JP4279203B2 - 自動車の導電線用アルミニウム合金 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の導電用アルミニウム合金線材、特に、直径１.０ｍｍ以下にまで伸線加工されて極細合金線として使用されるアルミニウム合金線材に関する。

自動車において、電気機器類等を電気的に接続させるワイヤーハーネス等の導電体は、軟銅線の撚り線で製造されている。
ところが、銅線からなる導電体を取り付けた自動車を解体・リサイクルしようとするとき、銅材の存在が問題視される。すなわち、Ｆｅ合金にＣｕが混入するとＦｅ合金の特性を大きく低下させ、伸展材として再利用することができなくなるので、自動車を解体して鉄材を再利用しようとするとき、鉄製部品部の周りに取り付けられたワイヤーハーネス等の導電体を予め取り除く必要がある。このため、リサイクルにコストが掛かっていた。

そこで、近年、ワイヤーハーネス等の導電体として、Ｆｅ合金に混入してもＦｅ合金の特性にさほど影響を与えないＡｌ合金線材を用いようとする傾向がある。Ａｌ合金線材の使用により、ワイヤーハーネス等の導電体を取り除くことなく自動車を解体することにより、コストの低下を図ろうとするものである。そして、ワイヤーハーネス等の導電体用合金として、一般に６０００系と称されるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系の合金を用いることが特許文献１で提案されている。
特開２０００−２１２６６４号公報

６０００系の合金線は、ワイヤーハーネスに必要とされる強度及び電気伝導度を得るためには、線材に加工した後、時効処理を行ってＭｇ−Ｓｉ系の金属間化合物を析出させる必要があった。そのため、コスト高となっている。特に溶体化処理は、５００℃以上への加熱を必要とするため、コストを高くする要因になっている。
また、Ｍｇ−Ｓｉ系の金属間化合物は、伸線加工する際の破壊の起点となり易いので、極細線に加工する際には伸線速度を遅くする等の対策を講じる必要があり、生産性が悪くなっている。さらに、線材は、伸線加工後コイル状に巻き取られ、その状態で出荷されているが、６０００系のアルミニウム合金は、０.２％耐力が高いためにバネ性が高く、巻き取ったり、巻き取った状態で維持したりすることが難しくなっている。また自動車に配線することも面倒になっている。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、ワイヤーハーネス等の導電体として使用できる十分な強度を持ちながら取り扱い易いアルミニウム合金線材を低コストで提供することを目的とする。

本発明の自動車の導電線用アルミニウム合金は、その目的を達成するため、Ｆｅ：１.２〜２.０質量％，Ｍｇ：０.０５〜０.３質量％を含み、さらにＺｒ：０.０１〜０.１０質量％，Ｔｉ：０.００１〜０.０２質量％，Ｂ：０.０００１〜０.００５質量％の１種以上を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなることを特徴とする。
また、この合金は、前記不可避的不純物のうち、Ｓｉが０.０１質量％以下に、Ｃｕが０.０３質量％以下に制限されていることが好ましい。

本発明の導電線用アルミニウム合金では、Ａｌ合金においてＭｇ−Ｓｉ系金属間化合物を形成し易いＳｉを添加することなく、ＦｅをＡｌに添加することにより、Ａｌ合金溶湯を鋳造する際に、Ａｌ−Ｆｅ系の金属間化合物を微細均一に分散させ、強度及び耐熱性を高めている。Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物の均一分散により、ワイヤーハーネスに必要な強度が得られるので、溶体化処理や時効処理を施す必要がない。したがって、安価に合金線材を製造することができる。
また、所定量のＦｅを含むＡｌ合金は加工軟化を起こして伸びが上昇するため、本発明合金は、伸線加工性に優れ、極細のワイヤーハーネスが製造され易くなっている。
さらに、周面に円周溝を有する回転鋳造輪を使用して連続的に鋳造するとともに、鋳造体に連続的に圧延とその後の伸線加工を施すことにより、従来と比べて格段な低コストで自動車の導電体用アルミニウム合金線材を製造することができる。

本発明を具体的に説明する。
まず、本発明の自動車の導電線用Ａｌ−Ｆｅ系アルミニウム合金を構成する成分の作用及び含有量について説明する。
基本的には、Ａｌに０.８〜２.０質量％のＦｅを含ませることを特徴としている。Ｆｅを０.８質量％以上添加させると加工軟化を起こし易く、伸びが上昇するため伸線加工し易くなる。またＦｅの含有により、Ａｌ‐Ｆｅ系の金属間化合物を微細均一に晶出させ、ワイヤーハーネスとして使用される際にも必要とされる強度を得ることができる。しかし、２.０質量％を超えて過剰に含有させると、粗大な晶出物が形成され、伸びが低下して伸線加工性が悪化することになる。

