JP2014025138A - 銅合金トロリ線及び銅合金トロリ線の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Co;0.12質量%以上0.40質量%以下、P;0.040質量%以上0.16質量%以下、Sn;0.005質量%以上0.70質量%以下を含み、残部がCu及び不可避不純物からなり、平均粒径を10nm以上とし、かつ、粒径5nm以上の析出物の個数を、観察される析出物全体の90%以上とされており、初期の引張強さをTS0、400℃×2時間保持後の引張強さをTS1として、HR=TS1/TS0×100で定義される耐熱性HRが90%以上である。
【選択図】なし
Description
従来、トロリ線として、例えば特許文献1に開示されているように、Snを0.25〜0.35重量%含有したSn入り銅で構成されたものが提供されている。このSn入り銅は、銅の母相中にSnが固溶することによって強化された固溶強化型の銅合金であり、耐摩耗性等に優れている。
ここで、トロリ線の架線張力を高くすることによって、トロリ線における波の伝播速度を高速化することが可能となるため、従来よりもさらに高強度のトロリ線が求められている。
しかしながら、Cr、Zr等を含有する銅合金においては、時効熱処理後に冷間加工を実施すると、導電率等の性能が大きく変化してしまうため、時効熱処理工程を最終製品に近似した形状で実施しなければならず、時効熱処理後に形状の修正を十分に行うことができないといった問題があった。例えば、図1に示す溝付トロリ線の場合、溝加工を実施した後で、時効熱処理を実施する必要があった。
また、Snは、銅の母相中に固溶することによって強度を向上させる作用を有する元素である。また、CoとPとを主成分とする析出物の析出を促進させる効果や、耐熱性、耐食性の向上を図ることもできる。このような作用効果を確実に奏功せしめるためには、Snの含有量を0.005質量%以上とする必要がある。また、Snが過剰に添加された場合には導電率の低下を招くため、Snの含有量は0.70質量%以下とする必要がある。
また、前記析出強化型銅合金は、さらにNi;0.01質量%以上0.15質量%以下を含むことが好ましい。
この構成の銅合金線においては、Niを上述の範囲内で含有しているので、結晶粒の粗大化を抑制でき、強度をさらに向上させることができる。
上述のように、本発明の銅合金トロリ線においては、時効熱処理後に冷間加工することによってさらに強度が向上することから、時効熱処理後に冷間加工を実施して形状の修正を十分に行うことができ、形状精度に優れた銅合金トロリ線を提供することが可能となる。
ここで、冷間加工工程における加工率が20%未満の場合には、強度の向上が不十分となるおそれがある。また、冷間加工工程における加工率が65%を超える場合には、転位の集積と析出物の再固溶によって、導電率が低下してしまうおそれがある。よって、強度、及び、導電率を確保する観点から、冷間加工工程における加工率を20%以上65%以下の範囲内に設定しているのである。
図1に、本発明の実施形態である銅合金トロリ線1の一例を示す。
本実施形態である銅合金トロリ線1は、図1に示すように、金具を装着するための溝2が形成された溝付トロリ線とされている。この銅合金トロリ線1は、溝2の一方側(図1において下側)に設けられた第一円弧部3と、溝2の他方側(図1において上側)に設けられた第二円弧部4と、を備えており、第一円弧部3がパンタグラフに摺接する構成とされている。
ここで、鉄道用のトロリ線は、断面積によって規格化されており、本実施形態である銅合金トロリ線1においては、断面積が110mm2とされている。
また、前記析出強化型銅合金は、さらにNi;0.01質量%以上0.15質量%以下を含むことが好ましい。
なお、この銅合金においては、さらに、0.002質量%以上0.5質量%以下のZn、0.002質量%以上0.25質量%以下のMg、0.002質量%以上0.25質量%以下のAg、0.001質量%以上0.1質量%以下のZrのうち、いずれか1種以上を含有してもよい。
