JP2005096678A

JP2005096678A - トロリ線

Info

Publication number: JP2005096678A
Application number: JP2003334987A
Authority: JP
Inventors: Shoji Aoki; 庄治青木; Kenji Yajima; 健児矢島
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: JP4244380B2

Abstract

【課題】電気鉄道における電車線のトロリ線を提供する。
【解決手段】（１）Ｃｒ：０．０５〜０．８％、Ｚｒ：０．００５〜０．２％、Ａｌ：０．００３〜０．３％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる組成の銅合金、（２）Ｃｒ：０．０５〜０．８％、Ｚｒ：０．００５〜０．２％、Ａｌ：０．００３〜０．３％を含有し、さらに、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏの内の１種または２種以上を総量で０．０５〜０．４％、Ｐ：０．００３〜０．０４％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる組成の銅合金、または（１）もしくは（２）記載の銅合金に、さらにＡｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｔｉの内の１種または２種以上を総量で０．０１〜２％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる組成の銅合金からなることを特徴とするトロリ線。
【選択図】なし

Description

この発明は、電気鉄道における電車線のトロリ線に関するものである。

従来、高速電気鉄道における電車線のトロリ線として、質量％で（以下、％は質量％を示す）、Ｃｒ：０．３１〜０．８％、Ｚｒ：０．０１〜０．２５％、Ｓｉ：０．０１〜０．１％、酸素：１０ｐｐｍ以下を含有し、必要に応じてＭｇ：０．００１〜０．０５％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる組成の銅合金からなるトロリ線が知られている（特許文献１参照）。
また、前記従来の銅合金の製造工程における引抜き加工工程でのダイスの摩耗を改良する目的でＣｒ：０．１０〜０．４０％、Ｚｒ：０．０５〜０．２０％、Ｓｎ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：０．０１〜０．０８％、酸素：１０ｐｐｍ以下を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる組成を有する銅合金からなるトロリ線が提案されている（特許文献２参照）。
特開平５−３１１２８４号公報特開平８−１５７９８５号公報

上記従来の銅合金製トロリー線は、高速鉄道用として良好な耐久性を有しているが、中低速走行が主体となる在来線（除く、新幹線）での実績評価はほとんど無い。在来線のトロリにはＣｕ−０．３％Ｓｎ銅合金が使用されているが、この場合、さらなる耐久性、耐摩耗特性の優れた材料が求められている。さらに、在来線の場合は特にアーク発生による損傷での摩耗が促進され、トロリ線の寿命予測と大幅に乖離した短寿命となることが往々にして問題となっていた。したがって、アークの発生の少ない、あるいはアークが発生しても耐久性の優れたトロリ線が求められている。

そこで、本発明者等は、かかる要求を満たすことのできるトロリ線を得るべく研究を行った。その結果、
（イ）Ｃｒ：０．０５〜０．８％、Ｚｒ：０．００５〜０．２％、Ａｌ：０．００３〜０．３％を含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる成分組成の銅合金からなるトロリ線は、従来のＣｕ−０．３％Ｓｎ銅合金よりはるかに優れた耐摩耗性、耐アーク特性を有しており、上記特開平５−３１１２８４号公報記載の銅合金と比べても、強度、導電性および耐熱性に遜色がなく、さらにアーク発生率が一層少なくなる、
（ロ）上記銅合金にＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏの内の１種または２種以上を総量で０．０５〜０．４％とＰ：０．００３〜０．０４％を共に含有させると強度および耐摩耗性が一層向上する、
（ハ）さらにＡｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｔｉの内の１種または２種以上を総量で０．０１〜２％を含有させると強度が一層向上する、などの研究結果が得られたのである。

この発明は、かかる研究結果に基づいてなされたものであって、
（１）質量％で、Ｃｒ：０．０５〜０．８％、Ｚｒ：０．００５〜０．２％、Ａｌ：０．００３〜０．３％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる組成の銅合金からなるトロリ線、
（２）質量％で、Ｃｒ：０．０５〜０．８％、Ｚｒ：０．００５〜０．２％、Ａｌ：０．００３〜０．３％を含有し、さらに、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏの内の１種または２種以上を総量で０．０５〜０．４％、Ｐ：０．００３〜０．０４％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる組成の銅合金からなるトロリ線、
（３）前記（１）または（２）記載の銅合金に、さらにＡｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｔｉの内の１種または２種以上を総量で０．０１〜２％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる組成の銅合金からなるトロリ線、に特徴を有するものである。

