JP3906852B2

JP3906852B2 - 高導電率高強度トロリ線の製造方法および高導電率高強度トロリ線

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Publication number: JP3906852B2
Application number: JP2004194046A
Authority: JP
Inventors: 範明久保; 稔中本; 太一郎西川
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: CN1715097A; JP2006016650A; CN1715097B

Description

本発明は、特に導電率が高く、強度が高いトロリ線の製造方法およびトロリ線に関するものである。特に、製造コストの低減もできる高導電率高強度トロリ線の製造方法および高導電率高強度トロリ線に関するものである。

トロリ線材料としてはタフピッチ銅などからなる硬銅が歴史的に最も古く、現在も一般的に使用されている。その他に耐熱性向上を目的として導入された銀(Ag)を含有する銅合金や、耐摩耗性向上を目的とする錫(Sn)を含有する銅合金が実際に用いられている。トロリ線は、長時間にわたる通電加熱による軟化と、短時間の局部的な温度上昇による軟化の問題があり、耐熱性の高いことが要求される。また、パンダグラフとの摺動に対する耐摩耗性も要求される。

特許文献1には、タフピッチ銅からなるトロリ線、0.08〜0.4質量%のAgと銅(Cu)からなるトロリ線および0.16〜0.35質量%のSnと銅からなるトロリ線の特性が記載されている。SnとCuからなるトロリ線は、同文献1の発明であって、SnがCuの中に固溶しているので、AgとCuからなるトロリ線やタフピッチ銅からなるトロリ線と比較して引張強さが高いことを特徴としている。SnとCuからなるトロリ線は、導電率が70〜85IACS(%)前後と低いが、引張強さが高いので実用化できる範囲であるとしている。また、Agを含有するトロリ線は、Snを添加したものに比較して導電率は高いが引張強さは低く、摩耗し易く耐熱性に劣ることが示されている。さらに、タフピッチ銅からなるトロリ線も摩耗量が多い。摩耗量の多いトロリ線の寿命は明らかに短い。

また、非特許文献1は、硬銅、Cu-Ag、Cu-Sn、Cu-0.4%Cr-0.14%Zr-0.05%Siからなる3種類のトロリ線の耐熱性試験結果を示している。そして、耐熱性は先に記載した順序で高くなることが示されている。長時間加熱による硬さ変化の結果では、Ag入り銅は180℃で100時間の加熱で硬度が軟化することが示されている。

また、非特許文献1は、上記した材料の合金について導電率と引張強さについても試験をしている。その結果から、Agを含有するトロリ線の導電率は高いが、引張強さが不足しているので、少し摩耗するとトロリ線としての強度が不足することがあり、析出強化型銅合金がトロリ線として優れていることを示している。

一方、特許文献2には、銅溶湯に合金元素を添加して銅合金溶湯を溶製し、この銅合金溶湯を連続鋳造圧延法によりトロリ線に製造する方法が記載されている。この文献には、銅合金溶湯の溶製を、Pを添加して銅溶湯を脱酸したのち、Co、Mn、Niなどの他の合金元素を添加して製造することが記載されている。

特公昭59-43332号公報特開平11-189834号公報「トロリ線材料としての析出強化型銅合金の耐久性評価」鉄道総研報告、Vol.12、No.10、39〜44ページ、1998年

しかし、導電率、引張強さを兼備するトロリ線は得られていない。例えば、Agを含有するトロリ線は、導電率は高いが、耐熱性や引張強度が低い。また、特許文献1、2および非特許文献1は、Ag以外のSnなどの合金元素を添加して、導電率は低いが耐熱性や強度の高いトロリ線を開示している。そのため、導電率、引張強さのいずれか一方の特性を犠牲にしたトロリ線しか得られていないのが現状である。

さらに最近の技術動向として、特に在来線において、すり板の材質として銅系や鉄系焼結合金からカーボン系が使用されるようになり、トロリ線の摩耗率が従来比で1/5〜1/10程度まで減少している。このため、トロリ線の摩耗について、従来からの機械的摩耗よりは、アーク摩耗などの電気摩耗が重要視されてきており、電気摩耗に対しては高温特性が良く、導電率の高いトロリ線がより有利である。特に、最近の環境問題への関心の高まりから、架線における電力損についても関心が出てきており、現状のSn系トロリ線よりも、より導電率が高いトロリ線の要求が強くなってきた。

