超高圧架空送電線用高強度インバー合金線の開発

中 間 一 夫1仮 屋 哲 朗2磯 本 辰 郎3)))
佐 内 正 雄1) 西川太一郎2)

.

は じめに

超高圧の架空送電線は，大電流を送電するために，電導率の高いアルミ合金導体と，電線を鉄塔間に張る強度を確保するために中心部に高強度の芯線を配置した構造となっている(図)．芯線には，上記の高強度とともに，使用時の強風・積雪・振動等に耐える延性(捻回特性，巻付け巻戻し特性，

図1

架空送電線断面図(左)とインバー合金線を用いた送電線(右）．

伸び)が要求される．従来，芯線としてアルミ被覆鋼線や亜鉛メッキ鋼線が主に使用されてきたが，近年の電力需要増加に伴う送電量の増加に対応するために，既設線を大サイズの電線に張替える場合は，この重量増に応じた鉄塔補強が必要となっていた．また一方で，同一サイズの電線に大電流を流した場合，電線温度上昇に伴う熱膨張のため送電線の垂下りが大きくなり，必要な地上高さを確保できない問題があった．この問題を解決するため，低熱膨張合金であるインバー合金を芯線として用いる方法が採られてきたが(1)，従来のインバー合金は，鋼線と比較して強度が低いため，使用に当たっては，適用場所や鉄塔及び送電線設計の検討を必要としていた．このような背景の下，鋼線並の高強度を有し，低熱膨

図2

新開発インバー合金線の位置付け．

張である芯線用インバー合金線が求められていた．

山陽特殊製鋼株式会社
研究・開発センター1)高合金鋼グループグループ長
2)機能材料グループ主任研究員
3)常務取締役技術企画管理部長
住友電気工業株式会社1)導電製品事業部主席
2)エレクトロニクス・材料研究所
金属材料グループグループ長
Development of High Strength Invar Alloy Wire for UltrahighVoltage Power Cable; Kazuo Nakama, Tetsuro Kariya,Tatsuro Isomoto, Masao Sanai, Taichiro Nishikawa
(Sanyo Special Steel Co., Ltd. Sumitomo Electric Industries, Ltd.)2009年10月28日受理

ま て り あ 第49巻 第 2 号(2010)Materia Japan.

課題と開発の方向性



開発の方向性

高強度，高延性で，且つ低熱膨張である芯線のニーズに対して，合金設計及び製造プロセス開発の組合せにより，高強度インバー合金線の開発を目指した．図に，新開発インバー合金線の特性位置付けを示す．従来インバー合金線並の低熱膨張特性を有しつつ，高強度・高延性化の達成を目標とした．
本開発に際してキーテクノロジーとなったのは，合金炭化物による析出硬化と伸線による加工硬化を併用し，結晶粒界への炭化物析出を抑制して延性低下を最小限としつつ高強度化したこと，および送電線実用温度域での低熱膨張特性を満足するために，主要合金元素である Ni および Co 量を調整の回折像は相似形で方位が完全に一致している．これは，したことである．特に，強度と延性の両立に際しては，合金VC がマトリクス(M)に対して整合に析出していることを示

設計のみならず，圧延，熱処理及び伸線等の各工程の製造条しており，計算によると約 15 のミスフィットを有してい件を最適化することが重要であり，これらに細心の注意を払ることが分かる．って制御，管理することが，安定した品質を確保するために極めて大切な事柄であった．


合金設計

送電線実用温度域での低熱膨張規格(2)を満足させるため，まずベースとなる合金成分を検討した．よく知られている

また， V および C の添加量比も重要である． V が過剰になると，VC として析出しない固溶状態の V が残存することから熱膨張係数の増大を招き，逆に C が過剰な場合，Fe 炭化物等の炭化物が粒界に析出して延性が低下する．


プロセス開発Fe36Ni インバー合金は，キュリー温度 Tc 以下の低温域で高強度と高延性を高次にバランスさせるためには，製造プは強磁性体であり低熱膨張特性を示すが， Tc を超えるとイロセスの最適化がかかせない．図に，インバー合金線の概ンバー効果が消失し通常の FCC 合金と同じく高い熱膨張を略製造工程を示す．析出硬化を最大限に活用するためには，示すようになる．例えば，アルミ被覆インバー電線の許容温熱間工程で VC を完全に固溶させた後，適切な加工率で伸線度(連続)は 240°
C であり， Fe36Ni 合金の Tc(約200°C )をを行って加工歪みを導入してから，時効処理により VC を結超えることから，実用温度域の低熱膨張特性を確保するため晶粒内に微細析出させる必要がある．図 5 のいずれの工程には合金成分の調整が必要である．図に，Tc に及ぼす C,も最終製品の特性及び品質に影響を及ぼす重要な工程だが，V 添加 Fe 合金中の Ni ＋ Co 量の影響を示す．送電線許容温例として，熱間圧延及び熱処理が特性に及ぼす影響を挙げる．

度域でインバー効果を確保するため，Ni＋Co 量を38以上

まず，熱間圧延においては，前述のように VC を完全固溶に設定する必要があることが分かる．逆に， Ni＋ Co 量が多させることがポイントとなる．このためには，圧延加熱炉内くなりすぎると，低温域での熱膨張係数が大きくなること及でビレットを十分高温にまで加熱する必要がある．図に，びコスト高となることから，上限値を定め最適化した．

