JP3901052B2

JP3901052B2 - アルミニウム合金撚線導体ケーブル

Info

Publication number: JP3901052B2
Application number: JP2002220652A
Authority: JP
Inventors: 稔之堀越; 洋光黒田; 道晃清水; 裕昭林; 茂梅原; 光久大竹
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2022-07-30
Also published as: JP2004063290A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配線材料に係り、特に自動車用配線材料として有益なアルミニウムを主成分とする合金からなり、高導電性且つ高耐熱性を有するアルミニウム合金撚線導体ケーブルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車等に用いられる配線材料としては、機械的強度及び導電率を考慮して、銅及び銅合金、或いはアルミニウムにて構成されるケーブルが用いられていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、銅及び銅合金は、材料としての引張強さ及び導電率は高いものの、重量が大きいため、銅及び銅合金からなる配線材料を自動車等の装置に適用した場合、配線材料の重量割合が増え、装置全体のエネルギー効率の低下を招くといった問題があった。
【０００４】
また、高温環境下では、材料自体が軟化するため、強度的な欠陥が生じる。このため、配線材料が位置する周囲の環境温度が高温になる自動車、特に電気自動車では、その高温環境下での配線材料の信頼性の確保が困難であった。
【０００５】
さらに、鉄スクラップ中に、銅及び銅合金からなる配線材料の銅が一定量を超えて含有されると、鉄鋼表面に亀裂等の不具合が生じ、鉄のリサイクル性が阻害されてしまうため、近年では配線材料の銅フリー化が望まれるようになってきている。
【０００６】
一方、アルミニウム合金からなる配線材料では、導電率が低いため、ジュール熱が発生するので、そのエネルギー損失が大きくなってしまうといった問題があった。
【０００７】
また、アルミニウム合金は、導電率が低く、且つ引張強さが小さいため、アルミニウム合金からなる配線材料の電流容量と機械的強度を満足させるためには大きな断面積を必要とする。このため、アルミニウム合金からなる配線材料を自動車等の装置に適用した場合、装置全体に占める配線材料の容積が大きくなり、自動車等の装置の大型化を招くと共に、エネルギー効率を低下させてしまう。
【０００８】
さらに、アルミニウム合金からなる配線材料で、必要な引張強さを得ようとすると、伸びが小さくなるために、可とう性に劣り、屈曲寿命が短いといった問題があった。
【０００９】
また、高温環境下での使用においては、銅及び銅合金と同様な理由で、信頼性の確保が困難であった。
【００１０】
以上より、自動車、特に電気自動車等に使用する配線材料としては、導電性が良好で、引張強さ及び伸びが高く、且つ耐熱性が良好であることが望まれている。しかしながら、従来の配線材料では、これらを全て満足するものはなかった。
【００１１】
そこで、本発明は上記問題を解決すべく案出されたものであり、その目的は、導電性が良好で、引張強さ及び伸びが高く、且つ耐熱性が良好なアルミニウム合金撚線導体ケーブルを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決すべく、本発明は、Ｆｅを０．２〜１．０質量％、Ｚｒを０．０１〜０．１０質量％含有し、残部がＡｌ及び０．０５質量％以下の不可避的不純物であるアルミニウム合金からなる素線の複数本を撚り合わせて形成した撚線で構成され、上記素線は引張強さ１２０ＭＰａ以上、伸び１０％以上、導電率５９％ＩＡＣＳ以上の特性を有し、線径が０．３ｍｍ以下であることを特徴とするアルミニウム合金撚線導体ケーブルである。
【００１３】
