特開 2024-140550 鋳造合金、抵抗合金およびシャント抵抗器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024140550

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】鋳造合金、抵抗合金およびシャント抵抗器

(51)【国際特許分類】

   C22C 9/05 20060101AFI20241003BHJP

   B22D 11/00 20060101ALI20241003BHJP

   H01C 3/00 20060101ALI20241003BHJP

   H01C 13/00 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

C22C9/05

B22D11/00 F

H01C3/00 Z

H01C13/00 J

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023051733

(22)【出願日】2023-03-28

(71)【出願人】

【識別番号】000105350

【氏名又は名称】ＫＯＡ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】金内 直輝

(57)【要約】

【課題】鋳造合金の湯流れ性を改善する。
【解決手段】銅とマンガンとスズとを含む鋳造合金において、前記鋳造合金は、鉄を更に含み、前記鋳造合金において、表面から１００μｍの位置で観察されるデンドライト組織の割合が７０％以下である。シャント抵抗器に用いられる抵抗合金において、前記抵抗合金の原料は、銅とマンガンとスズと鉄とを含む鋳造合金であり、前記鋳造合金は、表面から１００μｍの位置で観察されるデンドライト組織の割合が７０％以下であり、前記抵抗合金は、対銅熱起電力が－１～１μＶ／Ｋの範囲内である。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

銅とマンガンとスズとを含む鋳造合金であって、
前記鋳造合金は、鉄を更に含み、
前記鋳造合金において、表面から１００μｍの位置で観察されるデンドライト組織の割合が７０％以下である、鋳造合金。

【請求項2】

マンガンは６．５～１２質量％であり、スズは１．８～３．０質量％であり、鉄は０．０１～０．２質量％であり、残りが銅で構成された、請求項１に記載の鋳造合金。

【請求項3】

１～４質量％のニッケルを更に含む、請求項２に記載の鋳造合金。

【請求項4】

０．０５～０．１質量％のクロムを更に含み、
前記鋳造合金において、表面から１００μｍの位置で観察されるデンドライト組織の割合が６７％以下である、請求項２または３に記載の鋳造合金。

【請求項5】

シャント抵抗器に用いられる抵抗合金の原料となる、請求項１に記載の鋳造合金。

【請求項6】

シャント抵抗器に用いられる抵抗合金であって、
前記抵抗合金の原料は、銅とマンガンとスズと鉄とを含む鋳造合金であり、
前記鋳造合金は、表面から１００μｍの位置で観察されるデンドライト組織の割合が７０％以下であり、
前記抵抗合金は、対銅熱起電力が－１～１μＶ／Ｋの範囲内である、抵抗合金。

【請求項7】

抵抗体と電極とを備えるシャント抵抗器であって、前記抵抗体は、請求項６に記載の抵抗合金によって形成される、シャント抵抗器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鋳造合金、抵抗合金およびシャント抵抗器に関する。

【背景技術】

【0002】

電流検出等に用いられる抵抗器用の抵抗合金としては、銅－マンガン系合金、銅－ニッケル系合金、ニッケル－クロム系合金、鉄－クロム系合金等がある。一般的な銅－マンガン系合金（たとえば銅－マンガン－ニッケル系合金）は、比抵抗が２９μΩ・ｃｍ以上５０μΩ・ｃｍ以下のものが市販されている。ニッケル－クロム－アルミニウム－銅合金に関しては、比抵抗が１２０μΩ・ｃｍ以上のものが市販されている（特許文献１参照）。

【0003】

一般的に、電流検出に使用される抵抗合金の抵抗温度係数（ＴＣＲ）は２０～１００℃で０ｐｐｍ／Ｋ付近の値を目標にして設計される。このような抵抗材料により、温度条件が変化しても安定した電流検出精度が得られる。

