(57)【要約】【課題】ケーブル導体用アルミニウム合金の提供。【解決手段】本発明は、引張強度、伸率などの機械的特性と電気伝導度の両方に優れ、製造工程が単純であり、製造単価が低減し、環境にやさしい、ケーブル導体用アルミニウム合金を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーブル導体用アルミニウム合金であって、
鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、ホウ素（Ｂ）及びチタン（Ｔｉ）を含み、
下記の数学式１によって定義される粒径成長率が３０〜７０％である、ケーブル導体用アルミニウム合金。
［数学式１］
粒径成長率（％）＝（ａ−ｂ）／ｂ＊１００
前記数学式１において、
ａは、前記アルミニウム合金を６００℃で１時間熱処理後に測定した結晶粒の平均粒径であり、
ｂは、前記アルミニウム合金を４００℃で１時間熱処理後に測定した結晶粒の平均粒径である。
【請求項２】
直径０．４ｍｍに伸線したアルミニウム合金線材の引張強度が、１４０ＭＰａ以上、伸率が１５％以上及び電気伝導度が５９％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする、請求項１に記載のケーブル導体用アルミニウム合金。
【請求項３】
Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物、Ａｌ−Ｃｕ金属間化合物及びＡｌ−Ｔｉ金属間化合物からなる群から選ばれる１種以上の金属間化合物を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載のケーブル導体用アルミニウム合金。
【請求項４】
前記アルミニウム合金の総重量を基準に、前記鉄（Ｆｅ）の含有量は０．３〜０．６重量％、前記銅（Ｃｕ）の含有量は０．３〜０．５重量％、前記ホウ素（Ｂ）の含有量は０．００１〜０．０１重量％、前記チタン（Ｔｉ）の含有量は０．０１〜０．０３重量％であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のケーブル導体用アルミニウム合金。
【請求項５】
前記アルミニウム合金の総重量を基準に、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）及びニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる不純物を合計０．１重量％以下で含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載のケーブル導体用アルミニウム合金。
【請求項６】
前記アルミニウム合金の総重量を基準に、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）及びニッケル（Ｎｉ）のそれぞれの含有量が０．０１重量％以下であることを特徴とする、請求項５に記載のケーブル導体用アルミニウム合金。
【請求項７】
伸線後に３１０℃で６時間の熱処理後にも熱処理前の引張強度に比べて９０％以上の引張強度を保有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のケーブル導体用アルミニウム合金。
【請求項８】
請求項１又は２に記載のアルミニウム合金溶湯の温度を７２０〜７８０℃に調節して連続鋳造圧延によってロッド（ｒｏｄ）状に製造した後、直径０．４ｍｍに伸線し、３１０℃で６時間熱処理して製造したケーブル導体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケーブル導体用アルミニウム合金に関する。具体的に、本発明は、常温及び高温における引張強度、伸率などの機械的特性の他に電気伝導度にも優れ、製造工程が単純であり、製造単価が低減し、環境にやさしいケーブル導体用アルミニウム合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム導体電線は、銅（ｃｏｐｐｅｒ）導体電線及び銅合金導体電線に比べて軽量且つ安価であり、また、アルミニウムは鋳造しやすく、他の金属と合金しやすく、常温及び高温における加工が容易であり、大気中で耐食性と耐久性に優れているなどの理由から、加工送電線、地中送電線、建物用ケーブルなどに広く用いられている。
【０００３】
ただし、純粋なアルミニウムは伸率、電気伝導度などの特性には優れているが、引張強度などの機械的強度は十分でないという不具合があり、特に、自動車、航空機、原動機などに使用されるケーブルのように、振動が大きい環境で使用されるケーブルの導体に用いられる場合、振動に対する耐性を決定する機械的強度を向上させる必要がある。
