JP3839957B2 - 高強度低熱膨張合金線 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低弛度耐熱送電線用芯線等に使用される高強度低熱膨張合金線に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、架空送電線には鋼芯アルミニウム撚線（ＡＣＳＲ線）が使用されているが、近年の電力需要の増大のために、同一サイズのＡＣＳＲ線と比較して電線の送電容量を２倍以上とすることが可能な低弛度耐熱送電線が、一部実用化されている。この低弛度耐熱送電線は、線膨張係数が鋼線の１／３以下である高強度低熱膨張合金線を芯線に用い、架線後の通電時の熱膨張による電線の垂れ下がり、つまり弛度を抑え、外層線には、高温での使用に耐え得る耐熱アルミニウムを用いることで増容量化を可能としたものである。高強度低熱膨張合金線としては、特公昭５６−４５９９０号公報や特公昭５７−１７９４２号公報等に種々のＦｅ−Ｎｉ系合金が提案されている。これらの高強度低熱膨張合金線は、合金にＣ、Ｃｒ、Ｍｏ等を強化用元素として添加したものであり、引張強さは１００〜１３０ｋｇｆ／ｍｍ2 程度であった。
【０００３】
一方、ＡＣＳＲ線の芯線として用いられる鋼線の引張強さは１５０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上である。したがって、同一サイズの電線を製作した場合、高強度低熱膨張合金線を芯線に用いた低弛度耐熱送電線は、通常のＡＣＳＲ線を用いた電線よりも引張荷重が小さくなる。よって、高強度低熱膨張合金線を芯線に用いた低弛度耐熱送電線を使用する場合、電線の最大使用張力を既設線の最大使用張力よりも小さくする必要がある。ところが、最大使用張力を小さくすると弛度特性が悪化する。そのため、低弛度耐熱送電線は、その使用時に、本来の特徴である低弛度特性を発揮することができなくなる。
【０００４】
したがって、近年、熱膨張係数（線膨張係数）が低く、かつ、鋼線なみの強度を有する高強度低熱膨張合金が要求されており、そのための種々の試みがなされてきている。たとえば、特開平３−１１５５４３号公報では、合金の強化元素として、ＣおよびＭｏに着目し、これらの含有率を上げ、また合金中のＮｉ含有率を調節することにより、高強度低熱膨張合金において、熱膨張係数を増大させず、強度を上げる旨が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この合金においては、３０〜２３０℃の平均熱膨張係数は３．２×１０-6／℃以下を確保できるが、強度は１２５ｋｇｆ／ｍｍ2 程度である上に、靱性が低下し、所望の捻回特性が得られないことが予想された。
【０００６】
ここで、捻回特性について説明する。低弛度耐熱送電線の芯線は、通常、複数本を撚合せた撚線から構成される。捻回特性とは、このような撚線を製造する時の性能を示す指標であり、素線の一端を固定し、他端を捩じる捻回試験で破断に到るまでの回数（捻回値）によって評価される。通常、線径の１００倍の長さの試験片（掴み間隔）で１６回以上が要求される。
【０００７】
このように、強化元素の過度の添加のみによって高強度化を図ろうとすると、低弛度耐熱送電線の靱性が劣化し、前述の捻回特性を満足させることができなくなるという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、従来のＦｅ−Ｎｉ系高強度低熱膨張合金線よりも高い強度、つまり、通常のＡＣＳＲ線の鋼線なみの強度である１５０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上の引張強さを有し、かつ、捻回特性に優れ、さらに低い熱膨張係数を有する高強度低熱膨張合金線を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に従う高強度低熱膨張合金線は、重量比で、Ｃ：０．１〜０．５０％、Ｎｉ：２６〜４８％、Ｃｏ：５．０〜２０％、Ａｌ：０．５〜１０％とし、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴としている。
また、本発明に従う高強度低熱膨張合金線は、時効処理後に伸線加工を施され、そして、少なくともオーステナイト相、Ａｌを主体とする金属間化合物、および、ひずみ誘起マルテンサイト相を含むことを特徴としている。
また、本発明のある局面に従う高強度低熱膨張合金は、Ｎｉ含有率をｘ％、Ｃｏ含有率をｙ％、Ａｌ含有率をｚ％としたとき、２５≦ｘ＋ｙ−６ｚ≦３２の関係を満たすことを特徴とする。
また、本発明の他の局面に従う高強度低熱膨張合金は、引張強さが１６０ｋｇｆ／ｍｍ ２ 以上であることを特徴とする。
【００１０】
本発明において、Ｃを０．１〜０．５０％に規定したのは、Ｃはその溶製工程で含まれる量が多いほど強度を上げるのに寄与するが、０．１％未満ではこの効果が十分に得られず、０．５０％を超えると熱膨張係数が増加し、かつ靱性が大きく劣化してしまうからである。
【００１１】
本発明において、Ｎｉを２６〜４８％に、かつ、Ｃｏを５〜２０％に規定したのは、線膨張係数が大きくなるのを防ぐためである。
【００１２】
詳しくは、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金においては、（Ｎｉ＋Ｃｏ）含有率（ＮｉとＣｏの含有率の和）が３６％近傍で最も線膨張係数が小さくなり、これよりも（Ｎｉ＋Ｃｏ）含有率が高くなると、線膨張係数は大きくなる。そして、Ｎｉ含有率およびＣｏ含有率が本発明において規定する範囲よりも高くなると、線膨張係数が著しく大きくなるためである。
【００１３】
