自 動 車

エンジンの振動屈曲に耐える高強度アルミ
ワイヤーハーネス

High-Strength Aluminum Wires for Low-Voltage Automotive Engine
Wiring Harnesses＊田口欣司

嶋田桑原鉄也

赤祖父

Kinji Taguchi

Tetsuya Kuwabara

高信

Takanobu Shimada

吉本潤

Jun Yoshimoto

保広

Yasuhiro Akasofu

自動車排出ガスによる環境への影響の懸念から、燃費向上のために自動車の軽量化が図られている。ワイヤーハーネスも軽量化のため、電線の導体を銅からアルミへの変更が進められている。しかし、従来のアルミ電線では導体強度が不足し、0.35mm2 や0.5mm2といった細径サイズやエンジン領域での適用ができず、制約が出ている。そこで、我々は、銅と同等以上の強度を有する高強度アルミ合金電線の開発に、業界で初めて成功し、エンジンワイヤーハーネス用0.35mm2 電線を皮切りに2015年4月より生産を開始した。
開発した電線用の高強度アルミ合金は、目標特性とした引張強さ220MPa、導電率50％IACSを見込んで6000系の時効析出型アルミ合金をベースに、添加成分量を整え、また合金中のMg2Si化合物の析出状態を詳細に調査して、時効条件を選定し、目標を上回る引張強さ250MPaと導電率52％IACSを実現した。

The weight of wire harnesses has been increasing with the growing number of systems used in vehicles in recent years. For
the purpose of reducing their weight, aluminum instead of the conventional copper is getting popular as a wire conductor.
The conventional Al wires, however, cannot be used for small gauge wires, (0.35 mm2 and 0.5 mm2) or wires used in engine
compartments due to their insufficient conductor strength. For this reason, we have developed an Al alloy that has aconductor strength equivalent to or stronger than that of copper, and successfully manufactured a high-strength Al alloy wirefor the first time in the industry. Applying it to the 0.35 mm2 wire for engine wire harnesses, we began its mass production inApril 2015. The target properties of Al alloy were a tensile strength of 220 MPa and IACS conductivity of 50%. Based on theage-precipitated 6000 series Al alloy, additive elements and their content were specified. The aging conditions weredetermined by examining the precipitation status of Mg2Si intermetallic compounds. With this approach, we achieved a tensile
strength of 250 MPa and IACS conductivity of 52%, both of which exceed the targets.
キーワード：アルミ電線、エンジンハーネス、高強度アルミ合金、0.35mm2

1.

緒

言

ミ合金を開発し、エンジン領域に適用でき、且つ0.35mm2

自動車の安全性、快適性、の向上のために車載されるシの細径サイズの自動車用高強度アルミ合金電線を実現した。

ステムの回路数、即ち電線の本数は増加し続けており、ワ

当社は、業界で初めて、アルミ電線のエンジンワイヤーイヤーハーネスの重量の増大が懸念される。
このため、ワイヤーハーネスの軽量化のために、電線の導体を銅から、比重の小さいアルミニウムに変更したアルミ電線の普及が進んでいる。

ハーネスへの適用に成功し、0.35mm2 を皮切りに2015年4月より、生産を開始した。
本論文では、主に、細径、エンジン領域に適用できる高強度アルミ合金の開発について報告する。

加えて、アルミ電線の適用は、近年の銅の原料価格の高騰に伴う銅電線のコスト増加の傾向の中、電線価格低減の効果が出ており、ワイヤーハーネスの軽量化と価格低減の2.

高強度アルミ合金の開発2つのメリットにより、今後、ますます普及が期待される。

2－1

開発目標

ところが、従来のアルミ電線は、導体強度の不足によ

本合金開発では、従来銅電線で用いられる最小サイズでり、従来銅電線のような、0.35mm2 や0.5mm2 といったある0.35mm2 以上のサイズを、アルミ電線にて適用可能と細径サイズや、振動が激しいエンジン領域での適用ができすることを目標とした。

ない状況にあり、ワイヤーハーネスの軽量化に制約が出ている。
そこで、当社は、銅と同等以上の強度を有する高強度アル

自動車用電線に適用するためには、強度（引張強さ）と電気伝導性（導電率※1）の両立が必要である。
従来銅電線同等の耐振動特性の確保と端子圧着強度実績

2017 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 190 号117

から、引張強さ220MPa、また、従来銅電線のISOライン理しやすい添加量の最適範囲を絞り込み、Al-0.6mass％ナップの中で1サイズアップしてもヒューズマッチングがMg-0.5mass％Siを、合金設計値として選定した。

