JP3759053B2 - 析出強化型銅合金トロリ線およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は析出強化型銅合金トロリ線およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トロリ線は、電車の架線の最下部に設置され、パンタグラフと接触して電車に電力を送る電線である。近年の新幹線の高速化や、トロリ線の耐摩耗性向上による長寿命化の要求に対応するために、トロリ線はさらに高強度で導電率が高いことが要求されている。そのような要求を満たすトロリ線として、時効性銅合金（析出強化型の銅合金）からなるトロリ線（以下、「析出強化型銅合金トロリ線」または単に「トロリ線」という）が提案されている（特開平７−２６６９３９号公報参照）。
【０００３】
析出強化型銅合金トロリ線は、原料（銅母材と添加元素等）から溶融、鍛造、圧延、押出し等によって得た荒引線を、少なくとも（Ａ）溶体化処理工程、（Ｂ）冷間加工工程、（Ｃ）時効熱処理工程の３工程を経て得られるトロリ線である（図１参照）。（Ａ）工程は、銅母材中に添加した元素（Ｚｒ、Ｃｒ、Ｓｉ等）を均一に固溶させるために、高温（８００〜１０５０℃程度）で熱処理した後、水などへ投入して急冷する工程である。（Ｂ）工程は、室温程度にまで冷却した荒引線にダイス伸線やロール圧延等の加工を施す工程である。（Ｃ）工程は、（Ｂ）工程の後、再び熱処理により（Ａ）工程で銅母材中に固溶させた添加元素を析出させて、引張り強さや導電率を向上させる工程である。
【０００４】
析出強化型銅合金トロリ線は、上記（Ｃ）工程において（Ａ）工程で固溶させた合金元素を析出させることによって、強度と導電性とを向上させることを意図したトロリ線である。しかし、該トロリ線には、以下のような未解決の課題を有するのが現状である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
当該課題とは、上記の方法によって例えば１５００ｍ以上の長尺のトロリ線を製造した場合に、導電率が長手方向に均一にならないことである。このように、導電率が長手方向にわたり不均一であると、電車への送電が不安定になるという点で好ましくない。
【０００６】
本発明は、長手方向に均一な導電率を有する長尺の析出強化型銅合金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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、導電率の不均一の原因を詳細に検討した。その結果、長尺のトロリ線を製造する場合には、上記（Ｃ）工程での、加熱、冷却条件が長手方向にわたり不均一になり易い、つまり、長尺である場合にはドラムに巻きつけられた位置（ドラムの上下・内外）によって温度が不均一になり易いことを見出し、さらに、当該温度が不均一であることとトロリ線の導電率が不均一になることとの相関を見出して、本発明を完成した。
【０００８】
すなわち、本発明は以下の特徴を有するものである。
（１）少なくとも、溶体化処理工程、冷間加工工程、時効熱処理工程を有しており、該時効熱処理工程が３０〜１００℃／時間の昇温速度の昇温過程および３０〜１００℃／時間の冷却速度の冷却過程を有することを特徴とする、析出強化型銅合金トロリ線の製造方法。
（２）ドラムにトロリ線を巻き取った状態で上記時効熱処理工程を行う、（１）に記載の析出強化型銅合金トロリ線の製造方法。
（３）（１）または（２）のいずれかに記載の方法により製造される析出強化型銅合金トロリ線。
（４）Ｃｒを０．１〜０．５ｗｔ％、Ｚｒを０．０１〜０．２ｗｔ％、Ｓｉを０．０１〜０．０５ｗｔ％含有し、残部が銅および不可避不純物からなる、（３）に記載の析出強化型銅合金トロリ線。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のトロリ線の製造方法を説明する。トロリ線の製造における加工熱処理工程の推移の一例を図２に示す。
【００１０】
本発明において、析出強化型銅合金トロリ線（または、単に「トロリ線」）とは、銅母材にＣｒやＺｒやＳｉなどの析出型添加元素を加え、少なくとも上述の（Ａ）〜（Ｃ）の工程を経たトロリ線を意味する。当該トロリ線の製造方法は、上記（Ｂ）工程のみを経る、従来の純銅や固溶強化型銅合金（Ｓｎ入り銅合金等）に対し、（Ａ）、（Ｃ）工程をさらに加えるといった工程の複雑さがあるが、より高強度で高い導電率を保持したトロリ線を得ることができる方法である。
【００１１】
