KR20150035779A

KR20150035779A - 구리 합금 트롤리선 및 구리 합금 트롤리선의 제조 방법

Info

Publication number: KR20150035779A
Application number: KR20147036659A
Authority: KR
Inventors: 데츠야 아시다; 고우지 하시모토; 히토시 나카모토; 노리카즈 이시다
Original assignee: 미츠비시 덴센 고교 가부시키가이샤; 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2015-04-07
Also published as: WO2014020707A1; EP2883970A4; EP2883970A1; CN104379783A; US20150144235A1; IN2015DN00537A

Abstract

이 구리 합금 트롤리선은, Co ; 0.12 질량％ 이상 0.40 질량％ 이하, P ; 0.040 질량％ 이상 0.16 질량％ 이하, Sn ; 0.005 질량％ 이상 0.70 질량％ 이하를 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지고, 평균 입경을 10 ㎚ 이상으로 하고, 또한 입경 5 ㎚ 이상의 석출물의 개수가 관찰되는 석출물 전체의 90 ％ 이상으로 되어 있고, 초기의 인장 강도를 TS₀, 400 ℃ × 2 시간 유지 후의 인장 강도를 TS₁ 로 하여, HR ＝ TS₁/TS₀ × 100 으로 정의되는 내열성 HR 이 90 ％ 이상이다.

Description

구리 합금 트롤리선 및 구리 합금 트롤리선의 제조 방법{COPPER ALLOY TROLLEY WIRE AND METHOD FOR MANUFACTURING COPPER ALLOY TROLLEY WIRE}

본 발명은, 전철 등에 형성된 팬터그래프 등의 집전 장치와 슬라이딩 접촉되어, 상기 전철 등에 급전을 실시하는 구리 합금 트롤리선 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

전철 등에 사용되는 철도용 트롤리선에 있어서는, 상기 서술한 바와 같이 팬터그래프 등의 집전 장치와 슬라이딩 접촉되어 급전되는 구성으로 되어 있는 점에서, 일정한 강도, 내마모성, 도전율, 내열성 등을 확보할 필요가 있다.

종래, 트롤리선으로서, 예를 들어 특허문헌 1 에 개시되어 있는 바와 같이, Sn 을 0.25 ∼ 0.35 중량％ 함유한 Sn 함유 구리로 구성된 것이 제공되고 있다. 이 Sn 함유 구리는, 구리의 모상 중에 Sn 이 고용됨으로써 강화된 고용 강화형 구리 합금으로서, 내마모성 등이 우수하다.

최근, 전철의 주행 속도의 고속화가 도모되고 있는데, 신칸센 등의 고속 철도에 있어서는, 전철의 주행 속도가 트롤리선 등의 가선에 발생한 파동의 전파 속도보다 빨라지면, 팬터그래프 등의 집전 장치와 트롤리선의 접촉이 불안정해져, 안정적으로 급전을 실시할 수 없게 될 우려가 있다.

여기서, 트롤리선의 가선 장력을 높게 함으로써, 트롤리선에 있어서의 파동의 전파 속도를 고속화하는 것이 가능해지기 때문에, 종래보다 더욱 고강도의 트롤리선이 요구되고 있다.

그래서, 예를 들어, 특허문헌 2 ∼ 4 에는, Cr, Zr 등을 함유하는 구리 합금으로 이루어지는 트롤리선이 제안되어 있다. Cr, Zr 등을 함유하는 구리 합금은, 모상 중에 Cr 이나 Zr 을 주성분으로 하는 화합물이 석출, 분산됨으로써 강도가 향상된 석출 강화형 구리 합금으로서, 강도, 도전율이 더욱 향상되게 된다.

일본 특허공보 소59-043332호 일본 공개특허공보 평03-056632호 일본 공개특허공보 평05-311284호 일본 공개특허공보 평07-266939호

그런데, 특허문헌 2 ∼ 4 에 기재된 Cr, Zr 등을 함유하는 석출 강화형 구리 합금에 있어서는, 용체화 처리 공정에서 Cr, Zr 을 모상 중에 고용시키고, 냉간 가공 공정에서 소정 형상으로 성형하고, 그 후, 시효 열처리 공정에 있어서, Cr 이나 Zr 을 주성분으로 하는 화합물을 석출시키고 있다. 여기서, 석출 강화형 구리 합금으로 이루어지는 트롤리선에 있어서는, 석출물의 분산 상태에 따라 강도 및 도전율이 변화하게 되기 때문에, 시효 열처리 공정에 있어서 열처리 조건을 조정함으로써, 석출물의 분산 상태를 제어하고 있다.

그러나, Cr, Zr 등을 함유하는 구리 합금에 있어서는, 시효 열처리 후에 냉간 가공을 실시하면, 도전율 등의 성능이 크게 변화하기 때문에, 시효 열처리 공정을 최종 제품에 근사한 형상으로 실시해야만 하여, 시효 열처리 후에 형상의 수정을 충분히 실시할 수 없다는 문제가 있었다. 예를 들어, 도 1 에 나타내는 홈이 형성된 트롤리선의 경우, 홈 가공을 실시한 후에 시효 열처리를 실시할 필요가 있었다.