上記構成によれば、撚線を構成するアルミニウム合金を、アルミニウム（Ａｌ）に鉄（Ｆｅ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）を上記の特定の質量比で含む構成としたことによって、従来の銅及び銅合金、或いはアルミニウム合金と比較して、導電率を略同等に保ちつつ、引張強さ及び伸びが大きく向上し、さらに高温環境下でも引張強さが低下しないという高耐熱性を有する。さらに、引張強さが大きく、伸びも大きいという両方の特性を有することにより、撚線への加工が容易であり、導電ケーブルとして可とう性に優れる。
【００１４】
そして、上記素線の特性が、引張強さ１２０ＭＰａ以上、伸び１０％以上、且つ導電率５９％ＩＡＣＳ以上であるものが好ましい。
【００１５】
また、上記撚線が、２層或いはそれ以上の多層構造によって構成されたものが好ましい。
【００１６】
さらに、上記撚線が、素線を撚り合わせてなる複数の撚線心線をさらに撚り合わせて形成されたものが好ましい。
【００１７】
また、上記素線を撚り合わせてなる撚線が、ダイスによって減面加工が施されたものが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００１９】
図１は本発明に係るアルミニウム合金撚線導体ケーブルの好適な第一の実施の形態を示した断面図、図２は本発明に係るアルミニウム合金撚線導体ケーブルの好適な第二の実施の形態を示した断面図、図３は本発明に係るアルミニウム合金撚線導体ケーブルの好適な第三の実施の形態で用いられる撚線心線を示した断面図、図４は本発明に係るアルミニウム合金撚線導体ケーブルの好適な第三の実施の形態を示した断面図である。
【００２０】
本発明者らが鋭意研究を行った結果、所定以上の純度を有するアルミニウムに、Ｆｅ及びＺｒを特定の割合で微量添加することで、アルミニウムの特長である低比重および良好な導電性を維持しつつ、機械的強度および伸びが高く、かつ、耐熱性も良好となるということを見出し、本発明を完成するに至った。
【００２１】
具体的には、本発明に係るアルミニウム合金撚線導体ケーブルは、Ｆｅを０．２〜１．０質量％、好ましくは０．２〜０．７質量％、特に好ましくは０．３〜０．６質量％、Ｚｒを０．０１〜０．１０質量％、好ましくは０．０１〜０．０５質量％、特に好ましくは０．０２質量％前後含有し、残余がＡｌ及び０．０５質量％以下の不可避不純物で構成されるアルミニウム合金で、素線を形成し、そのアルミニウム合金素線を複数本撚り合わせて形成するものである。
【００２２】
図１に示すアルミニウム合金撚線導体ケーブル１は、上記組成にて構成されたφ０．２５ｍｍのアルミニウム合金素線２を中心に１本配置し、その周囲に同径のアルミニウム合金素線２を６本配置して撚り合わせて２層構造に形成された撚線１１にて構成されている。このアルミニウム合金撚線導体ケーブル１は、断面積が約０．３５ｍｍ² となっている。なお、この撚線１１に、ダイスによって減面加工を施してもよい。
【００２３】
図２に示すアルミニウム合金撚線導体ケーブル３は、上記組成にて構成されたφ０．１５５ｍｍのアルミニウム合金素線４を中心に１本配置し、その周囲に同径のアルミニウム合金素線４を６本配置し、さらにその周囲に同径のアルミニウム合金素線４を円周状に１２本配置して撚り合わせて３層構造に形成された撚線１２にて構成されている。このアルミニウム合金撚線導体ケーブル３も、断面積が約０．３５ｍｍ² となっている。なお、この撚線１２に、ダイスによって減面加工を施してもよい。
【００２４】
図４に示すアルミニウム合金撚線導体ケーブル５は、上記組成にて構成されたφ０．３２ｍｍのアルミニウム合金素線６を図３に示すように円周状に３本配置し、その周囲に同径のアルミニウム合金素線６を円周状に１０本配置して撚り合わせて形成された複数の撚線心線８をさらに撚り合わせて形成された撚線７にて構成されている。具体的には、撚線心線８を中心に１本配置し、その周囲に同じ撚線心線８を６本配置し、さらにその周囲に同じ撚線心線８を円周状に１２本配置して撚り合わせて撚線７が形成されている。このアルミニウム合金撚線導体ケーブル５は、１９本の撚線心線８で構成され、その断面積が約２０ｍｍ² となっている。なお、撚線７に、ダイスによって減面加工を施してもよい。
【００２５】
