JP7080174B2 - アルミニウム合金線、架空送電線、及びアルミニウム合金線の製造方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2016年09月30日付の日本国出願の特願2016-193970に基づく優先権を主張し、前記日本国出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
Siを0質量%以上0.03質量%以下、
Feを0.05質量%以上0.25質量%以下、
Zrを0.01質量%以上0.05質量%以下含有し、
残部がAl及び不純物から構成され、
線径が1.5mm超である。
上記のアルミニウム合金線が複数撚り合わされてなる撚線部を含む。
Siを0質量%以上0.03質量%以下、Feを0.05質量%以上0.25質量%以下、Zrを0.01質量%以上0.05質量%以下含有し、残部がAl及び不純物から構成されるアルミニウム合金を鋳造して鋳造材を製造する鋳造工程と、
前記鋳造材に、圧延加工及び伸線加工の少なくとも一方を含む塑性加工を施して、線径が1.5mm超の線材を製造する加工工程とを備え、
前記鋳造工程では、鋳造時の冷却速度を5℃/秒以上とする。
昨今の電力事情を鑑みると、送電損失をより低減することが望まれる。送電損失の低減には、架空送電線や配電線の電気抵抗を低下することが好ましい。上記電気抵抗の低下には、上記架空送電線や配電線などに備える導体の導電率をより高めることが好ましい。上述の従来の導電用耐熱アルミ合金線では、導電率が十分に高いとはいえず、導電率の更なる向上が望まれる。
上記の本開示のアルミニウム合金線は、高い導電率と優れた耐熱性とをバランスよく備える。上記の本開示の架空送電線は、低い電気抵抗と優れた耐熱性とをバランスよく備える。
本発明者らは、Siをある程度含有すると、具体的には0.03質量%超、更には0.05質量%以上含有すると強度を高め易いものの、SiはZr及びFeに比較して耐熱性の向上に対する寄与が低いとの知見を得た。一方、Siを十分に低減すれば導電率を向上できるとの知見を得た。また、Siの低減によって、SiとZrやFeとが凝固時に化合物を形成して晶出・析出することを防ぐことができ、Zr及びFeが母相であるAlに固溶し易くなる結果、これらの固溶によって、耐熱性に優れる上に強度にも優れるとの知見を得た。更に、Zr及びFeを適切に固溶できるため、Zr及びFeの含有量がより少ない場合でも、耐熱性及び強度がある程度高い上に、Zr及びFeの低減によって導電率をより高められるとの知見を得た。本願発明は、上記の知見に基づくものである。
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。
Siを0質量%以上0.03質量%以下、
Feを0.05質量%以上0.25質量%以下、
Zrを0.01質量%以上0.05質量%以下含有し、
残部がAl及び不純物から構成され、
線径が1.5mm超である。
Zrの含有量の5倍と、Feの含有量との和(5×Zr+Fe)が0.17質量%以上である形態が挙げられる。
Zrの含有量の5倍と、Feの含有量と、Siの含有量の2倍との和(5×Zr+Fe+2×Si)が0.34質量%以下である形態が挙げられる。
室温での導電率が61%IACS以上である形態が挙げられる。上記室温とは20℃±15℃程度とする。以下、室温について同様とする。
230℃で1時間加熱後の引張強さの残存率が90%以上である形態が挙げられる。
室温での引張強さが耐熱アルミ合金電線 電気学会電気規格調査会標準規格 JEC-3406において、径ごとに規定される平均の引張強さ以上である形態が挙げられる。
Siを0.01質量%以上含有する形態が挙げられる。
上記(1)から(7)のいずれか一つに記載のアルミニウム合金線が複数撚り合わされてなる撚線部を含む。
鋼線を含むテンションメンバと、前記テンションメンバの外周に複数の前記アルミニウム合金線が撚り合わされてなる前記撚線部とを備える形態が挙げられる。
前記テンションメンバは、アルミニウム被覆鋼線及び亜鉛めっき鋼線の少なくとも一方を含む形態が挙げられる。
