JP6388504B2

JP6388504B2 - 伸線材およびこれを用いたトロリ線

Info

Publication number: JP6388504B2
Application number: JP2014152567A
Authority: JP
Inventors: 辰規篠田; 亮坂巻
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2018-09-12
Anticipated expiration: 2034-07-28
Also published as: JP2016030838A

Description

本発明は、伸線材およびこれを用いたトロリ線に関するものである。

電車の給電設備の一部であるトロリ線は、給電に必要となる導電性とともに、架橋張力を一定以上に保つために、高い引張強度を有することが求められている。このようなトロリ線としては、たとえば、特許文献１に開示されているように、従来より、銅合金線が用いられており、特に、高い引張強度を有するという観点より、Ｃｕ−Ｍｇ合金線が用いられている。

特開平３−６７４０１号公報

一方で、このようなＣｕ−Ｍｇ合金線においては、特に、トロリ線用途に用いられるＣｕ−Ｍｇ合金線において、さらなる引張強度の向上が求められるようになっている。これに対し、Ｃｕ−Ｍｇ合金線に含まれるＭｇの添加量を増加させることにより、添加量の増加に伴って引張強度を向上させることは可能であるものの、導電率が低下し、トロリ線として必要となる導電率の確保が困難となってしまうため、Ｍｇの添加により引張強度を向上させる方法には限界があった。また、Ｃｕ−Ｍｇ合金線は、耐疲労特性も必ずしも十分でなく、長期信頼性の観点より、引張強度に加えて、耐疲労特性の向上も求められている。

本発明が解決しようとする課題は、導電率を高く保ちながら、引張強度および耐疲労特性の向上された伸線材を提供することを目的とする。

[１]本発明に係る伸線材は、Ｍｇを０．４〜０．８重量％、Ｎｂを０．００５〜０．０３５重量％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。

[２]本発明のトロリ線は、上記発明の伸線材を用いてなるものである。

本発明によれば、Ｃｕ−Ｍｇ合金線において、Ｍｇの含有量を０．４〜０．８重量％の範囲とするとともに、Ｎｂを０．００５重量％以上の割合で配合することにより、導電率を高く保ちながら、引張強度および耐疲労特性の向上された伸線材を得ることができる。

図１は、本実施例に係るトロリ線の断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。

本実施形態に係る伸線材は、Ｍｇを０．４〜０．８重量％、Ｎｂを０．００５重量％以上含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなるものである。本実施形態の伸線材は、導電性、引張強度および耐疲労特性が必要とされる種々の用途に用いることができるが、なかでも、電車の給電設備としてのトロリ線および吊架線として、特にトロリ線として好ましく用いられる。

本実施形態に係る伸線材は、Ｍｇを０．４〜０．８重量％の範囲で含有するものである。Ｍｇは、Ｃｕに添加し、合金とすることで、引張強度を向上させる作用を示す。Ｍｇの含有量が少なすぎると、引張強度が低くなり過ぎてしまい、一方、Ｍｇの含有量が多すぎると、導電率が低下してしまう。

なお、本実施形態に係る伸線材を、Ｃｕに対して、Ｍｇを添加してなるもの、すなわち、Ｃｕ−Ｍｇ合金を基本とするものとする理由としては、次の通りである。
まず、電車の給電設備としてのトロリ線は、高速移動する電車のパンタグラフと接することにより、電車に給電するための給電線であり、通常、電車のパンタグラフは、トロリ線を押上げながら接触するため、トロリ線には、架線方向に対して鉛直方向にベクトル成分を有する振動波が与えられることとなる。この振動波の波動伝播速度Ｃは、通常、下記式（１）で示されることとなる。

なお、上記式（１）中、Ｃ：波動伝播速度（ｍ／ｓ）、Ｔ：架線張力（Ｎ）、ρ：線密度（ｋｇ／ｍ）である。

そして、上記式（１）で求められる波動伝播速度Ｃは、トロリ線にとって非常に重要な特性値であり、たとえば、波動伝播速度Ｃが、電車の速度に近づくと、パンタグラフによるトロリ線の押上量が増大してしまい、この場合には、トロリ線とパンタグラフが離れる現象（離線）が発生してしまうこととなる。そして、このような離線が起きると、給電効率が極端に低下する他、トロリ線とパンタグラフとの間にスパークが生じてしまうため、トロリ線の磨耗量が著しく増加してしまい、その寿命が極端に短くなってしまう。そのため、トロリ線においては、波動伝播速度Ｃをなるべく大きくすることが求められている。

