(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼線の表面を５００℃以上に加熱する工程と、直ちにこの鋼線の周囲に６００乃至８００℃の銅又は銅合金素材をコンフォームにより押出して被覆する工程とを有することを特徴とする銅又は銅合金被覆鋼トロリ線の製造方法。
【請求項２】
前記鋼線の表面を加熱する工程は、８００℃以下に加熱する工程であることを特徴とする請求項１に記載の銅又は銅合金被覆鋼トロリ線の製造方法。
【請求項３】
前記鋼線にはその長手方向の双方向に、表面が加熱された温度における前記鋼線の降伏荷重の８０％以下の張力が負荷されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の銅又は銅合金被覆鋼トロリ線の製造方法。
【請求項４】
前記鋼線は硬鋼線又は合金鋼線からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の銅又は銅合金被覆鋼トロリ線の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋼線からなる芯材の周囲に銅又は銅合金素材が被覆され鉄道の架線等に使用される銅又は銅合金被覆鋼トロリ線の製造方法に関し、特に、鋼線と銅又は銅合金素材との接合性が高い銅又は銅合金被覆鋼トロリ線の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄道用のトロリ線には銅又は銅合金（以下、銅及び銅合金を総称して銅という）線が使用されているが、電車の高速運行のためには十分な強度が得られない。このため、高い強度を有するトロリ線が要望されており、このような高い強度を有するトロリ線として、鋼線からなる芯材に銅素材が被覆された銅被覆鋼トロリ線が提案され（特公平２−１１４６０号公報）、新幹線等の高速運行電車用として使用されている。この従来の銅被覆鋼トロリ線の製造方法は以下のとおりである。先ず、鋼線を銅の溶湯中に連続的に浸漬し、鋼線の周囲に銅素材を凝固させて付着する。次に、一定の温度で熱間圧延することにより銅被覆鋼線素線を作製する。そして、伸線加工することにより銅被覆鋼トロリ線を製造する。
【０００３】
この従来の製造方法においては、鋼線を銅の溶湯中に浸漬し、鋼線の表面に銅溶湯を付着する際に、鋼線の表面は銅溶湯との濡れ性を良くするために極めて平滑な活性状態である必要がある。このため、極めて厳密な管理の下で、鋼線表面の前処理を行う必要がある。
【０００４】
前処理方法としては、例えば、酸洗い、ショットブラスト及びブラシ研磨等があり、鋼線表面に存在する酸化皮膜等の汚れ等を除去することができる。しかし、鋼線表面の平滑性が低く、表面に均一に銅素材を付着し凝固させることができない。このため、芯材である鋼線と銅素材との界面に空隙又は接合不良部が残留してしまう。
【０００５】
そこで、実際には、特殊な加工が施された工具ダイス（以下、皮剥ダイスという）により前処理として鋼線表面を連続的に皮剥しながら、真空排気されたハウジング内に鋼線を導入し、真空状態を保ったまま銅の溶湯中に浸漬する方法が行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の皮剥ダイスを使用する製造方法では、炭素含有量が０．３５重量％以下の低強度の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、芯材として炭素含有量が０．３５重量％を超えるような所謂硬鋼線を使用した場合には、製造中に皮剥ダイスの刃先が極めて欠けやすく寿命が短くなり、均一な皮剥が行われなくなる。このため、鋼線表面に銅素材が均一に付着されず、芯材である鋼線と銅素材との接合性不良が生じたり、伸線加工時に鋼線が断線する等、製造が安定しないためである。従って、この製造方法では炭素含有量が０．３５重量％以下の低強度の鋼線のみしか使用することができない。この鋼線から製造される銅被覆鋼トロリ線の強度は日本国内で標準的に使用されている長手方向と直交する方向の断面積が１１０ｍｍ２サイズのもので６７ｋｇｆ／ｍｍ２、１７０ｍｍ２サイズのもので６６ｋｇｆ／ｍｍ２程度が最高値であり、今後の更なる電車の高速化に対応するための高い強度を得ることはできないという問題点がある。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、芯材である鋼線とこれに被覆される銅又は銅合金素材との接合性を高くすることができ、好ましくは安定して製造することができ、高強度及び高硬度のトロリ線を製造することができる銅又は銅合金被覆鋼トロリ線の製造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】
