JPH11208319A - 銅被覆鋼線の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 押し出し成形機を用いて鋼線の周囲に銅を押
出し被覆する方法により、鋼線と銅との接合性が高い高
強度銅被覆鋼線を製造する方法を提供する。 【解決手段】 押し出し成形機１に鋼線３と銅線２を供
給して、鋼線３の周囲に銅を押出し被覆して銅被覆鋼線
を製造する。押し出し成形機１のダイチャンバ１４に供
給する鋼線３の表面は、平均表面粗さで５μｍ以下に平
滑化しておく。押し出し成形機１のダイチャンバー１４
内にて鋼線３の周囲に銅を６００℃乃至８００℃の温度
範囲にて圧着一体化し、ダイスを通して銅被覆鋼線を押
し出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、鋼線を芯材と
し、この芯材の周りを銅（銅合金を含む。以下同じ）で
被覆した銅被覆鋼線の製造方法に係り、特に鋼線と銅と
の接合性が高い高強度の銅被覆鋼線の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】鉄道用トロリ線等では、鋼線を芯材と
し、芯材の周りを銅で被覆した銅被覆鋼線を使用した銅
被覆鋼トロリ線が提案され、新幹線を代表とする高速運
行電車用として使用されている（特公平２−１１４６０
号公報参照）。この従来の銅被覆鋼トロリ線は、鋼線を
銅の溶湯中に連続的に浸漬させ、鋼線の周囲に銅を凝固
させて付着させた後、一定の温度範囲にて熱間圧延する
ことで銅被覆鋼素線をつくり、更にこれを伸線加工する
ことにより製造されている。

【０００３】この従来の銅被覆鋼トロリ線の製造方法に
よると、鋼線を銅の溶湯中に浸漬させて鋼線表面に銅を
付着させる際、鋼線表面は銅との濡れ性を良くするため
非常に平滑かつ活性な状態でなくてはならない。このた
め、鋼線表面の前処理は非常に厳密なる管理が必要とさ
れている。具体的には鋼線表面の清浄化は当然として、
鋼線の平均表面粗さを０．５μｍ以下に平滑化しなくて
はならない。

【０００４】一方、一般に用いられる酸洗い、ショット
ブラスト、ブラシ研磨等の前処理方法では、鋼線表面の
酸化皮膜等の汚れ分は除去できるものの、表面の平滑性
に乏しくなり、その結果、鋼線表面に銅を均一に付着、
凝固させることができず、銅と鋼芯との界面に空隙や接
合不良部を残してしまう。

【０００５】このため、現在は鋼線表面を特殊な加工を
施した工具ダイス（以下皮剥ダイスと称する）により連
続的に皮剥しつつ、真空排気されたハウジング内に導入
し、その状態を保ったまま銅の溶湯中に浸漬する方法が
採られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来の製
造方法では、設備的に溶解炉、保持炉等非常に大がかり
であるため、その維持費、エネルギー費が高く、コスト
高である点や、上述のように皮剥ダイスを用いているこ
とから、この皮剥ダイスの寿命が短いという問題があっ
た。また従来の製造方法には、芯材として炭素含有量
０．３５重量％以下の強度の低い鋼線しか使用できない
という重大な欠点があった。これは、炭素含有量が０．
３５重量％を越えるようないわゆる硬鋼線を使用した場
合、製造中に皮剥ダイスの刃先が非常に欠け易くなり、
均一な皮剥ができなくなるためである。均一な皮剥がで
きなくなると、鋼線表面に均一に銅が付着できず、銅と
鋼芯間の接合性不良、伸線加工時の断線のさまざまなト
ラブルの原因になってしまう。更には、皮剥ダイスの寿
命が非常に短くなり予定長さの製品が生産できなくなっ
てしまう。

