CN110291606A

CN110291606A - 接点材料、其制造方法及真空阀

Info

Publication number: CN110291606A
Application number: CN201780086386.4A
Authority: CN
Inventors: 千叶原宏幸
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-02-22
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2019-09-27
Anticipated expiration: 2037-10-24
Also published as: JPWO2018154848A1; JP6381860B1; US11462367B2; US20190378664A1; WO2018154848A1; CN110291606B

Abstract

本发明为接点材料的制造方法，其具有：通过非电解镀Ni法在具有2μm以上且10μm以下的平均粒径的WC粉末的表面形成具有40nm以上且110nm以下的膜厚的Ni合金被膜的工序；在500℃以上且860℃以下的温度进行用于脱气的热处理的工序；将热处理后的Ni合金被覆WC粉末破碎的工序；将被破碎的Ni合金被覆WC粉末与具有1μm以上且100μm以下的平均粒径的Cu粉末混合的工序；和将得到的混合物压缩、在超过1083℃且不到1455℃的温度烧结的工序。

Description

接点材料、其制造方法及真空阀

技术领域

本发明涉及接点材料、其制造方法及真空阀。

背景技术

就真空遮断器而言，在高电压的配电设备等中，用于在故障、异常时遮断电流。随着真空遮断器的大容量化、高耐压化及小型化，要求搭载于真空遮断器的真空阀的性能提高。就真空阀而言，在保持为高真空的绝缘容器内部，具有将固定电极和可动电极同轴对置配置的结构。在配电设备中产生过负荷电流或短路电流时，通过将这些电极瞬时地断开，能够遮断电流。

对于这样的真空阀的固定电极与可动电极的接触部中所使用的接点材料，主要要求遮断性能、耐电压性能及耐熔敷性能。另外，就接点材料所要求的这些性能而言，由于是彼此相反的性质，因此使用由单一的元素所形成的材料来制造接点材料是困难的。因此，就以往的接点材料而言，使用将二种以上的元素组合而成的材料来制造。例如，一般使用将Cu用于高导电材料、抑制接点由于断开时的电弧熔解的效果高的、将W、Cr用于耐弧性材料的接点材料。

将交流电流遮断时，在电流值为零的位置遮断是理想的，但实际上发生在其跟前的时刻瞬间地将电流遮断的裁断的现象。由于与配电设备连接的容量性或感应性的负荷，在裁断时产生被称为开闭浪涌的大的逆起电压，有时损伤设备。因此，通过形成将功函数比Ag或Cu小、容易放出电子的WC(碳化钨)与高导电材料的Ag或Cu组合而成的接点材料，进行使截断电流变小，实现低浪涌性。

例如，在专利文献1中，公开有通过使Cu-WC合金的冶金的各条件最优化从而改善真空遮断器用接点材料的遮断特性及在起弧特性的技术。在专利文献1中，记载有：如果进一步含有1％以下的包含Co、Ni、Fe中的至少一种的辅助成分，则能够宽范围地调节烧结体的密度，制成健全的烧结体，获得更为稳定的在起弧特性及遮断特性。另外，在专利文献2中，公开有真空阀用接点材料，该真空阀用接点材料具有：含有Ag或Cu中的至少一种的19～50重量％的高导电性成分、49～80重量％的耐弧性成分、含有Fe、Ni、Co中的至少一种的1重量％以下的辅助耐弧性成分，其中使高导电性成分的Ag或Cu溶浸于使用用辅助耐弧性成分将耐弧性成分的周围被覆而成的产物所形成的骨架。在专利文献2中，记载有通过由这样的真空阀用接点材料制作接点，能够制成将截断电流值维持得低并且波动也少的真空阀。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-71436号公报

专利文献2：日本特开平5-314869号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，就专利文献1及2的接点材料而言，由于强度不充分，因此存在着如下问题：由于接点开闭时的机械冲击或通电电弧产生的热冲击，产生裂纹，截断电流增大。

