JPH11226629A - 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の断面積をＡ０、押し出される銅被覆鋼線
２０の鋼芯の断面積をＡ１として、Ａ１がＡ０より小さ
く、且つＡ０の７０％以上となるように、成形状態を調
整する。

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
する鋼線の断面積をＡ₀とし、押し出し被覆後の鋼芯の
断面積をＡ₁として、Ａ₁がＡ₀未満で且つ、Ａ₀の７０％
以上となるように、ダイチャンバでの成形状態を調整す
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
する鋼線の断面積Ａ₀に対して、銅被覆後の鋼芯の断面
積Ａ₁が小さくなるような高い被覆圧力、引落し率等の
成形状態で銅被覆を行うことにより、鋼線と銅との接合
性を高いものとすることができる。但し、余り被覆圧力
や引落し率等を高くすると、安定性に欠けることにな
る。鋼線と銅との接合性を高く保って連続的に安定して
銅被覆鋼線を得るためには、Ａ₁がＡ₀の７０％以上に止
まるような成形状態とすることが必要である。この発明
によると、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
れる銅の温度は好ましくは、６００℃乃至８００℃の温
度範囲にする。

【００１３】銅押し出し温度が６００℃未満であると、
可塑流動させる上での銅の変形抵抗やホイールにかかる
負荷が大きくなりすぎ、鋼線と銅との接合性において
も、拡散が不十分となる。また、銅押し出し温度が８０
０℃を越えると、銅の変形抵抗やホイールにかかる負荷
が小さくなり、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。

【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】この実施例において、鋼線と銅との接合性
を高くするためには、ダイチャンバ１４内で、鋼芯が変
形する程の高圧力で銅を鋼線に被覆圧着することが必要
である。具体的には、図２に示すように、押し出し被覆
前の鋼線３の断面積をＡ₀とし、押し出し被覆後の銅被
覆鋼線２０の鋼芯２１の断面積をＡ₁としたとき、Ａ₁が
Ａ₀よりも小さくなるように、即ち両断面積の間に有意
差が認められる程度に、成形状態（被覆圧力，引落し率
等）を設定する。被覆後の鋼芯２１の断面積が被覆前の
鋼線３のそれと変わらないような押し出し条件では、鋼
芯と銅との境界は物理的な密着のみとなり、金属的な接
合は得られず、特に鋼線３の表面の凹凸が大きい場合、
鋼線表面の凹部が銅の圧力でも圧着されずに銅と鋼線の
界面に空隙として残存してしまう。この様に界面に残存
した空隙は、多い場合には銅と鋼芯の接合不良の原因と
なり、屋外等の環境下でひび割れ等によって接合界面が
露出した場合、雨水等が侵入して空隙部から腐食が進行
する、といった問題を生じる。

【００１６】一方、鋼線と銅との接合性の高い銅被覆鋼
線を連続して長く安定に得るためには、銅被覆鋼線２０
の鋼芯２１の断面積Ａ₁が、初期の断面積Ａ₀の７０％以
上であることが必要である。鋼芯２１の断面積Ａ₁が初
期の断面積Ａ₀の７０％未満となるまで変形させると、
鋼芯と銅の接合は強固になるものの、銅の圧力変動、押
し出し時の巻き取り張力の変動等により鋼芯径が大きく
変動してしまい、得られる銅被覆鋼線の長手方向の機械
的特性のバラツキが大きくなり、連続して長い製品を作
る場合に安定性が保証されなくなるためである。

【００１７】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、芯材となる鋼線３を炭素量の少ない鋼種に限定
する必要はなくなり、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。

【００１８】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
（外径：１２ｍｍφ）を用い、芯材となる鋼線には、Ｊ
ＩＳ Ｇ ３５０６に示されるＳＷＲＨ６２Ａ硬鋼線（炭
素含有量：０．６３重量％，外径１１ｍｍφ）とＳＷＲ
Ｈ８２Ａ硬鋼線（炭素含有量：０．８０重量％，外径１
１ｍｍφ）の２種類を用いた。まず、押し出し条件の比
較を行うために、ＳＷＲＨ６２Ａ硬鋼線（炭素含有量：
０．６３重量％，外径１１ｍｍφ）を用いて各種押し出
し条件下で押し出しを行い、その押し出し性と押し出さ
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
した後、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２２ｍｍ
φの銅被覆鋼線として押し出した。

