(57)【要約】【課題】Ａｇを使用することなく、低コストで在来線などの低速区間での電気的摩耗を低減することができる高導電率かつ高強度の電車線用銅合金導体を提供する。【解決手段】  Ｉｎが０．０５質量％以上０．１質量％未満であり、残部がＣｕと不可避不純物で構成されて、引張強さが４００ＭＰａ以上、導電率が９５％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とするトロリー線。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉｎが０．０５質量％以上０．１質量％未満であり、残部がＣｕと不可避不純物で構成されて、引張強さが４００ＭＰａ以上、導電率が９５％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とするトロリー線。
【請求項２】
請求項１に記載のトロリー線が、更に酸素を０．００１質量％以上０．０５質量％以下含有されていることを特徴とするトロリー線。
【請求項３】
銅合金溶湯を用いて連続鋳造圧延を行って圧延材を形成し、その圧延材に冷間加工を施してトロリー線を製造する方法において、
銅母材に、Ｉｎを０．０５質量％以上０．１質量％未満の割合で添加して溶解を行い、銅合金溶湯を形成し、
その銅合金溶湯を用いて８００℃〜８５０℃の鋳造温度で連続鋳造を行い、
その鋳造材に圧延開始温度が６００℃〜６５０℃、圧延終了温度が５００℃〜５５０℃になるように調整した複数段の熱間圧延加工を施して圧延材を形成し、
その圧延材に加工度５０％以上７０％未満の冷間加工を施すことを特徴とするトロリー線の製造方法。
【請求項４】
前記銅母材は、酸素を０．００１質量％以上０．０５質量％以下含むことを特徴とするトロリー線の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パンタグラフ等を介して電車に給電を行う電車線（トロリ線）用銅合金導体の製造方法及び電車線用銅合金導体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電車線（トロリ線）用銅合金導体には、導電率が高い硬銅線または耐摩耗性、耐熱性を有する銅合金材（銅合金線）が使用されている。銅合金材としては、銅母材に錫（Ｓｎ）を添加し、そのＳｎの含有量を０．３質量％に調整したものが主流であり、新幹線を始めとする架線に採用されている。
【０００３】
近年では、電車の高速化が進められており、電車線の架線張力を高める必要があるので、電車線は１．５ｔ張力架線から２．０ｔ張力架線に変更されている。そこで、これらの高張力架線に耐えうる高強度の電車線用銅合金導体が求められてきている。
【０００４】
高強度の電車線用銅合金導体としては、Ｃｕ−Ｓｎ合金系のような固溶強化型合金を使用したものがある。
【０００５】
例えば、特許文献１には、Ｓｎが０．２〜０．５質量％含有され、酸素が０．０１〜０．０５質量％含有され、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇから選択される少なくとも一種が総量で０．０００５〜０．３質量％含有されて、残部がＣｕと不可避不純物で構成され、引張強さが４３０Ｎ／ｍｍ2以上である耐摩耗性トロリー線について記載されている。
【０００６】
また、例えば、特許文献２には、Ｓｎが０．５質量％超０．８質量％以下、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｒ、Ｃａ、ＭｇおよびＺｒから選択される少なくとも一種が総量で０．０００５〜０．３質量％、酸素が０．０１〜０．０５質量％含有され、残部がＣｕと不可避不純物で構成されて、引張強さが４６０Ｎ／ｍｍ2以上、導電率が６０％ＩＡＣＳ以上であるトロリー線について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４２１４３９４号
【特許文献２】特許第４１７１９０７号