本発明に係る銅又は銅合金被覆鋼トロリ線の製造方法は、鋼線の表面を５００℃以上に加熱する工程と、直ちにこの鋼線の周囲に６００乃至８００℃の銅又は銅合金素材をコンフォームにより押出して被覆する工程とを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明においては、鋼線の表面とそれに被覆される銅又は銅合金素材の温度が適切な温度に加熱されているので、鋼線と銅又は銅合金素材との間の拡散が起こりやすく、十分な接合性が得られる。また、前処理として皮剥が不要であるので、芯材として、硬質で高強度の硬鋼線を問題なく使用することができる。
【００１０】
なお、前記鋼線の表面を加熱する工程は、８００℃以下に加熱する工程であることが好ましい。鋼線表面を加熱する温度を８００℃以下とすることにより、銅又は銅合金素材を押出す際に鋼線に十分な強度を保持させ、安定して銅被覆鋼トロリ線を製造することができる。
【００１１】
また、前記鋼線にはその長手方向の双方向に、表面が加熱された温度における前記鋼線の降伏荷重の８０％以下の張力が負荷されていることが好ましい。鋼線の長手方向に負荷される張力を適切なものにすることにより、銅又は銅合金素材を押出す際に鋼線に十分な強度を保持させ、安定して銅被覆鋼トロリ線を製造することができる。
【００１２】
更にまた、前記鋼線は硬鋼線又は合金鋼線からなることが好ましい。鋼線として硬鋼線又は合金鋼線を使用することにより、銅被覆鋼トロリ線の強度を高めることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例方法ついて、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施例方法に使用される押出加工装置を示す模式的断面図である。本実施例方法に使用される押出加工装置には芯材である鋼線の表面に付着した酸化皮膜及び油分等を除去する前処理装置８が配設されている。前処理装置８としては、酸洗い、ショットブラスト若しくはブラシ研磨又はこれらの組み合わせを行う装置が使用され、複数台配設されてもよい。前処理装置８の次工程側には誘導加熱装置９が配設されている。この誘導加熱装置９には供給管１８が接続されており、供給管１８の誘導加熱装置９に対して逆側の端部にはダイチャンバ６が接続されている。
【００１４】
ダイチャンバ６には鋼線に被覆される銅素材を押出すコンフォーム１７が接続されている。このコンフォーム１７は回転駆動するホイール２と、その外側に設けられ固定されたシューブロック３と、ホイール２とシューブロック３との間に形成された導入路４と、ホイール２の外周に沿って形成された導入路４の方向を変えるアバットメント５とから構成されている。そして、導入路４の端部はダイチャンバ６に接続されている。また、ダイチャンバ６はシューブロック３の内部に設けられている。
【００１５】
図２はダイチャンバを示す模式的断面図である。ダイチャンバ６は鋼線に銅素材を被覆するためのチャンバ１１を形成するダイ１９と、チャンバ１１と供給管１８とを接続するニップル１０と、鋼線に銅素材が被覆されて形成される銅被覆鋼トロリ線の形状を調節するダイス１３とにより構成されている。
【００１６】
そして、ダイチャンバ６の次工程側には、銅被覆鋼トロリ線を冷却する冷却槽が配設されており、その次工程側には、押出時に鋼線７に負荷される次工程側への張力を調節する引き取り機１５が配設されている。更に、その次工程側には、銅被覆鋼トロリ線を巻き取る巻き取り機１６が配設されている。
【００１７】
次に、前述の押出加工装置を使用した本発明の実施例方法について説明する。図１に示すように、先ず、銅素材１をその表面に付着した酸化皮膜及び油分等の汚れが完全に除去された状態で導入路４に導入する。そして、ホイール２を矢印方向に回転させ、銅素材１を導入路４の中にホイール２の外周に沿って連続的に供給すると共に、銅素材１をシューブロック３とホイール２との間の摩擦熱及び圧力により６００乃至８００℃に加熱して可塑流動的な状態とする。そして、アバットメント５において、銅素材１の移動する方向を変え、可塑流動的な状態でダイチャンバ６内のチャンバ１１に押出す。