アルミニウム合金撚線導体ケーブル１，３，５における素線２，４，６の撚り合わせ構造は、上記構造に限定するものではなく、慣用の撚線導体ケーブルに用いられている構造であれば、全て適用可能である。
【００２６】
アルミニウム合金素線２，４，６の製造方法は、先ず、純度９９．９５％以上の純アルミニウムからなるＡｌ母材の溶湯中に、Ｆｅ及びＺｒを添加すると共に、それらの添加割合を調整し、前述した化学組成を有するＡｌ合金溶湯を作製する。次に、このＡｌ合金溶湯を用いて鋳造体の形成を行い、その後、その鋳造体に、線材加工および熱処理を施す。これによって、アルミニウム合金素線２，４，６が得られる。
【００２７】
ここで、Ａｌ母材として、純度が９９．９５％以上の純アルミニウムを用いるのは、純度が９９．９５％よりも低いと、得られるアルミニウム合金素線２，４，６において良好な導電率が得られないためである。
【００２８】
また、鋳造体に施す線材加工としては、特に限定するものではないが、例えば、断面減少率（減面率）が８５％以上、好ましくは９０％以上の塑性加工（冷間加工）が挙げられる。
【００２９】
次に、本発明に係るアルミニウム合金撚線導体ケーブル１，３，５の作用を説明する。
【００３０】
本発明のアルミニウム合金撚線導体ケーブル１，３，５に用いるアルミニウム合金素線２，４，６は、母材となる純アルミニウムの純度と、ＦｅおよびＺｒの質量比とを規定したことにより、純アルミニウム線と略同等の良好な導電率が得られ、従来のアルミニウム合金のようにジュール熱の発生に伴うエネルギー損失が多くなるということはない。よって、この素線２，４，６を用いた撚線導体ケーブル１，３，５を適用した装置、例えば自動車などにおいては、エネルギーの高効率化、すなわちエネルギー効率の向上を図ることができる。
【００３１】
また、Ａｌ以外の元素（Ｆｅ、Ｚｒ等）の含有量は、最大でも１％強であるため、素線２，４，６を構成するアルミニウム合金の比重は純アルミニウムと略同等である。よって、この素線２，４，６を用いた撚線導体ケーブル１，３，５を自動車等の装置に適用しても、撚線導体ケーブル１，３，５の重量割合は純アルミニウム撚線導体ケーブルの場合と略同等であり、その結果、装置全体の重量を小さくすることができ、エネルギー効率の向上を図ることができる。
【００３２】
また、素線２，４，６は、純アルミニウム線と略同等の良好な導電率を有し、かつ、室温での引張強さは純アルミニウム線よりも高いことから、素線２，４，６の電流溶量及び機械的強度を満足させるために、素線２，４，６の断面積を大きくする必要はない。例えば、線径がφ０．３ｍｍ以下、好ましくはφ０．２ｍｍ以下、より好ましくはφ０．１５ｍｍ前後の極細線に形成することができる。よって、この素線２，４，６を用いた撚線導体ケーブル１，３，５の断面積を小さく抑えることができ、装置全体に占める撚線導体ケーブル１，３，５の容積が小さくなり、その結果、装置の容積を小さくすることができる。
【００３３】
また、素線２，４，６は、純アルミニウム素線と比較して室温での引張強さは同等以上で、かつ、伸びは著しく高い。よって、この素線２，４，６を撚り合わせる際の加工が容易であり、導電ケーブルとして可とう性に優れる。その結果、従来の撚線導体ケーブルと比較して撚線導体ケーブル１，３，５の屈曲寿命が向上する。
【００３４】
また、本発明の撚線導体ケーブル１，３，５は、高温環境下においても引張強さは殆ど低下せず、高温強度が良好であることから、この撚線導体ケーブル１，３，５は高温環境下での信頼性が高い。よって、この撚線導体ケーブル１，３，５を、高温耐熱性が要求される装置、例えば電気自動車に適用すれば、自動車の信頼性を著しく向上させることができる。
【００３５】
本発明のアルミニウム合金撚線導体ケーブル１，３，５は、自動車用配線材の他にも、自動車用ハーネス、モータ用エナメル線などにも適用することができる。
【００３６】
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００３７】
【実施例】
次に、本発明について、実施例に基づいて説明するが、本発明に係る撚線導体ケーブルの素線径および撚線導体ケーブルの構成などは、これらの実施例に限定されるものではない。
