JP3759463B2

JP3759463B2 - 析出強化型銅合金トロリ線およびその製造方法

Info

Publication number: JP3759463B2
Application number: JP2002044956A
Authority: JP
Inventors: 照一本田; 浩一細川; 清司鈴木
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2002-02-21
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2022-02-21
Also published as: JP2003237427A

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（添加元素）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、該トロリ線の製造における上記（Ｂ）工程には以下のような問題がある。
【０００５】
（Ｂ）冷間加工工程においては、ダイス伸線法、ロール圧延法やスウェージング加工等により、所望のトロリ線の形状とするための加工を施す。当該加工の際には、加工抵抗の低減、ダイスやロールの摩耗低減、材料の冷却等を目的に潤滑剤が用いられるのが一般的である。潤滑剤には、油性潤滑剤や水溶性潤滑剤といった室温で液体のものもあるが、当該加工においては、鉄鋼材料の伸線加工でよく用いられる、潤滑性能の高い、室温で固体（通常、粉末）の潤滑剤（以下、「固体潤滑剤」という）を用いることがある。その理由は、析出型銅合金は高強度であるがゆえに、特にダイス伸線法による加工の場合には、潤滑剤の潤滑性能が高くないと、引抜抵抗が過大となり、伸線加工が困難になったり、ダイス摩耗が激しくなる不具合が生じるからである。
【０００６】
固体潤滑剤を用いることにより、伸線加工は容易になり、ダイス摩耗も軽減されるが、伸線された荒引線上に当該固体潤滑剤が残留する。残留した固体潤滑剤は、（Ｃ）時効熱処理工程において、焼付けをおこし、外観不良の原因となり好ましくない。当該外観不良の軽減のために、（Ｃ）工程の前または後に回転するブラシ等を用いて機械的に当該固体潤滑剤を除去する方法や、酸洗いを行うといった化学的な除去方法が提案されたが、そういった方法の実施には新たな設備投資が必要であり、工程数も増加するので、コスト高の要因となり、好ましくない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記実情に鑑み、固体潤滑剤を用いた場合であっても、トロリ線に焼付けを生じ難く、従来の方法に比べコストが大幅に上昇しないような析出強化型銅合金トロリ線の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記固体潤滑剤の成分を検討することにより、以下の特徴を有する本発明を完成した。
（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する析出強化型銅合金トロリ線の製造方法において、
該冷間加工工程において最後に用いる潤滑剤が、金属元素を含有しない有機成分のみからなる固体潤滑剤であ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）上記固体潤滑剤が１４０〜７００℃で分解するものであることを特徴とする、（１）に記載の析出強化型銅合金トロリ線の製造方法。
（３）上記時効熱処理工程において３０〜１００℃／時間の昇温速度で加熱する、（１）または（２）記載の析出強化型銅合金トロリ線の製造方法。
（４）（１）〜（３）のいずれか一項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。
（５）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、（４）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。本発明は、（Ｂ）冷間加工工程において最後に用いる潤滑剤が、有機成分のみからなる固体潤滑剤である点に特徴付けられる。
【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を含む銅合金からなるトロリ線である。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、この荒引線を（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（ＪＩＳＫ００５０によれば５〜３５℃）まで急冷する。
【００１５】
その後、（Ｂ）工程として、ダイス伸線、ロール圧延、スウェージング加工等の様々な加工を施すことによって、所望のトロリ線の形状に加工し、ドラム等に巻き取る。（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。（Ｂ）工程後のトロリ線（時効熱処理前）の断面の直径は通常１２〜２５ｍｍ、好ましくは１５〜２０ｍｍである。ここで、断面の直径とは当該断面積と同面積の円の直径をさす。
【００１６】
本発明では、（Ｂ）工程において最後に用いる潤滑剤は、有機成分のみからなる固体潤滑剤である。
【００１７】
ここで、「（Ｂ）工程において最後に用いる」とは、（Ｂ）工程で施される潤滑剤を用いる加工のうちで、最後の加工の際に用いる、という意味である。したがって、当該潤滑剤を用いる加工の後、後述する（Ｃ）工程までに、潤滑剤を用いない加工（ロール加工、スウェージング加工等）が存在し得ることを否定するものではない。
【００１８】
また、「有機成分のみからなる」とは、通常当該潤滑剤が、炭素、水素を必須として含み、さらに酸素、窒素、硫黄原子を含んでいてもよい化合物および不可避不純物からなる組成物であることを意味し、特に、金属元素を含有しないことをいう。ここで、不可避不純物としては、灰分等が例示され、その含有量は潤滑剤全体に対し、１ｗｔ％以下、好ましくは０．５ｗｔ％以下である。金属元素を含有しないとは、少なくとも、潤滑剤に意図的に金属化合物（例えば金属石鹸）を配合せず、上記不可避不純物に金属化合物が含まれる場合であっても、上記潤滑剤における金属元素の割合（重量基準）が、３０００ｐｐｍ以下であることを意味する。当該金属元素の割合は少ない方がよく、好ましくは、１０００ｐｐｍ以下、より好ましくは２００ｐｐｍ以下である。