【００１８】
このとき、銅素材１の温度を６００℃未満とすると、可塑流動化させる際の銅素材１の変形抵抗が極めて大きくなるので、ホイール２にかかる負荷が極めて大きくなり、その寿命が短くなる。また、鋼線に被覆される際に、鋼線との間の拡散が不十分となり、接合性が低下する。更に、銅素材１の押出圧力により鋼線が変形してしまう。
【００１９】
一方、銅素材１の温度が８００℃を超えると、導入路４、アバットメント５及びダイチャンバ６等の銅素材１と接触する工具が熱に耐えられず、摩耗及び損傷が激しくなるため、これら工具の寿命が短くなる。従って、銅素材の押出温度は６００乃至８００℃とする。
【００２０】
一方、鋼線７は前処理装置８に供給されて、その表面に酸化皮膜又は油分等の汚れが残留しないように清浄化される。そして、誘導加熱装置９に供給される。ここで、鋼線７はその表面を５００乃至８００℃に加熱され、直ちに供給管１８及びニップル１０を介してチャンバ１１に供給される。
【００２１】
鋼線７表面の加熱温度が５００℃未満であると、銅素材が被覆される際に、６００乃至８００℃に加熱されている銅素材の温度との差が極めて大きいため、銅素材との間の拡散が不十分となり、接合性が低下する。従って、鋼線表面の加熱温度は５００℃以上とする。
【００２２】
一方、鋼線７表面の加熱温度が８００℃を超えると、銅素材が被覆される際の強度が低くなり、銅素材の押出圧力により鋼線７の外径が所望のものより細くなったり、断線することがある。このため、所望の銅被覆率を得にくくなると共に、銅被覆鋼トロリ線を安定して製造することが困難となる。従って、鋼線表面の加熱温度は８００℃以下であることが好ましい。
【００２３】
そして、チャンバ１１に供給された鋼線７はそこに押出された可塑流動的な状態の銅素材１をその表面に被覆され、銅被覆鋼トロリ線１２が形成される。次いで、ダイス１３により所望の形状を有するように銅被覆鋼トロリ線１２が押出され、冷却槽１４で冷却される。その後、銅被覆鋼トロリ線１２は引き取り機１５によって張力を調節されながら、巻き取り機１６により巻き取られる。
【００２４】
鋼線７に銅素材１を被覆して銅被覆鋼トロリ線１２を製造する工程中に、鋼線７にはその長手方向の双方向に張力が負荷されている（以下、前工程方向にかかる張力を後方張力、次工程方向にかかる張力を前方張力という）。この張力は鋼線７の表面が加熱された温度における降伏荷重の８０％以下であることが好ましい。張力が降伏荷重の８０％を超えると、製造ラインの途中で鋼線７の外径が局部的又は全体的に所望のものより細くなったり、断線することがある。このため、所望の銅被覆率を得にくくなると共に、銅被覆鋼トロリ線を安定して製造することが困難となる。従って、鋼線に負荷される張力は表面が加熱された温度における降伏荷重の８０％以下であることが好ましい。
【００２５】
なお、鋼線の材料は特に限定されるものではない。安価で強度が高い硬鋼線の他、軽量化及び高強度化に好適なステンレス鋼等の合金鋼を使用することもできる。つまり、鋼線の靱性又は伸線性に悪影響を及ぼさない程度に、例えば、Ｃ、Ｎ、Ｓ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｓｎ又はＡｌ等を１種又は組み合わせて含有する鋼線を使用してもよい。
【００２６】
また、鋼線の長手方向と直交する方向の断面形状は特に限定されるものではない。例えば、円、楕円、矩形又は四角形とすることができる。
【００２７】
更にまた、ダイスにより押出加工する銅被覆鋼トロリ線の長手方向と直交する方向の断面形状も特に限定されるものではない。従来のように、断面を円として押出加工して、その後、伸線加工によりトロリ線の形状に仕上げてもよく、予めトロリ線の形状に近い形状に押出加工して、伸線加工を簡略化してもよい。
【００２８】
本実施例によれば、鋼線に銅素材を被覆する工程の前処理として従来使用されている皮剥を行わず、酸洗い、ショットブラスト若しくはブラシ研磨又はこれらの組み合わせを行っても、良好な鋼線と銅素材との接合性を得ることができる。
【００２９】