Siを0質量%以上0.03質量%以下、Feを0.05質量%以上0.25質量%以下、Zrを0.01質量%以上0.05質量%以下含有し、残部がAl及び不純物から構成されるアルミニウム合金を鋳造して鋳造材を製造する鋳造工程と、
前記鋳造材に、圧延加工及び伸線加工の少なくとも一方を含む塑性加工を施して、線径が1.5mm超の線材を製造する加工工程とを備え、
前記鋳造工程では、鋳造時の冷却速度を5℃/秒以上とする。
Zr及びFeを特定の範囲で含有すると共に、鋳造時の冷却速度を特定の大きさとして急冷するため、両元素を良好に固溶できる。特に、Siの含有量を非常に少なくするため、Zr及びFeが母相に固溶し易いことからも、Zr及びFeを十分に固溶できる。かつ、時効処理などの熱処理を行わないことで、Zr及びFeが固溶したAl合金線を得易い。また、急冷によって微細な結晶組織の鋳造材とし易く、最終的にも微細な結晶組織を有するAl合金線を得易い。このようなAl合金線は、定性的には高温時に引張強さなどの強度の低下が少なく、耐熱性に優れる線材であるからである。
(導電性)
Siの含有量が非常に少ないため、Si自体の含有による導電率の低下を抑制できるからである。上述のようにZr及びFeの含有量をより低減した場合には、導電率の低下をより抑制し易いからである。
(生産性)
時効処理などの熱処理を別途行うことなく、耐熱性及び導電性に優れる上記のAl合金線を製造できるからである。
前記加工工程では、冷間加工を含み、前記冷間加工開始時の素材の線径を8mm以上15mm以下とする形態が挙げられる。
以下、本願発明の実施形態を具体的に説明する。元素の含有量は、断りが無い限り質量%を示す。
(組成)
実施形態のアルミニウム合金線(Al合金線)は、電線などの導体に適した線材であり、Zr及びFeを必須元素とし、適宜Siを含む特定の組成のアルミニウム合金(Al合金)で構成されることを特徴の一つとする。上記のAl合金は、Siを0%以上0.03%以下、Feを0.05%以上0.25%以下、Zrを0.01%以上0.05%以下含有し、残部がAl及び不純物から構成される耐熱性Al合金である。上記不純物とは不可避なものをいう。まず、各添加元素を詳細に説明する。
Al合金中のFeは、主として母相であるAlに固溶して固溶強化元素として機能する。Feの固溶によって室温での引張強さといった強度を高められる。また、Feの固溶によって高温時に引張強さが低下し難く、耐熱性の向上に寄与する。Feの一部がAlとの化合物(Al3Fe,Al6Feなどの析出物)として存在することを許容する。このFeを含む析出物は、析出強化に寄与すると考えられるからである。
Feを0.25%以下の範囲で含有すると、固溶したFeやFeを含む化合物による導電率の低下を抑制し易く、導電率が高いAl合金線とすることができる。高導電性などを望む場合には、Feの含有量を0.2%以下、更に0.15%以下とすることができる。
Zrは、特に耐熱性の向上に寄与する。詳しくは、Zrは、主として、母相であるAlに固溶して存在し、高温時の強度の低下を抑制して高温時でも高い強度を維持することに寄与する。
Zrを0.05%以下の範囲で含有すると、Zrの固溶量の増大による導電率の低下を抑制して、導電率が高いAl合金線とすることができる。高導電率などを望む場合には、Zrの含有量を0.04%以下、更に0.03%以下とすることができる。
Zr及びFeの含有量が上述の特定の範囲を満たすことに加えて、両元素が特定の関係を満たすと、耐熱性に優れて好ましい。具体的には、Zrの含有量の5倍と、Feの含有量との和を(5×Zr+Fe)とするとき、この和(5×Zr+Fe)が質量割合で0.17%以上を満たすことが好ましい。この和(5×Zr+Fe)は特許文献1に基づくものである。
実施形態のAl合金線を構成するAl合金は、導電率の更なる向上の観点から、Siの含有量が0%であり、Siを含まない形態とすることができる。Siは、Zr及びFeに比較して、耐熱性の向上効果が高くない。逆に、Siを含まない場合、Zr及びFeがSiと化合物を形成することに消費されず、母相のAlに十分に固溶できるため、Zr及びFeの固溶による強度の向上効果、耐熱性の向上効果を良好に得られると考えられる。従って、Siを含まない形態は、高い導電率と優れた耐熱性とをバランスよく備えられる。
