CN1112716C

CN1112716C - 真空阀

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Publication number: CN1112716C
Application number: CN98120616A
Authority: CN
Inventors: 奥富功; 本间三孝; 关经世; 山本敦史; 草野贵史; 染井宏通
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-09-01
Filing date: 1998-09-01
Publication date: 2003-06-25
Anticipated expiration: 2018-09-01
Also published as: JP3663038B2; DE69825227D1; US6107582A; JPH1173830A; DE69825227T2; EP0903760A2; CN1213153A; EP0903760A3; EP0903760B1

Abstract

本发明是把真空阀的接点坯料制成由Cu等高导电性成分和由Cr构成的粒径在0.1～150μm范围里的颗粒至少占90容积%的耐弧性成分构成，而且使这种接点坯料的900℃时热膨胀率α₉₀₀和50℃时的热膨胀率α₅₀的差与900℃时的热膨胀率α₉₀₀的比率[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]为0.8%以上、12%以下。由此，能抑制经钎焊工序后，在Cr颗粒和Cu基体的界面上沟的生成，能使静耐压特征、接触电阻特性稳定，还能使切断特征稳定。

Description

真空阀

本发明涉及一种含有接触电阻特性和切断特性稳定的接点坯料且具有优越的切断特性的真空阀。

利用真空中的电弧扩散性在高真空中将电流切断的真空阀的接点是面对面固定，且由可动的2个接点构成。

就真空切断器而言，除了大电流切断特性、耐电压性能、对焊接性能这三个基本的重要性能外，接点的耐消耗特性也是重要的使用性能。

但是，这些重要性能中有相反关系的，而且不可能由单一的金属满足全部重要性能。因此实际所用的大多数接点材料都是通过把不足性能相互弥补的2种以上的元素组合，譬如从大电流用、高耐压(是指耐高电压的意思，以下相同)用的特定用途组合的接点材料中选择，由此开发出有优良特性的真空阀。但事实上，至今还没得到能充分满足更高要求的真空阀。

例如，作为以大电流切断特性为目的的接点，已公知含有50重量％的Cr的Cu-Cr合金(参照日本专利公报特公昭45-35101号)。这种合金，其中的Cr本体保持与Cu大致相等的蒸气压特性，而且显示出很强的气体吸收剂作用，它是靠这些作用的效果实现高电压大电流切断特性的。即、Cu-Cr合金由于能制成使高耐压特性和大电流切断特性兼得的接点而被广泛使用。

但由于这种合金使用活性较高的Cr，因而在接点坯料制造(烧结工序等)时，在把接点坯料加工成接点片时，虽然是在考虑原料粉的选择、杂质的混入、环境的管理等条件的同时进行加工的，但为了使真空阀兼有高耐压特性和大电流切断特性，为了提供同时兼有好的耐高压特性和接触电阻特性的接点材料，这些考虑未必构成完全的技术。

正因为这样，本发明人对CuCr接点的组成改进作了研究，结果能提供一种具有优良接点片的真空阀，上述接点片兼有耐压特性和接触电阻特性。

CuCr接点由于其两组分在高温下的蒸气压特性近似等原因，因而即使在切断后也显示出比较平滑的表面损伤特性，能发挥稳定的电气特性。

但是，近年来日常所用的回路都可能遇到进一步的大电流切断，有可能还附加更高的电压，在接点上可看到显著的消耗和坚固的焊接现象。在真空阀中、在由切断引起的异常损伤、消耗的接点处，对下一次稳定电流进行开关时，会引起接触电阻和温度的异常上升，会显示出耐电压性能不良，因此有必要竭力抑制接点的异常损伤、消耗。

根据研究得知，CuCr合金的接点特性取决于合金中的Cr量的波动、Cr颗粒的粒度分布、Cr的偏析程度、合金中的空穴情况等。但即使它们具有最恰当配合，在上述近年的适应状况下，在耐压特性和接触电阻特性方面总还会看到偏差，因此有必要提供一种能在保持切断特性水平的基础上兼有耐压特性和接触电阻特性的真空阀。

