CN101667496A - 电触点及其制造方法以及电力开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电触点，其通过使用合适的耐火性金属作为耐电弧成分，控制与Cu母材的界面，能够兼顾用于降低熔敷疏离力的低强度和用于确保通电/断路性能的高密度，能够将开关等大幅小型化。本发明的电触点是如下得到的：将作为耐火性金属的C、Mo或W中的一种的粉末和高导电性金属Cu的粉末混合后，加压，形成相对密度65％以上的成形体，将该成形体加热到Cu的熔点以下的温度，从而，就耐火性金属的含量V(体积％)来说，当耐火性金属的原子量设为M时，在由式(1)和(2)求得的范围内，并且，就任意截面中的所述耐火性金属和高导电性金属的界面来说，其长度的70％以上物理性地分离。本发明还提供一种电触点的制造方法以及电力开关。V＝M×c/95.94 (1)；8≤c≤32 (2)。

Description

电触点及其制造方法以及电力开关

技术领域

本发明涉及在真空中和空气环境中使电流接通/断开的电触点。

背景技术

对于作为电力配电系统的保护机器的各种断路器、开关，要求小型化、低价格化、高性能化等，机器的简化成为必要。因此，对于用于接通/断开电流的电触点，希望在由于焦耳热而电触点彼此熔敷时的疏离(引離し)力小，由此可以将进行电触点的开关动作的操作构件部分小型化。另外，还希望电触点不仅在真空中，即使在大气等空气中也可以无障碍地接通/断开。从而，就不需要真空容器，结构可以简化，并且可以防止环境气氛异常导致的功能降低等不良情况。

另一方面，电触点由于需要具备良好的通电性能，因此，由金属材料构成的以往的电触点，使用熔融工艺而致密化，通过高熔点金属微粒的分散等而实现了疏离力的降低。

以往，用在电力开关机器中的电触点以组合有耐电弧成分Cr和良导体Cu的Cr-Cu为主成分，就该制造方法来说，例如，如专利文献1、2中公开的那种容易高密度化的熔融、含浸的工艺是主流。

专利文献1：日本特开平10-241512号公报

专利文献2：日本特开2000-173415号公报

发明内容

由于该电触点是致密且高强度的，因此将触点彼此对接时的接触电阻大，由于焦耳热而产生的熔融、熔敷时的疏离所需要的力大，操作构件部分变为大型。作为降低疏离力的手段，实现了使硬质且高熔点的金属微粒分散等的改善，但导致了通电性能降低、随之焦耳热增大等不良情况，没能成为根本的对策。

本发明的目的在于，提供一种使用合适的耐火性金属作为耐电弧成分，能够兼顾降低熔敷疏离力的低强度和确保接通/断开性能的高密度，能够使开关等小型化的电触点。

在一方面，本发明的电触点具有以下特征：包括耐火性金属、高导电性金属和不可避免的杂质，就所述耐火性金属的含量V(体积％)来说，当耐火性金属的原子量设为M时，在由式(1)和(2)求得的范围内，并且，所述耐火性金属和高导电性金属的界面长度的70％以上具有物理性地分离(乖離)的截面组织。

V＝M×c/95.94  ……(1)

8≤c≤32       ……(2)

在另一方面，本发明的电触点具有以下特征：耐火性金属是C、Mo、W的任一种，高导电性金属是Cu，耐火性金属的粒径在10～104μm的范围内。

在另一方面，本发明的电触点具有以下特征：所述耐火性金属和高导电性金属的界面长度的70％以上具有物理性地分离的截面组织，同时气孔率在0.2～5体积％范围内。

在一方面，本发明的电触点的制造方法具有以下特征：将耐火性金属的粉末和高导电性金属的粉末混合后，加压，制成相对密度65％以上的成形体，将该成形体加热到高导电性金属的熔点以下的温度，进行烧结

根据本发明的优选实施方式，可以提供一种电触点，其使用合适的耐火性金属作为耐电弧成分，能够兼顾降低熔敷疏离力的低强度和确保接通/断开性能的高密度，能够使开关等小型化。