또, 전철의 주행 속도의 고속화에 의해, 트롤리선에는 큰 마찰력이 작용하게 되고, 트롤리선이 마찰열에 의해 온도 상승하게 된다. 이 때문에, 종래보다 더욱 내열성의 향상이 요구되고 있다. 즉, 200 ℃ 와 같은 고온 상태가 된 경우에도, 충분한 인장 강도를 갖고, 가선 장력을 확보할 필요가 있다.

본 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 강도, 도전성, 내마모성, 내열성이 우수하고, 또한 형상 정밀도가 우수한 구리 합금 트롤리선 및 이 구리 합금 트롤리선의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관련된 구리 합금 트롤리선은, Co ; 0.12 질량％ 이상 0.40 질량％ 이하, P ; 0.040 질량％ 이상 0.16 질량％ 이하, Sn ; 0.005 질량％ 이상 0.70 질량％ 이하를 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지고, 평균 입경을 10 ㎚ 이상으로 하고, 또한 입경 5 ㎚ 이상의 석출물의 개수를 관찰되는 석출물 전체의 90 ％ 이상으로 하고 있고, 초기의 인장 강도를 TS₀, 400 ℃ × 2 시간 유지 후의 인장 강도를 TS₁ 로 하여, HR ＝ TS₁/TS₀ × 100 으로 정의되는 내열성 HR 이 90 ％ 이상인 것을 특징으로 하고 있다.

상기 서술한 본 발명에 관련된 구리 합금 트롤리선에 있어서는, Co ; 0.12 질량％ 이상 0.40 질량％ 이하, P ; 0.040 질량％ 이상 0.16 질량％ 이하, Sn ; 0.005 질량％ 이상 0.70 질량％ 이하를 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성으로 되어 있는 점에서, 구리의 모상 중에 Co 와 P 의 화합물로 이루어지는 석출물이 분산되게 된다. 이로써, 강도, 도전율의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.

또한, Co 및 P 가 하한값을 하회하면 석출물의 개수가 부족하여, 강도를 충분히 향상시킬 수 없다. 한편, Co 및 P 가 상한값을 초과하면, 강도의 향상에 기여하지 않는 원소가 많이 존재하고, 도전율의 저하 등을 초래할 우려가 있다. 이 때문에, Co 및 P 는 상기 서술한 범위 내로 설정하고 있다.

또, Sn 은 구리의 모상 중에 고용됨으로써 강도를 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. 또, Co 와 P 를 주성분으로 하는 석출물의 석출을 촉진시키는 효과나, 내열성, 내식성의 향상을 도모할 수도 있다. 이와 같은 작용 효과를 확실하게 발휘시키기 위해서는, Sn 의 함유량을 0.005 질량％ 이상으로 할 필요가 있다. 또, Sn 이 과잉으로 첨가된 경우에는 도전율의 저하를 초래하기 때문에, Sn 의 함유량은 0.70 질량％ 이하로 할 필요가 있다.

또, 상기 석출 강화형 구리 합금은, 추가로 Ni ; 0.01 질량％ 이상 0.15 질량％ 이하를 함유하는 것이 바람직하다.

이 구성의 구리 합금선에 있어서는, Ni 를 상기 서술한 범위 내에서 함유하고 있으므로, 결정 입자의 조대화를 억제할 수 있고, 강도를 더욱 향상시킬 수 있다.

또, 본 발명에 관련된 구리 합금 트롤리선에 있어서는, 평균 입경을 10 ㎚ 이상으로 하고, 또한 입경 5 ㎚ 이상의 석출물의 개수를 관찰되는 석출물 전체의 90 ％ 이상으로 하고 있으므로, 강도, 도전율, 내열성을 향상시키는 것이 가능해진다. 여기서, 석출물의 입경이 10 ㎚ 미만인 경우에는, 그 후의 냉간 가공에 있어서, Co 와 P 를 주성분으로 하는 석출물이 모상 중에 재고용되어, 도전율을 저하시킨다.

상기 서술한 바와 같이, 본 발명의 구리 합금 트롤리선에 있어서는, 시효 열처리 후에 냉간 가공함으로써 더욱 강도가 향상되는 점에서, 시효 열처리 후에 냉간 가공을 실시하고 형상의 수정을 충분히 실시할 수 있어, 형상 정밀도가 우수한 구리 합금 트롤리선을 제공하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명에 관련된 구리 합금 트롤리선에 있어서는, 초기의 인장 강도를 TS₀, 400 ℃ × 2 시간 유지 후의 인장 강도를 TS₁ 로 하여, HR ＝ TS₁/TS₀ × 100 으로 정의되는 내열성 HR 이 90 ％ 이상으로 되어 있으므로, 마찰열 등으로 구리 합금 트롤리선의 온도가 상승한 경우에도, 인장 강도가 충분히 확보되고, 이 구리 합금 트롤리선의 가선 장력을 높게 설정할 수 있으며, 고속 철도 등에도 적용하는 것이 가능해진다.