本発明Ａｌ−Ｆｅ系アルミニウム合金の特性を向上させ、またワイヤーハーネス等としての用途を想定しての極細線化を容易にするために、必要に応じてＭｇ：０.０５〜０.３質量％，Ｚｒ：０.０１〜０.１０質量％，Ｔｉ：０.００１〜０.０２質量％，Ｂ：０.０００１〜０.００５質量％の１種以上を含むことができる。
Ｍｇは、母材に固溶することで強度を向上させる作用を呈する。この効果は０.０５質量％以上の添加で顕著になる。しかし、０.３質量％を超えて過剰に添加されると導電性が低下するのに加えて加工硬化し易くなり、伸びが低下して伸線加工性が低下する。このため、Ｍｇを添加する場合には、０.０５〜０.３質量％の範囲とする。

Ｚｒは、Ａｌ−Ｚｒ系金属間化合物を形成して耐熱性を向上させる作用を呈する。この効果は０.０１質量％以上の添加で顕著になる。しかし、０.１０質量％を超えて過剰に添加されると粗大なＡｌ−Ｚｒ系金属間化合物が生成され、この金属間化合物が破壊の起点となって伸びを低下させ、伸線加工性が悪化することになる。このため、Ｚｒを添加する場合には、０.０１〜０.１０質量％の範囲とする。

ＴｉとＢはともに、それぞれ単独で又はＴｉＢ₂として、結晶粒を微細化させ、鋳造性及び加工性を向上させる作用を呈する。また、Ｂは不可避的不純物元素と化合して、不可避的不純物の悪影響を解消させている。このような効果を発揮させるためには、少なくともＴｉは０.００１質量％，Ｂは０.０００５質量％を必要とする。しかし、その効果はある程度の添加量で飽和し、Ｔｉの場合は０.０２質量％，Ｂの場合は０.００５質量％を超えて添加することは却ってコストを高めるだけである。したがって、Ｔｉを添加する場合には、０.００１〜０.０２質量％の範囲、Ｂを添加する場合には、０.０００１〜０.００５質量％の範囲とする。

その他の不純物は導電性を低下させる原因となる。したがって不可避的不純物の含有量は極力少なくすることが好ましい。
特に熱伝導性を低下させるＶは０.００５質量％以下にすることが好ましい。また、破壊の起点となるＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物を形成するＳｉは０.０１質量％以下に、さらに耐食性を低下させるＣｕは０.０３質量％以下にすることが好ましい。

次に、本発明の導電線用Ａｌ−Ｆｅ系アルミニウム合金を線材化する方法について説明する。
本発明で規定された成分組成を有するＡｌ−Ｆｅ系合金溶湯を、公知のいわゆるベルトアンドホイール式の連続鋳造機で連続的に鋳造し、得られた鋳塊をその鋳造熱を利用して熱間で連続的に圧延して荒引線とし、その荒引線を伸線加工することにより製造することができる。

ベルトアンドホイール鋳造機は、概略的には、図１に示すような構造を有している。回転鋳造輪１の周面に円周溝２が形成されており、この円周溝２を大よそ２００度の角度範囲（装置によって異なるが）にわたって蓋をするように、回転鋳造輪１の周面に接触して無端ベルト３が走行される。ロール５により無端ベルト３が回転鋳造輪１の周面に押し付けられ、図２に示すように、無端ベルト３により蓋をされた状態の円周溝２内が鋳造キャビティとなる。
所望組成のＡｌ合金溶湯がスパウト４により鋳造キャビティ内に連続的に供給される。図示されていない冷却水の供給等の補助により、供給された溶湯は回転鋳造輪１及び無端ベルト３によって冷却され、凝固される。

回転鋳造輪１の回転に伴って、無端ベルト３が円周溝２から外れると、鋳造体６も円周溝２から外れる。そして、円周溝２から完全に離れた時点で鋳造体６の先端部分を少し（１０〜２０度程度）曲げると、鋳造が進むにつれて、無端ベルト３に再び接触することなく鋳造体６は連続鋳造機から、取り出されていく。
このようにして製造された鋳造体６は、鋳造時に酸化物等の巻き込みが少なく、空気に触れて凝固した自由凝固面がないため、全体として酸化物の極めて少ない製品が得られ、次の熱延工程に送られる。