【０００４】
このため、従来は、アルミニウム（Ａｌ）と鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ベリリウム（Ｂｅ）などの合金元素との合金によってアルミニウム合金の機械的強度を向上させる技術が公知された。
【０００５】
しかしながら、従来のアルミニウム合金は、目標の機械的強度を達成するために過量の合金元素を添加しなければならず、前記機械的強度と相反関係にある伸率、電気伝導度などが大きく低下したり、製造のための高い熱処理温度が要求されたり、長時間の熱処理が要求されるなどの問題があり、ひいては環境規制物質であるベリリウム（Ｂｅ）の添加によって環境問題を誘発し、生産単価が増加する問題もあった。
【０００６】
一方、アルミニウム合金の伸率、電気伝導度などが大きく低下することを回避するために合金元素を少量添加すると、アルミニウム合金の機械的強度の向上が不十分となるか、前記アルミニウム合金の機械的強度の向上のために結晶粒微細化工程がさらに要求されるなど、製造工程が複雑になる問題があった。
【０００７】
このような状況で、現在ケーブル業界では、銅導体電線及び銅合金導体電線をアルミニウム合金導体電線に取り替えるために、アルミニウム合金の引張強度などの機械的強度及びこれと相反関係にある伸率、電気伝導度などを同時に向上させるための研究が活発に行われているが、アルミニウム合金に対する最適の合金元素の調合と工程条件が定められておらず、技術的進歩がはかどらずにいる。
【０００８】
したがって、引張強度、伸率などの常温及び高温における機械的特性と電気伝導度を同時に満たし、製造工程が単純であり、製造単価が低減し、環境にやさしい、ケーブル導体用アルミニウム合金が切に望まれている現状である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、引張強度、伸率などの常温及び高温における機械的特性と電気伝導度の両方に優れているケーブル導体用アルミニウム合金を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、製造工程が単純であり、製造単価が低減し、環境にやさしい、ケーブル導体用アルミニウム合金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明は、
ケーブル導体用アルミニウム合金であって、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、ホウ素（Ｂ）及びチタン（Ｔｉ）を含み、下記の数学式１によって定義される粒径成長率が３０〜７０％である、ケーブル導体用アルミニウム合金を提供する。
【００１２】
［数学式１］
粒径成長率（％）＝（ａ−ｂ）／ｂ＊１００
この数学式１において、
ａは、前記アルミニウム合金を６００℃で１時間熱処理後に測定した結晶粒の平均粒径であり、
ｂは、前記アルミニウム合金を４００℃で１時間熱処理後に測定した結晶粒の平均粒径である。
【００１３】
ここで、直径０．４ｍｍに伸線したアルミニウム合金線材の引張強度が１４０ＭＰａ以上、伸率が１５％以上、及び電気伝導度が５９％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする、ケーブル導体用アルミニウム合金を提供する。
【００１４】
また、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物、Ａｌ−Ｃｕ金属間化合物及びＡｌ−Ｔｉ金属間化合物からなる群から選ばれる１種以上の金属間化合物を含むことを特徴とする、ケーブル導体用アルミニウム合金を提供する。
【００１５】
そして、前記アルミニウム合金の総重量を基準に、前記鉄（Ｆｅ）の含有量は０．３〜０．６重量％、前記銅（Ｃｕ）の含有量は０．３〜０．５重量％、前記ホウ素（Ｂ）の含有量は０．００１〜０．０１重量％、前記チタン（Ｔｉ）の含有量は０．０１〜０．０３重量％であることを特徴とする、ケーブル導体用アルミニウム合金を提供する。
【００１６】
なお、前記アルミニウム合金の総重量を基準に、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）及びニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる不純物を合計０．１重量％以下で含むことを特徴とする、ケーブル導体用アルミニウム合金を提供する。
【００１７】
ここで、前記アルミニウム合金の総重量を基準に、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）及びニッケル（Ｎｉ）のそれぞれの含有量が０．０１重量％以下であることを特徴とする、ケーブル導体用アルミニウム合金を提供する。