また、鋼線として炭素含有量が０．３５重量％以上の硬鋼線材を使用した場合には、特に強度が高い高強度銅被覆鋼トロリ線を製造することができる。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。
【００３１】
第１実施例
先ず、直径が１２ｍｍであるＪＩＳ  Ｃ  １０２０無酸素銅線の表面に付着した酸化物及び油分等の汚れを除去した後、この銅線を回転可能なホイールと固定されたシューブロックとにより形成された導入路に連続的に供給した。このとき、ホイールとシューブロックとの間の摩擦熱及び圧力により、銅線を下記表１及び２に示す各実施例及び比較例の温度に加熱し可塑流動的な状態な銅素材とした。
【００３２】
一方、直径が１０ｍｍでありＪＩＳ  Ｇ  ３５０６に示される炭素含有量が０．６３重量％であるＳＷＲＨ６２Ａ硬鋼線からなる鋼線を前処理としてその表面に付着した酸化物及び油分等の汚れを除去した後、誘導加熱装置を使用してその表面を下記表１及び２に示す各実施例及び比較例の温度に加熱した。直ちに、その状態を保ったまま鋼線をダイチャンバ内に誘導し、可塑流動的な状態の銅素材を鋼線の表面に押出して被覆した。そして、ダイスにより外径が２２ｍｍの銅被覆鋼トロリ線として押出した。なお、このときの前方張力及び後方張力は鋼線表面の各加熱温度における降伏荷重の８０％以下とした。
【００３３】
【表１】
0003631355.tif 000002
【００３４】
【表２】
0003631355.tif 000003
【００３５】
そして、押出に使用されたアバットメント及びダイチャンバ等の工具の摩耗、押出された銅被覆鋼トロリ線の芯材である鋼芯と被覆された銅素材との接合性並びに鋼芯の変形について評価した。
【００３６】
なお、接合性については、カッタで切断した際の切断破面及び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倍の拡大鏡を使用して観察し、鋼芯と銅素材との間の剥離を評価した。このとき、剥離が生じていなかったものを○、僅かな剥離が生じていたものを△、大きな剥離が生じていたものを×とした。
【００３７】
また、鋼芯の変形については、鋼芯の直径が全く変化しておらず、直径が１０ｍｍのままのものを○、直径が９．５以上１０ｍｍ未満の範囲内に軽度に変形したものを△、直径が９．５ｍｍ未満にまで変形したものを×とした。これらの結果を下記表３及び４に示す。
【００３８】
【表３】
0003631355.tif 000004
【００３９】
【表４】
0003631355.tif 000005
【００４０】
上記表３に示すように、実施例１乃至１１においては、鋼線の表面が適切な温度に加熱され、適切な温度の銅素材が押出され被覆されているので、工具の摩耗が少なく、接合性が良好であった。特に、実施例１乃至９においては、鋼線表面の加熱温度が８００℃以下であるので、鋼芯の変形がなく安定して銅被覆鋼トロリ線を押出すことができた。
【００４１】
一方、上記表４に示すように、比較例３４乃至３７においては、鋼線表面の加熱温度が本発明範囲の下限未満であるので、鋼芯と銅素材との接合性が不十分であった。
【００４２】
比較例３４、３８、４０及び４２においては、銅素材の押出温度が本発明範囲の下限未満であるので、銅線を可塑流動化させる際に変形抵抗が極めて大きく、ホイールにかかる負荷が極めて大きくなり、工具の摩耗が多かった。また、銅素材の押出圧力が極めて高くなり、鋼芯が変形した。
【００４３】
比較例３７、３９、４１及び４３においては、銅素材の押出温度が本発明範囲の上限を超えているので、アバットメント及びダイチャンバ等の銅素材と接触する工具に激しい摩耗及び損傷があった。
【００４４】
第２実施例
銅素材の押出温度を７００℃、鋼線表面の加熱温度を下記表５に示す各実施例及び比較例の温度とし、後方張力を鋼線の各加熱温度における降伏荷重の８０％以下とし、下記表５に示す前方張力を負荷しながら、第１実施例と同様にして銅被覆鋼トロリ線を押出した。なお、表５中の前方張力は鋼線表面の各加熱温度における降伏荷重に対する比で表されている。また、第３実施例において、比較例とは請求項３の範囲から外れる前方張力が負荷されたものをいう。
【００４５】
【表５】
0003631355.tif 000006
【００４６】
そして、押出された各実施例及び比較例の銅被覆鋼トロリ線における鋼芯の変形の有無について調査を行った。この結果を下記表６に示す。
【００４７】
【表６】
