JPH092108A - トロリ線の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高速で運行する架線式電車へ給電するのに必
要な引張破断強度、伸び及び導電率を持ったトロリ線の
製造方法を提供する。 【構成】 連続鋳造後熱間加工して得たＳｎ：０．３０
乃至０．４５重量％を含有し、残部がＣｕ及び不可避的
不純物からなるワイヤロッドを冷間伸線加工してトロリ
線を製造する際に、前記冷間伸線加工の加工率ｘ（％）
と加工前の線材温度ｙ（℃）との関係が、ｙ＝５．６ｘ
−３２０、ｙ＝５．６ｘ−４２０、ｙ＝−１０及びｙ＝
−２１０で囲まれた範囲内にあるように設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速で運行する架線式
電車へ給電するために使用されるトロリ線の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】架線式電車へ給電するために使用される
トロリ線は、通常、銅線又は銅合金線が使用されてい
る。ところで、近時、電車の高速運行に対する要請が強
く、このため、トロリ線の強度を一層高めるか、又はト
ロリ線を軽量化することが要求されている。

【０００３】つまり、電車の運行速度を高速化するため
には、トロリ線の波動伝播速度を高めておく必要があ
る。この波動伝播速度Ｃは、下記数式１により表され
る。

【０００４】

【数１】Ｃ＝√（Ｔ／ρ） （ｍ／ｓｅｃ） 但し、Ｔは架線張力（Ｎ）であり、ρはトロリ線の線密
度（単位長当たりの重さ、ｋｇ／ｍ）である。また、√
（ ）は（ ）内の数値の平方根である。

【０００５】従来から、一般に使用されている銅製又は
錫入り銅合金製の断面積が１７０ｍｍ²のトロリ線で
は、その架線張力が最大１５００ｋｇｆに制限されてい
るため、この波動伝播速度Ｃは３５５ｋｍ／ｈとなる。
しかしながら、電車の最高速度は、電車の集電性能が低
下しないようにするために、波動伝播速度の７０％程度
に制限されている。従って、この場合の最高速度は、約
２５０ｋｍ／ｈとなる。このため、現在開発が急がれて
いる３００ｋｍ／ｈ以上の高速運行を可能にするために
は、トロリ線素材の改良により、波動伝播速度Ｃを高く
する必要がある。このため、数式１より、トロリ線を軽
量化して線密度ρを小さくするか、又はトロリ線の架線
張力Ｔを大きくする必要がある。

【０００６】而して、線密度ρを小さくして波動伝播速
度Ｃを高くする技術として、従来、鋼線の周りに銅より
軽量であるアルミニウムを被覆して圧着させたアルミニ
ウム複合トロリ線が提案されている。

【０００７】一方、トロリ線の引張破断荷重を高めるこ
とによって、架線張力Ｔを増して波動伝播速度Ｃを高め
る技術として、特開平５−１２５４６９号公報に開示さ
れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金トロリ線又は長沢ら、三菱電
線工業時報、第８８号、５６〜６０頁（平成６年１０
月）で報告されているＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金トロリ線の
ような析出強化型銅合金トロリ線がある。

【０００８】なお、トロリ線には、上述の引張破断荷重
を高めること以外に、導電率が高いこと、また、延性の
指標となる伸びの値が一定値以上であることが要求され
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のトロリ線には以下に示す問題点がある。

【００１０】先ず、アルミニウム複合トロリ線において
は、トロリ線の取り付け金具が銅合金製であるために、
取り付け金具の銅合金とトロリ線のアルミニウム被覆層
とが接触して接触腐食が生じるという問題点がある。こ
の腐食を防止するためには、現在普及している取り付け
金具を全てアルミニウムとの間で接触腐食が生じない材
料のものに変更する必要があり、コストの点で実用的で
はない。