【0004】

特許文献２の段落［００１８］には、２０℃以上１５０℃以下の広い温度範囲におけるＴＣＲが小さいＣｕ合金材の例として、Ｃｕ－ＭｎにＳｎを含む成分組成が開示されており、７．０質量％以上２０．０質量％以下のマンガン、１．０質量％以上３．０質量％以下のスズ、残部銅および不可避的な不純物という組成比が開示されている。具体的な記載としては、「本発明のＣｕ合金は、前記Ｍｎの他、Ｓｎを含んでよい。Ｓｎを含む場合、１．０質量％以上３．０質量％以下が好ましく、ＴＣＲを２０℃以上１５０℃以下の温度範囲において小さくすることができる。Ｓｎが１．０質量％未満である場合、Ｓｎの添加によって得られる前記作用効果を得難い。一方、Ｓｎが３．０質量％を超える場合、Ｃｕ合金材の抵抗値が不都合な程に大きくなることがある。」とされている。

【0005】

これらの抵抗合金は、たとえば鋳造合金を原料とし、これを伸線加工して作製することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００７－３２９４２１号公報

【特許文献2】特開２０１６－０６９７２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、従来の銅－マンガン系合金にスズを含む鋳造合金の鋳造では、溶解した合金材料（溶湯）の湯流れ性が悪いという課題があった。とくに、スズの含有率が高い場合（たとえば１．８質量％以上）には、鋳造時の凝固形態がマッシー（粥状）型となり湯流れ性が悪化する。

【0008】

溶湯の湯流れ性が悪いと、鋳造材の表層に鋳造欠陥が起きやすく、後加工（伸線や圧延）で割れが発生する等の問題があった。その対策として鋳造材の表層を削り欠陥を除去することが考えられるが、２つの問題がある。第一に、工程が増えることによるコストアップ、第二に、表層を削ることによる歩留まりの低下である。このため、鋳造材の表層を削ることはコストの増加につながるため問題があると言える。

【0009】

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、溶湯の湯流れ性を改善し、鋳造合金の鋳造欠陥を低減することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係る鋳造合金の一例は、
銅とマンガンとスズとを含む鋳造合金であって、
前記鋳造合金は、鉄を更に含み、
前記鋳造合金において、表面から１００μｍの位置で観察されるデンドライト組織の割合が７０％以下である。

【0011】

一例において、マンガンは６．５～１２質量％であり、スズは１．８～３．０質量％であり、鉄は０．０１～０．２質量％であり、残りが銅で構成されている。

【0012】

一例において、１～４質量％のニッケルを更に含む。

【0013】

一例において、０．０５～０．１質量％のクロムを更に含み、前記鋳造合金において、表面から１００μｍの位置で観察されるデンドライト組織の割合が６７％以下である。

【0014】

一例において、シャント抵抗器に用いられる抵抗合金の原料となる。

【0015】

本発明に係る抵抗合金の一例は、
シャント抵抗器に用いられる抵抗合金であって、
前記抵抗合金の原料は、銅とマンガンとスズと鉄とを含む鋳造合金であり、
前記鋳造合金は、表面から１００μｍの位置で観察されるデンドライト組織の割合が７０％以下であり、
前記抵抗合金は、対銅熱起電力が－１～１μＶ／Ｋの範囲内である。

【0016】

本発明に係るシャント抵抗器の一例は、抵抗体と電極とを備えるシャント抵抗器であって、前記抵抗体は、上述の抵抗合金によって形成される。

【発明の効果】

【0017】

本発明は銅－マンガン－スズの３元系の鋳造合金に鉄を添加することで湯流れ性を向上することができる。これによって、たとえば鋳造材表層の欠陥除去工程を省略または簡素化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】実施形態１に係る、銅とマンガンとスズと鉄とを含む四元系合金からなる鋳造合金の相図。

【図2】デンドライト構造について説明する図。

【図3】実施形態１に係るシャント抵抗器の構成例。

【図4】図３に示すシャント抵抗器の製造工程の一例。

【図5】図３に示すシャント抵抗器の製造工程の一例であり、図４に続く図。

【図6】図３に示すシャント抵抗器の製造工程の一例であり、図５に続く図。

【図7】図３に示すシャント抵抗器の製造工程の一例であり、図６に続く図。

【図8】図３に示すシャント抵抗器の製造工程の一例であり、図７に続く図。

【図9】図３に示すシャント抵抗器の製造工程の一例であり、図８に続く図。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