この構成の銅合金線においては、Zn,Mg,Ag,Zrのいずれか1種または2種以上を上述の範囲で含有しているので、これらの元素が硫黄(S)と化合物を形成することにより、銅の母相中に硫黄(S)が固溶することを抑制でき、強度等の機械的特性の劣化を抑制することができる。
以下に、各元素の含有量を上述の範囲内に設定した理由について説明する。
CoとPは、銅の母相中に分散する析出物を形成する元素である。
ここで、Coの含有量が0.12質量%未満およびPの含有量が0.040質量%未満の場合には、析出物の個数が不足し、強度を充分に向上させることができないおそれがある。一方、Coの含有量が0.40質量%超えおよびPの含有量が0.16質量%超えの場合には、強度の向上に寄与しない元素が多く存在してしまい、導電率の低下等を招くおそれがある。
このため、Coの含有量を0.12質量%以上0.40質量%以下、Pの含有量を0.040質量%以上0.16質量%以下の範囲内に設定している。
Snは、銅の母相中に固溶することによって強度を向上させる作用を有する元素である。また、CoとPとを主成分とする析出物の析出を促進させる効果や、耐熱性、耐食性を向上させる作用も有する。
ここで、Snの含有量が0.005質量%未満の場合には、上述した作用効果を確実に奏功せしめることができないおそれがある。一方、Snの含有量が0.70質量%を超える場合には、導電率を確保できなくなるおそれがある。
このため、Snの含有量を0.005質量%以上0.07質量%以下の範囲内に設定している。
Niは、Coの一部を代替することができ、結晶粒の粗大化を抑制する作用効果を有する元素である。
ここで、Niの含有量が0.01質量%未満の場合には、上述した作用効果を確実に奏功せしめることができないおそれがある。一方、Niの含有量が0.15質量%を超える場合には、導電率を確保できなくなるおそれがある。
このため、Niを含有する場合には、Niの含有量を0.01質量%以上0.15質量%以下の範囲内とすることが好ましい。
Zn,Mg,Ag,Zrといった元素は、硫黄(S)と化合物を生成し、銅の母相中への硫黄(S)の固溶を抑制する作用効果を有する元素である。
ここで、Zn,Mg,Ag,Zrといった元素の含有量がそれぞれ上述の下限値より少ない場合には、銅の母相中への硫黄(S)の固溶を抑制する作用効果を十分に奏功せしめることができない。一方、Zn,Mg,Ag,Zrといった元素の含有量がそれぞれ上述の上限値より多い場合には、導電率を確保できなくなるおそれがある。
このため、Zn,Mg,Ag,Zrといった元素を含有する場合には、それぞれ上述の範囲内とすることが好ましい。
ここで、析出物の観察は、次のようにして実施した。透過型電子顕微鏡によって倍率15万倍および75万倍で観察し、当該析出物の面積を算出してその円相当径を粒径として算出した。なお、倍率15万倍で11〜100nmの粒径の析出物を、倍率75万倍で1〜10nmの粒径の析出物を測定した。倍率75万倍での観察では1nm未満の析出物は明確に判別できないことから、観察される析出物全体の個数は粒径1nm以上の析出物の個数となる。また、透過型電子顕微鏡による観察は、倍率15万倍の場合は視野面積約4×105nm2 、倍率75万倍の場合は視野面積約2×104nm2 で実施した。
なお、本実施形態では、銅合金トロリ線1の引張強さの測定は、JIS Z 2241に準拠して実施した。また、熱処理後の引張強さTS1は、400℃×2時間保持後に常温で測定した。
まず、上記銅合金からなる銅荒引線50を連続鋳造圧延法によって連続的に製出する(連続鋳造圧延工程S01)。この連続鋳造圧延工程S01においては、例えば図3に示す連続鋳造圧延設備が用いられる。
この連続圧延装置Eから製出された銅荒引線50は、洗浄冷却装置15及び探傷器16を介してコイラーFに巻き取られる。
ここで、上述の連続鋳造圧延設備によって製出される銅荒引線50の外径は、例えば8mm以上30mm以下とされており、本実施形態では27mmとされている。
そして、この連続鋳造圧延工程S01では、鋳造銅材21が、例えば800℃から1000℃の比較的高温で保持されることから、Co、Pといった元素が銅の母相中に多く固溶することになる。
