(57)【要約】【課題】溶断特性の調整が可能であり、従来品に比較して通電時の温度上昇が低く、また機械的性質やプレスや鍛造等の加工性等の諸特性が改善されると共に、自動車用のヒューズとして長期的に安定して使用できる比較的安価な材料を提供する。【解決手段】重量％でＡｌ：３.０〜８.０％およびＭｇ：０.０００５〜０.０６％を含み、残部がＺｎおよび不可避的不純物からなる亜鉛合金材を用いたヒューズとする。ヒューズ材は、溶断部が鍛造加工および打抜きにより板状、または、通常の伸線加工により直径０.１〜５.０ｍｍの線状に仕上げられる。標準的な６.４％Ａｌ−０.００５％Ｍｇを含むヒューズ材は、瞬間的な過電流には溶断せず比較的長い時間の過電流により溶断するという自動車用ヒューズとして好適な「タイムラグ溶断型」を示す。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％でＡｌ：３.０〜８.０％およびＭｇ：０.０００５〜０.０６％を含み、残部がＺｎおよび不可避的不純物からなる組成を有する亜鉛合金材の該Ａｌ配合比を変えることによって、ヒューズにおける溶断時間を拡大乃至縮小することを特徴とするヒューズ用亜鉛合金の製造方法。
【請求項２】
重量％でＡｌ：３.０〜８.０％およびＭｇ：０.０００５〜０.０６％を含み、残部がＺｎおよび不可避的不純物からなる組成を有し、且つ、液相線と固相線との温度差が２５℃未満である亜鉛合金材の該Ａｌ配合比を変えることによって、ヒューズにおける溶断時間を拡大乃至縮小することを特徴とするヒューズ用亜鉛合金の製造方法。
【請求項３】
重量％でＡｌ：３.０〜８.０％およびＭｇ：０.０００５〜０.０６％を含み、残部がＺｎおよび不可避的不純物からなる組成を有し、且つ、引張強度２００Ｎ／ｍｍ2以上、硬度Ｈｖ５０以上、伸び５０％以上、導電率３０％ＩＡＣＳ以上で、液相線と固相線との温度差が２５℃未満である亜鉛合金材の該Ａｌ配合比を変えることによって、ヒューズにおける溶断時間を拡大乃至縮小することを特徴とするヒューズ用亜鉛合金の製造方法。
【請求項４】
前記ヒューズが普通溶断型、タイムラグ溶断型または速動溶断型のヒューズである、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はヒューズ材およびヒューズに関するものであって、特に自動車用としての諸特性に優れたヒューズ用亜鉛合金およびヒューズならびにその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、溶断特性からみて、ヒューズには大きく分けて下記の３タイプがある。
１.「速動溶断型」と呼ばれ、過電流に速やかに反応して溶断時間が短く、主に半導体の保護に利用されているタイプ。
２.「タイムラグ溶断型」と呼ばれ、モーターの起動電流など瞬間的な過電流に即応して溶断することなく、過電流に対する溶断時間が長く、瞬間的な過電流を伴う回路の保護を目的としたタイプであり、自動車用ヒューズもこのタイプに属する。
３.「普通溶断型」と呼ばれ、上記２タイプの中間的特性を持ち、一般的な回路に利用されているタイプ。
【０００３】
従来、自動車用ヒューズとしては、古くは純亜鉛を材料とするガラス管ヒューズが用いられたが、最近では亜鉛を主成分とするＺｎ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金を使用したブレード型ヒューズ等亜鉛合金系のものが主流となっており、また、溶断部を亜鉛合金線に置き換えた特殊なブレード型ヒューズを使用する等ヒューズの溶断特性の調整が形状面からも行われるようになっており、現在、さらに溶断部に別部材を組み付けて溶断特性の調整をすることも行われている。
また、ヒューズにおいては、製造過程において諸加工を必要としており、加工性もまた重要な要素になっている。
【０００４】
