CN104212996A - 拉丝线材的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提供用于制造由在保持高导电率的同时拉伸强度和抗疲劳特性得到了提高的Cu-Mg合金形成的拉丝线材的方法。该制造方法具有以下工序：准备含有Mg0.4～0.7重量％、余部由Cu和不可避免的杂质构成的粗拉线材的准备工序；对所述粗拉线材进行拉丝加工、得到拉丝加工应变在0.19以上、小于0.92的预拉丝线材的第1拉丝工序；对所述预拉丝材在400～700℃、1～8小时的条件下进行加热的加热工序；对所述加热过的预拉丝材再次进行拉丝加工的第2拉丝工序。

Description

拉丝线材的制造方法

技术领域

本发明涉及拉丝线材的制造方法。

背景技术

作为电车供电设备一部分的滑触线，要求具有供电所需的导电性，并且，为了将架设张力保持在一定值以上，还要求具有高的拉伸强度。作为这种滑触线，例如在专利文献1中公开的那样，一直以来使用铜合金线，尤其是从具有高的拉伸强度的角度考虑，一直使用Cu-Mg合金线。

专利文献：

专利文献1：日本特开平3-67401号公报

发明内容

近年来，对于此类Cu-Mg合金线，尤其是对于用于高速移动用电车的滑触线用途的Cu-Mg合金线，要求其拉伸强度进一步提高。而增加Cu-Mg合金线中所含的Mg添加量虽然可使拉伸强度随着添加量的增加而提高，但导电率会下降，难以确保作为滑触线所必需的导电率，因此，通过添加Mg来提高拉伸强度的方法存在极限。此外，Cu-Mg合金线的抗疲劳特性也不一定充分，从长期可靠性的角度考虑，除了拉伸强度外，还要求提高抗疲劳特性。

本发明的目的在于提供用于制造由在保持高导电率的同时拉伸强度和抗疲劳特性得到了提高的Cu-Mg合金形成的拉丝线材的方法。

〔1〕本发明的拉丝线材的制造方法的特征在于，具有：准备含有Mg0.4～0.7重量％、余部由Cu和不可避免的杂质构成的粗拉线材的准备工序；对所述粗拉线材进行拉丝加工、得到拉丝加工应变在0.19以上、小于0.92的预拉丝线材的第1拉丝工序；对所述预拉丝线材在400～700℃、1～8小时的条件下进行加热的加热工序；对所述加热过的预拉丝线材再次进行拉丝加工的第2拉丝工序。

〔2〕在上述发明中，所述拉丝线材可构成滑触线。

〔3〕在上述发明中，所述拉丝线材可构成架空线。

根据本发明，对含有Mg0.4～0.7重量％、余部由Cu和不可避免的杂质构成的粗拉线材以规定的拉丝加工应变进行拉丝加工，接着对其加热，然后再次进行拉丝加工，由此可得到在保持高导电率的同时拉丝强度和抗疲劳特性得到了提高的拉丝线材。

具体实施方式

下面，对本发明的实施方式进行说明。

本实施方式的拉丝线材的制造方法具有：准备含有Mg0.4～0.7重量％、余部由Cu和不可避免的杂质构成的粗拉线材的准备工序；对所述粗拉线材进行拉丝加工、得到拉丝加工应变在0.19以上、小于0.92的预拉丝线材的第1拉丝工序；对所述预拉丝线材在400～700℃、1～8小时的条件下进行加热的加热工序；对所述加热过的预拉丝线材再次进行拉丝加工的第2拉丝工序。

由本实施方式的制造方法得到的拉丝线材可用于要求有导电性、拉伸强度和抗疲劳特性的各种用途，其中，尤其优选用作作为电车供电设备的滑触线和架空线。

下面，首先以将由本实施方式的制造方法得到的拉丝线材用于作为电车供电设备的滑触线的用途的情况为例进行说明。

<粗拉线材>

在本实施方式中，作为为得到拉丝线材而使用的粗拉线材，使用由含有Mg0.4～0.7重量％、余部由Cu和不可避免的杂质构成的Cu-Mg合金形成的线材。Mg的含量优选为0.45～0.68重量％。Mg通过添加到Cu中、形成合金而显示出提高拉伸强度的作用。在Cu-Mg合金中，若Mg含量过少，则所得拉丝线材的拉伸强度会过低，而若Mg含量过多，则所得拉丝线材的导电率会下降。

