JP2017197830A - バスバー用アルミニウム合金板及びバスバーの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強度及び導電性が高く、優れた曲げ加工性を有し、表面酸化被膜除去性に優れるバスバー用アルミニウム合金板を提供する。また、上記バスバー用アルミニウム合金板によるバスバーの製造方法を提供する。
【解決手段】バスバー用アルミニウム合金板は、Ｍｇ：０．３〜０．９ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．２〜１．２ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｆｅ：０．５ｍａｓｓ％以下、Ｚｎ：０．２〜０．５ｍａｓｓ％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、室温下における導電率が５５〜６０％ＩＡＣＳであり、板表面から板厚方向に１００ｎｍの範囲のＺｎ濃度の平均値が１．０ｍａｓｓ％以上である。Ｚｎの含有量をさらに０．２〜０．３５ｍａｓｓ％に制限してもよい。また、バスバーの製造方法において、上記特徴を有するバスバー用アルミニウム合金板を酸洗処理する。
【選択図】なし

Description

本発明は、バスバー用アルミニウム合金板及びバスバーの製造方法に関する。

従来から、新幹線、リニアモーターカー、ハイブリッド自動車、電気自動車等の輸送機械には、ＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）等の配線用導電部材として、無酸素銅、タフピッチ同、リン脱酸銅等の優れた導電性及び強度を有する純銅板よりなるバスバーが用いられている。また、純銅板よりも高い強度が必要な場合には、導電性の高い銅合金板に電解Ｎｉめっきを施したバスバー等が用いられている。

近年では、輸送機械のエネルギー効率を向上させる観点から、構成部品の軽量化が強く望まれている。しかし、銅は、導電部材として用いられる金属の中では、比較的比重が大きいため、軽量化には限界がある。また、銅は、材料コストが高いという問題がある。

かかる問題の対策として、銅に比べて安価であり、比重の小さいアルミニウム合金製のバスバーが検討されている。バスバー用アルミニウム材の例としては、例えば、導電性に優れたＪＩＳ １０６０材（特許文献１）や、強度に優れたＪＩＳ ６１０１材（特許文献２）等が提案されている。

特開２０１１−１９３８５号公報 特開２０１５−２０３１１７号公報

バスバーと他の部品との接合にはボルト締結や超音波接合が用いられる場合が多く、ボルト締結部の接触抵抗の低減や超音波接合部の接合強度確保のため、酸洗等の方法により、表面の酸化被膜は除去されていることが求められる。しかしながら、従来から提案の純Ａｌ又はＡｌ合金からなるバスバー用導電体にあっては、酸化被膜除去性が十分でなく、酸化被膜を除去するために長時間を要する等の問題がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、その目的は、強度及び導電性が高く、優れた曲げ加工性を有し、表面酸化被膜除去性に優れるバスバー用アルミニウム合金板を提供しようとするものである。また、他の目的は、上記バスバー用アルミニウム合金板によるバスバーの製造方法を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るバスバー用アルミニウム合金板は、
Ｍｇ：０．３〜０．９ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．２〜１．２ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｆｅ：０．５ｍａｓｓ％以下、Ｚｎ：０．２〜０．５ｍａｓｓ％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、
室温下における導電率が５５〜６０％ＩＡＣＳであり、
板表面から板厚方向に１００ｎｍの範囲のＺｎ濃度の平均値が１．０ｍａｓｓ％以上である、
ことを特徴とする。

Ｚｎの含有量をさらに０．２〜０．３５ｍａｓｓ％に制限した、
ものであってもよい。

１７０ＭＰａ以上の引張強さを有し、板厚を内側曲げ半径とした１８０度密着曲げ試験により割れを生じない、
こととしてもよい。

上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係るバスバーの製造方法は、
Ｍｇ：０．３〜０．９ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．２〜１．２ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｆｅ：０．５ｍａｓｓ％以下、Ｚｎ：０．２〜０．５ｍａｓｓ％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、
室温下における導電率が５５〜６０％ＩＡＣＳであり、
板表面から板厚方向に１００ｎｍの範囲のＺｎ濃度の平均値が１．０ｍａｓｓ％以上である、アルミニウム合金板を、酸洗処理する、
ことを特徴とする。