本发明为了解决上述的问题而完成，目的在于得到强度高且能够将截断电流维持得小的接点材料。

用于解决课题的手段

本发明为接点材料，是在以Cu作为主体的母材中分散有用Ni合金被覆的WC粒子的接点材料，其特征在于，相对于接点材料，Ni合金的含量为1.2质量％以上且3.7质量％以下的范围、且相对密度为理论密度的90％以上。

发明的效果

根据本发明，能够提供强度高且能够将截断电流维持得小的接点材料。

附图说明

图1为表示应用实施方式1涉及的接点材料的真空阀的一例的截面示意图。

图2为表示实施方式1涉及的接点材料的内部组织结构的截面示意图。

图3为实施方式1涉及的接点材料的制造工序的流程图。

图4为Ni-P合金系的状态图。

图5为实施例1中的非电解镀Ni处理后的WC粉末的SEM照片。

图6为实施例1中的非电解镀Ni处理后的WC粉末的截面的SEM照片。

图7为实施例1中的非电解镀Ni处理后的WC粉末的截面的元素绘图。

图8为拉伸强度试验中使用的试验片的(a)正视图和(b)侧视图。

图9为表示实施例1～3和比较例1～3的试验结果(断裂强度、极限遮断电流和遮断后的截断电流)与Ni含量的关系的坐标图。

具体实施方式

实施方式1.

图1为表示应用本发明的实施方式1的接点材料的真空阀的一例的截面示意图。真空阀1具备遮断室2。该遮断室2由形成为圆筒状的绝缘容器3和在其两端用密封配件4a、4b所固定的金属盖5a、5b构成，成为真空气密。在遮断室2内，对置地安装有固定电极棒6和可动电极棒7。在固定电极棒6及可动电极棒7的端部，分别通过钎焊而安装固定电极8及可动电极9，在各自的接触部，通过钎焊而安装有固定接点10及可动接点11。在可动电极棒7，安装波纹管(ベローズ)12，一边将遮断室2的内部保持为真空气密一边使可动电极9的轴向的移动成为可能。在波纹管12的上部，设置金属制的波纹管用电弧遮屏13，防止电弧蒸汽附着于波纹管12。另外，以覆盖固定电极8及可动电极9的方式，在遮断室2内设置金属制的绝缘容器用电弧遮屏14，防止将绝缘容器3的内壁暴露于电弧蒸汽。

在固定电极8及可动电极9分别安装的固定接点10和可动接点11中，使用根据本实施方式的接点材料。就根据本实施方式的接点材料而言，具有在以Cu为主体的母材中分散有用Ni合金被覆的WC粒子的组织结构。图2为表示根据本实施方式的接点材料的内部组织结构的截面示意图。如图2中所示，在以Cu为主体的母材15中分散有将WC粒子16的周围用Ni合金17被覆的WC粒子18。由于WC与Ni合金的润湿性及Ni合金与Cu的润湿性良好，因此用Ni合金17被覆的WC粒子18与母材15的密合性高。在根据本实施方式的接点材料中，以1.2质量％以上且3.7质量％以下的范围含有Ni合金，因此WC粒子16的表面没有露出而被Ni合金17均匀地被覆。因此，根据本实施方式的接点材料的强度非常高，由于接点开闭时的机械冲击或通电电弧所产生的热冲击而产生mm级的裂纹的情形少。进而，根据本实施方式的接点材料的相对密度设为理论密度的90％以上，优选地，设为理论密度的93％以上。如果相对密度为理论密度的90％以上，则内部的残留气体足够少，因此即使在将接点材料应用于真空阀的情况下也不会在遮断性能上产生波动。应予说明，相对密度通过下式来求出。

相对密度(％)＝(接点材料的测定密度/由组成分析值所求出的接点材料的理论密度)×100

另外，在根据本实施方式的接点材料中，也可含有原料中所含的微量的不可避免的杂质(Ag、Al、Fe、Si、P、O、N、H等)。

就具有这样的内部组织结构及相对密度的接点材料而言，经过如下工序而制造：通过非电解镀Ni法在具有规定的平均粒径的WC粉末的表面形成具有规定的膜厚的Ni合金被膜的工序；在真空下或非氧化性气氛下将Ni合金被覆WC粉末保持在Ni合金的熔点以下的温度而将Ni合金被膜中的杂质除去的工序(Ni合金被膜的脱气处理)；将进行了轻烧结的Ni合金被覆WC粉末进行破碎的工序；将被破碎的Ni合金被覆WC粉末与具有规定的平均粒径的Cu粉末进行混合的工序，和将得到的混合物压缩、且在超过1083℃且不到1455℃的温度进行烧结的工序。将该制造工序的流程图示于图3中。