본 발명의 구리 합금 트롤리선의 제조 방법은, 상기 서술한 구리 합금 트롤리선의 제조 방법으로서, 시효 열처리 공정과, 이 시효 열처리 공정 후에 실시되는 냉간 가공 공정을 갖고, 상기 냉간 가공 공정에 있어서의 가공률이 20 ％ 이상 65 ％ 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

이 구성의 구리 합금 트롤리선의 제조 방법에 의하면, 시효 열처리 공정에 의해, Co 및 P 를 주성분으로 하는 석출물을 석출시킨 후, 냉간 가공 공정에 있어서 가공률 20 ％ 이상 65 ％ 이하의 가공을 실시하고 있으므로, 석출물의 부분에 있어서 전위 루프가 형성되게 되고, 강도를 확실하게 향상시키는 것이 가능해진다. 또, 시효 열처리 공정 후에 가공률 20 ％ 이상의 냉간 가공을 실시하므로, 트롤리선의 형상 정밀도를 향상시키는 것이 가능해진다.

여기서, 냉간 가공 공정에 있어서의 가공률이 20 ％ 미만인 경우에는, 강도의 향상이 불충분해질 우려가 있다. 또, 냉간 가공 공정에 있어서의 가공률이 65 ％ 를 초과하는 경우에는, 전위의 집적과 석출물의 재고용에 의해 도전율이 저하될 우려가 있다. 따라서, 강도 및 도전율을 확보하는 관점에서, 냉간 가공 공정에 있어서의 가공률을 20 ％ 이상 65 ％ 이하의 범위 내로 설정하고 있는 것이다.

본 발명에 의하면, 강도, 도전성, 내열성이 우수하고, 또한 형상 정밀도가 우수한 구리 합금 트롤리선 및 이 구리 합금 트롤리선의 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 실시형태인 구리 합금 트롤리선의 단면 설명도이다.
도 2 는 본 발명의 실시형태인 구리 합금 트롤리선의 제조 방법의 플로우도이다.
도 3 은 본 발명의 실시형태인 구리 합금 트롤리선의 제조 방법에서 사용되는 연속 주조 압연 설비의 개략 설명도이다.

이하에 본 발명의 실시형태에 관련된 구리 합금 트롤리선 및 구리 합금 트롤리선의 제조 방법에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 1 에 본 발명의 실시형태인 구리 합금 트롤리선 (1) 의 일례를 나타낸다.

본 실시형태인 구리 합금 트롤리선 (1) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 금구를 장착하기 위한 홈 (2) 이 형성된 홈 형성 트롤리선으로 되어 있다. 이 구리 합금 트롤리선 (1) 은, 홈 (2) 의 일방측 (도 1 에 있어서 하측) 에 형성된 제 1 원호부 (3) 와, 홈 (2) 의 타방측 (도 1 에 있어서 상측) 에 형성된 제 2 원호부 (4) 를 구비하고 있고, 제 1 원호부 (3) 가 팬터그래프에 슬라이딩 접촉하는 구성으로 되어 있다.

여기서, 철도용 트롤리선은 단면적에 의해 규격화되어 있으며, 본 실시형태인 구리 합금 트롤리선 (1) 에 있어서는, 단면적이 110 ㎟ 로 되어 있다.

이 구리 합금 트롤리선 (1) 은, Co ; 0.12 질량％ 이상 0.40 질량％ 이하, P ; 0.040 질량％ 이상 0.16 질량％ 이하, Sn ; 0.005 질량％ 이상 0.70 질량％ 이하를 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 된 조성의 구리 합금으로 구성되어 있다.

또한, 이 구리 합금에 있어서는, 추가로 0.002 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하의 Zn, 0.002 질량％ 이상 0.25 질량％ 이하의 Mg, 0.002 질량％ 이상 0.25 질량％ 이하의 Ag, 0.001 질량％ 이상 0.1 질량％ 이하의 Zr 중 어느 1 종 이상을 함유해도 된다.

이 구성의 구리 합금선에 있어서는, Zn, Mg, Ag, Zr 중 어느 1 종 또는 2 종 이상을 상기 서술한 범위에서 함유하고 있으므로, 이들 원소가 황 (S) 과 화합물을 형성함으로써, 구리의 모상 중에 황 (S) 이 고용되는 것을 억제할 수 있고, 강도 등의 기계적 특성의 열화를 억제할 수 있다.

이하에 각 원소의 함유량을 상기 서술한 범위 내로 설정한 이유에 대해 설명한다.

(Co 및 P)

Co 와 P 는 구리의 모상 중에 분산되는 석출물을 형성하는 원소이다.

