JP6090167B2 - 端子用アルミニウム合金板、端子金具、及び電線の端末接続構造 - Google Patents

端子用アルミニウム合金板、端子金具、及び電線の端末接続構造 Download PDF

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Description

本発明は、端子金具の素材に利用される端子用アルミニウム合金板、このアルミニウム合金板から形成されて、アルミニウム基電線に取り付けられる端子金具、この端子金具を具える電線の端末接続構造に関するものである。特に、応力緩和し難い端子金具が得られる端子用アルミニウム合金板に関するものである。
従来、自動車や飛行機などの移動用機器、ロボットなどの産業機器などの電線は、その端部において絶縁層を除去して導体を露出させ、この露出部分に端子金具を取り付けて利用されている。端子金具は、種々の形態がある。例えば、端子金具同士を接続する形態では、両端子金具を電気的に接続する電気的接続部として、図1に示すようなメス型嵌合部130を具えるメス型端子金具100Fや、オス型嵌合部140を具えるオス型端子金具100Mがある。
図1に示すメス型端子金具100F、オス型端子金具100Mはいずれも、電線200に具える導体210を接続する導体接続部として、導体210を圧着接続する圧着タイプのワイヤバレル部(圧着部)110を具える。図1に示す例では、ワイヤバレル部110として、図1(A)に示すように一対の圧着片を具え、図1(B)に示すように導体210を包むように圧着片を折り曲げて圧縮する。
メス型端子金具100Fは、ワイヤバレル部110の一方の側に筒状のメス型嵌合部130が延設され、筒体内部に対向配置された弾性片131,132を具える(図1(A))。オス型端子金具100Mは、ワイヤバレル部110の一方の側に棒状のオス型嵌合部140が延設されている。図1(B)に示すようにメス型嵌合部130の筒体に棒状のオス型嵌合部140を挿入すると、オス型嵌合部140は、弾性片131,132の付勢力によって強固に挟持され、両端子金具100F,100Mは電気的に接続される。なお、図1では、分かり易いように、メス型嵌合部130のみ、断面を示す。
電線の導体や端子金具の構成材料は、導電性に優れた銅や銅合金といった銅系材料が主流である。近年、電線の軽量化のために、比重が銅の約1/3であるアルミニウム又はアルミニウム合金(以下、Al合金等と呼ぶ)を導体や端子金具の構成材料に用いることが検討されている(特許文献1)。
特許文献1では、導体圧着部を具えるアルミニウム系成形体と、ばね接点部(弾性片)が設けられた嵌合部を具える鉄系成形体とを組み合わせた端子金具を開示している。この端子金具は、Al合金等よりも一般に高強度でへたり難い鉄系材料によって構成された弾性片を具えることで、高い接圧(ばね荷重)を確保できる上に、長期に亘り、高い接圧を維持できる。
特許第3984539号公報
異種金属を組み合わせた場合、異種金属の接触腐食(電池腐食)が生じ得る。樹脂被覆などの防食処理を施すことで、電池腐食を低減又は防止できるが、工程数の増加などによって生産性の低下を招く。
一方、導体がAl合金等からなるアルミニウム基電線に取り付ける端子金具として、その全体がアルミニウム合金から構成されるものを利用すれば、異種金属の接触腐食が生じ得ず、上述の防食処理を不要にできる。しかし、従来、アルミニウム合金から構成された端子金具に望まれる機械的特性や、その特性を満たす組成について十分に検討されていない。
例えば、上述した圧着タイプの端子金具では、電線の導体に対する圧着力が大きく、かつ長期に亘り低下し難いことが望まれる。しかし、アルミニウムは一般的に、クリープ変形し易いため、応力緩和によって圧着力が低下し、圧着部が導体を十分に挟持できなくなる恐れがある。また、アルミニウム基電線では、銅基電線に比較して、導体もクリープ変形し易い。応力緩和によって導体と端子金具とが十分に接触できなくなると、接触抵抗の増大などの問題が生じる。従って、Al合金等からなる導体とアルミニウム合金からなる端子金具との接続状態が経時的に緩み難いアルミニウム合金の開発が望まれる。特に、自動車用途などの端子金具では、使用温度が100℃超の高温になることから、使用時の熱によっても応力緩和し難く、耐熱性に優れる端子金具が望まれる。
また、図1に示すような弾性片を具える端子金具では、端子金具同士の接続において接圧(ばね荷重)が十分に高く、かつ長期に亘り維持されることも望まれる。図1に示すような棒状の嵌合部を具える端子金具では、端子金具同士の接続において、上記弾性片による付勢力に対する反発力が十分に高く、かつ長期に亘り反発力が維持されることも望まれる。応力緩和によって接圧や反発力が低下すると、弾性片と別の端子金具の嵌合部とが十分に接触できなくなったり、接続抵抗が増大したりするなどの問題が生じ得る。従って、アルミニウム合金からなる端子金具同士の接続状態が経時的に緩み難いアルミニウム合金の開発が望まれる。
ここで、端子金具の製造方法として、素材板を所定の形状に打ち抜き、プレス加工を施すことが挙げられる。この場合、素材板の厚さをある程度厚くすると、上述の圧着力や接圧、反発力を高められる。しかし、板厚を大きくすると、プレス加工といった塑性加工時の歪みが大きくなって割れが生じ易くなり、端子金具の生産性の低下を招く。また、板厚が大きな素材板を用いると、端子金具が大型化するため、小型化が求められる用途(例えば、自動車用途など)には好ましくない。
そこで、本発明の目的の一つは、応力緩和し難い端子金具が得られる端子用アルミニウム合金板を提供することにある。また、本発明の他の目的は、アルミニウム合金からなり、応力緩和し難い端子金具を提供することにある。更に、本発明の他の目的は、上記端子金具を具える電線の端末接続構造を提供することにある。