这里，对在本实施方式中使用Cu-Mg合金作为为得到拉丝线材而使用的粗拉线材的理由进行说明。首先，作为电车供电设备的滑触线是一种用于通过与高速移动的电车的受电弓接触而向电车供电的供电线，通常，电车的受电弓在将滑触线顶上的同时与其接触，因此，会在滑触线上产生在与架线方向垂直的方向上具有向量分量的振动波。该振动波的波动传播速度C通常用下式（1）表示。

〔数1〕

$C=\sqrt{T/\mathrm{\&rho;}}---\left(1\right)$

上式（1）中，C：波动传播速度（m/s），T：架线张力（N），ρ：线密度（kg/m）。

由上式（1）求得的波动传播速度C是对滑触线而言非常重要的特性值，例如，当波动传播速度C接近电车的速度时，受电弓造成的滑触线的顶上量会增大，这种情况下，会发生滑触线与受电弓脱离的现象（离线）。并且，这种离线发生时，除了供电效率会极端下降外，滑触线与受电弓之间还会产生火花，使得滑触线的磨损量显著增加，其寿命极度缩短。因此，对于滑触线，要求尽可能地增大其波动传播速度C。

这里，要增大波动传播速度C，根据上式（1），可以考虑采用增大架线张力T的方法和减小线密度ρ的方法，其中，作为增大架线张力的方法，可以使用拉伸强度高的固溶强化型Cu-Ag合金、Cu-Sn合金、Cu-Mg合金等。例如，当为通常的具有100mm²的截面积的滑触线时，要使其能以300km/h以上的速度移动，要求滑触线的拉伸强度在450MPa以上。

并且，Cu-Ag合金、Cu-Sn合金、Cu-Mg合金这类固溶强化型合金通常具有作为溶剂的Cu与固溶在其中的溶质元素之间的原子直径之差越大、拉伸强度的提高效果越明显的性质。这种状况下，与Cu-Ag合金、Cu-Sn合金等其他固溶强化型铜合金相比，Cu-Mg合金是将与Cu原子直径之差大的Mg固溶在Cu中而形成的合金，因而其拉伸强度的提高效果更明显。因此，在本实施方式中使用Cu-Mg合金。此外，Cu-Mg合金之类的固溶强化型铜合金通常具有以下特性：拉伸强度随着固溶的金属的添加量的增加而提高，但另一方面，导电率会下降。但是因为Mg中参与金属结合的电子（3s）具有与Cu（4s）相同的轨道角动量且如过渡金属那样，没有与d轨道的轨道能量重叠而导致的能量损失，因而每一单位添加元素的导电率的减少率也较小，因此，从导电率的角度考虑，Cu-Mg合金也是适宜的。

另外，在本实施方式中，作为由Cu-Mg合金形成的粗拉线材，例如可以使用用公知的连铸连轧法（SCR法）、上引连铸法（up casting method）铸造的线坯，但是，由于Mg容易与氧反应，因此，从铸造时能够更妥善地防止Mg与氧反应的角度考虑，优选使用用上引连续铸造法铸造的线坯。

此外，对于本实施方式中使用的由Cu-Mg合金形成的粗拉线材的线径，无特殊限制，通常在左右。

<第1拉丝工序>

接着，对本实施方式的第1拉丝工序进行说明。在本实施方式的第1拉丝工序中，对上述粗拉线材进行拉丝加工，得到拉丝加工应变ε₁在0.19以上、小于0.92的预拉丝线材。这里，在本实施方式中，第1拉丝工序中的拉丝加工应变ε₁用下式（2）表示。

〔数2〕

${\mathrm{\&epsiv;}}_1=2\&CenterDot;\ln \left(\frac{D_0}{D_1}\right)---\left(2\right)$

