CN105324828A - 真空阀用电接点及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

在包含Cu的凝聚相分散在包含Mo、Cr、Cu的母相中的电接点中，上述凝聚相的最大粒径在4～20μm的范围内，用C×Wt表示将上述电接点整体的Cu量设为Wt时的上述母相中的Cu量，C在0.54～0.81的范围内。另外，在包含Mo、Cr、Cu的电接点的制造方法中，包括如下工序：对Mo粉末和Cr粉末的混合粉进行加压成形，形成压粉体的工序；以及将熔融后的Cu浸渍到上述压粉体中的工序。

Description

真空阀用电接点及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种真空阀用电接点及其制造方法。
背景技术
在真空断路器、真空开关齿轮等电力开闭器的电接点中，以前广泛使用Cu-Cr系的接点材料。这是形成使作为耐电弧成分的Cr粒子分散在通电性能优良的Cu母相中的组织，通过Cr的适度的电子释放性、高熔点/耐电弧性而赋予耐电压性能。由此，如果增加Cr量则高耐电压性能提高，但相对地Cu量减少，通电/切断性能下降。因此，在Cu-Cr系电接点中，通电/切断性能和耐电压性能具有相反关系，难以兼顾。
作为对应该问题的电接点，例如在专利文献1中示出了Mo-Cr-Cu系的材料。该接点材料形成耐电弧成分的Cu均匀地分散在Mo-Cr细微合金的母相中的组织，能够提高耐电弧性并且抑制接触电阻的增加。
现有专利文献
专利文献1：日本特开2012-7203号公报
发明内容
发明要解决的课题
在上述专利文献1所示的Mo-Cr-Cu系接点中，作为良导体的Cu以大量凝集在20～150μm的形式散布。因此，母相中的通电路径不足，作为接点材料整体的导电率变低，由此存在通电性能或切断性能不足的问题。
本发明的目的在于提高通电/切断性能和耐电压性能。
解决课题的手段
通过权利要求所记载的发明达到上述目的。
发明效果
根据本发明，能够提高通电/切断性能和耐电压性能。
附图说明
图1是表示实施例1的电极的构造的截面图。
图2是表示实施例1的电接点的截面组织的示意图。
图3是表示实施例2的真空阀的构造的图。
图4是表示实施例3的真空断路器的构造的图。
具体实施方式
本发明人们研究了在制造由Mo-Cr-Cu母相和Cu的凝聚相构成的电接点时，通过使在Mo-Cr-Cu母相中分散的Cu的凝聚相变得细微，并且使包含在母相中的Cu量变多，来提高电接点整体的导电率，改善通电性能或切断性能。
首先，认为Cu凝聚相的粒径、Mo-Cr-Cu母相中的Cu含有量依存于Mo-Cr压粉体中的Cu的熔融浸渍路径即气孔率，测定了加热Mo-Cr压粉体后的气孔率。以压力294MPa对组成为77重量％Mo-23重量％的混合粉进行加压成形来制作压粉体。测定在真空中以400～1100℃的温度保持该压粉体一个小时后的气孔率时，在加热400℃后气孔率为42％，与此相对，在加热1100℃后为35％，加热温度越高气孔率变得越小。这是因为加热温度越高Mo-Cr间的分散越显著，熔融后的Cu进入的路径(气孔)变窄。在观察加热后的压粉体的截面组织时，可知伴随着分散的气孔(柯肯达尔孔洞，Kirkendallvoid)以数10μm的大小散布。
这样，如果在烧结压粉体后浸渍Cu，则不只是Cu难以浸渍到母相中(Cu难以取入到母相中)，而且没有浸渍到母相中的Cu进入到大的气孔中而形成大的凝聚相。
基于该见解，在本实施方式中，在确保Mo-Cr压粉体中的Cu的浸渍路径的基础上熔融浸渍Cu，由此形成包含Cu的Mo-Cr-Cu母相，并且将分散在母相中的Cu凝聚相的粒径控制得比以往小。
能够通过以下的方法得到本实施方式的电接点。首先，混合Cr和Mo各自的粉末，对该混合粉进行加压成形来制作压粉体。将Cu熔融浸渍到该压粉体中。如果熔融浸渍时的气氛为Ar等惰性气体气氛或从大气减压后的环境(高真空)，则优选Cu难以被氧化。用浸渍Cu时的热烧结压粉体。Cu的浸渍和烧结同时进行，由此抑制Mo-Cr之间的扩散来确保Cu的浸渍路径，在Mo-Cr-Cu母相中含有比以往多的Cu。另外，能够将伴随着Mo-Cr扩散的气孔的大小抑制得小，能够将Cu浸入该气孔而形成的Cu凝聚相的大小抑制到4～20μm。