여기서, Co 의 함유량이 0.12 질량％ 미만 및 P 의 함유량이 0.040 질량％ 미만인 경우에는, 석출물의 개수가 부족하여, 강도를 충분히 향상시킬 수 없을 우려가 있다. 한편, Co 의 함유량이 0.40 질량％ 초과 및 P 의 함유량이 0.16 질량％ 초과인 경우에는, 강도의 향상에 기여하지 않는 원소가 많이 존재하고, 도전율의 저하 등을 초래할 우려가 있다.

이 때문에, Co 의 함유량을 0.12 질량％ 이상 0.40 질량％ 이하, P 의 함유량을 0.040 질량％ 이상 0.16 질량％ 이하의 범위 내로 설정하고 있다.

(Sn)

Sn 은, 구리의 모상 중에 고용됨으로써 강도를 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. 또, Co 와 P 를 주성분으로 하는 석출물의 석출을 촉진시키는 효과나, 내열성, 내식성을 향상시키는 작용도 갖는다.

여기서, Sn 의 함유량이 0.005 질량％ 미만인 경우에는, 상기 서술한 작용 효과를 확실하게 발휘시킬 수 없을 우려가 있다. 한편, Sn 의 함유량이 0.70 질량％ 를 초과하는 경우에는, 도전율을 확보할 수 없게 될 우려가 있다.

이 때문에, Sn 의 함유량을 0.005 질량％ 이상 0.07 질량％ 이하의 범위 내로 설정하고 있다.

(Ni)

Ni 는 Co 의 일부를 대체할 수 있으며, 결정 입자의 조대화를 억제하는 작용 효과를 갖는 원소이다.

여기서, Ni 의 함유량이 0.01 질량％ 미만인 경우에는, 상기 서술한 작용 효과를 확실하게 발휘시킬 수 없을 우려가 있다. 한편, Ni 의 함유량이 0.15 질량％ 를 초과하는 경우에는, 도전율을 확보할 수 없게 될 우려가 있다.

이 때문에, Ni 를 함유하는 경우에는, Ni 의 함유량을 0.01 질량％ 이상 0.15 질량％ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

(Zn, Mg, Ag, Zr)

Zn, Mg, Ag, Zr 과 같은 원소는, 황 (S) 과 화합물을 생성하여, 구리의 모상 중으로의 황 (S) 의 고용을 억제하는 작용 효과를 갖는 원소이다.

여기서, Zn, Mg, Ag, Zr 과 같은 원소의 함유량이 각각 상기 서술한 하한값보다 적은 경우에는, 구리의 모상 중으로의 황 (S) 의 고용을 억제하는 작용 효과를 충분히 발휘시킬 수 없다. 한편, Zn, Mg, Ag, Zr 과 같은 원소의 함유량이 각각 상기 서술한 상한값보다 많은 경우에는, 도전율을 확보할 수 없게 될 우려가 있다.

이 때문에, Zn, Mg, Ag, Zr 과 같은 원소를 함유하는 경우에는, 각각 상기 서술한 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

또, 본 실시형태인 구리 합금 트롤리선 (1) 에 있어서는, 평균 입경을 10 ㎚ 이상으로 하고, 또한 입경 5 ㎚ 이상의 석출물의 개수를 관찰되는 석출물 전체의 90 ％ 이상으로 하고 있다.

여기서, 석출물의 관찰은 다음과 같이 하여 실시하였다. 투과형 전자 현미경에 의해 배율 15 만배 및 75 만배로 관찰하여, 당해 석출물의 면적을 산출하고 그 원 상당 직경을 입경으로서 산출하였다. 또한, 배율 15 만배로 11 ∼ 100 ㎚ 의 입경의 석출물을, 배율 75 만배로 1 ∼ 10 ㎚ 의 입경의 석출물을 측정하였다. 배율 75 만배로의 관찰에서는 1 ㎚ 미만의 석출물은 명확하게 판별할 수 없는 점에서, 관찰되는 석출물 전체의 개수는 입경 1 ㎚ 이상의 석출물의 개수가 된다. 또, 투과형 전자 현미경에 의한 관찰은, 배율 15 만배인 경우에는 시야 면적 약 4 × 10⁵ ㎚², 배율 75 만배인 경우에는 시야 면적 약 2 × 10⁴ ㎚² 에서 실시하였다.

또, 본 실시형태인 구리 합금 트롤리선 (1) 에 있어서는, 초기의 인장 강도를 TS₀, 400 ℃ × 2 시간 유지 후의 인장 강도를 TS₁ 로 하여, HR ＝ TS₁/TS₀ × 100 으로 정의되는 내열성 HR 이 90 ％ 이상으로 되어 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 구리 합금 트롤리선 (1) 의 인장 강도의 측정은 JIS Z 2241 에 준거하여 실시하였다. 또, 열처리 후의 인장 강도 TS₁ 은, 400 ℃ × 2 시간 유지 후에 상온에서 측정하였다.

