(57)【要約】【課題】引張強度の更なる向上を図ったアルミニウム基複合材線１０を提供する。【解決手段】アルミニウム基複合材線１０は、アルミニウム基合金と、前記アルミニウム基合金に分散して配置されたセラミックス粒子１２及びセラミックス繊維の少なくとも一方と、を備え、前記セラミックス粒子１２及び前記セラミックス繊維の平均径が５μｍ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム基合金と、
前記アルミニウム基合金に分散して配置されたセラミックス粒子及びセラミックス繊維の少なくとも一方と、を備え、
前記セラミックス粒子及び前記セラミックス繊維の平均径が５μｍ以下である、アルミニウム基複合材線。
【請求項２】
前記セラミックス粒子は、炭化ケイ素により形成されている、請求項１に記載のアルミニウム基複合材線。
【請求項３】
前記アルミニウム基合金に対する前記セラミックス粒子及び前記セラミックス繊維の含有量が４０体積％以下である、請求項１又は２に記載のアルミニウム基複合材線。
【請求項４】
前記アルミニウム基合金の線径が０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のアルミニウム基複合材線。
【請求項５】
前記アルミニウム基合金は、マグネシウム及びケイ素がアルミニウムに添加された合金、又は、銅がアルミニウムに添加された合金である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のアルミニウム基複合材線。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム基合金を基材とするアルミニウム基複合材線に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム基合金を基材とするワイヤは、軽量及び大きな比強度等の特性により幅広い分野で使用されている。例えば、特許文献１のアルミニウム合金電線は、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｎｉを含み、残部がアルミニウム及び不可避不純物であるアルミニウム合金からなり、引張強さが２３０ＭＰａ以上であり、導電率が４４％ＩＡＣＳ以上であり、かつ、伸びが１０％以上である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１０８６０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、アルミニウム基複合材線の用途によっては、引張強度の更なる向上が求められている。
【０００５】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、引張強度の更なる向上を図ったアルミニウム基複合材線を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様に係るアルミニウム基複合材線は、アルミニウム基合金と、前記アルミニウム基合金に分散して配置されたセラミックス粒子及びセラミックス繊維の少なくとも一方と、を備え、前記セラミックス粒子及び前記セラミックス繊維の平均径が５μｍ以下である。この構成によれば、微細なセラミックス粒子及び／又はセラミックス繊維がアルミニウム基合金に分散しているため、断線することなく伸線して、アルミニウム基複合材線を形成することができる。また、セラミックス粒子及び／又はセラミックス繊維によりアルミニウム基複合材線の引張強度が向上する。
【０００７】
アルミニウム基複合材線では、前記セラミックス粒子は、炭化ケイ素により形成されていてもよい。この構成によれば、炭化ケイ素のセラミックス粒子を含むアルミニウム基複合材線は、引張強度に優れる。
【０００８】
アルミニウム基複合材線では、前記アルミニウム基合金に対する前記セラミックス粒子及びセラミックス繊維の含有量が４０体積％以下であってもよい。この構成によれば、セラミックス粒子をアルミニウム基合金に均一に分散するため、断線することなく伸線して、アルミニウム基複合材線を形成することができる。
【０００９】
アルミニウム基複合材線では、前記基材の線径が０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であってもよい。この構成によれば、細い配線からねじなどの多様な用途にアルミニウム基複合材線を用いることができる。
【００１０】
アルミニウム基複合材線では、前記アルミニウム基合金は、マグネシウム及びケイ素がアルミニウムに添加された合金、又は、銅がアルミニウムに添加された合金であってもよい。この構成によれば、アルミニウム基複合材線は引張強度に優れる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、以上に説明した構成を有し、引張強度の更なる向上を図ったアルミニウム基複合材線を提供することができるという効果を奏する。
【００１２】
本発明の上記目的、他の目的、特徴及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係るアルミニウム基複合材線を概略的に示す断面図である。
