JP2004027294A - 耐食性耐熱性アルミニウム合金線及び架空送電線 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｚｒを添加して耐熱性を向上させるとともに、Ｚｒの添加による耐食性の劣化を防止することができ、耐食性及び耐熱性が共に優れていると共に、低コストで製造することができる耐食性耐熱性アルミニウム合金線及び架空送電線を提供する。
【解決手段】Ｍｎ：１．２乃至１．６質量％及びＺｒ：０．１乃至０．５質量％を含有し、更に、必要に応じて、Ｂｅ：０．０１乃至０．０７質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有する。そして、荒引き線の時効処理により、Ａｌ_３Ｚｒが析出している。前記不可避的不純物のうち、Ｃｕは０．０１質量％以下、Ｆｅは０．１５質量％以下に規制されている。
【選択図】　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄塔間に架設される架空送電線等の撚線素線等として使用され、耐食性及び耐熱性の向上を図った耐食性耐熱性アルミニウム合金線及びこれを素線として使用した架空送電線に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウムは、比重が２．７で銅の約１／３と極めて軽量であり、しかも貴金属を除けば銅に次いで高い導電率を有する。このため、アルミニウム又はアルミニウム合金（以下、総称してアルミニウム合金という）からなる線材は、運搬作業性がよく、アルミニウム合金線を使用した架空送電線は、鉄塔の必要強度を低減できるため鉄塔建設費が低く、また、鉄塔間に架設するための工事費も低減することができる。このため、アルミニウム合金線は鉄塔間に架設される架空送電線として多用されている。
【０００３】
ところで、アルミニウム合金の引張強さは、銅の半分程度であり、軟化温度も低いので、高張力が印加されたり、送電電流密度が高くなって発生するジュール熱により電線温度が上昇すると、そのままでは強度不足となることがある。このため、一般にテンションメンバとしての鋼線又は鋼撚線の上に、アルミニウム合金線を多数本撚合わせた鋼心アルミニウム撚線（ＡＣＳＲ：Ａｌｕｍｉｎｕｍ　ＣｏｎｄｕｃｔｏｒＳｔｅｅｌ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　）、又は鋼心耐熱アルミニウム合金撚線（ＴＡＣＳＲ）等が架空送電線として使用され、これが数百メートル間隔で設置された鉄塔間に架設される。
【０００４】
従来、アルミニウム合金材の耐熱性の向上を図る場合、一般的にジルコニウムが添加される。例えば、ＸＴＡｌ合金はＺｒを０．３質量％添加し、高温で数百時間の時効処理を施してＡｌ_３Ｚｒを微細に分散させ、高い導電性及び耐熱性を実現している（以下、「従来技術１」という）。
【０００５】
一方、アルミニウム合金材は上記軽量性及び高導電性を備えているという特徴の他に、大気中において表面に安定且つ緻密な不動態皮膜が形成されるため、良好な耐食性を示すという特徴がある。このため、アルミニウム合金材は通常の自然環境においては、大気中での腐食は殆ど進行せず、防錆処理を施すことなく使用することができる。そこで、鉄塔間に架設されるアルミニウム合金線又はその撚り線は、自然環境に長期間曝されるにも拘わらず、被覆せずそのままの裸電線で使用されている。しかし、海洋に近い地域における塩分を含む大気及び近年の大気中の硫黄酸化物及び窒素酸化物等の汚染物質が溶解した雨水等により、架空送電線に使用されているアルミニウム合金素線の腐食が進行してしまうという難点がある。
【０００６】
これに対して、特開２００１−２６８３０号公報には、Ｍｎを０．３乃至４．３質量％含有すると共に、Ａｌ−Ｍｎ系の金属間化合物を分散析出させることにより、耐食性を向上させた導電用アルミニウム合金線が開示されている（以下、「従来技術２」という）。この公報には、更に、耐食性と同時に耐熱性を向上させるために、心材として耐熱性が優れた導体材料を使用して強度を確保し、被覆材として、上記耐食性を向上させたアルミニウム合金材を使用した導電用高耐食複合線が開示されている