0003631355.tif 000007
【００４８】
上記表６に示すように、実施例１２乃至２０においては、負荷された前方張力が鋼線表面の加熱温度における降伏荷重に対して８０％以下であるので、鋼芯の変形がなく、所望の銅被覆率を有する銅被覆鋼トロリ線が得られた。
【００４９】
一方、比較例４４乃至４９においては、前方張力が請求項３に規定する範囲の上限を超えているので、鋼芯が変形するか、又は断線した。このため、安定して押出を行うことが困難であり、所望の銅被覆率を有する銅被覆鋼トロリ線は得にくかった。
【００５０】
第３実施例
銅素材の押出温度を７００℃、鋼線表面の加熱温度を下記表５に示す各実施例及び比較例の温度とし、前方張力を鋼線の各加熱温度における降伏荷重の８０％以下とし、下記表７に示す後方張力を負荷しながら、第１実施例と同様にして銅被覆鋼トロリ線を押出した。なお、表７中の後方張力は鋼線表面の各加熱温度における降伏荷重に対する比で表されている。また、第３実施例において、比較例とは請求項３の範囲から外れる後方張力が負荷されたものをいう。
【００５１】
【表７】
0003631355.tif 000008
【００５２】
そして、押出された各実施例及び比較例の銅被覆鋼トロリ線における鋼芯の変形の有無について調査を行った。この結果を下記表８に示す。
【００５３】
【表８】
0003631355.tif 000009
【００５４】
上記表８に示すように、実施例２１乃至２９においては、負荷された後方張力が鋼線表面の加熱温度における降伏荷重に対して８０％以下であるので、鋼芯の変形がなく、所望の銅被覆率を有する銅被覆鋼トロリ線が得られた。
【００５５】
一方、比較例５０乃至５５においては、後方張力が請求項３に規定する範囲の上限を超えているので、鋼芯が変形するか、又は断線した。このため、安定して押出を行うことが困難であり、所望の銅被覆率を有する銅被覆鋼トロリ線は得にくかった。
【００５６】
第４実施例
先ず、外径が１０ｍｍであり下記表９に示す炭素含有量の鋼線を使用して、第１実施例と同様にして、銅被覆鋼トロリ線を押出した。次に、下記表９に示す断面積となるまで伸線加工した。なお、実施例３０及び３２に使用された鋼線はＳＷＲＨ６２Ａ硬鋼線であり、実施例３１及び３３に使用された鋼線はＳＷＲＨ８２Ａ硬鋼線である。また、第４実施例において、比較例とは請求項４の範囲から外れるものである。
【００５７】
【表９】
0003631355.tif 000010
【００５８】
そして、伸線加工された各実施例及び比較例の銅被覆鋼トロリ線の引張強度及び導電率を測定した。この結果を下記表１０に示す。
【００５９】
【表１０】
0003631355.tif 000011
【００６０】
上記表１０に示すように、実施例３０乃至３３においては、適切な量の炭素を含有する硬鋼線を使用しているので鋼線自体の強度が高く、導電率を低下させることなく、高い強度を有する銅被覆鋼トロリ線を得ることができた。
【００６１】
一方、比較例５６及び５７においては、炭素含有量が低い軟鋼線を芯材として使用したので、高い引張強度を得にくかった。
【００６２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、芯材である鋼線とこれに被覆される銅又は銅合金素材との接合性を高くすることができる。また、請求項２乃至４のように、硬鋼線を使用し、その表面の加熱温度を最適化すると共に、鋼線にかかる張力を適切なものとすることにより、銅被覆鋼トロリ線を安定して製造することができ、高強度及び高硬度のトロリ線を得ることができるができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例方法に使用される押出加工装置を示す模式的断面図である。
【図２】ダイチャンバを示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１；銅素材
２；ホイール
３；シューブロック
４；導入路
５；アバットメント
６；ダイチャンバ
７；鋼線
８；前処理装置
９；誘導加熱装置
１０；ニップル
１１；チャンバ
１２；銅被覆鋼トロリ線
１３；ダイス
１４；冷却槽
１５；引き取り機
１６；巻き取り機
１７；コンフォーム
１８；供給管
１９；ダイ
【図１】
0003631355.tif 000012
【図２】
0003631355.tif 000013