中間製品の時効硬さに及ぼすビレット加熱温度の影響を示

次に，インバー合金の高強度化方策を検討した．強化法とす．加熱温度の上昇に伴い，VC 固溶量が増大し時効硬さはしては，強化元素の添加による固溶強化ならびに伸線加工に上昇する．なお，加熱温度が高すぎると，ビレット表面が過よる加工強化とともに，靭性を確保しつつ，より高強度化が可能な合金炭化物の微細析出による析出強化を併用する強化の 検 討を 行っ た． Fe Ni 系 イ ンバ ー合 金は ， 格子 定数 約0.36 nm の FCC 合金であり，結晶粒内に炭化物を整合析出させるためには，結晶構造や格子定数が近い合金炭化物が適切であると考えられる．各種炭化物を検討した結果，バナジウム炭化物( VC )を選定した． VC は， B1 構造( NaCl 型)であり FCC に近い構造を持ち，格子定数は 0.416 nm でありマトリクスとも近い．図に， V, C 添加インバー合金を，熱間圧延後に伸線時効熱処理したときに析出した VC の電図4

子顕微鏡写真(抽出レプリカ試料)と，マトリクス及び VC の電子線回折像(薄膜試料)を示す． VC のサイズは 20～30 nm

V, C 添加インバー合金中に析出した VC (左)及びマトリクスVC を含む領域からの電子線回折像(右）．

であり，結晶粒内に分散析出していた．また，マトリクスとVC を両方含む領域に電子線を絞って得られた回折像は，zone axis[111]のパターンであり，マトリクスからの回折像

図5送電線用インバー合金線の製造工程．のやや内側に VC からの回折スポットが存在しており，両者

図6
図3


V, C 添加 Fe 合金の Tc に及ぼす Ni＋Co 量の影響．

V, C 添加インバー合金線の時効硬さに及ぼす圧
延加熱温度の影響(模式図）．

新技術・新製品

表1

図7

新開発インバー合金線の特性例．
引張強さ
N/mm2

熱膨張係数×10－6/°C

アルミ被覆インバー線

1175～1225

3.7

亜鉛メッキ鋼線

1225～1325

11.5

V, C 添加インバー合金線の時効強度及び捻回値に及ぼす熱処理温度の影響(模式図）．

度に酸化して肌荒れを生じやすいので，加熱時間を過度に長く取ることはできない．さらに，熱間工程後は，VC の析出を抑制するため，速やかに冷却する必要がある．
次に，伸線後の熱処理温度が，最終製品の強度と捻回値に図8及ぼす影響を図に示す．熱処理温度の上昇に伴い，引張強インバー合金線と鋼線の垂下り例．

さは増加するが，ピークを迎えた後で急激に低下する．また，捻回値については，引張強さのピーク温度付近より高温側で増加する．低温側で引張強さが増加しているのは， VCて，送電線路新設の場合，鉄塔高さを低くかつ鉄塔基礎を小が結晶粒内に微細析出することによる強化であり，熱処理温さくできるため，特に山間地等の自然地域へ建設する場合，度が高くなり過ぎると，これら析出物の粗大化によって強化自然環境への影響度が小さく自然破壊を抑制できる点が挙げ能が小さくなるためであると考えられる．一方，捻回値につられる．また，設備更新(電線張替え)時には，廃棄電線を解いては，熱処理による加工歪みの解放が充分であると高くな体することで100リサイクルが可能となっており，産業廃るものと考えられる．図 7 から，引張強さ及び捻回値を高棄物の発生がほとんどない．なお，当合金線は， PRTR 制位に両立させるためには，一定の温度域で熱処理を行う必要度，RoHS 規制，REACH 規制等に抵触する有害化学物質はがあるが，この温度域については，合金成分のみならずその使用しておらず，環境に優しい製品でもある．

他のプロセス要因によっても変化するため，熱処理管理が重要である．

.

新開発インバー合金線とその使用状況

.

まとめ


合金設計および製造条件の最適化により，世界最高クラスの強度を有すると共に，延性，熱膨張特性を高度にバラ
表に，新開発インバー合金線の特性例を示す．新開発インスさせた架空送電線用高強度インバー合金を開発し，高品ンバー合金線は，従来用いられている鋼線並の強度を有し，質の合金線を安定的に製造する量産プロセスを構築した．

熱膨張は三分の一程度と低い値となっている．同時に，捻回

送電線の垂下りを抑えられるため，既設送電線路で 2値，巻付け巻戻し特性及び伸びも，電線としての各規格値を倍の送電が可能となり，電力需要の増加に対応ができた．

満足している．図に，インバー合金線及び鋼線を電線に用特許第3842053号．

いて，同一電流量を流したときの電線の垂れ下がり例を示す．
このようにして開発されたインバー合金線は，長期信頼性

文

献実証試験に合格し，国内外で広く使用されている(インバー電線として約80の世界シェア)．環境面へのメリットとし

ま て り あ 第49巻 第 2 号(2010)Materia Japan( 1 ) 佐々木進ら住友電気，125(1984), 54.
( 2 ) 送電用新種電線専門委員会電気共同研究，43(1988), 37.