本发明的其他目的和特征在以下叙述的实施方式中说明。

附图说明

图1是表示本发明实施例1的电触点材料的组织的一个例子的电子显微镜照片。

图2是表示根据本发明实施例2制作的电极的结构的截面图。

图3是根据本发明实施例3制作的真空阀的结构图。

图4是根据本发明实施例4制作的真空断路器的结构图。

符号说明

1...电触点、1a...固定侧电触点、1b...可动侧电触点、2...切缝沟、3，3a，3b...增强板、4，4a，4b...电极棒、5...钎材、6a...固定侧电极、6b...可动侧电极、7...护板、8...可动侧护板、9a...固定侧端板、9b...可动侧端板、10...波纹管、11...导向杆、12...可动侧托架、13...绝缘筒、14...真空阀、15...环氧树脂筒、16...绝缘操作杆、17...上部端子、18...集电器、19...下部端子、20...接触弹簧、21...支撑杆、22...支架、23...推杆、24...撞击杆、25...滚筒、26...主杆、27...跳闸线圈、28...跳闸杆、29...复位弹簧、30...合闸线圈、31...排气筒、44...中央孔。

具体实施方式

本发明人等发现，为了兼顾电触点材料的高密度化和低强度化，使耐火性金属粒子和Cu母材的界面发生物理性分离是很有效的，并发现了能够得到这样的组织的耐火性金属及其含量。这里，所谓电触点所使用的耐火性金属成分，是指通常熔点为约1800℃的物质。

基于上述认识，包括耐火性金属、高导电性金属和不可避免的杂质，使耐火性金属的含量V(体积％)在耐火性金属的原子量设为M时是由下述式(1)和(2)求出的范围。通过包含该范围的量的耐火性金属，可以兼顾良好的接通/断开性能和耐熔敷性。如果耐火性金属的含量比该范围少，则由耐火性金属粒子和高导电性金属母材的界面分离带来的低强度化效果不充分，如果比该范围多，则由于致密化不充分或电阻增大等而降低耐熔敷性、通电性能。

V＝M×c/95.94    ……(1)

8≤c≤32         ……(2)

通过使本发明实施方式中的电触点所使用的耐火性金属是C、Mo或W的任一种，使高导电性金属是Cu，可以充分获得上述效果。这是因为：耐火性金属中，特别是C、Mo或W均不与Cu反应也不固溶，比较容易发生界面分离。另外，所用的耐火性金属的粒径优选在10～104μm的范围内。在耐火性金属和高导电性金属母材的界面，产生由两者的热膨胀差而引起的残留应力。但是，如果耐火性金属的粒径比该范围小，则残留应力小，两者的分离不充分；如果比该范围大，则耐火性金属的分散变得不均匀，触点的电性能变得不稳定。

本发明实施方式中的电触点的截面组织这样的组织，即，任意截面的耐火性金属和高导电性金属的界面长度的70％以上发生物理性分离，随之，触点材料的气孔率在0.2～5体积％范围内。通过具有这样的组织，可以兼顾上述高密度和低强度。

就本发明的电触点的优选实施方式来说，将耐火性金属的粉末和高导电性金属的粉末混合后，加压，形成相对密度65％以上的成形体，将该成形体加热到Cu的熔点以下的温度，进行烧结。通过该方法，可以得到均匀混合有耐火性金属和高导电性金属的组织，并且，可以得到在两者的界面形成空隙的分离状态，能够大幅降低熔敷后的疏离力。就该界面的空隙来说，认为是烧结过程中的冷却时由耐火性金属和高导电性金属的热膨胀差产生的收缩差引起的。即，由于高导电性金属的热膨胀率比上述耐火性金属大，因此在冷却时高导电性金属大幅收缩，在界面附近的高导电性金属母材产生拉伸应力。为了在该状态下观察截面而进行切断的话，应力被释放，在界面发生分离，形成空隙。外加拉伸应力时也是同样地，通过断裂，高导电性金属母材的应力被释放，裂缝在分离的界面进一步发展，成为空隙。如此，在烧结过程中使界面附近的高导电性金属母材产生拉伸残留应力是有效的，因此，烧结过程中的冷却速度优选为6～35℃/分钟。该方法中，通过使用具有电触点的最终形状的模具，能够得到接近最终形状的成形体，不再需要烧结后的机械加工，可以低成本进行制造。