上式（2）中，D₀是（未进行拉丝加工的）粗拉线材的线径，D₁是通过第1拉丝加工进行拉丝加工后得到的预拉丝线材的线径。

本实施方式中，在第1拉丝工序中对粗拉线材进行拉丝加工，得到拉丝加工应变ε₁在0.19以上、小于0.92的范围内、优选在0.22～0.90的范围内的预拉丝线材，如后所述，对所得的预拉丝线材在规定的条件下进行热处理，接着再次进行拉丝加工。

尤其是，本发明者发现，在最终形成滑触线时，其微细结构中所含的晶界能抑制疲劳导致的裂纹发展，因此，对于最终得到的滑触线，要提高其抗疲劳特性，增加在微细结构中的晶粒（使晶粒变得微细）、增大作为晶粒之间界面的晶界是有效的手段。

而在本实施方式中，首先，在第1拉丝工序中，在进行加热处理前预先进行拉丝加工，使拉丝加工应变达到规定值，由此破坏构成作为粗拉线材使用的Cu-Mg合金的晶粒的晶格，使其微细化，从而使破碎至微细的晶格形成为晶核。并且，在第1拉丝工序后进行加热处理，由此使破碎至微细的晶格作为晶核进行重结晶，生成微细晶粒，由此增大晶界，其结果，可提高在最终形成滑触线时的抗疲劳特性。

若第1拉丝工序中通过拉丝加工所得到的预拉丝线材的拉丝加工应变ε₁过低，则晶格的破碎效果小，由此，最终得到的滑触线中的晶粒会粗大，抗疲劳特性恶化。另一方面，若通过拉丝加工所得到的预拉丝线材的拉丝加工应变ε₁过高，则拉伸强度或抗疲劳特性会恶化。

另外，在第1拉丝工序中，对进行拉丝加工的方法无特殊限制，可以不受限制地使用公知的方法，可以列举出使用拉丝加工用模具进行拉丝的方法等。

<加热工序>

接着，对本实施方式中的加热工序进行说明。在本实施方式的加热工序中，对在上述第1拉丝工序中通过拉丝加工所得到的预拉丝线材进行加热处理。

在加热工序中，加热温度为400～700℃，优选为450～650℃。此外，加热时间为1～8小时，优选为1～6小时。如上所述，本实施方式中，在实施第1拉丝工序时，对通过拉丝加工而得到的预拉丝线材进行加热处理，由此能以因拉丝加工而破碎至微细的晶格作为晶核进行重结晶，使微细晶粒生长，从而可增大晶界。若加热温度过低或加热时间过短，则由重结晶产生的结晶生长会不充分，其结果，得不到由晶界增大产生的抗疲劳特性提高效果。另一方面，若加热温度过高或加热时间过长，则由重结晶产生的晶粒生长会过度，其结果，得不到由晶界增大产生的抗疲劳特性提高效果。

<第2拉丝工序>

接着，对本实施方式的第2拉丝工序进行说明。在本实施方式的第2拉丝工序中，对在上述加热工序中加热处理过的预拉丝线材进行拉丝加工，得到拉丝线材（滑触线）。在本实施方式中，对在第2拉丝工序中加热处理过的预拉丝线材再次进行拉丝加工，由此，通过加热处理而进行的重结晶所生成的晶粒的晶格被破坏，从而，能提高拉伸强度。

在第2拉丝工序中，对进行拉丝加工时的条件无特殊限制，根据最终所得的滑触线的线径适当设定即可，但在用于滑触线用途时，第2拉丝工序中的拉丝加工应变ε₂优选为0.2～1.58，更优选为0.3～1.3。在本实施方式中，第2拉丝工序中的拉丝加工应变ε₂用下式（3）表示。

〔数3〕

${\mathrm{\&epsiv;}}_2=2\&CenterDot;\ln \left(\frac{D_1}{D_2}\right)---\left(3\right)$

上述式（3）中，D₁是通过第1拉丝工序进行拉丝加工后所得的预拉丝线材的线径，D₂是通过第2拉丝加工进行拉丝加工后所得的拉丝线材（滑触线）的线径。

若第2拉丝工序中的拉丝加工应变ε₂过低，则第2拉丝工序中的拉丝加工所产生的拉伸强度提高效果有时会不充分，另一方面，若第2拉丝工序中的拉丝加工应变ε₂过高，则线径过细，有不能确保滑触线所需的导电率之虞。

