JP5344151B2 - Ｃｕ−Ａｇ合金線の製造方法及びＣｕ−Ａｇ合金線 - Google Patents
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Description
本発明は、Cu-Ag合金からなる極細線、この極細線を素線とする撚り線、これら極細線や撚り線を導体とする同軸ケーブル、及び上記極細線の製造方法に関するものである。
近年、種々の電子機器の小型化、軽量化の要望に伴い、電子機器に利用される同軸ケーブルなどの導体の細径化が望まれている(特許文献1)。極細の導体材料として、導電率が高く、銅よりも高強度であるCu-Ag合金線が提案されている(特許文献2)。
極細の導体に利用される極細線は、一般的に、鋳造材などの素材を伸線することで製造される。製造工程のうち、特に、伸線工程において、素材表面に疵が生じたり、素材表面に異物が巻き込まれたりすることがある。このような異物や表面疵の存在は、極細線を製造する際に断線の要因となり、極細線の生産性を低下させる。特許文献1では、断線を生じ難くするために、伸線加工された素線の線径から最終線径にまで縮径するにあたり、化学溶解を利用することを開示している。
しかし、従来の技術では、0.05mm以下の極細のCu-Ag合金線を生産性よく製造できるとは言い難い。
特許文献1は、線径20μm(0.02mm)まで伸線した銅素線に電気化学溶解を施すことを開示している。しかし、従来の方法では、0.05mm以下まで伸線して長尺な極細線を製造すること自体が難しいことから、線径0.02mmまで伸線する間に断線が多発して、長尺な銅素線を得ることが困難である。また、異物径の絶対値は変化しないため、線径0.02mmの線材の表面層を除去する場合、線径に対する異物径の割合が大きくなることから、除去量が少ないと異物を完全に除去することが難しく、異物を完全に除去するために除去量を多くすると、廃棄分(表面層を除去した後の線材重量/表面層を除去する前の線材重量)が多くなる。特許文献1に記載されるように線径20μmの素線を線径14μmに縮径すると、歩留まりが約50％であり、半分を廃棄していることになる。この廃棄分は、0.02mmまで加工した費用が加わった部分であることから、この部分を廃棄することで歩留まりが悪く、コスト高になるという問題もある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、伸線時の断線を低減して、線径0.05mm以下のCu-Ag合金線を生産性よく製造することができるCu-Ag合金線の製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、高導電性で高強度な極細のCu-Ag合金線、及びこの極細線を撚り合わせた撚り線、並びにこの極細線や撚り線を中心導体とした同軸ケーブルを提供することにある。
本発明者らは、0.05mm以下といった非常に極細のCu-Ag合金線を製造する場合は、伸線の途中段階にある特定の大きさの線材に対して、特定の量の表面層を除去することで、伸線時の断線を効果的に低減することができ、所望の大きさの極細線を生産性よく製造することができるとの知見を得た。
上記知見に基づき、本発明のCu-Ag合金線の製造方法は、特定の表面層の除去を行う。具体的には、本発明Cu-Ag合金線の製造方法は、Agを0.5質量％以上15.0質量％以下含有する素材に伸線加工を施して、最終線径が0.05mm以下の極細線を製造する方法であり、以下の表面層除去工程を具える。
表面層除去工程:最終線径に至るまでの伸線の途中段階にある線材の表面層を除去する。この表面層除去工程は、特に、線径φが1.0mm以下の細い線材の表面層を除去する細線加工工程を具える。そして、この細線加工工程において表面層の除去は、表面層の除去前の線材の線径φの1/2をrとするとき、除去する表面層の厚さtがt/r≧0.02を満たすように行う。
表面層除去工程:最終線径に至るまでの伸線の途中段階にある線材の表面層を除去する。この表面層除去工程は、特に、線径φが1.0mm以下の細い線材の表面層を除去する細線加工工程を具える。そして、この細線加工工程において表面層の除去は、表面層の除去前の線材の線径φの1/2をrとするとき、除去する表面層の厚さtがt/r≧0.02を満たすように行う。