【特許文献３】特開２００６−１６６５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般に、パンタグラフとトロリ線の摺動による摩耗は電気的摩耗と機械的摩耗とがあり、高速区間では機械的摩耗、在来線などの低速区間では電気的摩耗が発生しやすいといわれている。この点、上記特許文献１および特許文献２に代表されるＣｕ−Ｓｎ系合金トロリ線は、列車高速化に伴い機械的摩耗に強いトロリ線であるといえるが、低速区間における電気的摩耗は解消されていないのが現状である。事実、Ｃｕ−Ｓｎ系合金トロリ線は低速区間での摩耗特性の低下があり、しかも電圧降下による環境負荷が大きいものである。
【０００９】
近年におけるトロリ線の断線事故は電気的摩耗による溶損箇所がほとんどであり、その対策が必要不可欠とされている。
【００１０】
この点、在来線などの低速区間での電気的摩耗の課題を解決するべく、特許文献３には、Ａｇを０．１２〜０．３質量％、酸素を０．０１〜０．０５質量％含有し、残部が銅と不可避不純物からなる鋳造材を連続鋳造によって得る工程と、前記鋳造材に６００℃以上の温度で、８０％以上の熱間加工度にて熱間加工を施し、直径２５ｍｍ以上の線材を得る工程と、前記線材に１５０℃以下の温度で、７０％以上の冷間加工度にて冷間加工を施し、トロリ線の公称断面積が１５０〜１７０ｍｍ2の場合、引張強さが４００Ｎ／ｍｍ2以上で、導電率が９７ＩＡＣＳ（％）以上のトロリ線を得る工程を有する高導電率高強度トロリ線の製造方法について記載されている。
【００１１】
この特許文献３に記載のトロリ線であれば、導電率が高く、引張強さも良好であり、在来線などの低速区間での電気的摩耗の問題を回避することができるものと思われるが、銀はコスト高になるため実用化することが難しく、より低コストの高導電率高強度トロリ線が望まれる。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、Ａｇを使用することなく、低コストで在来線などの低速区間での電気的摩耗を低減することができる高導電率かつ高強度の電車線用銅合金導体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、Ｉｎが０．０５質量％以上０．１質量％未満であり、残部がＣｕと不可避不純物で構成されて、引張強さが４００ＭＰａ以上、導電率が９５％ＩＡＣＳ以上であるトロリー線である。
【００１４】
請求項２の発明は、更に酸素を０．００１質量％以上０．０５質量％以下含有されているトロリー線である。
【００１５】
請求項３の発明は、銅合金溶湯を用いて連続鋳造圧延を行って圧延材を形成し、その圧延材に冷間加工を施してトロリー線を製造する方法において、銅母材に、Ｉｎを０．０５質量％以上０．１質量％未満の割合で添加して溶解を行い、銅合金溶湯を形成し、その銅合金溶湯を用いて８００℃〜８５０℃の鋳造温度で連続鋳造を行い、その鋳造材に圧延開始温度が６００℃〜６５０℃、圧延終了温度が５００℃〜５５０℃になるように調整した複数段の熱間圧延加工を施して圧延材を形成し、その圧延材に加工度５０％以上７０％未満の冷間加工を施すトロリー線の製造方法である。
【００１６】
請求項４の発明は、前記銅母材が、酸素を０．００１質量％以上０．０５質量％以下含むトロリー線の製造方法である。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００１８】
本発明は、Ｉｎが０．０５質量％以上０．１質量％未満であり、残部がＣｕと不可避不純物で構成されて、引張強さが４００ＭＰａ以上、導電率が９５％ＩＡＣＳ以上のトロリー線であることから、Ａｇを用いなくとも、導電率の大幅な低下を招くことなく高い引張強度を有する電車線を得ることができる。
【００１９】
本発明の製造方法によれば、冷間加工度７０％未満に抑えたとしても、引張強さ４００ＭＰａ以上を確保することができる点で、低コストでトロリー線を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の好適実施の形態を示すフローチャートである。
