(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｇ：０．１１〜１．０３原子％、
Ｓｉ：０．１０〜０．９０原子％、及び
Ｎｉ：０．００５〜０．２５原子％
を含み、残部がアルミニウム及び０．１５原子％以下の不可避不純物であるアルミニウム合金を荒引してアルミニウム合金荒引線を得る工程、
前記アルミニウム合金荒引線を溶体化処理して溶体化処理後線材を得る工程、
前記溶体化処理後線材を最終線径まで伸線加工して最終伸線線材を得る工程、
前記最終伸線線材を複数本撚り合わせて撚線導体を得る工程、
前記撚線導体に電流を流し、ジュール熱を発生させて焼鈍して焼鈍後撚線導体を得る工程、及び
前記焼鈍後撚線導体の時効硬化をする工程、
を順次含むアルミニウム合金撚線導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金電線及びそれを用いたワイヤーハーネスに関する。詳細には、本発明は、導電率、強度及び伸びに優れたアルミニウム合金電線、及び当該アルミニウム合金電線を用いたワイヤーハーネスに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用ワイヤーハーネス等に用いられる電線の導体材料としては主として銅が使用されてきたが、電線の軽量化という要請からアルミニウムが注目されている。また、更なる軽量化の要請から、アルミニウム電線の細径化も進んでいる。
【０００３】
ここで、アルミニウム電線を細径化した場合、当該電線に必要な耐荷重は低下する。しかし、ワイヤーハーネスの製造工程や組付け工程において、電線端末の端子接合部や電線自体に衝撃が加わるため、その衝撃に耐えるべく、電線材料は高い強度と伸びを有する必要がある。また、銅電線をアルミニウム電線に置き換えるためには、導体材料は高い導電性を有することが好ましい。
【０００４】
このような要請を満たすために、従来よりアルミニウムに所定量の元素を添加することが行われている。特許文献１では、質量％で、Ｍｇを０．２％以上１．５％以下、Ｓｉを０．１％以上２．０％以下、Ｆｅを０．１％以上１．０％以下、又はＣｕ，Ｃｒ，Ｍｎ及びＺｒから選択される少なくとも一種の元素とＦｅとを合計で０．１％以上１．０％以下、Ｔｉを０．０８％以下及びＢを０．０１６％以下含有し、残部がＡｌ及び不純物からなるアルミニウム合金線が開示されている。そして、当該アルミニウム合金線は、導電率が４０％ＩＡＣＳ以上、引張強さが１５０ＭＰａ以上、伸びが５％以上、線径が０．５ｍｍ以下、かつ、最大結晶粒径が５０μｍ以下であることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５１５５４６４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、アルミニウム合金線の高強度化を図るためにマグネシウムとケイ素の含有量を増やす必要があることから、背反として導電率が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術が有する課題に鑑みてなされたものである。そして本発明の目的は、強度及び伸びに加え、導電性を向上させたアルミニウム合金電線及びそれを用いたワイヤーハーネスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様に係るアルミニウム合金電線は、アルミニウム合金素線を含むアルミニウム合金電線であって、当該アルミニウム合金素線は、Ｍｇ：０．１１〜１．０３原子％、Ｓｉ：０．１０〜０．９０原子％、及びＮｉ：０．００５〜０．２５原子％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る。そして、アルミニウム合金素線は、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。
【０００９】
本発明の第２の態様に係るアルミニウム合金電線は、第１の態様に係るアルミニウム合金電線において、アルミニウム合金素線は、Ｍｇ：０．１１〜０．９１原子％、Ｓｉ：０．１０〜０．８０原子％、及びＮｉ：０．００５〜０．２原子％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る。
【００１０】