다음으로, 상기 서술한 구리 합금 트롤리선 (1) 의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 2 에 본 발명의 실시형태인 구리 합금 트롤리선 (1) 의 제조 방법의 플로우도를 나타낸다.

먼저, 상기 구리 합금으로 이루어지는 동황인선 (銅荒引線) (50) 을 연속 주조 압연법에 의해 연속적으로 만들어낸다 (연속 주조 압연 공정 S01). 이 연속 주조 압연 공정 S01 에 있어서는, 예를 들어 도 3 에 나타내는 연속 주조 압연 설비가 사용된다.

도 3 에 나타내는 연속 주조 압연 설비는, 용해로 (A) 와, 유지로 (B) 와, 주조통 (C) 과, 벨트 휠식 연속 주조기 (D) 와, 연속 압연 장치 (E) 와, 코일러 (F) 를 갖고 있다.

용해로 (A) 로서, 본 실시형태에서는, 원통형의 노 본체를 갖는 샤프트로를 사용하고 있다. 노 본체의 하부에는 원주 방향으로 복수의 버너 (도시 생략) 가 상하 방향으로 다단상으로 배비되어 있다. 그리고, 노 본체의 상부로부터 원료인 전기 구리가 장입되고, 상기 버너의 연소에 의해 용해되어, 구리 용탕이 연속적으로 만들어내어진다.

유지로 (B) 는, 용해로 (A) 에서 제조된 구리 용탕을 소정의 온도에서 유지한 채로 일단 저류하고, 일정량의 구리 용탕을 주조통 (C) 으로 이송하기 위한 것이다.

주조통 (C) 은, 유지로 (B) 로부터 이송된 구리 용탕을 벨트 휠식 연속 주조기 (D) 의 상방에 배치된 턴디시 (11) 로까지 이송하는 것이다. 이 주조통 (C) 은, 예를 들어 Ar 등의 불활성 가스 또는 환원성 가스로 시일되어 있다. 또한, 이 주조통 (C) 에는, 불활성 가스에 의해 구리 용탕을 교반하여 용탕 중의 산소 등을 제거하는 탈가스 수단 (도시 생략) 이 형성되어 있다.

턴디시 (11) 는, 벨트 휠식 연속 주조기 (D) 에 구리 용탕을 연속적으로 공급하기 위해 형성된 저류조이다. 이 턴디시 (11) 의 구리 용탕의 흐름 방향 종단측에는 주탕 (注湯) 노즐 (12) 이 배치되어 있고, 이 주탕 노즐 (12) 을 통하여 턴디시 (11) 내의 구리 용탕이 벨트 휠식 연속 주조기 (D) 로 공급되는 구성으로 되어 있다.

여기서, 본 실시형태에서는, 주조통 (C) 및 턴디시 (11) 에 합금 원소 첨가 수단 (도시 생략) 이 형성되어 있고, 구리 용탕 중에 상기 서술한 원소 (Co, P, Sn) 가 첨가되는 구성으로 되어 있다.

벨트 휠식 연속 주조기 (D) 는, 외주면에 홈이 형성된 주조륜 (鑄造輪) (13) 과, 이 주조륜 (13) 의 외주면의 일부에 접촉하도록 주회 이동되는 무단 벨트 (14) 를 갖고 있다. 이 벨트 휠식 연속 주조기 (D) 에 있어서는, 상기 홈과 무단 벨트 (14) 사이에 형성된 공간에 주탕 노즐 (12) 을 통하여 구리 용탕이 주입되고, 이 구리 용탕을 냉각·고화시킴으로써, 봉상의 주조 구리재 (21) 를 연속적으로 주조하는 것이다.

이 벨트 휠식 연속 주조기 (D) 의 하류측에는, 연속 압연 장치 (E) 가 연결되어 있다. 이 연속 압연 장치 (E) 는, 벨트 휠식 연속 주조기 (D) 로부터 만들어내어진 주조 구리재 (21) 를 연속적으로 압연하여, 소정 외경의 동황인선 (50) 을 만들어내는 것이다.

이 연속 압연 장치 (E) 로부터 만들어내어진 동황인선 (50) 은, 세정 냉각 장치 (15) 및 탐상기 (16) 를 통하여 코일러 (F) 에 권취된다.

여기서, 상기 서술한 연속 주조 압연 설비에 의해 만들어내어지는 동황인선 (50) 의 외경은, 예를 들어 8 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하로 되어 있고, 본 실시형태에서는 27 ㎜ 로 되어 있다.

그리고, 이 연속 주조 압연 공정 S01 에서는, 주조 구리재 (21) 가, 예를 들어 800 ℃ 내지 1000 ℃ 의 비교적 고온에서 유지되는 점에서, Co, P 와 같은 원소가 구리의 모상 중에 많이 고용되게 된다.