また、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金においては、強磁性体と常磁性体の遷移温度であるキュリー点は、（Ｎｉ＋Ｃｏ）含有率が高くなるに従って（特に（Ｎｉ＋Ｃｏ）含有率が３０％以上の場合に）高くなる傾向がある。その一方で、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金においては、強磁性体である温度領域においてのみ低い熱膨張係数が得られ、常磁性体となる温度領域では熱膨張係数が大きくなる。そして、Ｎｉ含有率またはＣｏ含有率が本発明において規定する範囲より低くなると、合金のキュリー点が低下し、通常の使用温度における高温側（たとえば１００〜２４０℃）でＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金は常磁性体となり、その合金の線膨張係数が著しく大きくなるためである。
【００１４】
さらに、本発明においてＮｉ含有率を４８％以下と規定したのは、以下の理由による。すなわち、まず、Ｎｉ含有率を本発明に規定した範囲よりも高くすると、合金のマルテンサイト相への変態が起こりにくくなり、所望の強度および靭性（捻回値）が得られなくなるためである。
【００１５】
また、Ｃｏ含有率を２０％以下と規定したのは、合金における原料コスト上の問題を考慮したからである。すなわち、Ｃｏの添加は、合金のマルテンサイト相への変態を促進する効果がある一方で、Ｃｏ自体が高価な元素であるため、２０％を越える多量の添加は、合金線において特性を大きく変化させることなく、原料コストの増大のみを招くためである。
【００１６】
本発明において、Ａｌを０．５〜１０％に規定したのは、以下の理由による。すなわち、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金へのＡｌの添加は、Ａｌを主体とする微細な金属間化合物の析出により時効硬化をもたらすだけでなく、マルテンサイト相へのひずみ誘起による変態を促進する効果も有する。マルテンサイト相へのひずみ誘起による変態は、冷間加工によって母相であるオーステナイト相の一部にひずみが導入されることにより起こり、合金の靭性を高くし、さらに強度を高くする効果がある。つまり、このようなＡｌの添加による時効硬化およびひずみ誘起変態により、合金線の靭性を高くしつつ、従来よりも合金線の強度を高くすることができる。そして、Ａｌが０．５％未満では、Ａｌは母相であるオーステナイト相中に固溶し、合金線に時効処理を施しても前述の金属間化合物が析出しなくなり、また、前述の変態促進の効果が十分に得られなくなる。また、Ａｌが１０％を越えると、線膨張係数に悪影響を及ぼすだけでなく、母材中の介在物（主にＡｌの酸化物）が多量となり、加工すら困難となる程度に母材が脆化するためである。なお、Ａｌ含有率は、前述の金属間化合物を確実に析出させるため、および、前述の介在物を多量に生成させないため、１．０〜７．０％とされることが、特に好ましい。
また、本発明において、ひずみ誘起マルテンサイト相を含むのは、合金線においてより高い靭性を得るためである。また、オーステナイト相を含むのは、マルテンサイト相の熱膨張係数が高いため、オーステナイト相をすべてマルテンサイト相に変態させてしまうと、合金線において、所望の強度および靭性が得られても、その線膨張係数が高くなってしまうからである。また、Ａｌを主体とする金属間化合物を含むのは、合金線の強度をより高くするためである。
【００１７】
また、本発明に従う高強度低熱膨張合金は、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｗ，Ｔｉ，ＶおよびＢからなる群より選択された少なくとも一種類を０．０５％〜５．０％含むことが好ましい。このように規定するのは、Ｃ，Ｃｏ，Ａｌの各元素の含有率を上記の範囲内で低くしても、これらの元素が、結晶粒内でＣと反応して微細炭化物を形成することにより、合金の強度を高くし、かつ、線膨張係数を低くすることができるためである。そして、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｗ，Ｔｉ，ＶおよびＢからなる群より選択された少なくとも一種類の含有率が、０．０５％未満では、この効果が十分に発揮されず、５．０％を越えると、線膨張係数を上昇させてしまうためである。
【００１８】
なお、Ｃ含有率を、上記の範囲内で低くすると、合金の熱処理（時効処理）の際の粒界への炭化物の析出を抑制できるため、最終製品として加工したときのサイズでの靭性の低下を抑制できる。また、Ｃｏ含有率を、上記の範囲内で低くすると、合金のコストを、より低くすることができる。また、Ａｌ含有率を、上記の範囲内で低くすると、母材中の介在物（主にＡｌの酸化物）の生成を抑え、母材の脆化を抑制することができる。さらに、Ａｌ含有率を低くすると、合金線における歩留まりがよくなり、製造コストを低くすることができる。
【００１９】
また、本発明に従う高強度低熱膨張合金は、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，ＣｕおよびＭｇからなる群より選択された少なくとも一種類を０．０２％〜２．０％含むことが好ましい。このように規定するのは、これらの元素の添加が、脱酸や脱硫の効果を有し、これらの添加により鋳塊を健全に、つまり鋳造の際に割れ等が発生しないようにできるためである。そして、０．０２％未満では、この効果が十分に発揮できないが、２．０％を越えると、却って割れ等を引き起こすためである。
【００２０】
また、本発明に従う高強度低熱膨張合金は、Ｎｉ含有率をｘ％、Ｃｏ含有率をｙ％、Ａｌ含有率をｚ％としたとき、２５≦ｘ＋ｙ−６ｚ≦３２の関係を満たすことが好ましい。このように規定するのは、上記の関係を満たすと、合金の線膨張係数がより小さくなるからである。
【００２１】
また、本発明に従う高強度低熱膨張合金は、引張強さが１６０ｋｇｆ／ｍｍ ２ 以上であることが好ましい。
【００２２】
【実施例】
（実施例▲１▼）
以下、本発明に従った高強度低熱膨張合金の線材の製造について、実施例により具体的に説明する。
【００２３】