本発明は、アルミニウム合金の組成を特定することで上記目的を達成する。本発明の端子用アルミニウム合金板は、アルミニウム基電線に圧着される端子金具の素材に用いられるものであり、以下のアルミニウム合金から構成される。このアルミニウム合金は、質量％で、Si：0.6％以上1.5％以下、Mg：0.7％以上1.3％以下、Cu：0.5％以上1.2％以下、Mn：0.5％以上1.1％以下、Fe：0.02％以上0.4％以下、Cr：0.01％以上0.3％以下、Zn：0.005％以上0.5％以下、Ti：0.01％以上0.2％以下、Zr：0.05％以上0.2％以下含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなる。なお、アルミニウム基電線とは、上記導体がアルミニウム又はアルミニウム合金から構成された電線をいう。
本発明のアルミニウム合金板は、後述する試験例に示すように応力緩和率が小さく応力緩和し難く、高温での応力緩和特性に優れる。また、本発明のアルミニウム合金板は、後述する試験例に示すように室温での機械的特性に優れ、高い耐力を有する。このような本発明のアルミニウム合金板を素材に利用することで、高い圧着力や高い接圧、高い反発力を維持できる端子金具を製造することができる。また、高い耐力を有することから本発明のアルミニウム合金板の厚さを薄くした場合でも、高い圧着力や高い接圧、高い反発力を有する端子金具を製造できる。従って、本発明のアルミニウム合金板は、端子金具の小型化にも寄与することができる。更に、本発明のアルミニウム合金板の厚さを薄くすることで、端子金具の製造にあたり、切断やプレス加工といった塑性加工などの種々の加工を行い易く、端子金具の生産性の向上に寄与することができる。
本発明の端子金具は、アルミニウム基電線の導体を圧着する圧着部と、上記圧着部に延設され、別の接続対象と電気的に接続される電気的接続部とを具える端子金具であり、上述の特定の組成のアルミニウム合金から構成される。
本発明のアルミニウム合金板から製造された端子金具や本発明の端子金具(以下、本発明の端子金具等と呼ぶ)は、高温での応力緩和特性及び室温での耐力に優れる特定の組成のアルミニウム合金から構成されることから、十分に高い圧着力が得られると共に、高温になっても圧着力が低下し難く、高い圧着力を維持することができる。また、本発明の端子金具等において上述の弾性片を具える形態では、十分に高い接圧が得られると共に、高温になっても接圧が低下し難く、高い接圧を維持することができる。一方、本発明の端子金具等において上述の棒状の嵌合部を具える形態では、十分に高い反発力が得られると共に、高温になっても反発力が低下し難く、長期に亘り高い反発力を維持することができる。従って、本発明の端子金具等は、経時的に応力緩和し難く、長期に亘り、アルミニウム基電線との接続状態や端子金具同士の接続状態が緩み難く、低抵抗の接続構造を構築することができる。また、本発明の端子金具等が比較的厚さの薄いアルミニウム合金板から構成されている場合でも、高い圧着力や高い接圧、高い反発力を実現できる上に、小型である。
本発明の電線の端末接続構造は、導体を具える電線と、上記導体の端部に取り付けられた端子金具とを具える。上記電線は、上記導体がアルミニウム又はアルミニウム合金から構成されたアルミニウム基電線である。そして、上記端子金具が、上記特定の組成のアルミニウム合金から構成された本発明の端子金具である。
本発明の電線の端末接続構造は、応力緩和し難い本発明の端子金具を具えることで、長期に亘り、低抵抗を維持することができる。また、本発明の電線の端末接続構造は、電線の導体と端子金具との主成分が共通していることから、異種金属の接触腐食が生じ得ず、電池腐食に対する特別な処理を施す必要がなく、生産性にも優れる。
本発明の一形態として、上記アルミニウム合金は、更に、質量％でSr：0.005％以上0.05％以下含有する形態が挙げられる。
Srを含有することで、上記形態は、高温での応力緩和特性及び室温での耐力に更に優れる。
本発明の端子用アルミニウム合金板の一形態として、室温での0.2％耐力が200MPa以上である形態が挙げられる。
上記形態は、耐力が十分に大きいことから、例えば、厚さを薄くした場合にも、高い圧着力や高い接圧、高い反発力が得られる端子金具を製造することができる。
本発明の端子用アルミニウム合金板の一形態として、120℃での応力緩和率が50％以下である形態が挙げられる。
上記形態は、100℃超の高温であっても応力緩和率が十分に小さく耐熱性に優れることから、高温環境で使用される端子金具の素材に好適に利用することができる。また、上記形態のアルミニウム合金板から形成された端子金具は、高温であっても応力緩和し難い。
本発明の端子金具の一形態として、上記電気的接続部が別の端子金具に嵌合して電気的に接続される嵌合部であり、上記嵌合部が対向配置された弾性片を具える形態が挙げられる。
上述の特定の組成のアルミニウム合金から構成された弾性片を具える上記形態は、別の端子金具の嵌合部に対して十分に高い接圧を発現でき、かつ、応力緩和し難いことから、長期に亘り、高い接圧を維持することができる。
本発明の端子金具及び本発明の電線の端末接続構造の一形態として、自動車に用いられる形態が挙げられる。
本発明の端子金具等や本発明の電線の端末接続構造は、種々の用途に利用できるが、電線の導体及び端子金具の主成分がアルミニウムであることから、軽量化が求められる自動車の部品に好適に利用することができる。また、上述のように高温での応力緩和特性に優れる本発明の端子金具等を具えることで、使用温度が120℃〜150℃程度になる自動車に好適に利用することができる。
本発明の端子用アルミニウム合金板は、高温での応力緩和特性、室温での耐力に優れる。本発明の端子金具及び本発明の電線の端末接続構造は、端子金具が応力緩和し難く、長期に亘り、導体との接続状態や端子金具同士の接続状態を強固に維持することができる。
メス型端子金具及びオス型端子金具の概略構成図であり、(A)は、両端子金具の嵌合前、(B)は、両端子金具の嵌合部を嵌合した状態を示す。
以下、本発明をより詳細に説明する。まず、本発明の特徴である、アルミニウム合金板及び端子金具を構成するアルミニウム合金の組成について説明する。元素の含有量は、質量割合(％)を示す。