【００１８】
また、伸線後、３１０℃で６時間の熱処理後にも、熱処理前の引張強度に比べて９０％以上の引張強度を保有することを特徴とする、ケーブル導体用アルミニウム合金を提供する。
【００１９】
一方、前記アルミニウム合金溶湯の温度を７２０〜７８０℃に調節して連続鋳造圧延によってロッド（ｒｏｄ）状に製造した後、直径０．４ｍｍに伸線し、３１０℃で６時間熱処理することによって製造したケーブル導体を提供する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るケーブル導体用アルミニウム合金は、特定の合金元素及び配合比の選択、そして精密に制御された加熱時の粒径成長率によって、常温及び高温における引張強度及びこれと相反関係にある伸率、電気伝導度などを同時に向上させる優れた効果を奏する。
【００２１】
また、本発明に係るケーブル導体用アルミニウム合金は、更なる高温及び長時間の熱処理、そして更なる結晶粒微細化工程が不要であり、製造工程が単純であり、製造単価が低減し、合金元素として環境規制物質を排除して環境にやさしいという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施例１と比較例１、５及び８によるアルミニウム合金に対して４００℃及び６００℃でそれぞれ熱処理後に撮影した、ＡＳＴＭ  Ｅ１１２による光学顕微鏡写真である。
【発明の実施のための形態】
【００２３】
以下、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。ただし、本発明は、ここで説明された実施例に限定されず、他の形態に具体化してもよい。むしろ、ここで紹介される実施例は、開示された内容が徹底且つ完全となり得るように、そして当業者に本発明の思想が十分に伝達され得るようにするために提供されるものである。
【００２４】
本発明は、ケーブル導体用アルミニウム合金に関する。
【００２５】
前記アルミニウム合金は、アルミニウム（Ａｌ）の他に、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、ホウ素（Ｂ）、チタン（Ｔｉ）などの合金元素、及び製造工程で不回避に添加される他の合金元素を含むことができる。
【００２６】
前記合金元素として鉄（Ｆｅ）は、基材（Ｍａｔｒｉｘ）内でＡｌ−Ｆｅ金属間化合物として存在する。特に、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物は、前記アルミニウム合金導体の製造工程中の熱処理段階で殆ど析出され、結晶粒の成長を抑制することによって、引張強度などの機械的強度を向上させる役割を担う。
【００２７】
ここで、前記鉄（Ｆｅ）の含有量は、前記アルミニウム合金の総重量を基準にして０．３〜０．６重量％であり得る。前記鉄（Ｆｅ）の含有量が０．３重量％未満であると、前記アルミニウム合金の機械的強度が十分に向上しないことがあり、０．６重量％超えると、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物が粗大となってアルミニウム合金溶湯の押出性が低下し、前記アルミニウム合金の伸率、電気伝導度などが大きく低下することがある。
【００２８】
前記合金元素として銅（Ｃｕ）は、アルミニウムに固溶され、アルミニウム合金の腐食電位を上げてアルミニウム合金の耐食性を向上させ、鉄（Ｆｅ）と同様に、基材（Ｍａｔｒｉｘ）内でＡｌ−Ｃｕ金属間化合物として存在し、熱処理段階で析出されて結晶粒の成長を抑制することによって、引張強度などの機械的強度を向上させる役割を担う。
【００２９】
ここで、前記銅（Ｃｕ）の含有量は、前記アルミニウム合金の総重量を基準にして０．３〜０．５重量％であり得る。前記銅（Ｃｕ）の含有量が０．３重量％未満であると、前記アルミニウム合金の機械的強度が十分に向上しないことがあり、０．５重量％超えると、金属間化合物が粗大となってアルミニウム合金溶湯の押出性が低下し、アルミニウム合金の伸率、電気伝導度などが大きく低下することがある。
【００３０】
前記合金元素としてホウ素（Ｂ）は、アルミニウム合金の製造工程中の熱処理段階で金属間化合物の析出を促進させて結晶粒の粗大化を抑制することによって、前記アルミニウム合金の強度を向上させ、電気伝導度の低下を抑制する役割を担う。
【００３１】
ここで、前記ホウ素（Ｂ）の含有量は、前記アルミニウム合金の総重量を基準にして０．００１〜０．０１重量％であり得る。前記ホウ素（Ｂ）の含有量が０．００１重量％未満であると、前記アルミニウム合金の機械的強度が十分に向上しないことがあり、０．０１重量％超えると、金属間化合物を過度に生成させて、アルミニウム合金の電気伝導度が大きく低下することがある。