另外，用于滑触线用途时，总拉丝加工应变ε_total根据最终所得的滑触线的线径适当设定即可，但优选为0.39～2.5，更优选为0.52～2.0。另外，在本实施方式中，用于滑触线用途时的总拉丝加工应变ε_total用下式（4）表示。

〔数4〕

ε_total＝ε₁+ε₂     (4)

此外，在使由本实施方式的制造方法所得到的拉丝线材形成为滑触线时，从确保作为滑触线使用所必需的导电率等各种特性的角度考虑，拉丝线材的线径优选为更优选为在通过第2拉丝工序进行拉丝加工时，优选将线径控制在该范围内。

另外，在第2拉丝工序中，对进行拉丝加工的方法无特殊限制，可以不受限制地使用公知的方法，与上述第1拉丝工序一样，可以列举出使用拉丝加工用模具进行拉丝的方法。

此外，构成由本实施方式的制造方法所得到的滑触线的Cu-Mg合金的平均结晶粒径优选为0.1～100μm，更优选为0.2～35μm。根据本实施方式，经过上述工序，可使Cu-Mg合金的晶粒微细化，由此，可使构成最终所得的滑触线的Cu-Mg合金的平均结晶粒径在上述范围内。这里，若平均结晶粒径过小，则有可能拉伸强度过低。而若平均结晶粒径过大，则晶界减少、抗疲劳特性恶化。

根据本实施方式，经过上述第1拉丝工序、加热工序和第2拉丝工序，能够制造滑触线。而且，由于这样制得的滑触线通过使用由将Mg控制在上述规定范围的Cu-Mg合金形成的粗拉线材、在上述规定条件下进行加热处理前的拉丝加工（第1拉丝工序）、加热处理（加热工序）和加热处理后的拉丝加工（第2拉丝工序）而制得，因此，导电率高，且拉伸强度和抗疲劳特性优异。由此，由本实施方式的制造方法制得的滑触线能良好地用于例如行驶速度在300km/h以上的高速铁路的滑触线用途。

上面以将由本实施方式的制造方法得到的拉丝线材用于滑触线的情况为例进行了说明，但本发明的拉丝线材不局限于滑触线的用途，还可以用于需要导电性、拉伸强度和抗疲劳特性的各种用途，例如，可以用于作为电车供电设备的架空线用途。

例如，将由本实施方式的制造方法所得到的拉丝线材用于架空线用途时，除了使加热处理后的拉丝工序（第2拉丝工序）的条件不同于上述滑触线用途时的条件以外，可以按相同的方法进行。尤其是，架空线的所需导电率水平等所需特性与滑触线不同，要满足用作架空线所需的特性，就要求在加热处理后进行了拉丝加工（第2拉丝工序）后的线径优选在的范围内，更优选在的范围内。因此，在本实施方式中，为了满足这样的条件，使加热处理后的拉丝加工（第2拉丝工序）的条件不同于上述滑触线用途时的条件。

具体而言，在将由本实施方式的制造方法所得到的拉丝线材用于架空线用途时，首先，使用与上述滑触线用途时相同的粗拉线材，与上述滑触线用途时一样，进行加热处理前的拉丝加工（第1拉丝工序）和加热处理（加热工序）。并且，在第2拉丝工序的拉丝加工应变ε₂’优选在2.6～5.0的范围内、更优选在3.0～4.5的范围内的条件下进行加热处理后的拉丝加工（第2拉丝工序）。将由本实施方式的制造方法得到的拉丝线材用于架空线用途时的第2拉丝工序中的拉丝加工应变ε₂’用下式（5）表示。

〔数5〕

${{\mathrm{\&epsiv;}}_2}^{,}=2\&CenterDot;\ln \left(\frac{D_1}{{D_2}^{,}}\right)---\left(5\right)$

上述式（5）中，D₁是通过第1拉丝工序进行拉丝加工后得到的预拉丝线材的线径，D₂’是通过第2拉丝工序进行拉丝加工后得到的拉丝线材（架空线）的线径。

若第2拉丝工序中的拉丝加工应变ε₂’过低，则由第2拉丝工序的拉丝加工产生的拉伸强度提高效果有时会不充分，另一方面，若第2拉丝工序中的拉丝加工应变ε₂’过高，则线径过细，会有不能确保架空线所需的导电率之虞。

