連続鋳造圧延法による高性能銅合金線の開発

中本斉1
石 田 徳 和2
服 部 芳 明))
大石恵一郎 芦 田 哲 哉へ流し，鋳造輪と無端ベルトからなる鋳造機で鋳造バーを製.

は じめに造し，圧延工程，冷却・還元工程を経て荒引銅線をコイル状に巻き取る．

近年環境保護の意識が高まり，環境への負荷を軽減する材料の開発が求められている．銅線材分野においては，例えば



連続鋳造圧延による無酸素荒引銅線製造技術(1)

銅重量軽減の手段として電線や配線の細径化が進んでおり，連続鋳造圧延工程で無酸素銅を得る為に，溶解工程での燃細径化前と同等の強度を有する高強度銅合金線や，耐屈曲焼雰囲気を制御する必要がある．図にシャフト炉内の都市性，耐摩耗性に優れた銅合金線が求められるようになった．

ガス燃焼雰囲気と溶銅中の溶存ガス成分の平衡計算結果を示

通常このような銅合金線は，ビレット押出→伸線→熱処理

す．燃焼雰囲気として CO ( dry )濃度を指標としている．こ→伸線，といった多くの工程が必要となり生産性やコストに問題がある上，長尺化にも限界があった．
三菱マテリアル株式会社は，無端ベルトと鋳造輪からなり，低コストで生産性の高い連続鋳造圧延装置を有している．本装置はタフピッチ荒引銅線の製造装置であるが，世界で 初 め て 無 酸 素 荒 引 銅 線 ( ROXシ リ ー ズ ) の 製 造 に 成 功し(1)，その製造技術と，従来から当社の型銅部門で培った銅合金製造技術を融合させ，連続鋳造圧延による無酸素銅ベースの高性能銅合金線の製造に成功したので以下に報告する．

.

連続鋳造圧延による銅合金線製造技術開発



連続鋳造圧延装置の概要

図1

連続鋳造圧延概略図．

図にシステムの概略図を示す．原料(電気銅等)はシャフト炉で溶解され溶銅となり，保持炉に一旦ストックされる．
その後鋳造速度に合わせて溶銅を保持炉からタンディッシュ
三菱マテリアル株式会社1)堺工場 製造課 課長補佐2)金属事業カンパニー 銅加工事業部 副事業部長
小名浜製錬株式会社小名浜製錬所 生産部 鋳造課 課長
三菱伸銅株式会社開発部 部長，シニアフェロー
菱星尼崎電線株式会社尼崎工場 工場長Development of HighPerformance Copper Alloy Wire on aContinuous Casting and Rolling Process; Hitoshi
Nakamoto, Norikazu Ishida, Yoshiaki Hattori, Keiichiro
Oishiand Tetsuya Ashida, (Mitsubishi Materials
Corporation, Onahama Smelting and Refining Co., Ltd.
Mitsubishi Shindoh Co., Ltd. Ryosei Amagasaki
Electric Wire Co., Ltd.)2015年10月30日受理[doi:10.2320/materia.55.114]



図2

溶銅中の酸素，水素濃度に及ぼす空燃比の影響．

新技術・新製品

れはシャフト炉に供給されている都市ガスと空気の混合ガスったが，鋳造鋳型を熱伝導度の小さい材質に変更することでをインラインの分析装置にも供給し，装置内で実際に燃焼さ解決した．

せた後に排ガス中の CO 濃度を測定することで求められる．
通常操業ではシャフト炉の燃焼雰囲気はおよそ CO ( dry )＝0.3であり，シャフト炉出口での溶銅中の酸素濃度は 90【CuCr 系】
Cr も Mg と同様に酸素親和性が高く溶湯を汚染しやすい

mass ppm 程度である．これは，都市ガス(組成CH4 88,合金元素であるが，CuMg 系と同様，前述の無酸素銅の溶C2H6 6, C3H8 4, C4H10 2)の燃焼反応式より求められる