上記バスバー用アルミニウム合金板（以下、「アルミニウム合金板」という。）は、上記特定の化学成分を有している。そのため、上記アルミニウム合金板は、バスバーに要求される強度特性及び導電性を比較的容易に満足することができる。

また、上記アルミニウム合金板の板表層部には、Ｚｎが必須に含まれており、表層部の平均Ｚｎ濃度が上記特定の範囲内に制御されている。このように、上記アルミニウム合金板は、上記特定の化学成分に加えて上記のように表層部のＺｎ濃度を制御されていることにより、従来のアルミニウム合金板に比べて優れた酸化被膜除去性を有する。

以上のように、上記アルミニウム合金板は、強度及び導電性が高く、優れた酸化被膜除去性を有する。また、上記アルミニウム合金板を用いて好適なバスバーを製造することができる。

・Ｍｇ：０．３０〜０．９０ｍａｓｓ％
Ｍｇ（マグネシウム）は、Ｓｉと共存することにより針状粒子を析出させ、析出強化によりアルミニウム合金板の強度を向上させる作用を有する。一方、針状粒子として析出しないＭｇはＡｌ母相に固溶しているため、Ｍｇの固溶量が過度に多くなると導電率が低下する傾向がある。

Ｍｇの含有量を０．３０〜０．９０ｍａｓｓ％とすることにより、アルミニウム合金板の強度特性、導電性及び曲げ加工性を向上させることができる。同じ観点から、Ｍｇの含有量を０．３５〜０．８５ｍａｓｓ％にすることが好ましい。Ｍｇの含有量が０．３０ｍａｓｓ％未満の場合には、針状粒子の数が過少となり、アルミニウム合金板の強度が低くなる。一方、Ｍｇの含有量が０．９０ｍａｓｓ％を超える場合には、針状粒子の数が過多となるため、曲げ加工性が低下し、アルミニウム合金板に割れが発生しやすくなる。また、Ｍｇの含有量が０．９０ｍａｓｓ％を超える場合には、バスバーに要求される導電性を満足することが難しい。

・Ｓｉ：０．２０〜１．２ｍａｓｓ％
Ｓｉ（シリコン）は、Ｍｇと共存することにより針状粒子を析出させ、アルミニウム合金板の強度を向上させる作用を有する。Ｓｉの含有量を０．２０〜１．２ｍａｓｓ％の範囲とすることにより、アルミニウム合金板の強度特性及び曲げ加工性を向上させることができる。同じ観点から、Ｓｉの含有量を０．２５〜１．１ｍａｓｓ％にすることが好ましい。

Ｓｉの含有量が０．２０ｍａｓｓ％未満の場合には、針状粒子の数が過少となり、アルミニウム合金板の強度が低くなる。一方、Ｓｉの含有量が１．２ｍａｓｓ％を超える場合には、針状粒子の数が過多となるため、曲げ加工性が低下し、アルミニウム合金板に割れが発生しやすくなる。

・Ｃｕ：０．２０ｍａｓｓ％以下
Ｃｕ（銅）は、使用する原料の種類によってある程度混入する可能性がある。Ｃｕは曲げ加工の際にせん断帯の形成を促進する作用を有する。せん断帯が存在すると、曲げ加工の際に生じる微小な割れがせん断帯を伝播して拡大し、アルミニウム合金板に割れが発生し易くなる。それ故、Ｃｕの含有量が過度に多くなると曲げ加工性の低下を招く。また、Ｃｕの含有量が多くなると、導電率が低下する傾向がある。そのため、Ｃｕの含有量を０．２０ｍａｓｓ％以下に規制することにより、上述の問題を回避し、アルミニウム合金板の導電性及び曲げ加工性を向上させることができる。同じ観点から、Ｃｕの含有量を０．１０ｍａｓｓ％以下に規制することが好ましい。

