JP7022320B2

JP7022320B2 - 銅合金線

Info

Publication number: JP7022320B2
Application number: JP2018026065A
Authority: JP
Inventors: 亨鷲見; 正義青山; 昌平秦; 孝早坂; 威宇佐美; 隆裕佐藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2018-02-16
Filing date: 2018-02-16
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2038-02-16
Also published as: JP2019143175A

Description

本発明は、銅合金線に関する。

トロリ線などの電車線に用いられる銅合金線では、高い導電率と耐摩耗性を有する銅合金線が使用されている。このような銅合金線としては、例えばＳｎが０．１重量％以上０．４重量％以下で含有され、さらにＳｎよりも酸素との親和力が大きい添加元素が０．０１重量％以上０．４重量％以下で含有されたものが知られている（特許文献１参照）。そして、特許文献１に記載の銅合金線では、４５０ＭＰａ以上の引張強度及び６０％ＩＡＣＳ以上８０％ＩＡＣＳ未満の導電率を有する銅合金線が得られるとされている。

特開２００８－００１９３３号公報

特許文献１に記載されているようなＳｎを含有する銅合金線では、細径化と大電流化とが求められている用途へ適用したいため、高い引張強度を有しつつ、導電率を更に高くしたい。

したがって、本発明の目的は、高い引張強度と高い導電率とを有する銅合金線を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記の銅合金線を提供する。

［１］１０００ｍａｓｓｐｐｍ以上３０００ｍａｓｓｐｐｍ以下のＳｎと、Ｔｉと、酸素と、を含有し、残部が銅と不可避不純物からなり、前記銅中に前記Ｓｎと前記Ｔｉと前記酸素との化合物が存在している銅合金線。
［２］前記化合物は、前記銅中の結晶粒内、及び結晶粒界に存在している上記［１］に記載の銅合金線。
［３］前記銅中には、前記Ｓｎと前記酸素とからなるＳｎ酸化物を有する上記［１］又は［２］に記載の銅合金線。
［４］前記銅中には、前記Ｔｉと前記酸素とからなるＴｉ酸化物を有する上記［１］又は［２］に記載の銅合金線。
［５］前記Ｔｉは、８０ｍａｓｓｐｐｍ以上１５０ｍａｓｓｐｐｍ以下で含有されており、前記酸素は、１００ｍａｓｓｐｐｍ以上３００ｍａｓｓｐｐｍ以下で含有されている上記［１］～［４］のいずれか１つに記載の銅合金線。
［６］導電率が８０％ＩＡＣＳ以上であり、引張強度が４７０ＭＰａ以上である上記［１］～［５］のいずれか１つに記載の銅合金線。

本発明によれば、高い引張強度と高い導電率とを有する銅合金線を提供することができる。

本実施の形態に係る銅合金線の製造方法を示す図である。鋳造材の横断面におけるビッカース硬さを示す図である。

〔銅合金線〕
本実施の形態に係る銅合金線は、１０００ｍａｓｓｐｐｍ以上３０００ｍａｓｓｐｐｍ以下のＳｎと、チタン（Ｔｉ）と、酸素（Ｏ）と、を含有し、残部が銅と不可避不純物からなり、前記銅中に前記Ｓｎと前記Ｔｉと前記酸素との化合物が存在しているものである。

本実施の形態に係る銅合金線では、Ｓｎが１０００ｍａｓｓｐｐｍ以上３０００ｍａｓｓｐｐｍ以下で含有されていることにより、銅中へＳｎが固溶するとともに、ＳｎとＴｉと酸素とで構成される化合物が銅中に存在するため、高い引張強度と高い導電率とを有する銅合金線とすることができる。

このとき、Ｓｎとともに含有されるＴｉは、８０ｍａｓｓｐｐｍ以上１５０ｍａｓｓｐｐｍ以下の含有量で含有されることが好ましく、Ｓｎとともに含有される酸素は、１００ｍａｓｓｐｐｍ以上３００ｍａｓｓｐｐｍ以下の含有量で含有されることが好ましい。銅合金線では、Ｔｉが８０ｍａｓｓｐｐｍ以上１５０ｍａｓｓｐｐｍ以下で含有され、さらに、酸素が１００ｍａｓｓｐｐｍ以上３００ｍａｓｓｐｐｍ以下で含有されていることにより、ＳｎとＴｉと酸素との化合物が形成されやすくなるため、後述するＳｎ酸化物が針状の化合物に成長しにくくなる。その結果、得られる銅合金線では、高い引張強度と高い導電率とを有することに加えて、断線が生じにくくなる。