同等となるよう、導電率50％IACSを目標と定めた。
その他、具体的な材料物性としては、ISO等の公的規格250MPa、導電率52％IACSの性能を実現した。
2－3を満足することを目指した。
2－2

今回選定した成分範囲において、目標を上回る引張強さ

合金設計調質手法の確立

本合金開発で選定した6000系アルミ合金材は、Mgと一般的な工業用純アルミ材（1060：純度99.6％）は、導Siの添加元素をアルミ材に溶け込ませる溶体化処理※2 と、電率は62％IACSと高いものの、引張強さが70MPa（1）と添加元素の化合物Mg2Siをアルミ材から析出させる時効処低いため、自動車用電線に適用するには強度を向上させる

理※3 により、強い合金に仕上げる熱処理型合金である。
本開発では、電線製造工程において、アルミ合金の溶体ことが必要である。
従来のアルミ電線に用いられるアルミ材は、強度向上のために、強化元素を添加して合金化させているが、それで化と時効の処理を行う必要があり、当社は、効率的に電線製造できる工程として、図3に示す工程を採用した。

も強度が120MPa程度と、従来銅電線に用いられる軟銅添加元素を含む母材を鋳造、圧延した後、溶体化処理工の半分程度であり、0.75mm2 までの細いサイズの電線へ程で添加元素を溶け込ませたまま、伸線工程、撚線工程のの適用に留まっている（2）～（4）。

後、時効処理工程で添加元素を化合物として析出させ導体

本合金開発では、各種アルミ合金材の特性（図1）から、最も目標特性に近い6000系を選定し、アルミに添加する元素は、マグネシウム（Mg）とシリコン（Si）とした。

を仕上げ、押出工程で被覆し、電線化する工程である。
この中で、溶体化処理工程では、図4の状態図のように、母材を500℃以上の高温でMgとSiの添加元素をアルミ材MgとSiの添加量は、原理試作にて合金材を鋳造し、合金材強度、導電率の他、伸線加工性や取り扱い性に影響する伸び特性で、範囲の絞り込みを試みた。

鋳造/圧延

その結果、図2のように目標特性でNGとならない範囲を絞り込み、引張強さ220MPa、導電率50％IACSを満足

晶出物（添加元素）

溶体化処理する添加量を見出した。
この中で、後述する調質手法の検討結果も含め、製造管添加物が溶け込んだ状態

伸線

従来アルミ合金

60
1000系
（純Al）

5040

5000系
（Al-Mg）

20050

図1100

強度

時効処理

200(MPa)

4000系（Al-Si）

250

図36000 系範囲

各種アルミ合金の特性

伸び特性低下

660
600

400

①溶体化溶け込める
溶け込めない

200

③時効

導電率低下

硬度低下

0Mg、Si添加量検討結果

エンジンの振動屈曲に耐える高強度アルミワイヤーハーネス

液体部分溶融

1

Si添加量

118

アルミ電線製造工程

300

最適条件

図2析出物（添加元素）

押出2000系（Al-Cu）

150

加工性低下

Mg添加量

目標

6000系
（Al-Mg-Si）

3000系（Al-Mn）

3010

撚線

ISO6722-2

温度 (℃)

導電率(%IACS)

70

②冷却

Mg2Si
図42(mass%)

Al-Mg 2 Si擬二元系状態図

に溶け込ますことができるが、課題として添加元素が溶け

表2込めない常温に冷やした後でも、添加元素を溶けたままの高強度アルミ電線項目状態にする必要がある。
冷却方法は、冷却速度の低い空冷と、冷却速度の高い加0.35mm2 高強度アルミ電線

断面熱状態の母材を水槽にそのまま沈めた急冷とを比較調査した。
その結果、急冷したサンプルにて、表1のように添加元構造素を溶け込ませ、その後の撚線工程まで状態を維持することができた。

表1

溶体化処理工程条件比較

溶体化処理工程後

撚線工程後

高温度
温度

空冷
10µm

100nm

温度

高温度
水冷

10µm100nm

特性

判定

NG
溶け残りあり、撚線工程までに成長良好溶体化され、状態が維持されている

2－5

導体素材

Al-Mg-Si

素線径0.155mm

素線本数

19

絶縁材

PVC

絶縁厚0.25mm

仕上外径1.3mm

導体破断荷重

87N

伸び11%

導体抵抗値

100mΩ/m

電線特性の確認

高強度アルミ合金のS-N特性を図5に示す。S-NのSはひずみ振幅、Nは屈曲回数を示し、ひずみ振幅は屈曲中の導体表面の長さ変化の割合の変動幅である。
従来アルミ合金に比べ、高強度アルミ合金は低ひずみにおいて寿命が大幅に向上し、優れることが判る。
今回、ターゲットとしたエンジン振動のひずみ領域において、従来銅電線よりも優れることが判り、低ひずみ領域