・Ｆｅ：０．５０ｍａｓｓ％以下
Ｆｅ（鉄）は、Ｃｕと同様に、使用する原料の種類によってある程度混入する可能性がある。Ｆｅの含有量が多くなると、Ａｌ母相中に粗大なＦｅ系粒子を発生させ易くなる。粗大なＦｅ系粒子は曲げ加工の際に割れの起点となり得るため、Ｆｅの含有量が過度に多くなると曲げ加工性の低下を招き、アルミニウム合金板に割れが発生しやすくなる。そのため、Ｆｅの含有量を０．５０ｍａｓｓ％以下に規制することにより、上述の問題を回避し、アルミニウム合金板の曲げ加工性を向上させることができる。同じ観点から、Ｆｅの含有量を０．４０ｍａｓｓ％以下に規制することが好ましい。

・Ｚｎ：０．２０〜０．５０ｍａｓｓ％
Ｚｎ（亜鉛）は、アルミニウム合金板の酸化被膜中に存在することで、酸化被膜の腐食電位を下げる効果があり、酸洗等の処理による酸化被膜の溶解量を増大させる効果がある。Ｚｎの含有量が０．２０ｍａｓｓ％以下の場合、表面酸化被膜中に含まれるＺｎの量が低くなり、酸化被膜除去性が低くなる。また、Ｚｎの含有量が多くなると、導電率が低下する傾向がある。そのため、Ｚｎの含有量を０．２０〜０．５０ｍａｓｓ％に規制することにより、上述の問題を回避し、アルミニウム合金板の酸化被膜除去性を向上させることができる。また、同じ観点から、Ｚｎの含有量を０．２０〜０．３５ｍａｓｓ％とすることが望ましい。

アルミニウム合金板は、１７０ＭＰａ以上の引張強さ及び５５〜６０％ＩＡＣＳの導電率を有する。かかる特性を有するアルミニウム合金板は、バスバーに要求される強度特性及び導電率を十分に満足するため、バスバーの素材として好適である。

アルミニウム合金板は、板表面から板厚方向に１００ｎｍの範囲において、平均１．０ｍａｓｓ％以上のＺｎを含有する。アルミニウム合金板の表面には通常、約１００ｎｍ程度の酸化被膜が存在している。酸洗等の処理により、通常表層部より約５０ｎｍ程度の酸化被膜を除去しているが、アルミニウム合金板の酸化被膜中にＺｎが存在することで、酸化被膜の腐食電位を下げ、酸洗等の処理による酸化被膜の溶解量を増大させる効果がある。従って、板表面から１００ｎｍの範囲の平均Ｚｎ濃度を１．０ｍａｓｓ％以上とすることで、アルミニウム合金板の酸化被膜除去性を向上させることができる。同じ観点から、板表面から１００ｎｍの範囲の平均Ｚｎ濃度は１．５ｍａｓｓ％以上とすることが望ましい。

次に、上記アルミニウム合金板の製造方法について詳説する。

まず、上記特定の化学成分を有する板材を準備する。板材の作成工程及び条件は特に限定されないが、通常、鋳塊に均質化処理及び熱間圧延を順次施すことにより板材を作成することができ、熱間圧延の後に必要に応じて冷間圧延を追加しても良い。均質化処理における加熱温度は、例えば、４５０〜５８０℃の範囲から適宜選択することが好ましい。また、熱間圧延は、例えば、板材の温度が４００〜５５０℃である間に圧延を開始し、圧延終了時の温度が２００〜３５０℃となるように行うことが好ましい。熱間圧延後に冷間圧延を行う場合には、板材の温度を２００℃未満にして行うことができる。上記冷間圧延における圧下率は、溶体化処理において結晶粒が粗大化しない条件を採用することが好ましい。

次いで、板材に溶体化処理を施す。溶体化処理においては、まず、所定の温度に到達するまで板材を加熱する。この時の板材の到達温度は４８０〜６００℃の範囲内に設定することが好ましい。溶質濃度が低すぎる場合、溶質原子の固溶が不十分となり、人工時効時の針状粒子の析出が不十分となり、必要な強度が得られず、さらにＺｎの拡散速度が低下することから板材表面へのＺｎの濃縮が起こりにくくなり、十分な表層部Ｚｎ濃度が得られず、酸化膜除去性が低下する。板材が所定の温度に到達した後、すぐに加熱を終了してもよく、所定の温度に一定時間保持した後に加熱を終了しても良い。板材の温度を保持する場合の保持時間は５分以下とすることが好ましい。

