JP2007197764A - 銅合金トロリ線およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温での機械的強度（特に引張強さ）が十分に高く、溶断しにくいトロリ線およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】Ｎｉを１．８〜３．０重量％、Ｓｉを０．４〜０．８重量％、Ｃｒを０．１〜０．８重量％含有し、残部がＣｕと可避不純物からなる銅合金溶湯を溶製し（第１工程）、該銅合金溶湯から荒引線を鋳造し（第２工程）、前記荒引線を７００〜１０００℃で熱処理し（第３工程）、該熱処理後の荒引線を冷間加工してトロリ線とし（第４工程）、前記冷間加工途上の線材又は冷間加工後のトロリ線を３００〜６００℃で熱処理する（第５工程）ことで、高温での機械的強度（特に引張強さ）が十分に高く、溶断しにくいトロリ線が得られる。
【選択図】なし

Description

本発明は、トロリ線およびその製造方法に関し、詳しくは、高温度での機械的強度が著しく向上した銅合金トロリ線およびその製造方法に関する。

トロリ線は、電車の架線の最下部に配置され、パンタグラフと接触して電車に電力を送るための電線である。トロリ線に要求される特性としては、一般に、強度、導電率及び耐摩耗性などが挙げられる。従来のトロリ線の代表例としては、以下の（１）〜（６）が挙げられる。

（１）硬銅トロリ線：導電性は高いが、強度は低く、耐摩耗性に劣るという欠点がある（非特許文献１参照）。
（２）Ｃｕ−０．３％Ｓｎ合金トロリ線：導電性、強度、耐摩耗性とも比較的良好である（特許文献１参照）。
（３）ＰＨＣトロリ線：Ｃｒ、Ｚｒなどの析出物の効果によって強度と導電性とを両立したトロリ線である。Ｃｕ−０．３％Ｓｎ合金トロリ線の約２倍の耐摩耗性を有している。しかし、連続鋳造圧延法の適用が困難であること、熱処理が複数回必要であること等により、Ｃｕ−Ｓｎ合金トロリ線と比較して高価となる（特許文献２および３参照）。
（４）鋼芯入りトロリ線：純銅の中心に鋼芯を配した構造を有するトロリ線である。該トロリ線は、鋼芯を有することから引張強度は高いが、外周が純銅であるため、初期の耐摩耗性は硬銅トロリ線と同等であり、劣る（特許文献４参照）。
（５）Ｃｕ−０．４％Ｓｎ合金トロリ線：Ｓｎ添加量を０．４％程度まで増加させ、さらに冷間加工度を上げることによって、高強度化を可能にしたトロリ線である（特許文献５参照）。
（６）その他：Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ａｇ合金トロリ線（特許文献６参照）、Ｃｕ−Ｐ−（ＣｏまたはＭｎまたはＮｉ）合金トロリ線（特許文献７参照）などがある。

上記のように、従来からトロリ線として種々の組成、構造のものが提案されている。しかし、エアセクション箇所に列車が停止すると、トロリ線が溶断するという問題を発生することがある。これは、エアセクション箇所に列車が停止し、車両動揺により、異なる電源に接続されたトロリ線からパンタグラフが離線すると、トロリ線間の電位差によってアークが発生して、その結果、トロリ線が溶断するものである。従って、列車がエアセクション箇所に停止してアークが発生しても溶断が生じにくい高耐熱性のトロリ線が求められている。

特許第１２６９６４４号公報 特許第２６７７８７４号公報 特許第２６７７８７５号公報 特許第２６３３５７０号公報 特許第２８８３４９５号公報 特開２０００−２３９７６６号公報 特開平１１−１８９８３４号公報 ＪＩＳ Ｅ ２１０２ COPPER DEVELOPMENT ASSOCIATION INC.社のホームページ（URL：http://www.copper.org/resources/properties/db/CDAPropertiesResultServlet.jsp?alloy2=None&alloy3=None&alloy4=None&alloy5=None&alloy6=None&alloy=C18000&property=All&unit_type=Both）