本発明の第３の態様に係るワイヤーハーネスは、第１又は第２の態様に係るアルミニウム合金電線を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のアルミニウム合金電線は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金に対して第四元素としてニッケルを含有させたアルミニウム合金素線を使用している。そのため、導電性を損なわずに、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金に比べて高強度化した電線を得ることが可能となる。また、当該アルミニウム合金素線は、従来に比べて高いレベルの高強度・高導電性を有するため、アルミニウム電線の細径化や適用部位の拡大によってワイヤーハーネスの軽量化に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】アルミニウムに元素を添加した場合における、アルミニウム合金の導電率と添加元素の比率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１４】
［アルミニウム合金電線及びワイヤーハーネス］
本実施形態に係るアルミニウム合金電線は、母材となるアルミニウムに所定の元素を添加したアルミニウム合金の素線を使用するものである。
【００１５】
ここで、アルミニウムにマグネシウム及びケイ素を添加した場合、これらの元素が結合してアルミニウム母相中に析出することで、アルミニウム合金の強度を向上させることが可能となる。しかし、マグネシウム及びケイ素の添加量を増加した場合、伸び等の靱性及び導電率が低下する問題がある。そのため、本実施形態では、アルミニウムに添加するマグネシウム及びケイ素の量を抑制しつつも導電率、強度及び伸びを向上させるために、第四元素について検討を行った。
【００１６】
第四元素として、まず、アルミニウム母相に固溶して母格子を歪ませることで、析出反応を促進する効果、つまり析出密度の増加により高強度化する効果を得ることが可能な元素を選定した。具体的には、アルミニウム原子と比べて原子半径の差が±１５％以内の元素を選定した。なお、原子半径としては、ゴルドシュミットのイオン半径（金属結合半径）を用いた。表１では、各元素の原子半径と、当該元素とアルミニウムとを比較した原子半径の差を示す。表１より、アルミニウムと比べて原子半径の差が±１５％以内の元素としては、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）及び銀（Ａｇ）を挙げることができる。
【００１７】
【表１】
0006379021.tif 000002
【００１８】
次に、アルミニウムに添加した場合、導電率に影響を及ぼす元素について検討した。図１は、アルミニウムに元素を添加して得られたアルミニウム合金の導電率と添加元素の比率との関係を示すグラフである（出典：強度・伸びを制御した高導電性アルミニウム合金線の開発、資料名：日立電線、第２５号、第３１〜３４頁）。図１より、添加率が増加しても導電率の低下が少ないアンチモン（Ｓｂ）、錫（Ｓｎ）及びニッケル（Ｎｉ）が好ましいことが分かる。しかし、アンチモンは、環境負荷物質である。そのため、アルミニウムと比較した原子半径の差及び環境への影響を考慮して、第四元素としてニッケルを選定し、さらにニッケルの添加量を増やすことで導電率を損なわずに高強度化が可能な組成を検討した結果、本発明を完成するに至ったものである。
【００１９】
本実施形態のアルミニウム合金電線は、アルミニウム合金素線を含む電線である。さらに当該アルミニウム合金素線は、マグネシウム（Ｍｇ）、ケイ素（Ｓｉ）、及びニッケル（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るものである。
【００２０】
母材としてのアルミニウムは、純度９９．７質量％以上の純アルミニウムを用いることが好ましい。すなわち、ＪＩＳ  Ｈ２１０２に規定されるアルミニウム地金のうち、Ａｌ９９．７０以上の純度のものを好ましく用いることができる。具体的には、純度が９９．７質量％以上のＡｌ９９．７０、Ａｌ９９．９４、Ａｌ９９．９７、Ａｌ９９．９８、Ａｌ９９．９９、Ａｌ９９．９９０、Ａｌ９９．９９５が挙げられる。このように本実施形態では、アルミニウム地金としてＡｌ９９．９９５のような高価で高純度のものばかりではなく、価格的にも手頃な純度９９．７質量％のアルミニウム地金を使用できる。
【００２１】
マグネシウム（Ｍｇ）は、ケイ素と結合してアルミニウム母相中に析出することでアルミニウム合金素線の強度を高めることができる。しかし、マグネシウムの含有量が多いほど、得られるアルミニウム合金の導電率や靱性が低下する傾向がある。そのため、Ｍｇはアルミニウム合金中に０．１１〜１．０３原子％含まれることが好ましく、０．１１〜０．９１原子％含まれることがより好ましい。
【００２２】