表１に示すように、まず、試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９に示した組成の原料を、溶解し、外径６０ｍｍの鋳型に鋳造し、その鋳造材を、１１５０℃で２時間加熱後、熱間圧延により外径９．５ｍｍの荒引き線とした。なお、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９に示した組成は、いずれも、本発明に従った組成である。
【００２４】
この荒引き線を、１０００℃で３０分間保持した後、水冷することにより、溶体化処理を施し、皮剥ぎ（表面層を除去すること）を行なって、外径９．２ｍｍとした。その後、外径６．５ｍｍまで伸線加工した後、５５０℃で２０時間の熱処理によって、この線材に時効析出処理を施した。その後、外径３．０ｍｍまで伸線加工し、高強度低熱膨張合金の線材を作製した。
【００２５】
なお、上述の各工程は、同様の作用が得られる他の工程に置換されても構わないが、時効析出処理は、４００℃〜６００℃、０．５〜６０時間の条件で行なわれることが好ましい。処理温度については、４００℃未満では、ＮｉとＡｌの化合物が析出せず、合金において所望の強度が得られないためであり、また、６００℃を越えると、ＮｉとＡｌの化合物が粗大な析出物となって析出し、合金において所望の強度が得られなくなるためである。また、処理時間については、０．５時間未満では、熱処理の効果が見られず、また、６０時間を越えると、得られる合金線の特性がそれ以上大きく変化しないためである。なお、この時効析出処理は、溶体化処理後であれば、線材がどのサイズにあるときに行なってもよい。なお、時効析出処理を行なうのは、１回であってもよいし、複数回行なってもよい。
【００２６】
また、上記の溶体化処理において、熱間圧延後に８００℃〜１２００℃の温度に加熱した後、急冷する溶体化工程を少なくとも１回行なうことは、より微細なＡｌを主体とする金属間化合物を析出させるために望ましい。なお、ここでいう溶体化工程で上記のように温度を規定するのは、８００℃未満では、Ａｌを完全に固溶させる効果が見られず、１２００℃を越えると、結晶粒径が粗大となり、冷間加工の際に断線の原因となるためである。
【００２７】
また、時効析出処理後の最終の伸線加工においては、加工度が５０〜９５％であることが好ましい。このように加工度を規定するのは、５０％未満であると、マルテンサイト相への変態が少ないため、合金において所望の強度および靭性が得られなくなり、９５％を越えると、マルテンサイト相への変態が多くなりすぎ、合金の線膨張係数が大きくなるためである。なお、上記の溶体化工程においてＡｌを主体とする金属間化合物が析出されるため、この伸線加工では、合金は、母相であるオーステナイト相からマルテンサイト相に、ひずみ誘起により変態する。したがって、本発明に従った合金の線材は、少なくともオーステナイト相、Ａｌを主体とする金属間化合物、および、ひずみ誘起マルテンサイト相を含むことになる。
【００２８】
（比較例▲１▼）
表１の試料Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．１７に示した組成の原料を用いて、実施例▲１▼と同様の工程により、高強度低熱膨張合金の線材を作製した。
【００２９】
（合金の特性）
表１に、実施例▲１▼および比較例▲１▼に従った高強度低熱膨張合金の線材の各特性を示す。また、従来の高強度低熱膨張合金の線材についても、組成および各特性を表１に併せて示す（Ｎｏ．１８）。なお、表１の捻回値における「１００Ｄ」とは、試験片の長さが線径の１００倍であったことを意味している。
【００３０】
【表１】
【００３１】
表１から、本発明に従う合金の線材は、いずれも引張強さについて１６０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上の値を有し、中には２００ｋｇｆ／ｍｍ2 の引張強さを有する線材もあることがわかる。
【００３２】
また、線膨張係数に関しては、従来例のものと比較すると２倍以上の値となっているが、ＡＣＳＲ線の芯線として用いられている鋼線の線膨張係数である１１．５〜１３×１０-6／℃と比較すると、本発明の合金の方が小さくなっている。すなわち、本発明の線材は、上記の鋼線よりも線膨張係数が小さく、電線として使用される場合、低弛度効果の面では上記の鋼線よりも優れていることがわかる。
【００３３】
また、捻回値については、通常１６回以上が要求されるが、本発明に従う合金の線材はいずれもが２０回以上という優れた値を有していることがわかる。
【００３４】
また、表１から、Ｃｏ含有率が本発明で規定する値よりも低い比較例のＮｏ．１０は、本発明に従う合金線Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９と比較して線膨張係数が高くなっていることがわかる。また、比較例のＮｏ．１７は、Ｃｏ含有率が本発明で規定する値を越えるものであるが、本発明に従う合金線Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９と比較して、さほど特性の差が見られず、Ｃｏ含有率を上げたことによってコストのみが上昇した。
【００３５】
また、表１から、Ｎｉ含有率が本発明で規定する値よりも低い比較例Ｎｏ．１１および高い比較例Ｎｏ．１２は、本発明に従う合金線Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９と比較して線膨張係数が高くなっていることがわかる。また、さらに、Ｎｏ．１２では、引張強さが１３２ｋｇｆ／ｍｍ2 と、従来並みの低い値となっている。
【００３６】
また、本発明で規定する範囲よりもＣ含有率が高い比較例Ｎｏ．１３と、Ａｌ含有率が高いＮｏ．１４は、伸線加工が不可能であった。また、本発明で規定する範囲よりもＣ含有率が低い比較例Ｎｏ．１６は、引張強さが著しく低くなっている。
【００３７】
また、表１から、Ａｌ含有率が本発明で規定する範囲よりも低い比較例Ｎｏ．１５は、本発明に従う合金Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９と比較して、引張強さが１２７ｋｇｆ／ｍｍ2 と、従来並みの低い値となっている。