本発明は、上記の事情に鑑み、高温での機械的強度（特に引張強さ）が十分に高く、溶断しにくいトロリ線およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、Ｎｉ、Ｓｉ及びＣｒを添加元素とする特定組成の銅合金から、荒引線を形成し、荒引線を特定温度で熱処理した後、冷間加工してトロリ線とし、冷間加工途上の荒引線又は冷間加工後のトロリ線に特定温度での熱処理を施すことにより、トロリ線として必要な導電性を有しながら機械的強度が大幅に向上して、高温での引張強さが極めて高いトロリ線を得ることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
なお、Ｎｉ、Ｓｉ及びＣｒを添加元素とする銅合金（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｃｒ合金）についてはCOPPER DEVELOPMENT ASSOCIATION INC.社のホームページ（非特許文献２）等に記載されているように公知であるが、トロリ線への適用については今まで検討されていなかった。

すなわち、本発明は以下の通りである。
［１］銅合金よりなるトロリ線であって、該銅合金が、Ｎｉを１．８〜３．０重量％、Ｓｉを０．４〜０．８重量％、Ｃｒを０．１〜０．８重量％含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる、トロリ線。
［２］３００℃での引張強さが４００ＭＰａ以上である、［１］記載のトロリ線。
［３］Ｎｉを１．８〜３．０重量％、Ｓｉを０．４〜０．８重量％、Ｃｒを０．１〜０．８重量％含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる銅合金溶湯を溶製する工程（第１工程）、前記銅合金溶湯から荒引線を鋳造する工程（第２工程）、前記荒引線を７００〜１０００℃で熱処理する工程（第３工程）、該熱処理後の荒引線を冷間加工してトロリ線を得る工程（第４工程）及び前記冷間加工途上の線材又は冷間加工後のトロリ線を３００〜６００℃で熱処理する工程（第５工程）を含む、トロリ線の製造方法。
［４］荒引線の冷間加工における冷間加工度が４０〜９０％である、［３］記載のトロリ線の製造方法。

本発明によれば、トロリ線としての機能（強度、導電性、形状）を満たし、しかも、高温での機械的強度（特に引張強さ）が著しく向上したトロリ線を得ることができる。よって、本発明のトロリ線をエアセクション箇所に架線すると、当該箇所に列車が停止してアークが発生しても容断に至るのを軽減することができる。エアセクション箇所にてアーク発生によってトロリ線が断線すると、列車の運行が不能になり、トロリ線張替え工事が完了するまでは不通となり、鉄道の公共性を著しく阻害することになるが、本発明のトロリ線を使用することにより、アーク発生事故が生じても、安全にダイヤ通りの運行を続けることができる。

以下、本発明をより詳しく説明する。
本発明のトロリ線は銅合金からなり、該銅合金は、Ｎｉを１．８〜３．０重量％、Ｓｉを０．４〜０．８重量％、Ｃｒを０．１〜０．８重量％含有し、残部がＣｕと不可避不純物とからなる。

本発明のトロリ線に使用する銅合金は、トロリ線としての形状を付与できる組成を有し、かつ、優れた高温強度（すなわち、高温において十分に高い機械的強度）を発現し得る組成を有している。

本発明において、トロリ線（銅合金）の強化機構は、Ｎｉ、Ｓｉ及びＣｒの添加元素が銅素材中に析出することによる析出強化であり、析出物はＮｉ−Ｓｉ化合物、Ｃｒ化合物等である。添加元素の組成範囲はトロリ線を製造し得る組成（すなわち、トロリ線として必要な導電性、形状付与性が得られる組成）を前提として、トロリ線が優れた高温強度（すなわち、高温において十分に高い機械的強度）を発現する範囲としたものである。

本発明において、銅合金中のＮｉ含有量が１．８重量％未満の場合は、十分に高い高温強度を得ることが困難となり、３．０重量％を超える場合は、導電性が著しく低下するとともに、トロリ線に加工することが困難になってしまう。すなわち、Ｎｉを適量含有することでトロリ線の高温強度が向上するという効果が得られる。Ｎｉの含有量は好ましくは２．０〜３．０重量％であり、より好ましくは２．０〜２．８重量％である。