この発明のトロリ線は摩耗およびアーク発生が少ないので耐久性が一段と優れており、したがって、寿命が長く安定しており、トロリ線を交換する回数が少なくなる。

この発明のトロリ線を構成する銅合金の成分組成を上記の如く限定した理由は下記の通りである。
ＣｒおよびＺｒ：
ＣｒおよびＺｒは共にＣｕ素地中に析出物として分散することにより耐摩耗性を向上せしめる成分であるが、Ｃｒ：０．０５％未満、Ｚｒ：０．００５％未満では所望の効果が得られず、一方、Ｃｒが０．８％を越え、Ｚｒ：０．２％を越えて含有すると導電率が低下しアーク発生率が高くなり、トロリ線の耐摩耗性が低下するので好ましくない。したがって、Ｃｒ：０．０５〜０．８％、Ｚｒ：０．００５〜０．２％の範囲となるように定めた。ＣｒおよびＺｒの一層好ましい範囲はそれぞれＣｒ：０．１〜０．４％、Ｚｒ：０．０２〜０．１％である。

Ａｌ：
Ａｌは電気車の高速走行によるトロリ線のアーク発生率を軽減させる作用を有するが、その含有量が０．００３％未満ではアーク発生率を軽減させる効果が得られず、一方、０．３％を越えて含有するとトロリ線の導電率が低下するので好ましくない。したがって、Ａｌ含有量を０．００３〜０．３％に定めた。Ａｌ含有量の一層好ましい範囲は０．０１〜０．１％である。

Ｆｅ，ＮｉおよびＣｏ、並びにＰ：
Ｆｅ，ＮｉおよびＣｏなどの鉄族金属はＰと共存させることにより金属間化合物を形成して素地中に析出し、それによって強度を向上させる効果を有するが、これら鉄族金属が０．０５％未満、Ｐが０．００３％未満含まれていても強度向上に有効な量の金属間化合物を析出させることができないので十分な強度向上効果が得られない。一方、これら鉄族金属が０．４％を越え、Ｐが０．０４％を越えて含有するとトロリ線の導電率が急激に下がるので好ましくない。したがって、鉄族金属：０．０５〜０．４％、Ｐ：０．００３〜０．０４％に以下に定めた。

Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｔｉ：
これら成分は固溶強化あるいは析出強化によって強度を向上させる作用があるので必要に応じて添加する成分であるが、その添加量は０．０１％未満では強度向上効果が得られず、一方、２％を越えて含有すると、導電性が低下するので好ましくない。したがって、Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｔｉの内の１種または２以上を総量で０．０１〜２％に定めた。

原料として通常の電気銅を用意し、この電気銅を黒煙るつぼに充填し、Ａｒガス雰囲気中にて溶解し、溶銅温度が１２００℃になった時点で約１０Ｌ／分の流量のＣＯガスを黒煙ノズルを通して吹込み、１０分間続けて吹込んだのち、この溶銅中にＡｒガスを吹込みながら溶銅を撹拌しつつＡｌを添加し、次いでＣｒおよびＺｒを添加し、さらに必要に応じてＦｅ，ＮｉおよびＣｏ並びにＰを添加し、さらに必要に応じてＡｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｔｉの内の１種または２以上を添加し、得られた銅合金溶湯を金型に鋳込んで直径：１５０mm、長さ：２５０mmの寸法を有する円柱状銅合金鋳塊を得た。

この円柱状銅合金鋳塊をＣＯガス雰囲気中、温度：９００℃、１時間保持の条件で加熱したのち、直径：２０mmを有する粗圧延線を製造し、この粗圧延線の表面の酸化物を除去し、冷間引抜き加工を繰り返して最終的に直径：１２ｍｍの線材を作製した。このようにして得られた銅合金線材を、さらに光輝焼鈍炉に装入し、ＣＯガス雰囲気中、温度：４５０℃に９０分間保持の時効処理を施すことにより表１〜３に示される成分組成の本発明トロリ線１〜３１、比較トロリ線１〜１３および従来トロリ線１〜２を作製した。これらトロリ線についてＪＩＳＥ２１０１に示される方法で引張り強さを測定し、その結果を表４〜５に示した。さらにＪＩＳＣ３００１に準拠した四端子法により１ｍで導電率を測定し、その結果を表４〜５に示した。

さらに、前記円柱状銅合金鋳塊をＣＯガス雰囲気中、温度：９００℃、１時間保持の条件で加熱したのち、熱間圧延し、厚さ：１３mmの熱延板を作製し、この熱延板を溶体化処理し、これを面削し、厚さ：１２mm、幅：８０mmの板材を作製した。これら板材をさらに冷間圧延して厚さ：５mm、幅：７５mmの銅合金板を作製したのち、還元雰囲気炉内で、４５０℃、９０分間保持の時効処理を施した。このようにして得られた銅合金板を半環状に曲げ加工し、２枚の半環状銅合金板の両端を溶接し、表１〜３に示される本発明トロリ線１〜３１、比較トロリ線１〜１３および従来トロリ線１〜２と同一素材の直径：２ｍの試験環を作製した。

