JP6514883B2 - レールボンド用はんだ合金 - Google Patents

Description

本発明は、レールボンド用はんだ合金に関する。

鉄道の軌道は、道床（バラスト）、まくらぎ、鋼製レール（以下、単に「レール」という。）などから構成されている。
これらの構成のうち、レールは、車両の台車を誘導して進行させるガイドとしての役割だけでなく、帰線電流や、運行表示の切替やポイントの切替を行うための指示信号用電流やＡＴＳ用の制御信号用電流などを伝達させる電気導体としての役割も持っている。
ところで、鉄道のレールは、夏の暑さで熱膨張するため、レールとレールの継ぎ目には熱膨張する分に相当する隙間が設けられている。
そのため、レールとレールとの繋ぎ目は、電気的な導通を担保するためにレールボンドを介して接続されており、レールボンドとレールとは、はんだ合金（レールボンド用はんだ合金）で接合されている。

ここで、「レールボンド」とは、複数の銅線を束ね、その両端を、端子と称する黄銅製の金具で結束したものである。なお、レールボンドの仕様はＪＩＳ Ｅ ３６０１：１９９２に規定されている。

このようなレールボンド用はんだ合金（レールボンド用低温溶接ろう）としては、例えば、特許文献１には、「Ａｇ：０．５〜２重量％、Ｚｎ：７〜１５重量％、残部Ｓｎからなることを特徴とするレールボンド用はんだ合金。」が記載されており（［請求項１］）、また、「Ａｇ：０．５〜２重量％、Ｚｎ：７〜１５重量％、Ｓｂ：５重量％以下、および／またはＩｎ：５重量％以下、残部Ｓｎからなることを特徴とするレールボンド用低温溶接ろう。」が記載されている（［請求項２］）。

また、特許文献２には、「鋼製レールと信号ケーブルの結束端子との接合に用いる低温溶接ろうであって、固相線温度が２００℃以下、液相線温度が２６０℃以下であって、固相線温度と液相線温度の差が３０℃以上あることを特徴とするレールボンド用低温溶接ろう。」が記載されており（［請求項１］）、Ｚｎ：１１〜１５質量％、Ｂｉ：１〜５質量％、残部：Ｓｎの組成を有する低温溶接ろうが記載されている（［請求項３］）。

特開平８−２６７２７０号公報 特開２０１１−０１６１４５号公報

しかしながら、本発明者らが、レールボンド用はんだ合金について検討したところ、昨今の鉄道車両の高速化などに伴い、レール上の鉄道車両の通過による捩れや振動に対する接合強度（以下、「耐衝撃性」という。）の改善に余地があることが明らかとなった。

そこで、本発明は、耐衝撃性に優れた接合を形成することができるレールボンド用はんだ合金を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、Ｚｎとともに、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、ＶおよびＮｉからなる群から選択される少なくとも１種を特定量含有し、残部がＳｎからなるはんだ合金を用いることにより、レールボンドとレールとの接合が耐衝撃性に優れることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明者らは、以下の構成により上記課題が解決できることを見出した。

［１］ Ｓｎと、Ｚｎと、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、ＶおよびＮｉからなる群から選択される１種と、を含有し、
Ｚｎの含有量が１〜１２質量％であり、
Ｉｎを選択する場合の含有量が０．１〜４質量％であり、かつ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、ＶおよびＮｉからなる群から選択する場合の含有量がそれぞれ０．００１〜０．５質量％であり、
残部がＳｎからなる、レールボンド用はんだ合金。
［２］ Ｚｎの含有量が４〜８質量％である、［１］に記載のレールボンド用はんだ合金。
［３］ Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｔｉからなり、
Ｚｎの含有量が１〜１２質量％、Ｉｎの含有量が０．１〜４質量％、Ｔｉの含有量が０．００１〜０．５質量％であり、
残部がＳｎである、レールボンド用はんだ合金。

以下に示すように、本発明によれば、耐衝撃性に優れた接合を形成することができるレールボンド用はんだ合金を提供することができる。

また、本発明のレールボンド用はんだ合金は、はんだ付け時にレールに対する熱影響が少なく、容易かつ短時間で接合することができるため、作業性が良好となり、非常に有用である。

図１は、レールボンドとレールのとの接合態様の一例を示す模式的な説明図である。 図２は、落下衝撃試験機を模式的に示す側面図である。

以下に、本発明のレールボンド用はんだ合金について説明する。
なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味し、含有量の％表記は、質量％を意味する。

〔レールボンド用はんだ合金〕
本発明のレールボンド用はんだ合金（以下、単に「本発明のはんだ合金」ともいう。）は、Ｓｎと、Ｚｎと、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、ＶおよびＮｉからなる群から選択される少なくとも１種と、を含有し、Ｚｎの含有量が１〜１２％であり、Ｉｎを選択する場合の含有量が０．１〜４％であり、かつ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、ＶおよびＮｉからなる群から選択する場合の含有量がそれぞれ０．００１〜０．５％であり、残部がＳｎからなる、レールボンド用のはんだ合金である。