ここで、波動伝播速度Ｃを大きくするためには、上記式（１）より、架線張力Ｔを大きくする方法、および線密度ρを小さくする方法が考えられ、これらのうち、架線張力Ｔを大きくする方法としては、引張強度の高い固溶強化型のＣｕ−Ａｇ合金、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ｃｕ−Ｍｇ合金などを用いることが挙げられる。なお、たとえば、一般的な１１０ｍｍ^２の断面積を有するトロリ線の場合、３００ｋｍ／ｈ以上での走行を可能とするためには、トロリ線の引張強度は、４５０ＭＰａ以上とすることが求められる。

そして、これらＣｕ−Ａｇ合金、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ｃｕ−Ｍｇ合金のような固溶強化型の合金においては、溶媒となるＣｕと、これに固溶させる溶質元素との原子径差が大きい方が引張強度の向上効果が高いという性質を有することが一般的である。このような状況において、Ｃｕ−Ｍｇ合金は、Ｃｕ−Ａｇ合金、Ｃｕ−Ｓｎ合金などの他の固溶強化型の銅合金よりも、Ｃｕに対する原子径差の大きいＭｇを固溶してなるものであり、そのため、引張強度の向上効果がより高いものである。そのため、本実施形態においては、Ｃｕ−Ｍｇ合金を基本とするものを用いるものである。加えて、Ｃｕ−Ｍｇ合金のような固溶強化型の銅合金は、一般的に、固溶させる金属の添加量の増加に伴って、引張強度が向上する一方で、導電率が低下してしまうという特性を有するものであるが、Ｃｕ−Ｍｇ合金は、Ｍｇは金属結合に寄与する電子（３ｓ）がＣｕ（４ｓ）と同じ軌道角運動量を有し、かつ遷移金属のようにｄ軌道との軌道エネルギーのオーバーラップによるエネルギー損失がないため、単位添加元素モルあたりの導電率の減少率も比較的小さいため、導電率の観点からも好適である。

また、本実施形態に係る伸線材は、Ｎｂを０．００５重量％以上含有するものであるが、Ｎｂの含有量は、好ましくは０．００５〜０．０３５重量％である。Ｎｂの含有量が少なすぎると、耐疲労特性の向上効果が得難くなり、一方、Ｎｂの含有量が多すぎると、導電率が低下するおそれがある。

本実施形態においては、Ｃｕに対し、上記所定量のＭｇに加えてなるＣｕ−Ｍｇ合金に対して、上記所定量のＮｂをさらに添加し、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｂ合金とすることで、鋳造時の結晶粒径を微細化することができ、これにより、得られる伸線材を微細な結晶粒径を有するものとすることができ、これにより耐疲労特性の向上を可能とするものである。

特に、本発明者等の知見によると、結晶粒界は疲労によるクラックの進展を抑制する効果があると考えられており、そのため、耐疲労特性を向上させるためには、結晶粒を微細化することで結晶粒界を増やすことが有効である。これに対し、本発明者等は、Ｃｕに対し、上記所定量のＭｇに加えて、上記所定量のＮｂを添加することで、結晶粒径を微細化することが可能となり、これにより、得られる伸線材を、導電率を高く保ちながら、引張強度および耐疲労特性の向上されたものとすることができることを見出したものである。

加えて、本実施形態の伸線材によれば、上記所定量のＮｂをさらに添加することで、耐疲労特性の向上を可能とするものであるため、その製造工程において、耐疲労特性向上のための熱処理工程を経ることが必ずしも必要でなくなるため、耐疲労特性向上のための熱処理工程を経ることに起因する、引張強度の低下を有効に防止することができる。また、耐疲労特性向上のための熱処理工程を不要とすることにより、熱処理工程に要する製造コストの削減も可能となる。

次いで、本実施形態の伸線材の製造方法について、説明する。

本実施形態の伸線材は、たとえば、原料となる各金属や合金を加熱溶解させることにより得られた合金溶湯を鋳造することで、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｂ合金からなる荒引き線を得て、得られた荒引き線について伸線加工を行うことにより製造することができる。

なお、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｂ合金からなる荒引き線を得る際には、公知の連続鋳造圧延法（ＳＣＲ法）や、上方引上連続鋳造法（アップキャスト法）により鋳造する方法が挙げられるが、Ｍｇが酸素と反応しやすいため、本実施形態においては、鋳造時に、Ｍｇが酸素と反応してしまうことをより適切に防止できるという観点より、上方引上連続鋳造法（アップキャスト法）により鋳造することが好ましい。

Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｂ合金からなる荒引き線の線径としては、特に限定されないが、通常、２０〜３４ｍｍφ程度である。

次いで、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｂ合金からなる荒引き線について、伸線加工を行うことにより、本実施形態の伸線材を得ることができる。伸線加工においては、得られる伸線材が所望の断面形状および断面積を有するような条件にて加工を行えばよいが、トロリ線用途とする場合には、通常、断面積は１００〜２００ｍｍ^２の範囲となる。