また、時効処理工程では、200℃以下の低温で保持する

では、強度が高いほど寿命が延びることから、今回、軟銅

ことで、写真1のように、微細に析出、分散したMg2Si化より高い強度まで引き上げた効果が表れていると言える。

合物を得ることができた。

また、高強度アルミ合金は、ドア開閉部の渡りの屈曲領域においても、軟銅よりも優れており、耐屈曲、耐振動に最適な導体と言える。

素線

Mg2Si化合物

伸びr

圧縮R

微細に分散したMg 2 Si化合物

その結果、電線状態において、目標特性を満足する高強度アルミ電線を実現することができた。
2－4

高強度アルミ電線の構造

今回開発した0.35mm2 高強度アルミ電線の緒元を表2に 示 す。ø0.155mmの 素 線 を、19本 撚 り あ わ せ た 導 体

10-2ε=

θ

L'− L
L=r
R

高強度アルミ合金

ドア屈曲領域軟銅

エンジン振動領域

従来アルミ合金
純アルミ

10-3

102

103104で、エンジン振動に有利な柔軟構成としている。同一サイズの従来銅電線対比で重量53％の低減を可能とした。

L' = ( R ± r ) ⋅ θ

素線表面ひずみ

素線表面のひずみ振幅

写真1L = R ⋅θ

図5105

屈曲回数 (回)106107108

各種導体のS-N特性2017 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 190 号

119高強度アルミ電線を用いたハーネス形態（写真2）におい

300て、エンジン振動模擬試験を行った。
その結果、図6に示すように、従来アルミ電線よりも大き高強度アルミ合金

(MPa)

250

く向上し、また、従来銅電線を上回る回数まで断線なく、良好な特性が得られた。

軟銅

200150従来アルミ合金
10002000

図840006000(h) [800010000

高温放置後の強度

当然ながら従来アルミ合金よりも、高強度アルミ合金の強度は高く、高温程、強度は低下するものの軟銅の強度を下回ることがなく、125℃の高温においても軟銅よりも高
写真2い強度であった。また、125℃の温度履歴によって、常温エンジン振動模擬試験様子時の強度は低下するものの、軟銅よりも高い強度を維持することが判る。
このように高強度アルミ電線は、エンジン部において、従来アルミ電線従来銅電線と同等以上の強度を確保できることが判る。
従来銅電線
高強度アルミ電線

053.

1015

自動車用ワイヤーハーネスの接続部は、図9に示すよう断線までの屈曲回数(×106回)
図6

高強度アルミ電線用端子の開発に圧着※4 と呼ばれる工法で電線と接続した端子を挿入した（4）。
コネクタを嵌合する構造が一般的に用いられている（3）、エンジン振動模擬試験結果

当社はアルミハーネスを広く展開するために、ハーネス製造の汎用工法である圧着で接続できる、従来アルミ電線専用の端子を用いている。今回、開発した高強度アルミ電
また、エンジン部周辺の温度環境を想定し、125℃の高温時の導体強度、125℃の高温履歴後の導体強度を調査した結果を図7、図8に示す。

線と端子との接続技術を開発した。
圧着とは、図10に示すように被覆を剥いた電線を端子のワイヤーバレルと呼ばれるU字型の部位でかしめて接続する工法で、接触抵抗と電線保持力を確保する。

350

高強度アルミ合金

強度（MPa）

300250

圧着接続軟銅200150メスコネクタ

100

従来アルミ合金

50オスコネクタ

0-500

図712050100

試験温度（℃）

150

強度の温度特性

エンジンの振動屈曲に耐える高強度アルミワイヤーハーネス

電線

端子

図9 コネクタと圧着電線

図10

圧着工法

アルミは表面を強固な絶縁性酸化膜で覆われているため、銅より強くかしめなければ接触抵抗が安定しない。そこで、接続性能にかかわる高強度アルミ電線導体の物性を調査し、

写真3

従来アルミ電線と同様の圧着手法を用いることができるか量産開始した0.35mm 2 高強度アルミ電線検証を行った。結果を表3に示す。

表3

電線導体物性項目

高強度アルミ電線

強度250MPa

130MPa

体積抵抗率1013 Ω･m1013 Ω･m

厚さ

約50nm

約50nm

表面酸化膜

従来アルミ電線調査の結果、高強度アルミ電線導体の酸化膜物性は、従来アルミ電線導体と同程度であることがわかった。従来圧

写真4

高強度アルミ電線を使用したエンジンワイヤーハーネス

着手法での成立見込みが得られたことから、実際に圧着特性評価を行った。結果を図11に示す。
接触抵抗と電線保持力共に規格を満足する圧着条件幅をこのハーネスの中で、高強度アルミ電線を用いた回路は全体の約20％を占めている。