本发明的目的在于提供一种具有能使接触电阻特性和切断特性稳定的接点具有优良切断特性的真空阀。

本发明的上述目的是通过具有下述结构的真空阀来达到的。即、这种真空阀具有由高导电性成分和耐弧性成分构成的接点坯料，其中的高导电性成分由Cu、Ag中的至少1种构成；其中的耐弧性成分是由Cr构成的、粒径在0.1～150μm范围里的颗粒，而且全部颗粒至少占90容积％，其中：上述接点坯料的900℃/时的热膨胀率α₉₀₀和50℃时的热膨胀率α₅₀的差与900℃时的热膨胀率的比率[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]是0.8％以上、12％以下。

通过形成这种结构，希望能抑制接点坯料在经过钎焊之后在Cr颗粒与Cu基体的界面处沟的生成、能使静耐压特性、接触电阻特性稳定，还能使切断特性稳定。

下面说明采用50℃和900℃时的热膨胀率α的原因。热膨胀率是将试样从通常室温加热到目的温度时，将材料膨胀量的累积。

在本发明中把50℃和900℃作为问题的理由如下。即、真空阀的接点在切断大电流、接受电弧时变成极高温，此后该接点又急冷，因此在Cr颗粒和Cu基体之间产生沟。为了推测该沟的程度，进行热膨胀率的测定。因而把50℃作为基准温度，把900℃作为大电流流过接点时的温度。

一般地，热膨胀率测定装置的上限温度大多取为1000℃左右。

另外，就热膨胀率而言是Cr＜Cu，因此热收缩率方面也是Cu大。譬如，在接点受到电弧作用后急冷时，在Cr/Cu之间残留下沟的状态下，Cu进行收缩，此后的电弧就有可能集中在该沟里。

上述接点坯料可这样制成，即，把由Cu、Ag中的至少1种构成的高导电性成分和由Cr构成的、粒径为0.1～150μm、全部颗粒至少占90容积％的耐弧性成分各自均匀地混合而制成“高导电性粉末·耐弧性粉末”混合粉后，在非氧化性环境中，通过对这种混合粉的加热处理，将相对密度调节成88％以上。

通过形成这样的结构，能进一步发挥上述的抑制沟的生成的效果，这种沟是在经过钎焊工序后、在Cr颗粒和Cu基体的界面处生成的。

而且，上述的接点坯料由“高导电性粉末·耐弧性粉末·第1辅助成分粉末”混合粉构成，这种混合粉含有40～80(重量)％的、作为高导电性成分的Cu或Ag中的至少1种；有0.01～1.0％的从作为第1辅助成分的Al、Si、Fe中选取1种以上的元素；其余部分为预定量的作为耐弧性成分的Cr；上述接点坯料也可以通过将这种混合粉在非氧化性环境中，用高导电性成分的熔融温度以上的温度(例如，溶液浸渗法时为熔融温度以上的温度)、或者800℃以上的高导电性成分的熔融温度以下的温度(例如，固相烧结法时为熔融温度以下的温度)(但是，高导电性成分的熔融温度是800℃以下时，取高导电性成分的熔融温度以上的温度)进行加热处理而制得。

由于作为这种第1辅助成分的预定量的Al、Si、Fe的存在，能进一步改善在Cr颗粒和Cu基体界面处生成的沟的状态。

而且，上述接点坯料由含有0.05～5％的作为第2辅助成分的Bi、Te、Sb中的1种的“高导电性粉末·耐弧性粉末·第2辅助成分粉末”混合粉或者“高导电性粉末·耐弧性粉末·第1辅助成分粉末·第2辅助成分粉末”混合粉构成；上述接点坯料可以将混合粉放在非氧化性环境中，用高导电性成分的熔融温度以上的温度、或者800℃以上的高导电性成分的熔融温度以下的温度(但，高导电性成分的熔融温度是800℃以下时，取高导电性成分的熔融温度以上的温度)进行加热处理而得到。

借助这种Bi、Te、Sb等第2辅助成分能改善耐焊接性。

另外，上述接点坯料也可以是对上述混合粉施加由混合粉本体的自重确定的压力以上、8吨/cm²以下的压力成型，形成成型体之后，将该成型体放在非氧化性环境中，用高导电性成分的熔融温度以上的温度、或者800℃以上的高导电性成分的熔融温度以下的温度(但，高导电性成分的熔融温度是800℃以下时，取高导电性成分的熔融温度以上的温度)进行加热处理而得到的。