【００３８】
また、表１から、本発明の実施例であるＮｏ．１〜Ｎｏ．９の中でも、Ｎｉ含有率をｘ％、Ｃｏ含有率をｙ％、Ａｌ含有率をｚ％としたとき、２５≦ｘ＋ｙ−６ｚ≦３２の関係を満たすＮｏ．１〜Ｎｏ．７は、上記の関係を満たさないＮｏ．８およびＮｏ．９よりも、線膨張係数が小さくなっていることがわかる。
【００３９】
（実施例▲２▼）
次に、本発明の合金線の組成としてＭｏ，Ｎｂ，Ｗ，Ｔｉ，ＶおよびＢの中の少なくとも一種、ならびに、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，ＣｕおよびＭｇの中の少なくとも一種を添加した場合について、表２の試料Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２４に示した組成の原料を用いて、実施例▲１▼と同様の工程により、高強度低熱膨張合金の線材を作製した。
【００４０】
なお、Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２４のいずれの試料も、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｗ，Ｔｉ，ＶおよびＢの中の少なくとも一種、ならびに、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，ＣｕおよびＭｇの中の少なくとも一種を表２に示す量だけ含有している。また、Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２４のいずれの試料においても、Ｃ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ａｌの各元素の含有率は、本発明で規定する範囲内である。また、Ｎｏ．２０およびＮｏ．２２〜Ｎｏ．２４におけるＭｏ，Ｎｂ，Ｗ，Ｔｉ，ＶおよびＢの含有率の和は、本発明で規定する好ましい範囲内であり、Ｎｏ．２１〜Ｎｏ．２４におけるＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，ＣｕおよびＭｇの含有率の和は、本発明で規定する好ましい範囲内である。
【００４１】
【表２】
【００４２】
（合金の特性）
表３に、実施例▲２▼に従った高強度低熱膨張合金の線材の各特性を示す。
【００４３】
【表３】
【００４４】
表３から、Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２１のいずれの線材も、引張強さについて２１０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上という優れた値を有していることがわかる。なお、表１のＮｏ．５，Ｎｏ．６，Ｎｏ．８の試料についても、その引張強さは２１０ｋｇｆ／ｍｍ2 付近またはそれ以上となっているが、Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２１については、Ｃ含有率を０．２５％程度に抑え、Ｃｏ含有率を１０％程度に抑え、かつ、Ａｌ含有率を３．０％程度に抑えながら、２１０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上という引張強さを達成している。なお、線膨張係数については、Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２１のいずれについても１０〜１１×１０-6／℃という値を有しており、送電線の芯線として使用するには差し支えないが、より詳しく見ると、Ｎｏ．１９およびＮｏ．２１は、Ｎｏ．２０よりもその値が高くなっている。
【００４５】
また、表３から、本発明に従う試料Ｎｏ．２２〜Ｎｏ．２４は、２０回以上という優れた捻回値を有し、かつ、７．３〜８．９×１０-6／℃という優れた線膨張係数を有している。つまり、いずれの特性も、Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２１よりも優れていることがわかる。
【００４６】
なお、試料Ｎｏ．２１〜Ｎｏ．２４の試料については、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９（表１参照）、Ｎｏ．１９およびＮｏ．２０の試料よりも、鋳造の際に割れが発生しにく、線材の歩留まりが高かった。
【００４７】
今回開示された実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施例の説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高強度低熱膨張合金線は、１６０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上の引張強さと、低い線膨張係数と、優れた捻回特性とを兼ね備えることができる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、低弛度耐熱送電線用芯線等に使用される高強度低熱膨張合金線に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、架空送電線には鋼芯アルミニウム撚線（ＡＣＳＲ線）が使用されているが、近年の電力需要の増大のために、同一サイズのＡＣＳＲ線と比較して電線の送電容量を２倍以上とすることが可能な低弛度耐熱送電線が、一部実用化されている。この低弛度耐熱送電線は、線膨張係数が鋼線の１／３以下である高強度低熱膨張合金線を芯線に用い、架線後の通電時の熱膨張による電線の垂れ下がり、つまり弛度を抑え、外層線には、高温での使用に耐え得る耐熱アルミニウムを用いることで増容量化を可能としたものである。高強度低熱膨張合金線としては、特公昭５６−４５９９０号公報や特公昭５７−１７９４２号公報等に種々のＦｅ−Ｎｉ系合金が提案されている。これらの高強度低熱膨張合金線は、合金にＣ、Ｃｒ、Ｍｏ等を強化用元素として添加したものであり、引張強さは１００〜１３０ｋｇｆ／ｍｍ2 程度であった。