【図２】本発明に係るトロリー線の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２２】
図１は、本発明の好適実施の形態である電車線用銅合金導体の製造方法の工程を示すフローチャートである。
【００２３】
図１に示すように本発明に係る電車線（トロリ線）用銅合金導体の製造方法は、銅母材に添加元素を添加して溶解し、銅合金の溶湯にする溶解工程（Ｆ１）と、銅合金の溶湯を鋳造して鋳造材にする鋳造工程（Ｆ２）と、その鋳造材に熱間圧延加工を多段に施して圧延材にする熱間圧延工程（Ｆ３）と、その圧延材を洗浄し巻取って荒引線にする洗浄・巻取り工程（Ｆ４）と、巻き取った荒引線を送り出し、その荒引線に冷間加工を施して電車線用銅合金導体にする冷間（伸線）加工工程（Ｆ５）とを有している。電車線用銅合金導体は、その後用途に応じた所望形状の電車線に加工される。
【００２４】
溶解工程（Ｆ１）から洗浄・巻取り工程（Ｆ４）までは、既存または慣用の連続鋳造圧延設備を用いて行う。また、冷間加工工程（Ｆ５）は、既存または慣用の冷間加工装置を用いて行う。
【００２５】
より詳細に説明すると、溶解工程（Ｆ１）は、酸素含有量が０．００１〜０．０５質量％の銅母材に、インジウム（Ｉｎ）を添加し、その添加元素の含有量を０．０５質量％以上０．１質量％未満に調整して溶解し、銅合金の溶湯にする工程である。
【００２６】
また、酸素含有量を０．００１〜０．０５質量％としたのは、連続鋳造における安定的な製品製造ができる酸素範囲内であり、０．００１質量％未満では熱間加工時の割れが発生し、０．０５質量％を超えると冷間加工における断線を誘発しやすくなるためである。
【００２７】
添加元素のＩｎは、Ｓｎと同じように強度を向上させる元素であり、Ｓｎよりも導電率の低下が少ない特徴がある。よって、本実施の形態では、Ｓｎを添加せず、Ｉｎの含有量を０．０５質量％以上０．１質量％未満に調整して、導電率の低下を極力避けるようにしている。
【００２８】
例えば、Ｉｎの含有量が０．０５質量％未満では、インジウムの添加効果が不十分であり、強度向上の効果は低いものである。また、Ｉｎの含有量が０．１質量％以上では、導電率の低下が大きくなり、９５％ＩＡＣＳを下回ってしまう。したがって、本実施の形態では、Ｉｎの含有量を０．０５質量％以上０．１質量％未満の範囲で適切に調整することにより、実施例で後述するように、強度を向上させると共に導電率を９５％ＩＡＣＳ以上に調整することが可能である。
【００２９】
鋳造工程（Ｆ２）は、９００℃以下の鋳造温度として鋳造材にする工程である。ここでの鋳造温度は、銅合金の溶湯を、通常の鋳造温度（９００℃を超え１１００℃未満）よりも低い８００℃〜９００℃の鋳造温度とする。これも高い強度を得るためのものであり、鋳造温度を通常の温度よりも５０℃以上低くすると鋳造材の組織微細化が図れ鋳造バーの強度向上となるものである。
【００３０】
熱間圧延工程（Ｆ３）は、鋳造材に、圧延初期は６００℃〜６５０℃の圧延温度で熱間圧延加工を施し、最終圧延は５００℃以上５５０℃以下の圧延温度で熱間加工を施して圧延材にする工程である。熱間圧延加工は、荒引線の強度を高めるために、加工度を８０％〜９０％となるようにしている。
【００３１】
銅合金の溶湯を８００℃〜８５０℃の低温で鋳造し、しかも最終圧延を５００℃以上６００℃以下の低温条件で熱間圧延加工することにより、荒引線の組織を微細化することができ、線材強度を向上させることが可能である。
【００３２】
例えば、低温鋳造で最終圧延が６２０℃の圧延温度では、荒引線の組織の微細化が認められず、大幅な機械的強度の向上は認められなかった。これに対し、最終圧延の圧延温度が５００℃以下の低温では、Ｉｎの含有量が多く、圧延時の割れが多くなり、荒引線の外観品質が極端に低下する。よって、最終圧延の圧延温度は５００℃以上５５０℃以下が最適である。
【００３３】
洗浄・巻取り工程（Ｆ４）は、圧延材を洗浄し巻き取って荒引線にする工程である。巻き取った荒引線の線径φは、例えば、８〜３０ｍｍとなるように、より好ましくは２０〜２５ｍｍとなるようにしている。
【００３４】