而且，上述接点坯料也可以是使含有Cu的材料(例如，Cu粉末、Cu薄板、Cu合金板、Ag Cu合金板等)和上述混合粉接触地放置(可根据需要而加压)后，将这种混合粉和上述Cu材料一起放在非氧化性环境中、用800℃以上、上述高导电性成分的熔融温度以下的温度(但是高导电性成分熔融温度是800℃以下时，取高导电性成分的熔融温度以上的温度)进行烧结而得到的至少一面具有高导电性成分的接点坯料。

而且，上述接点坯料的Cr的一部分还可以从相对于Cr的含量0.1％

～50％的Ti、V、Nb、Ta、Mo、W中选取1种置换得到。

通过用Ti、V、Nb、Ta、Mo或W置换，能改善耐压性能。

上述接点坯料也可以在上述Cr的表面用厚度为0.01～50μm的从Fe、Ni、Co中选择1种包覆而得到。

通过用Fe、Ni或Co的包覆，能减轻在混合过程中的Cr粉的变质，而且在烧结时能调整相对密度(使密度增高)。

上述接点坯料也可以在上述Cr的表面用厚度为0.01～50μm的从Ti、V、Nb、Mo、W中选择1种包覆而得到。

这种场合下，通过Ti、V、Nb、Ta、Mo或W的包覆，能减轻混合过程中的Cr粉的变质，能改善耐压。

此外，上述接点坯料也可以是将Al、Si、Fe中选择的、预定量的1种以上的元素与大致相同容量的、从Cu、Ag、Cr中选择出的1种以上的金属预先进行1次混合，将经过1次预备混合的1次预备混合粉和剩余部分的金属混合，得到混合粉后，将这种混合粉成型、烧结得到的。

这种接点坯料也可以是将Bi、Te、Sb中选择的、预定量1种以上的元素和大致相同容量的、从Cu、Ag、Cr中选择出的1种以上的金属预先进行1次预备混合，将经过1次预备混合的1次预备混合粉和剩余部分的金属混合，得到混合粉后，将这混合粉成型、烧结得到的。

此外，这种接点坯料也可以是将1次预备混合粉和大致相同容量的Cu、Ag、Cr中选择出的1种以上的金属进行2次预备混合，将这种预备混合粉和大致相同容量的剩余部分的Cu、Ag、Cr中选择出的1种以上的金属混合，根据需要将得到预备混合粉的混合作业多次反复，把所得到的预备混合粉和剩余部分金属混合，在得到混合粉后，将其成型烧结而得到的。

由于借助上述的进行预备混合的混合方法，能使用经过了均匀混合的混合粉，因而能进一步提高上述的抑制沟生成的效果。

在参照着附图对本发明实施方式进行详细说明后，本发明的完整的评价和许多附加的优点将会更清楚。附图中，

图1是表示本发明真空阀接点坯料的实施例1～12和比较例1～6的试制条件的图表；

图2是表示本发明真空阀接点坯料的实施例13～29及比较例7的试制条件的图表；

图3是表示本发明真空阀接点坯料的实施例30～40及比较例8的试制条件的图表；

图4是表示本发明真空阀接点坯料的实施例1～12和比较例1～6的评价结果的图表；

图5是表示本发明真空阀接点坯料的实施例13～29和比较例7的评价结果的图表；

图6是表示本发明真空阀接点坯料的实施例30～40和比较例8的评价结果的图表。

下面，参照着附图，特别是其中的图1，对本发明的一个实施例进行说明，这几个附图中相同的标号表示特定的或相同的构件。

在最新的开关设备和开关系统里有这种情况，即、它的性能由于1个接点材料、接点构件的质量缺陷而产生偏差，使功能不能发挥。本发明人对真空阀门中所用的接点材料进行了研究，并对真空阀门特性进行对比，结果完成了本发明。也即、本发明的特征如下所述。