【００３２】
前記合金元素としてチタン（Ｔｉ）は、融点が約１，８００℃であって、他の合金元素の、鉄（Ｆｅ）の融点約１，５４０℃、銅（Ｃｕ）の融点約１０８４．５℃に比べて高いため、二ホウ化チタン（ＴｉＢ２）の化合物、二ホウ化アルミニウムチタン（ＡｌＴｉＢ２）のロッド（ｒｏｄ）などの形態で添加され、アルミニウム合金内でＡｌ−Ａｌ３Ｔｉ−ＴｉＢ２などのＡｌ−Ｔｉ金属間化合物形態の析出物として均一に存在することによって、アルミニウム合金の結晶粒の大きさを決定する析出物間平均距離をさらに減縮させ、結果として結晶粒の微細化によって前記アルミニウム合金の強度をさらに向上させる役割を担う。
【００３３】
また、前記チタン（Ｔｉ）が添加されたアルミニウム合金は、上述したように、Ａｌ−Ｔｉ析出物による結晶粒の微細化が可能なので、アルミニウム合金の伸率を向上させるためにより高い温度で又はより長時間熱処理を行う場合でも、引張強度の低下する程度がチタン（Ｔｉ）の添加されていないアルミニウム合金に比べて非常に低いため、チタン（Ｔｉ）を含有しないで同一の引張強度を示す他のアルミニウム合金の伸率に比べて大幅に向上した伸率を示すことができる。
【００３４】
ここで、前記チタン（Ｔｉ）の含有量は、前記アルミニウム合金の総重量を基準にして０．０１〜０．０３重量％であり得る。前記チタン（Ｔｉ）の含有量が０．０１重量％未満であると、前記アルミニウム合金の結晶粒微細化の効果が発揮し難くなり、０．０３重量％を超えると、前記アルミニウム合金に多量の不純物が添加され、粗大な金属間化合物を生成して前記アルミニウム合金溶湯の押出性及び前記アルミニウム合金の引張強度と電気伝導度が低下することがある。
【００３５】
前記アルミニウム合金の製造工程において不回避に添加される不純物として、例えば、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）などを含むことができる。前記不回避な不純物のそれぞれの含有量は、前記アルミニウム合金の総重量を基準にして０．０１重量％以下でよく、前記不回避な不純物の総含有量は０．１重量％以下であり得る。
【００３６】
一方、前記アルミニウム合金は、前記合金元素を前記配合比で含み、伸線及び熱処理工程条件を調節することによって、下記の数学式１による粒径成長率が３０〜７０％となり得、これによって伸線及び３１０℃で６時間の熱処理後にも熱処理前の引張強度に比べて９０％以上、例えば１４０ＭＰａ以上の引張強度を保有することができる。
【００３７】
［数学式１］
粒径成長率（％）＝（ａ−ｂ）／ｂ＊１００
前記数学式１において、
ａは、前記アルミニウム合金を６００℃で１時間熱処理後に測定した結晶粒の平均粒径であり、
ｂは、前記アルミニウム合金を４００℃で１時間熱処理後に測定した結晶粒の平均粒径である。
【００３８】
ここで、結晶粒の粒径は、前記結晶粒と同じ断面積を持つ円の直径であり、前記結晶粒の平均粒径は、前記結晶粒の粒径の平均値を意味する。
【００３９】
前記数学式１中、ａにおいてアルミニウム合金の熱処理温度が６００℃未満であるか、或いはｂにおいてアルミニウム合金の熱処理温度が４００℃を超えると、熱処理による粒径の成長程度がわずかであり、ａにおいてアルミニウム合金の熱処理温度が６００℃を超えるか、或いはｂにおいてアルミニウム合金の熱処理温度が４００℃未満であると、熱処理による粒径の成長程度が過度となるため、前記粒径成長率を、有意の特性を評価する基準とすることができない。
【００４０】
また、前記アルミニウム合金は、前記数学式１によって定義された粒径成長率が３０％未満であると、前記アルミニウム合金の粒径が既に粗大していて加熱後にも粒径がそれほど成長しなかった場合であるので、常温における引張強度が十分でないことを示し、７０％を超えると、耐熱性が不十分であり、高温、すなわち電線の使用温度における引張強度が大きく低下し、過度な鋳造温度などによってホウ素（Ｂｉ）及びチタン（Ｔｉ）が固溶してしまい、電気伝導度が低下することを示す。
【００４１】
したがって、本発明に係るアルミニウム合金は、前記数学式１によって定義された粒径成長率が３０〜７０％に制御されるので、直径０．４ｍｍに伸線したアルミニウム合金線材の引張強度が１４０ＭＰａ以上である優れた引張強度を保有でき、これと相反関係にある伸率も１５％以上、そして電気伝導度も５９％ＩＡＣＳ以上と優れる。
【００４２】
［実施例］
１．製造例
下記の表１に示すような合金元素と含有量でアルミニウム合金溶湯を製造し、連続鋳造圧延によってロッド（ｒｏｄ）状に製造した後に直径０．４ｍｍに伸線する工程と、熱処理工程（３１０℃で６時間）を行って、実施例及び比較例のそれぞれによるアルミニウム合金線材試験片を製造した。下記の表１に記載された含有量の単位は、重量％である。