本実施の形態に係る銅合金線では、銅中にＳｎとＴｉと酸素との化合物が存在している。この化合物としては、Ｓｎ－Ｏ－Ｔｉである。Ｓｎ－Ｏ－Ｔｉからなる化合物は、銅の結晶粒界や結晶粒内に存在している。銅合金線は、このようなＳｎ－Ｏ－Ｔｉからなる化合物が銅中に存在していることにより、Ｓｎのみを添加してＳｎ－ＯからなるＳｎ酸化物が結晶粒界のみに存在する場合と比べて、結晶粒内、及び結晶粒界に存在するＳｎ－Ｏ－Ｔｉからなる化合物が銅の結晶粒径を小さくするとともに、Ｓｎ－ＯからなるＳｎ酸化物を針状の化合物へ成長するのを抑制することができる。なお、Ｓｎ－Ｏ－Ｔｉからなる化合物の大きさは、例えば、平均粒径が０．５μｍ以上３．５μｍ以下であることが好ましい。このような大きさの化合物とすることにより、結晶粒径を微細にすることができるため、高い引張強度が得られやすくなる。

すなわち、本発明の実施の形態に係る銅合金線では、特定の含有量で含有するＳｎがＳｎ－Ｏ－Ｔｉからなる化合物の状態で結晶粒内、及び結晶粒界に存在しており、銅中に固溶しているＳｎの固溶量が少ないため、Ｓｎの含有量を多くして引張強度を高くするとともに、導電率を従来よりも高くすることができる。

また、銅合金線では、Ｓｎ－Ｏ－Ｔｉからなる化合物以外に、銅中にＳｎと酸素とからなるＳｎ酸化物、Ｔｉと酸素とからなるＴｉ酸化物が存在している。このＳｎ酸化物及びＴｉ酸化物は、平均粒径が１０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、０．５μｍ以上３．５μｍ以下である。なお、銅合金線は、このようなＳｎ酸化物及びＴｉ酸化物が銅中に存在していることにより、結晶粒径を微細にすることができるため、高い引張強度が得られやすくなる。

銅合金線は、Ｓｎ及びＴｉ以外の添加元素としてＭｇなどが含有されていてもよい。特に、Ｍｇが銅中に固溶していることにより、銅合金線の引張強度を向上させることができる。なお、Ｍｇなどの添加元素は、銅合金線に１００ｍａｓｓｐｐｍ以上２０００ｍａｓｓｐｐｍ以下で含有されていることが好ましい。

〔銅合金線の製造方法〕
次に、上述した銅合金線の製造方法について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る銅合金線の製造方法を示す図である。

本実施の形態に係る銅合金線の製造方法は、図１に示すように、酸素を含む銅母材１１を溶解してなる溶銅１４を得る溶解工程（Ｆ１）と、溶銅１４を鋳造することによって鋳造材１５を得る鋳造工程（Ｆ２）と、鋳造材１５を熱間圧延することによって圧延材（銅合金線材ともいう）１６を得る熱間圧延工程（Ｆ３）と、銅合金線材１６を洗浄して巻き取る洗浄・巻取り工程（Ｆ４）と、前工程で得られた荒引き線１７を冷間加工する冷間加工工程（Ｆ５）と、を少なくとも含むものである。

（溶解工程）
溶解工程では、得られる銅合金線１８の酸素が１００ｍａｓｓｐｐｍ以上３００ｍａｓｓｐｐｍ以下であり、Ｔｉが８０ｍａｓｓｐｐｍ以上１５０ｍａｓｓｐｐｍ以下であり、Ｓｎが１０００ｍａｓｓｐｐｍ以上３０００ｍａｓｓｐｐｍ以下であるものになるように、溶解した銅母材にＳｎ及びＴｉを添加する。具体的には、酸素を含む銅母材を溶解して得られる溶銅にＳｎを添加し、次いでＳｎが添加されている溶銅にＴｉを添加することにより溶銅１４が得られる。このように、溶解された銅母材からなる溶銅へＳｎを添加した後にＴｉを添加することにより、ＳｎがＴｉよりも優先してＯ（酸素）と反応し、Ｓｎ－Ｏ－Ｔｉからなる化合物を分散させることができる。そのため、高い引張強度と高い導電率とを有する銅合金線１８を得ることができる。

銅母材１１としては、タフピッチ銅、無酸素銅、高純度銅などの純銅からなる電気銅を使用することができる。溶解工程では、このような電気銅からなる銅母材１１を例えば１１２０℃以上１１５０℃以下で加熱することによって溶解を行い、上述した手順でＳｎ及びＴｉを添加することによって溶銅１４を得る。