如图3中所示，为了制造根据本实施方式的接点材料时，首先，通过非电解镀Ni法在WC粉末的表面形成Ni合金被膜(步骤S1)。作为在此使用的非电解Ni镀液，能够使用Ni-P镀液、Ni-P-B镀液等公知的非电解Ni镀液。这些中，从价格低、被覆性高、为非磁性的方面考虑，优选使用Ni-P镀液。就Ni-P镀液而言，为以硫酸镍、氯化镍等镍盐、次磷酸钠等还原剂、乳酸、琥珀酸等络合剂为主成分的pH8～9.5左右的碱性的溶液。对浴温并无特别限制，通常，为30℃～50℃左右。另外，在使用Ni-P镀液所形成的Ni合金被膜中以3质量％～10质量％左右的范围含有P(磷)，因此如图4中所示，可知：Ni-P合金的熔点相对于Ni单质的熔点即1455℃，大幅地降低870℃。因此，能够将制造接点材料时的烧结温度设定得低，因此优选。另外，在实施非电解镀Ni前，可将WC粉末浸渍于氯化钯溶液而使表面吸附Pd(钯)离子来使其活化。

作为成为原料的WC粉末，使用具有2μm以上且10μm以下、优选3μm以上且9μm以下的平均粒径的WC粉末。如果WC粉末的平均粒径不到2μm，则Ni合金的含量过度增多，因此不优选。另一方面，如果WC粉末的平均粒径超过10μm，则作为接点的机械强度降低，因此不优选。另外，在WC粉末的表面形成的Ni合金被膜的膜厚为40nm以上且110nm以下，优选为50nm以上且100nm以下。如果Ni合金被膜的膜厚不到40nm，变得难以形成均匀的被膜，被膜成为岛状，因此不优选。另一方面，如果Ni合金被膜的膜厚超过110nm，则通过非电解镀Ni法所形成的Ni合金被膜变得不均匀，WC粉末的凝聚进行，变得容易粗大化，因此不优选。

接着，为了将步骤S1中所得到的Ni合金被覆WC粉末的Ni合金被膜中所含的杂质除去，在真空炉或(Ar、H₂等的)非氧化性气氛炉中进行500℃以上且860℃以下的热处理(步骤S2)。

通过步骤S2中的热处理，Ni合金被覆WC粉末的轻烧结进行，因此在与Cu粉末混合之前，采用搅拌擂溃机(撹拌擂潰機)等进行Ni合金被覆WC粉末的破碎(步骤S3)。

然后，将步骤S3中所得到的Ni合金被覆WC粉末和Cu粉末混合(步骤S4)。就在此的混合方法而言，只要是得到均匀的混合物的方法即可，例如可列举出使用搅拌机、混合机等的公知的方法。作为成为原料的Cu粉末，使用具有1μm以上且100μm以下、优选30μm以上且50μm以下的平均粒径的Cu粉末。如果Cu粉末的平均粒径不到1μm，则压缩时的密度降低，因此不优选。另一方面，如果Cu粉末的平均粒径超过100μm，则由于材料的比重之差，混合容易变得不均匀，因此不优选。

