(57)【要約】【課題】  耐摩耗性と導電率に優れたトロリ線を安価に提供できるトロリ線の製造方法を提供する。【解決手段】  Niが1.5〜2.5質量％、Siが0.3〜1.0質量％、Agが0.2〜1.5質量％、Pが0.02〜0.1質量％含まれ、残部がCuと不可避不純物で構成される溶湯を準備する。この溶湯を8℃/sec以上の冷却速度にて鋳型内で冷却し鋳造材を得る。この鋳造材に加工度75％以上で冷間伸線加工を施して伸線材を得る。この伸線材に400〜550℃で0.5〜60時間の熱処理を実施して熱処理材を得る。この熱処理材に加工度20％以上の冷間加工を実施する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Niが1.5〜2.5質量％、Siが0.3〜1.0質量％、Agが0.2〜1.5質量％、Pが0.02〜0.1質量％含まれ、残部がCuと不可避不純物で構成される溶湯を準備する工程と、
この溶湯を8℃/sec以上の冷却速度にて鋳型内で冷却し鋳造材を得る工程と、
この鋳造材に加工度75％以上で冷間伸線加工を施して伸線材を得る工程と、
この伸線材に400〜550℃で0.5〜60時間の熱処理を実施して熱処理材を得る工程と、
この熱処理材に加工度20％以上の冷間加工を実施する工程とを具えることを特徴とする耐摩耗性トロリ線の製造方法。
【請求項２】
Niの含有量とSiの含有量の成分比「Ni/Si」が3〜6であることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗性トロリ線の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は耐摩耗性に優れるトロリ線の製造方法に関するものである。特に、耐摩耗性と導電率に優れたトロリ線を安価に提供できるトロリ線の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電車のパンタグラフと接触し電車に電力を供給するためのトロリ線を構成する材料として、純銅または錫を0.3質量％含む銅合金が主に用いられてきた。
【０００３】
しかし、近年、電車が高速化し、パンタグラフとトロリ線との摺動速度が大きくなり、パンタグラフとトロリ線との間でアークが発生しやすくなっている。このアークにより、トロリ線の摩耗速度が増大するという問題が発生している。また、トロリ線の保守の簡素化や張換え頻度を低減させるためにも、耐摩耗性に優れるトロリ線が必要となってきている。
【０００４】
このような事情に鑑み、特許文献１には、耐摩耗性に優れた銅合金トロリ線が開示されている。この文献に記載されたトロリ線は、銅を主成分とし、Ni、Si、Agなどを添加元素として含む。これらの添加元素の作用により、導電性を低下させずに強度や耐摩耗性を向上させている。
【０００５】
このようなトロリ線は、所定の鋳造材に加工度50％以上の圧延加工または冷間スウェージング加工を施し、さらに所定の熱処理と冷間加工を施すことで得られている。
【０００６】
【特許文献１】特開2000-239766号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記の従来技術では、トロリ線の加工設備が大規模になり、加工コストが高くなると言う問題があった。
【０００８】
従来技術では、加工度50％以上の圧延加工または冷間スウェージング加工により、鋳造材の結晶粒界を破壊させ、熱処理後の結晶粒を均一化し、さらに偏析を抑制している。また、これらの加工は、鋳造材に圧縮応力をかけることにより後の熱処理工程で時効硬化を促進させて線材の耐摩耗性を向上させている。ところが、トロリ線の製造を前提とした冷間圧延設備およびスウェージング設備は大規模なものとなり初期投資が大きくなる上、加工コストも高くなる。
【０００９】
従って、本発明の主目的は、耐摩耗性と導電率に優れたトロリ線を安価に提供できるトロリ線の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、鋳造材の処理として圧延やスウェージングではなく所定の加工度の伸線加工とすることで上記の目的を達成する。
【００１１】