Siを上記の範囲で含む場合(0%超の場合)、Zr,Fe,Siの含有量が上述の特定の範囲を満たすことに加えて、これら三つの元素が特定の関係を満たすと、高い導電率を有し易く好ましい。具体的には、Zrの含有量の5倍と、Feの含有量と、Siの含有量の2倍との和を(5×Zr+Fe+2×Si)とするとき、この和(5×Zr+Fe+2×Si)が質量割合で0.34%以下を満たすことが好ましい。この和の求め方は後述する。
実施形態のAl合金線を構成するAl合金の組織として、Fe及びZrが主として固溶する組織が挙げられる。また、上記Al合金の組織として、微細な結晶組織が挙げられる。後述するように鋳造時に特定の速度で急冷することで微細な結晶組織を有する鋳造材が得られる。この鋳造材に圧延加工や伸線加工などの塑性加工を施してAl合金線を製造することで、Al合金線は微細な結晶組織を有し易い。Feの一部とAlとを含む析出物が均一的に分散して存在することを許容する。
・耐熱性
実施形態のAl合金線は、耐熱性に優れる。定量的には、230℃で1時間加熱後の引張強さの残存率が90%以上である形態が挙げられる。上記残存率は、[上記加熱後の引張強さ/室温での引張強さ]×100(%)とする。上記残存率が大きいほど、高温時の強度の低下が少なく耐熱性に優れるため、91%以上、更に92%以上、93%以上がより好ましい。
実施形態のAl合金線は、強度が高い。定量的には、室温での引張強さが耐熱アルミ合金電線 電気学会電気規格調査会標準規格 JEC-3406において、径ごとに規定される平均の引張強さ以上である形態が挙げられる。具体的には、以下が挙げられる。
線径2.6mm以上3.2mm未満のとき;179MPa以上
線径3.2mm以上3.7mm未満のとき;172MPa以上
線径3.7mm以上4.0mm未満のとき;169MPa以上
線径4.0mm以上5.0mm以下のとき;165MPa以上
上記の平均の引張強さが高いほど、高温時に強度が低下しても、残存する引張強さが高くなり易い。高強度などを望む場合には、Al合金線の引張強さを、上記平均の引張強さ+3MPa以上、上記平均の引張強さ+5MPa以上とすることができる。
実施形態のAl合金線は、導電性に優れる。定量的には、室温での導電率が61%IACS以上を満たす形態が挙げられる。上記導電率が高いほど、電気抵抗が低くなり易く、送電損失を低減できて好ましいため、上記導電率を61.1%IACS以上、更に61.2%IACS以上、61.3%IACS以上とすることができる。
実施形態のAl合金線は、代表的には、製造過程で伸線加工度(減面率)などの加工度を調整することで、種々の線径とすることができる。用途(後述)に応じて、線径(断面積)を適宜選択できる。特に、実施形態のAl合金線の線径を1.5mm超とすることで、TACSRなどの耐熱架空送電線の導体に適する。TACSRの規格線径は、例えば、2.3mm以上5.0mm以下が挙げられる。なお、実施形態のAl合金線の代表的な形状としては、横断面形状が円形である丸線が挙げられる。
実施形態のAl合金線は、電線、特に架空送電線などの裸電線、配電線などの被覆電線といった電力供給に利用される電線の導体に利用できる。実施形態のAl合金線は、上述のように導電性及び耐熱性の双方に優れるため、耐熱性が望まれる用途の電線、代表的にはTACSRなどといった耐熱架空送電線の素線に好適に利用できる。
実施形態の架空送電線1は、図1に示すように、実施形態のAl合金線12を複数撚り合せてなる撚線部2を備える。架空送電線1は、代表的には、複数の素線(図1ではAl合金線12及び後述の鋼線13)が同心撚りにされてなる同心撚線が挙げられる。架空送電線1の一例として、素線が全てAl合金線12である同心撚線が挙げられる。架空送電線1の別例として、図1に示すように、その中心部にテンションメンバ3を備え、テンションメンバ3の外周に複数のAl合金線12が撚り合わされてなる撚線部2を備える同心撚線が挙げられる。テンションメンバ3をなす素線は、裸鋼線、アルミニウム被覆鋼線、及び亜鉛めっき鋼線の少なくとも一種の鋼線13を含むことが挙げられる。撚線部2をなすAl合金線12の線径(1.5mm超)や素線数、テンションメンバ3をなす鋼線13などの素線の線径や素線数などは、所定の導体断面積、引張荷重などを有するように適宜選択することができる。