接着，将步骤S4中得到的粉末混合物压缩后，在规定的温度使其烧结(步骤S5)。就在此的压缩而言，通过将粉末混合物填充到由模具钢、高碳钢等高强度钢铁材料形成的压制模具中后，用300MPa以上且1000MPa以下的成型压力压缩来进行。如果成型压力为上述范围内，则能够减少内部的残留气体而提高成型体的密度。就成型体的烧结而言，通过在真空中或氢的还原气氛中加热到超过1083℃且不到1455℃的温度来进行。如果烧结温度为上述范围内，则能够使Cu熔解，且提高WC与Ni合金的密合性及Ni合金与Cu的密合性。在得到的烧结体的相对密度不到理论密度的90％的情况下，可用300MPa以上且1000MPa以下的成型压力将烧结体再次压缩、在超过1083℃且不到1455℃的温度再烧结。在任意的烧结中就烧结时间而言，只要为足以将用Ni合金被覆的WC粒子在以Cu作为主体的母材中分散的时间即可，通常为1小时以上且8小时以下。

为了将这样所得到的接点材料制成真空阀用接点，根据需要进行机械加工。具体地，对接点材料进行磨削直至成为作为真空阀用接点的设计上的必要的厚度和直径，或者使端部带有锥形或对表面进行研磨。

实施例

以下，列举出实施例和比较例，对本发明更具体地说明。

＜实施例1＞

对于具有3μm的平均粒径的WC粉末，使用非电解Ni-P镀液，实施非电解镀Ni处理。目标镀膜厚设为50nm。在非电解镀Ni处理后，通过ICP发光分析法，测定Ni合金被膜中的P浓度，结果为3.1质量％。图5为非电解镀Ni处理后的WC粉末的扫描型电子显微镜(SEM)照片。图6为非电解镀Ni处理后的WC粉末的截面的扫描型电子显微镜(SEM)照片。另外，图7为图6中所示的部分的元素绘图。由图7可知，在WC粉末的周围存在Ni，可知：在图6中以薄得不清晰来均匀地形成Ni合金被膜的膜厚。

接着，将用Ni合金被覆的WC粉末装入到氧化铝制容器，使用设定为1～2×10^-4Pa的真空度及650℃的炉温度的真空炉进行2小时加热处理后，冷却，将氧化铝制容器取出。

将进行了轻烧结的Ni合金被覆WC粉末从氧化铝制容器取出，放入到搅拌擂溃机，进行10分钟破碎。

在破碎后，将Ni合金被覆WC粉末67.6质量％(WC：63.9质量％、Ni合金：3.7质量％)和具有15μm的平均粒径的Cu粉末32.4质量％用搅拌机混合4小时。

将粉末混合物放入到直径25mm的圆形的模具钢制的模具中，使用油压压机用720MPa的压力进行压缩成型。目标厚度设为5mm。由得到的成型体的尺寸计算成型体的相对密度，结果为理论密度的约83％。接着，将成型体在氢炉中在1100℃下烧结5小时。得到的烧结体的相对密度为理论密度的88％。使用相同的模具，将烧结体用720MPa的压力再次压缩，结果相对密度变为93％。进而，将烧结体用氢炉再次在1100℃下烧结5小时，结果，得到相对密度为96.0％的实施例1的接点材料。

＜实施例2＞

除了使用具有5μm的平均粒径的WC粉末以外，与实施例1同样地制备用Ni合金被覆的WC粉末。接着，将用Ni合金被覆的WC粉末66.1质量％(WC：63.9质量％、Ni合金：2.2质量％)和具有15μm的平均粒径的Cu粉末33.9质量％用搅拌机混合4小时。使用该粉末混合物与实施例1同样地进行压缩和烧结，结果得到相对密度为97.1％的实施例2的接点材料。

＜实施例3＞

除了使用具有9μm的平均粒径的WC粉末以外，与实施例1同样地制备用Ni合金被覆的WC粉末。接着，将用Ni合金被覆的WC粉末65.1质量％(WC：63.9质量％、Ni合金：1.2质量％)和具有15μm的平均粒径的Cu粉末34.9质量％用搅拌机混合4小时。使用该粉末混合物与实施例1同样地进行压缩和烧结，结果得到相对密度为97.6％的实施例3的接点材料。