本实施方式的电接点构成粒径为4～20μm的Cu的凝聚相分散在包含Mo-Cr-Cu的母相中的组织，在将电接点整体的Cu量设为Wt时，用C×Wt表示母相中的Cu量(Wm)，C为0.54～0.81。母相由Mo-Cr-Cu三元系构成，在母相中也包含很多作为电良导体的Cu，由此显著提高了电接点的导电率。此外，在母相中还微量地包含Mo-Cr-Cu三成分以外的不可避免的元素。另外，还将散布的Cu凝聚相的粒径抑制得比较小，因此能够使Cu凝聚相更均匀地分散到电接点中，起到提高导电率的作用。母相中的Cu量与电接点整体的Cu量成正比，因此能够容易地进行用于得到所希望的电特性的材料组成设计，并且在母相中三维地连结Cu，形成包含Cu凝聚相的导电路径。如上所述地导电性提高，由此通电性能和切断性能提高。
电接点整体的组分是Mo为40～60质量％、Cr为10～20重量％、剩余部分为Cu和不可避免的杂质。通过由包含很多Mo和Cr的该组成构成，能够发现充分的高耐电压性。另外，形成Cu细微地浸入到适度地扩散Mo-Cr而形成的骨骼中的Mo-Cr-Cu母相，还能够使Cu凝聚相的大小变小，由此即使不过剩地追加Cu，也能够如上述那样导电性优良，提高通电性能和切断性能。
对于Mo-Cr-Cu母相，结晶粒径不到4μm且包含上述的量(Wm)的Cu，由此三维地连结母相中的Cu，发现高导电性。另外，将占电接点整体的Cu凝聚相的Cu量设为20重量％以下，由此能够将Mo和Cr的量增加到合计80重量％，因此能够得到高耐电压性。
本实施方式的电接点是圆板形状，一个面的外周部与杯形状的通电构件接合。通过该形状，使相对的2个电接点分离来切断电流时，在接点之间产生纵磁场，能够通过磁场封闭并消除在接点之间产生的电弧。由此，能够得到具有优良的电流切断性能的电极。
另外，圆板形状的电接点是具有如下部件的的形状，即：形成在圆中心的中心孔和相对于中心孔以非接触方式从圆中心向外周部形成的多条贯通的缝隙槽。通过具有该风车状的形状，能够通过电磁力使在电接点之间产生的电弧向接点的外周侧驱动，迅速地切断电流，发挥优良的电流切断性能。
本实施方式的真空阀在真空容器内具备一对固定侧电极和可动侧电极，固定侧电极和可动侧电极的至少一个由本实施方式的电极构成。另外，真空断路器、真空开关齿轮等电力开闭器具备：开闭单元，其通过导体串联连接多个本实施方式的真空阀，驱动可动侧电极。由此，能够实现兼顾高耐电压和大电流切断的比较大容量的真空开闭设备。
以下，详细说明实施例，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
制作表1所示的组成的电接点，使用这些制作电极100。此外，为了方便，除去杂质地记载表1的接点组成。图1表示所制作的电极100的构造的截面图。在图1中，1是电接点，2是用于向电弧施加驱动力的缝隙槽，3是不锈钢制的增强板，4是电极棒，5是钎焊材料，44是用于防止在电接点1的中央产生电弧而停滞的中央孔。
表1所示的实施例的电接点1的制作方法如以下所示。首先，混合预定量的Mo粉末(平均粒径3μm)和Cr粉末(粒径60μm以下)，将该混合粉投入到直径70mm的金属模具中，以157～294MPa的压力进行加压成形，得到压粉体。这时，调整Mo粉末和Cr粉末的混合比以及成形压力，使得熔融浸渍Cu后的组成大致成为表1所示的值。此外，如果比157MPa更小，则在浸渍Cu时成形体崩溃，组织或组成变得不均匀，因此优选的是成形压力在157MPa以上。接着，在压粉体上放置预定量的无氧铜的铸锭(ingot)，在10-2Pa多的真空中加热1160℃×2小时后熔融浸渍Cu，制作出电接点1的素材。
用光学显微镜观察所得到的电接点1的素材的任意的截面，使用图像处理装置求出Mo-Cr-Cu母相和Cu凝聚相的面积比。Cu凝聚相的最大粒径表示在图像中的各粒子的最大直径中最大的值。将基于它们换算为各自的重量比的结果都表示在表1中。另外，作为组织形式的一个例子，在图2(a)中用示意图表示实施例No.3的截面组织，在图2(b)中用示意图表示比较例子No.8的截面组织。表1所记载的导电率是在任意的截面中使用涡电流式导电率仪进行测定而得的结果，用将烧结的纯铜的导电率作为100％的相对值(IACS)表示。