従って、本発明の主目的は、Agを含有するトロリ線の導電率を維持しながら、引張強度、耐摩耗性、耐熱性に優れるトロリ線が得られるトロリ線の製造方法と、この製造方法で得られるトロリ線とを提供することにある。

本発明者らは、主として冷間加工度を従来の加工度より大きく設定することにより、優れたトロリ線を製造できることを見出した。

本発明の高導電率高強度トロリ線の製造方法は、Agを0.12〜0.3質量%、酸素を0.01〜0.05質量%含有し、残部が銅と不可避不純物からなる鋳造材を連続鋳造によって得る工程と、前記鋳造材に600℃以上の温度で、80%以上の熱間加工度で熱間加工を施し、直径25mm以上の線材を得る工程と、前記線材に150℃以下の温度で、70%以上の冷間加工度にて冷間加工を施し、以下の(1)または(2)のトロリ線を得る工程とを含むことを特徴とする。
(1)トロリ線の公称断面積が150〜170mm²の場合、引張強さが400N/mm²以上で、導電率が97IACS(%)以上
(2)トロリ線の公称断面積が80〜120mm²の場合、引張強さが420N/mm²以上で、導電率が97IACS(%)以上

この方法により、耐熱性を高め、Cu-Ag系の導電率を維持し、しかも引張強さを高くすることができる。

本発明では、Agを0.12〜0.3質量%、酸素を0.01〜0.05質量%含有し、残部が銅と不可避不純物からなる鋳造材を用いる。Agの含有量が0.12質量%未満の場合は、引張強さが不足し、Agの含有量が0.30質量%を超える場合は、導電率が97IACS(%)IACSより小さくなる。また、酸素の含有量が0.01質量%未満の場合は、熱間加工時に割れが発生しやすく、酸素が0.05質量%を超えると冷間加工時に酸化銅を起点とした断線が発生しやすい。

上記の鋳造材を得る工程は、ホイールベルト方式やツインベルト方式のような可動鋳型を使用した鋳造方式が好ましい。これらの方式で連続鋳造を行なうことで製造コストを抑えることができる。連続鋳造圧延法は、接続部のない長尺なトロリ線を安定して供給できる方法である。

次に、得られた鋳造材に600℃以上の温度において80％以上の熱間加工を施すことにより、鋳造組織を微細化させ、線材強度を向上させることができる。熱間加工としては熱間圧延が好ましい。特に、前記鋳造と連続して熱間圧延を行うことで、エネルギーの消費量を少なくし、コスト低減に効果がある。

鋳造材の熱間加工温度は600℃以上とする。それにより、熱間加工を容易にすることができる。また、後工程である冷間加工時の加工性も向上させることができる。鋳造材は圧延時に酸化するため、後工程でアルコールなどに浸漬して還元する。その際、鋳造材が冷えていると反応が進み難く、還元が遅くなるため、この点からも加工温度を600℃以上としておくことは重要である。

熱間加工の加工度は80％以上とする。それにより、線材の結晶組織を微細化させて強度を上げることができる。この加工度は、「(加工前の断面積−加工後の断面積)／加工前の断面積」で表される。この熱間加工の加工度は85％以上、さらには90％以上であってもよい。

また、熱間加工で得られる線材の直径は25mm以上とする。この線径とすることで、次工程において高い加工度の冷間加工を受けることが可能になる。その結果、冷間加工による線材強度向上の効果をより顕著なものにすることができる。

直径が25mm以上の線材を得た後、150℃以下の温度において70％以上の加工度で冷間加工を施す。この冷間加工により、線材の強度を向上させることができる。ここでの加工度も「(加工前の断面積−加工後の断面積)／加工前の断面積」で表される。

冷間加工は、伸線加工が好適である。加工温度は150℃以下であればよく、常温下で加熱することなく加工しても良い。加工度は70％以上とすることで、強度向上効果を十分なものとすることができる。

この冷間加工度は公称断面積が150〜170mm²のトロリ線を得る場合、75％以上が一層好ましい。さらに、公称断面積が80〜120mm²のトロリ線を得る場合、75％以上の加工度が好ましく、80％以上の加工度が一層好ましい。トロリ線の断面積が細いだけ、より高い加工度とすることができる。