ここで、時効熱処理工程S04では、昇温速度が50℃/時間以上300℃/時間以下、熱処理温度が300℃以上600℃以下、保持時間が0.5時間以上6時間以下の条件で実施される。
ここで、この2次冷間加工工程S05における加工率は、20%以上65%以下の範囲内となるように設定されている。
この2次冷間加工工程S05においては、断面円形の銅線材に対して溝加工を実施し、図1に示す断面形状の銅合金トロリ線1とする。
また、本実施形態である銅合金トロリ線1においては、時効熱処理後に冷間加工することによってさらに強度が向上することから、時効熱処理後に冷間加工を実施して形状の修正を十分に行うことができ、形状精度に優れた銅合金トロリ線1を提供することが可能となる。
例えば、本実施形態では、図1に示す断面形状の銅合金トロリ線として説明したが、これに限定されることはなく、他の断面形状の銅合金トロリ線であってもよい。また、鉄道用トロリ線として説明したが、これに限定されることはなく、クレーン等の搬送機械に用いられるものであってもよい。
また、本実施形態では、連続鋳造圧延工程を図3に示すベルトホイール式鋳造機を用いて実施するものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の連続鋳造法を採用してもよい。
ベルトホイール式連続鋳造機を備えた連続鋳造圧延設備を用いて、表1に示す組成の銅合金からなる銅荒引線(直径27mm)を製出した。この銅荒引線に対して、1次冷間加工を実施して直径20mmとし、皮剥ぎを実施した後に、表1に示す条件で時効熱処理を施した。その後、表1に示す条件で2次冷間加工を実施し、断面積110mm2の溝付トロリ線を製造した。
耐熱性HRは、初期の引張強さをTS0、400℃×2時間保持後の引張強さをTS1として、HR=TS1/TS0×100で定義されるものであり、JIS Z 2241に準拠し、島津製作所製AG−100kNXを用いて、初期の引張強さTS0、400℃×2時間保持後の引張強さTS1として測定して算出した。
引張強さ、伸びについても、上述のように、JIS Z 2241に準拠し、島津製作所製AG−100kNXを用いて測定した。
導電率は、JIS h 0505に準拠して、ダブルブリッジ法によって測定した。
なお、従来例1としてタフピッチ銅、従来例2としてCu−0.3wt%Snについて、耐熱性、引張強さ、伸び、導電率を測定した。
評価結果を表2に示す。
CoおよびPの含有量が本発明の下限値未満とされた比較例2においては、引張強さが不十分であった。
Snの含有量が本発明の上限値を超えた比較例3においては、導電率が低くなっていることが確認される。
Snの含有量が本発明の下限値未満とされた比較例4においては、引張強さが不十分であった。
析出物の平均粒径及び粒径5nm以上の析出物の個数が観察される析出物全体割合が本発明の範囲から外れた比較例5においては、導電率が低くなっていた。
また、従来例1,2においては、引張強度が不足しており、耐熱性も不十分であった。
以上の確認実験の結果から、本発明によれば、強度、導電率、耐熱性に優れた銅合金トロリ線を安定して提供することが可能であることが確認された。
2 溝
3 第一円弧部
4 第二円弧部
Claims (2)
- Co;0.12質量%以上0.40質量%以下、P;0.040質量%以上0.16質量%以下、Sn;0.005質量%以上0.70質量%以下を含み、残部がCu及び不可避不純物からなり、
平均粒径を10nm以上とし、かつ、粒径5nm以上の析出物の個数が観察される析出物全体の90%以上とされており、
初期の引張強さをTS0、400℃×2時間保持後の引張強さをTS1として、
HR=TS1/TS0×100
で定義される耐熱性HRが90%以上であることを特徴とする銅合金トロリ線。 - 請求項1に記載の銅合金トロリ線の製造方法であって、
時効熱処理工程と、この時効熱処理工程の後に実施される冷間加工工程と、を有し、
前記冷間加工工程における加工率が20%以上65%以下の範囲内とされていることを特徴とする銅合金トロリ線の製造方法。
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