在实施例No.1～No.7的组成范围中，Mo为40～60重量％，Cr为10～20重量％，Cu为剩余部分。另外，将电接点整体的Cu的总量设为Wt，用C×Wt表示Mo-Cr-Cu母相中的Cu含有量(Wm)时，C在0.54～0.81的范围内。并且，Cu的凝聚相的粒径是4～20μm，占整体的量是在20重量％以下。
与此相对，比较例子No.8是在Cu浸渍前将压粉体以1100℃加热的例子。压粉体中的Mo-Cr扩散进展而Cu的浸渍路径变窄，因此Mo-Cr-Cu母相中的Cu量变少，公式Wm＝C×Wt中的C的值变小。另一方面，整体组成在实施例的范围内，因此没有浸入到母相的Cu成为剩余，如图2(b)所示形成Cu的凝聚相，其大小(粒径)、量都成为实施例的范围外的值。
比较例子No.9和No.10是整体组成在实施例的范围外的例子。在No.9中，Cr量少，在压粉体的加热时几乎全部的Cr熔固到Mo，Cu的浸渍路径变窄，公式Wm＝C×Wt中的C的值变小，另一方面，Cu的绝对量多，因此成为大的Cu凝聚相不均匀地散布的组织。在No.10中，整体的Cu量少，因此不产生Cu的凝聚相，成为只由Mo-Cr-Cu母相构成的组织。
对所得到的素材进行机械加工，制作图1所示的直径65mm的电接点1。电极100的制作方法如以下所示。预先通过机械加工，用无氧铜制作电极棒4，另外用SUS304制作增强板3，在上述得到的电接点1、增强板3、电极棒4各自之间放置钎焊材料5，在8.2×10-4Pa以下的真空中对其加热970℃×10分钟，制作图1所示的电极100。此外，如果电接点1的强度充分，则也可以省略增强板3。
实施例2
使用在实施例1中制作的电极100，制作真空阀200。图3是表示本实施例的真空阀的构造的图，该真空阀200的额定规格是电压24kV、电流1250A、切断电流25kA。在图3中，1a是固定侧电接点，1b是可动侧电接点，3a、3b是增强板，4a是固定侧电极棒，4b是可动侧电极棒。使用这些部件，构成固定侧电极6a(100)、可动侧电极6b(100)。此外，在本实施例中，设置成固定侧和可动侧的电接点的槽在接触面一致。
可动侧电极6b经由用于防止切断时的金属蒸汽等的飞散的可动侧屏蔽件8与可动侧支架12钎焊接合。它们通过固定侧端板9a、可动侧端板9b以及绝缘筒13被钎焊密封而保持高真空。通过固定侧电极6a和可动侧支架12的螺纹部与外部导体连接。在绝缘筒13的内面，设置用于防止切断时的金属蒸汽等的飞散的屏蔽件7，另外在可动侧端板9b和可动侧支架12之间设置用于支持滑动部分的导向件11。在可动侧屏蔽件8和可动侧端板9b之间设置波纹管(bellows)10，使真空阀内保持真空的状态下使可动侧支架12上下动作，能够开闭固定侧电极6a和可动侧电极6b。
实施例3
制作具备在实施例2中制作的真空阀200的真空断路器300。图4是表示本实施例的真空阀14(200)及其操作机构的真空断路器300的结构图。
真空断路器300是这样的构造：在前面配置操作机构部，在背面配置用于支持真空阀14(200)的三相统一型的3组环氧筒15。真空阀14(200)经由绝缘操作杆16通过操作机构被开闭。
当真空断路器300为闭路状态的情况下，电流流过上部端子17、电接点1、集电器18、下部端子19。通过安装在绝缘操纵杆16上的接触弹簧20保持电极间的接触力。通过支持杆21和支柱(prop)22保持电极间的接触力和基于短路电流的电磁力。如果对投入线圈30进行励磁，则柱塞23经由撞击杆(knockingrod)24从闭路状态压起滚子25，在使主杆26旋转而关闭电极间后，用支持杆21保持。
在真空断路器300为解扣的自由状态下，解扣线圈27被励磁，解扣杆28脱离支柱22的咬合，主杆26旋转而打开电极间。
在真空断路器300为开路状态下，在打开电极间后，连接通过复位弹簧29复位，同时支柱22咬合。如果在该状态下对投入线圈30进行励磁，则成为闭路状态。此外，31是排气筒。