伸線前の素材に皮剥ぎを行って異物や表面疵を除去したものを伸線に供することが考えられる。しかし、このような上流の工程で皮剥ぎを行っても、0.05mm以下、特に0.025mm程度といった非常に極細のCu-Ag合金線を伸線により製造する場合、断線が多発して、連続して極細線を製造することが難しいとの知見を得た。つまり、上流で皮剥ぎしても、素材のごく表面に存在する異物や疵しか除去できないため、その後の伸線により、素材の内部に存在した異物や疵が表面側に現れることで断線する恐れがある。また、上流で皮剥ぎしても、伸線途中に新たに異物を巻き込んだり疵が生じたりすることでも、断線する恐れがあり、連続して極細線を製造することが難しい。一方、引用文献1のように伸線後(最終線径直前)といった最下流の工程で表面層を除去すると、上述のように歩留まりの低下やコストの上昇を招き易い。これに対し、本発明者らは、1.0mm以下といった細径になってから表面層の除去を行うと、断線が生じ難くなり、0.025mm程度といった非常に極細の線材であっても連続して製造することができ、断線回数の減少から生産性を向上できる、との知見を得た。そこで、本発明製造方法では、伸線の途中段階である細径の線材に対して、表面層の除去を行う。
上記構成を具える本発明製造方法は、0.05mm以下の極細のCu-Ag合金線の製造にあたり、断線が生じ難く、連続して伸線することができる。そのため、本発明製造方法によれば、長尺で極細の線材を製造することができ、生産性に優れる。以下、本発明をより詳細に説明する。
伸線に供する素材は、例えば、鋳造材に冷間圧延を施したものが利用できる。この素材に含有される異物を低減するために、原料Cuや原料Agは純度の高いもの、例えば、フォーナインクラス(純度99.99％)以上のものを利用することが好ましい。
原料Agの添加量は、得られた極細線中のAgの含有量が0.5〜15.0質量％となるように調整する。Agの含有量が15.0質量％を超えると、伸線時の加工度(減面率)や中間熱処理を調整しても、後述するような所定の導電率が得られず、0.5質量％を下回ると、伸線時の加工度や中間熱処理を調整しても、後述するような所定の強度が得られない。
本発明製造方法において伸線加工(特に冷間)は、最終線径となるまで複数パスに亘って行う。所望の線径や引張強さなどの特性を有する線材が得られるように伸線条件を調整するとよい。特に、最初に行う冷間伸線加工は、加工度が70％以上であると、以降の伸線加工を所定の加工度で行い易い。
複数パスの伸線加工を行う場合、途中段階に中間熱処理を行うと、この中間熱処理前に線材に導入された加工歪みを除去して、以降の伸線加工を行い易くすることができる。また、中間熱処理によりAgを析出させて、以降の伸線加工によりAg析出物を繊維状とすることで、極細線の強度を向上できる。中間熱処理の条件は、加熱温度:350〜500℃(好ましくは、400〜450℃)、保持時間:0.5〜10時間が挙げられる。
本発明製造方法において、少なくとも細線加工工程における表面層の除去は、化学処理や電気化学処理により行うことが好ましい。細線加工工程において表面層の除去を行う対象となる線材は、線径φが1.0mm以下と細いため、通常の皮剥ぎに利用される皮剥ぎダイスを利用すると、ダイス孔の中心に線材の中心を合わせることが難しく、生産性の低下を招く。一方、化学処理や電気化学処理は、どのような線径の線材に対しても簡単に施すことができる上に、処理後の表面が非常に平滑で断線の原因となる疵などが存在し難いため、処理後の線材に更に伸線加工を施す際、断線し難く、伸線性に優れる。代表的な処理として、電解研磨などが挙げられる。公知の処理を利用してもよい。細線加工工程において表面層の除去を行う線材は、線径がφ1.0mm以下であればよいが、線径が小さ過ぎると、線材から除去される廃棄分が多くなり、製造コストの増加を招くことから、線径がφ0.2mm以上であることが好ましい。
上記細線加工工程において表面層の除去割合t/rは、0.02以上とし、好ましくは、0.08以上とする。また、表面層の除去は、細線加工工程を含めて複数回行うと、表面層の除去量が多くなることで、疵や異物を十分に除去することができ、断線の発生を低減することができる。表面層の除去を複数回行う場合、各処理における除去割合t/rの合計が、0.08以上となるように表面層の除去を行うことが好ましく、0.12以上がより好ましい。しかし、除去量が大きくなり過ぎると歩留まりが悪くなるため、t/rの合計の上限は0.20程度である。なお、表面層の厚さtとは、線材の表面から、線材の径方向に沿った距離とする。また、線材の断面形状は、代表的には、円形状である。
本発明製造方法により製造するCu-Ag合金線は、めっきを有していてもよい。めっきを施すことで、Cu-Ag合金線の耐食性を向上する他、線材同士の接続や線材を他の部材に接続する際の接続性を高められる。めっきは、Au,Au合金,Ag,Ag合金,Sn,Sn合金,Ni及びNi合金から選択される1種以上が挙げられる。このめっきは、細線加工工程により表面層の除去を行った後の任意の時期に行うとよい。即ち、めっき工程は、最終の伸線終了後でもよいし、細線加工工程以降の伸線途中(パス間)でもよい。表面層の除去後の線材は、表面が平滑で清浄であることからめっきを施し易い。