[アルミニウム合金]
・組成
(Si：0.6％〜1.5％)
Siは、Mgと共に一部がマトリックス(Al)に固溶し、アルミニウム合金を固溶強化する。また、Siは人工時効時に時効析出物などを形成して、アルミニウム合金の強度などの機械的特性を向上させ、端子金具に望まれる機械的特性(特に、応力緩和特性や耐力)を得ることに寄与する。Siを0.6％以上含有することで、固溶強化や時効硬化の効果を適切に発現させて、応力緩和特性や耐力に優れるアルミニウム合金板や端子金具が得られる。Siの含有量を1.5％以下とすることで、鋳造材から所望の厚さの板への加工性(主として圧延性)や素材板から端子金具への成形性(主としてプレス加工性)が阻害されず、かつ割れの起点となる粗大な晶出物や析出物の形成を抑制し、板や端子金具の高強度化、高耐力化に寄与することができる。より好ましいSiの含有量は0.8％以上1.4％以下であり、この範囲であることで、耐力に優れる板や端子金具を更に得易い。
(Mg：0.7％〜1.3％)
Mgは、アルミニウム合金を固溶強化し、人工時効時に、Siと共に強度向上に寄与する時効析出物を形成して、端子金具に望まれる上述の機械的特性を得ることに寄与する。Mgを0.7％以上含有することで、十分な固溶強化や時効硬化を図ることができ、上限値を1.3％とすることで、上述のように割れの起点となる粗大な晶出物や析出物の形成を抑制できる。より好ましいMgの含有量は、0.8％以上1.3％以下であり、この範囲であることで、耐力に優れる板や端子金具を更に得易い。
(Cu：0.5％〜1.2％)
Cuは、Mg、Siと共に強度、耐力の向上に寄与する。Cuを0.5％以上含有することで、この効果が得られ易い上に、耐熱性にも優れ、上限値を1.2％とすることで端子金具への成形性を確保し易い。より好ましいCuの含有量は、0.7％以上1.2％以下であり、この範囲であることで、高温になっても応力緩和し難く、耐力に優れる板や端子金具を更に得易い。
(Mn：0.5％〜1.1％)
Mnは、一部がマトリックスに固溶し、アルミニウム合金を固溶強化する。また、Mnは、Al-Mn系の分散粒子を形成し、合金組織の結晶粒を微細化でき、応力緩和特性、耐力、強度、成形性、耐食性、耐熱性などを向上できる。Mnを0.5％以上含有することで、固溶強化によって十分な応力緩和特性、耐力を有する板や端子金具を得易く、上限値を1.1％とすることで、割れの起点となる粗大な晶出物や析出物の形成を抑制して、板や端子金具の高強度化、高耐力化に寄与することができる。より好ましいMnの含有量は0.6％以上1.1％以下であり、この範囲であることで、高温になっても応力緩和し難く、耐力に優れる板や端子金具を更に得易い。
(Fe：0.02％〜0.4％)
Feは、周期表2族元素(例えば、MgやSr)の存在下で、鋳造時においてTiを含む結晶微細化剤による微細効果の促進に寄与する。Feを0.02％以上含有することで、アルミニウム合金の結晶粒の微細化に有効に寄与し、上限値を0.4％とすることで、合金組織における粒界にFe系の晶出物が生成されることによるアルミニウム合金の塑性加工性の低下を抑制できる。より好ましいFeの含有量は、0.05％以上0.3％以下であり、この範囲であることで、耐力に優れる板や端子金具を更に得易い。
(Cr：0.01％〜0.3％)
Crは、Mnと同様に分散粒子を形成するため、熱処理時におけるアルミニウム合金の結晶粒の粗大化を防止して、結晶粒を微細にする効果がある。結晶粒の微細化は、板の耐力や強度、端子金具への成形性の向上に寄与する。また、Crは、耐食性の向上効果や耐熱性の向上効果も有する。Crを0.01％以上含有することで、高温になっても応力緩和し難く、高耐力・高強度な板や端子金具を得易く、上限値を0.3％とすることで、結晶粒の粗大化を抑止し、結晶粒の微細化効果を適切に発現させられる。より好ましいCrの含有量は0.02％以上0.25％以下であり、この範囲であることで、特に耐熱性に優れ、高温になっても応力緩和し難い板や端子金具を得易い。
(Zn：0.005％〜0.5％)
Znは、マトリクスに固溶し、アルミニウム合金の耐力の向上に寄与する。Znを0.005％以上含有することで、耐力の向上効果を適切に発揮させられ、上限値を0.5％とすることで、適切な耐食性を確保できる。より好ましいZnの含有量は0.05％以上0.25％以下であり、この範囲であることで、高温になっても応力緩和し難く、耐力に優れる板や端子金具を更に得易い上に、端子金具の成形に必要な靭性を確保し易く、加工性や耐食性にも優れる板や端子金具を得易い。
(Ti：0.01％〜0.2％)
Tiは、鋳造材の結晶組織を微細にしたり、鋳造材における柱状晶の割合を低減し、等軸晶の割合を増加させたりする効果がある。そのため、Tiを含有することによって、鋳造材の圧延性、端子金具への成形性を向上できる。また、結晶組織の微細化によって、塑性加工時に疵が生じ難くなり、疵が少なく表面性状に優れる塑性加工材(端子金具)が得られる。Tiを0.01％以上含有することで、結晶粒の微細化効果を得易く、Tiの含有量が多いほど、結晶粒の微細化や微細化に伴う疵の低減に効果がある。但し、Tiの含有量が0.2％程度で上述の効果が飽和する傾向にあり、Tiを過剰に含有しないことで粗大な金属間化合物の生成も抑制できることから、上限値は0.2％とする。より好ましいTiの含有量は0.01％以上0.1％以下であり、この範囲であることで、耐力に優れる板や端子金具を更に得易い。なお、BもTiと同様に結晶組織を微細にして強度や耐力を向上させる効果があることから、TiをTiB2として溶湯中に混合することがある。本発明では、質量割合で50ppm以下程度のBの含有を許容する。
(Zr：0.05％〜0.2％)