【０００３】
一方、ＡＣＳＲ線の芯線として用いられる鋼線の引張強さは１５０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上である。したがって、同一サイズの電線を製作した場合、高強度低熱膨張合金線を芯線に用いた低弛度耐熱送電線は、通常のＡＣＳＲ線を用いた電線よりも引張荷重が小さくなる。よって、高強度低熱膨張合金線を芯線に用いた低弛度耐熱送電線を使用する場合、電線の最大使用張力を既設線の最大使用張力よりも小さくする必要がある。ところが、最大使用張力を小さくすると弛度特性が悪化する。そのため、低弛度耐熱送電線は、その使用時に、本来の特徴である低弛度特性を発揮することができなくなる。
【０００４】
したがって、近年、熱膨張係数（線膨張係数）が低く、かつ、鋼線なみの強度を有する高強度低熱膨張合金が要求されており、そのための種々の試みがなされてきている。たとえば、特開平３−１１５５４３号公報では、合金の強化元素として、ＣおよびＭｏに着目し、これらの含有率を上げ、また合金中のＮｉ含有率を調節することにより、高強度低熱膨張合金において、熱膨張係数を増大させず、強度を上げる旨が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この合金においては、３０〜２３０℃の平均熱膨張係数は３．２×１０-6／℃以下を確保できるが、強度は１２５ｋｇｆ／ｍｍ2 程度である上に、靱性が低下し、所望の捻回特性が得られないことが予想された。
【０００６】
ここで、捻回特性について説明する。低弛度耐熱送電線の芯線は、通常、複数本を撚合せた撚線から構成される。捻回特性とは、このような撚線を製造する時の性能を示す指標であり、素線の一端を固定し、他端を捩じる捻回試験で破断に到るまでの回数（捻回値）によって評価される。通常、線径の１００倍の長さの試験片（掴み間隔）で１６回以上が要求される。
【０００７】
このように、強化元素の過度の添加のみによって高強度化を図ろうとすると、低弛度耐熱送電線の靱性が劣化し、前述の捻回特性を満足させることができなくなるという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、従来のＦｅ−Ｎｉ系高強度低熱膨張合金線よりも高い強度、つまり、通常のＡＣＳＲ線の鋼線なみの強度である１５０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上の引張強さを有し、かつ、捻回特性に優れ、さらに低い熱膨張係数を有する高強度低熱膨張合金線を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に従う高強度低熱膨張合金線は、重量比で、Ｃ：０．１〜０．５０％、Ｎｉ：２６〜４８％、Ｃｏ：５．０〜２０％、Ａｌ：０．５〜１０％とし、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴としている。
また、本発明に従う高強度低熱膨張合金線は、時効処理後に伸線加工を施され、そして、少なくともオーステナイト相、Ａｌを主体とする金属間化合物、および、ひずみ誘起マルテンサイト相を含むことを特徴としている。
また、本発明のある局面に従う高強度低熱膨張合金は、Ｎｉ含有率をｘ％、Ｃｏ含有率をｙ％、Ａｌ含有率をｚ％としたとき、２５≦ｘ＋ｙ−６ｚ≦３２の関係を満たすことを特徴とする。
また、本発明の他の局面に従う高強度低熱膨張合金は、引張強さが１６０ｋｇｆ／ｍｍ ２ 以上であることを特徴とする。
【００１０】
本発明において、Ｃを０．１〜０．５０％に規定したのは、Ｃはその溶製工程で含まれる量が多いほど強度を上げるのに寄与するが、０．１％未満ではこの効果が十分に得られず、０．５０％を超えると熱膨張係数が増加し、かつ靱性が大きく劣化してしまうからである。
【００１１】
本発明において、Ｎｉを２６〜４８％に、かつ、Ｃｏを５〜２０％に規定したのは、線膨張係数が大きくなるのを防ぐためである。
【００１２】
詳しくは、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金においては、（Ｎｉ＋Ｃｏ）含有率（ＮｉとＣｏの含有率の和）が３６％近傍で最も線膨張係数が小さくなり、これよりも（Ｎｉ＋Ｃｏ）含有率が高くなると、線膨張係数は大きくなる。そして、Ｎｉ含有率およびＣｏ含有率が本発明において規定する範囲よりも高くなると、線膨張係数が著しく大きくなるためである。
【００１３】
また、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金においては、強磁性体と常磁性体の遷移温度であるキュリー点は、（Ｎｉ＋Ｃｏ）含有率が高くなるに従って（特に（Ｎｉ＋Ｃｏ）含有率が３０％以上の場合に）高くなる傾向がある。その一方で、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金においては、強磁性体である温度領域においてのみ低い熱膨張係数が得られ、常磁性体となる温度領域では熱膨張係数が大きくなる。そして、Ｎｉ含有率またはＣｏ含有率が本発明において規定する範囲より低くなると、合金のキュリー点が低下し、通常の使用温度における高温側（たとえば１００〜２４０℃）でＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金は常磁性体となり、その合金の線膨張係数が著しく大きくなるためである。
【００１４】
さらに、本発明においてＮｉ含有率を４８％以下と規定したのは、以下の理由による。すなわち、まず、Ｎｉ含有率を本発明に規定した範囲よりも高くすると、合金のマルテンサイト相への変態が起こりにくくなり、所望の強度および靭性（捻回値）が得られなくなるためである。
【００１５】