此外，用于架空线用途时的总拉丝加工应变ε_total’根据最终所得的架空线的线径适当设定即可，但优选在3.0以上、小于5.92，更优选为3.5～5.0。在本实施方式中，用于架空线用途时的总拉丝加工应变ε_total’用下式（6）表示。

〔数6〕

ε_total'＝ε₁+ε₂’     (6)

此外，将由本实施方式的制造方法得到的拉丝线材用于架空线用途时，可根据最终所得架空线的线径，使用具有与用于滑触线用途时的粗拉线材不同线径的粗拉线材（例如，比用于滑触线用途的粗拉线材线径小的粗拉线材）作为拉丝加工前的粗拉线材。

根据本实施方式，这样制得的架空线与上述滑触线一样，导电率高，且拉伸强度和抗疲劳特性优异。因此，由本实施方式的制造方法制得的架空线与上述滑触线一样，能良好地用于例如行驶速度在300km/h以上的高速铁路的架空线用途。

另外，以上所说明的实施方式是为了便于理解本发明而描述的，但本发明不局限于此。因此，上述实施方式中所公开的各要素还包括在本发明的技术范围内的所有的设计变更和等同物。

实施例

下面，通过列举实施例对本发明进行更具体的说明，但本发明不限于这些实施例。

<实施例1～6、比较例1～8>

在实施例1～6、比较例1～8中，制作了滑触线用拉丝线材。下面对具体的制作方法、评价方法等进行说明。

首先，作为原料，准备了电解铜和Cu-Mg合金（Cu：50重量％，Mg：50重量％），分别称量，充填到石墨坩埚中，在N₂气环境中溶解，在熔融金属温度达到1200℃后保持10分钟，然后，通过上引连续铸造法得到线径为的粗拉线材。另外，将在各实施例和比较例中构成粗拉线材的Cu-Mg合金中的Mg浓度调整至表1所示的值。

接着，对于所得到的粗拉线材，使用拉丝加工用模具进行拉丝加工（第1拉丝工序），使其拉丝加工应变ε₁如表1所示，接着，以表1所示的热处理温度和热处理时间进行加热处理（加热工序），最后，使用拉丝加工用模具进行拉丝加工（第2拉丝工序），使拉丝加工应变ε₂如表1所示，得到线径为的滑触线用拉丝线材。另外，各实施例和比较例中，比较例8未进行加热处理和加热处理后的拉丝加工。

然后，对所得到的滑触线用拉丝线材进行了拉伸强度、抗疲劳特性和导电率等各项评价，并测定了平均结晶粒径。结果示于表1。

拉伸断裂强度：按UL1581中记载的方法进行了测定。在本实施方式中，将450MPa以上的评价为良好。

抗疲劳特性：在750×10^－6的应变下进行10⁶次弯曲疲劳试验，在弯曲疲劳试验的结果中，将未出现断裂的评价为“○”，出现断裂的评价为“×”。

导电率：将62.6％IACS以上的评价为良好。

平均结晶粒径：通过用光学显微镜观察所得到的滑触线用拉丝线材而求得。另外，对于平均结晶粒径在毫米级的晶粒，在表1中表示为“粗大”。

表1

由表1可知，使用在0.4～0.7重量％范围内含有Mg的Cu-Mg合金作为粗拉线材，在加热处理前进行拉丝加工，使拉丝加工应变ε₁在0.19以上、小于0.92的范围内，然后在400～700℃、1～8小时的条件下进行加热，接着，再次进行拉丝加工，这样得到的实施例1～6的滑触线用拉丝线材的拉伸强度、抗疲劳特性和导电率均良好。此外，实施例1～6的这些滑触线用拉丝线材的平均结晶粒径在0.1～100μm的范围内，得到了适度微细化。