已查明上述开关设备和开关系统的电气(或机械、化学)性能的一部分偏差是与装在真空阀门上的接点密切相关的。特别是认识到这点，即、在经过钎焊工序后发生偏差。

也就是说，对处于种种条件、状态下的CuCr接点的与针/平板电极相对着的静耐压特性、接触电阻特性进行调查，在这种CuCr接点片上、进行充分平滑的表面精加工，使它的表面粗糙度的平均值Rave，达到0.1μm左右，如果原料Cr的颗粒直径和粒度分布、CuCr合金的组成成分、烧结条件或者烧结、熔液浸渗条件等在某种程度上维持一定，则相同条件、状态下的这组接点片上显示出大致相同的静耐压特性、接触电阻特性。但是，在用这些接点片经过钎焊工序并组装到真空阀门上之后、再次详细地研究静耐压特性、接触电阻特性时，有这种现象发生，即、上述静耐压值降低时、偏差幅度增大；上述接触电阻特性上升时、偏差幅度增大。

在用扫描电子显微镜观察经钎焊工序后的接点表面时，观察到在Cr颗粒和Cu基体的界面上连续或不连续地存在宽度主要为0.1～10μm左右的沟，而且在这沟的边缘部分观察到静耐压测定时放电痕迹趋于集中。发现在这种场合下上述静耐压特性、接触电阻特性的降低，对真空阀的切断特性也显示出不好的影响。也即、可推断为，上述钎焊工序后所看到的沟的存在等表面状态与经过上述钎焊后的静耐压特性、接触电阻特性的偏差相关，而且对切断特性有影响。

另外，还发现在经钎焊工序后的接点表面的Cr颗粒和Cu基体的界面上，所看到的上述连续状或不连续状地存在的沟的状态还有与CuCr中的Al、Si的量密切相关的倾向。也就是说、可以看到一定范围以内的Al、Si含量的存在会改善沟的宽度、连续的长度、深度等状态，对钎焊后的静耐压特性、接触电阻特性有好的影响。

如上所述，将在钎焊工序后的接点表面Cr颗粒和Cu基体界面上所看到的上述连续状或不连续状地存在的沟的状态控制在预定范围里是必不可少的。

也即、在本发明的实施例中形成的这种CuCr，是一种如上所述地将经过钎焊工序后的CuCr接点的Cr颗粒和Cu基体界面上所产生的连续状或不连续状地存在的沟生成的缺陷加以抑制的CuCr。

为了控制上述沟的生成，选择0.1～150μm粒径的Cr粉作为原料粉末而进行制造，使CuCr中的粒径在0.1～150μm范围里的Cr颗粒至少是90容积％，而且CuCr合金是通过采用钎焊温度900℃时的热膨胀率α₉₀₀与50℃时的热膨胀率α₅₀的差值和900℃时的热膨胀率α₉₀₀的比率[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]是在0.8％～12％的材料来抑制上述沟的生成。结果，即使经过钎焊工序后，也能抑制Cr颗粒和Cu基体界面上的沟的生成，能使静耐压特性、接触电阻特性稳定，还能使切断特性稳定。而且，如上所述的CuCr合金中的Al、Si含量的控制也能发挥抑制沟生成的效果。

那些900℃时的热膨胀率α₉₀₀和50℃时的热膨胀率α₅₀的差值与900℃时的热膨胀率α₉₀₀的比率[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]大大超过12％的CuCr材料，进行钎焊工序之后，因接点表面的粗糙而使静耐压特性、接触电阻特性、切断特性不稳定，这些材料不太好。

上述Al、Si含量在一定量以下(0.01％以下)时，上述沟的状态的改善较少，在一定量范围以上(1.0％以上)时，CuCr合金材料本身的机械特性发生变化，反而显示出使静耐压特性、接触电阻特性降低的倾向。CuCr接点中的Al、Si含量的偏差也影响到在上述界面上所看到的连续状或不连续状地存在的沟的状态，这些都构成了不适于使真空阀门的静耐压特性、接触电阻特性稳定的因素。

另一方面，在实现上述沟的抑制措施的基础上，用预先使Cu基体中的Cr颗粒分散均匀、使Cu基体中Cr、Al、Si等分散均匀的CuCr合金，对经过上述钎焊工序后Cr颗粒和Cu基体界面上所生成的沟的抑制是有益的。

譬如，为了制取Cu基体中的Cr颗粒分散均匀的CuCr合金，在75％Cu-25％Cr时，用预先将25％Cr和大致相同量的Cu混合(1次混合)得到的1次混合粉与剩余部分的Cu再次混合(2次混合)的原料粉末形成CuCr合金。