また、銅合金中のＳｉの含有量が０．４重量％未満の場合は十分に高い高温強度を得ることが困難になり、０．８重量％を超える場合は、導電性が著しく低下するとともに、トロリ線に加工することが困難になってしまう。すなわち、Ｓｉを適量含有することでトロリ線の高温強度が向上するという効果が得られる。Ｓｉの含有量は好ましくは０．５〜０．８重量％であり、より好ましくは０．５〜０．７重量％である。

また、銅合金中のＣｒの含有量が０．１重量％未満の場合は所定の高温強度を得ることが困難になり、０．８重量％を超える場合は、導電性が著しく低下するとともに、トロリ線に加工することが困難になってしまう。すなわち、Ｃｒを適量含有することでトロリ線の高温強度が向上するという効果が得られる。Ｃｒの含有量は好ましくは０．２〜０．６重量％であり、より好ましくは０．４〜０．５重量％である。

また、銅合金中の合金元素（Ｎｉ、Ｓｉ、Ｃｒ）以外の残部は全て銅であることが好ましいが、実際には不可避不純物が含まれる。不可避不純物としては、例えば、鉛、砒素、ビスマス、鉄、酸素等が挙げられるが、これらの合計含有量は、得られるトロリ線の導電性低下や表面傷発生の防止等の観点から、好ましくは０．３重量％以下、より好ましくは０．２重量％以下である。特に、鉄に関しては、その含有量を０．１５重量％以下にするのが望ましい。また、酸素が多く存在すると、溶解・圧延中に、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｃｒの合金元素に悪影響を及ぼす可能性があるため、酸素の含有量は０．００２重量％以下に抑えるのが望ましい。

本発明のトロリ線の製造方法は、上記組成の銅合金から、トロリ線の形状を確保でき、高温強度を十分に高めることができる加工方法であれば、如何なる方法でもよいが、経済性、表面品質の安定性等の点から、上記組成の銅合金溶湯を溶製する工程（第１工程）、銅合金溶湯から荒引線を作製する工程（第２工程）、荒引線を熱処理する工程（第３工程）、熱処理後の荒引線を冷間加工する工程（第４工程）及び冷間加工途上の線材又は冷間加工後のトロリ線を熱処理する工程（第５工程）を経る方法が好ましい。

すなわち、まず、シャフト炉などで電気銅を溶解し、この鋼溶湯を保持炉内に流し込み所定の添加元素（合金元素）を上記の規定値内で添加して銅合金溶湯を溶製する（第１工程）。

次に、第１工程で得られた銅合金溶湯を鋳造してビレットを作製し、該ビレットを熱間押出方式又は熱間圧延方式等で荒引線に加工する（第２工程）。
荒引線の外径は、後述するように、トロリ線の最終外径に応じて適宜決定されるが、一般的には１０〜３０ｍｍの範囲である。なお、当該荒引線の作製工程は、溶解鋳造と荒引線製造を連続して行うホイルベルト式やツインベルト式等の連続鋳造圧延方式で行っても良い。

次に、荒引線に熱処理を施す（第３工程）。該熱処理は、最終のトロリ線に優れた高温強度を付与する析出物を効果的に析出させるために、添加元素を固溶させる処理であり、「溶体化処理」と呼ばれる。該熱処理の温度は７００〜１０００℃とするのが好ましく、８５０〜９００℃とするのがより好ましい。７００℃より低い温度では添加元素の固溶が不十分となり、１０００℃より高い温度では結晶粒の粗大化が著しくなり、その後の加工が困難になる。該熱処理の時間は０．１〜４時間が好ましく、より好ましくは０．２〜２時間である。熱処理時間が０．１時間未満では、添加元素の固溶が不十分となり、４時間を超えると強度の低下と結晶粒の粗大化が生じる。また、かかる荒引線の熱処理においては、加熱温度に加えて、加熱後の冷却速度を制御することが所望の特性のトロリ線を得る上で重要であり、荒引線の加熱終了時から室温（すなわち、ＪＩＳ Ｚ ００５０に規定の５〜３５℃）までの冷却速度は５０℃／分以上が好ましく、より好ましくは１００℃／分以上である。該冷却速度が５０℃／分未満であると、添加元素の固溶が不十分となるため好ましくない。また、冷却速度が速すぎると、特性上の問題はないが、設備が高価となる。なお、当該荒引線の熱処理工程は、ビレットを荒引線に加工する熱間押出や熱間圧延時の加熱で代用することも可能である。