なお、本実施形態において、伸線加工を行う方法としては特に限定されず、公知の方法を制限なく用いることができるが、伸線加工用のダイスを使用して伸線する方法などが挙げられる。また、伸線加工に際しては、一度の伸線加工により所望の断面形状および断面積を有する伸線材を得る方法を採用してもよいし、あるいは、伸線加工を複数回行うことで、所望の断面形状および断面積を有する伸線材を得る方法を採用してもよい。

本実施形態の伸線材は、Ｍｇを０．４〜０．８重量％、Ｎｂを０．００５重量％以上含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなるものであり、このような本実施形態の伸線材によれば、導電性、引張強度および耐疲労特性に優れるものであるため、このような特性が要求される用途、具体的には、電車の給電設備としてのトロリ線および吊架線として、特にトロリ線として好ましく用いられるものであり、一例を挙げると、走行速度３００ｋｍ／ｈ以上の高速鉄道のトロリ線用途などに好適に用いることができる。

なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

以下に、実施例を挙げて、本発明についてより具体的に説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。

＜実施例１〜１５、比較例１〜１５、参考例１〜５＞
まず、原料として、電気銅と、Ｃｕ−Ｍｇ合金（Ｃｕ：５０重量％、Ｍｇ：５０重量％）と、Ｃｕ−Ｎｂ合金（Ｃｕ：９０重量％、Ｎｂ：１０重量％）とを準備し、それぞれ秤量して黒鉛坩堝の中に充填し、Ｎ_２ガス雰囲気中で溶解し、溶湯温度が１２００℃となってから１０分間保持した後、上方引上連続鋳造法（アップキャスト法）によって、線径が３０〜３２ｍｍφの荒引き線を得た。なお、各実施例における、荒引き線を構成するＣｕ−Ｍｇ−Ｎｂ合金中のＭｇ濃度およびＮｂ濃度は、表１に示す値となるように調整した。

次いで、得られた荒引き線について、伸線加工用のダイスを使用して、伸線加工を行うことで、図１に示すような断面形状を有し、かつ、断面積が１１０ｍｍ^２である伸線材（トロリ線）を得た。

そして、得られたトロリ線用の伸線材について、引張強度、耐疲労特性、および導電率の各評価を行った。結果を表１示す。

引張強度（破断強度）は、ＵＬ１５８１に記載の方法に従って測定した。本実施例においては、４７０ＭＰａ以上を良好とし、４７０ＭＰａ以上のものを「○」、４７０ＭＰａ未満のものを「×」として評価した。

導電率は、６０％ＩＡＣＳ以上であるものを「○」とし、６０％ＩＡＣＳ以上であり、かつ、Ｎｂ添加による低下幅が、３％ＩＡＣＳ以内であるものを「◎」とし、一方、６０％ＩＡＣＳ未満であるものを「×」とした。
一例を挙げると、実施例１は、導電率が７８．７％ＩＡＣＳであり、Ｎｂを添加していない対応する参考例である参考例２の導電率７９．５％ＩＡＣＳに対して、Ｎｂ添加による低下幅が３％ＩＡＣＳ以内であるため、「◎」となる。なお、評価「◎」であるものは、Ｎｂの添加効果による、導電率の低下をより適切に抑えながら、耐疲労特性の向上を可能とするものであり、特に良好であると判断できるものである。

耐疲労特性は、歪７５０×１０^−６にて、１０^６回の曲げ疲労試験を行い、曲げ疲労試験の結果、断裂しなかったものを「○」とし、断裂したものを「×」として評価した。

表１より、Ｍｇを０．４〜０．８重量％、Ｎｂを０．００５重量％以上の範囲で含有するＣｕ−Ｍｇ−Ｎｂ合金からなる実施例１〜１５の伸線材は、導電率を６０％ＩＡＣＳ以上と高く保ちながら、引張強度および耐疲労特性に優れたものであることが確認できる。

一方、Ｍｇの含有量が０．３重量％と少なすぎる比較例１〜６は、引張強度に劣るものであった。
また、Ｎｂの含有量が０．００３重量％と少なすぎる比較例７〜１０は、耐疲労性に劣るものであった。なお、この点については、Ｎｂの含有量をゼロとした参考例１〜５も同様であった。
さらに、Ｍｇの含有量が１．０重量％と多すぎる比較例１１〜１５は、導電率が６０％ＩＡＣＳ未満となり、いずれも導電率に劣るものであった。

Claims

Ｍｇを０．４〜０．８重量％、Ｎｂを０．００５〜０．０３５重量％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる伸線材。
請求項１に記載の伸線材を用いたトロリ線。