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術１では、アルミニウム系架空送電線の耐熱性を向上させる微細なＡｌ_３Ｚｒを十分に分散析出させるためには、その製造工程において高温で数百時間という長時間の時効処理を施さなければならない。このように長時間を要する時効処理工程は、その架空送電線の生産性を低下させるので、生産工程計画上の障害となる。更に、アルミニウム合金にＺｒを添加すると、耐食性が僅かに低下するという問題がある。特に、近年の大気汚染の影響により、一部地域ではアルミニウム合金にとって極めて腐食性が強い環境となっており、架空送電線においてもアルミニウム合金撚線の性能が腐食により劣化しやすいという問題点がある。
【０００８】
一方、従来技術２には、耐食性に加えて耐熱性を向上させたアルミニウム系架空送電線が提案されているが、これは耐熱性を付与するために耐熱性が優れた導体材料を心材として使用し、これにアルミニウム合金を被覆する複合線とするものであり、アルミニウム合金線自体が高耐食性と共に高耐熱性を備えているものではなく、製造コストが高いという問題点がある。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、Ｚｒを添加して耐熱性を向上させるとともに、Ｚｒの添加による耐食性の劣化を防止することができ、耐食性及び耐熱性が共に優れていると共に、低コストで製造することができる耐食性耐熱性アルミニウム合金線及び架空送電線を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る耐食性耐熱性アルミニウム合金線は、Ｍｎ：１．２乃至１．６質量％及びＺｒ：０．１乃至０．５質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有し、Ａｌ_３Ｚｒが析出していることを特徴とする。
【００１１】
この耐食性耐熱性アルミニウム合金線において、前記不可避的不純物のうち、Ｃｕは０．０１質量％以下、Ｆｅは０．１５質量％以下に規制されていることが好ましい。また、本発明の耐食性耐熱性アルミニウム合金線は、更に、Ｂｅ：０．０１乃至０．０７質量％を含有することが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る架空送電線は、上記耐食性耐熱性アルミニウム合金線を素線として、鋼心線の周りに撚合わせたものであることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る耐食性耐熱性アルミニウム合金線は、例えば、上記組成の荒引線を連続鋳造圧延法により製造し、得られた荒引線に時効処理を施すことにより、Ａｌ_３Ｚｒを析出させて製造することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。先ず、本発明の耐食性耐熱性アルミニウム合金線の成分添加理由及び組成限定理由について説明する。本発明の耐食性耐熱性アルミニウム合金線は、Ｍｎ：１．２乃至１．６質量％及びＺｒ：０．１乃至０．５質量％を含有し、更に、必要に応じて、Ｂｅ：０．０１乃至０．０７質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有し、Ａｌ_３Ｚｒが析出していることを特徴とする。また、不可避的不純物のうち、Ｃｕは０．０１質量％以下、Ｆｅは０．１５質量％以下に規制されている。
【００１５】
「Ｚｒ：０．１乃至０．５質量％」
Ｚｒはアルミニウム合金線の耐熱性を向上させるために添加する。この耐熱性向上効果を得るためには、Ｚｒを０．１質量％以上添加することが必要である。しかし、Ｚｒを０．５質量％を超えて添加しても耐熱性の向上効果は飽和し、逆に、耐食性が劣化してしまう。また、Ｚｒが０．５質量％を超えると、Ａｌ合金溶湯の粘性が大きくなって連続鋳造における溶湯の湯流れが悪化し、鋳造性が低下するという問題点がある。このため、Ｚｒの含有量は０．１乃至０．５質量％とする。
【００１６】