溶体化処理の後、板材に、１．０〜１０％の圧下率でスキンパスを施してもよい。

スキンパスの後、板材に人工時効処理を施す。人工時効処理における処理条件は上記特定の金属組織が得られる条件であればよく、上記特定の金属組織に加えて上記特定の範囲の引張強さ及び導電率が得られる条件であることが好ましい。具体的には、以下の処理条件を採用することができる。まず、所定の温度に到達するまで板材を加熱する。この時の板材の到達温度は、１６０〜２１０℃の範囲内で設定することが好ましい。板材が所定の温度に到達した後、すぐに加熱を終了しても良く、所定の温度に一定時間保持した後に加熱を終了しても良い。板材の温度を保持する場合の保持時間は、３０時間以下とすることが好ましい。

上記アルミニウム合金板の実施例について、以下に説明する。本例においては、表１に示す化学成分（合金Ａ〜Ｐ）を有するアルミニウム合金圧延板（試験材１〜１６）を作製し、表層部Ｚｎ濃度、引張強さ、導電率、曲げ加工性及び酸化被膜除去性について評価を行った。

試験材の作製は、以下の手順により行った。まず、ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｈｉｌｌ）鋳造により、表１に示す化学成分を有する厚さ５００ｍｍ、幅５００ｍｍの鋳塊を作製した。得られた鋳塊を５５０℃で１２時間加熱して均質化処理を行った後、熱間圧延を行って厚さ６．０ｍｍの粗圧延板を作製した。なお、熱間圧延の開始時における鋳塊の温度は５５０℃とした。また、熱間圧延終了時の粗圧延板の温度は３５０℃であった。その後、粗圧延板に冷間圧延を施し、厚さ２．１ｍｍの板材を準備した。

次に、板材を加熱して溶体化処理を行った。表２に示す溶体化処理温度にて溶体化処理を行った。溶体化処理温度に到達した後の保持時間は１分とした。溶体化処理の後、５％の圧下率でスキンパスを行い、板材の厚さを２．０ｍｍにした。その後、板材を加熱して人工時効処理を行った。人工時効処理における板材の到達温度は１７０℃とし、１７０℃に到達した後の保持時間は８時間とした。以上により、アルミニウム合金板（試験材１〜１６）を得た。

得られた試験材を用いて、表面Ｚｎ濃度測定（表層部元素分析）、引張試験、導電率測定、１８０度密着曲げ試験及び酸洗後水濡れ試験を行った。各試験の結果を表３に記載し、詳細を以下に説明する。

＜表面Ｚｎ濃度測定＞
表面Ｚｎ濃度測定には、ＳＰＥＣＴＲＵＭＡ社製ＧＤＡ７５０を使用した高周波連続スパッタ方式で、Ａｒガス圧３．５ｈＰａ、高周波電力２５Ｗ、アノード径２．５ｍｍ、Ｚｎの検出波長３３０．２５８ｎｍ、測定間隔０．００５秒で測定を行った。得られた測定結果より、板厚表面〜板厚表面より１００ｎｍの範囲の全ての測定値の平均を表面Ｚｎ濃度とした。

＜引張試験＞
ＪＩＳ Ｚ ２２４１に規定された試験方法に準じて引張試験を行い、試験材の引張強さを測定した。なお、引張試験片は、長手方向と圧延方向とが平行となるように採取した。また、引張試験においては、引張強さが１７０ＭＰａ以上の試験材を合格と判定した。

＜導電率測定＞
導電率測定器（日本フェルスター社製「ＳＩＧＭＡＴＥＳＴ２．０６９」）を用い、２５℃における試験材の導電率を測定した。なお、導電率測定においては、導電率５５％ＩＡＣＳ以上の試験材を合格と判定した。

＜１８０度密着曲げ試験＞
ＪＩＳ Ｚ ２２４８に規定された試験方法に準じて、試験材から採取した条材を用いて１８０度密着曲げ試験を行い、試験後の割れの有無を目視により確認した。なお、１８０度密着曲げ試験は、予備曲げ時の内側曲げ半径が２．０ｍｍとなるように行った。また、１８０度密着曲げ試験においては、試験後の割れが無い試験材を合格とした。