【００１１】一方、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金トロリ線及び
Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金トロリ線においては、添加した合
金元素を金属間化合物として析出させることにより合金
を強化している。このように、合金元素を析出物として
添加する方法においては、合金元素を加えても導電率を
低下させることがない。しかし、この従来技術において
は、冷間加工後又は冷間加工の途中に、線材に熱を加え
る析出処理が必要である。この場合、銅又は銅合金トロ
リ線の場合と異なり、製造工程に熱処理という工程が付
加される。このため、製造工程が煩雑となり、製品コス
トの上昇をもたらす。また、これらの析出により線材を
強化するための熱処理においては、所望の特性を得るた
めには、微妙な温度管理が必要となるため、多大の設備
投資が必要となる。更に、これらの析出強化型の線材に
おいては材料の強化に寄与する析出物は、本質的に経時
変化を伴うため、線材の強度が経時的に劣化する虞があ
る。特に、パンタグラフとの摩擦及びトロリ線とパンタ
グラフとの間の放電等に起因して発熱するトロリ線にお
いては、このような線材の強度変化は避けられない。

【００１２】従来、断面積が１７０ｍｍ²の錫入り銅合
金トロリ線の引張破断荷重の規格は、６０００ｋｇｆ以
上と設定されていた。このトロリ線はＣｕ：０．３重量
％Ｓｎ合金であり、直径が２０乃至３０ｍｍ程度の荒引
き線を、断面積が１７０ｍｍ²となるように冷間伸線加
工し、製造されていた。一般に、銅又は銅合金等の金属
材料の強度は、冷間加工率の増加に伴って高くなること
が知られている。このため、冷間加工する前の荒引き線
の断面積を大きくすることによって、断面積が１７０ｍ
ｍ²になるまで大きな加工率で加工することにより、ト
ロリ線の強度を高めることができる。

【００１３】しかしながら、一般に、直径が３０ｍｍ以
上の大径の荒引き線は、その重さが１ｍ当たり６ｋｇ以
上となり、曲げに対する強度も高くなるため、作業性が
極めて悪くなってしまう。このため、一般には、トロリ
線の製造には直径２０ｍｍから３０ｍｍの荒引き線が使
用されており、加工率を大きくすることができない。

【００１４】一方、銅合金中のＳｎ等の添加元素量を増
加することにより、強度を高めることができることは公
知である。例えば、Ｓｎを０．３重量％以上添加するこ
とにより６０００ｋｇｆ以上の引張破断荷重を得ること
ができる。しかしながら、一般に、導電率は添加合金元
素量と共に低下する。具体的に、錫入り銅合金トロリ線
については、導電率は７０％ＩＡＣＳ以上であることが
要求されているが、Ｓｎ濃度が０．４５重量％を超える
と導電率が７０％ＩＡＣＳ以下となる可能性がある。こ
のため、添加するＳｎ濃度は０．４５重量％を超えるこ
とは好ましくない。従って、錫を添加することのみによ
って、７０％ＩＡＣＳ以上の導電率を確保しつつ、電車
の高速運行に必要な７６００ｋｇｆ以上の引張破断荷重
を有するトロリ線を得ることは困難であった。

【００１５】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、架線式電車の高速運行を可能とするトロリ
線の製造方法を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るトロリ線の
製造方法は、連続鋳造後熱間加工して得たＳｎ：０．３
０乃至０．４５重量％を含有し、残部がＣｕ及び不可避
的不純物からなるワイヤロッドを冷間伸線加工してトロ
リ線を製造するトロリ線の製造方法において、前記冷間
伸線加工は、加工率ｘ（％）と加工前の線材温度ｙ
（℃）との関係が、ｙ＝５．６ｘ−３２０、ｙ＝５．６
ｘ−４２０、ｙ＝−１０及びｙ＝−２１０で囲まれた範
囲内にある条件で行うことを特徴とする。