上記の冷間加工により、トロリ線の公称断面積が150〜170mm²の場合、引張強さを400N/mm²以上とし、公称断面積が80〜120mm²の場合、引張強さを420N/mm²以上とする。このような高強度を得ることで、0.3質量％のSnを含有するトロリ線と同等の引張強さとし、高い耐摩耗性を実現することができる。また、公称断面積が80〜120mm²の場合、425N/mm²以上の引張強さを有することが一層好ましい。

そして、導電率は97IACS(%)以上とする。前述したトロリ線の成分限定により、純銅に近い高導電率を確保することが可能である。

一方、本発明の高導電率高強度トロリ線は、Agを0.12〜0.3質量%、酸素を0.01〜0.05質量%含有し、残部が銅と不可避不純物からなる。トロリ線の公称断面積が150〜170mm²の場合、引張強さが400N/mm²以上で、導電率が97IACS(%)以上である。また、トロリ線の公称断面積が80〜120mm²の場合、引張強さが420N/mm²以上で、導電率が97IACS(%)以上であることを特徴とする。

本発明のトロリ線は、公称断面積が80〜120mm²の場合、引張強さが425N/mm²以上であることが好ましい。

本発明は、Ag-Cu系トロリ線の持つ高い導電率を維持しながら、しかも、強度と耐熱性の高いトロリ線を得ることができる。従って、高速鉄道をはじめとする過酷な使用条件にも充分耐えるトロリ線を製造することができる。また、0.3質量%Snトロリ線と引張強さが同等でありながら、導電率が純銅に近い値であり、高強度と共に高導電率を達成することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

連続鋳造圧延法を用いて試料番号1〜9までの試料を製造し、従来の方法を用いて試料番号10〜14までの試料を製造した。いずれも、溶解→鋳造→熱間圧延→伸線→製品の工程をトロリ線の基本作製工程とする。

まず表1の試料番号1〜9に示す化学成分の溶解銅合金を連続鋳造する。続いて、表1に示す温度と熱間加工度で、表1に示す直径まで熱間圧延し線材を得た。次に、得られた線材について、表1に示す冷間加工の温度、冷間加工度で断面積の欄に記載した大きさまで伸線した。なお、前記の熱間圧延および冷間加工の加工度とは、「(加工前の断面積−加工後の断面積)／加工前の断面積」で表される。

試料番号10〜14は、表1に示す化学成分の溶解銅合金を連続鋳造し、続いて表1の熱間加工度で、表1に示す直径まで熱間圧延して線材を得た。ただし、試料番号9は、熱間圧延を行わず、鋳造材として直径30mmの線材を得た。

次に、表1に示す冷間加工条件で目的とする断面積のトロリ線を作製した。このようにして得られたトロリ線の引張強さ、導電率、酸素量を測定して表1に示した。表の中で*の印は、比較例であることを示している。

まず、サイズが110mm²の試料番号3、4、6、7、9、11、12の引張強さを比較する。試料番号3、4に比較して、冷間加工度が低い試料番号6、11、12および熱間加工をしなかった試料番号9は十分な引張強さが得られていない。Agの含有量が少ない試料番号7も引張強さが低い。これに対し、本発明例である試料番号3、4はいずれも高い引張強さを示している。

次に、サイズが150、170mm²の試料番号1、2、5、8、10、13、14について引張強さを比較する。熱間加工度が低い試料番号8、冷間加工度が低い試料番号10、13、14は、引張強さが低い。これに対して、本発明例である試料番号1、2、5はいずれも高い引張強さが得られている。

次に、トロリ線サイズに依存しない導電率について比較する。Agの含有量が多い試料番号6は導電率が低い。Agは金属形態として存在する場合には銅よりも高い導電率を有するが、銅合金中にAgが固溶すると銅合金の導電率は低下する傾向があるためである。試料番号13は、銅に固溶したSnが導電性を下げる働きをするため導電率が低くなっている。

実施例１で製造されたトロリ線を用いて、より実際の使用条件に近い状態で摩耗試験を行い、トロリ線としての寿命を計算した。上記のトロリ線のうち、試料番号3、11、13および14の試料を用いて、ビッカース硬度、摩耗量及び計算寿命を求めた。ただし、試料番号3、11はサイズが110mm²であり、その他のものはサイズが170mm²である。

摩耗量の評価は、次のように行なった。まずトロリ線と銅系焼結すり板との摺動速度を50km/hとし、すり板との接触荷重を7kgf(68.6N)として、直流電圧200V、通電電流200Aを与えた状態でトロリ線とすり板を10⁴回摺動させる。その後、トロリ線の摩耗断面積を求め、その摩耗断面積をパンタグラフ(すり板)の摺動回数で除して、摺動回数1万回当たりの摩耗断面積を摩耗量として評価した。摩耗量が小さいほど耐摩耗に優れることを示す。