而制取Cu基体中Cr、Al、Si等分散均匀的CuCr合金的措施是从Al、Si、Fe、Bi、Te、Sb中选取预定量的1种以上元素，和Cu、Ag、Cr中选取的大致相同容积的1种以上金属预先进行1次混合，将这1次预备混合过的1次预备混合粉和剩余部分的Cu、Ag、Cr充分混合。

在这样混合后，将混合粉成型、烧结而制得接点坯料。

如上所说，为了使CuCr合金的静耐压特性、接触电阻特性和切断特性稳定，对经过钎焊工序后的接点表面的Cr颗粒和Cu基体界面上所看到的连续状或不连续状地存在的沟的控制是必不可少的。

下面，通过具体例子来说明沟的控制效果。

图1～图3表示实际试制的实施例和比较例的试制条件，而图4～图6表示对这些实施例和比较例的评价结果。图4～图6中的热膨胀率值的比率是指900℃时的热膨胀率α₉₀₀和50℃时的热膨胀率α₅₀的差值与900℃时的热膨胀率α₉₀₀的比率[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]。

先说明这些实施例及比较例的接点的评价条件和结果。接触电阻特性、温度上升特性和切断特性如下所述。(a)接触电阻特性

加10kg重量，使曲率半径5R的纯铜制的针状电极和平板状的各个接点片面对面地接触，从通过10A直流电时两者间的电压降求出接触电阻。(b)温度上升特性

将各个接点片组装到真空阀上之后，用高灵敏度的红外温度计对阀端头部分的温度进行非接触表面温度测量，从测定值扣除室温后的数值作为温度上升特性。(c)切断特性

进行切断试验。切断试验是把相互间隔为8mm的面对着的直径为20mm的接点组装到能折卸的简易型真空阀上，经低温干燥处理、电压时效等处理后，在7.2KV、50Hz下使电流每次增加1KA，同时检查切断极限。

评价是对3个简易型真空阀进行测定而做出的，与把图4～图6实施例5所示的Cu-Cr接点的数据取为1.0时的相对值进行比较。图中的各个例子，除比较例8外，都是含有耐弧成分的粒径范围是0.1～150μm的颗粒含量为90容量％或以上的接点。

其次，在实施时，接点的制造主要是根据耐弧成分适当地选用，例如熔液浸渗法、固相烧结法、电弧熔化法。

例如，在选用固相烧结法来制造本发明实施例、比较例的接点时，把Cu粉、Cr粉、Al粉等分别调整成预定的颗粒范围。

把Cr粉的颗粒直径区分成0.1μm以下、0.1～150μm、150μm以上，特别是除了比较例8外，用筛选法等将粒径是0.1～150μm的Cr粉控制在90容量％。其原因是粒径在0.1μm以下时，使接点的细粉Cr均匀分散、同时以工业规模进行供给会造成接点制造成本及质量管理上的不利，因此将其从本发明的对象排除。而超过150μm时，接触电阻值、温度上升值都会显著地上升，因而是不利的。

把各组分均匀混合，得到[Cu·Cr]混合粉，或者[Cu·Cr·Al]混合粉。接着用压机将这种混合粉成型，得到成型体后，在例如氢气、氩气、氮气等气体中，在露点为70℃左右或者真空度为1×10^-3Pa程度的环境里，用850℃以上、Cu的熔点以下的烧结温度(在Ag的场合下，取800℃以上Ag的熔点以下的温度)烧结1小时，形成烧结体(供试验的接点坯料)。

最好，用压机将混合粉成型时的压力取为8吨/cm²以下。用8吨/cm²以上压力将混合粉成型时，从模子中取出时成型体上容易发生龟裂，而且用这样高的压力进行成型也不经济。

可根据需要将成型过程多次反复(再次进行上述成型、烧结)、将接点的相对密度调整成88％以上，制成供试验接点。这是因为相对密度不满88％时，接点的耐消耗特性会显著地变差，而且接点坯料中气体成分残存较多会影响耐电压特性。譬如，通过适当选择烧结温度、时间来调整接点密度，制成供试验接点。当密度低于88％时，接点的对焊接性虽然能改善到相对密度大致为100％的接点的1/3～2/3左右，但接点的耐消耗性却增加到相对密度大致为100％的接点的1.3～3.5倍(特性恶化)，而且耐电压值也降低0.8～0.4倍(特性恶化)，此外在进行800℃银焊处理时，银焊料渗过5mm厚的接点内部的空隙而渗出到接点表面层，使耐电特性进一步下降。因此用相对密度为88％以上的接点对发挥本发明下述的效果是有益的。