連続鋳造機から取り出された鋳造体６は、図示されていない圧延機に導かれる。なお、回転鋳造輪１から取り出された鋳造体６は、鋳造輪から離す際あるいは搬送の途中で湾曲させられ曲っているので、圧延機に導く前にロール矯正機を通して、鋳造体を真直ぐに矯正することが好ましい。
圧延機に導かれた鋳造体は、まだ相当に高温状態を維持しているので、通常はそのまま熱間圧延して、荒引線を製造する。
圧延機入り口での温度が低すぎる場合、圧延機の前に加熱装置を設けて上記温度以上になるように調整することも可能であるが、連続鋳造機での冷却状況を調整し、連続鋳造機の出口での温度を制御することが、コスト的にも好ましい。

圧延時には、冷却を兼ねた潤滑剤エマルジョンを使用してもよい。
圧延時の断面減少率が小さいと鋳塊中の鋳巣を十分に潰すことができず、荒引線材の巻き取り時やその後の伸線加工時に割れが発生しやすくなる。また、断面減少率が大きいと圧延中の鋳塊の温度低下が激しくなり、圧延しにくくなる。このため、圧延は、断面減少率６０〜９８％の範囲で行うことが好ましい。
圧延後、荒引線を引き続いて冷間伸線加工し、所望の径の線材を製造することができる。その際、必要に応じて所定温度の焼鈍工程を介在させると、伸線加工が行い易くなる。圧延後、荒引線を一旦巻き取った後に、再び焼鈍と冷間伸線加工を行うようにしてもよい。いずれの場合であっても、冷間伸線加工及び焼鈍は従来から行われている条件で行われる。

表１の合金Ｎｏ．１に示す成分組成を有するアルミニウム合金溶湯を、５７０℃に保持し、外径が１４０ｍｍで、深さ３０ｍｍ、最大幅３０ｍｍの円周溝を形成した回転鋳造輪を有するベルトアンドホイール鋳造機により、鋳造速度１０ｍ／ｍｉｎで断面積５５０ｍｍ²に鋳造した。その後連続的に直径８ｍｍの荒引線に圧延した後に、３００〜５００℃で焼鈍しつつ、複数回の引抜き加工（引抜き速度：８００ｍ／ｍｉｎ）を行って、直径０.２ｍｍの線材を得た。なお、従来のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金材である比較合金３は、引抜き速度８００ｍ／ｍｉｎで引抜き加工を始めたところ破断して引抜き加工できなかったので、破断を防止するために４００ｍ／ｍｉｎの速度で引抜いた。
得られた線材について、引張特性と電気伝導度を測定した。
その結果を表２に示す。
なお、引張特性及び電気伝導度の測定は、ＪＩＳ Ｃ３００２に準拠して行い、引張強度，０.２％耐力，伸び及び電気伝導度を得た。この際、電気伝導度は焼鈍標準軟銅の電気伝導度を１００％IACSとし、その何％IACSに相当するかで表記した。

表２の結果からわかるように、Ｆｅ含有量の少ない比較合金１は、強度や伸びが低くなっており、Ｆｅ含有量が規定量よりも多い比較合金２も、伸びが低くなっている。これは粗大な晶出物が形成されたためであると思われる。
また、従来のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金である比較合金３は、時効処理を施さないと電気伝導度が低くなっている。なお、この比較合金３に関しては、引抜き加工を施す前に５３０℃×２時間の加熱後に焼き入れる溶体化処理と、引抜き加工後に１７０℃×５時間の時効処理を施したものも作製し、その線材について引張特性と電気伝導度を測定した。その結果も併せて表２に示している。熱処理したものでは、十分な引張強度は得られているが、０.２％耐力が高くなりすぎているために、取り扱い難いことがわかる。

ベルトアンドホイール鋳造機の全体構造を概念的に説明する図 円周溝の構造を説明する部分断面図

Claims (2)

1. Ｆｅ：１.２〜２.０質量％、Ｍｇ：０.０５〜０.３質量％を含み、さらにＺｒ：０.０１〜０.１０質量％，Ｔｉ：０.００１〜０.０２質量％，Ｂ：０.０００１〜０.００５質量％の１種以上を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなることを特徴とする自動車の導電線用アルミニウム合金。
2. 前記不可避的不純物のうち、Ｓｉ：０.０１質量％以下、Ｃｕ：０.０３質量％以下に制限されている請求項１に記載の自動車の導電線用アルミニウム合金。

Images