(57)【要約】  この銅合金トロリ線は、重量％で、Ｃｒ：０．１５〜０．８％、Ｚｒ：０．０１〜０．２５％、Ｓｉ：０．０１〜０．１％、Ｈｆ：０．１〜３０ｐｐｍ、酸素：１０ｐｐｍ以下を含有し、残部としてＣｕおよび不可避不純物を含む組成の銅合金からなり、結晶粒径が３０μｍ以下である。前記銅合金は、重量％で、Ｍｇ：０．００１〜０．０５％をさらに含有してもよい。【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃｒ：０．１５〜０．８％、Ｚｒ：０．０１〜０．２５％、Ｓｉ：０．０１〜０．１％、Ｈｆ：０．１〜３０ｐｐｍ、酸素：１０ｐｐｍ以下を含有し、残部としてＣｕおよび不可避不純物を含む組成の銅合金からなり、
結晶粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする銅合金トロリ線。
【請求項２】
前記銅合金は、重量％で、Ｍｇ：０．００１〜０．０５％をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の銅合金トロリ線。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速電気鉄道における電車線のトロリ線に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電気鉄道における電車線のトロリ線としては、純銅またはＳｎ：０．３重量％含有の銅合金からなる線材が用いられていた。【０００３】
しかしながら、新幹線に見られるように、近年、新しく製造される電気車は、ますます高速化する傾向にあり、それに伴ってトロリ線の架線張力を大きくする必要があり、一層の高張力を有するトロリ線が求められている。【０００４】
上記高張力トロリ線は現在でも提案されており、例えば、特許文献１および特許文献２には、重量％で、Ｚｒ：０．００１〜０．３５％とＣｒ：０．０１〜１．２％を含み、さらに必要に応じて、Ｍｇ：０．３％以下、Ｚｎ：１．５％以下、Ａｇ：０．２％以下、及びＣｄ：０．５％以下から選択される１種または２種以上を合計で１．５％以下を含み、残部：Ｃｕと不可避不純物からなる組成の銅合金トロリ線が記載されている。前記不可避不純物として、Ｓｎ：１００ppm以下、Ｓｉ：５０ppm以下、Ｐ：５０ppm以下、Ｆｅ：１００ppm 以下、Ｎｉ：１００ppm以下、Ｐｂ：２０ppm以下、Ａｓ：２０ppm以下、Ｓｂ：２０ppm以下、Ｂｉ：２０ppm以下、Ｓ：１０ppm以下に各不純物の含有量が制限されている。【０００５】
これら純銅または銅合金からなるトロリ線は、以下のように製造される。まず純銅または所定の成分組成を有する銅合金の鋳塊を製造し、この鋳塊を熱間圧延または熱間押出しにより大径短尺の純銅または銅合金の粗圧延コイルを作製する。この大径短尺の純銅または銅合金の粗圧延コイルを圧接接合した後、所定の寸法に線引き加工する。以上によりトロリ線が製造されている。【０００６】
しかし、上記した特許文献１および特許文献２に記載のトロリ線は、耐集電摺動摩耗性および引張り強さが十分に満足できるものではない。さらに圧接性が悪いところから、引抜き加工時に圧接部およびその近傍に破断を生じることがあるだけでなく、さらに圧接部の引張り強さが低いと架線状態にあるトロリ線が圧接部で切断することがあり、事故の原因となることがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平３−５６６３２号公報
【特許文献２】特開平３−５６６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、引張り強さ、圧接部の強度および耐集電摺動摩耗特性において優れた特性を有し、かつ鋳塊割れがなく、加工性にも優れたトロリ線の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者等は、圧接性に優れた成分組成の銅合金からなり、耐集電摺動摩耗性および引張り強さが従来よりも更に優れた銅合金トロリ線を得るべく研究を行った。
