JP2005133111A - トロリー線とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 十分な強度と導電率を有すると共に、耐摩耗性に優れたトロリー線とその製造方法を提供する。
【解決手段】 トロリー線を、Snが0.5質量％超0.8質量％以下、Ag、In、Sr、Ca、MgおよびZrから選択される少なくとも一種が総量で0.0005〜0.3質量％、酸素が0.01〜0.05質量％含有され、残部がCuと不可避不純物で構成する。このトロリー線は、引張強さが460N/mm²以上、導電率が60％IACS以上である。高濃度のSnだけでなく、Ag、In、Sr、Ca、Mgから選択される少なくとも一種を上記規定量添加することで、高張力・高導電率に加え、高い耐摩耗性を得ることができる。
【選択図】 なし

Description

本発明はトロリー線とその製造方法に関するものである。特に、強度、導電率、耐摩耗性に優れたトロリー線と、そのトロリー線を得られるトロリー線の製造方法に関するものである。

従来、電車のパンタグラフと接触し電車に電力を供給するためのトロリー線を構成する材料として、純銅または錫を0.3質量％以下含む銅合金が用いられてきた。

しかし、近年、電車が高速化し、トロリー線の架線張力の増強が必要になってきている。このような要望に対応する技術として、特許文献1に記載のものがある。

この技術では、まず、酸素含量が0.1質量％以下であり、0.2〜0.5質量％の錫を含み、残部が銅と不可避不純物からなる鋳造材を連続鋳造により得る。次に、得られる鋳造材に600℃以上の温度において80％以上の加工度で連続的に熱間加工を施し、直径が24mm以上の線材を得る。そして、この線材に150℃以下の温度において70％以上の加工度で冷間加工を施して、電車電線用銅合金導体を得る。得られた銅合金導体は、従来並みの導電率を維持しながら、高強度を実現している。

特開平6-8759号公報

しかし、上記の従来技術で得られる電車電線用銅合金導体よりもさらに高強度で耐摩耗性に優れるトロリー線の開発が望まれている。

電車の高速化に伴い、パンタグラフとトロリー線との摺動速度が大きくなり、パンタグラフとトロリー線との間でアークが発生しやすくなっている。このアークにより、トロリー線の摩耗速度が増大するという問題が発生している。上記従来技術では、強度と導電率の点でトロリー線としての一定の要求特性を満たしているが、強度と耐摩耗性についてはさらに改善の要望がある。特に、トロリー線の保守の簡素化や張替え頻度を低減させる点からも、耐摩耗性に優れるトロリー線が必要とされてきている。

従って、本発明の主目的は、十分な強度と導電率を有すると共に、耐摩耗性に優れたトロリー線とその製造方法を提供することにある。

本発明は、Snの含有量を高め、さらに他の元素を所定量添加することで上記の目的を達成する。

本発明耐摩耗性トロリー線は、Snが0.5質量％超0.8質量％以下、Ag、In、Sr、Ca、MgおよびZrから選択される少なくとも一種が総量で0.0005〜0.3質量％、酸素が0.01〜0.05質量％含有され、残部がCuと不可避不純物で構成される。そして、引張強さが460N/mm²以上、導電率が60％IACS以上であることを特徴とする。

Snを高濃度に含有させることで、より高強度で耐摩耗性に優れるトロリー線を得ることができる。また、Snだけでなく、Ag、In、Sr、Ca、Mg、Zrから選択される少なくとも一種を上記規定量添加することで、高張力・高導電率に加え、高い耐摩耗性を得ることができる。

一方、本発明耐摩耗性トロリー線の製造方法は、Snが0.5質量％超0.8質量％以下、Ag、In、Sr、Ca、MgおよびZrから選択される少なくとも一種が総量で0.0005〜0.3質量％、酸素が0.01〜0.05質量％含有され、残部がCuと不可避不純物で構成される鋳造材を連続鋳造により得る工程と、得られる鋳造材に600℃以上の温度において50％以上の加工度で連続的に熱間加工を施し、直径が20mm以上の線材を得る工程と、この線材に150℃以下の温度において50％以上の加工度で冷間加工を施す工程とを具えることを特徴とする。

以上の工程を経ることにより、高張力・高導電率に加え、高い耐摩耗性を有するトロリー線を得ることができる。

以下、本発明をより詳しく説明する。
＜Sn：0.5超〜0.8質量％＞
Snの含有量を0.5質量％超としているのは、トロリー素材としてより高い強度を得るためであり、Snの含有量を0.8質量％以下としているのは、導電率の低下をより抑えるためである。