本発明のはんだ合金は、上述したように、ＳｎおよびＺｎとともに、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、ＶおよびＮｉからなる群から選択される少なくとも１種を特定量含有することにより、レールボンドとレールとの接合の耐衝撃性が良好となる。
これは、詳細には明らかではないが、およそ以下のとおりと推測される。
すなわち、ＳｎおよびＺｎとともに、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、ＶおよびＮｉからなる群から選択される少なくとも１種を特定量配合することにより、はんだ合金の引張強さ（応力）と破断伸び（モジュラス）のバランスが良好となり、レールボンドとレールとの接合部において靱性（ねばり）が発現し、接合部に応力や衝撃力の集中点が形成されなくなったためと考えられる。
以下に、本発明のレールボンド用はんだ合金の合金組成について詳述する。

＜Ｚｎ＞
本発明のはんだ合金は、Ｚｎを１〜１２％含有する。
ここで、Ｚｎは耐衝撃性に影響する元素であり、Ｚｎの含有量が１％未満であると耐衝撃性が発現せず、１２％より多いと耐衝撃性が却って劣ることになる。
本発明においては、Ｚｎの含有量は、４〜８％であるのが好ましい。

＜Ｉｎ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、ＶおよびＮｉ＞
本発明のはんだ合金は、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、ＶおよびＮｉからなる群から選択される少なくとも１種を含有し、Ｉｎを選択する場合の含有量は０．１〜４％であり、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、ＶおよびＮｉからなる群から選択する場合の含有量は０．００１〜０．５％である。
なお、Ｔｉ、Ｃｏなどを選択する場合の含有量（０．００１〜０．５％）は、合計の含有量ではなく、各元素それぞれ独立の含有量である。
次に、これらの各元素の添加理由および含有量について説明する。

〈Ｉｎ〉
Ｉｎは耐衝撃性および作業性に影響する元素であり、Ｉｎの含有量が０．１％未満であると作業性が劣り、４％より多いと耐衝撃性が劣ることになる。
本発明においては、Ｉｎを含有する場合の含有量は、１〜３％であるのが好ましい。

〈Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、ＶおよびＮｉ〉
Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、ＶおよびＮｉは、いずれも耐衝撃性に影響する元素であり、各元素の含有量が０．００１％未満であると耐衝撃性が発現せず、０．５％より多いと耐衝撃性が却って劣ることになる。
本発明においては、これらの各元素の含有量は、０．０１〜０．１％であるのが好ましい。

本発明においては、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、ＶおよびＮｉのうち、レール接合時の条件（例えば、はんだ合金が溶融するのに要する温度や時間など）が緩和され、接合の作業性が良好となる等の理由から、少なくともＩｎまたはＴｉを含有するのが好ましく、耐衝撃性が更に向上する理由から、少なくともＴｉを含有するのがより好ましい。

＜微量添加元素＞
本発明のはんだ合金は、レールボンドとレールとの接合の耐衝撃性に優れるという効果に影響を与えない限度において、作業性の改善などの観点から必要に応じて、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、ＳｂおよびＢｉからなる群から選択される少なくとも１種を、合計して０．５％以下含有していてもよい。

〔接合態様〕
本発明のはんだ合金を用いた、レールボンドとレールとの接合について、図１を用いて説明する。
図１は、レールボンドとレールとの接合態様、つまり信号ケーブルの結束端子の接合態様の一例を示す模式的な説明図である。
図１に示すように、２つのレール１０は、その端部に僅かな隙間を設けて、まくらぎ１２上に固定されている。そして、２つのレール１０の間は、上記隙間のためにレール自体では電気的導通がとれていないので、レールボンド１４によって電気的導通をとっている。図示例の場合、２本のレールボンドが接合されている。

各レールボンド１４は、信号ケーブルを構成する複数の銅線束１６と、銅線束の両端に設けられ、それを結束する金具１８と、この金具１８を支持するとともに、レールとのはんだ付け面を構成する端子２０とから構成される。
この端子２０は、複数の銅線束からなる信号ケーブルの結束端子を構成するもので、銅製であって、それ自体はんだ付け性は良好である。以下、この信号ケーブルの結束端子は単に「端子」と称する。

レール１０とレールボンド１４とのはんだ付けは、レールの予熱、レールボンドの端子とレールとの治具による固定、レールボンド端子とレールとの隙間への溶融はんだ合金の充填、そして、治具の取り外し、によって行う。
なお、レール１０とレールボンド１４とを治具（図示せず）で固定してから、金具部１８にパテ詰めを行い、加熱により溶融したはんだ合金が、レールとレールボンドとの隙間から溢れて銅線束のほうに流れないようにする。

