專利名稱：高導(dǎo)電率高強度電車架空線及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及導(dǎo)電率高且強度高的電車架空線以及其制造方法。特別是涉及也能夠降低制造成本的高導(dǎo)電率高強度電車架空線的制造方法以及高導(dǎo)電率高強度電車架空線。
背景技術(shù)：
作為電車架空線材料，由韌銅等構(gòu)成的硬銅歷史上使用最早，現(xiàn)在也被普遍使用。其他含有用于提高耐熱性而導(dǎo)入的銀(Ag)的銅合金和含有用于提高耐摩性的錫(Sn)的銅合金在現(xiàn)實中也被使用。電車架空線存在長時間通電加熱會導(dǎo)致軟化和短時間局部的溫度上升會導(dǎo)致軟化的問題，所以要求耐熱性高。另外，也要求對與導(dǎo)電弓的滑動的高耐摩性。
特公昭59-43332號公報中記載了由韌銅構(gòu)成的電車架空線、由0.08～0.4質(zhì)量％的Ag和銅(Cu)構(gòu)成的電車架空線以及由0.16～0.35質(zhì)量％的Sn和銅構(gòu)成的電車架空線的特性。由Sn和Cu構(gòu)成的電車架空線特性如特公昭59-43332號公報的發(fā)明中所述，由于Sn固溶在Cu中，所以與由Ag和Cu構(gòu)成的電車架空線和由韌銅構(gòu)成的電車架空線相比拉伸強度大。由Sn和Cu構(gòu)成的電車架空線，其導(dǎo)電率低為70～85IAC(％)左右，但是由于拉伸強度大，所以仍在可實際應(yīng)用的范圍內(nèi)。另外，含有Ag的電車架空線與添加了Sn的相比，其導(dǎo)電率高，但是拉伸強度低，表現(xiàn)出容易損耗，耐熱性差。另外，由韌銅構(gòu)成的電車架空線的損耗量也大。損耗量大的電車架空線的壽命自然短。
另外，《鉄道総研報告(Railway Technical Research Institute(RTRI)Report)、Vol.12、No.10、39～44頁、1998年[トロリ線材料としての析出強度型銅合金の耐久性評価」》(《鐵道總研報告(Railway TechnicalResearch Institute(RTRI)Report)、Vol.12、No.10、39～44頁、1998年“作為電車架空線的沉淀硬化型銅合金的耐用性評價”》)記載了硬銅、Cu-Ag、Cu-Sn、Cu-0.4％Cr-0.14％Zr-0.05％構(gòu)成的三種電車架空線的耐熱性試驗結(jié)果。耐熱性按上述順序依次變高。在長時間加熱造成硬度變化的結(jié)果中顯示加入Ag的銅在180℃加熱100小時的情況下硬度軟化。
另外，上述鐵道總研報告關(guān)于上述材料的合金的導(dǎo)電率和拉伸強度進行了試驗。從結(jié)果來看，含有Ag的電車架空線的導(dǎo)電率高，但是拉伸強度不夠，所以稍一損耗，作為電車架空線的強度就不夠了，沉淀硬化型銅合金作為電車架空線是優(yōu)越的。
特開平11-189834號公報記載了在銅熔液中添加合金元素，制成銅合金熔液，將該銅合金熔液利用連續(xù)鑄造熱軋法制成電車架空線的方法。該特開平11-189834號公報中記載有，銅合金熔液是添加P將銅熔液進行脫氧，然后添加Co、Mn、Ni等合金元素而制成的。
但是，不能得到兼具高導(dǎo)電率和拉伸強度的電車架空線。例如含有Ag的電車架空線，其導(dǎo)電率高，但耐熱性和拉伸強度低。另外，特公昭59-43332號公報專利、特開平11-189834號公報以及上述鐵道總研報告公開了添加Ag以外的Sn等合金元素、導(dǎo)電率低但耐熱性和強度高的電車架空線。因此，現(xiàn)在只能得到舍棄導(dǎo)電率或拉伸強度某一種特性的電車架空線。