本発明に係るトロリ線は、少なくともＣｕに、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｓｉを含む銅である。強度と導電性のバランスの観点から、Ｃｒの含有量は好ましくは０．１〜０．５ｗｔ％、より好ましくは０．２５〜０．４５ｗｔ％であり、Ｚｒの含有量は好ましくは０．０１〜０．２ｗｔ％、より好ましくは０．０５〜０．１５ｗｔ％であり、Ｓｉの含有量は好ましくは０．０１〜０．０５ｗｔ％である。これら添加物以外の残部は全て銅であることが好ましいが、酸素、Ａｓ、Ｐｂ、Ｓｂ等の不可避不純物を含有していてもよい。当該不可避不純物の合計の含有量は、導電率の低下を防ぐ観点から、好ましくは０．０１ｗｔ％以下、より好ましくは０．００５ｗｔ％以下である。但し、酸素原子の存在は引張り強さを著しく低下させるので、酸素原子は０．００１ｗｔ％以下であることが好ましい。
【００１２】
本発明の製造方法に用いる原料としては、従来公知の銅合金の原料を任意に用いることができ、例えば、電気銅を原料として、上述の添加元素を加えることができる。
【００１３】
これらの原料を好ましくは非酸化性雰囲気で加熱して溶解・攪拌し、次いで、得られた銅合金溶湯を金型に鋳込んでビレットやケークを得る。次いで、公知の熱間圧延、例えば、３００〜７００℃で圧延ロール等を用いた圧延で荒引線を得る方法が挙げられる。熱間圧延の代わりに押出し機を用いた熱間押出しによって荒引線を得る方法もある。また、溶融・鋳造・熱間圧延を連続して行う連続鋳造圧延方式によって荒引線を製造してもよい。
【００１４】
その後、（Ａ）工程、すなわち溶体化処理工程に供するが、当該工程においても従来公知の方法によればよい。例えば、得られた荒引線を８００〜１０５０℃、好ましくは９００〜１０００℃に加熱することにより上記添加元素を固溶させた後、水槽などに投入するなどの方法で室温（ＪＩＳ Ｋ ００５０によれば５〜３５℃）まで急冷する。
【００１５】
室温にまで温度が下がった荒引線を、（Ｂ）冷間加工工程に供する。当該工程も任意の公知の方法によることができ、例えば、ダイス伸線法、ロール圧延法、スウェージング加工法などがあるが、これらに限定されない。通常、この（Ｂ）工程中に、少なくとも円形での冷間加工とトロリ線特有の異形加工とを行う。また、（Ｂ）工程中、ダイス等を用いて、表面から０．１〜０．５ｍｍ、好ましくは０．１〜０．２ｍｍの表面層を切除する、所謂「皮剥ぎ」の処理をすることが、表面平滑性の向上の点から好ましい。
【００１６】
（Ｂ）工程に次いで、（Ｃ）時効熱処理工程が行われる。時効熱処理工程とは、後述するような熱処理により、合金成分を析出させ、強度および導電性の向上を図る処理である。本発明の特徴は、当該処理の加熱、冷却を以下に述べるような条件にすることである。
【００１７】
すなわち、本発明においては、（Ｃ）工程の昇温過程（図２の符号１）において、３０〜１００℃／時間の昇温速度、好ましくは３０〜８０℃／時間、さらに好ましくは４０〜６０℃／時間の昇温速度で加熱する。１００℃／時間以下の昇温速度とすることで、ドラム等に巻き取られたトロリ線の全体がほぼ同じ条件で加熱されることになって、最終的な特性（導電率）がトロリ線全体にわたり均一になることが期待される。一方、昇温速度を３０℃／時間以上とするのは、作業時間の短縮のためである。加熱中の昇温速度は本発明の範囲内であれば変動してもよいが、昇温速度の変動は少ない方が好ましい。
【００１８】
昇温は、３５０〜５５０℃、好ましくは４００〜５５０℃、より好ましくは４５０〜５００℃に達するまで行われる。到達温度が３５０℃より低い温度では合金成分が十分に析出せず、強度、導電率の向上が期待できず、逆に、５５０℃より高い温度では、強度の向上が期待できないという懸念がある。次いで、当該温度において、０．５〜５時間、好ましくは１〜３時間保持する。保持時間が０．５時間より短いと合金成分が十分に析出せず、強度、導電率の向上が期待できず、逆に、５時間より長いと製造時のエネルギー消費量が大であり製造コストが増加するという懸念がある。
【００１９】
上記保持時間経過後は、好ましくは３０〜１００℃／時間の冷却速度、より好ましくは３０〜８０℃／時間、さらに好ましくは４０〜６０℃／時間の冷却速度で冷却する（図２の冷却過程２参照）。このような冷却速度は、室温下にて放置するよりも小さな速度であるので、温度をフィードバックする手段を設けて熱処理炉の熱源（電気ヒーター、ガス）等を適宜調製すること等の手段により容易に実現できる。温度１００℃／時間以下の冷却速度とすることで、ドラム等に巻き取られたトロリ線の全体がほぼ同じ条件で冷却されることになり、最終的な特性（導電率）がトロリ線全体にわたり均一になることが期待される。一方、冷却速度を３０℃／時以上とするのは、作業時間の短縮のためである。冷却中の冷却速度は本発明の範囲内であれば変動してもよいが、冷却速度の変動は少ない方が好ましい。
【００２０】
このように、時効熱処理工程において温度を制御することで、ドラム等に巻きつけられた長尺のトロリ線に、比較的均一な時効処理を行うことが可能になる。そのことにより、添加元素が従来よりも均一に析出することになり、結果として、長尺であっても、長手方向に導電率が均一なトロリ線を得ることができる。