アルミニウム合金線の耐熱性は、先ず、連続鋳造後、伸線加工された素線に対し、所定の熱処理を施して、Ａｌ_３Ｚｒを析出させることにより向上させることができる。本実施形態のアルミニウム合金線は以下のようにして製造することができる。先ず、前述の所定の組成のアルミニウム合金の溶湯を溶製した後、これを連続鋳造圧延法の一種であるプロペルチ方式により連続鋳造して連続鋳造バーを得る。そして、この連続鋳造バーを例えば再加熱することなく３方ロール多段タンデム熱間圧延機で熱間圧延して、例えば、直径９．５ｍｍの荒引線を得る。そして、得られた荒引線に、例えば、３４０乃至３８０℃で２２時間、一例として３６０℃で２２時間の時効熱処理を施して、Ａｌ_３Ｚｒの析出を促進させる。その後、この荒引線を連続伸線機で引抜き冷間加工を施して、例えば、直径４．５ｍｍの素線を調製し、得られた素線に、素線の成分組成に応じて３００乃至３８０℃の範囲内の適切な温度で焼鈍を施して冷間加工歪みを除去すると共に再結晶を促進させる。
【００１７】
この場合に、アルミニウム合金線の耐熱性の向上は、時効処理によるＡｌ_３Ｚｒの析出の効果に大きく依存するため、荒引線段階での熱処理が必要である。この荒引線段階での時効処理によるＡｌ_３Ｚｒの析出強化により、マトリクス中の固溶Ｚｒの含有量が減少する。これにより、アルミニウム合金線の導電率が上昇するという効果もある。
【００１８】
「Ｂｅ：０．０１乃至０．０７質量％」
ＢｅはＺｒと共にアルミニウム合金中に添加されて、Ａｌ_３Ｚｒの析出を促進し、従ってアルミニウム合金の耐熱性もより一層向上させる。このため、Ｂｅを必要に応じて添加する。Ｂｅが０．０１質量％未満であると、このような効果が得られない。また、Ｂｅが０．０７質量％を超えると、その効果が飽和すると共に、Ｂｅは材料コストが高いため、製造コストの上昇をもたらす。このため、Ｂｅを添加する場合は、０．０１乃至０．０７質量％とする。
【００１９】
「Ｍｎ：１．２乃至１．６質量％」
Ｍｎは、アルミニウム合金線の耐食性を向上させる作用があり、Ｍｎの添加により、Ｚｒの添加による耐食性の若干の低下を補償して、耐熱性及び耐食性の双方が優れたアルミニウム合金線を得ることができる。Ｍｎを１．２質量％以上含有することにより、アルミニウム合金線の耐食性が向上する。このＭｎの添加によりＡｌ−Ｍｎ化合物が形成され、これにより耐食性が向上する。しかしながら、Ｍｎ含有量が１．２質量％未満では、所望の耐食性向上効果が得られない。なお、Ｍｎ含有量が１．２質量％以上であって低めの場合には、連続鋳造時の冷却速度を、５０℃／秒以上程度に高めると、Ａｌ−Ｍｎ化合物を有利に形成させることができる。一方、Ｍｎ含有量を１．６質量％を超えて多量に含有させると、荒引線段階における時効処理及び素線の焼鈍処理によっても、マトリクス中の固溶Ｍｎが十分に析出しきれず、又は固溶Ｍｎ量の増加により、アルミニウム合金線の導電率が低下する。Ｍｎの添加により、導電率が若干低下するが、このＭｎ含有量が１．６質量％以下であれば、Ｚｒの添加による耐熱性の向上効果に伴なう電流許容量の増大と、導体の線径を大きくすることとにより、導電率の低下を実用上補完することができる。
【００２０】
「不純物Ｃｕ：０．０１質量％以下」
Ｃｕは微量でもＡｌ合金材の耐食性劣化に影響を及ぼす。Ｃｕは通常の鋳造条件、例えば冷却速度が０．５乃至１３℃／秒程度のプロペルチ方式においても、その大部分がマトリクス中に固溶する。しかしながら、Ａｌ合金材が溶解する際に放出されるＣｕイオンが直ちにＡｌにより還元され、強力なカソードとして働くことにより、Ａｌ合金線の耐食性を低下させる。Ｃｕの含有量が０．０１質量％を超えると、上記作用が顕在化することがある。従って、不可避的不純物のうち、Ｃｕの含有量は０．０１質量％以下に規制することが好ましい。
【００２１】
「不可避的不純物Ｆｅ：０．１５質量％以下」
ＦｅはＡｌ合金材中に不可避的に存在する不純物元素である。ＦｅはＡｌと例えばＦｅＡｌ_３等の金属間化合物を形成する。ＦｅＡｌ_３はマトリクスに対して極めて貴な電位を持つため、強力なカソードとなり、腐食の起点となりやすい。本発明においては、連続鋳造時の急冷作用によりＦｅをマトリクス中に強制的に固溶させて金属間化合物の生成を抑制することができるが、Ｆｅの含有量を０．１５質量％以下に規制することが望ましい。
【００２２】
本発明においては、更に、この耐食性及び耐熱性が優れたアルミニウム合金線を素線として、心線の周りに、所定本数撚り合わせることにより、耐食性及び耐熱性が優れた架空送電線を製造することができる。この架空送電線の製造は、従来の通常の製造装置及び方法により行うことができる。
【００２３】
