JP5607853B1 - アルミニウム合金線材、アルミニウム合金撚線、被覆電線、ワイヤーハーネスおよびアルミニウム合金線材の製造方法 - Google Patents

アルミニウム合金線材、アルミニウム合金撚線、被覆電線、ワイヤーハーネスおよびアルミニウム合金線材の製造方法 Download PDF

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Abstract

高導電率、高い耐屈曲疲労特性を有し、更には適切な耐力と高い伸び性を同時に実現するアルミニウム合金導体を提供する。
本発明のアルミニウム合金導体は、Mg:0.10〜1.00質量%、Si:0.10〜1.00質量%、Fe:0.01〜2.50質量%、Ti:0.000〜0.100質量%、B:0.000〜0.030質量%、Cu:0.00〜1.00質量%、Ag:0.00〜0.50質量%、Au:0.00〜0.50質量%、Mn:0.00〜1.00質量%、Cr:0.00〜1.00質量%、Zr:0.00〜0.50質量%、Hf:0.00〜0.50質量%、V:0.00〜0.50質量%、Sc:0.00〜0.50質量%、Co:0.00〜0.50質量%、Ni:0.00〜0.50質量%、残部:Alおよび不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金導体であって、前記アルミニウム合金導体の外周部での平均結晶粒径が1〜35μmである。

Description

本発明は、電気配線体の導体として用いられるアルミニウム合金線材に関する。特に、極細線でありながらも、高導電率、高い耐屈曲疲労特性、適切な耐力、更には高い伸び性を実現するアルミニウム合金線材に関するものである。
従来、自動車、電車、航空機等の移動体の電気配線体、または産業用ロボットの電気配線体として、銅又は銅合金の導体を含む電線に銅又は銅合金(例えば、黄銅)製の端子(コネクタ)を装着した、いわゆるワイヤーハーネスと呼ばれる部材が用いられてきた。昨今では、自動車の高性能化や高機能化が急速に進められており、これに伴い、車載される各種の電気機器、制御機器などの配設数が増加すると共に、これらの機器に使用される電気配線体の配設数も増加する傾向にある。また、その一方で、環境対応のために自動車等の移動体の燃費を向上するため、軽量化が強く望まれている。
こうした近年の移動体の軽量化を達成するための手段の一つとして、例えば、電気配線体の導体を、従来から用いられている銅又は銅合金より軽量なアルミニウム又はアルミニウム合金に変更する検討が進められている。アルミニウムの比重は銅の比重の約1/3、アルミニウムの導電率は銅の導電率の約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線材に純銅の導体線材と同じ電流を流すためには、純アルミニウムの導体線材の断面積を、純銅の導体線材の約1.5倍と大きくする必要があるが、そのように断面積を大きくしたアルミニウムの導体線材を用いたとしても、アルミニウムの導体線材の質量は、純銅の導体線材の質量の半分程度であることから、アルミニウムの導体線材を使用することは、軽量化の観点から有利である。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。
しかし、送電線用アルミニウム合金導体(JIS規格によるA1060やA1070)を代表とする純アルミニウムでは、一般に引張耐久性、耐衝撃性、屈曲特性などが劣ることが知られている。そのため、例えば、車体への取付け作業時に作業者や産業機器などによって不意に負荷される荷重や、電線と端子の接続部における圧着部での引張や、ドア部などの屈曲部で負荷される繰り返し応力などに耐えることができない。また、種々の添加元素を加えて合金化した材料は引張強度を高めることは可能であるものの、アルミニウム中への添加元素の固溶現象により導電率の低下を招くこと、アルミニウム中に過剰な金属間化合物を形成することで伸線加工中に金属間化合物に起因する断線が生じることがあった。そのため、添加元素を限定ないし選択することにより、十分な伸び特性を有することで断線しないことを必須とし、さらに、従来レベルの導電率と引張強度を確保しつつ、耐衝撃性、屈曲特性を向上する必要があった。
移動体の電気配線体に用いられるアルミニウム導体として代表的なものに特許文献1に記載のものがある。これは極細線であって、高強度・高導電率を有しながら、伸びにも優れるアルミニウム合金導体、及びアルミニウム合金撚線を実現するものである。また、特許文献1には、十分な伸びを有することから、優れた屈曲特性を有する旨が記載されている。しかし、例えばドア部などに取り付けられるワイヤーハーネスとしてアルミニウム合金線を用い、ドアの開閉により繰り返し曲げ応力が作用することで高サイクル疲労破壊が発生しやすい使用環境下での耐屈曲疲労特性については、何ら開示も示唆もしていない。
近年、自動車に用いられるアルミニウム合金導体、特にφ0.1mm〜φ1.5mm程度のアルミニウム合金導体を製造する際に、以下の3つの課題が生じることが確認されている。第1の課題は、上述のように、自動車のドア部のような繰り返し屈曲部に用いられる場合に高い耐屈曲疲労特性が求められる。アルミニウムの屈曲疲労特性は、現在使用されている銅に比べて劣るため、使用箇所が限られている。第2の課題は、耐力が高いためにワイヤーハーネス取り付け時に大きな力を必要とし、作業効率が低いことである。第3の課題は、伸び性が低いことから、ワイヤーハーネス取り付け時や搭載後の衝撃に耐えられず、断線や亀裂の発生が生じることである。これらの課題を全て解決するためには、高い導電率を前提として、高い耐屈曲疲労特性を有し、かつ適切な耐力、高い伸び性を有するアルミニウム合金線が必要である。