＜Ag、In、Sr、Ca、Mg、Zrの少なくとも一種：総量で0.0005〜0.3質量％＞
銅中にAg、In、Sr、Ca、Mg、Zrの少なくとも一種を添加することにより銅合金の強度を向上させ、さらにパンタグラフとトロリー線との間のアークによって熱が発生しても銅合金が軟化せず、耐熱性を向上することができる。

上記Agなどの添加元素の総含有量が0.0005質量％未満であれば、強度や耐熱性の上昇効果に乏しい。また、Agは金属形態として存在する場合には銅よりも高い導電率を有するが、銅合金中にAgが固溶すると銅合金の導電率は低下する。さらに、In、Sr、Ca、Mg、Zrはいずれも銅よりも導電率が低い。そのため、これら添加元素の総含有量の上限は0.3質量％以下としてトロリー線の導電率の低下を防止している。また、これら元素の添加により、トロリー線原料の鋳造時に鋳片の割れを防止し、さらにはトロリー線製造段階の伸線工程で断線を抑制することができる。

＜酸素：0.01〜0.05質量％＞
酸素含有量を0.01〜0.05質量％とすることで、必要な導電率を得やすくすることができる。また、トロリー線の製造に用いる鋳造材の酸素含量を0.05質量％以下とすることにより、酸化銅の生成を抑制し、加工時における酸化銅を起点とした断線を抑制することができる。逆に酸素含有量が0.01質量％未満であれば、熱間加工時に割れが生じやすく、鋳造後の工程で高品質のトロリー線を得ることが難しくなる。

本発明トロリー線の化学成分には、不可避的不純物が含まれていてもよい。不可避的不純物には、Ni、Sb、As、Fe、Pb、Bi、P、Si、Zn、S、Se、Teなどが含まれる。

＜引張強さ：460N/mm²以上＞
460N/mm²以上の引張強さを有することで、電車の高速化に伴うトロリー線の架線張力の増強にも十分対応することができる。より好ましくは480N/mm²以上、さらには500N/mm²以上の引張強さとすることが好ましい。特に、トロリー線の断面積110mm²の場合500N/mm²以上、同断面積170mm²の場合460N/mm²以上とすることが好適である。

＜導電率：60％IACS以上＞
トロリー線の導電率を60％IACS以上とすることで、トロリー線として必要な導電率を満たすことができる。本発明トロリー線ではSn濃度が高く、高い導電率を得ることが比較的難しいが、さほど高導電率が要求されない交流用トロリー線として本発明トロリー線は適している。この導電率は、20℃において、万国軟銅標準に規定する標準軟銅の導電率に対する百分率（％IACS）で示す。

＜鋳造材を連続鋳造により得る工程＞
鋳造材を得る工程は、ホイールベルト方式やツインベルト方式のような可動鋳型を使用した鋳造方式が好ましい。これらの方式で連続鋳造を行なうことで製造コストを抑えることができる。

＜鋳造材に熱間加工を施して線材を得る工程＞
鋳造材に600℃以上の温度において50％以上の熱間加工を施すことにより、鋳造組織を微細化させ、線材強度を向上させることができる。熱間加工としては熱間圧延が好ましい。特に、前記鋳造と連続して熱間圧延を行うことが製造性の点で好ましい。

加工温度を600℃以上とすることで、熱間加工を容易にすることができる。また、後工程である冷間加工時の加工性も向上させることができる。鋳造材は圧延時に酸化するため、後工程でアルコールなどに浸漬して還元する。その際、鋳造材が冷えていると反応が進み難く、還元が遅くなるため、この点からも加工温度を600℃以上としておくことは重要である。

熱間加工の加工度は50％以上とすることで、線材の結晶組織を微細化させて強度を上げることができる。この加工度は、「（加工前の断面積−加工後の断面積）／加工前の断面積」で表される。上述した添加元素を加えたことで、熱間加工度を極端に高めなくても、後工程の冷間加工で十分な強度のトロリー線を得ることができる。なお、熱間加工の加工度は70％以上、さらには80％以上であってもよい。

また、熱間加工で得られる線材の直径は20mm以上とする。この線径とすることで、次工程において高い加工度の冷間加工を受けることが可能になる。その結果、冷間加工による線材強度向上の効果をより顕著なものにすることができる。熱間加工で得られる線材の直径は24mm以上としても良い。