次に、上記のようにして得られた荒引線に対して冷間加工を施して加工効果による強度アップを図るとともに、所望のトロリ線形状を付与してトロリ線とする（第４工程）。ここで、冷間加工はダイスによる伸線加工が一般的であるが、圧延加工、スウェージング加工などを適応してもよい。なお、トロリ線の形状は、トロリ線の具体的な使用形態等に応じて適宜決定でき、特に限定はされないが、例えば、ＪＩＳ Ｅ ２１０１に示されるような溝付き硬鋼トロリ線の形状、ＪＩＳ Ｅ ２１０１に示されるような円形硬鋼トロリ線の形状などが代表例として挙げられる。なお、ここで、冷間加工とは室温（ＪＩＳ Ｚ ００５０によれば５〜３５℃）まで温度が低下した荒引線に上記のダイスによる伸線加工、圧延加工、スウェージング加工等を行うことである。

本発明において、荒引線の外径は最終のトロリ線の外径に基づいて決定される。すなわち、荒引線からトロリ線までの冷間加工度が好ましくは４０〜９０％、より好ましくは５０〜８５％となるように荒引線の外径を設定する。なお、最終のトロリ線の外径は一般的には１０〜２０ｍｍである。冷間加工度が４０％より小さいとトロリ線として必要な強度が得られにくくなり、また、冷間加工度が９０％より大きいとトロリ線として必要な導電性が得られにくくなる。ここでいう「冷間加工度」とは加工前後の断面積減少率で表し、次式で求められる。
冷間加工度（％）＝（荒引線断面積−トロリ線断面積）÷荒引線断面積×１００

本発明では、冷間加工して得られたトロリ線（冷間加工後のトロリ線）に対して熱処理を施すことが重要である（第５工程）。この熱処理は、既出物を析出させて、トロリ線に対して高い高温強度を付与する処理であり、時効処理と呼ばれる。該熱処理の温度は３００〜６００℃とするのが好ましく、３５０〜５００℃とするのがより好ましい。３００℃より低い温度では析出物の析出が不十分となって、十分に高い高温強度を得ることができなくなり、６００℃より高い温度では軟化が生じて強度が低下してしまう。該熱処理の時間は０．５〜４時間が好ましく、１〜３時間がより好ましい。熱処理時間が０．５時間未満では、十分に高い高温強度が得られにくく、４時間を超える場合は高い強度が得られなくなってしまう。なお、かかる熱処理は冷間加工途上の線材に施してもよい。

本発明のトロリ線は、優れた高温強度（高温において十分に高い機械的強度）を有することが特徴であり、具体的には、３００℃で測定される引張強さが４００ＭＰａ以上（望ましくは４５０ＭＰａ以上）を示す。３００℃で測定される引張強さが４００ＭＰａ以上を示すことで、エアセクション箇所に列車が停止し、トロリ線の離線によってアークが発生した場合も、溶断しにくい。また、引張強さ（２５℃）は６００ＭＰａ以上、導電率は４０％以上を示し、トロリ線として必要な機能（強度、導電性）を満たす。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明する。
下記の表１に示す組成を有する銅合金からなるトロリ線（断面積：１１０ｍｍ^２）を、次に示す工程に従って製造した。なお、それぞれの合金元素の組成は、ＪＩＳ Ｈ ３２５０（銅および銅合金棒）に規定された分析方法に従って決定した。

まず、シャフト炉にて電気銅を溶解し、所定の合金元素を添加して銅合金溶湯を溶製した。次にこの銅合金溶湯を鋳造してビレットを得、このビレットを用いて熱間押出方式にて、外径が２１ｍｍの銅合金荒引線を得た。次に、得られた荒引線に対して９００℃で１．５時間の加熱を行う熱処理を施した。なお、該熱処理における加熱後の冷却速度は５０℃／分になるようにした。続いて、引抜きダイスによる冷間加工を施して加工硬化による強度アップをさせると共に、ＪＩＳ Ｅ ２１０１に示されるような溝付きトロリ線形状を付与し、トロリ線を完成させた。なお、冷間加工の途上において４５０℃で２時間の熱処理を行った。また、冷間加工度は、（荒引線の断面積−トロリ線の断面積）÷荒引線の断面積×１００＝（３４６−１１０）÷３４６×１００＝６８（％）であった。