その結果、Ｃｒ：０．１５〜０．８％、Ｚｒ：０．０１〜０．２５％、Ｓｉ：０．０１〜０．１％、Ｈｆ：０．１〜３０ｐｐｍを含有し、さらに必要に応じてＭｇ：０．００１〜０．０５％を含む銅合金において、酸素含有量を１０ｐｐｍ以下に制限し、かつ結晶粒径を３０μｍ以下とすると、従来よりも更に耐集電摺動摩耗性および引張り強さが向上し、さらに圧接性も改善されるという知見を得た。【００１０】
この発明は、かかる知見にもとづいてなされたものであって、以下の要件を有する。
本発明の銅合金トロリ線は、重量％で、Ｃｒ：０．１５〜０．８％、Ｚｒ：０．０１〜０．２５％、Ｓｉ：０．０１〜０．１％、Ｈｆ：０．１〜３０ｐｐｍ、酸素：１０ｐｐｍ以下を含有し、残部としてＣｕおよび不可避不純物を含む組成の銅合金からなり、結晶粒径が３０μｍ以下である。
本発明の銅合金トロリ線では、前記銅合金は、重量％で、Ｍｇ：０．００１〜０．０５％をさらに含有してもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のトロリ線によると、引張り強さおよび耐集電摺動摩耗特性において優れた特性を有する。さらに、圧接部の強度にも優れており、優れた圧接性が得られる。また鋳塊割れがなく、加工性にも優れている。このため、安価にトロリ線を製造できる。
近年、電気車の高速化に伴って、トロリ線の架線張力が大きくなり、トロリ線の損傷および摩耗が激しくなっている。このために、トロリ線の交換など保守点検回数が増加しているが、この発明のトロリ線を用いることにより、保守点検回数を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、集電摺動特性を測定するための装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
この発明のトロリ線を構成する銅合金の成分組成を上記の如く限定した理由について説明する。
【００１４】
（ａ）Ｃｒ，Ｚｒ
ＣｒおよびＺｒは、共にＣｕ素地中に分散粒子として存在することにより、耐摩耗性を向上させる。さらに耐熱強度の向上をもたらす成分である。しかし、Ｃｒ含有量が０．８％を越える場合、又はＺｒ含有量が０．２５％を越える場合、上記分散粒子が大きくなり、加工後の仕上り線の圧接部強度が低下する。そしてアーク発生率が高くなり、耐集電摺動摩耗性が低下する。一方、Ｃｒ含有量が０．１５％未満の場合、又はＺｒ含有量が０．０１％未満の場合、所望の効果が得られない。したがって、Ｃｒ：０．１５〜０．８％、Ｚｒ：０．０１〜０．２５％の範囲となるようにそれぞれの含有量を定めた。
【００１５】
（ｂ）Ｓｉ
Ｓｉは、圧接強度を向上させ、さらに摺動摩耗特性を向上させる作用がある。しかし、その含有量が０．０１％未満では、所望の効果が得られない。一方、Ｓｉを、０．１％を越えて含有させると、導電率が低下する。このため、Ｓｉの含有量は０．０１〜０．１％に定めた。
【００１６】
（ｃ）Ｍｇ
Ｍｇは、必要に応じて含有してもよいが、ＭｇもＳｉと同様に、摺動摩耗特性を向上させる作用を有する。しかし、その含有量が０．００１％未満では、所望の効果が得られない。一方、Ｍｇを、０．０５％を越えて含有させると、集電板とのなじみが悪くなる。このため、その含有量を０．００１〜０．０５％に定めた。
【００１７】
（ｄ）Ｈｆ
Ｈｆは、鋳塊の結晶粒を微細化させ、これにより鋳造欠陥を低減させて、鋳塊の健全性および製造歩留りを向上させる作用、及び鋳塊の熱間加工およびそれ以降の冷間加工の加工性を向上させ、これにより割れなどの欠陥発生を抑制する作用を有する。これら作用と共に、最終製品（銅合金トロリ線）の結晶粒径を３０μｍ以下とし、これにより疲労強度を向上させる作用を有する。しかし、その含有量が０．１ｐｐｍ未満では、結晶粒微細化の効果が得られない。一方、Ｈｆを、３０ｐｐｍを越えて含有させても、効果が十分得られず、コストアップを招くとともに導電率が低下する。このため、Ｈｆの含有量は０．１〜３０ｐｐｍに定めた。
【００１８】
（ｅ）酸素