なお、溶湯の鋳造から荒引線までの製造方式は、プロペルチ方式の他に、ＳＣＲ方式等を採用することができる。更に、プロペルチ方式及びＳＣＲ方式等の連続鋳造圧延法ではなく、ＤＣ鋳造法と圧延機との通常の組合せ等、種々の方法を採用することができる。
【００２４】
本発明においては、上述したようにアルミ合金素線の成分組成を規定すると共に、その製造過程における荒引線の段階における時効処理とこれに伴う析出物の形成、及び連続鋳造とこれに続く熱間加工方法を適切にすることにより、所定量のＡｌ_３Ｚｒを析出して、耐食性及び耐熱性が優れた導電用アルミニウム合金素線を製造することができる。
【００２５】
【実施例】
次に、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。下記表１に示すように、本発明の範囲内の成分組成を有する実施例１乃至４、及び本発明の範囲外にある成分組成を有する比較例１乃至８のＡｌ合金素線を製造した。即ち、種々の組成のアルミニウム合金溶湯を調製し、得られたアルミニウム合金溶湯をプロペルチにより連続鋳造して連続鋳造バーを調製し、これを再加熱することなく３方ロール多段タンデム熱間圧延機で熱間圧延して直径９．５ｍｍの荒引線を調製した。得られた荒引線を冷却することなく、３６０℃で２２時間加熱する時効熱処理を施してＡｌ_３Ｚｒを析出させた。得られた時効処理後の荒引線に対して連続伸線機で引抜き冷間加工を施し、直径４．５ｍｍの素線を調製した。得られた素線に、３８０℃で３時間加熱する焼鈍処理を施した。
【００２６】
このようにして製造した実施例及び比較例のアルミニウム合金線に対し、４００℃で４時間加熱する熱処理試験を実施し、引張強さ残存率を求めた。その結果を、下記表１に併せて示す。
【００２７】
また、耐食性を評価するために、前記熱処理試験前の素線から長さ５０ｍｍ（直径４．５ｍｍ）の試験材を採取して腐食試験を行った。腐食試験方法は、０．５規定の塩酸溶液中に試験材を５００時間浸漬し、その腐食による質量減から、腐食減量を求め、これにより耐食性を評価した。腐食減量が０．０５０ｇ／ｃｍ^２未満を耐食性良好とした。
【００２８】
耐熱性を評価するために焼鈍後の素線（即ち、熱処理試験前の素線）及び熱処理試験後の素線から夫々引張試験片を採取して引張試験を行い、熱処理試験後の引張強さ残存率（熱処理試験後の引張強さ／熱処理試験前の引張強さ）が９０％以上を耐熱性良好とした。
【００２９】
また、導電性を評価するために、熱処理試験前の素線から試験片を採取し、２０℃における導電率を測定した。導電性の合否判定は、各試験で得られた熱処理試験後の引張強さ残存率に基づく耐熱性の向上による電流許容量の増加分と、線径増大の許容値とを考慮して、導電率の合格値を定めて行った。
【００３０】
上記試験結果を下記表１に示す。なお、実施例１乃至４及び比較例１乃至８はいずれも、素線の成分組成中不可避不純物のうち、Ｃｕは０．０１質量％以下、Ｆｅは０．１５質量％以下であった。このＣｕ及びＦｅ含有量は、溶解材料として高純度アルミニウムを使用したことにより得られたものである。
【００３１】
【表１】

【００３２】
実施例１乃至４はいずれも、Ｍｎ及びＺｒが本発明の規定範囲内にあるため、耐食性及び耐熱性は共に良好な結果を示している。これは、実施例１乃至４のいずれにおいても、Ａｌ−Ｍｎ化合物及びＡｌ_３Ｚｒの夫々が十分に析出しているためであると考えられる。一方、導電率は、通常の架空送電線、例えばイ号アルミ合金線の水準である５２％ＩＡＣＳと比較して低い。これは良好な耐食性を得るために添加したＭｎによるものであり、避けることができないが、導電率の低下は導体の線径を大きくすること、及びＺｒの添加による耐熱性向上効果に伴なう電流許容量増大により十分に補うことができる。そして、本発明においてはＺｒ添加による耐熱性の向上効果を考慮すれば、導電率は４５％ＩＡＣＳ以上であれば本発明における目標値として十分な水準である。従って、実施例１乃至４は導電率についても良好である。
【００３３】
これに対して、比較例１はＺｒ含有量が本発明の規定値に達しているので耐熱性は良好である。しかしながら、Ｍｎ含有量が０．８質量％で本発明の下限値を外れているので、耐食性が劣っている。導電性については、Ｍｎ含有量が比較的低いので導電率の低下が抑制されて合格水準にある。
【００３４】