另一方面，在使加热处理前的拉丝加工时的拉丝加工应变ε₁小于0.19的比较例1～4中，平均结晶粒径均粗大，抗疲劳热性均差。

在使加热处理前的拉丝加工时的拉丝加工应变ε₁在0.92以上的比较例5中，得到了拉伸强度下降的结果。

此外，在使Cu-Mg合金中的Mg浓度小于0.4重量％的比较例6中，测得的结果是，拉伸强度下降，另一方面，在使Cu-Mg合金中的Mg浓度超过0.7重量％的比较例7中，测得的结果是，导电率下降。

此外，在未进行加热处理和加热处理后的拉丝加工的比较例8中，平均结晶粒径粗大，抗疲劳特性差。

<实施例7～11、比较例11～27>

在实施例7～11、比较例11～27中，制作了架空线用拉丝线材。下面对具体的制作方法、评价方法等进行说明。

首先，作为原料，准备了电解铜和Cu-Mg合金（Cu：50重量％，Mg：50重量％），分别称量，充填到石墨坩埚中，在N₂气环境中溶解，在熔融金属温度达到1200℃后保持10分钟，然后，通过上引连续铸造法得到线径为的粗拉线材。另外，将在各实施例和比较例中构成粗拉线材的Cu-Mg合金中的Mg浓度调整至表2所示的值。

接着，对于所得到的粗拉线材，使用拉丝加工用模具进行拉丝加工（第1拉丝工序），使拉丝加工应变ε₁如表2所示，接着，以表2所示的热处理温度和热处理时间进行加热处理（加热工序），最后，使用拉丝加工用模具进行拉丝加工（第2拉丝工序），拉丝加工应变ε₂’如表2所示，得到线径为的架空线用拉丝线材（在表2中，一并示出线径为的拉丝线材和线径为的拉丝线材的各自的拉丝加工应变）。另外，各实施例和比较例中，比较例22～27未进行加热处理和加热处理后的拉丝加工。

然后，对所得到的架空线用拉丝线材进行拉伸强度、抗疲劳特性和导电率等各项评价，并测定了平均结晶粒径。结果示于表2。

拉伸断裂强度：按UL1581中记载的方法进行了测定。在本实施方式中，将线径为时的拉伸断裂强度在608MPa以上且线径为时的拉伸断裂强度在618MPa以上的线材评价为“○”，将不满足任何一个或两者的线材评价为“×”。

抗疲劳特性：在1000×10^－6的应变下进行10⁷次弯曲疲劳试验，在弯曲疲劳试验的结果中，将出现未断裂的评价为“○”，出现断裂的评价为“×”。

导电率：将62.6％IACS以上的评价为良好。

平均结晶粒径：通过用光学显微镜观察所得到的架空线用拉丝线材而求得。另外，对于平均结晶粒径在毫米级的晶粒，在表2中表示为“粗大”。

表2

由表2可知，使用在0.4～0.7重量％的范围内含有Mg的Cu-Mg合金作为粗拉线材，在加热处理前进行拉丝加工，使拉丝加工应变ε₁在0.19以上、小于0.92的范围内，然后在400～700℃、1～8小时的条件下进行加热，接着，再次进行拉丝加工，这样得到的实施例7～11的架空线用拉丝线材的拉伸强度、抗疲劳特性和导电率均良好。此外，实施例7～11的这些架空线用拉丝线材的平均结晶粒径在0.1～100μm的范围内，得到了适度微细化。

另一方面，表2结果表明，不满足本发明规定的必要条件的比较例9～27的线材与上述比较例1～8的线材同样，它们的拉伸强度、抗疲劳特性和导电率中的至少某一特性差。

Claims (3)

1.拉丝线材的制造方法，具有：

准备含有Mg0.4～0.7重量％、余部由Cu和不可避免的杂质构成的粗拉线材的准备工序；

对所述粗拉线材进行拉丝加工、得到拉丝加工应变在0.19以上、小于0.92的预拉丝线材的第1拉丝工序；

对所述预拉丝线材在400～700℃、1～8小时的条件下进行加热的加热工序；

对所述加热过的预拉丝线材再次进行拉丝加工的第2拉丝工序。

2.根据权利要求1所述的拉丝线材的制造方法，其特征在于，所述拉丝线材为滑触线。

3.根据权利要求1所述的拉丝材的制造方法，其特征在于，所述拉丝线材为架空线。