다음으로, 도 2 에 나타내는 바와 같이 연속 주조 압연 공정 S01 에 의해 만들어내어진 동황인선 (50) 에 대하여, 냉간 가공을 실시한다 (1 차 냉간 가공 공정 S02). 이 1 차 냉간 가공 공정 S02 에서는, 다이 신선법 (伸線法), 롤 압연법, 스웨이징 가공 등에 의해, 소정의 단면 형상의 구리 선재로 가공하게 된다. 이 때, 가공 저항의 저감, 다이나 롤의 마모 저감, 재료의 냉각 등을 목적으로 하여, 유성 윤활제가 사용된다.

다음으로, 구리 선재의 필링을 실시한다 (필링 공정 S03). 이 필링 공정 03 에서는, 필링 다이를 사용하여, 표면의 0.1 ∼ 0.5 ㎜, 바람직하게는 0.1 ∼ 0.2 ㎜ 의 표면층을 제거한다. 이 필링 공정 S03 에 의해 얻어지는 구리 선재는, 직경이 13 ∼ 22 ㎜ 정도로 되어 있고, 본 실시형태에서는 18 ㎜ 로 되어 있다.

다음으로, 필링 공정 S03 후의 구리 선재에 대하여 시효 열처리를 실시한다 (시효 열처리 공정 S04). 이 시효 열처리 공정 S04 에 의해, Co 와 P 를 주성분으로 하는 화합물로 이루어지는 석출물을 석출시킨다.

여기서, 시효 열처리 공정 S04 에서는, 승온 속도가 50 ℃/시간 이상 300 ℃/시간 이하, 열처리 온도가 300 ℃ 이상 600 ℃ 이하, 유지 시간이 0.5 시간 이상 6 시간 이하의 조건으로 실시된다.

다음으로, 시효 열처리 공정 S04 후의 구리 선재에 대하여, 냉간 가공을 실시하여, 소정의 단면 형상의 구리 합금 트롤리선으로 한다 (2 차 냉간 가공 공정 S05).

여기서, 이 2 차 냉간 가공 공정 S05 에 있어서의 가공률은 20 ％ 이상 65 ％ 이하의 범위 내가 되도록 설정되어 있다.

이 2 차 냉간 가공 공정 S05 에 있어서는, 단면이 원형인 구리 선재에 대하여 홈 가공을 실시하여, 도 1 에 나타내는 단면 형상의 구리 합금 트롤리선 (1) 으로 한다.

이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 구리 합금 트롤리선 (1) 및 구리 합금 트롤리선 (1) 의 제조 방법에 의하면, Co ; 0.12 질량％ 이상 0.40 질량％ 이하, P ; 0.040 질량％ 이상 0.16 질량％ 이하, Sn ; 0.005 질량％ 이상 0.70 질량％ 이하를 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성으로 되어 있는 점에서, 구리의 모상 중에 Co 와 P 의 화합물로 이루어지는 석출물이 분산되게 되어, 강도, 도전율의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.

여기서, 본 실시형태에서는, Co 의 함유량을 0.12 질량％ 이상 0.40 질량％ 이하, P 의 함유량을 0.040 질량％ 이상 0.16 질량％ 이하의 범위 내로 설정하고 있으므로, 석출물의 개수가 확보되어, 강도를 충분히 향상시킬 수 있음과 함께, 강도의 향상에 기여하지 않는 잉여의 Co, P 가 많이 존재하고 있지 않고, 도전율을 확보할 수 있다.

또, Sn 의 함유량을 0.005 질량％ 이상으로 하고 있으므로, 구리의 모상 중에 고용됨으로써 강도를 향상시킬 수 있음과 함께, Co 와 P 를 주성분으로 하는 석출물의 석출을 촉진시킬 수 있고, 내열성, 내식성의 향상을 도모할 수 있다. 한편, Sn 의 함유량을 0.70 질량％ 이하로 하고 있으므로, 도전율의 저하를 억제할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 필요에 따라, 0.002 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하의 Zn, 0.002 질량％ 이상 0.25 질량％ 이하의 Mg, 0.002 질량％ 이상 0.25 질량％ 이하의 Ag, 0.001 질량％ 이상 0.1 질량％ 이하의 Zr 중 어느 1 종 이상을 함유하는 구성으로 하고 있다. 이와 같은 원소를 첨가한 경우에는, 구리의 모상 중으로의 S 의 고용을 방지하여, S 에 의한 성능 저하를 방지할 수 있다. 또한, 이들 원소에 의해 추가적인 강도 향상을 도모할 수 있다.

본 실시형태인 구리 합금 트롤리선 (1) 에 있어서는, 평균 입경을 10 ㎚ 이상으로 하고, 또한 입경 5 ㎚ 이상의 석출물의 개수를 관찰되는 석출물 전체의 90 ％ 이상으로 하고 있으므로, 강도, 도전율, 내열성을 향상시키는 것이 가능해진다.