冷間加工工程（Ｆ５）は、巻き取った荒引線を送り出し、その荒引線に、加工度を５０％以上とし、かつ連続伸線時における加工熱による強度低下の影響をより少なくするため、線材温度が１００℃以下となるようにダイスなどの冷間加工装置の冷却を行う冷間加工を施して、電車線用銅合金導体にする工程である。
【００３５】
電車線の強度を向上させるためには、熱間圧延加工での加工度を高めて荒引線の強度を向上させる必要があると共に、冷間加工における加工度も５０％以上を確保するのが望ましい。
【００３６】
これらの条件を満たす荒引線の線径φは、上述したように２０〜２５ｍｍが最適である。線径φが２５ｍｍを超えると、つまり熱間圧延加工での加工度が小さいと、電車線に加工した際の大きな強度向上が得られなくなると共に、冷間加工時の加工硬化によって伸び特性が低下するためである。
【００３７】
電車線用銅合金導体は、その後用途に応じた所望形状の電車線、例えば、図２に示すような電車線２１に加工される。電車線２１は、電車線本体２２の両側部にハンガイヤー取付用のイヤ溝２３ａ，２３ｂが形成されている。電車線本体２２の下側の外周面は、電車のパンタグラフが摺動する部位である大弧面２４である。電車線本体２２の上側の外周面は小弧面２５である。電車線２１の断面積は１１０ｍｍ2 〜１７０ｍｍ2 である。
【００３８】
以上説明した本発明に係る電車線用銅合金導体の製造方法を用いれば、後述する実施例で明らかになるように、導電率が９５％ＩＡＣＳ以上の高導電率であり、かつ高張力架線で必要とされる引張強度が４００ＭＰａ以上の高強度の電車線を製造できる。
【００３９】
このように、本発明に係る電車線用銅合金導体の製造方法は、銅母材に、Ｉｎを添加し、その添加元素の含有量を０．０５質量％以上０．１質量％未満に調整して銅合金の溶湯にし、その溶湯を低温鋳造（鋳造温度が８００〜８５０℃）と、低温圧延加工（圧延開始温度６００℃〜６５０℃、最終圧延温度が５００℃〜５５０℃）とによって高強度の荒引線にし、その荒引線に加工熱を抑えた冷間加工を施しているので、導電率の大幅な低下を招くことなく高い引張強度を有する電車線を得ることができる。
【００４０】
また、本発明に係る製造方法は、既存あるいは慣用の製造コストが低い連続鋳造圧延設備や冷間加工装置を使用できるので、高導電率かつ高強度の電車線を低コストで製造できる。
【００４１】
本発明に係る製造方法の特徴の一つは、実施例で後述するように、銅母材に添加するＳｎの含有量を添加しないにもかかわらず、低温鋳造と低温圧延加工によって荒引線の組織を微細化することで、高導電率かつ高強度の電車線用銅合金導体を低コストで製造することにある。これは、銅母材にＳｎを添加すると、強度が高くなるものの、導電率が低下したりコストが高くなったりする点を考慮したからである。
【実施例】
【００４２】
本発明の効果を検証するために、添加元素の含有率を様々に変え、図２で説明した数種の電車線２１を作製し、その引張強度（ＭＰａ）と、導電率（％ＩＡＣＳ）と、電気摩耗、耐熱性との４つの特性を調べた。電車線２１に加工する前の荒引線の線径φは２３ｍｍとし、電車線２１の断面積は１７０ｍｍ2 （１７０ＳＱ）とした。目標の導電率は９５％ＩＡＣＳ以上、かつ引張強度は４００ＭＰａ以上とした。
【００４３】
ここで、「電気摩耗」の試験方法は大型摩耗試験機で印加電圧２００Ｖ、通電電流１００Ａの条件でトロリ線の摩耗量について比較評価した。その評価は、摩耗量と摺動面外観を視認して、摩耗量が少なく溶損が見られない場合は良好（○）とし、摩耗量があり、しかも多少の溶損がある場合は実用上問題のないレベル（△）とし、摩耗量が極端にあり致命的な溶損がある場合は不良（×）とした。
【００４４】
また、「耐熱性」の試験方法は３００℃で２時間の熱処理を行った後の引張強さと室温（２０℃）での引張強さの比（（熱処理前の引張強さ−熱処理後の引張強さ）×１００／熱処理前の引張強さ））から評価し、引張り強度の低下率が１０％以内であれば良好（○）とした。
【００４５】
（試料１〜６）