Zrは、アルミニウム合金の耐熱性の向上に必要な元素である。また、Zrは、Mn、Crと同様に、Al-Zr系の分散粒子を形成し、熱処理時におけるアルミニウム合金の結晶粒の粗大化を防止して、結晶粒を微細にする作用があり、結晶の微細化によって上述のように板の耐力や強度、端子金具への成形性の向上に寄与する。Zrを0.05％以上含有することで、耐熱性、耐力、強度や塑性加工性の向上効果を十分に得られ、上限値を0.2％とすることで、結晶粒の粗大化を効果的に抑制できる。好ましいZrの含有量は0.1％以上0.2％以下であり、この範囲であることで、高温になっても応力緩和し難く、耐力に優れる板や端子金具を更に得易い。
(Sr：0.005％〜0.05％)
Srも鋳造材の結晶組織を微細化する機能があり、結晶の微細化によって上述のように板の耐力や強度、端子金具への成形性の向上に寄与する。特に、Zrの存在下でSrを含有すると、アルミニウム合金を脆化することなく、耐力や強度の向上を図ることができる。Srを0.005％以上含有することで、耐力や強度の向上効果を得易く、上限値を0.05％とすることで、アルミニウム合金の脆化を効果的に抑制し、耐力や強度に優れる板や端子金具が得られる。より好ましいSrの含有量は、0.005％以上0.03％以下であり、この範囲であることで、高温になっても応力緩和し難く、耐力に優れる板や端子金具を更に得易い。特に、Srの含有量が0.005％以上0.03％以下であり、Zrの含有量とSrの含有量との比率Zr/Srが3以上50以下であると、アルミニウム合金の脆化抑制と機械的特性の向上とを効果的に図ることができる。
[アルミニウム合金板]
・厚さ
本発明のアルミニウム合金板や本発明の端子金具を構成する板の厚さは、適宜選択することができ、例えば、自動車用途では、0.1mm以上0.5mm以下程度が挙げられる。厚さが薄いほど、成形性に優れる上に端子金具の小型化、軽量化を図ることができ、厚いほど、端子金具の圧着力の向上や接圧の向上、反発力の向上などを図ることができる。所望の厚さとなるように製造条件(例えば、圧下率といった加工度など)を調整するとよい。本発明のアルミニウム合金板から製造された端子金具を構成する板の厚さは、本発明のアルミニウム合金板の厚さを実質的に維持し、両者の厚さは実質的に等しい。
・形状
本発明のアルミニウム合金板は、所定の長さに切断された矩形状のシート材が代表的である。その他、長尺な板を巻き取ったコイル材、所望の端子金具の形状に切断されたカット材などが挙げられる。
・機械的特性
(応力緩和率)
本発明のアルミニウム合金板は、100℃超の高温であっても応力緩和し難い。具体的な形態として、組成や製造条件(熱処理温度や加工度など)にもよるが、例えば、120℃での応力緩和率が50％以下を満たす形態が挙げられる。応力緩和率は、低いほど応力緩和し難い、つまり高温でも応力が解放され難く、十分な応力(圧着力、接圧、反発力)を発現でき、40％以下、更に30％以下、特に20％以下がより好ましい。
(0.2％耐力・引張強さ)
本発明のアルミニウム合金板は、耐力が高い。具体的な形態として、組成や製造条件(熱処理温度や加工度など)にもよるが、例えば、室温での0.2％耐力が200MPa以上を満たす形態が挙げられる。0.2％耐力は、高いほど永久変形し難く、導体と端子金具との接続状態や端子金具同士の接続状態が緩み難く、250MPa以上、更に300MPa以上、特に400MPa以上が好ましい。耐力が高いことで、経時的に残存荷重も高く、長期に亘り、高い応力を維持し易い。0.2％耐力が高いほど、引張強さも高い傾向にあり、例えば、室温における引張強さが250MPa以上、更に300MPa以上、特に400MPa以上、とりわけ500MPa以上を満たす形態が挙げられる。
(伸び)
本発明のアルミニウム合金板は、上述のように高耐力、高強度である上に、上述のように結晶の微細化により靭性にも優れる。例えば、伸びが1％以上、更に2％以上、特に5％以上を満たす形態が挙げられる。このように靭性に優れることで塑性加工性に優れることから、本発明のアルミニウム合金板にプレス加工といった塑性加工を施して、図1に示すようなオス型端子金具100Mやメス型端子金具100Fのような複雑な形状の端子金具を精度よく成形することができる。
(導電率)
本発明のアルミニウム合金板は、組成や製造条件(熱処理温度や加工度など)にもよるが、導電率が35％IACS以上、更に40％IACS以上、特に45％IACS以上を満たす形態が挙げられる。導電率が高いことで、端子金具の素材として好適に利用することができる。
なお、本発明のアルミニウム合金板から製造された端子金具や、上述の特定のアルミニウム合金からなる本発明の端子金具は、本発明のアルミニウム合金板の機械的特性(0.2％耐力、応力緩和率、引張強さ、伸びなど)や導電率といった特性を実質的に維持する。
・製造方法
本発明のアルミニウム合金板の製造は、6000系合金(Al-Mg-Si合金)からなる板の製造方法に準ずることができる。例えば、溶解・鋳造→熱間加工・冷間加工→冷間圧延→種々の熱処理(代表的には、溶体化処理や時効処理)などという工程により製造することができる。
より具体的には、原料に純アルミニウムと特定の元素とを用意して溶解して、特定の組成のアルミニウム合金溶湯を作製し、鋳造する。鋳造は、双ロール法やベルトアンドホイール法などの連続鋳造、バッチ式鋳造のいずれも利用することができる。連続鋳造は、急冷凝固が可能である上に、長尺材を容易に製造でき、板を量産する場合に好適に利用することができる。
鋳造材に施す熱間加工は、熱間圧延が代表的である。特に、連続鋳造に連続して熱間圧延を行うと、鋳造材に蓄積される熱を利用して熱間圧延を容易に行えてエネルギー効率がよい上に、バッチ式の鋳造方法を利用する場合と比較して、(鋳造)圧延材の生産性に優れる。鋳造圧延材は、例えば、ベルトアンドホイール法の鋳造機とこの鋳造機に連なる圧延機とを用いて行うことができる。このような装置は、例えば、プロペルチ式連続鋳造圧延機が挙げられる。冷間加工は、冷間圧延が挙げられる。加工前の鋳造材に均質化処理を施すと、以降の加工の加工性を高められる。均質化処理条件は、温度が500℃以上600℃以下程度、保持時間が0.5時間以上50時間以下程度、が挙げられる。