こうして製造された表１に示す合金組成からなる実施例１〜３及び比較例１〜７の銅合金トロリ線（断面積：１１０ｍｍ^２）の引張強さ、導電率及び高温引張強さを測定した。評価方法はそれぞれ以下の通りとした。
引張強さ：ＪＩＳ Ｚ ２２４１（金属材料引張試験方法）に従い２５℃での引張強さを測定した。
導電率：ＪＩＳ Ｈ ０５０５（非鉄金属材料の体積抵抗率及び導電率測定方法）による。
高温引張強さ：高温槽を備えた引張試験機を用いてＪＩＳ Ｚ ２２４１（金属材料引張試験方法）に従って２５℃、１００℃、２００℃、３００℃、４００℃での引張強さを測定した。

下記表２は実施例１〜３及び比較例１〜７の銅合金トロリ線の引張強さ、導電率及び３００℃での引張強さである。

表２から、本発明のトロリ線（実施例１〜３）の引張強さは従来使用されているＣｕ−Ｓｎ合金トロリ線（比較例７）に比して非常に高く、逆に、導電率は低くなっているが、エアセクションに用いるトロリ線としては十分な特性（導電率４０％以上）を維持していることが分かる。また、３００℃での引張強さは４００ＭＰａ以上を達成しており、高温でも高い強度を維持していることがわかる。これに対し、比較例１〜６のトロリ線は、銅合金中の添加元素であるＮｉ、Ｓｉ及びＣｒのうちの少なくとも一つの含有量が本発明の規定範囲を外れていることから、３００℃での引張強さが４００ＭＰａ以上を達成するものは（比較例２、４、６）、導電率が４０％よりも低くなって、トロリ線としての十分な導電性が得られず、導電率が４０％以上を達成するものは（比較例１、３、５）、３００℃での引張強さが４００ＭＰａよりも小さくなり、高温では十分な強度が得られないことが分かる。

図１は実施例１〜３及び比較例１〜７のトロリ線の温度と引張強さとの関係を示す特性線図であり、本発明のトロリ線（実施例１〜３）は従来トロリ線（比較例１）に比べて高温での引張強さが高く、３００℃での引張強さは４００ＭＰａよりも遥かに高く、アークが発生しても溶断しにくいトロリ線であることが分かる。

本発明のトロリ線は、主に在来線のトロリ線としてこれまで用いられてきたＣｕ−０．３％Ｓｎ合金に比べ、優れた高温強度を有することから、エアセクション箇所に列車が停止し、アークが発生しても、溶断しにくい。従って、万一のアーク発生事故の際に従来よりも安全でダイヤ通りの列車運行を確保することができる。

トロリ線の温度と引張強さとの関係を示す特性線図である。

Claims (4)

1. 銅合金よりなるトロリ線であって、該銅合金が、Ｎｉを１．８〜３．０重量％、Ｓｉを０．４〜０．８重量％、Ｃｒを０．１〜０．８重量％含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる、トロリ線。
2. ３００℃での引張強さが４００ＭＰａ以上である、請求項１記載のトロリ線。
3. Ｎｉを１．８〜３．０重量％、Ｓｉを０．４〜０．８重量％、Ｃｒを０．１〜０．８重量％含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる銅合金溶湯を溶製する工程（第１工程）、前記銅合金溶湯から荒引線を鋳造する工程（第２工程）、前記荒引線を７００〜１０００℃で熱処理する工程（第３工程）、該熱処理後の荒引線を冷間加工してトロリ線を得る工程（第４工程）及び前記冷間加工途上の線材又は冷間加工後のトロリ線を３００〜６００℃で熱処理する工程（第５工程）を含む、トロリ線の製造方法。
4. 荒引線の冷間加工における冷間加工度が４０〜９０％である、請求項３記載のトロリ線の製造方法。

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