試料１〜６は、いずれも銅母材にＩｎ、Ｓｎ、Ａｇのいずれかを所定量添加した。試料１（実施例１）は、銅母材に添加するＩｎ含有量を０．０５質量％とし、銅母材の酸素含有量を０．００１質量％とした。試料２（実施例２）は、銅母材に添加するＩｎ含有量を０．０９５質量％とし、銅母材の酸素含有量を０．０３質量％とした。試料３（比較例１）は、銅母材に添加するＩｎ含有量を０．１５質量％とし、銅母材の酸素含有量を０．０４質量％とした。試料４（比較例２）は、銅母材に添加するＩｎ含有量を０．２０質量％とし、銅母材の酸素含有量を０．０４質量％とした。試料５（比較例３）は、銅母材に添加するＳｎ含有量を０．３質量％とし、銅母材の酸素含有量を０．０３質量％とした。試料６（比較例４）は、銅母材に添加するＡｇ含有量を０．１５質量％とし、銅母材の酸素含有量を０．０３質量％とした。
【００４６】
そして、実施例１、実施例２及び比較例２の試料を、金属組成を有する材料を連続鋳造圧延設備にて、１１００〜１１１０℃の溶銅温度、鋳造温度の８５０℃、圧延開始温度の６５０℃、圧延終了温度の５５０℃の条件にてφ２３ｍｍの荒引線を作製した。このときの熱間加工度は９４％である。この材料を使用して、さらに冷間加工を施し、１７０ｍｍ2の断面積を有するトロリ線を製作した。この際の冷間加工の加工度は５９％であり、冷間加工時の温度は１２０℃である。
【００４７】
また、比較例１、比較例３及び比較例４の試料についても、鋳造温度を９００℃とし、圧延開始温度を７５０℃とし、圧延終了温度を６５０℃とした点を除いて、実施例１及び実施例２と同様の製造方法にてトロリ線を製作した。その特性結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
実施例１及び実施例２は、Ｉｎを０．０５質量％〜０．１０質量％未満添加したものであり、いずれも引張強さ４００ＭＰａ以上、導電率９５％ＩＡＣＳ以上の条件を満たしていた。また、電気摩耗特性および耐熱性の面においても優れており、総合評価が良好という結果であった。したがって、銅母材にＩｎを０．０５質量％〜０．１０質量％未満添加すると、導電率９５％ＩＡＣＳ以上を確保しつつ４００ＭＰａ以上の引張り強度を有するトロリー線を実現することができることがわかる。
【００５０】
これに対し、比較例１はＩｎを０．１５質量％含有するものであり、比較例２はＩｎを０．２０質量％含有するものであるが、Ｉｎの添加量が多いため、引張強度は高いものの、導電率が下がってしまい、実用上問題のないレベルではあるが、溶損箇所が散見され電気摩耗特性が実施例に比べて劣っていた。また、比較例３は、Ｓｎを０．３質量％含有するものであり、現状のＣｕ−Ｓｎ系合金を用いたトロリー線と同様の金属組成であるが、引張強度は高いものの、導電率が下がってしまい、実用上問題となる溶損箇所が発見され、電気摩耗特性が実施例に比べて劣っていた。また、比較例４は、Ａｇを０．１５質量％含有するものであるが、導電率は高いものの、引張強度が低いために目標値である４００ＭＰａを下回る結果となり、総合的にみて実施例に比べて劣る結果となった。また、特許文献３に記載のトロリ線との比較においても、実施例は、Ｉｎを使用するものであり、高価なＡｇを使用せずに、ほぼ同じ効果が得られると共に、製造コストをさらに低減することが可能となる点で優位するものである。
【００５１】
また、実施例はいずれも冷間加工時の加工度が７０％未満であり、比較的加工度の低いものであっても、引張強さ４００ＭＰａ以上を確保することができるため、その点においても製造コストを低減することができる。
【００５２】
連続鋳造圧延加工工程においては、低温鋳造、低温圧延加工を施すことにより、荒引線の組織を微細化することができる。しかし、鋳造圧延時の極端な低温化を図ると、材料の変形抵抗が高くなることによって設備への負荷が大きくなり量産化が困難になる。
【００５３】
したがって、実施例で言えば、実施例１，２のように、８５０℃の低温鋳造とし、最終圧延温度は５５０℃が最適である。
【図１】
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【図２】
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