冷間圧延は、所望の厚さのアルミニウム合金板が得られるように圧下率やパス数を適宜選択することができる。冷間圧延前や冷間圧延途中、上述の冷間加工途中などで適宜、中間熱処理(軟化処理)を施すと、加工性を高められる。中間熱処理条件は、温度が300℃以上500℃以下程度、保持時間が0.1時間以上10時間以下程度、が挙げられる。最終の中間熱処理から溶体化処理までに行う冷間圧延の総圧下率は、例えば、30％以上90％以下程度が挙げられる。
冷間圧延後に施す熱処理は、例えば、T6処理やT7処理、T8処理、T9処理など、公知の処理を利用することができる。処理条件も、公知の条件を利用することができる。例えば、T6処理では、溶体化処理については510℃以上550℃以下程度、時効処理については160℃以上180℃以下程度、5時間以上30時間以下程度が挙げられる。T6処理において時効処理の温度を200℃以上250℃以下と高めにしてT7処理とすることができる。T8処理では、溶体化処理及び冷間加工(ここでは冷間圧延)を順に施した後に更に時効処理を施す。T9処理では、溶体化処理及び時効処理を順に施した後に更に冷間加工(ここでは冷間圧延)を施す。上記冷間加工により、素材の加工硬化による耐力や強度の向上を図ることができる。T8処理,T9処理の具体的な条件は、例えば、溶体化処理及び時効処理については上述のT6処理と同様、冷間加工は冷間圧延が挙げられ、T8処理における溶体化処理後の冷間圧延やT9処理における時効処理後の冷間圧延の総圧下率は、5％以上50％以下程度が挙げられる。なお、T8処理では、溶体化処理後に予備時効処理を施してから冷間加工を行うと、冷間加工後に施す最終の時効処理後の耐力や強度を制御し易い。予備時効処理の具体的な条件は、70℃以上120℃以下程度、1時間以上15時間以下程度が挙げられる。
[端子金具]
本発明の端子金具は、導体が接続されるワイヤバレル部として圧着部を具える圧着タイプとする。圧着部は、一対の圧着片や一つの圧着筒体を具えるものが挙げられる。より具体的には、断面U字状で、電線の導体が配置される底部と、この底部に立設され、導体を挟持する一対の圧着片とを具える形態が挙げられる。導体を包むように上記圧着片を折り曲げて圧縮することで、このワイヤバレル部は導体に接続される。圧着筒体は、導体が挿入される孔を有する。この孔に導体を挿入し、この状態で圧縮することで、このワイヤバレル部は導体に接続される。
別の接続対象との接続箇所となる電気的接続部は、上述の圧着部の一方の側に延設されて、接続対象である別の端子金具や電子機器などに接続される。端子金具同士を接続する形態では、電気的接続部は、例えば、上述の図1に示すような棒状のオス型嵌合部140、弾性片131,132を具えるメス型嵌合部130が挙げられる。弾性片を一つのみ具えるメス型嵌合部もある。棒状のオス型嵌合部を具えるオス型端子金具では、オス型嵌合部が応力緩和特性や耐熱性に優れる上述のアルミニウム合金から構成されることで、高温になっても応力緩和し難い。少なくとも一つの弾性片を有するメス型嵌合部を具えるメス型端子金具では、メス型嵌合部が応力緩和特性や耐熱性に優れる上述のアルミニウム合金から構成されることで、高温になっても応力緩和し難い。ボルトなどの締結部材を介して別の端子金具や電子機器などに接続される形態では、電気的接続部は、締結部材が挿通される貫通孔やU字片を具える締結部が挙げられる。又は、電気的接続部は、接続対象に設けられた嵌合孔に挿入される平板部材などがある。
その他、本発明の端子金具は、図1に示すように圧着部の他方の側に電線200の絶縁層220を圧着するインシュレーションバレル部120を具える形態とすることができる。本発明の端子金具は、圧着部及び電気的接続部を具える公知の圧着タイプの端子金具の形状を適宜利用することができる。
また、本発明の端子金具は、その表面の少なくとも一部にSnめっき層(図示せず)を具える形態とすることができる。特に、電気的接続部における接点領域(例えば、嵌合部同士の接触箇所)にSnめっき層を具えると、柔らかいSnが変形することで、端子金具と別の接続対象とが十分に密着して、低抵抗な接続構造を構築することができる。
・製造方法
本発明の端子金具は、上述の特定の組成のアルミニウム合金からなる本発明のアルミニウム合金板を素材板とし、この板を所定の形状に打ち抜き、所定の形状になるようにプレス加工といった塑性加工を施すことで製造することができる。
Snめっき層を施す場合には、素材板の段階、所定の形状に打ち抜かれた素材片の段階、プレス加工された成形体の段階のいずれかにおいてSnめっきを行う。Snめっきには、例えば、置換めっき法や電気めっき法といった湿式めっき法、プラズマスパッタリング法などの真空めっき法などが利用できる。アルミニウム合金にSnめっきを施す場合、一般にジンケート処理を施してZn層を形成した後にSnめっきを行う。置換めっき法や真空めっき法を利用して、素材板などに直接Snめっき層を形成すると、異種金属の接触腐食によりZn層が溶出して、Zn層の上のSnめっき層が消失することが無く、長期に亘り、Snめっき層を存在させることができる。
[電線の端末接続構造]
・電線
本発明の端子金具が取り付けられる電線は、導体と、導体の外周に設けられた絶縁層とを具え、導体がアルミニウム又はアルミニウム合金(Al合金等)から構成されたアルミニウム基電線とする。つまり、本発明の電線の端末接続構造は、特定の組成のアルミニウム合金からなる端子金具と、Al合金等からなる導体との接続構造、という主成分が同種の金属(アルミニウム)からなる接続構造であり、導体と端子金具との間では電池腐食が実質的に生じない。
(導体)