【０００７】このため従来の製造方法では、芯材となる
鋼線の炭素含有量は０．３５重量％以下に制限せざるを
得ず、従って得られる銅被覆鋼トロリ線の強度も国内で
標準的に使用されているトロリ線材の横断面積１１０ｍ
ｍ²サイズのもので６７ｋｇｆ／ｍｍ²、１７０ｍｍ²サ
イズのもので６６ｋｇｆ／ｍｍ²程度が最高となり、今
後の更なる高強度化には対応できない状況にあった。こ
の発明は、この様な点に鑑みなされたもので、硬鋼線材
を用いた高強度トロリ線として有効な銅被覆鋼線を製造
する方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、前記課題
を解決するために鋭意実験研究を重ねた結果、従来の銅
溶湯浸漬による製造方法に代わり、金属の押し出し成形
機（コンフォーム・マシン）により鋼線の周囲に銅を押
出し被覆する方法により、鋼線と銅との接合性が高く、
炭素含有量０．３５％を越えるような硬鋼線材を使用し
た高強度銅被覆鋼トロリ線を安定に得ることができるこ
とを見出した。

【０００９】即ちこの発明は、押し出し成形機により鋼
線の周囲に銅を押出し被覆して銅被覆鋼線を製造する方
法であって、前記押し出し成形機のダイチャンバに供給
する鋼線の表面を平均表面粗さで５μｍ以下に平滑化に
する工程と、前記押し出し成形機のダイチャンバー内に
て前記鋼線の周囲に銅を６００℃乃至８００℃の温度範
囲にて圧着一体化し、その後ダイスを通して銅被覆鋼線
を押し出す工程とを有すること特徴とする。

【００１０】この発明によると、押し出し成形機に供給
する鋼線の表面を予め平均粗さ５μｍ以下とする前処理
を行い、且つ銅押し出し温度を６００〜８００℃の範囲
に設定することにより、硬鋼線材を用いた高強度トロリ
として有効な銅被覆鋼線を得ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この本発明による銅被覆鋼
線の製造方法を図１及び図２を参照して具体的に説明す
る。図１は製造装置全体の模式的断面を示し、図２は押
し出し成形機１におけるダイチャンバの模式的断面を示
している。押し出し成形機１は、周面に溝が形成されて
回転駆動されるホイール１１と、このホイール１１に取
り付けられて周囲の溝の所定長さにわたる部分を覆って
金属素材の導入路１３を形成するシューブロック１２と
を有し、シューブロック１２内には押し出し成形用のダ
イチャンバ１４を有する。

【００１２】押し出される銅２は、表面の酸化皮膜、油
分等の汚れが完全に除去された状態で、成形機１の導入
路１３に連続的に引き込まれ、アバットメント１５で方
向を変えた後、ダイチャンバー１４の室内に供給され
る。このとき、導入路１３内、ダイチャンバー１４室内
の銅は、導入路１３とシューブロック１２との間で発生
する摩擦熱及び高圧力により可塑流動的となるが、ダイ
チャンバー１４室内における銅の温度、つまり押し出さ
れる銅の温度は６００℃乃至８００℃の温度範囲にしな
ければならない。

【００１３】銅押し出し温度が６００℃未満である場
合、可塑流動させる上での銅の変形抵抗が非常に大きく
なってしまうため、ホイールにかかる負荷が非常に大き
くなってしまうほか、鋼線と銅との接合性においても、
拡散が不十分となり満足する接合は得られない。また、
銅の圧力が過大となり鋼線が変形しやすくなり、目的と
する銅被覆率の銅被覆鋼線を安定して得ることが難しく
なってしまう。また、銅押し出し温度が８００℃を越え
る場合は、銅の変形抵抗が小さくなってホイールにかか
る負荷が小さくなるほか、鋼芯との接続性も良好となる
が、一方で導入路１３、アバットメント１５、ダイチャ
ンバー１４などの銅と接する部分の工具が高温に耐えら
れず、工具の摩耗、損傷が激しくなってしまう。従っ
て、銅押し出し温度は６００℃乃至８００℃の温度範囲
に限定される。