【0020】

［実施形態１］
実施形態１は、鋳造合金に係る。本実施形態の鋳造合金は、様々な用途に応用可能であり、たとえば抵抗合金、導線（回路内の配線等）、等に利用することができる。

【0021】

図１は、本実施形態に係る銅とマンガンとスズと鉄とを含む四元系合金からなる鋳造合金の相図である。銅の含有率（単位は質量％、以下同じ）が左上辺側の軸上に示され、スズおよび鉄の含有率が右上辺側の軸上に示されている。一方、マンガンの含有率が、底辺側の軸上に示されている。

【0022】

図１には、本実施形態による鋳造合金の例を特徴付ける黒塗りの領域Ｒを示している。領域Ｒにおけるマンガンの含有率は６．５～１２質量％であり、スズの含有率は１．８～３．０質量％であり、鉄の含有率は０．０１～０．２質量％であり、残りが銅で構成されている。不可避的不純物を含んでもよい。なお各成分の含有率はこの範囲に限らない。

【0023】

本実施形態に係る鋳造合金の実施例（サンプル５～１４）を、比較例（サンプル１～４）とともに以下の表１に示す。本実施形態では、成分、デンドライト率および鋳造欠陥を検討する（なお、伸線加工後の割れ、対銅熱起電力および比抵抗は実施形態２以降において検討する）。グレーで示したセルは、好ましくない組成または特性を示す。

【0024】

【表1】

【0025】

鋳造合金の作製方法は、当業者が公知技術等に基づいて適宜設計可能であるが、たとえば連続鋳造によって作製することができる。連続鋳造において、たとえば棒状の鋳造材を作製することができる。鋳造材の直径はたとえば１２ｍｍであり、鋳造材の長さはたとえば３０ｍであるが、寸法はこれらに限らない。

【0026】

表１の「成分」において、各成分の含有率が質量％単位で、当該成分元素の前の数字で表される。たとえばサンプル５では「Ｃｕ－１０．６Ｍｎ－３．０Ｓｎ－０．０１Ｆｅ」と記載しているが、これは「マンガンを１０．６質量％、スズを３．０質量％、鉄を０．０１質量％含み、残部が銅である」という組成を意味する。また、不可避的不純物を含むものを除外しない。

【0027】

表１に示すように、サンプル５～１４は、銅とマンガンとスズとを含む鋳造合金であって、鉄を更に含む。なお、サンプル１～４は、銅とマンガンとスズとを含む鋳造合金であるが、鉄を含まない。

【0028】

表１の「デンドライト率」は、鋳造合金において、表面から１００μｍの位置で観察されるデンドライト組織の割合を示す。各実施例（サンプル５～１４）については、この割合が７０％以下である。比較例１～４については、この割合が７０％を超えている。

【0029】

図２を用いて、デンドライト構造について説明する。湯流れ性は、鋳造材表面近くにおけるデンドライト率を用いて定量化することができる。比較例および実施例の一部について、顕微鏡画像と、デンドライト構造が視認しやすくなるよう加工した画像とを示す。図２の例では、鋳造合金において表面から１００μｍの位置で観察されるデンドライト組織の割合を測定した。以下、デンドライト率は、いずれも同様の条件で測定したものをいう。

【0030】

また、図２の例では、Φ１２ｍｍ、長さ３０ｍの鋳造材を鋳造し、鋳造終わりから２ｍの位置において鋳造欠陥の有無を判定した。以下、鋳造欠陥は、いずれも同様の条件で測定した。

【0031】

鉄を含まないサンプル（比較例１）では、鋳造の際に鋳造欠陥が生じる。また、比較例１のデンドライト率は７０％を超えており、湯流れ性が悪い。

【0032】

これに対し、鉄を含む実施例（サンプル５、７および８）ではいずれも鋳造欠陥は生じなかった。また、デンドライト率は７０％以下となり、湯流れ性は良好である。このように、鉄を添加したサンプルは表層のデンドライト率が下がることが確認された。