湯処理技術を活用した．

H2, H2O, CO, CO2 ガスの分圧を用いて計算した溶銅中の酸素，水素の活量(2)(3)とよく一致しており，シャフト炉内では【CuFeP 系，CuCoP 系】

平衡がほぼ成立していると考えられる．従って図 2 より，Fe や Co は溶銅に対して難溶解性の元素であることから燃焼雰囲気を COリッチにする事で低酸素の溶湯を得られ通常の溶湯温度では溶解しないため，溶解工程ラインに溶湯ることが分かる．ただし実操業では，コスト・湯温・溶解速加熱装置を設置した．また P は鋳塊の粒界割れを誘発する度を踏まえて制御範囲を決定している．

が，鋳造組織制御によって解決した．

図に溶解工程から製品までのガス成分の挙動について，通常操業と無酸素銅製造時の場合に分けて示した．タフピッ【共通】

チ銅を製造する場合は，シャフト炉出口以降で酸化が進み，全ての合金品種において，圧延負荷が著しく上昇した．開荒引線では約 300 mass ppm の酸素濃度となる．一方無酸素

発当初は鋳造バーや圧延材の温度調整で対応したが，特に高銅を製造する場合は，シャフト炉における燃焼制御によりシ強度の Cu Mg 系や Cu Co P 系は圧延負荷が一段と高くな

ャフト炉出口で酸素濃度が約 20 mass ppm 以下となり，更り，圧延が不可能であった．そこで対象の合金品種毎の高温にその後の工程で脱水素，脱酸素を行い，最終的には酸素

変形抵抗データを基に圧延シミュレーションを実施し，各圧

約 3 mass ppm ， 水 素

延スタンドにおいて適正な前方・後方張力になるようパスス

約 0.4 mass ppm の 荒 引 線 が 得 ら れる．


ケジュールを変更し，更に圧延モーターの能力を増強するこ
連続鋳造圧延による高性能銅合金線製造技術

強度や導電性に優れる高性能銅合金の多くには，Mg, Zr,Cr, Ti, Fe, P といった酸素親和性が高い合金元素が含まれることがほとんどであるため，これら元素を含む銅合金を得るとで連続鋳造圧延を可能にした．

.

高性能銅合金線 ROXCP(4)

特長には溶銅の無酸素化が不可欠となる．様々な高性能銅合金線連続鋳造圧延装置により製造した高性能銅合金線であるの製造技術開発は，前述の溶湯処理技術をベースに達成した

ROXCP について紹介する． ROXCP は Cu Co P 系銅ものである．

合金で，強度・導電率の特性値は図に網掛けで示す領域に位置する．
図 4 より， ROXCP の特性は Cu Cd や Cu Cr Zr 等の【CuMg 系】
CuMg 系は銅合金の中で最も高強度が得られる合金品種

難製造合金とほぼ同等であり， Co P による析出強化と Sn,の一つで，鉄道用トロリ線や電子部品の接続部等の素材として使用される．Mg は極めて酸素と反応しやすく連続鋳造が困難とされてきたが，酸素濃度を極めて低減させることでスラグ等による汚染のない CuMg 系の溶湯が得られ，連続鋳造圧延での荒引線製造に成功している．試作段階において，CuMg の鋳造バーの温度が極端に低下するという課題があ

図3

各工程における溶銅中のガス成分挙動．

ま て り あ 第55巻 第 3 号(2016)
Materia Japan図4

各種銅合金線の代表特性．

Mg, Ag 等による固溶強化を組み合わせることで，高強度

表10.13 mm2 ワイヤーハーネス評価．

かつ高導電性を有するバランスに優れた特性が実現される．

タフピッチ銅 Cu0.3 massSn ROX
CP

また，時効熱処理の条件を変え，CoP の析出物のサイズを0.3 mm20.13 mm20.13 mm2

抗張力

70 N

102 N

75 N

伸び≦20

37

導体抵抗

57 Q/km

165 Q/km

180 Q/km

更に，従来の製法である熱間押出では数百 kg の短尺品し耐屈曲性―

210回1100回か製造できないが，ROXCP は連続鋳造圧延により製造す

ハーネス配策性◯△◯

断面積調整することで，耐摩耗性，耐熱性および耐屈曲性など各ユーザーの要求に応じた様々な特性を自由に選択することができ，トロリ線のような大径サイズから，ロボット用配線等の導体極細線まで，幅広いサイズに対応が可能である．