比較例２は、Ｚｒ含有量が本発明の規定値に達しているので、耐熱性が良好である。一方、Ｍｎが２．０質量％と多量に含まれているので、耐食性も優れている。但し、このＭｎ含有量は本発明の上限値を外れており、しかも固溶限濃度である１．８質量％以上に含まれているので、時効処理及び焼鈍処理によってもマトリクス中に固溶Ｍｎが多量に残留する。このため、導電率が低下し不合格となっている。
【００３５】
比較例３は、Ｚｒ含有量が０．５０質量％と本発明の規定値内において高い値であるので、耐熱性はかなり良好である。しかしながらＭｎ含有量が０．８質量％で本発明の下限値を外れているので、耐食性が劣っている。導電性については、Ｍｎ含有量が比較的低いので導電率の低下が抑制されて合格水準にある。
【００３６】
比較例４は、Ｚｒ含有量が０．５０質量％と本発明の規定値内において高い値であるので、耐熱性はかなり良好である。一方、Ｍｎが２．０質量％と多量に含まれているので、耐食性も優れている。但し、このＭｎ含有量は本発明の上限値を外れており、しかも固溶限濃度である１．８質量％以上に含まれているので、時効処理及び焼鈍処理によってもマトリクス中に固溶Ｍｎが多量に残留する。このため、導電率が低下し導電性は不合格となっている。
【００３７】
比較例５は、Ｍｎ含有量が本発明の規定値に達しているので、耐食性が良好である。しかしながらＺｒ含有量が０．０５質量％で本発明の下限値を外れているので、Ａｌ_３Ｚｒの析出量が少なく、引張強さ残存率が低く、耐熱性が劣っている。導電性については、Ｍｎ含有量がそれほど高くないので導電率の低下が抑制されて合格水準にある。
【００３８】
比較例６は、Ｍｎ含有量が本発明の規定値内において高い値であるので、耐食性はかなり良好である。しかしながらＺｒ含有量が０．０５質量％で本発明の下限値を外れているので、Ａｌ_３Ｚｒの析出量が少なく、引張強さ残存率が低く、耐熱性が劣っている。
【００３９】
比較例７は、Ｍｎ含有量が本発明の規定値に達しているので、耐食性が良好である。一方、Ｚｒ含有量が０．７０質量％で本発明の上限値を外れている。ここでは強度残存率が９０％未満で低い。しかしながら、熱処理試験後の引張強さは十分に高いので、耐熱性は良好である。しかしながら、比較例７は、素線における含有量が０．７０質量％となるように鋳造時に溶湯中Ｚｒ含有量を高く調整したので、溶湯の湯流れが悪化し、鋳造性が低下した。導電性については、Ｍｎ含有量がそれほど高くないので導電率の低下が抑制されて合格水準にある。
【００４０】
比較例８は、Ｍｎ含有量が本発明の規定値内において高い値であるので、耐食性はかなり良好である。一方、Ｚｒ含有量が比較例７と同じ０．７０質量％で本発明の上限値を外れている。そして、強度残存率が９０％未満で低い。しかしながら、熱処理試験後の引張強さは十分に高いので、耐熱性は良好である。しかしながら、比較例８においても、素線における含有量が０．７０質量％となるように鋳造時に溶湯中Ｚｒ含有量を高く調整したので、溶湯の湯流れが悪化し、鋳造性が低下した。しかし、導電率は４５％ＩＡＣＳ以上であるので、合格水準にある。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、耐食性及び耐熱性が共に優れたアルミニウム合金線を得ることができ、これを架空送電線に使用することにより、腐食性が強い環境下で使用された場合もその寿命を延長することができる。

Claims (4)

1. Ｍｎ：１．２乃至１．６質量％及びＺｒ：０．１乃至０．５質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有し、Ａｌ_３Ｚｒが析出していることを特徴とする耐食性耐熱性アルミニウム合金線。
2. 前記不可避的不純物のうち、Ｃｕは０．０１質量％以下、Ｆｅは０．１５質量％以下に規制されていることを特徴とする請求項１に記載の耐食性耐熱性アルミニウム合金線。
3. 更に、Ｂｅ：０．０１乃至０．０７質量％を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の耐食性耐熱性アルミニウム合金線。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の耐食性耐熱性アルミニウム合金線を素線として、鋼心線の周りに撚合わせたものであることを特徴とする架空送電線。