【0033】

上記表１に示すように、本実施形態に係るすべての実施例（サンプル５～１４）はいずれもデンドライト率が７０％以下であり、より厳密には、いずれもデンドライト率が６７％以下である。

【0034】

このように、本実施形態に係る実施例（サンプル５～１４）の鋳造合金では、湯流れ性が改善された。

【0035】

サンプル１０～１２は、いずれも１～４質量％のニッケルを更に含むが、これらについても同様に、デンドライト率は７０％以下（とくに６７％以下）となっており、湯流れ性は改善されている。

【0036】

サンプル１３および１４は、いずれも０．０５～０．１質量％のクロムを更に含むが、これらについても同様に、デンドライト率は７０％以下（とくに６７％以下）となっており、湯流れ性は改善されている。

【0037】

［実施形態２］
実施形態２は、実施形態１の鋳造合金を原料とする抵抗合金に係る。この抵抗合金は、たとえばシャント抵抗器に用いられるが、他の製品に用いてもよい。

【0038】

たとえば、実施形態１の各サンプルを用い、連続鋳造としてΦ１２ｍｍ、長さ３０ｍの棒状の鋳造材を作製し、その後、この鋳造材を、Φ１２ｍｍからΦ６ｍｍへと伸線加工することにより、抵抗合金が作製される。または、抵抗合金は、鋳造材に対して減面率４０％の伸線加工を施して作製されてもよい。

【0039】

上記表１には、各サンプルに減面率４０％の伸線加工を行って抵抗合金を作製した場合の、伸線加工の割れの有無、対銅熱起電力および比抵抗を示す。表１に示すように、減面率４０％の伸線加工を行った場合、比較例（サンプル２および４）では割れが発生したが、本実施形態に係る実施例（サンプル５～１４）ではいずれも割れは発生しなった。

【0040】

本実施形態に係る抵抗合金は、湯流れ性が改善された鋳造合金を原料とすることにより、鋳造材表層の欠陥除去工程を省略または簡素化することができる。

【0041】

とくに、鉄の添加により、デンドライト率を低下させるだけでなく、対銅熱起電力を調整することができる。とくに、鉄を添加することで対銅熱起電力を負方向にシフトさせることができる。マンガンは対銅熱起電力を正方向にシフトさせるため、鉄とマンガンの含有率を調整することにより、対銅熱起電力を好ましい－１～１μＶ／Ｋの範囲内とすることができる。

【0042】

たとえば、上記表１において、実施例の一部（サンプル６～９）では、マンガンの含有率（６．５～１２．０質量％）に対して適切な含有率（０．０５～０．２質量％）の鉄が添加されており、対銅熱起電力が０μＶ／Ｋ付近の好ましい値となっている。

【0043】

サンプル１０～１２に示すように、ニッケルを、対銅熱起電力調整、延性の向上、等の目的で添加しても良い。ただし、サンプル１２のようにニッケルの含有率が３．０質量％を超えると対銅熱起電力が負方向にシフトしすぎてしまい、抵抗合金としては特性の悪化につながる。このため、抵抗合金としては、サンプル１０および１１のように、ニッケルの含有率は１～３質量％とすることが好ましい（抵抗合金以外の用途についてはこの限りではなく、サンプル１２も有益に利用可能である）。

【0044】

サンプル１３および１４に示すように、クロムを、結晶粒微細化の目的で添加しても良い。クロムは、結晶粒成長を抑制する効果がある。ただし、クロムの含有率が０．１質量％を超えると、クロムは固溶せず機械特性（伸び、延性）の悪化につながるため、クロムの含有率は０．０５～０．１質量％とすると好適である。

【0045】

なお、表１に示すように、比抵抗は、すべての実施例（サンプル５～１４）について好適な値となった。

【0046】

［実施形態３］
実施形態３は、実施形態２の抵抗合金を用いて作製されるシャント抵抗器に係る。図３（ａ）は、本発明の第１の実施の形態による抵抗器用の合金を用いたシャント抵抗器の一構成例を示す斜視図である。図３（ｂ）は、シャント抵抗器の平面図と側面図である。図３（ｂ）には、寸法（ｍｍ）を示している。