【００２１】
【実施例】
以下、各実施例に基づいて、本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は実施例のみに限定されるものではない。
【００２２】
（トロリ線の製造）
最終的な組成として、Ｃｒが０．３ｗｔ％、Ｚｒが０．１ｗｔ％、Ｓｉが０．０１５ｗｔ％、残りがＣｕおよび不可避不純物（５０ｐｐｍ以下）からなるトロリ線を製造するために、以下の加工を施した。
【００２３】
まず、電気銅を非酸化性雰囲気下（Ａｒガス）で１５００℃に加熱して溶融させ、金属Ｃｒ、金属Ｚｒ、金属Ｓｉを加えた後に、ビレットの形に鋳造した。次いで、３５０℃で圧延ロールを用いて荒引線を得た。（Ａ）工程として、該荒引線を９５０℃にまで加熱して１．５時間保持した後、水冷によって急冷し、（Ｂ）工程として、ダイス伸線により、断面積が１１０ｍｍ²の長尺のトロリ線（時効熱処理前）を得た。このとき、皮剥ぎ工程として、皮剥ぎダイスを用いて、表面から０．１ｍｍ程度の表面層を切除した。以上の処理を施した後、長さ１５００ｍをドラム（直径０．６ｍ）に巻き取った。
【００２４】
巻き取った時効熱処理前のトロリ線に対し、下記表１に記載の昇温速度で、４８０℃まで加熱し、当該温度で１時間保持した後、表１に記載の冷却速度で室温にまで冷却したサンプル（実施例１〜６、比較例１〜４）を以下の評価に用いた。
【００２５】
（評価）
各サンプルに対し、図３に示すように、整列巻されたトロリ線３１の一端から順に５０ｍずつトロリ線をサンプリングし、当該５０ｍの中から任意の約１．５ｍを切出し、その導電率をＪＩＳ Ｈ０５０５に基いて測定した。ドラム（図示せず）に巻き取られたトロリ線全部につきサンプリング・測定を行い、その平均を平均導電率とした（ｎ＝３０）。次に、上記サンプリングしたトロリ線につき、図３にて示す箇所（前端部サンプリング箇所３２、中間部サンプリング箇所３３、後端部サンプリング箇所３４、）、詳しくは、一端から、０〜１０ｍの箇所（前端部）、７４５〜７５５ｍの箇所（中間部）、１４９０〜１５００ｍの箇所（後端部）に相当する、約１．５ｍのトロリ線を３本サンプリングした。そのトロリ線の導電率もＪＩＳ Ｈ０５０５に基いて測定した。当該３本の測定値の平均を当該箇所の導電率とした。
【００２６】
上記導電率を算出した後、前端、後端、中間の各部の導電率と、平均導電率との差異を算出した。当該差異が１％以内であれば長手方向にバラツキなしと評価し、１％を超えればバラツキありと評価した。結果を表１にまとめる。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【発明の効果】
本発明に係る製造方法においては、ドラムに巻き取られた位置による時効熱処理時の加熱、冷却条件のバラツキを低減することになる。したがって、当該方法によって、長手方向にわたって、均一な時効熱処理が施されるので、長尺であっても、従来のトロリ線よりも長手方向に均一な導電率を示すトロリ線を製造し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】析出強化型銅合金トロリ線の製造フローを示す図である。
【図２】本発明の製造方法における各製造工程の温度の推移を例示する図である。
【図３】本発明の実施例における導電率の測定箇所を説明する図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＩ−Ｉ切断面を示す図である。
【符号の説明】
Ａ 溶体化処理工程
Ｂ 冷間加工工程
Ｃ 時効熱処理工程
１ 昇温過程
２ 冷却過程
３１ 整列巻されたトロリ線
３２ 前端部サンプリング箇所
３３ 中間部サンプリング箇所
３４ 後端部サンプリング箇所

Claims (4)

1. 少なくとも、溶体化処理工程、冷間加工工程、時効熱処理工程を有しており、該時効熱処理工程が３０〜１００℃／時間の昇温速度の昇温過程および３０〜１００℃／時間の冷却速度の冷却過程を有することを特徴とする、析出強化型銅合金トロリ線の製造方法。
2. ドラムにトロリ線を巻き取った状態で上記時効熱処理工程を行う、請求項１に記載の析出強化型銅合金トロリ線の製造方法。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の方法により製造される析出強化型銅合金トロリ線。
4. Ｃｒを０．１〜０．５ｗｔ％、Ｚｒを０．０１〜０．２ｗｔ％、Ｓｉを０．０１〜０．０５ｗｔ％含有し、残部が銅および不可避不純物からなる、請求項３に記載の析出強化型銅合金トロリ線。

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