另外，作為最近的技術(shù)動向，特別是在原有線路中，作為滑板(スライダ一)的材質(zhì)以往使用銅系或鐵系燒結(jié)合金，現(xiàn)在開始使用碳系，電車架空線的損耗率與現(xiàn)有相比減少到1/5～1/10程度。因此，關(guān)于電車架空線的損耗，電弧損耗(arc wear)等電氣損耗開始比以往的機械損耗更受到重視，針對電氣損耗，高溫特性好、導(dǎo)電率高的電車架空線更有利。特別是，最近對環(huán)境問題關(guān)心高漲，高架電線的電力損失也開始受到關(guān)注，與現(xiàn)有的Sn系電車架空線相比，導(dǎo)電率更高的電車架空線的要求變得強烈。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種電車架空線的制造方法和由該制造方法得到的電車架空線。該制造方法能夠維持含有Ag的電車架空線的導(dǎo)電率并能夠得到具有優(yōu)良的拉伸強度、耐摩性和耐熱性的電車架空線。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，通過主要將冷加工率設(shè)定得比以往的加工率大，從而能夠制造優(yōu)良的電車架空線。
本發(fā)明的高導(dǎo)電率高強度電車架空線的制造方法包括如下工序通過連續(xù)鑄造得到含有Ag0.12～0.3質(zhì)量％、含有氧0.01～0.05質(zhì)量％且其余由銅和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的鑄造材料；以大于或等于600℃的溫度和大于或等于80％的熱加工率對上述鑄造材料實施熱加工，得到直徑大于或等于25mm的線材；以小于或等于150℃的溫度和大于或等于70％的冷加工率對上述線材實施冷加工，得到下面(1)或(2)的電車架空線。
(1)電車架空線的標稱截面積是150～170mm2時，拉伸強度大于或等于400N/mm2，導(dǎo)電率大于或等于97IACS(％)；(2)電車架空線的標稱截面積是80～120mm2時，拉伸強度大于或等于420N/mm2，導(dǎo)電率大于或等于97IACS(％)。
根據(jù)該方法，能夠提高耐熱性，維持Cu-Ag系的導(dǎo)電率，而且能夠提高拉伸強度。
在本發(fā)明中，使用含有Ag0.12～0.3質(zhì)量％、含有氧0.01～0.05質(zhì)量％且其余由銅和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的鑄造材料。當(dāng)Ag的含量不到0.12％質(zhì)量時，拉伸強度不夠，當(dāng)Ag含量超過0.30％質(zhì)量時，導(dǎo)電率變得小于97IACS(％)。另外，氧的含量不到0.01質(zhì)量％時，熱加工時容易產(chǎn)生裂紋，氧超過0.05質(zhì)量％時，冷加工時容易產(chǎn)生以氧化銅為起點的斷線。
得到上述鑄造材料的工序優(yōu)選輪帶鑄造方式(ホイ一ルベルト方式)或雙帶鑄造方式(ツインベルト方式)等使用可動鑄模的鑄造方式。以這些方式進行連續(xù)鑄造能夠抑制制造成本。連續(xù)鑄造壓延法是能夠穩(wěn)定供給沒有連接部的長尺寸的架空線的方法。
接著，對所得到的鑄造材料以大于或等于600℃的溫度實施大于或等于80％的熱加工，從而使鑄造組織微細化，提高線材強度。作為熱加工優(yōu)選是熱壓延。特別是，與上述鑄造連續(xù)進行熱壓延，具有減少耗能、降低成本的效果。
鑄造材料的熱加工溫度大于或等于600℃。由此，容易進行熱加工。另外，后續(xù)工序即冷加工時的加工性也能夠提高。鑄造材料由于在壓延時氧化，所以后續(xù)工序中浸漬在酒精等中還原。這時，鑄造材料冷化，反應(yīng)難以進行，還原變遲，所以從這一點考慮，將加工溫度事先提高到大于或等于600℃是重要的。