【図２】第２物性評価に用いたアルミニウム基複合材線に関するデータを示す表である。
【図３】図３Ａは実施例２のアルミニウム基複合材線を光学顕微鏡により組織観察した図であり、図３Ｂは、実施例２のアルミニウム基複合材線をＳＥＭで観察した図である。
【図４】第１物性評価に用いたアルミニウム基複合材線の物性を示す表である。
【図５】図５Ａは実施例５のアルミニウム基複合材線を光学顕微鏡により組織観察した図であり、図５Ｂは、実施例５のアルミニウム基複合材線をＳＥＭで観察した図である。
【図６】第４物性評価に用いたアルミニウム基複合材線の物性を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、説明の便宜上、アルミニウム基複合材線の中心軸側を内側と称し、アルミニウム基複合材線の外周面側を外側と称している。
【００１５】
（実施の形態）
図１は、アルミニウム基複合材線１０を概略的に示す断面図である。アルミニウム基複合材線１０は、断面が円形又はほぼ円形の長尺のワイヤであって、例えば、その長手方向に垂直な断面の径が０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、長さが数十ｍから数百ｍである。
【００１６】
アルミニウム基複合材線１０は、アルミニウム基合金の基材１１と、基材１１に分散して配置されたセラミックス粒子１２及びセラミックス繊維の少なくとも一方と、を備えている。アルミニウム基合金は、アルミニウムを主成分とする合金であって、例えば、アルミニウムに、銅、マグネシウム、ケイ素、鉄、ジルコニウム、クロム等の合金化金属（添加物）を添加して鋳造することにより形成される。
【００１７】
例えば、アルミニウム基合金は、アルミニウムに銅を主に添加したアルミニウム合金（いわゆる、２０００系のアルミニウム合金）が好ましい。この場合、例えば、銅の添加率は３．５％以上６．０％以下である。これを用いたアルミニウム基複合材線１０は、強度が高く、鍛造加工材料として適している。なお、アルミニウム基合金には、銅以外の添加物が添加されていてもよい。
【００１８】
また、アルミニウム基合金は、アルミニウムにマグネシウム及びシリコン（ケイ素）を主に添加したアルミニウム合金（いわゆる、６０００系のアルミニウム合金）が好ましい。この場合、例えば、マグネシウムの添加率は０．３５％以上１．２％以下であって、ケイ素の添加率は０．２％以上１．３％以下である。これを用いたアルミニウム基複合材線１０は、耐食性に優れ、強度が高く、押出加工材料として適している。なお、アルミニウム基合金には、マグネシウム及びケイ素以外の添加物が添加されていてもよい。
【００１９】
セラミックス粒子１２及びセラミックス繊維は、酸化物、複合酸化物、窒化物及び炭化物、並びにその他の無機化合物等の形態が挙げられる。酸化物として、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、シリカ（ＳｉＯ2）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、イットリア（Ｙ2Ｏ3）が挙げられる。複合酸化物として、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）、ジルコン（ＺｒＯ2・ＳｉＯ2）が挙げられる。窒化物として、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）が挙げられる。炭化物として、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、タングステンカーバイト（ＷＣ）が挙げられる。
【００２０】
なお、カーボン系の添加物などを、アルミニウム基複合材線１０にさらに配合してもよい。このカーボン系の添加物として、例えば、カーボンブラック、炭素繊維、黒鉛、カーボンナノチューブが挙げられる。
【００２１】
セラミックス粒子１２及びセラミックス繊維の平均径は、例えば、５μｍ以下である。この平均径は、セラミックス粒子１２については粒子径であり、セラミックス繊維についてはその繊維の長手方向に垂直な断面における径である。平均径が５μｍより大きいと、セラミックス粒子１２がアルミニウム基合金の基材１１に均一に分散することが難しく、径が０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下の細いアルミニウム基複合材線１０を形成することが困難である。さらに、例えば、径が０．５ｍｍ以上１．２ｍｍ以下の細いアルミニウム基複合材線１０には、平均径が０．３μｍ以上５μｍ以下のセラミックス粒子１２が好ましい。これにより、破断することなく伸線して、アルミニウム基複合材線１０を形成することができる。
【００２２】
また、アルミニウム基複合材線１０の線径に対するセラミックス粒子１２の平均径の比率は、例えば、０．００６０以下である。これにより、破断することなく伸線して、アルミニウム基複合材線１０を形成することができる。
【００２３】