酸素は、１０ｐｐｍを越えて含有すると、Ｃｒ，Ｚｒ，Ｓｉ，Ｍｇと酸化物を主体とした晶出物を形成し、その大きさが２μｍ以上になりやすい。２μｍ以上の晶出物がトロリ線素地中に残存すると、圧接後の接合部およびその近傍の強度が低下する。そしてアーク発生率が高くなり、トロリ線の損傷が激しくなる。このため、酸素含有量は１０ｐｐｍ以下に定めた。
【００１９】
次に、本発明の銅合金トロリ線の製造方法の一例を以下に示す。
まず、通常の無酸素銅を溶解して得られた溶銅に、黒鉛ノズルを通して還元性ガスを吹込む。上記還元性ガスを吹込む途中で一時的に酸化銅を添加し、さらに続けて還元性ガスを吹込むことにより酸素：０．５ｐｐｍ以下の極低酸素銅溶湯を作製する。この極低酸素銅溶湯に所定量のＣｒを添加し、さらに所定量のＺｒ，ＳｉおよびＨｆと、必要に応じてＭｇを添加する。その後、鋳造して円柱または角柱状の鋳塊を製造する。
【００２０】
この鋳塊を好ましくは還元性雰囲気下で８５０℃〜１０５０℃に加熱し、熱間加工して粗線を製造する。この粗線を熱間圧接または冷間圧接し、次いで８００〜１０５０℃にて０．１〜２時間の保持と、その後の急冷とからなる溶体化処理を施す。さらに冷間加工することにより所定の断面寸法のトロリ線を作製する。
【実施例】
【００２１】
原料として、酸素含有量：２０ｐｐｍの電気銅を用意した。この電気銅を黒鉛るつぼに装入し、Ａｒガス雰囲気中にて溶解した。溶銅温度が１２００℃になった時点で、約１０ｌ／分の流量のＣＯガスを、黒鉛ノズルを通して吹込み、１０分間続けて吹込んだ。その後、上記黒鉛ノズルを通して１０００ｇのＣｕ２Ｏ粉末を瞬間的に吹込み、さらに上記ＣＯガスを１０分間続けて吹込んだ。以上によりＯ２：０．５ｐｐｍ以下の極低酸素銅溶湯を作製した。この溶湯中にＣｒを添加し、さらにＺｒ，ＳｉおよびＭｇを添加して攪拌した。次いで、得られた銅合金溶湯を金型に鋳込んで、直径：２５０ｍｍ、長さ：３ｍの寸法を有する円柱状銅合金鋳塊を得た。【００２２】
この円柱状銅合金鋳塊をＣＯガス雰囲気中、温度：９００℃、１時間保持の条件で加熱し、直径：２５ｍｍ、長さ：３００ｍの粗圧延線を製造した。この粗圧延線を熱間圧接して長尺の熱間粗圧延線とし、次いでＣＯガス雰囲気中、温度：９５０℃、１時間の保持と、その後の水冷とからなる溶体化処理を施した。【００２３】
かかる溶体化処理を施した直径：２５ｍｍの粗圧延線の表面酸化物を除去した。そして、冷間引抜き加工を８回繰返して、最終的に直径：１２ｍｍの線材を作製した。このようにして得られた銅合金線材を、さらに光揮焼鈍炉に装入し、４５０℃に１．５時間保持の時効析出処理を施した。以上により、表１に示される成分組成の本発明例のトロリ線１−１〜１−５、２〜８、比較例のトロリ線１〜１５および従来例のトロリ線を製造した。【００２４】
【表１】
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【００２５】
これらトロリ線について、ＪＩＳ  Ｅ  ２１０１に示される方法で、圧接部以外の部分の引張り強さおよび圧接部における引張り強さを測定した。圧接部の強度については、圧接部以外の部分の引張り強さに対して９５％以上の引張り強さが確保されているものをＡ、８５％以上〜９５％未満の引張り強さが確保されているものをＢ、８５％未満の引張り強さが確保されているものをＣと判定し、その結果を表２に示した。
さらにＪＩＳ  Ｃ  ３００１に準拠した四端子法により、測定長：１ｍで導電率を測定した。得られた結果を表２に示す。【００２６】
【表２】
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【００２７】
また、図１に示される装置を用いて集電摺動摩耗特性を測定した。図１は、集電摺動摩耗特性を測定するための装置の概略図であり、図１において、１は回転体、２はトロリ線、３は集電板（すり板）、４は離線率計である。【００２８】