実施形態のAl合金線は、特定の組成のAl合金で構成されるため、従来よりも高い導電率を有しながら、従来と同等程度以上の耐熱性を有することができ、高い導電率と優れた耐熱性とをバランスよく備える。この効果を試験例1で具体的に説明する。
実施形態のAl合金線は、例えば、以下の鋳造工程と、加工工程とを備える実施形態のアルミニウム合金線(Al合金線)の製造方法によって製造できる。この製造方法の概要を述べると、上述した特定の組成のAl合金を鋳造した後、鋳造材に塑性加工を施して線材を形成する。特に、鋳造時の冷却速度を特定の範囲の急冷とする。また、実施形態のAl合金線の製造方法は、鋳造以降、時効処理といった熱処理を別途施すことなく、高導電率で耐熱性にも優れる実施形態のAl合金線を製造でき、製造性にも優れる。
(加工工程)上記鋳造材に、圧延加工及び伸線加工の少なくとも一方を含む塑性加工を施して、線径が1.5mm超の線材を製造する。
鋳造工程では、鋳造時の冷却速度を5℃/秒以上とする。
以下、工程ごとに説明する。
この工程では、原料を用意して、特定の組成のAl合金の溶湯を作製し、この溶湯を鋳造に供する。特に、この鋳造時にZrとFeとをAlに固溶させて過飽和固溶体を形成するために、Si量を調整すると共に、冷却速度を上述のように大きくする。
この工程は、上述のように添加元素を十分に固溶した鋳造材に塑性加工を施して、所定の線径の線材を製造する。特に、実施形態のAl合金線の製造方法では、この加工前、加工中、加工後のいずれにも時効処理を行わないため、固溶状態を維持し易く、加工硬化による強度の向上効果を得易い。また、添加元素の含有量が特定の範囲であるため、添加元素の固溶による導電率の低下を抑制できる。従って、導電率、耐熱性、強度に優れるAl合金線を生産性よく製造できる。また、Siの含有量が少ないことで、更にはZr及びFeの含有量も少なくすることで、粗大な化合物を形成し難く、粗大な化合物粒子に起因する断線なども低減し易く、上記Al合金線を生産性よく製造できる。
種々の組成のアルミニウム合金線を以下のようにして作製し、特性を調べた。
導電率は、直流4端子法で測定した。ここでは、市販の電気抵抗測定装置を用いた。測定は室温(ここでは20℃程度)で行い、標点距離GLを500mmとした。
引張強さは、JIS Z 2241(金属材料引張試験方法、1998年)に準拠して、汎用の引張試験機を用いて測定した。測定は、室温(ここでは20℃程度)で行い、標点距離GLを100mmとした。
ここでは、各試料の伸線材を、電気炉を用いて230±1℃まで昇温して(昇温にかかる時間は20分以内とする)、230℃で1時間保持した後、室温(ここでは20℃程度)まで冷却し、上述の室温での引張強さの測定方法と同様にして、この加熱後の引張強さを測定した。そして、[上記加熱後の引張強さ/室温での引張強さ]×100(%)を残存率とした。この残存率が大きいほど、耐熱性に優れる。
(1)Zrを0.019質量%以上、かつFeを0.11質量%以上含むと、耐熱性が93%以上であり、耐熱性により優れる(試料No.1-1~No.1-3,No.1-6,No.1-10)。
(2)Zrが0.05質量%以下の範囲で多ければ、Feがある程度少ない場合でも、耐熱性に優れる(試料No.1-7)。
(3)Feが0.25質量%以下の範囲で多ければ、Zrがある程度少ない場合でも、耐熱性に優れる(試料No.1-8)。
試験例1で作製したAl合金線を複数撚り合せて撚線を作製し、特性を調べた。
電気抵抗(Ω/km)は、4端子法によって測定した。測定は、室温(ここでは20℃)で行い、標点距離GLを1mとした。
引張荷重(kN)は、耐熱アルミ合金電線 電気学会電気規格調査会標準規格 JEC-3404に準拠して測定した。
