらにMn0.1〜0.3%、Z
r0.1〜0.3%の1種又は2種を含有させることに
よって、耐クリープ性を更に向上させたものである。請
求項2の発明に係わるAl合金材を前記のごとく限定し
た理由は、次のとおりである。合金元素のSi、Mg、
Fe、Cuは、前記の請求項1と同様である。
間化合物を形成し、分散強化により材料を強化する。添
加量がその範囲の下限未満では十分な強化が得られず、
また上限を越えると粗大析出物を形成し、材料の成形性
を低下させる。また、微細に析出したこれら金属間化合
物が亜結晶粒組織や再結晶粒組織を安定化させ、通電時
の発熱による組織内の歪みの回復を阻害することにより
耐クリープ性を向上させる。次に、本発明に係わるAl
合金材(圧延材、押出材)は、請求項1と同様に調質が
T6材もしくはT8材又はT5材であるが、この内容に
ついては、前記の請求項1の発明で述べたことと同様で
ある。
(Al-Si-Mg-Fe-Cu合金材) の各調質毎の室温における機
械的性質の代表値を示すと、以下の通りである。なお、
この値は、一例であって、実際には幅を有するものであ
り、以下の値に限定されるものではない。 引張強さ(kgf /mm2) 耐力(kgf/mm2) 伸び(%) T6材 26 24 13 T8材 28 26 11 T5材 18 16 14 また、請求項2に係わるAl合金材(Al-Si-Mg-Fe-Cu-M
n,Zr合金材) の各調質毎の室温における機械的性質は、
上記よりわずかに高い値である。即ち、引張強さ及び耐
力がいずれも上記より1kgf /mm2 程度高く、伸びは上
記と同等である。
導電体は、後に詳しく述べる製造例から明らかなごと
く、所定の寸法の圧延材もしくは押出材として製造され
る。これらの素材は、所定の寸法に切断され、必要に応
じて、曲げ成形、穴開等の加工を行い、無処理の状態の
棒状もしく板状の導電体として使用される。なお、これ
らの無処理の状態のAl合金製導電体の接続は、接続部
表面の酸化膜をワイヤブラシで除去した後、接続コンパ
ウンドを塗布して、ボルト・ナットで接続するのが好ま
しい。
又は請求項2に記載のAl合金材の表面に、第1層とし
て厚さ3〜10μmのNiメッキ被膜を有し、その上に
第2層として厚さ2〜10μmのSnメッキ被膜を有す
ることを特徴とするAl合金製自動車用導電体である。
Al合金材の表面にこのような2層からなるメッキを施
すことにより、優れた耐食性と電気特性(接続部の電気
の接触抵抗)を有する導電体とすることができる。本発
明の導電体は、電気機器内で長期に渡って使用される場
合や、腐食環境の悪い場所に使用する場合に適用され
る。
導電体全体の耐食性を向上させるためであり、またSn
メッキは、特に接続部の電気特性を確保するためであ
る。本発明においては、Niメッキの厚さは、3〜10
μmとする。3μm未満のような薄い場合には充分な耐
食性を維持することができなく、また10μmを越える
ような厚い場合には、Niメッキが割れやすくなると共
にメッキコストが高くなるからである。Snメッキの厚
さは、2〜10μmとする。2μm未満の薄い場合には
電気的接触を充分確保できなく、10μmを越えるよう
な厚い場合には特性に影響しなく、必要以上の厚さはコ
スト高となるからである。なお、メッキ被膜厚さのより
好ましい範囲は、上記の特性とコストの点から、Niメ
ッキの厚さは3〜7μmであり、Snメッキの厚さは2
〜8μmである。
は、前述のごとく主として電気自動車の電池群、インバ
ータ、モータ等の各種の電気機器間の電気的な接続、各
電池間、インバータ内の回路等の電気的な接続のための
導体として使用される。従って、使用される導電体の形
状は、平角材(例えば断面が2mm×20mm等)若し
くは板材(例えば厚さ2mm×200mm×200mm
等)であり、これらは、使用に適した形状に切断、打抜
き加工、曲げ加工、穴開け加工等を行い、更に必要な場
合は、前記のメッキを施し、電気機器等の接続のための
導電体となる。
しくは板材は、AL合金の圧延加工または押出加工によ
って製造することができる。以下に、この好ましい製造
方法について詳細に説明する。まず、前記のAl合金材