또, 본 실시형태인 구리 합금 트롤리선 (1) 에 있어서는, 시효 열처리 후에 냉간 가공함으로써 더욱 강도가 향상되는 점에서, 시효 열처리 후에 냉간 가공을 실시하고 형상의 수정을 충분히 실시할 수 있어, 형상 정밀도가 우수한 구리 합금 트롤리선 (1) 을 제공하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시형태인 구리 합금 트롤리선 (1) 에 있어서는, 초기의 인장 강도를 TS₀, 400 ℃ × 2 시간 유지 후의 인장 강도를 TS₁ 로 하여, HR ＝ TS₁/TS₀ × 100 으로 정의되는 내열성 HR 이 90 ％ 이상으로 되어 있으므로, 마찰열 등으로 구리 합금 트롤리선 (1) 의 온도가 상승한 경우에도, 인장 강도가 충분히 확보되고, 이 구리 합금 트롤리선 (1) 의 가선 장력을 높게 설정할 수 있으며, 고속 철도 등에도 적용하는 것이 가능해진다.

또, 본 실시형태인 구리 합금 트롤리선 (1) 의 제조 방법에 있어서는, 시효 열처리 공정 S04 와, 이 시효 열처리 공정 S04 후에 실시되는 2 차 냉간 가공 공정 S05 를 갖고 있고, 2 차 냉간 가공 공정 S05 에 있어서 가공률 20 ％ 이상 65 ％ 이하의 가공을 실시하고 있으므로, 강도를 확실하게 향상시킬 수 있음과 함께, 도전율을 확보하는 것이 가능해진다. 즉, 2 차 냉간 가공 공정 S05 에 있어서의 가공률이 20 ％ 미만인 경우에는, 강도의 향상이 불충분해질 우려가 있다. 또, 2 차 냉간 가공 공정 S05 에 있어서의 가공률이 65 ％ 를 초과하는 경우에는, 전위의 집적과 석출물의 재고용에 의해 도전율이 저하될 우려가 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 2 차 냉간 가공 공정 S05 전에, 300 ℃ 이상 600 ℃ 이하에서 0.5 시간 이상 6 시간 이하의 열처리에 의해 석출물을 석출시키는 시효 처리 공정 S04 를 구비하고 있으므로, 구리의 모상 중에 분산되는 석출물의 크기, 밀도를 조정할 수 있고, 예를 들어, 평균 입경을 10 ㎚ 이상으로 하고, 또한 입경 5 ㎚ 이상의 석출물의 개수를 관찰되는 석출물 전체의 90 ％ 이상으로 할 수 있으며, 강도의 향상을 도모할 수 있다.

또, 본 실시형태인 구리 합금 트롤리선 (1) 의 제조 방법에 있어서는, 연속 주조 압연 공정 S01 에 의해 동황인선 (50) 을 만들어내고 있으므로, 효율적으로 동황인선 (50) 을 만들어낼 수 있다. 또, 예를 들어 800 ∼ 1000 ℃ 의 고온 상태에서 일정 시간 유지되게 되므로, Co 나 P 등의 원소가 구리의 모상 중에 고용되게 되고, 별도로 용체화 처리를 실시할 필요가 없다.

이상 본 발명의 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지는 않으며, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.

예를 들어, 본 실시형태에서는, 도 1 에 나타내는 단면 형상의 구리 합금 트롤리선으로서 설명하였지만, 이것에 한정되지는 않으며, 다른 단면 형상의 구리 합금 트롤리선이어도 된다. 또, 철도용 트롤리선으로서 설명하였지만, 이것에 한정되지는 않으며, 크레인 등의 반송 기계에 사용되는 것이어도 된다.

또, 본 실시형태에서는, 연속 주조 압연 공정에 의해 동황인선을 제조하는 것으로서 설명하였지만, 이것에 한정되지는 않으며, 원기둥상의 주괴 (빌릿) 를 만들어내고, 이 주괴를 압출·냉간 가공함으로써 동황인선을 만들어내도 된다. 단, 압출법에 의해 동황인선을 만들어낸 경우에는, 별도로 용체화 처리를 실시할 필요가 있다. 또한, 연속 주조 압연 공정에 의해 제조된 경우에도, 동황인선에 대하여 용체화 처리를 실시해도 된다.

또, 본 실시형태에서는, 연속 주조 압연 공정을 도 3 에 나타내는 벨트 휠식 주조기를 사용하여 실시하는 것으로서 설명하였지만, 이것에 한정되지는 않으며, 다른 연속 주조법을 채용해도 된다.

실시예

이하에 본 발명의 유효성을 확인하기 위해 실시한 확인 실험의 결과에 대해 설명한다.

벨트 휠식 연속 주조기를 구비한 연속 주조 압연 설비를 사용하여, 표 1 에 나타내는 조성의 구리 합금으로 이루어지는 동황인선 (직경 27 ㎜) 을 만들어냈다. 이 동황인선에 대하여, 1 차 냉간 가공을 실시하여 직경 20 ㎜ 로 하고, 필링을 실시한 후에 표 1 에 나타내는 조건으로 시효 열처리를 실시하였다. 그 후, 표 1 에 나타내는 조건으로 2 차 냉간 가공을 실시하여, 단면적 110 ㎟ 의 홈이 형성된 트롤리선을 제조하였다.