本发明实施例的电力开关为，将上述电触点相对地对接作为一对来使用、具有接通和断开电流的功能的物体。从而，能够得到具有优异的断路性能和通电性能、电触点彼此熔敷时的疏离力小、可以操作构件部分小型化的小型且廉价的电力开关机器。

实施例1

制作表1所示的组成的电触点材料，进行简易的性能评价试验。电触点材料的制造方法如下。首先，使用V型混合器，按照形成表1组成的配比，将表1所示的粒径的C粉末、Mo粉末或W粉末和60μm以下的Cu粉末混合。接着，将该混合粉末填充到圆盘形的模具中，用油压机以294MPa的压力进行加压成型。成形体的密度约为72％。将其在约10^-2Pa的真空中进行1060×2小时的加热后，以约13℃/分钟冷却，制成电触点材料。为了作为性能评价上的基准，以相同的方法制作仅使用了Cu粉末的触点材料。得到的触点材料的气孔率是通过水中阿基米德法来测定的。

通过机械加工，由得到的触点材料采取直径20×厚度20mm的电触点，进行空气中(大气中)的性能评价试验。试验中，使用具有可以进行接触/分离操作的对抗的一对通电杆的简易装置，将采取的电触点钎焊到通电杆前端以供评价。通过该评价试验，以合闸电压×合闸电流50(kV·kA)通电后，测定疏离触点彼此所需要的力(疏离力)，进而，验证能否断开1250A的电流。另外，使用涡流式导电率测定器求出了导电率(通电性)。这些评价结果一并示于表1。

表1

表1中，导电率和疏离力是以仅由Cu构成的电触点(10号)为基准的相对值来表示的。

本发明实验例的1号～9号电触点的导电率均为0.65以上，可以维持良好的通电性能，并且，疏离力为0.75以下，发现有充分的降低效果。进而，均能切断1250A的电流。气孔率在0.2～5.0体积％的范围。

与此相对，来看比较例的材料，就C的含量比本发明的范围少的11号来看，疏离力的降低效果不充分；就C的含量比本发明的范围多的12号来看，电流切断性能差。就Mo的含量比本发明的范围少的13号来看，疏离力的降低效果不充分；就Mo的含量比本发明的范围多的14号来看，导电率(通电性)不足。就W的含量比本发明的范围少的15号来看，疏离力的降低效果不充分；就W的含量比本发明的范围少的16号来看，导电率显著降低，断路性能也差。另外，就Mo的粒径比本发明的范围小的17号来看，导电率不足；就Mo的粒径比本发明的范围大的18号来看，疏离力的降低效果不充分。11号中，因为气孔率小于本发明的范围，所以C和Cu的分离不充分，因此疏离力增大；16号中，由于气孔率比本发明的范围大，导电率显著降低，因此断路性能变得不充分。

通过扫描电子显微镜对本发明实验例中的1号～9号的电触点的截面组织进行观察。

图1是作为本发明的一个实施例得到的电触点的一个例子，是表1的5号的电触点截面的电子显微镜照片。如此，就本发明实施例得到的电触点来说，在耐火性金属粒子和Cu母材的界面存在宽度小为1μm的空隙，两者物理性地分离。另外，关于空隙相对于界面的比例，由电子显微镜测定的结果，任一电触点均在70～90％的范围。本实施例的电触点通过该空隙而降低了疏离力。

如此，关于本实施例的电触点，确认其作为空气中的触点具有优异的性能，在约10^-1Pa的真空室内的评价试验中也获得了同样的倾向。

实施例2

使用实施例1中得到的电触点材料，制成电力开关机器的电极。

图2是表示根据本发明实施例2制作的电极的结构的截面图。图2中，1是电触点，2是用于对电弧供给驱动力的切缝沟，3是不锈钢制增强板，4是电极棒，5是钎材。电极的制作方法如下。预先通过机械加工用无氧铜制作电极棒4，并且用SUS304制作增强板3，在上述电触点1、增强板3、电极棒4各自之间放置钎材5。将其在8.2×10^-4Pa以下的真空中进行970℃×10分钟的加热后，制成图2所示的电极。如果电触点1的强度足够，则也可以省去增强板3。该电极，通过钎焊等冶金学方法而接合到开关机器的空气中短路部分成为一体，从而可以用作为空气中触点。这里，44是中央孔。