上記本発明製造方法により得られた本発明Cu-Ag合金線は、Agを0.5質量％以上15.0質量％以下含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる。この本発明Cu-Ag合金線は、表面疵や異物の含有量が非常に少ないため、例えば、更に伸線加工を施す場合や、複数のCu-Ag合金線を撚り合わせて撚り線にする場合などで断線が生じ難い。また、Cu-Ag合金線やその撚り線を同軸ケーブルの中心導体とした場合、同軸ケーブルの使用時に断線などの不具合が生じ難い。
上記本発明製造方法では、伸線時に断線が生じ難いことから、極細の本発明Cu-Ag合金線が得られる。具体的には、線径を0.05mm以下とすることができる。伸線加工を更に施すことで、線径を0.01mm(10μm)〜0.03mm(30μm)とすることもできる。
上記本発明製造方法では、Agの添加や伸線加工による加工硬化などにより、高強度な本発明Cu-Ag合金線が得られる。特に、引張強さが800MPa以上1600MPa以下であることが好ましい。このような引張強さを有する本発明Cu-Ag合金線は、例えば、コイル状に巻回したり、複数のCu-Ag合金線を撚り合わせたりするときに破断し難い。引張強さや後述する導電率が所望の値となるように、Agの含有量や伸線時の加工度(減面率)、中間熱処理条件などを調整するとよい。
本発明Cu-Ag合金線は、導電率が65％IACS以上、特に70％IACS以上、更には80％IACS以上であることが好ましい。このような極細で、高強度・高導電率な本発明Cu-Ag合金線は、種々の電気機器の導体材料に好適に利用できると期待される。
本発明Cu-Ag合金線の製造方法によれば、線径0.05mm以下といった極細なCu-Ag合金線を連続して製造することができ、Cu-Ag合金線の生産性に優れる。また、この製造方法により得られたCu-Ag合金線や、このCu-Ag合金線の撚り線は、高強度で高導電率であり、同軸ケーブルなどの導体に好適に利用することができる。
Cu-Ag合金からなる複数の極細線を製造し、伸線性を調べた。
＜素材の作製＞
原料Cuとして電気銅、原料Agとして銀粒(Ag)を用意した。用意した電気銅を連続鋳造装置内で真空溶解させた。電気銅が完全に溶解した後、連続鋳造装置のチャンバー内をアルゴンガスに置換して、用意した上記銀粒を坩堝に投入して溶解し、Cu及びAgが溶解した混合溶湯を鋳造して鋳造材(直径22mm)を作製した。なお、銀粒の添加量は、混合溶湯に対するAg含有量が0.6質量％(試料1〜3,I,II)又は5.0質量％(試料4のみ)となるように調整した。
原料Cuとして電気銅、原料Agとして銀粒(Ag)を用意した。用意した電気銅を連続鋳造装置内で真空溶解させた。電気銅が完全に溶解した後、連続鋳造装置のチャンバー内をアルゴンガスに置換して、用意した上記銀粒を坩堝に投入して溶解し、Cu及びAgが溶解した混合溶湯を鋳造して鋳造材(直径22mm)を作製した。なお、銀粒の添加量は、混合溶湯に対するAg含有量が0.6質量％(試料1〜3,I,II)又は5.0質量％(試料4のみ)となるように調整した。
得られた鋳造材に冷間圧延を施し、直径9.5mm相当の線材に加工した後、皮剥ぎダイスにより表面層を除去し、線径8mmの丸線を得た。得られた丸線(素材)に複数パスの冷間伸線加工を施し、最終線径0.025mm(試料1〜3,I,II)又は0.04mm(試料4のみ)の線材を得た。伸線加工には、American Wire Gage規格(AWG規格)のダイスを使用した。また、いずれの試料においても、伸線の途中段階である、線径が0.3mmである線材にAgめっきを施した。
(試料1)
試料1は、伸線の途中段階である、線径φが0.9mm(≦1.0mm)となったとき、線材に電解研磨を施し、表面層を除去した。電解研磨は、電解液にリン酸水溶液を用い、電流密度:40A/dm2、浸漬時間:4.5min、温度:30℃として行った。除去した表面層の厚さtは、t=0.040mmとした。線径φの1/2をrとすると、r=φ×(1/2)=0.9×(1/2)=0.45、t/r≒0.089(≧0.02)である。
試料1は、伸線の途中段階である、線径φが0.9mm(≦1.0mm)となったとき、線材に電解研磨を施し、表面層を除去した。電解研磨は、電解液にリン酸水溶液を用い、電流密度:40A/dm2、浸漬時間:4.5min、温度:30℃として行った。除去した表面層の厚さtは、t=0.040mmとした。線径φの1/2をrとすると、r=φ×(1/2)=0.9×(1/2)=0.45、t/r≒0.089(≧0.02)である。