【００１９】
また、「固体潤滑剤」とは、室温にて固体である潤滑剤を意味する。ここで、室温とは、上述のとおり５〜３５℃である。
【００２０】
上記のような潤滑剤のうちでも、１４０〜７００℃、好ましくは、１４０〜６００℃、より好ましくは、１４０〜５００℃で分解するものを用いるのがよい。そのような潤滑剤は、下記（Ｃ）工程（後述）において容易に分解するので、上述の焼付けが、より生じ難くなる。ここで、潤滑剤が分解する温度とは、１０ｍｇの粉末の試料を重量をモニターしながら（熱重量分析装置を使用）、大気中、昇温速度１０℃／ｍｉｎにて加熱して、当該試料の分解の結果、当該試料の重量が加熱開始時の重量の９９％以下になる温度をいう。
【００２１】
上記のような潤滑剤の例として、コーシンＵ−１００（共栄社化学社製、分解温度；５００℃）等が挙げられる。
【００２２】
（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。（Ｃ）工程においては、３５０〜５５０℃、好ましくは４００〜５００℃、より好ましくは４５０〜５００℃に加熱する。加熱温度が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。加熱の際の昇温速度は、加熱を均一に行い、かつ、作業時間を短縮する点から、３０〜１００℃／時間が好ましく、３０〜８０℃／時間がより好ましい。
【００２３】
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。
【００２４】
本発明においては、当該熱処理によって、上述の固体潤滑剤は分解されるため、トロリ線上に潤滑剤が残留せず、焼付けが抑制された金属光沢のあるトロリ線を得ることができる。
【００２５】
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、の冷却速度で冷却することで、本発明に係るトロリ線を得ることができる。このような速度で冷却することにより、冷却条件がトロリ線全体にわたり均一になり、かつ、作業時間の短縮が図られる。
【００２６】
【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。
【００２７】
（実施例１）
最終的な組成として、Ｃｒが０．３ｗｔ％、Ｚｒが０．１ｗｔ％、Ｓｉが０．０４ｗｔ％、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。
【００２８】
まず、電気銅を還元性雰囲気下（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（断面の直径３０ｍｍ）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た。
【００２９】
（Ｂ）工程として、（金属成分を含まない）有機成分のみからなる固体潤滑剤（分解温度５００℃）としてコーシンＵ−１００（共栄社化学社製）を用い、伸線ダイスにより断面の直径が１３ｍｍであるトロリ線（時効熱処理前）を得た。
【００３０】
次に、（Ｃ）工程として、時効熱処理前のトロリ線を５００℃にて２時間加熱して（時効熱処理）トロリ線を得た。加熱および、冷却の速度は５０℃／時間であった。
【００３１】
（比較例１）
上記（Ｂ）工程における潤滑剤を金属石鹸（カルシウム石鹸）を潤滑剤全量に対し４５ｗｔ％含む固体潤滑剤、コーシンＳＦ−４５（共栄社化学社製）を用いたこと以外は、実施例１と同様の方法によってトロリ線を得た。
【００３２】
（比較例２）
上記（Ｂ）工程における潤滑剤を油性潤滑剤（鉱物油を主成分とする液体の潤滑剤）、コーレックス（コーキ油業社製、分解温度：６００℃）を用いたこと以外は、実施例１と同様の方法によってトロリ線を得た。
【００３３】
（比較例３）
上記（Ｂ）工程における潤滑剤を水性潤滑剤（鉱物油エマルジョンを主成分とする液体の潤滑剤）、メタライト（日東化工社製、分解温度：６００℃）を用いたこと以外は、実施例１と同様の方法によってトロリ線を得た。
【００３４】
（評価）
各例における（Ｂ）工程での状況および得られたトロリ線の外観を表２にまとめる。表２における、引抜抵抗、ダイス摩耗、外観の記号の意味は以下の通りである。
引抜抵抗：
×、加工時の引抜抵抗が、使用した荒引き線の破断荷重の５０％以上である、
△、加工時の引抜抵抗が、上記荷重の２０〜５０％である、
○、加工時の引抜抵抗が、上記荷重の２０％以下である。
ダイス摩耗：
×、ダイスの交換までに処理できる荒引線量が１０トン以下である、
○、上記荒引線量が１００トン以上である。
外観：
×、目視により、長さ１ｍのトロリ線上に１ｃｍ²以上の焼付けが認められる、
○、上記焼付けが認められない
【００３５】
【表１】

【００３６】
比較例３において、「ダイス摩耗」と「外観」の評価が「−」というのは、比較例３では正常な伸線ができなかったということである。
【００３７】
【発明の効果】
本発明に係る製造方法においては、（Ｂ）冷間加工工程おいて最後に用いる潤滑剤は、有機成分のみからなる固体潤滑剤である。したがって、当該加工の際に高い潤滑性能が得られ、かつ、その後の（Ｃ）時効熱処理工程において当該固体潤滑剤は分解し易いので、トロリ線の焼付けなどといった外観不良を抑制することができる。
【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。

Claims

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する析出強化型銅合金トロリ線の製造方法において、
該冷間加工工程において最後に用いる潤滑剤が、金属元素を含有しない有機成分のみからなる固体潤滑剤であ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。
上記固体潤滑剤が１４０〜７００℃で分解するものであることを特徴とする、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。
上記時効熱処理工程において３０〜１００℃／時間の昇温速度で加熱する、請求項１または２記載の析出強化型銅合金トロリ線の製造方法。
請求項１〜３のいずれか一項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。
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４に記載の析出強化型銅合金トロリ線。