【００１４】芯材となる鋼線３は、前処理装置４によっ
て、表面が酸化皮膜や油分等のないように清浄化され、
かつ適当な表面粗さにまで平滑化される。その後、誘導
加熱装置５により表面を高温に加熱された状態で、無酸
化雰囲気に保たれた保護管９を通り、ニップル１６を介
して成形機１のダイチャンバー１４の室内に誘導され
る。ニップル１６を介してダイチャンバー１４の室内に
誘導された鋼線３は、上述のように別方向から同室内に
侵入して可塑流動化された銅１９に包まれ、圧着されて
銅被覆鋼線２０となってダイス１７を通って押し出さ
れ、以降、冷却槽６、引き取り機７を通って巻き取り機
８により連続して巻き取られる。

【００１５】前処理装置４による鋼線３の表面の平滑化
については、鋼線３の表面を平均表面粗さで５μｍ以下
にすることが必要である。鋼線表面の平均表面粗さが５
μｍを越えると、ダイチャンバー１４の室内において銅
１９が密着する際、鋼線表面の凹部が銅１９の圧力でも
っても圧着されずに、銅と鋼線との接合界面に空隙が残
存してしまう。この接合界面に存在した空隙は、多い場
合銅と鋼芯との接合不良の原因となる他、屋外等の環境
下においてこの接合界面が露出した場合、雨水などが空
隙部に侵入し、この空隙部から優先的に腐食が進行する
という事態をもたらす。従って、銅被覆直前の鋼線３の
表面は、平均表面粗さで５μｍ以下に平滑化することが
必要である。

【００１６】以上のように、押し出し成形の場合には、
鋼線の周囲に銅を高圧で圧接、圧着させ、押し出し被覆
することにより、使用上十分な接合性を得ることができ
ることから、鋼線の前処理は従来の皮剥ダイスによる方
法とは異なり、通常の酸洗い、ブラスト、ブラシ研磨等
を１台もしくは複数台で行うか、または組み合わせて使
用し、清浄化と適当な平滑化を行うことで十分である。
従って従来のように皮剥ダイスを用いる必要がなく、こ
のため芯材となる鋼線３を炭素量の少ない鋼種に限定す
る利用はなくなり、炭素含有量が０．３５重量％を越え
るような硬鋼線材を使用して、更なる高強度銅被覆鋼線
や高強度銅被覆トロリ線を製造することができる。また
押し出し成形による製造方法で高強度銅被覆鋼トロリ線
を製造する場合は、従来と同様に丸線で押し出し、その
後、伸線加工を行ってトロリ線形状に仕上げることも可
能であるが、ダイスを選ぶことにより、トロリ線形状に
近い形状でもって押し出し、その後の伸線工程を簡略化
することも可能である。

【００１７】以下、高強度銅被覆鋼線の製造実施例につ
いて、比較例と共に具体的に説明する。材料は、被覆さ
れる銅素材として、ＪＩＳ Ｃ １０２０の無酸素銅線φ
１２ｍｍを用い、芯材となる鋼線には、ＪＩＳ Ｇ ３５
０６に示されるＳＷＲＨ６２Ａ硬鋼線（炭素含有量：
０．６３重量％）及びＳＷＲＨ８２Ａ硬鋼線（炭素含有
量：０．８０重量％）の２種類を用いた。両者ともφ１
０ｍｍである。

【００１８】押し出し条件の比較を行うために、芯材に
ＳＷＲＨ６２Ａ硬鋼線（炭素含有量：０．６３重量％）
を用いて、各押出し条件下で押出しを行い、その押出し
性と押し出された銅被覆鋼線の特性評価を行った。銅線
は、表面の酸化皮膜、油分等汚れを十分に除去した後、
押し出し成形機の導入路に連続的に供給した。芯材とな
る鋼線は、ショットブラストによって表面の酸化皮膜、
油分等を除去するとともに、使用する砥粒を適当に変え
てその平均表面粗さを調節した。その後、誘導加熱装置
によって表面を高温に加熱させた状態でダイチャンバー
の室内に誘導し、ダイチャンバー室内において銅を被覆
して、ダイスにより外径φ２２ｍｍの銅被覆鋼線として
押し出した。