(試料2)
試料2は、伸線の途中段階である、線径φ1が2.6mm(＞1.0mm)となったとき、線材に化学研磨を施し、表面層を除去した。化学研磨は、研磨液に硫酸水素水溶液を用い、浸漬時間:150min、温度:30℃として行った。除去した表面層の厚さt1は、t1=0.15mmとした。線径φ1の1/2をr1とすると、r1=1.30、t1/r1≒0.115である。更に、この試料2は、伸線の途中段階である、線径φ2が0.9mm(≦1.0mm)となったとき、上記と同様の化学研磨を線材に施し、表面層を除去した。除去した表面層の厚さt2は、浸漬時間を異ならせることで変化させ、t2=0.010mmとした。線径φ2の1/2をr2とすると、r2=0.45、t2/r2≒0.022(≧0.02)である。2回の表面層の除去におけるr1/t1及びt2/r2の合計は、0.115+0.022=0.137(≧0.08)である。
試料2は、伸線の途中段階である、線径φ1が2.6mm(＞1.0mm)となったとき、線材に化学研磨を施し、表面層を除去した。化学研磨は、研磨液に硫酸水素水溶液を用い、浸漬時間:150min、温度:30℃として行った。除去した表面層の厚さt1は、t1=0.15mmとした。線径φ1の1/2をr1とすると、r1=1.30、t1/r1≒0.115である。更に、この試料2は、伸線の途中段階である、線径φ2が0.9mm(≦1.0mm)となったとき、上記と同様の化学研磨を線材に施し、表面層を除去した。除去した表面層の厚さt2は、浸漬時間を異ならせることで変化させ、t2=0.010mmとした。線径φ2の1/2をr2とすると、r2=0.45、t2/r2≒0.022(≧0.02)である。2回の表面層の除去におけるr1/t1及びt2/r2の合計は、0.115+0.022=0.137(≧0.08)である。
(試料3)
試料3は、試料1と同様に線径φが0.9mmとなったとき、試料2と同様の化学研磨を線材に施し、表面層を除去した。除去した表面層の厚さt3は、浸漬時間を異ならせることで変化させ、t3=0.020mmとした。線径φの1/2をrとすると、r=0.45、t/r3≒0.044(≧0.02)である。
試料3は、試料1と同様に線径φが0.9mmとなったとき、試料2と同様の化学研磨を線材に施し、表面層を除去した。除去した表面層の厚さt3は、浸漬時間を異ならせることで変化させ、t3=0.020mmとした。線径φの1/2をrとすると、r=0.45、t/r3≒0.044(≧0.02)である。
(試料4)
試料4は、試料2に対して、Agの含有量を異ならせた試料である(Ag:5.0質量％)。この試料4は、試料2と同様に、線径φが2.6mmのとき(t1/r1≒0.115)、及び0.9mmのとき(t2/r2≒0.022)の2回の表面層の除去を行った(r1/t1及びt2/r2の合計:0.137)。また、この試料4は、最終線径を0.04mmとした。
試料4は、試料2に対して、Agの含有量を異ならせた試料である(Ag:5.0質量％)。この試料4は、試料2と同様に、線径φが2.6mmのとき(t1/r1≒0.115)、及び0.9mmのとき(t2/r2≒0.022)の2回の表面層の除去を行った(r1/t1及びt2/r2の合計:0.137)。また、この試料4は、最終線径を0.04mmとした。
比較例:(試料I)
試料Iは、伸線の途中段階に表面層の除去を行わず、上述した素材にめっきのみを線材に施した試料である。
試料Iは、伸線の途中段階に表面層の除去を行わず、上述した素材にめっきのみを線材に施した試料である。
比較例:(試料II)
試料IIは、伸線の途中段階である、線径φIが2.6mm(＞1.0mm)となったとき、線材に試料2と同様の化学研磨を施し、表面層を除去した。除去した表面層の厚さtIはtI=0.15mmとした。線径φの1/2をrIとすると、rI=1.30、tI/rI≒0.115である。なお、この試料IIは、線径φが0.9mmのときに表面層の除去を行わなかった。
試料IIは、伸線の途中段階である、線径φIが2.6mm(＞1.0mm)となったとき、線材に試料2と同様の化学研磨を施し、表面層を除去した。除去した表面層の厚さtIはtI=0.15mmとした。線径φの1/2をrIとすると、rI=1.30、tI/rI≒0.115である。なお、この試料IIは、線径φが0.9mmのときに表面層の除去を行わなかった。
＜伸線性の評価＞