【００３８】
（実施例１）
素線母材として純度９９．９５％のＡｌを用いて、化学組成がＡｌ-0.6Ｆｅ-0.02Ｚｒ（質量％）のアルミニウム合金を鋳造し、その鋳造体に断面減少率９０％の塑性加工（減面加工）を施して素線を形成する。この素線に２５０〜３５０℃で約１時間の熱処理を施し、アルミニウム合金素線を作製した（試料１）。
【００３９】
（比較例１）
素線母材として純度９９．９５％のＡｌを用いて純アルミニウム鋳造体を作製し、その後は、実施例１と同様にしてアルミニウム素線を作製した（試料２）。
【００４０】
実施例１及び比較例１の各素線（試料１，２）について、導電率（％ＩＡＣＳ）、室温（２０℃）での引張強さ（ＭＰａ）、伸び（％）、及び高温環境下（２８０℃）での強度残存率（％）を測定した。尚、高温環境下での強度残存率は、（２８０℃での引張強さ×１００／室温での引張強さ）によって求めた。各配線材のそれぞれの測定値を表１に示す。
【００４１】
【表１】

【００４２】
表１から明らかなように、実施例１の素線（試料１）と比較例１の素線（試料２）とを比較すると、試料１の導電率（６０．３％ＩＡＣＳ）は試料２のそれ（６２．２％ＩＡＣＳ）よりやや劣るものの、略同等であるといえる。
【００４３】
一方、試料１の常温の引張強さは１３０ＭＰａであり、試料２のそれ（１２０ＭＰａ）よりも高強度であった。また、試料１の伸びは１５％であり、試料２のそれ（５％）の３倍以上であった。さらに、試料１の強度残存率は９６％であり、試料２のそれ（５８％）の１．５倍以上であった。
【００４４】
以上より、試料１のアルミニウム合金素線は、純アルミニウム素線と略同等の導電率を有し、室温での引張強さは純アルミニウム素線よりも良好で、伸び及び高温強度は純アルミニウム素線よりも極めて良好であることがわかる。
【００４５】
また、試料１のアルミニウム合金素線を用い、図１、図２及び図４に示したように、素線２，４，６を撚り合わせて、アルミニウム合金撚線導体ケーブル１，３，５を作製した。この撚線導体ケーブル１，３，５は、素線２，４，６を撚り合わせる際の加工が容易であった。また、得られた撚線導体ケーブル１，３，５の可撓性は良好であることが確認できた。
【００４６】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、導電性が良好で、引張強さ及び伸びが高く、かつ、耐熱性も良好なアルミニウム合金撚線導体ケーブルが得られるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアルミニウム合金撚線導体ケーブルの好適な第一の実施の形態を示した断面図である。
【図２】本発明に係るアルミニウム合金撚線導体ケーブルの好適な第二の実施の形態を示した断面図である。
【図３】本発明に係るアルミニウム合金撚線導体ケーブルの好適な第三の実施の形態で用いられる撚線を示した断面図である。
【図４】本発明に係るアルミニウム合金撚線導体ケーブルの好適な第三の実施の形態を示した断面図である。
【符号の説明】
１アルミニウム合金撚線導体ケーブル
２（アルミニウム合金）素線
３アルミニウム合金撚線導体ケーブル
４（アルミニウム合金）素線
５アルミニウム合金撚線導体ケーブル
６（アルミニウム合金）素線
７撚線
８撚線心線
１１撚線
１２撚線

Claims

Ｆｅを０．２〜１．０質量％、Ｚｒを０．０１〜０．１０質量％含有し、残部がＡｌ及び０．０５質量％以下の不可避的不純物であるアルミニウム合金からなる素線の複数本を撚り合わせて形成した撚線で構成され、上記素線は引張強さ１２０ＭＰａ以上、伸び１０％以上、導電率５９％ＩＡＣＳ以上の特性を有し、線径が０．３ｍｍ以下であることを特徴とするアルミニウム合金撚線導体ケーブル。
上記撚線が、２層或いはそれ以上の多層構造によって構成された請求項１記載のアルミニウム合金撚線導体ケーブル。
上記撚線が、上記素線を撚り合わせてなる複数の撚線心線をさらに撚り合わせて形成された請求項１又は２に記載のアルミニウム合金撚線導体ケーブル。
上記素線を撚り合わせてなる撚線が、ダイスによって減面加工が施された請求項１から３いずれかに記載のアルミニウム合金撚線導体ケーブル。