高強度と高導電率を合わせ持つアルミニウム合金としては、MgやSi、Cu、Mnなどを添加した合金が知られている。例えば、特許文献2では、これらの元素を添加することで150MPa以上の引張強度と40%以上の導電率を実現している。また、本特許文献2では、最大結晶粒径が50μm以下の線材を作製することで5%以上の伸び性も同時に実現している。
特開2012−229485公報 特許5155464号公報
しかしながら、特許文献2のアルミニウム合金導体では、高導電率と高い伸び性に加えて、高い耐屈曲疲労特性と適切な耐力とを合わせ持つことはできず、上記3つの課題を同時に解決することができない。
本発明の目的は、従来品と同等以上の伸び性および導電率を維持しつつ、適切な耐力と高い耐屈曲疲労特性を両立したアルミニウム合金線材、アルミニウム合金撚線、被覆電線、ワイヤーハーネスを提供すること、およびアルミニウム合金線材の製造方法を提供することにある。
本発明者らは、アルミニウム合金導体を屈曲させたとき、該導体の外周部に発生する応力が中心部に発生する応力より大きく、外周面に亀裂が発生し易いことを発見した。そこで、本発明者らは、アルミニウム合金の結晶粒径が小さい場合、亀裂が結晶粒界に衝突する回数が多くなり進行速度が小さくなることに着目し、鋭意研究を行った結果、アルミニウム合金線材の外周部での平均結晶粒径を所定範囲内の値とすることで、高導電性は確保したままで、耐屈曲疲労特性が向上し、更には適切な耐力、高い伸び性を実現できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、上記課題は以下の発明により達成される。
(1)Mg:0.10〜1.00質量%、Si:0.10〜1.00質量%、Fe:0.01〜2.50質量%、Ti:0.000〜0.100質量%、B:0.000〜0.030質量%、Cu:0.00〜1.00質量%、Ag:0.00〜0.50質量%、Au:0.00〜0.50質量%、Mn:0.00〜1.00質量%、Cr:0.00〜1.00質量%、Zr:0.00〜0.50質量%、Hf:0.00〜0.50質量%、V:0.00〜0.50質量%、Sc:0.00〜0.50質量%、Co:0.00〜0.50質量%、Ni:0.00〜0.50質量%、残部:Alおよび不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金線材であって、
前記アルミニウム合金線材の外周部での平均結晶粒径が1〜35μmであり、
内部の平均結晶粒径が、前記外周部の平均結晶粒径の1.1倍以上であることを特徴とするアルミニウム合金線材
(2)前記化学組成が、Ti:0.001〜0.100質量%およびB:0.001〜0.030質量%からなる群から選択された1種または2種を含有する、上記(1)に記載のアルミニウム合金線材
(3)前記化学組成が、Cu:0.01〜1.00質量%、Ag:0.01〜0.50質量%、Au:0.01〜0.50質量%、Mn:0.01〜1.00質量%、Cr:0.01〜1.00質量%、Zr:0.01〜0.50質量%、Hf:0.01〜0.50質量%、V:0.01〜0.50質量%、Sc:0.01〜0.50質量%、Co:0.01〜0.50質量%およびNi:0.01〜0.50質量%からなる群から選択された1種または2種以上を含有する、上記(1)または(2)に記載のアルミニウム合金線材
(4)Fe、Ti、B、Cu、Ag、Au、Mn、Cr、Zr、Hf、V、Sc、Co、Niの含有量の合計が0.01〜2.50質量%である、(1)〜(3)のいずれかに記載のアルミニウム合金線材
(5)屈曲疲労試験によって測定した破断までの繰返回数が10万回以上であり、導電率が45〜55%IACSであることを特徴とする、上記(1)〜(4)のいずれかに記載のアルミニウム合金線材
(6)素線の直径が0.1〜0.5mmである上記(1)〜(5)のいずれかに記載のアルミニウム合金線材
(7)上記(6)に記載のアルミニウム合金線材を複数本撚り合わせて得られるアルミニウム合金撚線。
(8)上記(6)に記載のアルミニウム合金線材または上記(7)に記載のアルミニウム合金撚線の外周に被覆層を有する被覆電線。
(9)上記(8)に記載の被覆電線と、該被覆電線の、前記被覆層を除去した端部に装着された端子とを具えるワイヤーハーネス。
(10)溶解処理、鋳造処理、熱間もしくは冷間加工処理、第1伸線加工処理、中間熱処理、第2伸線加工処理、溶体化熱処理および時効熱処理を、この順に実行して得られるアルミニウム合金線材の製造方法であって、
前記第1伸線加工処理において、用いられるダイスのダイス半角が10〜30°とし、かつ1パスあたりの加工率が10%以下とし、
前記第2伸線加工処理において、用いられるダイスのダイス半角が10〜30°とし、かつ1パスあたりの加工率が10%以下とすることを特徴とする、(1)〜(6)のいずれかに記載のアルミニウム合金線材の製造方法。
(11)前記時効熱処理前に、被加工材の外周部に低歪の加工を施す歪み加工処理を行うことを特徴とする、上記(10)に記載の製造方法。
(12)前記歪み加工処理を前記溶体化熱処理中に行うことを特徴とする、上記(11)に記載の製造方法。
本発明のアルミニウム合金線材によれば、従来と同等以上の導電率を有するため、移動体に搭載されるバッテリーケーブル、ハーネスあるいはモータ用導線として有用である。特に、高い耐屈曲疲労特性を有するので、ドア部やトランクなどの、高い耐屈曲疲労特性が求められる屈曲部に用いることができる。また、適切な耐力を有するので、小さい外力でワイヤーハーネスを取り付けることができ、作業効率が向上する。更に、従来と同等以上の伸び性を有するので、ワイヤーハーネス取り付け時や搭載後の衝撃に耐えることができ、断線や亀裂の発生を低減することができる。