그리고, 제조된 홈이 형성된 트롤리선을 사용하여, 석출물의 관찰을 실시하였다. 석출물의 관찰은, 투과형 전자 현미경 (기종명 : TEM : 히타치 제작소 제조, H-800, HF-2000, HF-2200 및 니혼 전자 제조의 JEM-2010F) 의 투과 전자 이미지를 사용하여, 각 석출물의 면적으로부터 상당 입경을 산출하였다. 또한, 배율은 15 만배, 75 만배로 하고, 각각 측정 시야 약 4 × 10⁵ ㎚², 약 2 × 10⁴ ㎚² 에서 관찰을 실시하였다. 그리고, 석출물의 평균 입경, 및 관찰되는 석출물 중 입경 5 ㎚ 이상의 석출물의 비율을 산출하였다. 결과를 표 2 에 나타낸다.

또, 제조된 홈이 형성된 트롤리선을 사용하여, 내열성 HR , 인장 강도, 연신율, 도전율을 평가하였다.

내열성 HR 은, 초기의 인장 강도를 TS₀, 400 ℃ × 2 시간 유지 후의 인장 강도를 TS₁ 로 하여, HR ＝ TS₁/TS₀ × 100 으로 정의되는 것으로서, JIS Z 2241 에 준거하여, 시마즈 제작소 제조의 AG-100kNX 를 사용하여, 초기의 인장 강도 TS₀, 400 ℃ × 2 시간 유지 후의 인장 강도를 TS₁ 로서 측정하여 산출하였다.

인장 강도, 연신율에 대해서도, 상기 서술한 바와 같이, JIS Z 2241 에 준거하여, 시마즈 제작소 제조의 AG-100kNX 를 사용하여 측정하였다.

도전율은, JIS h 0505 에 준거하여, 더블 브릿지법에 의해 측정하였다.

또한, 종래예 1 로서 터프 피치동, 종래예 2 로서 Cu-0.3 wt％ Sn 에 대해, 내열성, 인장 강도, 연신율, 도전율을 측정하였다.

평가 결과를 표 2 에 나타낸다.

Co 및 P 의 함유량이 본 발명의 상한값을 초과한 비교예 1 에 있어서는, 도전율이 낮아진 것이 확인된다.

Co 및 P 의 함유량이 본 발명의 하한값 미만으로 된 비교예 2 에 있어서는, 인장 강도가 불충분하였다.

Sn 의 함유량이 본 발명의 상한값을 초과한 비교예 3 에 있어서는, 도전율이 낮아진 것이 확인된다.

Sn 의 함유량이 본 발명의 하한값 미만으로 된 비교예 4 에 있어서는, 인장 강도가 불충분하였다.

석출물의 평균 입경 및 입경 5 ㎚ 이상의 석출물의 개수가 관찰되는 석출물 전체 비율이 본 발명의 범위에서 벗어난 비교예 5 에 있어서는, 도전율이 낮아졌다.

또, 종래예 1, 2 에 있어서는, 인장 강도가 부족하였고, 내열성도 불충분하였다.

이에 대하여, 본 발명예 1 ∼ 9 에 있어서는, 강도, 도전율, 내열성이 우수한 것이 확인된다.

이상의 확인 실험의 결과로부터, 본 발명에 의하면, 강도, 도전율, 내열성이 우수한 구리 합금 트롤리선을 안정적으로 제공하는 것이 가능한 것이 확인되었다.

산업상 이용가능성

본 발명은, 강도, 도전성, 내마모성, 내열성이 우수하고, 또한 형상 정밀도가 우수한 구리 합금 트롤리선 및 이 구리 합금 트롤리선의 제조 방법에 관한 것이다.

1 : 구리 합금 트롤리선
2 : 홈
3 : 제 1 원호부
4 : 제 2 원호부

Claims

Co ; 0.12 질량％ 이상 0.40 질량％ 이하, P ; 0.040 질량％ 이상 0.16 질량％ 이하, Sn ; 0.005 질량％ 이상 0.70 질량％ 이하를 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지고,
평균 입경을 10 ㎚ 이상으로 하고, 또한 입경 5 ㎚ 이상의 석출물의 개수가 관찰되는 석출물 전체의 90 ％ 이상으로 되어 있고,
초기의 인장 강도를 TS₀, 400 ℃ × 2 시간 유지 후의 인장 강도를 TS₁ 로 하여,
HR ＝ TS₁/TS₀ × 100
으로 정의되는 내열성 HR 이 90 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 구리 합금 트롤리선.
제 1 항에 기재된 구리 합금 트롤리선의 제조 방법으로서,
시효 열처리 공정과, 이 시효 열처리 공정 후에 실시되는 냉간 가공 공정을 갖고,
상기 냉간 가공 공정에 있어서의 가공률이 20 ％ 이상 65 ％ 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 구리 합금 트롤리선의 제조 방법.