なお、溶銅１４に上述したＳｎ及びＴｉ以外の添加元素（例えば、Ｍｇなど）をさらに添加させることもできる。この場合には、Ｓｎ及びＴｉを添加した後にＭｇなどの添加元素を添加することが好ましい。溶銅１４では、特に添加元素としてＭｇを添加することにより、得られる銅合金線の引張強度をさらに高めるのに効果的である。

（鋳造工程）
次に、鋳造工程（Ｆ２）において、溶解工程で得られた溶銅１４は、例えばベルト＆ホイール方式の連続鋳造に供される。具体的には、鋳造温度（１１００℃以上１１５０℃以下）で鋳造を行うと共に、鋳型を強制水冷し、溶銅１４の凝固温度より少なくとも１５℃以上低い温度まで急速冷却することによって鋳造材１５が得られる。

図２は、鋳造工程で得られる鋳造材１５の横断面におけるビッカース硬さを示す図である。なお、ビッカース硬さは、鋳造材１５に対してＪＩＳＺ２２４４に準拠する方法を用いてビッカース硬さ試験を行った。なお、ビッカース硬さ試験における試験力は、１．９６Ｎとした。また、図２において、試料１は、酸素が３００ｍａｓｓｐｐｍ、Ｔｉが１５０ｍａｓｓｐｐｍ含有し、残部が銅と不可避不純物からなる鋳造材であり、試料２は、酸素が３００ｍａｓｓｐｐｍ、Ｓｎが３０００ｍａｓｓｐｐｍ含有し、残部が銅と不可避不純物からなる鋳造材であり、試料３は、酸素が３００ｍａｓｓｐｐｍ、Ｓｎが１０００ｍａｓｓｐｐｍ、Ｔｉが１５０ｍａｓｓｐｐｍ含有し、残部が銅と不可避不純物からなる鋳造材であり、試料４は、酸素が３００ｍａｓｓｐｐｍ、Ｓｎが３０００ｍａｓｓｐｐｍ、Ｔｉが１５０ｍａｓｓｐｐｍ含有し、残部が銅と不可避不純物からなる鋳造材である。

本実施の形態に係る鋳造材１５では、図２の試料３～４に示す通り、ビッカース硬さが９５ＨＶ以上であり、非常に高い強度を有していることが分かる。このような強度の高い鋳造材１５を用いて得られる銅合金線は、高い引張強度（例えば、４７０ＭＰａ以上の引張強度）を有することができる。

（熱間圧延工程）
次に、熱間圧延工程（Ｆ３）において、前工程で得られた鋳造材１５の温度を９００℃以下、好ましくは７５０℃以上９００℃以下に調整した状態で最初の圧延が行われる。その後、鋳造材１５には、熱間圧延が多段に施される。最終圧延時において、５００℃以上６００℃以下の圧延温度で熱間圧延加工を施し、圧延材（銅合金線材）１６が形成される。最終圧延温度が、５００℃以上６００℃以下であると、圧延加工時に圧延材１６の表面に傷が発生して表面品質が低下することを防止することができるとともに、圧延材１６の結晶組織が粗大化するのを防止することができる。また、銅合金導体１８の引張強度を向上させるためには、熱間圧延加工における加工度を高めて圧延材１６及び荒引き線１７の引張強度を十分に向上させておくことがよい。

（洗浄・巻取り工程）
次に、洗浄・巻取り工程（Ｆ４）において、全工程で得られた圧延材１６を洗浄し、巻取りを行い、荒引き線１７が得られる。巻取った荒引き線１７の直径は、例えば、８ｍｍ以上４０ｍｍ以下、好ましくは８ｍｍ以上３０ｍｍ以下とされる。例えば、トロリ線としての銅合金線１８を得るための荒引き線１７の直径は、２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下が好ましい。

（冷間加工工程）
最後に、冷間加工工程（Ｆ５）において、巻取った荒引き線１７を送り出し、その荒引き線１７に、－１９３℃（液体窒素温度）以上１００℃以下、好ましくは－１９３℃以上２５℃以下の温度で冷間加工（伸線加工）を行う。これによって、直径が１５ｍｍ以下の銅合金線１８が得られる。

ここで、連続伸線時の加工熱が、銅合金線１８に及ぼす影響（引張強度の低下など）を少なくするため、引抜きダイスなどの冷間加工装置の冷却を行い、加工される線材の温度が１００℃以下、好ましくは２５℃以下となるように調整を行う。また、冷間加工における加工度を５０％以上とすることが好ましい。ここで、加工度が５０％以上とすることにより、４２０ＭＰａを超える引張強度を得るのに効果的である。