また、Ｃｏ含有率を２０％以下と規定したのは、合金における原料コスト上の問題を考慮したからである。すなわち、Ｃｏの添加は、合金のマルテンサイト相への変態を促進する効果がある一方で、Ｃｏ自体が高価な元素であるため、２０％を越える多量の添加は、合金線において特性を大きく変化させることなく、原料コストの増大のみを招くためである。
【００１６】
本発明において、Ａｌを０．５〜１０％に規定したのは、以下の理由による。すなわち、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金へのＡｌの添加は、Ａｌを主体とする微細な金属間化合物の析出により時効硬化をもたらすだけでなく、マルテンサイト相へのひずみ誘起による変態を促進する効果も有する。マルテンサイト相へのひずみ誘起による変態は、冷間加工によって母相であるオーステナイト相の一部にひずみが導入されることにより起こり、合金の靭性を高くし、さらに強度を高くする効果がある。つまり、このようなＡｌの添加による時効硬化およびひずみ誘起変態により、合金線の靭性を高くしつつ、従来よりも合金線の強度を高くすることができる。そして、Ａｌが０．５％未満では、Ａｌは母相であるオーステナイト相中に固溶し、合金線に時効処理を施しても前述の金属間化合物が析出しなくなり、また、前述の変態促進の効果が十分に得られなくなる。また、Ａｌが１０％を越えると、線膨張係数に悪影響を及ぼすだけでなく、母材中の介在物（主にＡｌの酸化物）が多量となり、加工すら困難となる程度に母材が脆化するためである。なお、Ａｌ含有率は、前述の金属間化合物を確実に析出させるため、および、前述の介在物を多量に生成させないため、１．０〜７．０％とされることが、特に好ましい。
また、本発明において、ひずみ誘起マルテンサイト相を含むのは、合金線においてより高い靭性を得るためである。また、オーステナイト相を含むのは、マルテンサイト相の熱膨張係数が高いため、オーステナイト相をすべてマルテンサイト相に変態させてしまうと、合金線において、所望の強度および靭性が得られても、その線膨張係数が高くなってしまうからである。また、Ａｌを主体とする金属間化合物を含むのは、合金線の強度をより高くするためである。
【００１７】
また、本発明に従う高強度低熱膨張合金は、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｗ，Ｔｉ，ＶおよびＢからなる群より選択された少なくとも一種類を０．０５％〜５．０％含むことが好ましい。このように規定するのは、Ｃ，Ｃｏ，Ａｌの各元素の含有率を上記の範囲内で低くしても、これらの元素が、結晶粒内でＣと反応して微細炭化物を形成することにより、合金の強度を高くし、かつ、線膨張係数を低くすることができるためである。そして、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｗ，Ｔｉ，ＶおよびＢからなる群より選択された少なくとも一種類の含有率が、０．０５％未満では、この効果が十分に発揮されず、５．０％を越えると、線膨張係数を上昇させてしまうためである。
【００１８】
なお、Ｃ含有率を、上記の範囲内で低くすると、合金の熱処理（時効処理）の際の粒界への炭化物の析出を抑制できるため、最終製品として加工したときのサイズでの靭性の低下を抑制できる。また、Ｃｏ含有率を、上記の範囲内で低くすると、合金のコストを、より低くすることができる。また、Ａｌ含有率を、上記の範囲内で低くすると、母材中の介在物（主にＡｌの酸化物）の生成を抑え、母材の脆化を抑制することができる。さらに、Ａｌ含有率を低くすると、合金線における歩留まりがよくなり、製造コストを低くすることができる。
【００１９】
また、本発明に従う高強度低熱膨張合金は、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，ＣｕおよびＭｇからなる群より選択された少なくとも一種類を０．０２％〜２．０％含むことが好ましい。このように規定するのは、これらの元素の添加が、脱酸や脱硫の効果を有し、これらの添加により鋳塊を健全に、つまり鋳造の際に割れ等が発生しないようにできるためである。そして、０．０２％未満では、この効果が十分に発揮できないが、２．０％を越えると、却って割れ等を引き起こすためである。
【００２０】
また、本発明に従う高強度低熱膨張合金は、Ｎｉ含有率をｘ％、Ｃｏ含有率をｙ％、Ａｌ含有率をｚ％としたとき、２５≦ｘ＋ｙ−６ｚ≦３２の関係を満たすことが好ましい。このように規定するのは、上記の関係を満たすと、合金の線膨張係数がより小さくなるからである。
【００２１】
また、本発明に従う高強度低熱膨張合金は、引張強さが１６０ｋｇｆ／ｍｍ ２ 以上であることが好ましい。
【００２２】
【実施例】
（実施例▲１▼）
以下、本発明に従った高強度低熱膨張合金の線材の製造について、実施例により具体的に説明する。
【００２３】
表１に示すように、まず、試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９に示した組成の原料を、溶解し、外径６０ｍｍの鋳型に鋳造し、その鋳造材を、１１５０℃で２時間加熱後、熱間圧延により外径９．５ｍｍの荒引き線とした。なお、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９に示した組成は、いずれも、本発明に従った組成である。
【００２４】
この荒引き線を、１０００℃で３０分間保持した後、水冷することにより、溶体化処理を施し、皮剥ぎ（表面層を除去すること）を行なって、外径９．２ｍｍとした。その後、外径６．５ｍｍまで伸線加工した後、５５０℃で２０時間の熱処理によって、この線材に時効析出処理を施した。その後、外径３．０ｍｍまで伸線加工し、高強度低熱膨張合金の線材を作製した。
【００２５】