【００１９】銅の押出し温度について、５００℃、５５
０℃、５８０℃、６００℃、７００℃、８００℃、８２
０℃、８５０℃の８水準に振った押出しを行い、押出し
時のアバットメントやダイチャンバーなどの工具の摩耗
程度を調べるとともに、押し出された銅被覆鋼線の押出
し上がりでの銅と鋼芯との接合性、鋼芯の変形の有無に
ついて調査を行った。鋼線表面の平均表面粗さは、３μ
ｍ程度に調節した。接合性については、カッターで切断
した際の切断面と、長手方向への引張試験を行った際の
引張破面について、１０倍の拡大鏡で観察して銅と鋼芯
との間に剥離がないかどうか観察を行った。これらの製
造条件及び評価結果を表１に示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】表１において、工具寿命の判定基準は、○
が磨耗少なく良好、×が磨耗多く不良である。接合性の
判定基準は、○が剥離なく良好、△が剥離少ないが接合
不十分、×が剥離大で接合なしである。実施例Ｎｏ.１
〜３は、銅の押出し温度が６００℃乃至８００℃の範囲
にあり、押出し時の工具の摩耗も少ない上、押し出され
た銅被覆鋼線において、鋼芯の変形がなく、銅と鋼芯と
の接合性も良好であった。銅の押し出し温度が６００℃
未満である比較例Ｎｏ.４〜６では、可塑流動させる上
での銅の変形抵抗が非常に大きくなってしまい、ホイー
ルにかかる負荷が非常に大きくなった他、銅の圧力が非
常に高くなり、その結果、鋼線の変形が生じてしまっ
た。また、銅と鋼芯との接合性についても十分とは言え
なかった。銅の押し出し温度が８００℃を越えた比較例
Ｎｏ.７及びＮｏ.８では、アバットメントやダイチャン
バーなどの銅と接する部分の工具において、工具の摩
耗、損傷が激しくなってしまった。以上の結果から、銅
押し出し温度は、６００℃乃至８００℃の範囲に限定さ
れる。

【００２２】次に、鋼線前処理による鋼線表面の表面粗
さの影響について、それぞれ条件を振った押し出しを試
みた。実験では、銅の押出し温度を６５０℃の一定と
し、鋼線表面の平均表面粗さの程度を１μｍ、３μｍ、
５μｍ、７μｍ、１０μｍの５水準にショットブラスト
を用いて調節して行った。各条件で押し出したとき、押
し出された銅被覆鋼線の銅と鋼芯の接合界面についてそ
れぞれ調査を行った。調査は、前述のカッターでの切断
面の観察、引張破断面の観察による接合性の評価に加
え、接合界面を露出させた状態で５％の塩化ナトリウム
水溶液中に浸した塩水浸漬試験と、ＪＩＳ Ｚ ２３７１
に示す塩水噴霧試験の２種類の腐食試験を連続１０００
時間程行い、１０００時間後の界面の腐食状況を観察し
た。これらの製造条件及び評価結果を表２に示す。

【００２３】

【表２】

【００２４】接合性の判定基準は、表１の説明と同じで
ある。腐食判定基準は、○が接合界面の腐食による隙間
が少なく良好、×が隙間多く不良、である。図３は、表
２における実施例Ｎｏ.１〜３の銅被覆鋼線における銅
３２と鋼芯３１との接合界面の横断面模式図である。こ
れらの実施例Ｎｏ.１〜３では、銅と鋼線との接合界面
において空隙の残存はなく、銅と鋼芯との接合が十分で
あった。また、塩水浸漬試験並びに塩水噴霧試験におい
ても、銅と鋼芯との接合界面から優先的に腐食が進行し
ているようなことはなかった。