＜酸洗後水濡れ性試験＞
幅１００ｍｍ、長さ１００ｍｍに切り出した試験材１〜１５に対して、日本ペイント社製サーフクリーナーＮＨＣ−１００を用いて、７５℃で６０秒洗浄した後、純水を用いて水洗し、ＪＩＳ Ｚ ０３０５に規定された水切り法に準じて水濡れ性を評価した。酸洗後水濡れ性試験においては、１０秒後にサンプルの全面に水膜が付着している試験材を合格と判定した。

表１〜表３より知られるように、試験材１〜７は、上記特定の化学成分（合金Ａ〜Ｇ）を有し、かつ、上記特定の金属組織を有している。そのため、試験材１〜７は、優れた引張強さ、導電率及び曲げ加工性を示した。試験材１〜７は、バスバーに要求される特性を満足しており、バスバーの素材として好適である。

試験材８は、Ｍｇの含有量が少ない合金Ｈを用いたため、針状粒子の析出による析出強化が十分に得られず、引張試験において不合格と判定された。

試験材９は、Ｍｇの含有量が多い合金Ｉを用いたため、針状粒子の析出が過多となり、１８０度密着曲げ試験において不合格と判定された。また、Ｍｇの含有量が多いため、導電率測定において不合格と判定された。

試験材１０は、Ｓｉの含有量が少ない合金Ｊを用いたため、針状粒子の析出による析出強化が十分に得られず、引張試験において不合格と判定された。

試験材１１は、Ｓｉの含有量が多い合金Ｋを用いたため、針状粒子の析出が過多となり、１８０度密着曲げ試験において不合格と判定された。

試験材１２は、Ｃｕの含有量が多い合金Ｌを用いたため、導電率測定及び１８０度密着曲げ試験において不合格と判定された。

試験材１３は、Ｆｅの含有量が多い合金Ｍを用いたため、粗大なＦｅ系粒子の数が過多となった。その結果、１８０度密着曲げ試験において不合格と判定された。

試験材１４は、Ｚｎの含有量が少ない合金Ｎを用いたため、表層部のＺｎ濃度が過小となり、酸洗後水濡れ性試験において不合格と判定された。

試験材１５は、Ｚｎの含有量が多い合金Ｏを用いたため、導電率測定において不合格と判定された。

試験材１６は、溶体化処理時の温度が低いため、表層部へのＺｎの拡散が過小となり、酸洗後水濡れ性試験において不合格と判定された。また、溶体化処理時の温度が低いため、その後の人工時効処理時における針状粒子の析出による析出強化が十分に得られず、引張試験において不合格と判定された。

Claims (4)

1. Ｍｇ：０．３〜０．９ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．２〜１．２ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｆｅ：０．５ｍａｓｓ％以下、Ｚｎ：０．２〜０．５ｍａｓｓ％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、
   室温下における導電率が５５〜６０％ＩＡＣＳであり、
   板表面から板厚方向に１００ｎｍの範囲のＺｎ濃度の平均値が１．０ｍａｓｓ％以上である、
   ことを特徴とするバスバー用アルミニウム合金板。
2. Ｚｎの含有量をさらに０．２〜０．３５ｍａｓｓ％に制限した、
   請求項１に記載のバスバー用アルミニウム合金板。
3. １７０ＭＰａ以上の引張強さを有し、板厚を内側曲げ半径とした１８０度密着曲げ試験により割れを生じない、
   ことを特徴とする請求項１に記載のバスバー用アルミニウム合金板。
4. Ｍｇ：０．３〜０．９ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．２〜１．２ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｆｅ：０．５ｍａｓｓ％以下、Ｚｎ：０．２〜０．５ｍａｓｓ％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、
   室温下における導電率が５５〜６０％ＩＡＣＳであり、
   板表面から板厚方向に１００ｎｍの範囲のＺｎ濃度の平均値が１．０ｍａｓｓ％以上である、アルミニウム合金板を、酸洗処理する、
   ことを特徴とするバスバーの製造方法。