各試料に対して、線径8mmの素材を最終線径0.025mm又は0.04mmまで伸線したときの伸線性を調べた。その結果を表1に示す。伸線性は、上述した素材を20kgずつ用意し、20kg全量が伸線し終わるまでの間に発生した断線回数を測定し、20kgをその断線回数で割った値(kg/回)により評価した。
各試料に対して、線径8mmの素材を最終線径0.025mm又は0.04mmまで伸線したときの伸線性を調べた。その結果を表1に示す。伸線性は、上述した素材を20kgずつ用意し、20kg全量が伸線し終わるまでの間に発生した断線回数を測定し、20kgをその断線回数で割った値(kg/回)により評価した。
＜Cu-Ag合金線の特性＞
また、得られた試料1〜4,I,IIについて、引張強さ(MPa)及び導電率(％IACS)を測定した。その結果も表1に示す。
また、得られた試料1〜4,I,IIについて、引張強さ(MPa)及び導電率(％IACS)を測定した。その結果も表1に示す。
表1に示すように、線径が1.0mm以下となった線材に特定量の表面層の除去を行った試料1〜4はいずれも、伸線性が高く、線径が0.025mmや0.04mmといった極細の線材の製造であっても、断線し難いことが分かる。特に、線径が0.04mmの場合、断線が生じ難く、上記表面層の除去による効果が大きいと言える。また、表面層の除去を複数回行うと、より一層断線し難くなることが分かる。
更に、得られた試料1〜4はいずれも、引張強さが大きく、導電率も高いことが分かる。これら試料1〜4の線材をそれぞれ7本ずつ用意し、7本撚りの撚り線を製造したところ、断線などが生じることなく、撚り線を作製することができた。また、得られた撚り線を中心導体として、同軸ケーブルを製造したところ、問題なく作製することができた。従って、本発明Cu-Ag合金線は、種々の電気機器に使用される配線などの導体に求められる特性を十分に具えており、上記導体に好適に利用できると期待される。
なお、上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。例えば、Agの含有量や、表面層の除去割合、表面層の除去を行う線径、最終線径などを適宜変更することができる。
本発明Cu-Ag合金線の製造方法は、線径が0.05mm以下といった極細の線材の製造に好適に利用することができる。本発明Cu-Ag合金線及び撚り線は、自動車や電子部品、産業用ロボットなどに利用される本発明同軸ケーブルの導体に好適に利用することができる。
Claims (8)
- Agを0.5質量％以上15.0質量％以下含有する素材に伸線加工を施して、最終線径が0.05mm以下の極細線を製造するCu-Ag合金線の製造方法であって、
前記最終線径に至るまでの伸線の途中段階にある線材において、線材の表面層を除去する表面層除去工程を具え、
前記表面層除去工程は、線径φが1.0mm以下の細い線材の表面層を除去する細線加工工程を具え、
前記細線加工工程において表面層の除去は、表面層の除去前の線材の線径φの1/2をrとするとき、除去する表面層の厚さtがt/r≧0.02を満たすように行うことを特徴とするCu-Ag合金線の製造方法。 - 前記表面層除去工程を複数回具えており、各工程におけるt/rの合計が0.08以上となるように表面層の除去を行うことを特徴とする請求項1に記載のCu-Ag合金線の製造方法。
- 前記細線加工工程を経た線材の表面にめっきを施すめっき工程を具えることを特徴とする請求項1又は2に記載のCu-Ag合金線の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載のCu-Ag合金線の製造方法により製造され、
Agを0.5質量％以上15.0質量％以下含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、
線径が0.05mm以下であることを特徴とするCu-Ag合金線。 - 引張強さが800MPa以上1600MPa以下であることを特徴とする請求項4に記載のCu-Ag合金線。
- 表面にめっきが施されており、
前記めっきは、Au,Au合金,Ag,Ag合金,Sn,Sn合金,Ni及びNi合金から選択される1種以上からなることを特徴とする請求項4又は5に記載のCu-Ag合金線。 - 請求項4〜6のいずれか1項に記載のCu-Ag合金線を素線として撚り合わせたことを特徴とするCu-Ag合金撚り線。
- 請求項4〜6のいずれか1項に記載のCu-Ag合金線、又はこのCu-Ag合金線を素線として撚り合わせたCu-Ag合金撚り線を中心導体としたことを特徴とする同軸ケーブル。
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