るので長尺品が可能となる．
このように，ROXCP は 1 合金品種で様々な市場のニーズに対応することが可能で，特性バランスとコスト競争力を兼ね備えた優れた銅合金線であり，既に連続鋳造圧延により量産化し，市場に投入されている．


用途


自動車用ワイヤーハーネス

自動車の車体軽量化による燃費向上と排気ガス低減の目的
で，多線化が進むワイヤーハーネスの銅線使用重量を削減するために，ワイヤーハーネスの細径化が進んでいる．
屈曲試験結果(0.08 mmq)．

図5

通 常 使 用 さ れ て い る ワ イ ヤ ー ハ ー ネ ス は 0.3 mm2 か ら
0.22 mm2, 0.13 mm2, 0.08 mm2 へ，導体断面積で 50 ～ 90 減の細径ハーネスの開発が進められているが，細径化されても要求される強度は 0.3 mm2 と同等であり，銅合金線を使流 通 し て い る タ フ ピ ッ チ 軟 銅 線 や Sn 入 り 銅 線 に 比 べ ，用しなければ達成できない要求値となっている．

ROXCP は 4～6 倍の耐屈曲性を有する．

一方で現行材(0.3 mm2)は軟銅線を用いることによりワイ
ヤーハーネス組み込み時や走行中の衝撃を吸収しており，細

.

まとめ

径化後も当然ながら耐衝撃性を兼ね備える為に適度の材料伸びが必要とされる．



ROXCP は強度，伸び，導電性を兼ね備えていることから，上記ワイヤーハーネスの要求に適合する．ROXCP に環境負荷軽減を目的とし，低コストで生産性の高い連続鋳造圧延装置を用いた高性能銅合金線の製造に成功した．



高性能銅合金線

ROXCP は連続鋳造圧延で製造した

ついて実際に実機でハーネス組立てまで行い，諸特性の評価

Cu Co P 系の荒引銅線であるが， 1 品種の荒引線で多を行った結果を表に示す．

種の加工度，熱処理温度を組み合わせることにより，様導体特性を最適化することで，ROXCP は現行材である々な用途に対応できる．

0.3 mm2 と同等のハーネス組立性を達成することができた．

同時に評価した Cu0.3Sn はハーネスの組立て自体は可能文献であったが，伸びが不足し形状を付与する配策性が悪く，線ハネや線絡みにより組み立て作業に時間を要した．


ロボット用ケーブル

ロボット用ケーブルは，ロボットアームの屈曲部等に使用されるため，耐屈曲性の向上による長寿命化が求められる．
図は ROXCP と従来材(タフピッチ軟銅線，Cu0.3
Sn 硬/軟銅線)の繰り返し曲げ回数を比較したものである．

( 1 ) 堀 和 雅 ， 和 田 正 彦 ， 服 部 芳 明  伸 銅 技 術 研 究 会 誌 ， 40(2001), 153155.
( 2 ) 幸塚善作，鈴木康治，大石敏雄，森山徐一郎日本金属学会誌，32(1968), 11321137.
( 3 ) 加 藤 栄 一 ， 上 野 晴 信  日 本 金 属 学 会 誌 ， 33 ( 1969 ) , 1161 
1164.
( 4 ) 中本 斉，石田徳和，芦田哲哉，渡邊和章銅と銅合金， 51(2012), 306310.

新技術・新製品