本発明における第1伸線加工処理および第2伸線加工処理を説明する図である。 本実施形態に係るアルミニウム合金線材について、伸線方向に対して垂直な断面を示す断面図である。
本発明のアルミニウム合金線材は、Mg:0.10〜1.00質量%、Si:0.10〜1.00質量%、Fe:0.01〜2.50質量%、Ti:0.000〜0.100質量%、B:0.000〜0.030質量%、Cu:0.00〜1.00質量%、Ag:0.00〜0.50質量%、Au:0.00〜0.50質量%、Mn:0.00〜1.00質量%、Cr:0.00〜1.00質量%、Zr:0.00〜0.50質量%、Hf:0.00〜0.50質量%、V:0.00〜0.50質量%、Sc:0.00〜0.50質量%、Co:0.00〜0.5質量%、Ni:0.00〜0.50質量%、残部:Alおよび不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金線材であり、アルミニウム合金導体の外周部での平均結晶粒径が1〜35μmであり、内部の平均結晶粒径が、前記外周部の平均結晶粒径の1.1倍以上である。
以下に、本発明のアルミニウム合金線材の化学組成等の限定理由を示す。
(1)化学組成
<Mg:0.10〜1.00質量%>
Mg(マグネシウム)は、アルミニウム母材中に固溶して強化する作用を有すると共に、その一部はSiと化合して析出物を形成して引張強度、耐屈曲疲労特性および耐熱性を向上させる作用を有する元素である。しかしながら、Mg含有量が0.10質量%未満だと、上記作用効果が不十分であり、また、Mg含有量が1.00質量%を超えると、結晶粒界にMg濃化部分を形成する可能性が高まり、引張強度、伸び、耐屈曲疲労特性が低下するとともに、Mg元素の固溶量が多くなることによって導電率も低下する。したがって、Mg含有量は0.10〜1.00質量%とする。なお、Mg含有量は、高強度を重視する場合には0.50〜1.00質量%にすることが好ましく、また、導電率を重視する場合には0.10〜0.50質量%とすることが好ましく、このような観点から総合的に0.30〜0.70質量%が好ましい。
<Si:0.10〜1.00質量%>
Si(ケイ素)は、Mgと化合して析出物を形成して引張強度、耐屈曲疲労特性、及び耐熱性を向上させる作用を有する元素である。Si含有量が0.10質量%未満だと、上記作用効果が不十分であり、また、Si含有量が1.00質量%を超えると、結晶粒界にSi濃化部分を形成する可能性が高まり、引張強度、伸び、耐屈曲疲労特性が低下するとともに、Si元素の固溶量が多くなることによって導電率も低下する。したがって、Si含有量は0.10〜1.00質量%とする。なお、Si含有量は、高強度を重視する場合には0.5〜1.0質量%にすることが好ましく、また、導電率を重視する場合には0.10〜0.50質量%とすることが好ましく、このような観点から総合的に0.30〜0.70質量%が好ましい。
<Fe:0.01〜2.50質量%>
Fe(鉄)は、主にAl−Fe系の金属間化合物を形成することによって結晶粒の微細化に寄与すると共に、引張強度および耐屈曲疲労特性を向上させる元素である。Feは、Al中に655℃で0.05質量%しか固溶できず、室温では更に少ないため、Al中に固溶できない残りのFeは、Al−Fe、Al−Fe−Si、Al−Fe−Si−Mgなどの金属間化合物として晶出又は析出する。この金属間化合物は、結晶粒の微細化に寄与すると共に、引張強度および耐屈曲疲労特性を向上させる。また、Feは、Al中に固溶したFeによっても引張強度を向上させる作用を有する。Fe含有量が0.01質量%未満だと、これらの作用効果が不十分であり、また、Fe含有量が2.50質量%超えだと、晶出物または析出物の粗大化により伸線加工性が悪くなり、伸線中断線が発生しやすくなる他、目的とする耐屈曲疲労特性が得られなくなり、導電率も低下する。したがって、Fe含有量は0.01〜2.50質量%とし、好ましくは0.15〜0.90質量%、更に好ましくは0.15〜0.45質量%とする。なお、Feが多すぎると晶出物または析出物の粗大化により伸線加工性が悪くなり、その結果、断線が発生しやすくなる傾向にあるが、本発明では1パス当たりの加工率を10%以下と小さくしているため、伸線時の引張力が抑制され、断線が発生しにくい。よって、Feは多く含有することができ、2.50質量%まで含有できる。
本発明のアルミニウム合金線材は、Mg、SiおよびFeを必須の含有成分とするが、必要に応じて、さらに、TiおよびBからなる群から選択された1種または2種、Cu、Ag、Au、Mn、Cr、Zr、Hf、V、Sc、CoおよびNiの1種または2種以上を含有させることができる。
<Ti:0.001〜0.100質量%>
Tiは、溶解鋳造時の鋳塊の組織を微細化する作用を有する元素である。鋳塊の組織が粗大であると、鋳造において鋳塊割れや線材加工工程において断線が発生して工業的に望ましくない。Ti含有量が0.001質量%未満であると、上記作用効果を十分に発揮することができず、また、Ti含有量が0.100質量%超えだと導電率が低下する傾向があるからである。したがって、Ti含有量は0.001〜0.100質量%とし、好ましくは0.005〜0.050質量%、より好ましくは0.005〜0.030質量%とする。
<B:0.001〜0.030質量%>
Bは、Tiと同様、溶解鋳造時の鋳塊の組織を微細化する作用を有する元素である。鋳塊の組織が粗大であると、鋳造において鋳塊割れや線材加工工程において断線が発生しやすくなるため工業的に望ましくない。B含有量が0.001質量%未満であると、上記作用効果を十分に発揮することができず、また、B含有量が0.030質量%超えだと導電率が低下する傾向がある。したがって、B含有量は0.001〜0.030質量%とし、好ましくは0.001〜0.020質量%、より好ましくは0.001〜0.010質量%とする。