アルミニウム基合金の基材１１に対するセラミックス粒子１２の含有量は、例えば、４０体積％以下であり、好ましくは、６体積％以上且つ４０体積％以下であって、そのうち、２０体積％以下であることがさらに好ましい。含有量を４０体積％以下にすることにより、破断することなく伸線して、アルミニウム基複合材線１０を形成することができる。また、含有量を６体積％以上にすることにより、アルミニウム基複合材線１０について高い引張強度を得ることができる。
【００２４】
アルミニウム基複合材線１０は、例えば、アルミニウム基合金の粒子とセラミックス粒子１２とを用いてメカニカルアロイング法及び熱間等方圧加圧により製造されたアルミニウム基複合材を用いて形成される。
【００２５】
具体的には、不活性雰囲気中でのボールミルにおけるボールの衝突エネルギーを利用して、アルミニウム基合金とセラミックスとの粒子同士の折りたたみと圧延を繰り返し起こさせることにより、微細に混合していく。そして、混合された合金を熱間等方圧加圧により焼結してアルミニウム基複合材の塊を形成する。この塊に圧延加工を施して棒状の線材（圧延棒材）、又は、押出加工を施して棒状の線材（押出棒材）を形成する。
【００２６】
そして、この線材に伸線加工を施して、所定の線径まで細くしてアルミニウム基複合材線１０を形成する。この伸線加工としては、線材をロールの間に通す圧延、及び、線材を伸線ダイスに通すダイス伸線が例示される。
【００２７】
なお、伸線加工後に熱処理を施して、アルミニウム基複合材線１０を形成してもよい。この熱処理には、溶体化処理、水冷、及び、人工時効を組み合わせた処理が例示される。
【００２８】
このようなアルミニウム基複合材線１０について引張強度及び破断伸びに関する第１物性評価を行った。第１物性評価では、図４に示す条件により作製したアルミニウム基複合材線１０を用いた。以下、図４において、添加物がマグネシウム及びケイ素のアルミニウム基合金については、そのマグネシウムの添加率は０．３５％以上１．２％以下である。
【００２９】
具体的には、第１物性評価では、アルミニウムにマグネシウム及びケイ素を主に添加したアルミニウム基合金の基材１１に、平均径０．７μｍの炭化ケイ素のセラミックス粒子１２を含有し、径が１．２ｍｍのアルミニウム基複合材線１０を用いた。このうち、実施例１は、セラミックス粒子１２の含有率が１２体積％のアルミニウム基複合材線１０であり、実施例２は、セラミックス粒子１２の含有率が２０体積％のアルミニウム基複合材線１０のアルミニウム基複合材線１０である。
【００３０】
この第１物性評価の引張強度及び破断伸びの試験では、万能材料試験機（引張・圧縮試験機）型番RTF-1310を用い、ここで、１００ｍｍスパンにおいて１００ｍｍ／ｍｉｎの速度で平チャックを移動させて、試験を行った。この結果、実施例１のアルミニウム基複合材線１０の引張強度が３５４Ｍｐａであり、実施例２のアルミニウム基複合材線１０の引張強度が４７１Ｍｐａであって、いずれのアルミニウム基複合材線１０も高い引張強度を示した。また、アルミニウム基複合材線１０の破断伸びは、４．８％であり、アルミニウム基複合材線１０は伸び難い性質を示した。
【００３１】
また、アルミニウム基複合材線１０について加工性に関する第２物性評価を行った。第２物性評価では、図２に示す条件により作製したアルミニウム基複合材線１０を用いた。なお、図２において、添加物がマグネシウム及びケイ素のアルミニウム基合金については、そのマグネシウムの添加率は０．３５％以上１．２％以下であって、ケイ素の添加率は０．２％以上１．３％以下である。また、添加物が銅のアルミニウム基合金については、その銅の添加率は３．５％以上６．０％以下である。
【００３２】
具体的には、図２に示す各添加物を主に添加したアルミニウム基合金の基材１１に各径のセラミックス粒子１２を各含有量、含有したアルミニウム基複合材を用いた。このアルミニウム基複合材を圧延加工又は押出加工により径が３．５ｍｍ及び４．０ｍｍの線材（圧延棒材又は押出棒材）を形成した。そして、ダイス伸線の伸線加工、又は、ダイス伸線及び圧延の組み合せの伸線加工によって線材を各線径まで延ばして、アルミニウム基複合材線１０を形成した。
【００３３】
これら全てのアルミニウム基複合材線１０は、伸線加工時に破断することなく各線径まで伸線することができた。例えば、実施例３の平均径が０．７μｍで、添加率が６体積％のセラミックス粒子１２を含有したアルミニウム基複合材線１０については０．５ｍｍの線径まで伸線することができた。
【００３４】
実施例６の平均径が５μｍで、添加率が１５体積％のセラミックス粒子１２を含有したアルミニウム基複合材線１０については１．２ｍｍの線径まで伸線することができた。
【００３５】
実施例７の平均径が３μｍで、添加率が１７体積％のセラミックス粒子１２を含有したアルミニウム基複合材線１０については０．５ｍｍの線径まで伸線することができた。
【００３６】
実施例９の平均径が０．３μｍで、添加率が１７体積％のセラミックス粒子１２を含有したアルミニウム基複合材線１０については０．５ｍｍの線径まで伸線することができた。
【００３７】
また、アルミニウム基複合材線１０についてセラミックス粒子１２の分散性に関する第３物性評価を行った。第３物性評価では、実施例２のアルミニウム基複合材線１０、及び、実施例５のアルミニウム基複合材線１０を用いた。
【００３８】