ケイ素（Ｓｉ）は、マグネシウムと結合してアルミニウム母相中に析出することでアルミニウム合金素線の強度を高めることができる。しかし、ケイ素も含有量が多いほど、得られるアルミニウム合金の導電率や靱性が低下する傾向がある。そのため、Ｓｉはアルミニウム合金中に０．１０〜０．９０原子％含まれることが好ましく、０．１０〜０．８０原子％含まれることがより好ましい。
【００２３】
本実施形態では、マグネシウム及びケイ素の含有量を抑制しつつも、析出密度の増加により高強度化する元素として、ニッケル（Ｎｉ）を使用する。上述のように、ニッケルの含有量を増加しても、得られるアルミニウム合金における導電率の低下は少ないが、靱性が低下する傾向がある。そのため、Ｎｉはアルミニウム合金中に０．００５〜０．２５原子％含まれることが好ましく、０．００５〜０．２原子％含まれることがより好ましい。
【００２４】
以上の各元素の含有量は、母材となるアルミニウム地金に初めから含まれているマグネシウム、ケイ素及びニッケルの各量を含むものであって、必ずしも添加量を意味するものではない。
【００２５】
本実施形態で用いられるアルミニウム合金は、上述のマグネシウム、ケイ素及びニッケル以外の残部は、アルミニウム及び不可避不純物である。このアルミニウム合金に含まれる可能性がある不可避不純物としては、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、ホウ素（Ｂ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉛（Ｐｂ）、カルシウム（Ｃａ）、コバルト（Ｃｏ）が挙げられる。これらは本実施形態の効果を阻害せず、本実施形態のアルミニウム合金の特性に格別な影響を与えない範囲で不可避的に含まれるものである。そして、使用する純アルミニウム地金に予め含有されている元素も、ここでいう不可避不純物に含まれる。不可避不純物の量としては、アルミニウム合金中に合計で０．１５原子％以下であることが好ましく、０．１２原子％以下であることがより好ましい。
【００２６】
本実施形態に係るアルミニウム合金電線において、アルミニウム合金素線は、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％以上であることが好ましい。アルミニウム合金素線の引張強さ及び伸びがこのような値であることにより、機械的強度が向上し車体への取り付け時や取り付け後に断線し難くなり、さらに自動車のドアヒンジ回りなど繰り返して屈曲する部位へ適用することが可能となる。また、導電率が４４％ＩＡＣＳ以上であることにより、自動車用電線として好適に使用することが可能となる。なお、引張強さ、導電率及び伸びは、日本工業規格ＪＩＳ  Ｃ３００２（電気用銅線及びアルミニウム線試験方法）に基づき測定することができる。
【００２７】
本実施形態に係るアルミニウム合金電線は、導体として、上記アルミニウム合金からなるアルミニウム合金素線を含むものである。ここで、アルミニウム合金素線を含むとは、単線として含むことだけでなく、単線である素線を複数本（３本〜１５００本、例えば７本）撚り合わせて形成した撚線として含むことも意味している。なお、アルミニウム合金素線は、一般的には撚線の形態で含まれている。
【００２８】
ここで、電線は、裸線である撚線を任意の絶縁樹脂層で覆った被覆線であり、この電線を複数本束ねて１本に収束し外装を組み付けたものがワイヤーハーネスである。すなわち本実施形態に係るアルミニウム合金電線は、上記アルミニウム合金からなる素線を含む導体と、その導体の外周に設けられる被覆層（絶縁樹脂層）とを含むものであればよく、その他の具体的な構成及び形状、並びに製造方法は、何ら限定されない。
【００２９】
被覆層に用いられる樹脂の種類は、架橋ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン樹脂や、塩化ビニルなど公知の電気絶縁性樹脂を任意に使用でき、その被覆厚は適宜定められる。このアルミニウム合金電線は、電気又は電子部品、機械部品、車両用部品、建材などの様々な用途に使用することができる。なかでも、車両用アルミニウム合金電線として好ましく使用できる。
【００３０】
本実施形態に係るワイヤーハーネスは、上述のアルミニウム合金電線を備えるものである。上述のように、本実施形態のアルミニウム合金電線は、従来に比べて高いレベルの高強度・高導電性を有するため、アルミニウム電線の細径化や、適用部位の拡大が可能となる。したがって、このようなアルミニウム合金電線を使用したワイヤーハーネスは、従来よりも軽量化でき、さらに強度、耐久性及び導電性に優れるため、自動車用のワイヤーハーネスに好ましく用いることができる。
【００３１】
［アルミニウム合金電線の製造方法］
次に、本実施形態に係るアルミニウム合金電線の製造方法について説明する。