<Cu:0.01〜1.00質量%>、<Ag:0.01〜0.50質量%>、<Au:0.01〜0.50質量%>、<Mn:0.01〜1.00質量%>、<Cr:0.01〜1.00質量%>、<Zr:0.01〜0.50質量%>、<Hf:0.01〜0.50質量%>、<V:0.01〜0.50質量%>、<Sc:0.01〜0.50質量%>、<Co:0.01〜0.50質量%>、<Ni:0.01〜0.50質量%>からなる群から選択された1種または2種以上を含有させること
Cu、Ag、Au、Mn、Cr、Zr、Hf、V、Sc、CoおよびNiは、いずれも結晶粒を微細化する作用を有する元素であり、さらに、Cu、AgおよびAuは、粒界に析出することで粒界強度を高める作用も有する元素であって、これらの元素の少なくとも1種を0.01質量%以上含有していれば、上述した作用効果が得られ、引張強度、伸び、耐屈曲疲労特性を向上させることができる。一方、Cu、Ag、Au、Mn、Cr、Zr、Hf、V、Sc、CoおよびNiの含有量のいずれかが、それぞれ上記の上限値を超えると、導電率が低下する傾向がある。したがって、Cu、Ag、Au、Mn、Cr、Zr、Hf、V、Sc、CoおよびNiの含有量の範囲は、それぞれ上記の範囲とした。
また、Fe、Ti、B、Cu、Ag、Au、Mn、Cr、Zr、Hf、V、Sc、CoおよびNiは、多く含有するほど導電率が低下する傾向と伸線加工性が劣化する傾向がある。従って、これらの元素の含有量の合計は、2.50質量%以下とするのが好ましい。本発明のアルミニウム合金線材ではFeは必須元素であるため、Fe、Ti、B、Cu、Ag、Au、Mn、Cr、Zr、Hf、V、Sc、CoおよびNiの含有量の合計は0.01〜2.50質量%とする。これらの元素の含有量は、0.10〜2.50質量%とするのが更に好ましい。
なお、高導電率を保ちつつ、引張強度や伸び、耐屈曲疲労特性を向上させるには、Fe、Ti、B、Cu、Ag、Au、Mn、Cr、Zr、Hf、V、Sc、CoおよびNiの含有量の合計は、0.10〜0.80質量%が特に好ましく、0.20〜0.60質量%が更に好ましい。一方で、導電率はやや低下するが更に引張強度、伸び、耐屈曲疲労特性を向上させるためには、0.80超〜2.50質量%が特に好ましく、1.00〜2.50質量%が更に好ましい。
<残部:Alおよび不可避不純物>
上述した成分以外の残部はAl(アルミニウム)および不可避不純物である。ここでいう不可避不純物は、製造工程上、不可避的に含まれうる含有レベルの不純物を意味する。不可避不純物は、含有量によっては導電率を低下させる要因にもなりうるため、導電率の低下を加味して不可避不純物の含有量をある程度抑制することが好ましい。不可避不純物として挙げられる成分としては、例えば、Ga、Zn、Bi、Pbなどが挙げられる。
(2)アルミニウム合金線材の外周部での平均結晶粒径が1〜35μmであること
本発明でいう外周部とは、アルミニウム合金線材のうち、該アルミニウム合金線材の外縁を含む外縁近傍の領域を示す。伸線方向に対して垂直な断面が円形であるアルミニウム合金線材の場合、外周部は、該アルミニウム合金線材の外縁を含み、外縁から該アルミニウム合金線材の直径の1/10の幅の領域(図2参照)をいう。圧縮撚線など断面が円形ではないアルミニウム合金線材の場合には、まず、該アルミニウム合金線材の断面積から円相当の直径を求める。そして、該アルミニウム合金線材の外縁を含み、外縁から該アルミニウム合金線材の円相当直径の1/10の幅の領域を外周部とする。
本発明では、外周部での平均結晶粒径が1〜35μmとする。平均結晶粒径が1μm未満であると、耐力が過剰であると共に伸びが低下する。平均結晶粒径が35μmより大きいと耐屈曲疲労特性および耐力が低下する。したがって、外周部での平均結晶粒径を1〜35μmとし、好ましくは3〜30μm、より好ましくは5〜20μmとする。
また、アルミニウム合金線材の上記外周部以外の部分、すなわち内部での平均結晶粒径は1〜90μmである。内部の平均結晶粒径が1μm未満であると耐力が過剰であると共に伸びが低下し、内部の結晶粒径が90μmより大きいと十分な伸び、耐力を得ることができない。本発明の平均結晶粒径は、光学顕微鏡により観察し、公差法を用いて測定を行った。
(本発明に係るアルミニウム合金線材の製造方法)
本発明のアルミニウム合金線材は、[1]溶解処理、[2]鋳造処理、[3]熱間または冷間加工、[4]第1伸線加工処理、[5]中間熱処理、[6]第2伸線加工処理、[7]溶体化熱処理および第1歪み加工処理、[8]時効熱処理および第2歪み加工処理の各工程を経て製造することができる。なお、溶体化熱処理および第1歪み加工処理の前後、または時効熱処理後に、撚線とする工程や電線に樹脂被覆を行う工程を設けてもよい。以下、[1]〜[8]の工程について説明する。
[1]溶解処理
溶解は、後述するアルミニウム合金組成のそれぞれの実施態様の濃度となるような分量で溶製する。
[2]鋳造処理、[3]熱間または冷間加工
鋳造軸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い棒材とする。このとき棒材は例えば、φ5.0〜13.0mm程度にする。このときの鋳造時の冷却速度は、Fe系晶出物の粗大化の防止とFeの強制固溶による導電率低下の防止の観点から、好ましくは1〜20℃/秒であるが、これに制限されるものではない。鋳造及び熱間圧延は、ビレット鋳造及び押出法などにより行ってもよい。
[4]第1伸線加工処理