純亜鉛は導電率が２８％ＩＡＣＳで融点４１９.５℃であって純亜鉛を材料とするヒューズは速動溶断型であり、重量％でＺｎ−０.３〜０.６％Ｃｕ−０.１〜０.３％Ｔｉ合金は導電率が２７％ＩＡＣＳで融点４２０〜４２２℃であり、普通溶断型に相当している（以下、成分％は重量％を示すものとする）。このようなヒューズの溶断特性に関連してその材料面からの提案として、特開平１０−１３４６９８号公報にはＡｌが０.５〜１７.０％で残部がＺｎと不可避的不純物からなる材料によって可溶温度を３００〜４００℃に下げたとするヒューズ用亜鉛合金が開示されている。
【特許文献１】特開平１０−１３４６９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、最近、自動車の電装品の増加によってバッテリーの容量アップが検討され、バッテリー電圧の高電圧化が検討されている。
この場合、回路数の増加やその高密度化のため、従来のＺｎ−Ｃｕ−Ｔｉ合金系のヒューズでは抵抗性の点から通電時の温度上昇が高くなり、この熱により周辺のケースやヒューズハウジングに悪影響を与えるという問題があり、また、溶断部が熱により溶断したときアーク放電が発生して溶断不良を生じやすいという問題があった。さらに、このＺｎ−Ｃｕ−Ｔｉ合金ではヒューズの溶断部を薄板に加工仕上げする際、寸法不良やこま折れの不具合が発生し易く加工性に問題があった。
【０００６】
また、上記特開平１０−１３４６９８号公報の技術による亜鉛材料では、Ａｌの含有範囲を０.５〜１７.０％と広くしてあるが、Ａｌが約８％以下では実質的に機械的強度が低く、また、Ａｌが８％以上では、Ｚｎ―Ａｌ合金の状態図（図１参照）から分かるように、液相線と固相線との温度差が２５℃以上となり、液相と固溶体の共存区間が長くなり、ヒューズとして使用した場合、溶断特性が不良となる等自動車用ヒューズとしても適当でなく、さらに、Ｚｎ−Ａｌ二元合金系には耐食性の面から長期安定性に問題がある。
【０００７】
上記の問題に鑑み、本発明は、溶断部に別部材を組み付ける等の特殊な加工を施すことなく、溶断特性の調整が可能であり、従来品に比較して通電時の温度上昇が低く、また、機械的性質をはじめプレスや鍛造等の加工性等の諸特性が改善されると共に、自動車用等のヒューズとして長期的に安定して使用でき、比較的安価な材料として供給できるヒューズ用亜鉛合金材料、ヒューズの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は上記の諸課題を解決するために主として材料面から鋭意研究した結果、ヒューズ材の組成として亜鉛に所定量のＡｌに加えてさらにＭｇを含有させることにより極めて優れた特性を有して前記の目的を達成し得る新規なヒューズ用亜鉛合金材が得られることを知見し、本発明を提供するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、第１に、重量％でＡｌ：３.０〜８.０％およびＭｇ：０.０００５〜０.０６％を含み、残部がＺｎおよび不可避的不純物からなる組成を有する亜鉛合金材であることを特徴とするヒューズ用亜鉛合金であり、第２に、前記亜鉛合金材が自動車のヒューズ用である、第１記載のヒューズ用亜鉛合金であり、第３に、前記亜鉛合金材が、前記組成を有する板厚０.５〜１.０ｍｍの板状体が鍛造加工および打抜きによって仕上げられヒューズ溶断部を形成する亜鉛合金材である、第１または２に記載のヒューズ用亜鉛合金であり、第４に、前記亜鉛合金材が直径０.１〜５.０ｍｍの線である、第１または２に記載のヒューズ用亜鉛合金であり、第５に、第１〜４のいずれかに記載の亜鉛合金材からなることを特徴とするヒューズであり、第６に、重量％でＡｌ：３.０〜８.０％およびＭｇ：０.０００５〜０.０６％を含み、残部がＺｎおよび不可避的不純物からなる組成を有する亜鉛合金材を圧延によって０.５〜１.