【００１７】

【作用】本願発明者等は、Ｓｎを０．３０乃至０．４５
重量％添加することにより、６０００ｋｇｆ以上の引張
破断荷重を得ると共に、加工技術の改良により強度を高
めることによって、本発明の目的を達成できることを見
出した。即ち本願発明者等は、熱間加工温度から種々の
温度に線材を冷却した後、所定の加工率で冷間伸線加工
を加え、この線材の強度及び伸びを測定し、更にこのト
ロリ線の横断面の中心部分を透過電子顕微鏡で観察し
た。その結果、断面積が１７０ｍｍ²の高強度トロリ線
に要求される引張破断荷重７６００ｋｇｆ以上及び伸び
３．２％以上（標点間距離２５０ｍｍ）を得るための冷
間伸線加工前の線材温度ｙ（℃）及び加工率ｘ（％）は
図１にハッチングにて示すような範囲であることを見い
だした。

【００１８】また、材料を塑性流動させるために必要な
応力は、セルの直径に反比例する（浅尾ら、塑性と加
工、第２６巻、１１８１〜１１８７頁（１９８５
年））。従って、セルの直径（転位がもつれ合って形成
されたセル壁によって囲まれたセルの大きさ）を小さく
するほど線材の強度は高くなり、結果的に材料の引張破
断荷重が増加する。トロリ線に所望の引張破断荷重を持
たせるためには、セルの直径が０．６μｍ以下であるこ
とが必要である。しかしながら、セルの直径が０．２５
μｍ未満になると材料の延性が低下するため所望の伸び
を得ることができない。また、材料中の双晶変形組織は
材料の強化には寄与しないばかりか、延性を著しく低下
させるために、これが存在しないことが好ましい。

【００１９】そして、図１に示す範囲で示されたような
低温で加工された場合、線材横断面の透過顕微鏡観察に
より測定したセル径は、０．２５乃至０．６μｍの範囲
であり、極めて小さいものである。このように、加工温
度が低くて、線材のセル径が小さい場合は、材料の強度
が高くなる（例えば、和田ら、塑性と加工第３１巻９９
６〜１０００頁（１９９０年））。

【００２０】また、低温で加工された場合は、双晶変形
組織は存在しなかった。この双晶変形組織は、著しく延
性（引張試験における伸び）を低下させる。

【００２１】次に、本発明に係るトロリ線の製造方法の
冷間伸線加工条件の限定理由について説明する。図１は
横軸に冷間加工率ｘ（％）をとり、縦軸に伸線加工前の
線材温度ｙ（℃）をとって、引張破断荷重７６００ｋｇ
ｆ以上、伸び３．２％以上を得ることができる範囲をハ
ッチングで示す図である。この範囲は、下記数式２乃至
５で囲まれたものである。

【００２２】

【数２】ｙ＝５．６ｘ−３２０

【００２３】

【数３】ｙ＝５．６ｘ−４２０

【００２４】

【数４】ｙ＝−１０

【００２５】

【数５】ｙ＝−２１０ 数式２乃至４は、実験的に定められたものである。数式
２で表される直線より左上の領域では、セル径は０．６
μｍを超える値であり、伸びは３．２％以上であるが、
引張破断荷重が不足していた。次に、数式３で示される
直線より右下の領域ではセル径が０．２５μｍ未満で、
引張破断荷重は７６００ｋｇｆ以上であったが、伸びが
不足していた。数式４で示された直線より上方の温度で
は、温度と冷間加工率との関係が直線から逸脱し、加工
率を大きくしても強度の増加が極めて小さかった。ま
た、数式５は、実用的に使用可能な冷媒である液体窒素
の１気圧下での気化温度から求められた。液体窒素の気
化温度以下の冷媒としては、例えば、液体ヘリウム等が
あるが、コストの面から線材への適用は困難である。

【００２６】なお、上述の領域の加工条件で冷間伸線加
工した場合は、線材中のＳｎ濃度が０．４５％以下であ
れば、作製したすべての試料について、導電率は７０％
ＩＡＣＳ以上である。