次いで、表面の皮むきを実施して、例えばφ5.0〜12.5mmの棒材とし、図1に示すようなダイス21を用いて、ダイス引きによって伸線加工する。この伸線加工により、被加工材の直径が例えばφ2.0mmに縮径される。ダイス21のダイス半角αは10〜30°、1パス当たりの加工率は、10%以下であることが好ましい。加工率は、伸線加工前後の断面積の差を元の断面積で割って100を掛けたものである。しかしながら、加工率が極端に小さくなると、目標の線径に加工するための伸線回数が多くなり生産性が低下するため1%以上が好ましく、また、加工率が10%よりも大きいと、伸線加工が線材の内外で均一となりやすいため、外周部と内部にて結晶粒径の差が生じにくく、耐力を適度に低下させ、かつ伸びを向上させることができなくなる傾向がある。また、ダイス21のテーパ面21aにおいて適切な表面粗さを持たせると、本伸線加工時に被加工材の表面に加工を施すことができる点で有利である。なお、本第1伸線加工処理では最初に棒材表面の皮むきを行っているが、棒材表面の皮むきを行わなくてもよい。
[5]中間熱処理
次に、冷間伸線した被加工材に中間熱処理を施す。本発明の中間熱処理では、中間焼鈍における加熱温度は250〜450℃、加熱時間は、10分〜6時間である。加熱温度が250℃より低いと、十分に軟化できず変形抵抗が大きくなり伸線時に断線や表面傷が発生しやすい。450℃より高いと、結晶粒粗大化が起こりやすくなり伸び、強度(耐力や引張強度など)が低下する。
[6]第2伸線加工処理
さらに、被加工材を図1に示すようなダイス22を用いて、ダイス引きによって伸線加工する。この伸線加工により、被加工材の外径が例えばφ0.31mmに縮径される。ダイス22のダイス半角βは10〜30°、1パス当たりの加工率は、10%以下であることが好ましい。ダイス半角を上記範囲のようにすると、表面加工率が大きくなる点で有利であり、外周部のみを加工することができる。また、第一伸線工程ではテーパ面を荒くすることで表面に加わる応力を大きくし、第二伸線工程では表面傷やクラックの発生を防ぐためテーパ面を滑らかにすることが望まれる。よってテーパ面22aの表面粗さを、テーパ面21aの表面粗さより小さくすることは、表面傷を発生させずに外周部の粒径だけを小さくできる点で有利である。
[7]溶体化熱処理(第1熱処理)および第1歪み加工処理
次に、被加工材に、溶体化熱処理を施すと共に第1歪み加工処理を施す。この溶体化熱処理は、被加工材にランダムに含有されているMg、Si化合物をアルミニウム合金の母相中に溶け込ませるため等を目的として行う。第1熱処理は、480〜620℃の範囲内の所定温度まで加熱した後、少なくとも150℃の温度までは10℃/s以上の平均冷却速度で冷却する熱処理である。溶体化熱処理温度が480℃より低いと、溶体化が不完全になり後工程の時効熱処理時に析出する針状のMgSi析出物が少なくなり、耐力、引張強度、耐屈曲疲労特性、導電率の向上幅が小さくなる。溶体化熱処理が620℃より高いと、結晶粒が粗大化する問題が発生し、耐力、引張強度、伸び、耐屈曲疲労特性が低下する可能性がある。また、純アルミニウムに対してアルミニウム以外の元素が多く含まれているために融点が下がり、部分的に融解してしまう可能性がある。上記溶体化熱処理温度は、好ましくは500〜600℃の範囲、更に好ましくは520〜580℃の範囲とする。
第1熱処理を行う方法としては、例えばバッチ式熱処理でも、高周波加熱、通電加熱、走間加熱などの連続熱処理でも良いが、高周波加熱や通電加熱のような、線材自体から発生するジュール熱により熱処理される連続熱処理を用いた場合、外周部の結晶粒径が内部の結晶粒径より小さくなる傾向がより大きいため有利である。
高周波加熱や通電加熱を用いた場合、通常は線材に電流を流し続ける構造になっているため、時間の経過と共に線材温度が上昇する。そのため、電流を流し続けると線材が溶融してしまう可能性があるので、適正な時間範囲にて熱処理を行う必要がある。走間加熱を用いた場合においても、短時間の焼鈍であるため、通常、走間焼鈍炉の温度は線材温度より高く設定される。長時間の熱処理では線材が溶融してしまう可能性があるため、適正な時間範囲にて熱処理を行う必要がある。また、すべての熱処理において被加工材にランダムに含有されているMg、Si化合物をアルミニウム合金の母相中に溶け込ませる所定の時間以上が必要である。以下、各方法による熱処理を説明する。
高周波加熱による連続熱処理は、高周波による磁場中を線材が連続的に通過することで、誘導電流によって線材自体から発生するジュール熱により熱処理するものである。急熱、急冷の工程を含み、線材温度と熱処理時間で制御し線材を熱処理することができる。冷却は、急熱後、水中又は窒素ガス雰囲気中に線材を連続的に通過させることによって行う。この熱処理時間は0.01〜2s、好ましくは0.05〜1s、より好ましくは0.05〜0.5sで行う。
連続通電熱処理は、2つの電極輪を連続的に通過する線材に電流を流すことによって線材自体から発生するジュール熱により熱処理するものである。急熱、急冷の工程を含み、線材温度と熱処理時間で制御し線材を熱処理することができる。冷却は、急熱後、水中、大気中又は窒素ガス雰囲気中に線材を連続的に通過させることによって行う。この熱処理時間は0.01〜2s、好ましくは0.05〜1s、より好ましくは0.05〜0.5sで行う。
連続走間熱処理は、高温に保持した熱処理炉中を線材が連続的に通過して熱処理させるものである。急熱、急冷の工程を含み、熱処理炉内温度と熱処理時間で制御し線材を熱処理することができる。冷却は、急熱後、水中、大気中又は窒素ガス雰囲気中に線材を連続的に通過させることによって行う。この熱処理時間は0.5〜120s、好ましくは0.5〜60s、より好ましくは0.5〜20sで行う。