０ｍｍの厚さの圧延板とし、該圧延板についてさらに鍛造加工および打抜きを行って、ヒューズ溶断部を形成することを特徴とするヒューズの製造方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明合金のヒューズは従来合金のヒューズに比較して通電時の温度上昇が低く、周辺のケースやヒューズハウジングに悪影響を与えることが防止できる。また、本発明合金のヒューズ材は機械的特性やプレス加工性、鍛造加工性、溶断特性また耐食性等の諸特性が改善されたヒューズ用亜鉛合金からなり、自動車用のヒューズとして長期安定的に使用できるばかりでなく、価格の安い材料として供給できるため経済的価値も高い。
また、本発明によれば、ヒューズ材における液相−固相両線の温度差を調整することにより、溶断部に別部材を使用することなく、「普通溶断型」、「タイムラグ溶断型」さらには「速動溶断型」の各特性に対応が可能なヒューズが得られるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、ヒューズ材として３.０〜８.０％Ａｌおよび０.０００５〜０.０６％Ｍｇを含有し残部が亜鉛と不可避的不純物からなるＺｎ−Ａｌ―Ｍｇ系亜鉛合金材を使用する。この材料は、(1) 従来のＺｎ−０.３〜０.６％Ｃｕ−０.１〜０.３％Ｔｉ系亜鉛合金によるヒューズ材に比べて融点が低く、(2) Ａｌの配合比を変えることにより、図１の部分状態図に示すように、液相−固相線間の温度差すなわち合金の液相と固溶体との混合領域の温度幅が変化するという特徴を有し、Ａｌの配合比を変えることで、ヒューズにおける溶断時間を拡大乃至縮小することができるという特長を有する。
なお、図１は、０.００５％Ｍｇを含むＺｎ−Ａｌ合金についてＡｌ含有量を１.８〜１５.０％に変化させた場合の液相線と固相線と共析変態温度を示差熱分析手法により本発明者等が実測した結果に基づいて作成してある。
【００１２】
本発明亜鉛合金によるヒューズ材の製造にあたっては、熱間押出し法や縦型または横型連続鋳造方法、あるいはロータリーストリップキャスト法等の従来のいずれの製造方法をも利用できる。溶製した本発明の組成のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金の溶湯から、例えば、ロータリーストリップキャスト法（ストリップ形成溝を有する鋳造ホィールとこれを被う鋼帯を備える連続鋳造機を用いる）と２段ロール圧延法の組合わせにより３.５〜８ｍｍ厚さのコイルを製造することができる。
【００１３】
このコイルは引き続き１５０〜３００℃の熱間圧延を経由しまたは経由することなく冷間圧延を実施することにより０.５〜１.０ｍｍ厚さのコイルに作製することができる。その後、適当な幅となるようにスリッター加工を行い、０.５〜１.０μｍの銅下地めっきと１〜２μｍのＳｎめっき処理を行う。この場合、スリッター加工とめっき加工の順番は逆になっても差し支えない。
次に、プレス加工によりヒューズの型に打抜き、さらに、その溶断部について数回の鍛造とプレスによる型抜きを繰り返すことにより、厚さ０.１ｍｍの定格２〜３０Ａに必要な断面積の溶断部をもつヒューズを作製することができる。
この鍛造加工は加工度の微調整が容易であり、また、微小厚さの制御と共に、結晶組織を均一制御し機械的特性と溶断特性を均一保持させるための極めて重要な加工となっている。
【００１４】
なお、本発明亜鉛合金は、直径０.１〜５.０ｍｍの細線状ヒューズとしても使用できる。本発明亜鉛合金は細線加工にあたり、一般の伸線加工方法を問題なく適用できる。すなわち、円柱状亜鉛合金インゴットを熱間押出し加工により、または、ロータリーストリップキャスト法と多段タンデム圧延機の組み合わせで素線を得、さらに高速伸線加工によって容易に前記細径のヒューズ線に仕上げることができる。
【００１５】
本発明における典型的なＺｎ−６.４％Ａｌ−０.００５％Ｍｇ合金によるヒューズ材は導電率が３２％ＩＡＣＳで融点が３９３℃である。