另外，选择熔液浸渗法制造本发明实施例的接点，特别是实施例6、实施例39、40、比较例3所示的Cr量对制造例如50％左右的CuCr是有效的。将Cu粉、Cr粉、Al粉分别调整成预定的颗粒范围。先根据需要将混合Cu粉的Cr粉、或者Cr·Al粉调整成预定的颗粒范围，将其放在露点为70℃左右的氢气、氩气、氮气等气中或者放在真空度是1×10^-3Pa左右的真空环境里，用850℃以上、Cu的熔点以下的烧结温度(在Ag的场合下、用800℃以上、Ag的熔点以下的温度)，譬如950℃烧结约1小时，制得Cr、CrCu、CrAl、CrAlCu、CrAg、CrAlAg等临时烧结体。接着，在Cu熔点以上的温度，例如1150℃(导电成分是Ag的场合下，用Ag熔点以上的温度，例如1000℃)用Cu熔液浸渗1小时，把Cu浸渗到这些临时烧结体的剩余孔中，制成供试验的接点。通过控制在一部分接点上进行熔液浸渗工序后的冷却工序以及从接近凝固温度的温度区间到650℃左右的温度区间内的冷却速度，使Cr不大量固溶到Cu基体中(在导电成分是Ag场合下、不固溶到Ag基体中)，调整导电率，从而制成供试验接点。

选择电弧熔化法制造本发明实施例的接点是将经橡胶挤压机压过的Cr粉、CuCr、CrAl、CuCrAl、CuAg等混合粉放在氢气中，用例如800℃烧结1小时而制得临时烧结体，或制成将Cu(或Ag)与Cr和Al重合的CuCrAl重合板后，将其做成电极。然后，在氩气中，在例如2000A下用电子束使其溶解，同时用水冷铜坩埚使其凝固，制成供试验接点。

选择熔融喷涂法的本发明实施例的接点制造是把熔融Cu(或者Ag)、熔融Cr、熔融Al或者将熔融CuCrAl(或Ag)同时喷涂到1～10mm左右厚的Cu板表面上、使其凝固而做成供试验接点。

而选择直接熔融法的本发明实施例的接点的制造是用电子束直接照射在Cu(或者Ag)板表面上所设置的固体状的CrAl混合体、Cu(或者Ag)CrAl混合体，使Cu板(或Ag板)的一部分或全部一起熔融，做成CuCrAl供试验接点。

供试验的Cr粉可如上所述地用Cr粉单质，但如实施例30～38所示，通过使用其表面用0.01～50μm厚的Fe、Ni、Co、Ti、V、Nb、Ta、W、Mo等预先包覆过的Cr粉，能减轻混合过程中的Cr粉变质，因此可根据需要适当地采用。

另外，Al等第1辅助成分和Bi等第2辅助成分的量与Cu等高导电性成分和Cr等耐弧性成分的量相比，显然是微量，因而它们的混合是在完善地控制下实施的。但为了更确切地操作，可先把第1辅助分成分和第2辅助成分的量和与其大致相同量的高导电性成分和耐弧性成分进行1次混合，将得到的1次混合粉与剩余的高导电性成分和耐弧性成分混合，由于这样对于均匀分散混合是有效的，因而可根据需要适当采用。

另外，用各个制法得到的接点还可在非氧化性环境中至少再进行350℃的热处理，这样对调整接点的硬度、加工性和导电率等有益，可根据需要适当采用。选择上述任意一种方法，把900℃和50℃的热膨胀率的比率控制在预定范围内都能进一步发挥接点坯料的效果，有益于达到本发明目的。

各个实施例和比较例的评价结果如下所述。

(实施例1～3、比较例1)