＜比较例1＞

除了没有实施非电解镀Ni处理以外，与实施例1同样地得到相对密度为95％的比较例1的接点材料(WC：63.9质量％、Cu：36.1质量％)。

＜比较例2＞

除了将目标镀膜厚变为0.1μm以外，与实施例1同样地制备用Ni合金被覆的WC粉末。接着，将用Ni合金被覆的WC粉末71.6质量％(WC：63.9质量％、Ni合金：7.7质量％)和具有15μm的平均粒径的Cu粉末28.4质量％用搅拌机混合4小时。使用该粉末混合物，与实施例1同样地进行压缩和烧结，结果得到相对密度为96.2％的比较例2的接点材料。

＜比较例3＞

除了将目标镀膜厚变为10nm以外，与实施例1同样地制备用Ni合金被覆的WC粉末。接着，将用Ni合金被覆的WC粉末65质量％(WC：64质量％、Ni合金：1质量％)和具有15μm的平均粒径的Cu粉末35质量％用搅拌机混合4小时。使用该粉末混合物，与实施例1同样地进行压缩和烧结，结果得到相对密度为95.3％的比较例3的接点材料。

＜机械强度的评价＞

将实施例及比较例中得到的接点材料加工而制作图8中所示的形状的拉伸强度试验用试验片。如图8中所示，施加拉伸应力的中央部分具有宽2mm、长12mm、厚1mm的形状。12mm的两端以R2mm加工，就试验片的两端而言，为了耐受剪切应力，使其为宽6mm。另外，以无毛刺等的方式进行镜面精加工。就拉伸试验而言，用直径4mm的圆棒各2根，夹持图8中所示的试验片的R2的部分，经由圆棒对试验片施加上下方向的拉伸应力。将试验片断裂时的拉伸应力作为断裂强度。就拉伸试验而言，对各试验片实施2次(n＝2)。将结果示于表1中。

＜遮断特性的评价＞

对实施例及比较例中得到的接点材料进行机械加工而制作直径20mm和厚3mm的接点。从端部至2mm的部分带有相对于表面为约15°的锥形，因此实质的接触面成为直径16mm。将该接点作为可动接点及固定接点的2组，与导体钎焊后组装真空阀。使用该真空阀进行截断电流试验、极限遮断电流试验及遮断试验后的截断电流试验，评价遮断特性。

就截断电流试验而言，使用AC200V电源，将电阻20Ω和评价用真空阀串联地组成回路，测定从10A通电的状态到断开阀时的截断电流。就遮断试验而言，利用来自充电的电容器组的放电，控制通电电流值。从2kA将遮断电流每次提高1kA来进行遮断试验，将成为遮断失败的电流的1个前的遮断电流值作为极限遮断电流。截断电流试验实施20次，取其平均值。将结果示于表1中。

[表1]

表1

由表1可知，实施例1的接点材料具有352MPa及341MPa的充分的机械强度。另外，就实施例1的接点材料而言，遮断试验前的截断电流为0.92A，遮断试验后的截断电流也成为0.97A，遮断试验前后的截断电流值的增加率为约5％。进而，实施例1的接点材料的极限遮断电流为5.0kA。在试验后将真空阀分解来考察接点，结果，发现电弧产生的熔敷痕，没有发现引起接点的脱落的开裂(裂纹)。

就实施例2的接点材料而言，可知：虽然比实施例1稍低，但具有334MPa及349MPa的足够的机械强度。另外，就实施例2的接点材料而言，遮断试验前的截断电流为0.91A，遮断试验后的截断电流也成为0.95A，遮断试验前后的截断电流值的增加率为约4％。进而，实施例2的接点材料的极限遮断电流为5.0kA。在实施例2的接点材料也没有发现引起接点的脱落的开裂(裂纹)。

就实施例3的接点材料而言，可知：虽然比实施例2稍低，但具有325MPa及321MPa这样的足够的机械强度。另外，就实施例3的接点材料而言，遮断试验前的截断电流为0.91A，遮断试验后的截断电流也成为0.93A，遮断试验前后的截断电流值的增加率为约2％。进而，实施例3的接点材料的极限遮断电流为5.0kA。在实施例3的接点材料中也没有发现引起接点的脱落的开裂(裂纹)。