図３Ａは、光学顕微鏡による実施例２のアルミニウム基複合材線１０の組織観察図であり、図３Ｂは、実施例２のアルミニウム基複合材線１０をＳＥＭで観察した図である。図５Ａは、光学顕微鏡による実施例５のアルミニウム基複合材線１０の組織観察図であり、図５Ｂは、実施例５のアルミニウム基複合材線１０をＳＥＭで観察した図である。
【００３９】
図３Ａ及び図５Ａに示す黒い領域が炭化ケイ素のセラミックス粒子１２を示し、図３Ｂ及び図５Ｂに示す白い領域が炭化ケイ素のセラミックス粒子１２を示す。図３Ａ、図３Ｂ、図５Ａ及び図５Ｂに示すようにアルミニウム基合金の基材１１においてセラミックス粒子１２が均一に分散している。
【００４０】
さらに、アルミニウム基複合材線１０について物性に関する第４物性評価を行った。第４物性評価では、図６に示す条件により作製したアルミニウム基複合材線１０を用いた。以下、図６において、添加物がマグネシウム及びケイ素のアルミニウム基合金については、そのマグネシウムの添加率は０．３５％以上１．２％以下であって、ケイ素の添加率は０．２％以上１．３％以下である。また、添加物が銅のアルミニウム基合金については、その銅の添加率は３．５％以上６．０％以下である。
【００４１】
具体的には、図６に示す各添加物を主に添加したアルミニウム基合金の基材１１に各径のセラミックス粒子１２を各含有量、含有したアルミニウム基複合材を用いた。このアルミニウム基複合材を押出加工により径が３．５ｍｍ及び４．０ｍｍの線材（押出棒材）を形成した。そして、ダイス伸線の伸線加工、又は、ダイス伸線及び圧延の組み合せの伸線加工によって線材を各線径まで延ばして、アルミニウム基複合材線１０を形成した。なお、実施例１１については、水冷、及び、人工時効を組み合わせた熱処理を施して、アルミニウム基複合材線１０を形成した。
【００４２】
このように形成した実施例１０〜１５のアルミニウム基複合材線１０について、引張強度、伸び及びヤング率を測定した。この引張強度及び伸びの試験では、万能材料試験機（引張・圧縮試験機）型番RTF-1310を用い、ここで、１００ｍｍスパンにおいて１００ｍｍ／ｍｉｎの速度で平チャックを移動させて、試験を行った。
【００４３】
第４物性評価の結果、図６に示すように、実施例１０〜１５のいずれのアルミニウム基複合材線１０についても、高い引張強度を示している。また、実施例１１のアルミニウム基複合材線１０は、実施例１０のアルミニウム基複合材線１０に熱処理を施したアルミニウム基複合材線１０であって、引張強度が向上している。
【００４４】
実施例１３〜１５のアルミニウムに銅を主に添加したアルミニウム基複合材線１０は、実施例１０〜１２のアルミニウムにマグネシウム及びケイ素を主に添加したアルミニウム基複合材線１０よりも高い引張強度を示している。また、実施例１０〜１２のアルミニウムにマグネシウム及びケイ素を主に添加したアルミニウム基複合材線１０は、実施例１３〜１５のアルミニウムに銅を主に添加したアルミニウム基複合材線１０よりも大きな伸びを示している。
【００４５】
このように、アルミニウム基合金の基材１１に平均径が５μｍ以下のセラミックス粒子１２及び／又はセラミックス繊維を含有したアルミニウム基複合材線１０は高い引張強度を示す。さらに、アルミニウム基複合材線１０はアルミニウム線に比べて、剛性、疲労強度、高温強度、高温疲労強度、低熱膨張、熱伝導性、耐摩耗性、摺動性及び振動減衰性に優れている。これにより、優れた機械的特性を求める分野においてアルミニウム基複合材線１０を用いることができる。
【００４６】
さらに、通常、セラミックス粒子を含有したアルミニウム基複合材は硬くてもろく、塑性加工が困難であった。これに対して、平均径が５μｍ以下の微細なセラミックス粒子１２及び／又はセラミックス繊維をアルミニウム基合金の基材１１に均一に分散することにより、０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下の細いアルミニウム基複合材線１０を形成することができる。
【００４７】
また、アルミニウム基複合材線１０は加工性に優れ、例えば、鍛造加工材料及び曲げ加工材料に適している。また、アルミニウム基複合材線１０は、コントロールケーブル、シャフト、ねじ、歯車、ばね等にも用いることができる。
【００４８】
なお、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。
【００４９】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明のアルミニウム基複合材線は、引張強度の更なる向上を図ったアルミニウム基複合材線等として有用である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  ：アルミニウム基複合材線
１１  ：基材
１２  ：セラミックス粒子
【図１】
2018119212.tif 000003
【図２】
2018119212.tif 000004
【図３】
2018119212.tif 000005
【図４】
2018119212.tif 000006
【図５】
2018119212.tif 000007
【図６】
2018119212.tif 000008