【００２７】

【実施例】本願発明者らが、実際に製造した高強度トロ
リ線（実施例１）の製造方法について以下に示す。ま
ず、直径が１８ｍｍで、０．３５重量％の錫を含有する
荒引き線を連続鋳造設備で製造した。次に、この荒引き
線を液体窒素中に浸漬して冷却した。その後、冷間引き
抜き伸線加工設備により、３パスの伸線で１７０ｍｍ²
のトロリ線を製造した。各パスの伸線前の線材表面温度
を−１５０℃にした。

【００２８】加工後の線材（実施例１）について、導電
率の測定、引張試験による引張破断荷重及び標点間距離
２５０ｍｍにおける伸びの測定、トロリ線の中心部から
作製した試料の透過電子顕微鏡観察を行った。その結
果、導電率は７３％ＩＡＣＳ、引張破断荷重は７７４０
ｋｇｆ、伸びは３．８％であった。また、透過電子顕微
鏡組織の結果、セルの平均直径は０．４μｍであり、双
晶変形組織は存在しなかった。

【００２９】この実施例１及びその他の実施例及び比較
例のＳｎ濃度、線材冷却温度及び加工率を表１に、そし
て、引張破断荷重、伸び、導電率、セルの直径、双晶変
形の有無及び判定結果を表２に示す。引張破断荷重７６
００ｋｇｆ以上、伸び３．２％以上、及び導電率７０％
ＩＡＣＳ以上であったトロリ線は○、それ以外のトロリ
線は×と判定した。実施例及び比較例の中で、線材冷却
温度が−５０℃以上のものは、冷媒としてドライアイス
を使用した。また、実施例１、２及び比較例１〜８の加
工率及び線材冷却温度を図２中に示した。

【００３０】実施例１及び２では、引張破断荷重、伸び
及び導電率とも基準の値より大きな値となった。一方、
比較例１、３、４、６及び８では、引張破断荷重が、夫
々７５１０ｋｇｆ、７３４０ｋｇｆ、６９７０ｋｇｆ、
７４８０ｋｇｆ、７５７０ｋｇｆと７６００ｋｇｆ未満
であり、また比較例２及び５では、伸びが、夫々２．８
％、３．０％と３．２％未満であった。更に比較例７で
は、導電率が６９％ＩＡＣＳと７０％ＩＡＣＳ未満であ
った。

【００３１】上述のように、いずれの比較例において
も、冷間加工率ｘ（％）と加工前の線材温度ｙ（℃）と
の関係が、本発明にて規定した範囲から外れているため
に、必要とされる引張破断荷重、伸び又は導電率を得る
ことができなかった。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【表２】

【００３４】

【発明の効果】本発明に係るトロリ線の製造法は、冷間
伸線加工時の加工率及び加工前の線材温度を制御するこ
とにより、電車の高速運行に必要な引張破断荷重、伸び
及び導電率を持ったトロリ線を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】冷間加工率ｘ（％）と加工前の線材温度ｙ
（℃）との関係を示す図である。

【図２】実施例及び比較例の冷間加工率ｘ（％）及び加
工前の線材温度ｙ（℃）を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河野 宰 東京都江東区木場１丁目５番１号 株式会 社フジクラ内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 連続鋳造後熱間加工して得たＳｎ：０．
   ３０乃至０．４５重量％を含有し、残部がＣｕ及び不可
   避的不純物からなるワイヤロッドを冷間伸線加工してト
   ロリ線を製造するトロリ線の製造方法において、前記冷
   間伸線加工は、加工率ｘ（％）と加工前の線材温度ｙ
   （℃）との関係が、ｙ＝５．６ｘ−３２０、ｙ＝５．６
   ｘ−４２０、ｙ＝−１０及びｙ＝−２１０で囲まれた範
   囲内にある条件で行うことを特徴とするトロリ線の製造
   方法。