由于通过将接点坯料的900℃时的热膨胀率α₉₀₀和50℃时的热膨胀率α₅₀的差值与900℃时的热膨胀率α₉₀₀之比率[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]的值控制成预定值，能使影响诸特性的效果更明显，因而通过先筛选出粒径为70～100μm范围的颗粒占90容量％的耐弧成分Cr，制造成Cu量为75％、Al量为0.05％，而且[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]的值在0.8～35(％)范围里变化的75％Cu-Cr-Al接点。在制造时，将原料Cr粉中的Al量调制成0.002％左右～0.1％左右的Cr粉适当地用作引发粉，而且，在对上述[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]的值进行控制时，对所使用的Cr粉在0.1～150μm粒径范围中的粒度分布、低温下挥发性物质的添加及其量进行适当调整，同时还对成型压力、烧结(熔液浸渗)温度、烧结时间和冷却速度等进行适当调整。为了得到[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值接近12％的接点，把成型压力、烧结温度设定成较低，就比较容易实现。

把制得的接点装到上述可折卸式的简易型真空阀上，对上述温度上升特性和切断特性进行评价。而且把半径5R的纯铜制的针状和平板状电极的各个接点片装到组装式接触电阻测定装置上，在接点间加重50kg使它们彼此面对面地接触，评价从通过直流电10A时的两者间电压降求出的接触电阻特性。其结果表示在图4上。

与作为标准试样的实施例5的特性相比较、在[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值取为0.8％～12％(实施例1～3)时，接触电阻特性、温度上升特性及切断特性处于与下述的作为标准试样的实施例5大致相同的最佳值范围里。但是，当把[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值取为35％(比较例1)时，诸特性显著地降低。

因此由上述实施结果可见，把[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值控制成预定值时的效果，最好是取在0.8％～12％范围。

在用扫描电子显微镜对银焊接合处理后的接点、切断试验后接点的表面进行观察时，观察到在Cr颗粒和Cu基体之间、存在着围着Cr颗粒的连续状或不连续状的沟。特别是在切断试验后的接点上，该沟的幅度较宽而且深，沟还连续地处在Cr颗粒的周围，在沟的底部还看到鼓起，轻微地损坏了接点表面的平滑性。这种状态被认为与图4所示的特性有关。

与此相反在实施例1～3中，银焊接合处理后的接点的沟幅度较窄而且沟的底部没有鼓起、是平坦的，呈现较好的表面状态，接触电阻特性和温度上升特性都较稳定。

(实施例4～6、比较例2～3)

在上述实施例1～3、比较例1中，所选择的例子是将CuCr中的导电成分Cu取为75％、耐弧成分Cr颗粒直径取为70～100μm、第1辅助成分例如取Al，研究了把第1辅助成分的量取为0.05％时的[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值的效果，并表示出这一研究的结果。

这里将说明把[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值取为2.5％，而且把导电成分Cu的量取为30～95％范围时的调整结果。

在导电成分Cu的量取为75～80％(实施例4、5)情况下，接触电阻特性、温度上升特性以及切断特性，与作为标准接点的实施例5的特性相比较，能发挥较好的特性。把实施例5作为标准接点，在40％(实施例6)情况下，虽然接触电阻特性、温度上升特性也显示稍微上升的趋向，但能发挥出基本相同的较好的特性。

与此相反，在导电成分Cu的量在30％(比较例3)的情况下，接触电阻特性、温度上升特性都显示出趋于产生显著的偏差的倾向，而且切断特性显著降低，显示出不好的特性。

这样，由上述结果可见，在Cu-Cr-Al接点中的Cu量是40～80％范围的接点中，可发挥本发明的把[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值控制成预定值时的效果。

上述实施例6所示的40％Cu-Cr-Al接点也是用电弧熔化法制造并供给的，它是把多组预定比率的Cu板和Cr板重叠的CuCr作为消耗电极，在实施例6里还将其与固相烧结、熔融浸渗法制造的接点相比较，由电弧熔化法制造的接点在耐消耗特性方面、由固相烧结法制造的接点在耐熔融特性方面、由熔融浸渗法制造的接点在切断特性方面都显示出了更为优越的特性，也显示了它们相互间的容许偏差，无论哪一种方法都能作为实用上有益的方法，能作为本发明的发挥第1辅助成分Al或Si的添加效果的制造方法。