導体を構成するアルミニウム合金は、例えば、Fe,Mg,Si,Cu,Zn,Ni,Mn,Ag,Cr及びZrから選択される1種以上の元素を合計で0.005質量％以上5.0質量％以下含有し、残部がAl及び不純物からなるものが挙げられる。各元素の好ましい含有量は、質量％で、Fe:0.005％以上2.2％以下、Mg:0.05％以上1.0％以下、Mn,Ni,Zr,Zn,Cr及びAg:合計で0.005％以上0.2％以下、Cu:0.05％以上0.5％以下、Si:0.04％以上1.0％以下が挙げられる。これらの添加元素は、1種のみ、又は2種以上を組み合わせて含有することができる。上記添加元素に加えて、Ti,Bを500ppm以下の範囲で含有することができる(質量割合)。上記添加元素を含有する合金として、例えば、Al-Fe合金、Al-Fe-Mg合金、Al-Fe-Mg-Si合金、Al-Fe-Si合金、Al-Fe-Mg-(Mn,Ni,Zr,Agの少なくとも1種)合金、Al-Fe-Cu合金、Al-Fe-Cu-(Mg,Siの少なくとも1種)合金、Al-Mg-Si-Cu合金などが挙げられる。導体を構成する線材として、公知のアルミニウム合金線を利用できる。
導体を構成する線材は、単線、複数の素線を撚り合わせた撚り線、撚り線を圧縮した圧縮線材のいずれでもよい。導体を構成する線材の線径(撚り線の場合は撚り合わせ前の素線の線径)は、用途などに応じて適宜選択することができる。例えば、線径が0.2mm以上1.5mm以下の線材が挙げられる。
導体を構成する線材(撚り線の場合には素線)は、引張強さが110MPa以上200MPa以下、0.2％耐力が40MPa以上、伸びが10％以上、導電率が58％IACS以上の少なくとも一つを満たすものが挙げられる。特に、伸びが10％以上である線材は、耐衝撃性に優れ、端子金具を別の端子金具やコネクタ、電子機器などに取り付ける際などで断線し難い。
(絶縁層)
絶縁層の構成材料は、種々の絶縁材料、例えば、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリオレフィン系樹脂をベースとしたハロゲンフリーの樹脂組成物、難燃性組成物などが挙げられる。絶縁層の厚さは、所望の絶縁強度を考慮して適宜選択することができる。
(電線の製造方法)
上記導体は、例えば、鋳造→熱間圧延(→ビレット鋳造材の場合には適宜均質化処理)→冷間伸線加工(→適宜、軟化処理・撚り合わせ・圧縮)という工程により製造することができる。この導体に絶縁層を形成することで、アルミニウム基電線を製造することができる。
・電線の端末接続構造の製造方法
上述の電線の端部において絶縁層を剥がして導体を露出させ、この露出部分を上述した本発明の端子金具の圧着部に配置して接続する。例えば、圧着片を具える形態では、圧着部の底部に導体を配置し、この導体を包むように圧着片を折り曲げ、更に圧縮する。このとき、クリンプハイト(C/H)が所定の大きさ(高さ)となるように圧縮状態を調整する。上記工程により、本発明の電線の端末接続構造や、アルミニウム基電線の端部に本発明の端子金具が取り付けられた端子付き電線を製造することができる。
[試験例1]
種々の組成のアルミニウム合金板を製造し、特性を調べた。
この試験では、溶解・鋳造→熱間加工・冷間加工→中間熱処理→冷間圧延→熱処理、という工程で、表1に示す組成のアルミニウム合金板を作製した。より具体的には、純アルミニウムの溶湯を用意して、この溶湯に表1に示す添加元素を投入してアルミニウム合金の溶湯を作製した。この溶湯に脱ガス処理や異物除去処理を適宜実施した後、溶湯を鋳型に注湯して鋳塊を作製した。得られた鋳塊に、均質化処理を適宜施した後、熱間加工(ここでは熱間圧延)・冷間加工(ここでは冷間圧延)を施した。冷間加工途中、必要に応じて中間熱処理(ここでは400℃×1hrの軟化処理)を施し、厚さ0.5mmの冷間加工材を作製した。得られた冷間加工材に中間熱処理(ここでは400℃×1hrの軟化処理)を施した後、冷間圧延を施し、厚さ0.25mm又は0.3mmの圧延材を作製した。厚さ0.25mm又は0.3mmの圧延材に施した冷間圧延以降の処理条件を表2に示す。
合金No.(I),(III),(IV)においてT6処理は、溶体化温度を510℃、530℃、550℃のいずれかとし、時効温度は175℃とした。合金No.(I)においてT7処理は、溶体化温度を510℃又は550℃、時効温度を200℃、220℃、250℃のいずれかとした。各熱処理を行うことで、厚さ0.25mmの熱処理材(アルミニウム合金板)を得た。合金No.(I),(II)においてT9処理は、表2に示す条件で熱処理(溶体化及び時効)を順に行った後、冷間圧延を行い(圧下率:20％)、厚さ0.25mmの圧延材(アルミニウム合金板)を得た。合金No.(II)において表2に示す条件でT6処理を行うことで、厚さ0.25mmの熱処理材(アルミニウム合金板)を得た。合金No.(II)において表2に示す条件でT8処理(但し、順序は、溶体化→予備時効→冷間圧延(厚さ0.25mm)→最終時効)を施し、厚さ0.25mmの熱処理材(アルミニウム合金板)を得た。
Figure 0006090167
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比較として、従来の銅系端子金具の素材に利用されている銅合金板(黄銅1種 C2600-EH、厚さ0.25mm、市販品)を用意した。
作製した厚さ0.25mmのアルミニウム合金板、及び用意した銅合金板の室温特性(引張強さ、0.2％耐力、伸び、導電率)、及び高温における応力緩和特性を調べた。その結果を表3に示す。
引張強さ(MPa)、0.2％耐力(MPa)、伸び(％)はいずれも、JIS Z 2241(2011)の規定に基づいて測定した。導電率(％IACS)は、四端子法で測定した電気抵抗から算出した。試料No.100の銅合金板の導電率は、カタログ値である(表3中に括弧付きの数値で示す)。
応力緩和特性は、JIS B 2712(2006)の規定に基づいて応力緩和率を求め(ρ＝((W0-W)/W0)×100、ρは応力緩和率(％)、W0は初期の試験荷重(N)、Wは緩和後の試験荷重(N)を示す)、この応力緩和率によって評価する。ここでは、試料ごとに厚さ0.25mm×幅10mmの試験片を作製し、標点距離:30mm、試験温度:120℃、試験時間:1000時間、荷重負荷方法:A法とした。初期の試験荷重W0は、試験片を弾性曲げ変形したときに生じる最大の引張応力が、各試料の0.2％耐力(表2に示す室温特性に示す0.2％耐力)の75％〜80％となるように設定した。室温で試験片に設定した初期の試験荷重を負荷した後、120℃に昇温し、経時的に荷重を測定した。1000時間後の残存荷重(N)、応力緩和率(％)を表3に示す。