＜線材に冷間加工を施す工程＞
直径が20mm以上の線材を得た後、150℃以下の温度において50％以上の加工度で冷間加工を施す。この冷間加工により、線材の強度を向上させることができる。ここでの加工度も「（加工前の断面積−加工後の断面積）／加工前の断面積」で表される。この冷間加工により、高強度のトロリー線を得ることができる。

冷間加工は、伸線加工が好適である。加工温度は150℃以下であればよく、常温下で加熱することなく加工しても良い。加工度は50％以上とする。加工度50％以上の冷間加工を行うことで、強度向上効果を十分なものとすることができる。この加工度は70％以上が好ましく、75％以上がさらに好ましい。

本発明トロリー線およびその製造方法によれば、十分な強度と導電率を有すると共に、耐摩耗性に優れたトロリー線を得ることができる。従って、電車の高速化に対応しながらも、トロリー線の保守の簡素化や張替え頻度を低減させることができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

溶解→鋳造→熱間圧延→伸線→製品の工程でトロリー線を作製した。この工程のうち、溶解から熱間圧延までは連続鋳造圧延設備により加工を行う。まず、表１に示す化学成分の溶解銅合金を連続鋳造する。続いて、表２に示す加工度で熱間圧延して線材を得た。その後、得られた線材について、同じく表２に示す加工度で冷間伸線加工を施して、断面積が170mm²または110mm²のトロリー線を得た。また、一部の鋳造材については、熱間圧延を施すことなく冷間伸線加工を行った。

これらのトロリー線について引張強さと導電率を測定した。その結果も併せて表２に示す。引張強さの閾値は460N/mm²以上であり、導電率の閾値は60％以上である。

表２から明らかなように、Snに加えてSn以外の添加元素のあるNo.A1〜A8は、Snのみを添加したNo.B1,B2,B4〜B6,C1〜C3よりも導電率が高いことが確認された。これらNo.A1〜A8は引張強さの点でもしきい値を上回っている。
また、熱間加工後のサイズが小さいNo.B3,B4は、Agなどの添加元素の有無に関わらず引張強さの点でNo.A1〜A8よりも劣っていることが確認された。

さらに、上記トロリー線の一部について、摩耗率を測定して耐摩耗性の評価を行なった。この評価は次のように行なった。まずトロリー線と銅系焼結すり板との摺動速度を50km/hとし、すり板との接触荷重を7kgf(68.6N)として、直流電圧200V、通電電流200Aを与えた状態でトロリー線とすり板を10⁴回摺動させる。その後、トロリー線の摩耗面積を求め、その摩耗面積をパンタグラフの摺動回数で除したものを摩耗率として評価を行なった。摩耗率が小さいほど耐摩耗に優れることを示す。その結果を表３に示す。

表３から明らかなように、高濃度のSnに加えてSn以外の添加元素のあるNo.A2,A5,A6は、No.B3,C1,C2よりも耐摩耗性に優れることが確認された。No.B3は高濃度のSnに加えてSn以外の添加元素を含むが熱間加工後のサイズが小さな試料、No.C1,C2はSnのみを添加した試料である。

本発明によれば、十分な強度と導電率を有すると共に、耐摩耗性に優れたトロリー線を得ることができる。従って、より一層の高速化が進められる鉄道分野における本発明の利用が期待できる。

Claims (3)

1. Snが0.5質量％超0.8質量％以下、
   Ag、In、Sr、Ca、MgおよびZrから選択される少なくとも一種が総量で0.0005〜0.3質量％、
   酸素が0.01〜0.05質量％含有され、
   残部がCuと不可避不純物で構成されて、
   引張強さが460N/mm²以上、
   導電率が60％IACS以上であることを特徴とするトロリー線。
2. Snが0.5質量％超0.8質量％以下、Ag、In、Sr、Ca、MgおよびZrから選択される少なくとも一種が総量で0.0005〜0.3質量％、酸素が0.01〜0.05質量％含有され、残部がCuと不可避不純物で構成される鋳造材を連続鋳造により得る工程と、
   得られた鋳造材に600℃以上の温度において50％以上の加工度で連続的に熱間加工を施し、直径が20mm以上の線材を得る工程と、
   この線材に150℃以下の温度において50％以上の加工度で冷間加工を施す工程とを具えることを特徴とするトロリー線の製造方法。
3. 熱間加工での加工度が80％以上で、冷間加工での加工度が70％以上であることを特徴とする請求項2に記載の耐摩耗性トロリー線の製造方法。