図１のトロリ線２に示されるように、本発明例のトロリ線１−１〜１−５、２〜８、比較例のトロリ線１〜１５および従来例のトロリ線を、直径：５０ｃｍの回転体１に巻付けた。一方、パンタグラフ用鉄系すり板（Ｍ−３９、商品名）からなる集電板３を上記トロリ線に押付力：２ｋｇｆで押付けた。そして、集電板３に２０Ａ，１００Ｖの直流を流しながら、上記回転体１を周速度：１５ｋｍ／時で６０分間回転させ、集電板摩耗率、トロリ線断面積摩耗率およびアーク発生率などの集電摺動摩耗特性を測定した。【００２９】
得られた測定値を表３に示した。
なお、上記集電板摩耗率は、集電板の重量減少量を、回転体の回転数を距離に換算した値で除することにより求めた。
トロリ線断面積摩耗率は、試験後のトロリ線の直径をマイクロメーターで正確に計り、その減少量を回転数で除することにより求めた。
またアーク発生時には１０〜２０Ｖの電位差が生じるので、電位差が６Ｖ以上５０Ｖ以下の場合をアーク発生と判断した。そして、集電摩耗試験時、２分毎に１０秒間この電位差を離線率計により測定した。これを連続的にチャートに記録し、アーク発生時間を求めた。この１０秒間に対するアーク発生時間の百分率をアーク発生率として求めた。【００３０】
【表３】
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【００３１】
また、鋳塊割れ、結晶粒径、加工性、および疲労特性について、以下の方法により評価し、得られた結果を表４に示した。
鋳塊割れについては、外表面および断面に、実用上有害な割れ等の欠陥が無い場合をＡ（ｇｏｏｄ）、実用上有害な割れ等の欠陥が有る場合をＣ（ｂａｄ）とした。
結晶粒径は、ＪＩＳ  Ｈ  ０５０１に定める比較法に準拠し、以下のように測定した。まず、製造したトロリ線の試料の軸直角断面に機械研磨と鏡面仕上げを施し、次いでエッチングを行った。そして、エッチングした断面を光学顕微鏡により観察し、その映像または写真を標準写真と比較して、結晶粒径を測定した。
加工性については、鋳塊に対して熱間加工および冷間加工を施した際に、使用上有害な割れ・巻き込み等の欠陥が発生しなかった場合をＡ（ｇｏｏｄ）、使用上有害な割れ・巻き込み等の欠陥が発生した場合をＣ（ｂａｄ）とした。
疲労特性は、トロリ線を長さ１ｍで支持し，１９．６ｋＮの引張荷重を発生させた状態で支持点間の中央にひずみ振幅を与える疲れ試験により評価した。従来のトロリ線と比べて、疲れ限度あるいは時間強さに５％以上の優位性がある場合をＡ（ｇｏｏｄ）、同等もしくは５％以上の優位性が見られない場合をＢ（ｆａｉｒ）とした。【００３２】
【表４】
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【００３３】
表１〜表４に示される結果から、本発明トロリ線１−１〜１−５、２〜８は、従来例のトロリ線と比較して、いずれも引張り強さおよび耐集電摺動摩耗特性において優れた特性を有することが分かった。さらに、鋳塊割れがなく、加工性にも優れており、製造コストも下げうることが理解できる。【００３４】
また、Ｈｆを０．１〜３０ｐｐｍ含有する本発明例のトロリ線１−１〜１−５、２〜８は、鋳塊割れがなく、また結晶粒径が３０μｍ以下であるため、加工性および疲労特性に優れていることがわかる。【００３５】
電気車の高速化に伴って、トロリ線の架線張力が大きくなり、トロリ線の損傷および摩耗が激しくなっている。このために、トロリ線の交換など保守点検回数が増加しているが、この発明のトロリ線を用いることにより、保守点検回数を減らすことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明のトロリ線は、引張り強さおよび耐集電摺動摩耗特性において優れた特性を有するため、大きな架線張力がかかった状態でも損傷および摩耗を抑制できる。このため、新幹線などの高速運転する電気車用のトロリ線として好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  回転体、２  トロリ線、３  集電板、４  離線率計。
【図１】
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【国際調査報告】
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