熱加工的加工率大于或等于80％。由此，能夠使線材的結(jié)晶組織微細化，提高強度。該加工率以〔(加工前的截面積-加工后的截面積)/加工前的截面積〕表示。該熱加工的加工率可以是大于或等于85％，進而大于或等于90％。
另外，熱加工得到的線材的直徑大于或等于25mm。這樣形成該線徑，則下一工序中能夠承受高加工率的冷加工。結(jié)果，冷加工的提高線材強度的效果能夠更加顯著。
得到直徑大于或等于25mm的線材后，以小于或等于150℃的溫度且大于或等于70％的加工率實施冷加工。由該冷加工，能夠提高線材的強度。在此的加工率也能夠以〔(加工前的截面積-加工后的截面積)/加工前的截面積〕表示。
冷加工適合使用拉絲加工。加工溫度小于或等于150℃即可，常溫下可不需加熱而進行加工。加工率形成大于或等于70％則能夠得到充分提高強度的效果。
要得到標稱截面積150～170mm2的電車架空線時，該冷加工率更優(yōu)選大于或等于75％。另外，要得到標稱截面積80～120mm2的電車架空線時，優(yōu)選大于或等于75％的加工率，更優(yōu)選大于或等于80％的加工率。電車架空線的截面積只要細，就能夠得到更高的加工率。
由上述冷加工，電車架空線的標稱截面積是150～170mm2時，拉伸強度大于或等于400N/mm2；標稱截面積是80～120mm2時，拉伸強度大于或等于420N/mm2。通過得到這樣的高強度，能夠形成與含有0.3質(zhì)量％的Sn的電車架空線同等的拉伸強度，實現(xiàn)高耐摩性。另外，標稱截面積是80～120mm2時，更優(yōu)選具有大于或等于425N/mm2的拉伸強度。
并且，導(dǎo)電率形成大于或等于97IACS(％)。上述的電車架空線的成分限定能夠確保近于純銅的高導(dǎo)電率。
而本發(fā)明的高導(dǎo)電率高強度電車架空線，含有Ag 0.12～0.3質(zhì)量％、氧0.01～0.05質(zhì)量％，其余則由銅和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。電車架空線的標稱截面積是150～170mm2時，拉伸強度大于或等于400N/mm2，導(dǎo)電率大于或等于97IACS(％)。另外，電車架空線的標稱截面積是80～120mm2時，拉伸強度大于或等于420N/mm2，導(dǎo)電率大于或等于97IACS(％)。
本發(fā)明的電車架空線，當(dāng)標稱截面積是80～120mm2時，優(yōu)選拉伸強度大于或等于425N/mm2。
本發(fā)明中，能夠得到既維持Ag-Cu系電車架空線所具有的高導(dǎo)電率，又能夠得到強度和耐熱性又高的電車架空線。因此，能夠制造在以高速鐵道為主的苛刻的使用條件下也能夠充分勝任的電車架空線。另外，拉伸強度與0.3質(zhì)量％Sn電車架空線同等，且導(dǎo)電率是與純銅近似的值，能夠?qū)崿F(xiàn)高強度和高導(dǎo)電率。
具體實施例方式
下面說明本發(fā)明的實施方式。
實施例1使用連續(xù)鑄造熱軋法制造試樣序號1～9的試樣，使用現(xiàn)有的方法制造試樣序號10～14的試樣。它們都是將熔解→制造→熱壓延→拉絲→產(chǎn)品的工序作為電車架空線的基本制造工序。
首先，連續(xù)鑄造表1的試樣序號1～9所示的化學(xué)成分的熔解銅合金。接著，以表1所示的溫度和熱加工率，熱壓延至表1所示的直徑，得到線材。接著，關(guān)于所得到的線材，以表1所示的冷加工的溫度、冷加工率進行拉絲直至截面積一欄所記載的大小。另外，上述的熱壓延和冷加工的加工率由〔(加工前的截面積-加工后的截面積)/加工前的截面積〕表示。