制作这样的复杂形状的电触点1时，也可以通过将混合粉末填充到可以制作最终形状的模具中进行烧结的方法，从而得到电触点1，该方法不需要机械加工等后加工，因此能够容易地进行制作。

实施例3

使用实施例2中制作的电极，制作在真空容器中相对地设置有一对电极的真空阀。

图3是表示根据本发明实施例3制作的真空阀的结构的图。图3中，1a和1b各自是固定侧电触点和可动侧电触点。3a、3b是增强板，4a和4b各自是固定侧电极棒和可动侧电极棒，通过它们而分别构成固定侧电极6a和可动侧电极6b。可动侧电极6b隔着防止断路时的金属蒸气等的飞散的可动侧护板8而被钎焊接合在可动侧托架12上。它们通过固定侧端板9a、可动侧端板9b和绝缘筒13而被钎焊密封于高真空中，通过固定侧电极6a和可动侧托架12的螺栓与外部导体连接。在绝缘筒13的内面设置防止断路时的金属蒸气等飞散的护板7，并且，在可动侧端板9b和可动侧托架12之间设置用于支撑滑动部分的导向杆11。在可动护板8和可动端板9b之间设置波纹管10，在保持真空阀内真空的状态下使可动侧托架12上下移动，则可以使固定侧电极6a和可动侧电极6b开关。

如此，将实施例1中制作的电触点用于图3所示的电触点1a和1b来制作真空阀。

实施例4

制作搭载有实施例3中制作的真空阀的真空断路器。

图4是根据本发明实施例4制作的真空断路器的结构图。

真空断路器是如下结构：在前面配置有操作构件部分，在背面配置有支持真空阀14的3相一体型的3组环氧树脂筒15。真空阀14通过绝缘操作杆16，通过操作构件来开关。

断路器是闭路状态时，电流流过上部端子17、电触点1、集电器18、下部端子19。电极间的接触力通过安装于绝缘操作杆16的接触弹簧20而被保持。电极间的接触力和短路电流导致的电磁力被支撑杆21和支架(プロツプ)22保持。如果将合闸线圈30励磁，由断路状态，推杆23介由撞击杆24将滚筒25向上顶，旋转主杆26而将电极之间闭合后，由支撑杆21保持。

断路器为跳闸的自由状态中，跳闸线圈27被励磁，跳闸杆28放开支架22的结合，主杆26旋转，电极间被断开。

断路器是断路状态中，电极间被断开后，通过复位弹簧29恢复连接，同时，支架22结合。该状态下，如果将合闸线圈30励磁，则成为闭路状态。这里，31是排气筒。

Claims (7)

1.一种电触点，其特征在于，包括耐火性金属、高导电性金属和不可避免的杂质，当所述耐火性金属的原子量设为M时，所述耐火性金属的含量V(体积％)在由式(1)和(2)求得的范围内，

V＝M×c/95.94……(1)

8≤c≤32……(2)

并且，任意截面上的所述耐火性金属和高导电性金属的界面的长度的70％以上物理性地分离。

2.根据权利要求1记载的电触点，其中，所述耐火性金属是C、Mo、W的任一种，所述高导电性金属是Cu。

3.根据权利要求1记载的电触点，其中，所述耐火性金属的粒径在10～104μm的范围内。

4.根据权利要求1记载的电触点，其中，气孔率在0.2～5体积％的范围内。

5.具备一对权利要求1记载的电触点和接触分离该一对电触点的构件的电气开关。

6.电触点的制造方法，其特征在于，将耐火性金属的粉末和高导电性金属的粉末混合，混合后加压，制成相对密度65％以上的成形体，将该成形体加热到高导电性金属的熔点以下的温度，进行烧结。

7.根据权利要求6记载的电触点的制造方法，其中，所述耐火性金属的粉末是粒径10～22μm的C、粒径45～75μm的Mo或粒径45～104μm的W的粉末。

Images