得られた銅合金線１８は、例えば公称断面積が１１０ｍｍ²以上１７０ｍｍ²以下のトロリ線、ロボットケーブル、又は鉄道車両用途や医療用途に適用される電線やケーブルの中心導体や外部導体などとされる。

〔実施の形態の効果〕
本実施の形態によれば、高い導電率（例えば、８０％ＩＡＣＳ以上の導電率）と高い引張強度（例えば、４７０ＭＰａ以上の引張強度）を有する銅合金線１８を得ることができる。また、本実施の形態によれば、既存あるいは慣用の連続鋳造圧延設備や冷間加工装置を使用することができるため、高い導電率と高い引張強度を有する銅合金線１８を低コストで製造することができる。

表１では、実施例及び比較例で得られる銅合金線における酸素、Ｓｎ、Ｔｉの含有量、Ｓｎ－Ｏ－Ｔｉからなる化合物の有無、導電率、及び引張強度を示す。

実施例１～２の銅合金線は、以下の方法によって製造した。具体的には、銅母材を１１２０℃以上１１５０℃以下で加熱することによって溶解を行い、溶解した銅母材にＳｎを添加した後にＴｉを添加することにより溶銅を製造し、当該溶銅を連続鋳造して鋳造材を製造し、当該鋳造材を７５０℃以上９００℃以下の温度で最初の圧延を行った後、最終圧延時の温度が５００℃以上６００℃以下となるように熱間圧延を多段に施すことによって圧延材を製造し、当該圧延材を洗浄して巻取ることにより、直径が３０ｍｍの荒引き線を製造した。この荒引き線に対して冷間加工を行うことにより、表１に示す含有量からなり、直径が１４ｍｍの銅合金を製造した。

比較例１～２の銅合金線は、以下の方法によって製造した。具体的には、銅母材を１１２０℃以上１１５０℃以下で加熱することによって溶解を行い、溶解した銅母材にＳｎ、又はＴｉを添加することにより溶銅を製造し、当該溶銅を連続鋳造して鋳造材を製造し、当該鋳造材を７５０℃以上９００℃以下の温度で最初の圧延を行った後、最終圧延時の温度が５００℃以上６００℃以下となるように熱間圧延を多段に施すことによって圧延材を製造し、当該圧延材を洗浄して巻取ることにより、直径が３０ｍｍの荒引き線を製造した。この荒引き線に対して冷間加工を行うことにより、表１に示す含有量からなり、直径が１４ｍｍの銅合金を製造した。

導電率は、得られた銅合金線に対して、ＪＣＢＡＴ６０３渦流式導電率計による導電率測定方法に準拠する方法によって評価した。また、引張強度は、得られた銅合金線に対して、ＪＩＳＣ３００２に準拠する方法によって評価した。さらに、化合物の有無は、得られた銅合金線に対して、ＳＥＭ観察、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）分析によってＳｎ－Ｏ－Ｔｉからなる化合物を特定した。

表１に示すように、１０００ｍａｓｓｐｐｍ以上３０００ｍａｓｓｐｐｍ以下のＳｎと、Ｔｉと、酸素と、を含有し、銅中にＳｎとＴｉと酸素との化合物が存在している実施例１～２の各銅合金線では、高い導電率（８３％ＩＡＣＳ以上）と高い引張強度（４７０ＭＰａ以上）とをともに有することが分かる。これに対して、銅中にＳｎとＴｉと酸素との化合物が存在していない比較例１～２の各銅合金線では、引張強度が実施例１～２に比べて低いことが分かる。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

また、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１１銅母材
１４溶銅
１５鋳造材
１６圧延材
１８銅合金線

Claims

１０００ｍａｓｓｐｐｍ以上３０００ｍａｓｓｐｐｍ以下のＳｎと、８０ｍａｓｓｐｐｍ以上１５０ｍａｓｓｐｐｍ以下のＴｉと、１００ｍａｓｓｐｐｍ以上３００ｍａｓｓｐｐｍ以下の酸素と、を含有し、残部が銅と不可避不純物からなり、前記銅中に前記Ｓｎと前記Ｔｉと前記酸素との化合物が存在している銅合金線。
前記化合物は、前記銅中の結晶粒内、及び結晶粒界に存在している請求項１に記載の銅合金線。
前記銅中には、前記Ｓｎと前記酸素とからなるＳｎ酸化物を有する請求項１又は２に記載の銅合金線。
前記銅中には、前記Ｔｉと前記酸素とからなるＴｉ酸化物を有する請求項１又は２に記載の銅合金線。
導電率が８０％ＩＡＣＳ以上であり、引張強度が４７０ＭＰａ以上である請求項１～４のいずれか１項に記載の銅合金線。