ここでは、各試料の撚線a~撚線cを、試験例1と同様にして、230℃で1時間保持した後、室温(ここでは20℃程度)まで冷却する。冷却後に、各試料の引張荷重を上述のJEC-3404に準拠して測定した。この加熱後の引張荷重が大きいほど、耐熱性に優れる。
撚線b試料群は、表3に示すように、電気抵抗が0.116Ω/km以下であり、室温での引張荷重が104.7kN以上であり、230℃×1hの加熱後の引張荷重が101.5kN以上である。撚線b試料群は、上述の引張荷重の残存率が95%以上、更に96%以上、96.5%以上であり、耐熱性に優れることが分かる。
撚線c試料群は、表4に示すように、電気抵抗が0.110Ω/km以下あり、室温での引張荷重が104.7kN以上であり、230℃×1hの加熱後の引張荷重が101.2kN以上である。撚線c試料群は、上述の引張荷重の残存率が95%以上、更に96%以上、96.5%以上であり、耐熱性に優れることが分かる。
このような結果が得られた理由として、撚線a~c試料群は、導電率が高く、室温での引張強さも高く、更に耐熱性にも優れる試料No.1-1~No.1-12,No.1-14のAl合金線を備えるためと考えられる。
(1)撚線a試料群は、撚線b,c試料群よりも導体断面積が大きいため、電気抵抗がより低い。
(2)撚線b,c試料群は、テンションメンバを備えるため、撚線a試料群よりも、室温及び上述の加熱後の引張荷重が大きく、高強度である。
(3)撚線c試料群は、アルミニウム被覆鋼線を備えるため、撚線b試料群よりも電気抵抗がより低い。
例えば、試験例1のアルミニウム合金の組成や線径、鋳造時の冷却速度などの製造条件、試験例2の撚線に用いる素線の組成や線径、素線数などを適宜変更することができる。
2 撚線部
3 テンションメンバ
12 アルミニウム合金線(Al合金線)
13 鋼線
Claims (7)
- Siを0.01質量%以上0.03質量%未満、
Feを0.05質量%以上0.25質量%以下、
Zrを0.01質量%以上0.05質量%以下含有し、
残部がAl及び不純物からなり、
Zrの含有量の5倍と、Feの含有量との和(5×Zr+Fe)が0.17質量%以上であり、
Zrの含有量の5倍と、Feの含有量と、Siの含有量の2倍との和(5×Zr+Fe+2×Si)が0.34質量%以下であるアルミニウム合金から構成され、
線径が1.5mm超であり、
室温での導電率が61%IACS以上であり、
230℃で1時間加熱後の引張強さの残存率が90%以上である、
アルミニウム合金線。 - 室温での引張強さが耐熱アルミ合金電線 電気学会電気規格調査会標準規格 JEC-3406において、径ごとに規定される平均の引張強さ以上である、請求項1に記載のアルミニウム合金線。
- 請求項1又は請求項2に記載のアルミニウム合金線が複数撚り合わされてなる撚線部を含む、
架空送電線。 - 鋼線を含むテンションメンバと、前記テンションメンバの外周に複数の前記アルミニウム合金線が撚り合わされてなる前記撚線部とを備える、請求項3に記載の架空送電線。
- 前記テンションメンバは、アルミニウム被覆鋼線及び亜鉛めっき鋼線の少なくとも一方を含む、請求項4に記載の架空送電線。
- Siを0.01質量%以上0.03質量%未満、Feを0.05質量%以上0.25質量%以下、Zrを0.01質量%以上0.05質量%以下含有し、残部がAl及び不純物からなり、Zrの含有量の5倍と、Feの含有量との和(5×Zr+Fe)が0.17質量%以上であり、Zrの含有量の5倍と、Feの含有量と、Siの含有量の2倍との和(5×Zr+Fe+2×Si)が0.34質量%以下であるアルミニウム合金を鋳造して鋳造材を製造する鋳造工程と、
前記鋳造材に、圧延加工及び伸線加工の少なくとも一方を含む塑性加工を施して、線径が1.5mm超であり、室温での導電率が61%IACS以上である線材を製造する加工工程とを備え、
前記鋳造工程では、鋳造時の冷却速度を5℃/秒以上とする、
アルミニウム合金線の製造方法。 - 前記加工工程では、冷間加工を含み、前記冷間加工開始時の素材の線径を8mm以上15mm以下とする、請求項6に記載のアルミニウム合金線の製造方法。
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