すなわち、本発明合金組成のヒューズは、導電性に優れ抵抗熱が少なく、且つ、上記温度範囲を拡大するとヒューズの溶断温度に幅ができ、比較的低い温度での長時間通電により溶断するようになる。従ってこのヒューズ材は瞬間的な過電流による溶断は防止されるが、比較的長い時間の過電流で溶断が行われるという「タイムラグ溶断型」の溶断特性を出すのに適している。
このヒューズ材はまた、温度範囲を狭めておくことで、従来の一般向けヒューズの場合と同様の「普通溶断型」の特性を出すこともできる。また、共晶成分を選択することで半導体回路用の「速動溶断型」とすることも可能である。
【００１６】
この結果、本発明のヒューズ材は前記した純亜鉛や従来のＺｎ−Ｃｕ−Ｔｉ系亜鉛合金によるものに比べて導電率が高く、材料の抵抗が小さくなるため、ヒューズに加工して定格電流を通電した場合の端子の温度上昇は小さくなり、周辺のケースやヒューズハウジングに悪影響を与えないという特長を有する。
また、融点も低くなっているため、同定格のヒューズを設計する場合には抵抗の設計値を下げることができ、さらに温度上昇を抑制することが可能になるためヒューズ材として極めて適切である。
【００１７】
ヒューズ用亜鉛合金において８％以下のＡｌ単独の添加の場合では機械的強度が低く、そのままでは自動車用ヒューズとしては不適当であるが、本発明では、Ｍｇの添加により向上する機械的強度により十分に補うことができる。また、Ａｌが８％を越えると機械的強度は向上するものの、液相線と固相線間の間隔が拡大し過ぎて、ヒューズとしての溶断性が不十分となる。
一方、Ａｌの含有量が３％未満の場合は、導電率が下がることからヒューズの通電に対する温度上昇度が高くなる。
このため、本発明ではＡｌの含有量については３.０〜８.０％とする。
【００１８】
３.０〜８.０％のＡｌを含む亜鉛合金に第３元素として少量のＭｇを添加することにより融点や導電率を変化させることなく、上記のように機械的強度を顕著に改善することができる。しかし、Ｍｇが０.０００５％未満ではこのような機械的強度の改善効果は十分でない。
また、Ｍｇが０.０６％を越えて含有された場合は伸びが小さくなり、製造時の圧延加工において割れの発生が見られる等加工性に問題を生じる。
さらに、Ｍｇの添加は亜鉛合金ヒューズの耐食性を向上させるという顕著な効果を有する。
以上の結果から、本発明においてはＭｇの含有量は０.０００５〜０.０６％とする。
【００１９】
本発明の亜鉛合金によるヒューズ材は、引張強度が２００Ｎ／ｍｍ2 以上 、硬度（Ｈｖ）が５０以上、伸びが５０％以上、導電率が３０％ＩＡＣＳ以上であり、融点は３８０〜４１８℃である。
たとえば、Ｚｎ−６.４％Ａｌ−０.００５％Ｍｇ合金では引張強度が約２５８Ｎ／ｍｍ2 、硬度がＨｖ＝７０、伸びが約５０％である。
【００２０】
これに対して、Ｍｇを含まないＺｎ−６.４％Ａｌ合金材は引張強度が約１６０Ｎ／ｍｍ2 、硬度がＨｖ＝３５と低く、また、現在自動車用ヒューズ材として最も多く使われているＺｎ−０.５６％Ｃｕ−０.１３％Ｔｉ合金材の導電率は２７％ＩＡＣＳと低い。
すなわち、本発明合金によるヒューズ材の従来材料に対する優位性は明らかで、これまでの製造ラインを使用する場合において、プレス等加工時や組立て時における取り扱いが容易になっている。
【００２１】
なお、本発明合金によるヒューズ材は、液相線−固相線間の幅の選択により溶断時間の調整が可能であり、自動車用ヒューズ等「タイムラグ溶断型」ヒューズに限ることなく、一般回路用の「普通溶断型」への適用が可能であり、さらには成分の厳しい条件付与により半導体回路向けの「速動溶断型」のヒューズ材としても利用可能である。また、極一般的な半田ヒューズに比べても鉛を含まないヒューズ材料であり、地球環境にも優しいヒューズとなっている。
【実施例】
【００２２】