本発明トロリ線の製造方法は、Niが1.5〜2.5質量％、Siが0.3〜1.0質量％、Agが0.2〜1.5質量％、Pが0.02〜0.1質量％含まれ、残部がCuと不可避不純物で構成される溶湯を準備する工程と、この溶湯を8℃/sec以上の冷却速度にて鋳型内で冷却し鋳造材を得る工程と、この鋳造材に加工度75％以上で冷間伸線加工を施して伸線材を得る工程と、この伸線材に400〜550℃で0.5〜60Hの熱処理を実施して熱処理材を得る工程と、この熱処理材に加工度20％以上の冷間加工を実施する工程とを具えることを特徴とする。
【００１２】
鋳造後の塑性加工を圧延やスウェージングではなく伸線加工にすれば、加工設備が小型にでき、製品の製造コストも安価にすることができる。また、鋳造材から熱処理前までの冷間伸線の加工度を大きくすることで、熱処理後の伸線加工における製品の表面性状を良好な状態とできる。即ち、上記鋳造後の冷間伸線加工における加工度を特定することにより、鋳造組織を十分に破壊して熱処理後の結晶粒を十分に均一化させることができる。そのため、不均一な結晶個所が起点となりって亀裂や剥離が生じることを抑制でき、健全な表面性状のトロリ線を得ることができる。さらに、時効硬化も促進して強度の十分なトロリ線を得ることができる。
【００１３】
以下、本発明をより詳しく説明する。
（１）所定の化学成分の溶湯を準備する工程
＜Ni：1.5〜2.5質量％、Si：0.3〜1.0質量％＞
トロリ線の耐摩耗性を向上させるには、引張強度650N/ｍｍ2以上のトロリ線を得ることが必要である。この強度を得るためには、銅中にNiとSiを添加することが有効である。Niの含有量が1.5質量％未満またはSiの含有量が0.3質量％未満であれば、上述の強度を得ることができない。また、Niの含有量が2.5質量％を超える場合またはSiの含有量が1.0質量％を超える場合には、強度は飽和に達する一方で導電率が低下する。トロリ線として必要な導電率は、50％以上である。そのため、Niの含有量は1.5質量％以上2.5質量％以下とし、Siの含有量は0.3質量％以上1.0質量％以下とする必要がある。
【００１４】
このNiの含有量とSiの含有量の成分比「Ni質量％／Si質量％」は3〜6が好ましい。この成分比の範囲内であれば、トロリ線の強度を向上させやすく、かつ導電率も上昇させやすい。
【００１５】
＜Ag：0.2〜1.5質量％＞
銅中に銀を添加することにより銅合金の強度を向上させ、さらにパンタグラフとトロリ線との間のアークによって熱が発生しても銅合金が軟化せず、耐熱性を向上することができる。
【００１６】
銀の含有量が0.2質量％未満であれば、強度や耐熱性の上昇が望めない。また、銀は、金属形態として存在する場合には銅よりも高い導電率を有するが、銅合金中に銀が固溶すると銅合金の導電率は低下する。そのため、この導電率の低下を防止するために銀の含有量は1.5質量％以下とする必要がある。そのため、銀の含有量は0.2質量％以上1.5質量％以下である必要がある。
【００１７】
＜P：0.02〜0.1質量％＞
さらに、Pを銅中に含有することで、トロリ線の表面性状を良好とできると共に、トロリ線として要求される導電率を満足することができる。Pの含有量が0.02質量％未満ではトロリ線に加工する際に良好な表面性状を得ることが難しい。逆に0.1質量％を超えるとトロリ線として要求される導電率を満足することが難しい。
【００１８】
（２）鋳造材を得る工程
上記の溶湯は鋳型に導入されて8℃／秒以上の冷却速度で冷却する。このような冷却速度とすることにより、健全な（均質な）過飽和固溶体を鋳造材中に作ることができる。その結果、トロリ線の耐摩耗性を向上させることができる。冷却速度が8℃／秒未満であれば、健全な過飽和固溶体を得ることができない。さらに、冷却速度が8℃／秒未満では、鋳造材の部位による凝固速度のばらつきが大きくなり健全な鋳塊も得られない。この冷却速度は、（鋳込温度−鋳造材表面温度）／鋳造時間で表される。なお、8℃／秒以上の冷却速度を得るためには、たとえば鋳型を水冷すれば良い。
【００１９】
鋳造材を得る工程は、溶湯を内面が円柱状（管状）の鋳型内で冷却して連続鋳造により鋳造材を得ることが好ましい。この場合、内面が円柱状の鋳型を使用すれば、その後の冷間加工が容易となる。内面が円柱状の鋳型でなく、たとえば矩形状の鋳型を用いて矩形の鋳造材を製造してもよい。その場合、矩形の鋳造材に次工程で冷間伸線加工を施して所定の形状、例えば円形、溝付き円形、溝付き梯形に伸線することになる。
【００２０】
また、鋳造材を得る工程は、横型連続鋳造機を用いて鋳造材を得ることが好ましい。この場合、横型連続鋳造機は細径鋳造が可能なため冷却速度を8℃／秒以上とすることが容易となる。さらに、横型連続鋳造機は縦型連続鋳造機に比べ設備コストが安く経済的である。