【００２５】図４は、表２における比較例Ｎｏ.４，５
の場合の銅被覆鋼線における銅３２と鋼芯３１との接合
界面の横断面模式図である。これらの比較例Ｎｏ.４，
５では鋼線表面の平均表面粗さが５μｍを越えていたた
め、押出したままの状態では銅３２と鋼芯３１との接合
界面において空隙３３が残存していた。このため、銅と
鋼芯との接合性はあまりよくなかった他、２つの腐食試
験において、この接合界面に存在した空隙部から優先的
に腐食が進行してしまい、銅３２と鋼芯３１との間に数
百ミクロンから数ミリの隙間が出来ていた。以上から、
この発明の製造方法において、銅被覆直前の鋼線の表面
は、平均表面粗さで５μｍ以下に平滑化することが必要
である。

【００２６】次に、銅押し出し温度６５０℃、鋼線の前
処理による表面平均粗さ３μｍの条件で、鋼線の炭素含
有量を異ならせて銅被覆鋼トロリ線の押し出しを試み
た。その条件と評価結果を表３に示す。

【００２７】

【表３】

【００２８】表３に示すように、芯材である鋼線中の炭
素含有量が多い実施例Ｎｏ.１〜４は、鋼線自体の強度
が高く、その結果、銅被覆鋼トロリ線の強度も十分高い
ものであった。実施例Ｎｏ．５，６は、鋼線の炭素含有
量が少ない結果、今後の高速鉄道用の銅被覆鋼トロリ線
としては、強度が十分ではない。なお、芯材としての鋼
線の炭素含有量は、０．９重量％以下とすることが好ま
しい。これ以上の炭素含有量とすると、靭性に悪影響が
出る他、伸線性等の加工性が悪くなるためである。

【００２９】実施例においては、芯材として最も安価で
強度の高い硬鋼線を使用したが、軽量化や更なる高強度
化を図るために、ステンレス鋼などの合金鋼を用いるこ
ともできる。即ち、芯材が靭性及び伸線性に影響を受け
ない程度に、例えば、Ｃ，Ｎ，Ｓ，Ｓi，Ｎｉ，Ｚｒ，
Ｃｒ，Ｃｏ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｓｎ，及びＡｌ等から
選ばれた一種以上を含有していても良い。また、芯材の
長手方向に垂直な面の断面形状は、例えば円、楕円又は
矩形とすることもできる。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
押し出し成形によって鋼線の周囲に銅を高圧力で押出し
被覆することから、芯材となる鋼線に制限が少なく、炭
素含有量が０．３５重量％を越えるような硬鋼線材を使
用した高強度銅被覆鋼線を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施例による製造装置の模式的断
面図である。

【図２】 同製造装置の押し出し成形機におけるダイチ
ャンバの模式的断面図である。

【図３】 実施例による銅被覆鋼線の接合面を示す模式
的断面図である。

【図４】 比較例による銅被覆鋼線の接合面を示す模式
的断面図である。

【符号の説明】

１…押し出し成形機、２…銅 ３…鋼線、４…前処理装
置、５…誘導加熱装置、６…冷却槽、７…引き取り機、
８…巻き取り機、９…保護管、１１…ホイール、１２…
シューブロック、１３…導入路、１４…ダイチャンバ、
１５…アバットメント、１６…ニップル、１７…ダイ
ス、１９…銅、２０…銅被覆鋼線。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 押し出し成形機により鋼線の周囲に銅又
   は銅合金を押出し被覆して銅被覆鋼線を製造する方法で
   あって、 前記押し出し成形機のダイチャンバに供給する鋼線の表
   面を平均表面粗さで５μｍ以下に平滑化にする工程と、 前記押し出し成形機のダイチャンバー内にて前記鋼線の
   周囲に銅又は銅合金を６００℃乃至８００℃の温度範囲
   にて圧着一体化し、その後ダイスを通して銅被覆鋼線を
   押し出す工程とを有することを特徴とする銅被覆鋼線の
   製造方法。
2. 【請求項２】 前記銅被覆鋼線は、炭素含有量が０．３
   ５重量％を越える鋼線を用いたトロリ線であることを特
   徴とする請求項１記載の銅被覆鋼線の製造方法。