計算寿命は、トロリ線の摩耗面積が43.5mm²になった場合(トロリ線の断面積が110mm²のときは残存直径7.5mmとなった場合、同面積170mm²のときは残存直径11.1mmとなった場合)を寿命として、上記摩耗量試験の条件で1年間に10万回トロリ線がすり板に摺動されるとして、この残存直径に至までの年数を計算で求めた。

試験結果を表２に示す。その結果、試料番号3のものは、ビッカース硬度が高く摩耗量が小さくなっており、計算寿命は18.1年となり、他のものより大幅に寿命が長くなった。このことは、本発明のトロリ線は、導電率が高いのみでなく、引張強さ、耐摩耗性に優れていることを示している。

さらに、比較のため、特許文献１に記載の従来試料相当材についても同様の評価を行った。特許文献１では、摩耗量を「mm/万パンタ」の単位で記載しているため、これを概算により「mm²/万パンタ」の単位に換算した。この従来材は、通常のトロリ線の製造条件と同じ最終冷間加工度約65%として、断面積が110mm²に作製されている。その結果を表3に示す。

この表から明らかなように、「TPC-0.30Ag」は0.3質量%のAgを含有しているが、冷間加工度が約65%と低く、引張強さが小さいことがわかる。また、表2と表3の摩耗量を比較すると、本発明トロリ線は、「TPC-0.31Sn」や「TPC-0.35Sn」と同等以上の耐摩耗性を有することもわかる。

本発明のトロリ線は、Sn入り銅線などに比較して導電率が高く、耐熱性は遜色がない。耐摩耗特性もSn入り銅からなるトロリ線と比較して優れている。また、高い引張強度と高い導電率を有しているので、本発明のトロリ線は高速用トロリ線として利用できるばかりでなく、在来線においても充分使用できるトロリ線である。

Claims

Agを0.12〜0.3質量%、酸素を0.01〜0.05質量%含有し、残部が銅と不可避不純物からなる鋳造材を連続鋳造によって得る工程と、
前記鋳造材に600℃以上の温度で、80%以上の熱間加工度にて熱間加工を施し、直径25mm以上の線材を得る工程と、
前記線材に150℃以下の温度で、70%以上の冷間加工度にて冷間加工を施し、以下の(1)または(2)のトロリ線を得る工程とを含むことを特徴とする高導電率高強度トロリ線の製造方法。
(1)トロリ線の公称断面積が150〜170mm²の場合、引張強さが400N/mm²以上で、導電率が97IACS(%)以上
(2)トロリ線の公称断面積が80〜120mm²の場合、引張強さが420N/mm²以上で、導電率が97IACS(%)以上
前記熱間加工の温度が700℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の高導電率高強度トロリ線の製造方法。
冷間加工度が75%以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の高導電率高強度トロリ線の製造方法。
公称断面積が80〜120mm²のトロリ線を冷間加工するにあたり、冷間加工度が80%以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高導電率高強度トロリ線の製造方法。
公称断面積が80〜120mm²のトロリ線の場合、引張強さが425N/mm²以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高導電率高強度トロリ線の製造方法。
Agを0.12〜0.3質量%、酸素を0.01〜0.05質量%含有し、残部が銅と不可避不純物からなる高導電率高強度トロリ線であって、
連続鋳造によって得られた鋳造材に600℃以上の温度で、80%以上の熱間加工度にて熱間加工を施し、直径25mm以上の線材を得た後、前記線材に150℃以下の温度で、70%以上の冷間加工度にて冷間加工を施して製造され、
前記トロリ線の公称断面積が150〜170mm²の場合、引張強さが400N/mm²以上で、導電率が97IACS(%)以上、
前記トロリ線の公称断面積が80〜120mm²の場合、引張強さが420N/mm²以上で、導電率が97IACS(%)以上、
であることを特徴とする高導電率高強度トロリ線。
熱間加工の温度が700℃以上であることを特徴とする請求項６記載の高導電率高強度トロリ線。
公称断面積が80〜120mm²の場合、引張強さが425N/mm²以上であることを特徴とする請求項６または７記載の高導電率高強度トロリ線。