＜実施例１〜１０および比較例１〜１１＞
以下、実施例を用いて、本発明のはんだ合金について詳細に説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。

＜強度＞
下記表１に示す合金組成を有するはんだ合金を用いて、ＪＩＳ Ｚ２２４１：２０１１（金属材料引張試験方法）の付属書Ｄに記載された４号試験片を作製し、同ＪＩＳに記載された方法に従って、引張強さ（ＭＰａ）を測定した。結果を下記表１に示す。

＜伸び＞
下記表１に示す合金組成を有するはんだ合金を用いて、ＪＩＳ Ｚ２２４１：２０１１（金属材料引張試験方法）の付属書Ｄに記載された４号試験片を作製し、同ＪＩＳに記載された方法に従って、破断伸び（％）を測定した。結果を下記表１に示す。

＜耐衝撃性＞
鉄製の鋼板（長さ１２０ｍｍ×幅３０ｍｍ×厚み１ｍｍ）の中央部に、下記表１に示す合金組成を有するはんだ合金を用いて、銅片（長さ３０ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚み２ｍｍ）を接合した試験片（以下、「接合試験片」という。）を作製した。
作製した接合試験片をＪＥＤＥＣ（半導体技術協会）で規格された落下衝撃試験を実施できる落下衝撃試験機（例えば、図２参照）を用いて、衝撃加速度２０００ｍ／ｓｅｃ^２で落下させる落下試験を行い、鋼板と銅片が剥離またはこれらの接合部が破壊されるまでの回数（落下回数）を調べた。
その結果、落下回数が５０００回以上であったものを耐衝撃性に優れるものとして「○」と評価し、落下回数が１０００〜４９９９回であったものを耐衝撃性にやや劣るものとして「△」と評価し、落下回数が９９９回以下であったものを耐衝撃性に劣るものとして「×」と評価した。
これらの結果を下記表１に示す。

＜作業性＞
下記表１に示す合金組成を有するはんだ合金の溶融温度を示差熱分析装置で測定した。なお、下記表１中、例えば、実施例１における「１９１−２０９」との表記は、１９１℃が固相線温度で、２０９℃が液相線温度であることを意味する。
その結果、なるべく低い温度ではんだ合金が溶融した方がはんだ付け作業の時間を短縮でき、作業性がよいと言えるため、固相線温度が１８０℃未満であるものを作業性に非常に優れるものとして「◎」と評価し、固相線温度が１８０℃以上２００℃未満であるものを作業性に優れるものとして「○」と評価し、固相線温度が２００℃以上であるものを作業性に劣るものとして「×」と評価した。
これらの結果を下記表１に示す。

表１に示す結果から、比較例１〜１１はいずれも耐衝撃性に劣ることが分かった。特に、ＳｎおよびＺｎとともに、Ｃｄ、ＡｇまたはＢｉを含有する従来公知のレールボンド用はんだ合金（比較例８〜１０）であっても、いずれも耐衝撃性に劣ることが分かった。
これに対し、Ｚｎとともに、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、ＶおよびＮｉからなる群から選択される少なくとも１種を特定量含有し、残部がＳｎからなる実施例１〜１０のはんだ合金は、いずれも耐衝撃性が良好となることが分かった。
また、実施例１〜１０のはんだ合金は、いずれも作業性が良好となることも分かった。
特に、実施例１〜１０のはんだ合金のうち、Ｔｉを含有する実施例５、７および１０は、他の実施例と比較しても落下回数が多くなり、耐衝撃性がより良好であることが分かった。

１０ レール
１２ まくらぎ
１４ レールボンド
１６ 銅線束
１８ 金具
２０ 端子
３０ 落下衝撃試験機
３２ 試験片
３４ 落下台
３６ ガイドロッド
３８ 土台

Claims (3)

1. Ｓｎと、Ｚｎと、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、ＶおよびＮｉからなる群から選択される１種と、を含有し、
   Ｚｎの含有量が１〜１２質量％であり、
   Ｉｎを選択する場合の含有量が０．１〜４質量％であり、かつ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、ＶおよびＮｉからなる群から選択する場合の含有量がそれぞれ０．００１〜０．５質量％であり、
   残部がＳｎからなる、レールボンド用はんだ合金。
2. Ｚｎの含有量が４〜８質量％である、請求項１に記載のレールボンド用はんだ合金。
3. Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｔｉからなり、
   Ｚｎの含有量が１〜１２質量％、Ｉｎの含有量が０．１〜４質量％、Ｔｉの含有量が０．００１〜０．５質量％であり、
   残部がＳｎである、レールボンド用はんだ合金。

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