表１に示される各組成の本発明実施例合金１〜３およびＺｎ−Ｃｕ−Ｔｉからなる従来合金を含む比較例合金１〜６をそれぞれ鋳造し、そのインゴットを熱間圧延と冷間圧延により、厚さ０.８ｍｍの圧延板に加工した。次いで該圧延板を鍛造加工によりヒューズ溶断部として厚さ０.１ｍｍまで薄くした後、プレス打抜きにより仕上げを行い定格電流５Ａと２５Ａのヒューズ端子を作りヒューズ材とし、さらにこれをインナーケースに組み付けヒューズ供試材とした。ただし、比較例合金４は圧延時に割れが発生したので、以後の加工を中止し、測定試験は行わなかった。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
比較例合金４を除く供試材について、機械的特性、導電率、加工性、さらに溶断特性と温度上昇度について測定試験を行った。
その結果を表２と表３に示した。
なお、上記測定試験において、機械的特性は、引張強度、伸び、硬度を測定して評価し、特に、引張強度２００Ｎ／ｍｍ2 以上、かつ、硬度Ｈｖ５０以上を基準に良好（○）、不良（×）に区分した。加工性は、製品の割れを基準にプレス加工性と鍛造加工性を評価し、一応使用に耐える場合の評価（△）をも加えた。
溶断特性は各供試材に定格電流の１１０％、１３５％、１５０％、２００％、３５０％、６００％の電流を通電し、溶断時間を測定して実質定格と溶断状況を調査して評価し、通電率２００％における溶断時間５秒以上を基準とした。
温度上昇は定格２５Ａのヒューズに対して、定格電流の１００％電流を１時間通電時のハウジング端子の温度を測定して評価し、上昇温度７０℃を基準に良、不良を区分した。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
【表３】
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【００２７】
また、特に、標準的な組成を示す実施例合金３と従来ヒューズ材に相当する比較例合金６について、通電率に対する溶断までの時間の関係を表４と図２に示した。
【００２８】
【表４】
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【００２９】
前記のように、比較例合金４は加工性が悪く、測定試験を行わなかった。比較例合金５（純Ｚｎ）については強度が弱く、プレス加工時に金型への付着が強くて問題があり、以降の鍛造加工性の検討や溶断特性等の測定試験は行わなかった。また、比較例合金２と従来のＺｎ−Ｃｕ−Ｔｉ合金による比較例合金６は鍛造加工性が劣っていた。ヒューズに加工して以降の試験を実施した比較例合金１と比較例合金３は比較例合金６に比べても機械的強度や特性が若干低く、プレス性や鍛造性も実施例合金１〜３に比べて若干劣っていた。実施例合金１〜３については強度とプレス加工性、鍛造加工性に全く問題はなく、実施例合金間の差もなかった。
【００３０】
溶断特性に関しては、比較例合金１と比較例合金２は液相線と固相線の温度差が２５℃以上に達し溶断特性が不良であった。また、比較例合金６も溶断時にアーク放電が発生し溶断不良を生じ易かった。
比較例合金１の温度上昇は８５℃、比較例合金６は９９℃になったのに対して、本発明実施例合金１〜３および比較例合金２と比較例合金３は６１℃〜６５℃の範囲で温度上昇が抑制されていた。
また、表４と図２から、実施例合金３によるヒューズの溶断特性は、比較例合金６によるヒューズの特性とは異なり、通電率約１５０％から約４００％部分において溶断時間が長くなることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】Ｚｎ−Ａｌ合金の共晶成分付近の部分状態図である。
【図２】本発明の実施例合金によるヒューズと従来の比較例合金によるヒューズの溶断特性を示す図表である。
【図１】
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【図２】
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