を圧延加工によって製造する場合は、前記の合金組成か
らなるAl合金鋳塊を半連続鋳造法等の常法により製造
し、これを500〜540℃の温度で保持した後熱間圧
延を行い、その後所定の板厚まで冷間圧延を行うが、そ
の際に、前記の冷間圧延前または冷間圧延の途中若しく
は冷間圧延後において、500℃以上の温度に保持した
後冷却(200℃までは1℃/sec以上の冷却速度で
冷却)する〔溶体化処理〕。続いて必要に応じて所定の
冷間圧延を行い、最後に150〜250℃で保持する人
工時効硬化の熱処理を施すものである。上記の製造方法
を別の言い方をすると、熱間圧延又は冷間圧延→溶体化
処理(焼き入れ)→冷間圧延→人工時効硬化の工程とす
る(T8処理)か若しくは熱間圧延又は冷間圧延→溶体
化処理(焼き入れ)→人工時効硬化の工程とする(T6
処理)。
度に保持するのは、添加元素の固溶量を高めるためで、
500℃未満では十分に固溶しなく、また540℃を越
えると鋳塊が部分的に溶融する恐れがあるからである。
また、冷間圧延前または冷間圧延の途中若しくは冷間圧
延後に500℃以上の温度に保持した後冷却(200℃
までは1℃/sec以上の冷却速度で冷却)するのは、
保持温度が500℃未満でも冷却速度が1℃/sec未
満でも添加元素の固溶が不十分となるからである。続い
て行う150〜250℃に保持するのは、過剰に固溶し
たMg、Si、Cu成分元素がMg2 SiやCu化合物
として析出して導電材の強度をより向上させるためであ
る。前記の処理温度が150℃未満では析出が不足して
十分な強度が得られず、250℃を越えると粗大な析出
物が発生し、やはり十分な強度が得られない。従って、
本発明に係わるAl合金材の圧延加工による製造は、前
記の製造方法を採用するのが好ましい。
る場合は、前記の合金組成からなるAl合金鋳塊(ビレ
ット)を半連続鋳造法等の常法により製造し、これを5
00〜540℃の温度で保持した後熱間押出を行い、そ
の後所定の断面寸法に冷間引抜を行うが、その際に、前
記冷間引抜前または冷間引抜の途中若しくは冷間引抜後
に500℃以上の温度で保持した後冷却(200℃まで
は1℃/sec以上の冷却速度で冷却)する。続いて必
要に応じて所定の冷間引抜を行い、最後に150〜25
0℃で保持する人工時効硬化の熱処理を施すものであ
る。上記の製造方法を別の言い方をすると、熱間押出又
は冷間引抜→溶体化処理(焼き入れ)→冷間引抜→人工
時効硬化処理の工程とする(T8処理)か若しくは熱間
押出又は冷間引抜→溶体化処理(焼き入れ)→人工時効
硬化処理の工程とする(T6処理)。また、特別の溶体
化処理(焼き入れ)工程を省いて、所定の断面寸法に熱
間押出後冷却(200℃までは1℃/sec以上の冷却
速度で冷却)→人工時効硬化処理とすることもできる
(T5処理)。
を500〜540℃の温度に保持する理由、及び溶体化
処理を500℃以上の温度で保持した後冷却(200℃
までは1℃/sec以上の冷却速度で冷却)する理由、
人工時効硬化処理を150〜250℃に保持する理由
は、前記の圧延板の製造方法で述べた理由と同様であ
る。
とく製造することによって、優れた導電性、強度及び耐
クリープ性を得ることができる。また、このようにして
製造したAl合金素材の表面に、更に前記のNiメッキ
とSnメッキの2層からなるメッキを施すことによっ
て、優れた耐食性と電気特性を有する導電体とすること
ができる。
より詳細に説明する。 〔実施例1〕表3に記載の本発明に係わる合金組成範囲
内のAl合金材と範囲外の比較Al合金材について、導
電体用の板材を製造した。即ち表3に記載の合金組成に
溶解鋳造後、この鋳塊を540℃で均質化熱処理(ソー
キング)し、これを熱間圧延し、続いて冷間圧延して板
厚5mmの板材とした。この板材について、540℃で
溶体化処理を施した後、200℃まで20℃/secの
冷却速度で冷却し、その後200℃で2時間の時効硬化
処理を施して供試材No.1、No.3〜No.13 (T6材)とし
た。また、供試材No.2は、熱間圧延後、板厚7mmまで
冷間圧延し、上記の溶体化処理を施した後、板厚5mm
まで冷間圧延し、上記の時効硬化処理を施して供試材