【0047】

図３（ａ），（ｂ）に示すシャント抵抗器Ａは、プレス等により個片状の抵抗体１１を作成し、その両端に銅の電極１５ａ，１５ｂを突合せ溶接した構造である。

【0048】

抵抗体１１と電極１５ａ，１５ｂは、ＥＢ（電子ビーム）溶接、ＬＢ（レーザービーム）溶接等で接合することができる。図３に示すシャント抵抗器Ａは、比較的大型のシャント抵抗であり、一個ずつ作ることがある。抵抗体１１は、実施形態２に係る抵抗合金によって形成することができる。

【0049】

本実施形態に係るシャント抵抗器は、湯流れ性が改善された鋳造合金を原料とする抵抗合金を用いることにより、鋳造材表層の欠陥除去工程を省略または簡素化することができる。

【0050】

図４～図９を用いて、図３に示すシャント抵抗器Ａの製造工程の一例を示す。図４に示すように、例えば、長尺の平板状等の抵抗材２１と、抵抗材２１と同様の長尺の平板状の第１の電極材２５ａ、第２の電極材２５ｂを準備する。抵抗材２１は、実施形態２に係る抵抗合金を用いる。

【0051】

図５に示すように、抵抗材２１の両側に第１の電極材２５ａと第２の電極材２５ｂとをそれぞれ配置する。

【0052】

図６にも示すように、例えば電子ビームやレーザービームなどで溶接して１枚の平板とする（接合位置Ｌ１１、Ｌ１２で接合する）。図６（ａ）は、溶接の際に電極材２５ａ、２５ｂと抵抗材２１とによる平坦面側に電子ビーム等を照射した例である。図６（ｂ）は、溶接の際に電極材２５ａ、２５ｂと抵抗材２１とによる凹みの内側に電子ビーム等を照射した例である。電極材２５ａ、２５ｂにおける抵抗材２１より突出した面には、電子ビーム等が照射されないようにして影響を少なくする。

【0053】

抵抗材２１と電極材２５ａ、２５ｂとの厚さの差により、抵抗値を調整することもできる。また、図９において後述する段差（Δｈ_２）を形成することができる。接合位置により、抵抗値や形状に関する種々の調整を行うことも可能である。

【0054】

次いで、図７（ａ）に示すように、図５の状態から、除去部分１７として示すように、抵抗材２１の領域を含むように、くし歯状に、平板を打ち抜くなどにより取り除く。次いで、第１の電極材２５ａ、第２の電極材２５ｂの一部をプレスなどで曲げ加工することで、図７（ｂ）に断面図（図７（ａ）のＸ方向から見た図）で示すような断面形状を有する構造を形成する。尚、溶接部２１ａ、２１ｂは、電子ビーム照射などで接続されている部分である。

【0055】

次いで、図８に示すように、電極が切り離されていない側を、切断位置Ｌ３１に沿って、残りの領域２５ｂ’（基部）から切り離し、電極３５ｂを形成する。これによって、電流検出装置に用いる突合せ構造の抵抗器を形成することができる。本実施形態による製造方法を用いると、電極３５ａ、３５ｂと抵抗体３１とからなる抵抗器の量産化が可能となるという利点がある。

【0056】

なお、図９に示すように、抵抗器には溶接痕４３ａ、４３ｂが形成される。一般に電子ビーム等による溶接痕の表面は荒れた状態になる。精密な電流検出のためには、ボンディングワイヤーをなるべく抵抗体に近い位置に固定するのが好ましいが、このとき溶接痕が邪魔になることがある。本実施形態によれば、図６の説明で詳述した方法により、ボンディング面となる領域３５ａ－２、３５ｂ－２に溶接痕が形成されることを避けることができる。したがって、抵抗体に近い位置にワイヤを固定することができるという利点がある。

【産業上の利用可能性】

【0057】

本発明は、鋳造合金、抵抗合金またはシャント抵抗器として利用可能である。

【符号の説明】

【0058】

１１…抵抗体
２１…抵抗材
３１…抵抗体
１５ａ，１５ｂ…電極
３５ａ，３５ｂ…電極
Ａ…シャント抵抗器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】