確保することができた。

今後予定している高強度アルミ電線のラインナップを表4に示す。既に量産開始した100℃耐熱グレードの柔軟撚り導体構成の0.35fのタイプの他、銅電線のラインナップと同様にエンジンハーネス用（100℃耐熱グレード）と室内接触抵抗電線保持力ハーネス用（80℃耐熱グレード）を整備するつもりである。

表4

アルミ用セレーション
クリンプハイト図114.

高強度アルミ電線用端子の圧着特性

アルミ電線を用いたエンジンワイヤーハーネスと今後のラインナップ

2015年4月より0.35mm2 皮切りに高強度アルミ電線を製造開始しており、製造した電線と、現状、製品化したエンジンワイヤーハーネスを写真3、写真4に示す。

耐熱グレード

導体構成

80℃

圧縮100℃

一般撚

100℃

5.

高強度アルミ電線ラインナップ
導体柔軟撚

結

絶縁サイズ

撚り構成
（本/mm）

外径(mm)

0.35

7/SB

0.70

0.50

7/SB

0.85

0.35

7/0.250

0.75

0.50

7/0.300

0.90

0.35f

19/0.155

0.80

材料
PVC
PVC

仕上外径(mm)

電線重量(g/m)

0.20

1.10

1.8

0.20

1.25

2.3

0.25

1.25

2.1

0.28

1.46

2.9

0.25

1.30

2.2

0.28

1.51

3.0

0.30

1.75

4.2

0.30

2.10

6.2

絶縁厚(mm)0.5f

19/0.185

0.95

0.75f

19/0.225

1.15

1.25f

37/0.210

1.50

2.0f

37/0.260

1.85

0.35

2.55

9.3

2.5f

37/0.285

2.05

0.375

2.80

11.1PVC

言・ワイヤーハーネスの軽量化と価格低減を目的に、銅と同等以上の強度の高強度アルミ合金導体を有する、自2017 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 190 号

121

動車用高強度アルミ電線を開発した。
・こ れ に よ り、 エ ン ジ ン 領 域 に 適 用 で き、 且 つ0.35

執筆者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

田口欣 司＊ ：㈱オートネットワーク技術研究所
電線・材料研究部 グループ長

嶋田

高信

吉本潤

桑原

鉄也

mm2 の細径サイズが可能となった。
・高 強度のアルミ合金Al-0.6mass％Mg-0.5mass％Siを選定し、有効な調質処理条件を確認の上、電線製造工程に組み込んだ。
・エンジン領域の振動特性は従来銅電線よりも優れ、同：㈱オートネットワーク技術研究所
接続部品研究部

一サイズの従来銅電線対比で53％の重量低減を実現した。
・2015年4月より0.35mm2 皮切りに高強度アルミ電線を製造開始した。

：住友電装㈱グループ長

電線・第1事業部

今後は、アルミのサイズバリエーションの拡大展開を行っていくと共に、アルミ編組やシールド線など、アルミ未適用の領域への拡大を進めていく。

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
※1

導電率

赤祖父保広

：エネルギー・電子材料研究所
グループ長：富山住友電工㈱技術部

主査

電 気 の 流 れ や す さ を 示 す 指 標。 軟 銅（万 国 軟 銅 標 準：International Annealed Copper Standard）を100とした時の比率で示され、単位は％IACS。
※2

溶体化処理

比較的高い温度で加熱保持し、その後、急冷させて、アルミ合金中に添加元素を均一に溶け込ませる熱処理。
※3

時効処理

比較的低い温度で加熱保持し、時間の経過とともに徐々に溶け込んでいた添加元素を化合物として析出させる熱処理。
※4

圧着

端子と電線をかしめることにより、電気的、機械的に接続する方法。

参 考 文 献（1）	日本アルミニウム協会 編、アルミニウムハンドブック、第7版（2007）（2）	Yasuyuki Otsuka etc., Development of Aluminum Wire for
Low-Voltage Automotive Wiring Harnesses（SAE International）（2012）（3）	山野能 章、「アルミハーネスの開発」、SEIテクニカルレビュー第179号、p81-88（July 2011）（4）	西村直也、「アルミハーネス」、SEIテクニカルレビュー第185号、p4-9（July 2014）

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エンジンの振動屈曲に耐える高強度アルミワイヤーハーネス----------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者