比较例1的接点材料的断裂强度成为251MPa及263MPa，比实施例1～3低。另外，就比较例1的接点材料而言，遮断试验前的截断电流为0.9A，相对于此，遮断试验后的截断电流成为1.2A，遮断试验前后的截断电流值的增加率为约33％。比较例1的接点材料的极限遮断电流为5kA。在试验后将真空阀分解来考察接点，结果，在表面产生裂纹，在接点的一部分中发现脱落。认为：由于Cu与WC的密合性弱，接点的一部分被接点开闭时的机械冲击和遮断试验通电时的电弧产生的热冲击所破坏。

比较例2的接点材料的断裂强度成为344MPa及362MPa，为与实施例1～3相同的程度。另外，就比较例2的接点材料而言，遮断试验前的截断电流为1.02A，相对于此，遮断试验后的截断电流成为1.10A，遮断试验前后的截断电流值的增加率为约8％。另外，比较例2的接点材料的极限遮断电流成为3kA，与实施例1～3相比变差。

比较例3的接点材料的断裂强度成为262MPa及271MPa，比实施例1～3低。另外，就比较例3的接点材料而言，遮断试验前的截断电流为0.91A，相对于此，遮断试验后的截断电流成为1.22A，遮断试验前后的截断电流值的增加率为约34％。比较例3的接点材料的极限遮断电流为5kA。在试验后将真空阀分解而考察接点，结果，与比较例1同样地，在表面产生裂纹，在接点的一部分中发现脱落。认为：由于机械强度的改善不充分，因此接点的一部分被接点开闭时的机械冲击和遮断试验通电时的电弧产生的热冲击所破坏。

将实施例1～3及比较例1～3的试验结果(断裂强度(2次的平均值)、极限遮断电流及遮断试验后的截断电流)与Ni含量的关系汇总于图9中所示的坐标图。可知：如果Ni含量为1.2质量％～3.7质量％的范围内，则机械强度高，极限遮断电流·截断电流也稳定，上述3个项目处于最佳范围。因而，能够确认：就实施例1～3的接点材料而言，通过以适度的厚度形成Ni合金被膜而使Ni合金的含量为规定的范围内，提高接点自身的机械强度(密合性)，防止接点的脱落，发挥稳定的遮断特性。

予以说明，本国际申请要求基于2017年2月22日申请的日本专利申请第2017-030868号的优先权，将这些日本专利申请的全部内容援用于本国际申请。

附图标记的说明

1真空阀、2遮断室、3绝缘容器、4a、4b密封配件、5a、5b金属盖、6固定电极棒、7可动电极棒、8固定电极、9可动电极、10固定接点、11可动接点、12波纹管、13波纹管用电弧遮屏、14绝缘容器用电弧遮屏、15Cu母材、16WC粒子、17Ni合金、18用Ni合金被覆的WC粒子。

Claims

1.一种接点材料，是在以Cu作为主体的母材中分散有用Ni合金被覆的WC粒子的接点材料，其特征在于，相对于接点材料，Ni合金的含量为1.2质量％以上且3.7质量％以下的范围，且相对密度为理论密度的90％以上。

2.根据权利要求1所述的接点材料，其特征在于，所述Ni合金为Ni-P合金。

3.一种接点材料的制造方法，其特征在于，具有：通过非电解镀Ni法在具有2μm以上且10μm以下的平均粒径的WC粉末的表面形成具有40nm以上且110nm以下的膜厚的Ni合金被膜的工序；在500℃以上且860℃以下的温度进行用于脱气的热处理的工序；将热处理后的Ni合金被覆WC粉末进行破碎的工序；将被破碎的Ni合金被覆WC粉末与具有1μm以上且100μm以下的平均粒径的Cu粉末进行混合的工序；和将得到的混合物压缩、在超过1083℃且不到1455℃的温度进行烧结的工序。

4.根据权利要求3所述的接点材料的制造方法，其特征在于，还具有：将得到的烧结体再次压缩、在超过1083℃且不到1455℃的温度进行再烧结的工序。

5.一种真空阀，其特征在于，具备：由根据权利要求1或2所述的接点材料制成的接点。