实施例4
将在实施例1中制作的电接点1使用于在实施例2所示的真空阀200中，搭载于在实施例3所示的真空断路器300中进行性能试验。在表1中同时表示最大切断电流值和切断电流后的耐电压性能维持的良好与否。该真空阀200的额定规格是电压24kV、电流1250A、切断电流25kA，实用上需要的最大切断电流值是35kA，耐电压性能在商用频率下是50kV，因此将最大切断电流值＞35kA的部分设为○，将在切断后也能够维持电压50kV的部分设为○。
如上述那样，实施例No.1～No.7的组成、Mo-Cr-Cu母相中的Cu量、Cu凝聚相的粒径等都处于适当的范围，能够良好地维持良好的导电率、35kA以上的切断电流值以及耐电压状态。
对于No.8，接点整体的导电率充分，能够维持切断后的耐电压性能。但是，形成较大粒径的Cu凝聚相散布的不均匀的组织，因此不均匀地产生因电弧加热造成的Cu的挥发位置，电流切断动作不稳定，最大切断电流值是35kA以下，切断性能不足。
对于No.9，所包含的Cu的绝对量多，具有高导电性，因此最大切断电流值表示比较高的值，但Mo-Cr量少，因此耐电压性能不足。
对于No.10，Cu的绝对量少，因此导电率显著低，切断性能不足，并且切断电流后的接点表面粗糙度大，诱发接点间的放电，因此无法维持耐电压性能。
这样，确认了实施例的电接点兼顾了高耐电压和大电流切断，能够应用于比较大容量的电力开闭器。
[表1]
符号说明
1：电接点；1a：固定侧电接点；1b：可动侧电接点；2：缝隙槽；3、3a、3b：增强板；4、4a、4b：电极棒；5：钎焊材料；6a：固定侧电极；6b：可动侧电极；7：屏蔽件；8：可动侧屏蔽件；9a：固定侧端板；9a：可动侧端板；10：波纹管；11：导向件；12：可动侧支架；13：绝缘筒；14：真空阀；15：环氧筒；16：绝缘操纵杆；17：上部端子；18：集电器；19：下部端子；20：接触弹簧；21：支持杆；22：支柱；23：柱塞；24：撞击杆；25：滚子；26：主杆；27：解扣线圈；28：解扣杆；29：复位弹簧；30：投入线圈；31：排气筒；44：中央孔；100：电极；200：真空阀；300：真空切断器。

Claims (9)

1.一种电接点，包含Cu的凝聚相分散在包含Mo、Cr、Cu的母相中，该电接点的特征在于，
上述凝聚相的最大粒径在4～20μm的范围内，
用C×Wt表示将上述电接点整体的Cu量设为Wt时的上述母相中的Cu量，C在0.54～0.81的范围内。
2.根据权利要求1所述的电接点，其特征在于，
上述电接点整体的组成为40～60重量％的Mo、10～20重量％的Cr、剩余部分为Cu和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的电接点，其特征在于，
上述母相的结晶粒径不到4μm。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的电接点，其特征在于，
上述凝聚相中的Cu量为上述电接点整体的20重量％以下。
5.一种电极，其特征在于，具备：
圆盘形状的权利要求1～4中的任一项所述的电接点；以及
设置在上述电接点的一个面上的电极棒。
6.一种真空阀，在真空容器内具备一对固定侧电极和可动侧电极，该真空阀的特征在于，
上述固定侧电极和可动侧电极的至少一方是权利要求5所述的电极。
7.一种电力开闭器，其特征在于，具备：
开闭单元，其通过导体串联连接多个权利要求6所述的真空阀，驱动上述可动侧电极。
8.一种电接点的制造方法，该电接点包含Mo、Cr、Cu，该电接点的制造方法的特征在于，包括如下工序：
对Mo粉末和Cr粉末的混合粉进行加压成形，形成压粉体的工序；以及
将熔融后的Cu浸渍到上述压粉体中的工序。
9.根据权利要求8所述的电接点的制造方法，其特征在于，
在惰性气体气氛下或减压下进行将上述熔融后的Cu浸渍到上述压粉体中的工序。
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