バッチ式熱処理は、焼鈍炉の中に線材を投入し、所定の設定温度、設定時間にて熱処理される方法である。線材自体が所定の温度にて数10秒程度加熱されればよいが、工業使用上、大量の線材を投入することになるため、線材の熱処理ムラを抑制するために30分以上は行った方が好ましい。熱処理時間の上限は、結晶粒粗大化が発生しなければ特に制限は無いが、工業使用上、短時間で行った方が生産性が良いため、10時間以内、好ましくは6時間以内にて熱処理される。
また、上記溶体化熱処理前、溶体化熱処理中またはその両方で行われる第1歪み加工処理は、被加工材の外周部に低歪みを生じさせるものである。そのため外周部にはより加工が入った状態となり、溶体化後に外周部の結晶粒径が小さくなる。この第1歪み加工処理は、直径10〜50cmの滑車の1つまたは複数を介して、被加工材を滑車に沿わせて変形させる処理であり、このときの被加工材の歪み量は、0.0006〜0.0150である。歪み量は、被加工材の半径を、滑車半径の2倍と被加工材の半径との和で割ったものである。
[8]撚り合わせ処理
溶体化熱処理および第1歪み加工処理を実施した線材を、複数本束ねて撚り合わせる。この工程は溶体化熱処理前後、または時効熱処理後であっても良い。本実施形態では撚り合わせ処理を施すが、本撚り合わせ処理を行わず、溶体化熱処理および第1歪み加工処理を実施した線材の単線に、以下の時効熱処理を施してもよい。
[9]時効熱処理(第2熱処理)および第2歪み加工処理
そして、線材の撚線に、時効熱処理を施すと共に第2歪み加工処理を施す。時効熱処理は、針状のMgSi析出物を析出させるため等を目的として行う。時効熱処理における加熱温度は、140〜250℃である。前記加熱温度が140℃未満であると、針状のMgSi析出物を十分に析出させることができず、強度、耐屈曲疲労特性および導電率が不足しがちである。また、前記加熱温度が250℃よりも高いと、MgSi析出物のサイズが大きくなるため、導電率は上昇するが、強度および耐屈曲疲労特性が不足しがちである。加熱時間は、温度によって最適な時間が変化する。低温では長時間、高温では短時間の加熱が強度、耐屈曲疲労特性を向上させる上で好ましい。生産性を考慮すると短時間が良く、好ましくは15時間以下、更に好ましくは10時間以下である。
また、上記時効熱処理前に行われる第2歪み加工処理は、線材の外周部に低歪みを生じさせるものである。そのため潰されるなどの変形により、外周部の結晶粒径が小さくなる。加工歪が大きすぎると加工が入りすぎて伸びの低下に繋がる。第2歪み加工処理は、直径30〜60cmのボビンあるいはスプールの1つ、または複数を介して、線材をボビンあるいはスプールに沿わせて変形させる処理であり、このときの線材の歪み量は、0.0005〜0.0050である。歪み量は、線材の半径を、ボビン(スプール)半径の2倍と線材の半径との和で割ったものである。尚、ここでいうボビンあるいはスプールとは、円筒状の外縁を有し、線材をその外縁に沿わせて巻き取らせる部材である。
(本発明に係るアルミニウム合金線材
本発明のアルミニウム合金線材は、素線径が、特に制限はなく用途に応じて適宜定めることができるが、細物線の場合はφ0.1〜0.5mm、中細物線の場合はφ0.8〜1.5mmが好ましい。本アルミニウム合金線材は、図2の断面図に示すように、アルミニウム合金線材30に形成される外周部31と、該外周部以外の残りの部分である内部32とからなる線材として表すことができる。なお、外周部31の幅の値は必ずしも直径の1/10である必要はなく、本発明の技術思想に基づいて上記値にある程度の範囲を持たせることができる。
外周部31での平均結晶粒径をより小さくすること、換言すれば、外周部31での平均結晶粒径のみを小さくすることで、高導電率、高い耐屈曲疲労特性、適切な耐力および高い伸び性を同時に実現することができる。さらに、外周部31での平均結晶粒径を上記範囲内の所定値とし、内部32での平均結晶粒径を増大させる等、外周部31での平均結晶粒径を内部32での平均結晶粒径より小さくすると、導電率および破断までの繰返回数はさほど変化させずに、耐力を適度に低下させ、かつ伸びを向上させることが可能となる。具体的には、内部32の平均結晶粒径が、外周部31の平均結晶粒径の1.1倍以上であるのが好ましく、これにより上記効果を確実に奏することができる。
以上、上記実施形態に係るアルミニウム合金線材およびアルミニウム合金撚線について述べたが、本発明は記述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。
例えば、上記アルミニウム合金線材またはアルミニウム合金撚線を、その外周に被覆層を有する被覆電線に適用することができる。また、被覆電線とその端部に取り付けられた端子とからなる構造体の複数で構成されるワイヤーハーネス(組電線)に適用することも可能である。
また、上記実施形態に係るアルミニウム合金線材の製造方法は、記述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。
例えば、第1伸線加工処理におけるダイス半角の範囲は、第2伸線加工処理におけるダイス半角の範囲と同じであるが、第1伸線加工処理のダイス半角を第2伸線加工処理のダイス半角より大きくしてもよいし、あるいは小さくしてもよい。また、第1伸線加工処理における加工率の範囲は、第2伸線加工処理における加工率の範囲と同じであるが、第1伸線加工処理の加工率を第2伸線加工処理の加工率より大きくしてもよいし、あるいは小さくしてもよい。
また、上記実施形態では第1低歪み加工処理を溶体化熱処理中に行っているが、これに限らず、溶体化熱処理前に行ってもよい。また、第2低歪み加工処理を時効熱処理中に行っているが、これに限らず、第2低歪み加工処理を行わなくてもよい。
本発明を以下の実施例に基づき詳細に説明する。なお本発明は、以下に示す実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