【表１】
2020516777.tif 000003
【００４３】
２．物性評価
１）引張強度及び伸率の測定
実施例及び比較例のそれぞれによるアルミニウム合金線材試験片に対して、ＡＳＴＭ  Ｂ５５７規格に基づいてワイヤー用グリップ装置を用いて試験片の両端を固定した状態で１ｍｍ／ｓの速度で引っ張るのにかかる力を測定した後、オフセット方法（ｏｆｆｓｅｔｍｅｔｈｏｄ）を用いて引張強度を算出し、試験片が切れる時点における試験片の長さから伸率を測定した。前記引張強度は、１４０ＭＰａ未満である場合、又は前記伸率が１５％未満である場合を不良と評価した。
【００４４】
２）電気伝導度の測定
実施例及び比較例のそれぞれによるアルミニウム合金線材試験片の電気伝導度はＡＳＴＭ  Ｂ１９３規格に基づいてケルビンダブルブリッジ（Ｄｏｕｂｌｅ  Ｂｒｉｄｇｅ）法で電気抵抗を測定して算出した。
【００４５】
３）粒径成長率の測定
実施例及び比較例のそれぞれによるアルミニウム合金線材試験片を４００℃及び６００℃でそれぞれ１時間熱処理後に粒径を測定して、前記数学式１による粒径成長率を計算した。前記粒径成長率は３０〜７０％の範囲を逸脱する場合、不良と評価した。
【００４６】
具体的に、粒径の測定は、実施例及び比較例のそれぞれによる線材の断面を１μｍダイヤモンドサスペンション（Ｄｉａｍｏｎｄ  ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）まで鏡面研磨し、蒸留水２００ｍｌとＨＢＦ４  ５ｍｌを混合した水溶液で２４Ｖ条件で２分４０秒間電解エッチングをし、ＡＳＴＭ  Ｅ１１２によって光学顕微鏡で撮影した微細組織写真から平均粒径を測定することによって行った。
【００４７】
前記物性評価の結果は、下記の表２及び図１に示す通りである。
【表２】
2020516777.tif 000004
【００４８】
前記表２に示すように、本発明に係る実施例１〜４のアルミニウム合金は、加熱時に粒径成長率が３０〜７０％に調節されることにより、アルミニウム合金線材の引張強度にも、これと相反関係にある伸率及び電気伝導度にも優れ、特に、熱処理後の引張強度も１４０ＭＰａ以上と優れていることが確認された。
【００４９】
これに対し、比較例１のアルミニウム合金は、鉄（Ｆｅ）含有量が過度なため、伸率及び電気伝導度が基準に至らなく、比較例２のアルミニウム合金は、銅（Ｃｕ）含有量が不十分なため、アルミニウム合金線材の引張強度が基準に至らなく、比較例３のアルミニウム合金は、ホウ素（Ｂ）及びチタン（Ｔｉ）が添加されないため、析出物生成が低下し、これによって結晶粒が粗大化し、結果的に伸率の向上のための熱処理時に引張強度が大きく低下し、比較例４のアルミニウム合金は、銅（Ｃｕ）含有量が過度なため、加熱時に粒径成長率が大きく増加し、電気伝導度が基準に至らないことが確認された。
【００５０】
また、比較例５及び７のアルミニウム合金は、基準未満の温度における鋳造によって製造されるので、粒径成長率が３０％未満であり、これは、前記アルミニウム合金の粒径が既に粗大であり、加熱後にも粒径が大きく成長しないことを意味し、結果的に常温引張強度が基準に至らないことが確認された、また、比較例６及び８のアルミニウム合金は、基準を超える温度における鋳造によって製造されるので、粒径成長率が７０％を超え、これは、前記アルミニウム合金でホウ素（Ｂ）及びチタン（Ｔｉ）が固溶して電気伝導度が低下することを意味し、実際に電気伝導度が基準に至らないことが確認された。
【００５１】
本明細書は、本発明の好適な実施例を参照して説明したが、当該技術の分野における当業者は、以下に述べる特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を様々に修正及び変更実施できよう。したがって、変形された実施が基本的に本発明の特許請求の範囲の構成要素を含むものであれば、いずれも本発明の技術的範ちゅうに含まれるものと見なすべきである。
【図１】
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【国際調査報告】
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2020516777.tif 000007
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2020516777.tif 000009
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