【００３２】
（アルミニウム合金荒引線）
アルミニウム合金荒引線とは、アルミニウム合金又はその原料を溶解・鋳造して得られたアルミニウム合金を荒引して得られた線材である。アルミニウム合金としては、例えば、本実施形態のアルミニウム合金電線を構成するアルミニウム合金素線と同じ組成のアルミニウム合金が用いられる。アルミニウム合金の荒引の方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。
【００３３】
アルミニウム合金荒引線は、通常、断面が円形、又は三角形、四角形等の多角形になっている。アルミニウム合金荒引線の断面の大きさは、アルミニウム合金荒引線の断面が円形の場合、その直径が例えば５ｍｍ〜３０ｍｍ、好ましくは７ｍｍ〜１５ｍｍである。
【００３４】
上記のアルミニウム合金荒引線は、次工程である溶体化処理工程の原料となる。
【００３５】
（溶体化処理工程）
溶体化処理工程は、溶体化処理前線材において、アルミニウム母相中に十分に溶け込んでいない元素をアルミニウム母相中に均一に溶け込ませる工程である。溶体化処理工程の条件としては特に限定されず、公知の条件を用いることができる。
【００３６】
（最終伸線工程）
最終伸線工程は、溶体化処理工程で得られた溶体化処理後線材を最終線径まで伸線加工する工程である。最終伸線工程での伸線方法としては、公知の乾式伸線法又は湿式伸線法が用いられる。最終伸線工程で得られる線材である最終伸線線材は、通常、断面が円形になっている。最終伸線線材の線径（直径）φは、例えば０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、好ましくは０．１５ｍｍ〜０．３５ｍｍである。
【００３７】
（撚線工程）
撚線工程は、最終伸線工程で得られた最終伸線線材を複数本撚り合わせる工程である。
【００３８】
（通電焼鈍工程）
通電焼鈍工程は、撚線工程で得られた撚線導体を、１２０００Ｊ／ｓｅｃ・ｃｍ２で０．３秒通電する工程である。
【００３９】
本工程の焼鈍としては、通常、撚線導体を移動させながら焼鈍を行う連続焼鈍が用いられる。本実施形態のアルミニウム合金電線の製造方法において、連続焼鈍は、焼鈍を極短時間で行うことにより、微細結晶粒を有する過飽和固溶体を形成して、後述の時効処理におけるアルミニウム合金素線の引張強さ及び伸びを大きくする重要な処理である。本工程では、焼鈍の時間が０．３秒と短いため、連続焼鈍が可能である。
【００４０】
連続焼鈍としては、例えば、連続通電熱処理が用いられる。ここで、連続通電熱処理とは、２つの電極輪を撚線導体が連続的に通過することにより撚線導体に電流を流して撚線導体にジュール熱を発生させ、このジュール熱により撚線導体を連続的に焼鈍する処理である。
【００４１】
撚線導体が焼鈍を経て得られる焼鈍後撚線導体は、組成が撚線導体と実質的に同じであるが、内部の加工歪の一部又は全部が除去され、再結晶粒が形成され、適度な柔軟性が付与されたものとなる。焼鈍後撚線導体は、次工程である時効処理工程の原料となる。
【００４２】
（時効処理工程）
時効処理工程は、通電焼鈍工程で得られた焼鈍後撚線導体を１７５℃で２時間時効処理する工程である。時効処理工程は、焼鈍後撚線導体を構成するアルミニウム合金の結晶粒内に析出物を形成させることにより、焼鈍後撚線導体の時効硬化を図る工程である。時効処理工程を経て得られる撚線導体は、本実施形態のアルミニウム合金電線を構成するアルミニウム合金撚線導体となる。また、このアルミニウム合金撚線導体を構成する素線は、本実施形態のアルミニウム合金電線を構成するアルミニウム合金素線である。
【００４３】
なお、アルミニウム合金撚線導体の製造のために、伸線工程、溶体化処理工程及び時効処理工程を行う場合、一般的には、この順番に処理が行われる。これに対し、本実施形態のアルミニウム合金電線の製造方法では、溶体化処理工程、最終伸線工程、撚線工程、通電焼鈍工程及び時効処理工程の順番に処理が行われる。すなわち、本実施形態のアルミニウム合金電線の製造方法では、最終伸線工程、撚線工程、通電焼鈍工程が溶体化処理工程の後に行われる。本実施形態のアルミニウム合金電線の製造方法では、このような順序で処理が行われることによりアルミニウム合金撚線導体が得られ、このアルミニウム合金撚線導体を構成するアルミニウム合金素線が適度な強度と伸び率を有する。
【００４４】
得られたアルミニウム合金撚線導体は、アルミニウム合金電線の原料となる。本実施形態の製造方法で得られたアルミニウム合金撚線導体を用いて、アルミニウム合金電線を製造する方法としては、公知の方法を用いることができる。
【００４５】