【００１９】実施例及び比較例の押し出し条件を下記表
１に示す。ダイチャンバ室内において、ダイスとニップ
ルとの間隔を調整することにより、鋼芯表面に作用する
銅の圧力を変化させ、その結果押し出される銅被覆鋼線
における鋼芯の線径を様々に振った押し出しを行った。
押し出しにおいては、押し出し前の鋼線の線速と押し出
される銅被覆鋼線の線速をそれぞれ計測し、その線速の
比率により、被覆前の鋼線の断面積Ａ₀と銅被覆後の鋼
芯の断面積Ａ₁との比率（減面比）を計測した。

【００２０】

【表１】

【００２１】押し出された銅被覆鋼線について、銅と鋼
芯との接合性及び接合界面の状態について評価を行っ
た。また、押し出された銅被覆鋼線を長手方向に数百ｍ
毎に切断し、各所のサンプルについて引張試験を行っ
て、機械的特性の安定性を評価した。接合性について
は、カッターで切断した切断破面と、長手方向の引張試
験の際の引張破面について、１０倍の拡大鏡により銅と
鋼芯の間に剥離がないかどうかを観察した。また接合界
面の状態については、接合界面を露出させた状態で５％
の塩化ナトリウム溶液に浸した塩水浸漬試験と、ＪＩＳ
Ｚ２３７１に示す塩水噴霧試験の２種類の試験を連続１
０００時間行い、１０００時間後の界面の腐食状況を観
察した。以上の評価結果を、下記表２に示す。

【００２２】

【表２】

【００２３】表２において、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
多く接合なし、である。腐食試験判定基準は、○が腐食
による隙間少なく良好、×が隙間多く不良、である。製
造安定性の判定基準は、○が長手方向で特性のバラツキ
小さく良好、×が特性のバラツキが多い、である。

【００２４】表２の結果から、実施例Ｎｏ.１〜４は、
銅と鋼芯の接合性が良好であり、長手方向の製造の安定
性も十分であることが確認された。鋼芯を変形させない
ようにした比較例Ｎｏ．５では、銅と鋼芯の接合性が不
十分であった上、２つの腐食試験において接合界面から
優先的な腐食が認められ、銅と鋼芯の間に数百μｍから
数ｍｍの隙間ができていることが確認された。また、鋼
芯を過度に変形させた比較例Ｎｏ．６〜８では、銅と鋼
芯の接合性は良好であったものの、押し出される銅被覆
鋼線の線速が安定せず、長手方向に鋼芯径が大きく変化
し、長手方向に機械的特性が大きくばらついた。

【００２５】以上の結果に基づき、次に、製造条件をこ
の発明の範囲に設定して、鋼芯に１１．０ｍｍφのＳＷ
ＲＨ６２Ａ硬鋼線（炭素含有量：０．６３重量％）と、
ＳＷＲＨ８２Ａ硬鋼線（炭素含有量：０．８０重量％）
の２種類を用いた銅被覆鋼線を製造した。各銅被覆鋼線
の外径は２２ｍｍφとし、中の鋼芯は１０．０ｍｍφに
なるように調節した。これらの銅被覆鋼線を押し出し
後、冷間伸線加工によって、１１０ｍｍ²，１７０ｍｍ²
の各サイズの銅被覆鋼トロリ線に仕上げ、その引張強さ
と導電率を測定した。これら銅被覆鋼トロリ線の製造条
件と評価結果を、下記表３に示す。

【００２６】

【表３】

【００２７】表３には、炭素含有量が多い実施例Ｎｏ．
９〜１２の他、炭素含有量が従来品と同程度に少ない実
施例Ｎｏ．１３，１４を併せて示している。炭素含有量
が多い鋼線を用いた実施例Ｎｏ．９〜１２では、鋼線自
体の強度が高く、同じ導電率を有しながら、強度の高い
銅被覆鋼トロリ線を得ることができた。

【００２８】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、ステンレス鋼等の合金鋼や、チタン、
チタン合金、更に炭素繊維等を含む繊維強化金属線等を
用いることもできる。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。

【００２９】

【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。

【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、２１…鋼芯。

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
   は銅合金を押し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断
   面積をＡ₀とし、押し出し被覆後の鋼芯の断面積をＡ₁と
   して、Ａ₁がＡ₀未満で且つ、Ａ₀の７０％以上となるよ
   うに、ダイチャンバでの成形状態を調整することを特徴
   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。