【００２１】
（３）伸線材を得る工程
この工程では、加工度75％以上の冷間伸線加工を鋳造材に施すことにより、鋳造材の結晶粒を破壊して熱処理後の結晶粒を均一化し、さらに偏析をなくすことができる。その結果、鋳造粒界や偏析部位を起点とする金属の破断を防止できるため、次の熱処理工程での線材の脆化を抑制できる。これにより、線材の耐摩耗性が向上する。また、このような加工度の冷間伸線加工は、線材に圧縮応力を与えるため、後の熱処理工程において線材の時効硬化を促進する。そのため線材の耐摩耗性が向上する。この加工度は、（加工前の断面積−加工後の断面積）／加工前の断面積で表される。
【００２２】
加工度が75％未満であれば、鋳造材の結晶粒界の破壊が不十分となるため、後の熱処理工程で線材の脆化が顕著になる。また、加工度が75％未満であれば、線材に与えられる圧縮応力の大きさが小さいため、後の加熱工程において時効硬化を促進できず耐摩耗性が向上しない。
【００２３】
（４）伸線材に所定の熱処理を施す工程
この工程では、400〜550℃で0.5〜60H（時間）の熱処理を実施する。この熱処理により、時効硬化により線材の強度を上昇させ耐摩耗性を向上させる。加熱温度が400℃未満では時効硬化が十分進行せず、550℃を超えれば過時効となり強度が低下する。同様に、加熱時間が0.5時間未満でも、強度を向上させることが難しい。逆に、加熱時間が60時間を超えると時効が進行し過ぎて耐摩耗性が低下すると共に製造コストが上昇する。そのため、加熱温度は400℃以上550℃以下とし、加熱時間は0.5時間以上60時間以下とする必要がある。
【００２４】
（５）熱処理材に所定の冷間加工を施す工程
上記熱処理を施した熱処理材に加工度20％以上の冷間加工を施す。20％未満の加工度では、所定の最終製品への加工が困難である。この工程では冷間加工と皮剥を行なう。冷間加工により耐摩耗性と成形性を向上させることができ、皮剥を行なうことで表面傷や熱処理時に生成した酸化膜を除去できる。さらに、冷間加工後、表面に残留した潤滑油により製品の酸化防止を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
連続鋳造（横型鋳造）→冷間伸線→熱処理→冷間伸線の工程でトロリ線を作製した。まず、表１で示す合金組成を含有する溶湯を準備した。この溶湯を8℃／秒以上の冷却速度で連続鋳造し、溶湯と同一組成の鋳造材を得た。この鋳造材に表１に示す加工度の冷間伸線加工を施して断面が円形の伸線材を得た。この伸線材に表１で示す条件の熱処理を施した後室温まで冷却した。冷却後の線材に、表１に示す各加工度の冷間伸線と表面を約0.2mm除去する皮剥工程とを行ない、断面形状が溝付き円形、断面積が110mm2のトロリ線（サンプルNo.1〜10）を得た。
【００２６】
また、Pを含有しない化学成分の溶湯を用いて、鋳造→鋳造後の冷間伸線加工→熱処理→熱処理後の冷間伸線加工を行って、断面積が110mm2のトロリ線（従来例）を得た。
【００２７】
これらのトロリ線について引張強さと導電率を測定し、併せて表面性状も評価した。引張強さの閾値は650N/ｍｍ2以上であり、導電率の閾値は50％以上である。表面性状の評価はトロリ線の割れの有無で判断し、トロリ線表面に割れが生じたものを「不良」、割れの生じなかったものを「良好」とした。その結果も表１に示す。
【００２８】
【表１】
2005042163.tif 000002
【００２９】
表１から明らかなように、いずれの実施例もトロリ線の特性評価が好ましい結果であることがわかる。中でも、NiとSiは質量比で3〜6の範囲にある実施例１、3は高強度で高導電率となっている。これに対し、Ni＜1.5質量％又はSi＜0.3質量％では引張強さが不足している。また、Ni＞2.5質量％、Si＞1.0質量％では導電率が閾値を満たさない。Ag＜0.2質量％では引張強度が不足している。さらに、P＜0.02質量％ではトロリ線への加工時に良好な表面性状が得られず、P＞0.1質量％では導電率を満足しない。そして、鋳造後の加工度が75％以上でないとトロリ線に加工時に良好な表面性状が得られないことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、電車のパンタグラフと接触して電車に電力を供給するためのトロリ線を製造する際に適用できる。