なお、上述の各工程は、同様の作用が得られる他の工程に置換されても構わないが、時効析出処理は、４００℃〜６００℃、０．５〜６０時間の条件で行なわれることが好ましい。処理温度については、４００℃未満では、ＮｉとＡｌの化合物が析出せず、合金において所望の強度が得られないためであり、また、６００℃を越えると、ＮｉとＡｌの化合物が粗大な析出物となって析出し、合金において所望の強度が得られなくなるためである。また、処理時間については、０．５時間未満では、熱処理の効果が見られず、また、６０時間を越えると、得られる合金線の特性がそれ以上大きく変化しないためである。なお、この時効析出処理は、溶体化処理後であれば、線材がどのサイズにあるときに行なってもよい。なお、時効析出処理を行なうのは、１回であってもよいし、複数回行なってもよい。
【００２６】
また、上記の溶体化処理において、熱間圧延後に８００℃〜１２００℃の温度に加熱した後、急冷する溶体化工程を少なくとも１回行なうことは、より微細なＡｌを主体とする金属間化合物を析出させるために望ましい。なお、ここでいう溶体化工程で上記のように温度を規定するのは、８００℃未満では、Ａｌを完全に固溶させる効果が見られず、１２００℃を越えると、結晶粒径が粗大となり、冷間加工の際に断線の原因となるためである。
【００２７】
また、時効析出処理後の最終の伸線加工においては、加工度が５０〜９５％であることが好ましい。このように加工度を規定するのは、５０％未満であると、マルテンサイト相への変態が少ないため、合金において所望の強度および靭性が得られなくなり、９５％を越えると、マルテンサイト相への変態が多くなりすぎ、合金の線膨張係数が大きくなるためである。なお、上記の溶体化工程においてＡｌを主体とする金属間化合物が析出されるため、この伸線加工では、合金は、母相であるオーステナイト相からマルテンサイト相に、ひずみ誘起により変態する。したがって、本発明に従った合金の線材は、少なくともオーステナイト相、Ａｌを主体とする金属間化合物、および、ひずみ誘起マルテンサイト相を含むことになる。
【００２８】
（比較例▲１▼）
表１の試料Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．１７に示した組成の原料を用いて、実施例▲１▼と同様の工程により、高強度低熱膨張合金の線材を作製した。
【００２９】
（合金の特性）
表１に、実施例▲１▼および比較例▲１▼に従った高強度低熱膨張合金の線材の各特性を示す。また、従来の高強度低熱膨張合金の線材についても、組成および各特性を表１に併せて示す（Ｎｏ．１８）。なお、表１の捻回値における「１００Ｄ」とは、試験片の長さが線径の１００倍であったことを意味している。
【００３０】
【表１】
表１から、本発明に従う合金の線材は、いずれも引張強さについて１６０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上の値を有し、中には２００ｋｇｆ／ｍｍ2 の引張強さを有する線材もあることがわかる。
【００３２】
また、線膨張係数に関しては、従来例のものと比較すると２倍以上の値となっているが、ＡＣＳＲ線の芯線として用いられている鋼線の線膨張係数である１１．５〜１３×１０-6／℃と比較すると、本発明の合金の方が小さくなっている。すなわち、本発明の線材は、上記の鋼線よりも線膨張係数が小さく、電線として使用される場合、低弛度効果の面では上記の鋼線よりも優れていることがわかる。
【００３３】
また、捻回値については、通常１６回以上が要求されるが、本発明に従う合金の線材はいずれもが２０回以上という優れた値を有していることがわかる。
【００３４】
また、表１から、Ｃｏ含有率が本発明で規定する値よりも低い比較例のＮｏ．１０は、本発明に従う合金線Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９と比較して線膨張係数が高くなっていることがわかる。また、比較例のＮｏ．１７は、Ｃｏ含有率が本発明で規定する値を越えるものであるが、本発明に従う合金線Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９と比較して、さほど特性の差が見られず、Ｃｏ含有率を上げたことによってコストのみが上昇した。
【００３５】
また、表１から、Ｎｉ含有率が本発明で規定する値よりも低い比較例Ｎｏ．１１および高い比較例Ｎｏ．１２は、本発明に従う合金線Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９と比較して線膨張係数が高くなっていることがわかる。また、さらに、Ｎｏ．１２では、引張強さが１３２ｋｇｆ／ｍｍ2 と、従来並みの低い値となっている。
【００３６】
また、本発明で規定する範囲よりもＣ含有率が高い比較例Ｎｏ．１３と、Ａｌ含有率が高いＮｏ．１４は、伸線加工が不可能であった。また、本発明で規定する範囲よりもＣ含有率が低い比較例Ｎｏ．１６は、引張強さが著しく低くなっている。
【００３７】
また、表１から、Ａｌ含有率が本発明で規定する範囲よりも低い比較例Ｎｏ．１５は、本発明に従う合金Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９と比較して、引張強さが１２７ｋｇｆ／ｍｍ2 と、従来並みの低い値となっている。
【００３８】
また、表１から、本発明の実施例であるＮｏ．１〜Ｎｏ．９の中でも、Ｎｉ含有率をｘ％、Ｃｏ含有率をｙ％、Ａｌ含有率をｚ％としたとき、２５≦ｘ＋ｙ−６ｚ≦３２の関係を満たすＮｏ．１〜Ｎｏ．７は、上記の関係を満たさないＮｏ．８およびＮｏ．９よりも、線膨張係数が小さくなっていることがわかる。
【００３９】
（実施例▲２▼）
次に、本発明の合金線の組成としてＭｏ，Ｎｂ，Ｗ，Ｔｉ，ＶおよびＢの中の少なくとも一種、ならびに、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，ＣｕおよびＭｇの中の少なくとも一種を添加した場合について、表２の試料Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２４に示した組成の原料を用いて、実施例▲１▼と同様の工程により、高強度低熱膨張合金の線材を作製した。
【００４０】