Figure 0006090167
表3に示すように、特定の組成からなるアルミニウム合金板は、120℃という高温における応力緩和率が低く、高温での応力緩和特性に優れることが分かる。また、特定の組成からなるアルミニウム合金板は、0.25mmといった薄板であっても0.2％耐力が高く、試料によっては200MPa以上であり、優れた耐力を有することが分かる。銅合金からなる試料No.100と比較すると、試料No.100は、室温での0.2％耐力が大きいものの、高温での応力緩和率が60％超である。一方、特定の組成のアルミニウム合金からなる試料No.1〜No.13は、室温での0.2％耐力が試料No.100と同等以下であるものの、高温での応力緩和率が低く、50％以下である。特に、試料No.1,No.3,No.7,No.9は、応力緩和率が13％以下と非常に低く、No.7は10％以下である。従って、これらの試料No.1〜No.13は、経時的にみれば、銅合金からなる試料No.100と同等程度、又は同等以上の残存荷重を有することができる、といえる。
上述のように特定の組成からなるアルミニウム合金板は、黄銅からなる試料No.100と比較して応力緩和率が小さい。このことから、上記アルミニウム合金板によって、例えば、図1に示すメス型端子金具100Fのように嵌合部に弾性片を具える端子金具を構成した場合、上記弾性片が電気的接続に必要な接圧(応力緩和前の接圧)を発生するために必要とされる耐力は、上記銅合金板よりも小さくてよい、と予想される。
銅合金からなる試料No.100の応力緩和特性の結果から、120℃における応力緩和率が0％となるために必要な耐力を算出すると、約202MPaである。応力緩和後に必要な接圧を発生させるために必要な耐力をこの202MPaとするとき、応力緩和前に必要とされる接圧を発生するために必要な耐力は、黄銅からなるNo.100では、460MPaであり、特定のアルミニウム合金からなる試料No.3では、約233MPa、試料No.8では、約405MPaである。このように特定の組成からなるアルミニウム合金板では、応力緩和前に必要とされる接圧を発生するために必要な耐力が上記黄銅の試料No.100よりも小さく、上記の予想が正しいことが裏付けられる。
その他、表3に示すように特定の組成のアルミニウム合金からなる試料No.1〜No.13は、引張強さ、伸び、導電率も十分に高いことが分かる。また、表3に示すように同じ組成であっても、冷間圧延後の熱処理条件を変更することで、応力緩和率、0.2％耐力、引張強さ、伸び、導電率などの特性を更に向上できることが分かる。表3に示すようにSrを更に含有した場合、高い伸びを維持しつつ、耐力や強度が向上することが分かる。例えば、試料No.1と試料No.12,13とを比較すると、Srを含有する試料No.12,13は、伸びが実質的に低下することなく、0.2％耐力や引張強さが向上していることが分かる。また、ZrとSrとを含有する試料No.12と試料No.13とを比較すると、質量比率でZr/Srが大きい試料No.13は、0.2％耐力や引張強さが更に高い上に、伸びが実質的に低下していないことが分かる。更に、Srを含有する場合には、質量比率でZr/Srが3以上50以下を満たす範囲でSrを含有すると、上述のようにアルミニウム合金の脆化を抑制しつつ、耐力や強度の向上が図れるといえる。
以上の結果から、特定の組成からなるアルミニウム合金板は、応力緩和し難く、特に高温になっても応力緩和し難く、耐力に優れることが確認された。
[試験例2]
試験例1で作製したアルミニウム合金板を用いて端子金具を作製し、この端子金具をアルミニウム基電線に取り付けて端子付き電線を作製し、耐食性を調べた。
アルミニウム合金からなる端子金具は、ここでは、図1に示すメス型端子金具100Fを作製し、接点領域(弾性片の表面)にのみSnめっきを施した。比較として、銅合金製の端子金具を作製した。具体的には、試験例1の試料No.100と同様の銅合金板を用意し、この銅合金板の全面にSnめっきを施したものを用意し、このSnめっき銅合金板を用いて、図1に示すメス型端子金具100Fを作製した。
アルミニウム合金からなる導体と、絶縁層とを具えるアルミニウム基電線を用意し、この電線の端部の絶縁層を剥いで導体を露出させ、作製した各端子金具のワイヤバレル部にそれぞれ、この導体を配置して圧縮し、端子付き電線(電線の端末接続構造)を作製した。アルミニウム基電線は、公知のものを利用した。
作製した各端子付き電線について腐食試験を行った。ここでは、異種金属の接触腐食による影響を把握し易いように、以下の条件で腐食試験を行った。NaClを超純水に溶かして、濃度が26質量％の中性水溶液を作製する。平均粒径が100μm程度のシリカ(SiO2)の粉末を濾紙上に載せ、用意した上記中性水溶液をシリカの粉末の上から滴下した後、150℃に加熱した恒温槽中に入れて乾燥し、NaClが付着した粉末を得る(Cl-の付着量:35000ppm)。得られた粉末を各試料の端子付き電線に満遍なく振り掛ける。ここでは、試料の一部が目視確認できる程度に上記粉末を振り掛けた(厚さ1mm以下)。上記粉末が振り掛けられた各試料の端子付き電線を60℃、95％RHに設定した恒温恒湿槽に入れ、6日間(144時間)保持する。6日後、恒温恒湿槽から試料を取り出し、ワイヤバレル部付近を切断し、この断面を観察して、導体の残存率(％)＝{(残存している導体の面積)/(試験前の電線の導体の面積)}×100を求めた。この残存率により耐食性を評価する。導体の面積は、断面写真に画像処理などを施すことで容易に求められる。上記残存率が高いほど、耐食性が高いといえる。