Mg、Si、FeおよびAlと、選択的に添加するCu、Zr、TiおよびBを、表1に示す含有量(質量%)になるように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い、約φ9.5mmの棒材とした。このときの鋳造冷却速度は1〜20℃/秒とした。次いで、表2に示す加工率が得られるように第1伸線加工を行った。次に、この第1伸線加工を施した加工材に中間熱処理を行い、その後、第1伸線加工と同様の加工率で、φ0.3mmの線径まで第2伸線加工を行った。次に、表2に示す条件で溶体化熱処理(第1熱処理)を施した。なお、溶体化熱処理において、バッチ式熱処理では、線材に熱電対を巻きつけて線材温度を測定した。連続通電熱処理では、線材の温度が最も高くなる部分での測定が設備上困難であるため、ファイバ型放射温度計(ジャパンセンサ社製)で線材の温度が最も高くなる部分よりも手前の位置にて温度を測定し、ジュール熱と放熱を考慮して最高到達温度を算出した。高周波加熱および連続走間熱処理では、熱処理区間出口付近の線材温度を測定した。溶体化熱処理後に、表2に示す条件で時効熱処理(第2熱処理)を施し、アルミニウム合金線を製造した。
(実施例2)
Mg、Si、FeおよびAlと、選択的に添加するCu、Mn、Cr、Zr、Au、Ag、Hf、V、Ni、Sc、Co、TiおよびBを、表3に示す含有量(質量%)になるように配合した以外は、実施例1と同様の方法で鋳造、圧延を行い、約φ9.5mmの棒材とした。次いで、表4に示す加工率が得られるように第1伸線加工を行った。次に、この第1伸線加工を施した加工材に中間熱処理を行い、その後、第1伸線加工と同様の加工率で、φ0.3mmの線径まで第2伸線加工を行った。次に、表4に示す条件で溶体化熱処理(第1熱処理)を施した。そして、溶体化熱処理後に、表4に示す条件で時効熱処理(第2熱処理)を施し、アルミニウム合金線を製造した。
作製した各々の発明例および比較例のアルミニウム合金線について以下に示す方法により各特性を測定した。その結果を表2、表4に示す。
(a)平均結晶粒径
伸線方向に切り出した供試材の縦断面を樹脂で埋め、機械研磨後、電解研磨を行った。この組織を200〜400倍の光学顕微鏡で撮影し、JIS H0501、H0502に準じて公差法による粒径測定を行った。具体的には、撮影された写真に伸線方向に平行な直線を引き、その直線と交わる粒界の数を測定した。この測定を、アルミニウム合金線材の外周部及び内部についてそれぞれ50個程度の結晶粒界と交わるように測定し、外周部及び内部の平均結晶粒径とした。直線長さは長いほど好ましいが、作業性の観点から、50個程度の結晶粒径を測定できるように、また直線が長いと光学顕微鏡の撮影範囲からはみ出てしまうため複数本の直線を用いるなどして、直線の長さと本数を調節して測定した。
(b)破断までの繰返回数
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、線材の線径と曲げ冶具の曲率半径により決定することができるため、線材の線径と曲げ冶具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、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、破断までの繰返回数を測定した。本実施例では、破断までの繰返回数が10万回以上を合格とした。
(c)耐力(0.2%耐力)および柔軟性(引張破断伸び)の測定
JIS Z2241に準じて各3本ずつの供試材(アルミニウム合金線)について引張試験を行い、オフセット法により0.2%の規定の永久伸びを用いて0.2%耐力を算出し、その平均値を求めた。耐力は、車体への取付け作業時に不意に負荷される荷重に耐えることができ、かつ、ワイヤーハーネス取り付け時の作業効率を低下させないために、50MPa以上320MPa以下を合格とした。伸びは、引張破断伸びが5%以上を合格とした。
(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本ずつの供試材(アルミニウム合金線)について測定し、その平均導電率を算出した。端子間距離は200mmとした。導電率は特に規定しないが、35%以上を合格とした。なお、導電率は45%IACS以上であると特に好ましい。
Figure 0005607853
Figure 0005607853
Figure 0005607853
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表2の結果より、次のことが明らかである。
発明例1〜31のアルミニウム合金線は、いずれも高導電性、高い耐屈曲疲労特性、適切な耐力および高い伸び性を同時に実現する事ができた。
これに対し、比較例1では、1パス当たりの加工率および外周部の平均結晶粒径が本発明の範囲外にあり、この条件では、破断までの繰返回数が不足した。比較例2では、ダイス半角および外周部の平均結晶粒径が本発明の範囲外にあり、破断までの繰返回数が不足した。比較例3では、1パス当たりの加工率、ダイス半角および外周部の平均結晶粒径が本発明の範囲外にあり、破断までの繰返回数が不足した。比較例4では、ダイス半角および外周部の平均結晶粒径が本発明の範囲外にあり、破断までの繰返回数および耐力が不足した。
また、表4の結果より、次のことが明らかである。
発明例32〜5のアルミニウム合金線は、いずれも高導電性、高い耐屈曲疲労特性、適切な耐力および高い伸び性を同時に実現する事ができた。