試樣序號10～14是，連續(xù)鑄造表1所示的化學(xué)成分的熔解銅合金，接著，以表1的熱加工率進行熱壓延直至表1所示直徑，得到線材。其中，試樣序號9不進行熱壓延，而作為鑄造材料得到直徑30mm的線材。
接著，以表1所示的冷加工條件制造所需截面積的電車架空線。測定這樣得到的電車架空線的拉伸強度、導(dǎo)電率、氧含量，示于表1。表中*號表示比較例。
首先，比較尺寸110mm2的試樣序號3、4、6、7、9、11、12的拉伸強度。與試樣序號3、4相比，冷加工率低的試樣序號6、11、12以及不進行熱加工的試樣序號9不能得到足夠的拉伸強度。Ag含量少的試樣序號7也是拉伸強度低。而本發(fā)明例即試樣序號3、4都顯示了高拉伸強度。
接著，對尺寸150、170mm2的試樣序號1、2、5、8、10、13、14進行拉伸強度的比較。熱加工率低的試樣序號8、冷加工率低的試樣序號10、13、14拉伸強度低。而本發(fā)明例即試樣序號1、2、5都能夠得到高拉伸強度。
接著，對不依賴于于電車架空線的尺寸的導(dǎo)電率進行比較。Ag含量多的試樣序號6導(dǎo)電率低。因為，雖然Ag以金屬形態(tài)存在時具有比銅高的導(dǎo)電率，但是銅合金中固溶有Ag，則銅合金的導(dǎo)電率有下降的傾向。試樣序號13中，由于固溶在銅中的Sn具有降低導(dǎo)電性的功能，故其導(dǎo)電率變低。
表1

*比較例試樣序號13作為添加元素含Sn0.29質(zhì)量％
實施例2使用實施例1制造的電車架空線，以更接近實際使用條件的狀態(tài)進行損耗試驗，計算作為電車架空線的壽命。上述的電車架空線中，用試樣序號3、11、13以及14的試樣求出維式硬度，損耗量以及理論壽命。其中，試樣序號3、11的尺寸是110mm2，其余的試樣尺寸是170mm2。
損耗量的評價如下進行。首先，電車架空線與銅系燒結(jié)滑板的滑動速度為50km/h，與滑板的接觸負載為7kgf(68.6N)，在施加了200V直流電壓、200A通電電流的狀態(tài)下使電車架空線和滑板滑動104次。然后，求出電車架空線的損耗截面積，其損耗截面積被導(dǎo)電弓(滑板)的滑動次數(shù)除，將滑動次數(shù)每一萬次的損耗截面積作為損耗量進行評價。損耗量越小表示耐摩性越好。
理論壽命，是將電車架空線的損耗面積達到43.5mm2的情況(電車架空線的截面積110mm2時剩余直徑7.5mm的情況下、該面積170mm2時剩余直徑11.1mm的情況下)作為壽命，在上述損耗量試驗的條件下，以一年時間電車架空線與滑板滑動10萬次，計算直到該剩余直徑的年數(shù)。
表2

試驗結(jié)果示于表2。結(jié)果，試樣序號3其維式硬度變高，損耗量變小，理論壽命成為18.1年，比其余的壽命大幅度增長。這表明本發(fā)明的電車架空線不僅導(dǎo)電率高，而且拉伸強度、耐摩性優(yōu)良。
另外，為了比較，關(guān)于相當(dāng)于上述鐵道總研報告所記載的現(xiàn)有試樣的材料也進行了同樣的評價。特公昭59-43332號公報，損耗量以“mm/萬導(dǎo)電弓”的單位記載，所以，將其以概算換算成〔mm2/萬導(dǎo)電弓〕的單位。該現(xiàn)有材料，與通常的電車架空線的制造條件相同，制成最終冷加工率約65％，截面積110mm2。其結(jié)果示于表3。
表3

TPC韌銅該表可知，〔TPC-0.30Ag〕含有0.3質(zhì)量％的Ag，但是冷加工率低為約65％，拉伸強度小。另外，比較表2和表3的損耗量則可知，本發(fā)明的電車架空線具有與〔TPC-0.31Sn〕或〔TPC-0.35Sn〕同等以上的耐摩性。