その結果、アルミニウム合金からなる端子金具を具える試料はいずれも、残存率が95％以上であり、耐食性に優れていた。比較として用意した、銅合金からなる端子金具を具える試料は、残存率が95％未満であった。この理由は、電池腐食により、アルミニウム合金からなる導体が溶出したため、と考えられる。
この試験から、アルミニウム合金からなる導体に対して、特定の組成のアルミニウム合金からなる端子金具を利用することで、異種金属の接触腐食が生じ得ず、耐食性に優れる端子付き電線が得られることが確認された。また、この端子金具を利用することで、端子付き電線に対して異種金属の接触腐食を防止するための特別な防食処理が不要であるといえる。
[効果]
上述の試験結果に示すように、特定の組成のアルミニウム合金からなるアルミニウム合金板は、高温における応力緩和特性に優れる上に、耐力が高い。従って、このアルミニウム合金板を端子金具の素材に用いることで、得られた端子金具は、高温になっても応力緩和し難く、圧着力が低下し難い。また、この端子金具が弾性片を具える場合には、弾性片の付勢力が低下し難く、この端子金具が棒状の嵌合部を具える場合には、上記嵌合部の反発力が低下し難い。そのため、この端子金具は、Al合金等からなる導体との接続状態や、端子金具同士の接続状態が緩み難く、長期に亘り、強固な接続状態を維持できる。更に、導体と圧着部、電気的接続部同士が十分に密着することで、長期に亘り、低抵抗な接続構造とすることができる。加えて、このアルミニウム合金板は、耐力に優れることから厚さを薄くした場合でも、応力緩和し難い。従って、厚さが薄いアルミニウム板を端子金具の素材に用いることで、端子金具の小型化、軽量化をも図ることができる。更に、上記特定の組成のアルミニウム合金からなる端子金具は、アルミニウム基電線に取り付けた場合に、この端子金具と電線の導体との間で電池腐食が生じ得ないため、電池腐食によって接触抵抗が増大せず、このことからも低抵抗な接続構造を構築することができる。
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更することができる。例えば、アルミニウム合金の組成、アルミニウム合金板の厚さ、端子金具の形状などを適宜変更することができる。
本発明の端子金具及び本発明の電線の端末接続構造は、例えば、自動車や飛行機などの移動用機器、ロボットなどの産業機器などの配線構造の構成部材に好適に利用することができる。特に、本発明の端子金具及び本発明の電線の端末接続構造は、主成分がアルミニウムであることで軽量であることから、自動車用ワイヤーハーネスの構成部材に好適に利用することができる。本発明の端子用アルミニウム合金板は、上記本発明の端子金具の素材に好適に利用することができる。
100F メス型端子金具 100M オス型端子金具 110 ワイヤバレル部
120 インシュレーションバレル部 130 メス型嵌合部 140 オス型嵌合部
131,132 弾性片
200 電線 210 導体 220 絶縁層

Claims (8)

  1. アルミニウム基電線の導体に圧着される圧着部と、前記圧着部に延設され、別の端子金具に嵌合して電気的に接続される棒状のオス型嵌合部、又は弾性片が設けられたメス型嵌合部とを具える端子金具の素材に用いられる端子用アルミニウム合金板であって、
    質量％で、
    Si：0.6％以上1.5％以下、
    Mg：0.7％以上1.3％以下、
    Cu：0.5％以上1.2％以下、
    Mn：0.5％以上1.1％以下、
    Fe：0.02％以上0.4％以下、
    Cr：0.01％以上0.3％以下、
    Zn：0.005％以上0.5％以下、
    Ti：0.01％以上0.2％以下、
    Zr：0.05％以上0.2％以下を含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金から構成され、
    厚さが0.1mm以上0.5mm以下であり、
    室温での0.2％耐力が200MPa以上である端子用アルミニウム合金板。
  2. 前記アルミニウム合金は、質量％で、Sr：0.005％以上0.05％以下含有する請求項1に記載の端子用アルミニウム合金板。
  3. 120℃での応力緩和率が50％以下である請求項1又は請求項2に記載の端子用アルミニウム合金板。
  4. アルミニウム基電線の導体を圧着する圧着部と、前記圧着部に延設され、別の端子金具に嵌合して電気的に接続される棒状のオス型嵌合部、又は弾性片が設けられたメス型嵌合部とを具える端子金具であって、
    質量％で、
    Si：0.6％以上1.5％以下、
    Mg：0.7％以上1.3％以下、
    Cu：0.5％以上1.2％以下、
    Mn：0.5％以上1.1％以下、
    Fe：0.02％以上0.4％以下、
    Cr：0.01％以上0.3％以下、
    Zn：0.005％以上0.5％以下、
    Ti：0.01％以上0.2％以下、
    Zr：0.05％以上0.2％以下を含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金から構成されるアルミニウム合金板のプレス加工材であり、
    前記アルミニウム合金板の厚さが0.1mm以上0.5mm以下であり、
    前記アルミニウム合金板の室温での0.2％耐力が200MPa以上である端子金具。
  5. 前記アルミニウム合金は、質量％で、Sr：0.005％以上0.05％以下含有する請求項4に記載の端子金具。
  6. 前記メス型嵌合部を具え、
    前記メス嵌合部は、対向配置された弾性片を具える請求項4又は請求項5に記載の端子金具。
  7. アルミニウム又はアルミニウム合金から構成された導体を具えるアルミニウム基電線と、
    前記導体の端部に取り付けられた請求項4から請求項6のいずれか1項に記載の端子金具とを具える電線の端末接続構造。
  8. 自動車に用いられる請求項7に記載の電線の端末接続構造。
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