これに対し、比較例5(純アルミニウム)では、Mg、Si含有量、1パス当たりの加工率およびダイス半角が本発明の範囲外にあり、この条件では、破断までの繰返回数が不足した。また、比較例6では、1パス当たりの加工率、ダイス半角および外周部の平均結晶粒径が本発明の範囲外にあり、破断までの繰返回数が不足した。比較例7では、Mg、Si含有量が本発明の範囲外にあり、破断までの繰返回数および伸びが不足し、耐力が過剰となった。
比較例8では、含有されるNi含有量が本発明の範囲外にあり、破断までの繰返回数および伸びが不足し、耐力が過剰となった。比較例9では、Mn含有量が本発明の範囲外にあり、破断までの繰返回数および導電率が不足し、耐力が過剰となった。比較例10では、Zr含有量が本発明の範囲外にあり、破断までの繰返回数および伸びが不足し、耐力が過剰となった。
また、比較例11では、Mg、Cr含有量が本発明の範囲外にあり、この条件では、伸線中に断線が生じた。比較例12では、1パス当たりの加工率、ダイス半角および外周部の平均結晶粒径が本発明の範囲外にあり、破断までの繰返回数が不足し、耐力が過剰となった。なお、比較例12は、特許文献2中の試料No.18の実施例を模したものである。
本発明のアルミニウム合金線材は、Al−Mg−Si系合金、例えば6000系アルミニウム合金において、外周部における平均結晶粒径を所定範囲の値とすることにより、特に、直径がφ0.5mm以下である極細線として使用した場合であっても、高導電性、高い耐屈曲疲労特性、適切な耐力および高い伸び性を示す、電気配線体の線材として用いることができる。また、アルミニウム合金撚線、被覆電線、ワイヤーハーネス等に使用することができ、移動体に搭載されるバッテリーケーブル、ハーネスあるいはモータ用導線、産業用ロボットの配線体として有用である。さらに、高い耐屈曲疲労特性が求められるドアやトランク、ボンネットなどに好適に用いることができる。
21 ダイス
21aテーパ面
22 ダイス
22a テーパ面

Claims (12)

  1. Mg:0.10〜1.00質量%、Si:0.10〜1.00質量%、Fe:0.01〜2.50質量%、Ti:0.000〜0.100質量%、B:0.000〜0.030質量%、Cu:0.00〜1.00質量%、Ag:0.00〜0.50質量%、Au:0.00〜0.50質量%、Mn:0.00〜1.00質量%、Cr:0.00〜1.00質量%、Zr:0.00〜0.50質量%、Hf:0.00〜0.50質量%、V:0.00〜0.50質量%、Sc:0.00〜0.50質量%、Co:0.00〜0.50質量%、Ni:0.00〜0.50質量%、残部:Alおよび不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金線材であって、
    前記アルミニウム合金線材の外周部での平均結晶粒径が1〜35μmであり、
    内部の平均結晶粒径が、前記外周部の平均結晶粒径の1.1倍以上であることを特徴とする、アルミニウム合金線材
  2. 前記化学組成が、Ti:0.001〜0.100質量%およびB:0.001〜0.030質量%からなる群から選択された1種または2種を含有する、請求項1に記載のアルミニウム合金線材
  3. 前記化学組成が、Cu:0.01〜1.00質量%、Ag:0.01〜0.50質量%、Au:0.01〜0.50質量%、Mn:0.01〜1.00質量%、Cr:0.01〜1.00質量%、Zr:0.01〜0.50質量%、Hf:0.01〜0.50質量%、V:0.01〜0.50質量%、Sc:0.01〜0.50質量%、Co:0.01〜0.50質量%およびNi:0.01〜0.50質量%からなる群から選択された1種または2種以上を含有する、請求項1または2に記載のアルミニウム合金線材
  4. Fe、Ti、B、Cu、Ag、Au、Mn、Cr、Zr、Hf、V、Sc、Co、Niの含有量の合計が0.01〜2.50質量%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線材
  5. 屈曲疲労試験によって測定した破断までの繰返回数が10万回以上であり、導電率が45〜55%IACSであることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載のアルミニウム合金線材
  6. 素線の直径が0.1〜0.5mmである請求項1〜5のいずれか1項に記載のアルミニウム合金線材
  7. 請求項6に記載のアルミニウム合金線材を複数本撚り合わせて得られるアルミニウム合金撚線。
  8. 請求項6に記載のアルミニウム合金線材または請求項7に記載のアルミニウム合金撚線の外周に被覆層を有する被覆電線。
  9. 請求項8に記載の被覆電線と、該被覆電線の、前記被覆層を除去した端部に装着された端子とを具えるワイヤーハーネス。
  10. 溶解処理、鋳造処理、熱間もしくは冷間加工処理、第1伸線加工処理、中間熱処理、第2伸線加工処理、溶体化熱処理および時効熱処理を、この順に実行して得られるアルミニウム合金線材の製造方法であって、
    前記第1伸線加工処理において、用いられるダイスのダイス半角が10〜30°とし、かつ1パスあたりの加工率が10%以下とし、
    前記第2伸線加工処理において、用いられるダイスのダイス半角が10〜30°とし、かつ1パスあたりの加工率が10%以下とす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線材の製造方法。
  11. 前記時効熱処理前に、被加工材の外周部に低歪の加工を施す歪み加工処理を行うことを特徴とする、請求項10に記載の製造方法。
  12. 前記歪み加工処理を前記溶体化熱処理中に行うことを特徴とする、請求項11に記載の製造方法。
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