なお、Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２４のいずれの試料も、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｗ，Ｔｉ，ＶおよびＢの中の少なくとも一種、ならびに、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，ＣｕおよびＭｇの中の少なくとも一種を表２に示す量だけ含有している。また、Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２４のいずれの試料においても、Ｃ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ａｌの各元素の含有率は、本発明で規定する範囲内である。また、Ｎｏ．２０およびＮｏ．２２〜Ｎｏ．２４におけるＭｏ，Ｎｂ，Ｗ，Ｔｉ，ＶおよびＢの含有率の和は、本発明で規定する好ましい範囲内であり、Ｎｏ．２１〜Ｎｏ．２４におけるＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，ＣｕおよびＭｇの含有率の和は、本発明で規定する好ましい範囲内である。
【００４１】
【表２】
（合金の特性）
表３に、実施例▲２▼に従った高強度低熱膨張合金の線材の各特性を示す。
【００４３】
【表３】
表３から、Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２１のいずれの線材も、引張強さについて２１０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上という優れた値を有していることがわかる。なお、表１のＮｏ．５，Ｎｏ．６，Ｎｏ．８の試料についても、その引張強さは２１０ｋｇｆ／ｍｍ2 付近またはそれ以上となっているが、Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２１については、Ｃ含有率を０．２５％程度に抑え、Ｃｏ含有率を１０％程度に抑え、かつ、Ａｌ含有率を３．０％程度に抑えながら、２１０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上という引張強さを達成している。なお、線膨張係数については、Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２１のいずれについても１０〜１１×１０-6／℃という値を有しており、送電線の芯線として使用するには差し支えないが、より詳しく見ると、Ｎｏ．１９およびＮｏ．２１は、Ｎｏ．２０よりもその値が高くなっている。
【００４５】
また、表３から、本発明に従う試料Ｎｏ．２２〜Ｎｏ．２４は、２０回以上という優れた捻回値を有し、かつ、７．３〜８．９×１０-6／℃という優れた線膨張係数を有している。つまり、いずれの特性も、Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２１よりも優れていることがわかる。
【００４６】
なお、試料Ｎｏ．２１〜Ｎｏ．２４の試料については、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９（表１参照）、Ｎｏ．１９およびＮｏ．２０の試料よりも、鋳造の際に割れが発生しにく、線材の歩留まりが高かった。
【００４７】
今回開示された実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施例の説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高強度低熱膨張合金線は、１６０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上の引張強さと、低い線膨張係数と、優れた捻回特性とを兼ね備えることができる。
Claims (5)
- 重量比で、Ｃ：０．１〜０．５０％、Ｎｉ：２６〜４８％、Ｃｏ：５．０〜２０％、Ａｌ：０．５〜１０％を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、
時効処理後に伸線加工を施され、
少なくともオーステナイト相、Ａｌを主体とする金属間化合物、および、ひずみ誘起マルテンサイト相を含み、
Ｎｉ含有率をｘ％、Ｃｏ含有率をｙ％、Ａｌ含有率をｚ％としたとき、２５≦ｘ＋ｙ−６ｚ≦３２の関係を満たすことを特徴とする高強度低熱膨張合金線。 - 重量比で、Ｃ：０．１〜０．５０％、Ｎｉ：２６〜４８％、Ｃｏ：５．０〜２０％、Ａｌ：０．５〜１０％を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、
時効処理後に伸線加工を施され、
少なくともオーステナイト相、Ａｌを主体とする金属間化合物、および、ひずみ誘起マルテンサイト相を含み、
引張強さが１６０ｋｇｆ／ｍｍ ２ 以上であることを特徴とする高強度低熱膨張合金線。 - さらに、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｗ，Ｔｉ，ＶおよびＢからなる群より選択された少なくとも一種類を０．０５％〜５．０％含むことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の高強度低熱膨張合金線。
- さらに、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，ＣｕおよびＭｇからなる群より選択された少なくとも一種類を０．０２％〜２．０％含むことを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の高強度低熱膨張合金線。
- 引張強さが１６０ｋｇｆ／ｍｍ２以上である、請求項１、請求項３、または、請求項４に記載の高強度低熱膨張合金線。
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