(T8材)とした。
定して表3に記した。また、これらの供試材の高温状態
におけるボルト締め接続部の耐クリープ性をみるため、
次の試験を行った。即ち、板材サンプル5mm×20m
m×20mmの表面に定圧荷重(1.2ton/cm2)を負荷
し、この状態で加熱して120℃で3時間保持した。次
にこれを室温まで冷却して元の板厚5mmの変化量(減
少量)を測定して、材料の変化率(%)求め、材料の耐
クリープ性を評価した。この結果を表3に併記した。
(1/2・H)及び純Al(1060−H14)につい
ても、同様に試験して、導電率と耐クリープ性を評価し
て表3に併記した。表3から明らかなごとく、本発明に
係わるAl合金製導電体(No.1〜5)は、高温状態におけ
る変形量が従来の銅材( No.15)や6101合金( No.8)
よりも少なく耐クリープ性に優れ、導電率も55%IA
CS以上であることがわかる。なお、比較用のAl合金
材は、高温状態における変形量が大きいか又は導電率が
55%IACS未満である。
1の表3のNo.1〜5 )であり、ボルト用穴径8mmを有
する5mm(厚さ)×30mm×100mmの板材につ
いて、表4に示すような各種のメッキ処理を施して供試
材とした( なお、表4には、結果は同様であるので、N
o.1のAl合金材のみ記した) 。これらの各種のメッキ
処理について、処理コストを比較して表4に記した。ま
た、これらの供試材を2枚を合わせ(合わせ部10m
m)、定圧荷重が1.2ton/cm2となるようにボルトで締め
つけた(ボルトの締めつけトルク1.2kg・m)。な
お、締めつけボルトは、ボルト径が6mmで、フランジ
付ボルト、ナット(フランジ部の径12mm)である。
また、このボルトはステンレス製で、Crメッキが施さ
れたものである。
20℃で12時間保持後、室温で12時間保持(1サイ
クル)の熱サイクル試験を240時間(10サイクル、
10日)実施した。この試験の前後の電気的接触抵抗を
測定して、その結果を表4に記した。また、この熱サイ
クル試験後のサンプルについて、耐食性試験を行った。
この試験は、塩水噴霧試験により、96時間(4日)行
い、ボルトでの加圧接続部(その近傍も含む)と接続部
以外の腐食状況を観察して、その結果を表4に記した。
サンプル(Niメッキ厚さ3〜10μm、Snメッキ厚
さ2〜10μm)は、メッキ処理コスト、熱サイクル試
験前後の電気的接触抵抗、耐食性のいずれも良好であっ
た。発明の範囲外のサンプルは、処理コスト、接触抵
抗、耐食性のいずれかで劣ることがわかる。
l合金製自動車用導電体は、従来の銅製の導電体に比し
かなりの軽量化が可能となる。また導電率を55%IA
CS以上に維持しながら、温度上昇時の耐クリープ性に
も優れている。更に、本発明のメッキ被覆導電体は、自
動車用のように長期間使用する電気機器や腐食環境の厳
しい場所においても、優れた耐食性と接続の際の電気特
性を有する。これらのことから、本発明の導電体は、自
動車用導電体として工業上顕著な効果を有するものであ
る。
Claims (3)
- 【請求項1】 Si0.3〜0.8wt%(以下単に%
と記す)、Mg0.35〜1.0%、Fe0.1〜0.
6%、Cu0.12〜0.5%を含有し、残部がAlと
不可避的不純物からなるAl合金であり、且つその調質
がT6材もしくはT8材又はT5材であることを特徴と
するAl合金製自動車用導電体。 - 【請求項2】 Si0.3〜0.8%、Mg0.35〜
1.0%、Fe0.1〜0.6%、Cu0.12〜0.
5%を含有し、さらにMn0.1〜0.3%、Zr0.
1〜0.3%の1種又は2種を含有し、残部がAlと不
可避的不純物からなるAl合金であり、且つその調質が
T6材もしくはT8材又はT5材であることを特徴とす
るAl合金製自動車用導電体。 - 【請求項3】 請求項1又は請求項2に記載のAl合金
材の表面に、第1層として厚さ3〜10μmのNiメッ
キ被膜を有し、その上に第2層として厚さ2〜10μm
のSnメッキ被膜を有することを特徴とするAl合金製
自動車用導電体。
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