これら試験環をそれぞれ図１および図２に示されるように回転する集電摺動摩耗試験機の回転板１にセットした。図１は正面図、図２は図１のＣ方向から見た平面図である。
回転板１の回転軸Ａと試験環２の回転軸Ｂとは２５mm離して偏心させてセットし、スライダー３，３′が１個所のみ摩耗しないようにする。この時使用するスライダーはＮｉ：１〜３％、Ｍｏ：６〜１２％、Ｃｒ：１〜４％、Ｓ：０．１〜１％、Ｐｂ：１〜１０％、残部Ｆｅからなる鉄系焼結部品を使用した。
さらに、試験環２の摩耗による幅の減少量を測定するために、図１に示されるように接触式距離測定器４を取付けた。

かかるセット状態において、スライダー３，３′にそれぞれ５kgｆの押付け力を付加しながらモータ５に通電し、回転板１を回転させ、試験環２の回転周速度が０km／Ｈ→１２０km／Ｈになるまでの間はスライダー３，３′を無通電とした。
試験環２の回転周速度が１２０km／Ｈに至った時点でこの回転周速度を維持するようにモータ５を制御し、スライダー３，３′にそれぞれ１００Ｖ、１００Ａの直流電流を３０分間通電し、その後モータ５への通電を停止し、同時にスライダー３，３′への通電も停止し、モータ５の回転が停止した時点での試験環２の摩耗量を測定し、その結果を表４〜５に示した。

表４〜５に示された摩耗量は、図１の接触式距離測定器４により測定した試験環の幅の減少量を測定し、その減少量を下記の計算によりスライダー１回通過当りの摩耗量に換算した値である。すなわち、試験環２を回転周速度：１２０km／Ｈで回転させ３０分間通電すると、スライダー３，３′は２個接触させているから、試験環２を回転周速度：１２０km／Ｈで３０分間回転させることは１９０００回スライダーを通過させたことになり、したがって、スライダーを１回通過したことによる摩耗量は接触式距離測定器４により求めた試験環の幅の減少量を１９０００で徐した値となる。

また、この集電摺動摩耗試験におけるアーク発生率は、スライダー３，３′にそれぞれ通電している時間の３０分間の電圧の変化をグラフに表わし、電圧が３０Ｖ以下であると離線しており、３０〜９０Ｖの範囲内にあるとアークが発生しており、９０〜１００Ｖであると着線しているところから、この集電摺動摩耗試験において、どれだけの時間が３０〜９０Ｖの範囲内の状態にあったかをグラフから読み取り、通電時間（３０分）に対するアーク発生時間の割合を求め、その結果を表４〜５に示した。

表１〜表５に示される結果から、本発明トロリ線１〜３１は、従来トロリ線１〜２と比較して引張り強さ、導電率がほぼ同等であるが、本発明試験環１〜３１は従来試験環１に比べて摩耗量が少なくかつアーク発生率が少ないところから、本発明トロリ線１〜３１は従来トロリ線１〜２よりも耐摩耗性に優れ、さらにアーク発生率が少なく、この発明の成分組成を有する銅合金で作製したトロリ線は在来のトロリ線として使用した場合、寿命が従来よりも大幅に向上することがわかる。しかし、この発明の条件から外れた成分組成を有する比較トロリ線１〜１３は摩耗量が多く、寿命が劣ることがわかる。

集電摺動摩耗試験における試験環のセット状態を示す立面図である。図１のＣ方向から見た平面図である。

符号の説明

１回転板
２試験環
３スライダー
３′ スライダー
４接触式距離測定器

Claims

質量％で、Ｃｒ：０．０５〜０．８％、Ｚｒ：０．００５〜０．２％、Ａｌ：０．００３〜０．３％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる組成の銅合金からなることを特徴とするトロリ線。
質量％で、Ｃｒ：０．０５〜０．８％、Ｚｒ：０．００５〜０．２％、Ａｌ：０．００３〜０．３％を含有し、さらに、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏの内の１種または２種以上を総量で０．０５〜０．４％、Ｐ：０．００３〜０．０４％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる組成の銅合金からなることを特徴とするトロリ線。
請求項１または２記載の銅合金に、さらにＡｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｔｉの内の１種または２種以上を総量で０．０１〜２％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる組成の銅合金からなることを特徴とするトロリ線。