本実施形態のアルミニウム合金電線は、アルミニウム合金素線を含むアルミニウム合金電線であって、当該アルミニウム合金素線は、Ｍｇ：０．１１〜１．０３原子％、Ｓｉ：０．１０〜０．９０原子％、及びＮｉ：０．００５〜０．２５原子％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る。そして、アルミニウム合金素線は、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。本実施形態では、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金に対して第四元素としてニッケルを含有している。そのため、導電性を損なわずに、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金に比べて高強度化した電線を得ることができる。また、アルミニウム合金素線は、引張強さが２３０ＭＰａ以上であり、かつ、伸びが１０％以上である。このような高い引張強さ及び伸び率を備えていることにより、ワイヤーハーネスの製造時や組付け作業時に加わる過負荷、さらにはドア開閉部における屈曲に耐えるアルミニウム合金電線を得ることが可能となる。
【００４６】
また、本実施形態のアルミニウム合金電線において、アルミニウム合金素線は、Ｍｇ：０．１１〜０．９１原子％、Ｓｉ：０．１１〜０．８０原子％、及びＮｉ：０．００５〜０．２原子％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ることがより好ましい。マグネシウム、ケイ素及びニッケルの各添加元素をアルミニウム母相への固溶限界を超えて添加すると、アルミニウム合金中に粗大な晶出物、つまり添加元素の凝集したものが発生するため、伸びが低下する可能性がある。そのため、アルミニウム合金中におけるマグネシウム、ケイ素及びニッケルの添加量は、上記範囲内であることにより、伸び特性をより向上させることが可能となる。
【００４７】
以下、本発明を実施例及び比較例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４８】
［試験片の作製］
ＪＩＳ  Ｈ２１０２のＡｌ９９．７を用い、ここに所定量のマグネシウム、ケイ素及びニッケルを添加することにより、表２に示す成分組成のアルミニウム合金を得た。これを常法により溶解し、連続鋳造圧延法により線径９．５ｍｍの荒引線に加工した。
【００４９】
次に、このアルミニウム合金荒引線を、５５５℃で０．５時間溶体化処理して、溶体化処理された線材（溶体化処理後線材）を得た（溶体化処理工程）。次に、この溶体化処理後線材を連続伸線機を用いて伸線して、最終線径φ０．３２ｍｍまで伸線した線材（最終伸線線材）を得た（最終伸線工程）。さらに、この最終伸線線材を撚線機を用いて撚線して、断面積０．５ｍｍ２の撚線導体を得た（撚線工程）。次に、この撚線導体を１２０００Ｊ／ｓｅｃ・ｃｍ２で０．３秒通電焼鈍して、焼鈍後撚線導体を得た（通電焼鈍工程）。さらに、この焼鈍後撚線導体を１７５℃で２時間時効処理することで、各例のアルミニウム合金撚線導体を得た（時効処理工程）。
【００５０】
［評価］
得られたアルミニウム合金撚線導体を解して得たアルミニウム合金素線について、ＪＩＳ  Ｃ３００２に準拠して、引張強さ（Ｔｓ）、伸び（ＥＩ）及び導電率（％ＩＡＣＳ）を測定した。導電率は、２０℃（±０．５℃）に保った恒温槽中で、四端子法を用い、その比抵抗を測定して導電率を算出した。また、端子間距離は１０００ｍｍとした。引張強さは、引張速度５０ｍｍ／分で測定した。得られた試験片の引張強さが２３０ＭＰａ以上であり、導電率が４４％ＩＡＣＳ以上であり、かつ、伸びが１０％以上の場合を「○」と評価した。そして、試験片の引張強さが２３０ＭＰａ未満、導電率が４４％ＩＡＣＳ未満、又は、伸びが１０％未満の場合を「×」と評価した。得られた結果を表２に合わせて示す。
【００５１】
【表２】
0006379021.tif 000003
【００５２】
表２より、実施例に係る試験片Ｎｏ．２〜５、７及び８は、引張強さ、伸び及び導電率のいずれも良好な値を示した。これに対し、ニッケルの添加量が過少な試験片Ｎｏ．１は、引張強さが不十分な結果となった。また、マグネシウム及びケイ素の添加量が過多な試験片Ｎｏ．６は、導電率が不十分な結果となった。さらに、ニッケルの添加量が過多な試験片Ｎｏ．９は、伸びが不十分な結果となった。
【００５３】
以上、本発明を実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。具体的には、上述のアルミニウム合金素線は電線に限らず、ケーブルの導体として用いてもよい。
【図１】
0006379021.tif 000004