本發(fā)明的電車架空線與加入了Sn的銅線等比較，導(dǎo)電率高，耐熱性不遜色。耐摩特性與加入了Sn的銅構(gòu)成的電車架空線相比也優(yōu)良。另外，由于具有高拉伸強度和高導(dǎo)電率，所以本發(fā)明的電車架空線不僅能夠作為高速用電車架空線利用，還能夠在原有線路中充分使用。
權(quán)利要求
1.一種高導(dǎo)電率高強度電車架空線的制造方法，其特征在于，包括如下工序通過連續(xù)鑄造得到含有0.12～0.3％質(zhì)量的Ag、0.01～0.05％質(zhì)量的氧，其余是由銅和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的鑄造材料；以大于或等于600℃的溫度和大于或等于80％的熱加工率對上述鑄造材料實施熱加工，得到直徑大于或等于25mm的線材；以小于或等于150℃的溫度和大于或等于70％的冷加工率對上述線材實施冷加工，得到下面(1)或(2)的電車架空線，(1)電車架空線的標稱截面積是150～170mm2時，拉伸強度大于或等于400N/mm2，導(dǎo)電率大于或等于97IACS(％)；(2)電車架空線的標稱截面積是80～120mm2時，拉伸強度大于或等于420N/mm2，導(dǎo)電率大于或等于97IACS(％)。
2.如權(quán)利要求1所示高導(dǎo)電率高強度電車架空線的制造方法，其特征在于，冷加工率大于或等于75％。
3.如權(quán)利要求1或2所述的高導(dǎo)電率高強度電車架空線的制造方法，其特征在于，冷加工標稱截面積80～120mm2的電車架空線時，冷加工率大于或等于80％。
4.如權(quán)利要求1～3任一項所述的高導(dǎo)電率高強度電車架空線的制造方法，其特征在于，在標稱截面積是80～120mm2的電車架空線的情況下，拉伸強度大于或等于425N/mm2。
5.一種高導(dǎo)電率高強度電車架空線，其中，含有Ag0.12～0.3質(zhì)量％、氧0.01～0.05質(zhì)量％，其余由銅和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，其特征在于，上述電車架空線的標稱截面積是150～170mm2時，拉伸強度大于或等于400N/mm2，導(dǎo)電率大于或等于97％；上述電車架空線的標稱截面積是80～120mm2時，拉伸強度大于或等于420N/mm2，導(dǎo)電率大于或等于97％。
6.如權(quán)利要求5所述的高導(dǎo)電率高強度電車架空線，其特征在于，當(dāng)標稱截面積是80～120mm2時，拉伸強度大于或等于425N/mm2。
全文摘要
一種拉伸強度高、導(dǎo)電率高的電車架空線以及這樣的高導(dǎo)電率高強度電車架空線的制造方法。其包括如下工序通過連續(xù)鑄造得到含有0.12～0.3％質(zhì)量的Ag、0.01～0.05％質(zhì)量的氧，其余是由銅和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的鑄造材料；以大于或等于600℃的溫度和大于或等于80％的熱加工率對上述鑄造材料實施熱加工，得到直徑大于或等于25mm的線材；以小于或等于150℃的溫度和大于或等于70％的冷加工率對上述線材實施冷加工，得到下面(1)或(2)的電車架空線。(1)電車架空線的標稱截面積是150～170mm
文檔編號B60M1/13GK1715097SQ20051008213
公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者久保范明, 中本稔, 西川太一郎 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社