在内径50mm的水冷坩埚中，将外径约50mm、厚度约6mm的Cu板、与大致按照75％Cu粉、0.1％Al粉、剩余部分为Cr的比率混合的混合粉经成型而形成的直径50mm、厚度约为1mm的成型体重叠地设置后，一边调整电子束深度、电子束的焦点、照射时间、照射速度、使配置在下部的Cu板的表面的一部分同时地熔融，一边照射Cu-Al-Cr成型体的表面而使其熔融，以获得接点材料。在加工成预定形状后，具备同样的电气评价结果。它能充分发挥本发明的把[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值控制成预定值的效果，与作为标准试样的实施例5的特性相比较、接触电阻特性、温度上升特性和切断特性都处在几乎同样的最佳值范围里。

(实施例7～9、比较例4、5)

上述实施例1～6、比较例1～3表示把所用的耐弧成分Cr的粒径取为70～100μm时的效果。但本发明不局限于此，实际上，只要粒径在预定范围内变化就有效果。

为了使影响诸特性的效果清楚，选制成将Cu量取成大致为75％这一定值，把作为第1辅助成分的Al取成0.05％，而且使耐弧成分Cr的粒径在0.1μm以下、0.1～150μm、150μm以上的范围里变化的75％Cu-Cr-Al接点。

由于在制造接点坯料时，原料Cr粉中的Al含量较少，因此，出自与上述实施例的情况相同的考虑，把Cr粉作为引发粉。

把制造好的接点装在上述可卸式简易型真空阀上，评价上述的接触电阻特性、温度上升特性及作为参考的切断特性。其结果表示在图4中。

由图4可见，在75％的Cu-Cr-Al接点中所用的耐弧成分Cr的粒径是0.1μm以下(比较例4)时，与作为标准试样的实施例5的特性相比较，接触电阻特性和温度上升特性都在较好的范围里，但使具有活性的微粉均匀分散并以工业规模供给方面会使接点制造成本和质量管理变得不利，因此不作为本发明对象。

在耐弧成分Cr的粒径是150μm(比较例5)时，与作为标准试样的实施例5的特性相比较，当接触电阻值的平均值、最大值都具有较大增加时，可看到有偏差产生，而且还能看到温度上升特性有显著的降低。特别是用金相显微镜观察切断试验后的接点断面时，发现有许多150μm以上的巨大Cr颗粒和以Cu的界面为起点的长长地连续的龟裂。

在使用其他粒径的Cr的接点上，即使有相同的Cr量也很少发生龟裂。耐弧成分Cr的粒径是0.1μm、70～150μm、100～150μm(实施例7～9)时，与作为标准试样的实施例5的特性几乎同样地处于较好的范围里。

因此，从上述结果出发，为了使本发明的把[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值控制成预定值的效果充分发挥，最好做成将耐弧成分Cr的粒径范围为0.1～150μm的接点。

(实施例10～12、比较例6)

为了清楚地显示第1辅助成分(Al量)影响诸特性的效果，先制造75％Cu-Cr-Al接点(实施例10～12、比较例6)，它是把Cu量大致取成75％，而且使Al量在0.01～4.5％范围内变化。在制造时，宜采用把原料Cr粉中的Al量调制成0.002％左右～0.1％左右的Cr粉作为引发粉。

在本发明的实施过程中，如实施例1～40、比较例1～5、7～8(除比较例6)那样，为了制造含有极少量譬如0.01％～0.1％Al的接点，采用一种在混合工序把原料Cr粉(引发粉)中扣除作为目标的Al量的量进行追加的方法。

具体地说，由于Al量在数量上是极少的，因此通过将Al和与Al量大致等量(等容积)的Cu、Cr中任意一种进行1次混合(1次混合粉)，再把得到的1次混合粉与大致等量(等容积)的Cu进行2次混合(2次混合粉)的方式即可制得均匀混合粉。把这样制得的预定量的均匀混合粉和Cu、Cr充分混合后，在譬如7吨/cm²压力下成型，在真空中1000℃下烧结，就可制得75％Cu-Cr-Al接点材料，此后加工成预定的接点形状，作成接点。

另一方面，在作为目标的Al量是4.5％(比较例6)即比上述多时，虽然可用上述的制作1次混合粉、2次混合粉的方法，但未必一定使用这个方法，也可采用将Cu、Cr和Al粉直接混合的普通方法来获得目标成分量。

由图4可清楚地看到，接点中的Al量是0.01～1.0％(实施例10～12)时，与作为标准试样的实施例5的特性相比较，接触电阻特性、温度上升特性以及在7.2kv、50HZ下每增加1KA电流的同时所调查的切断特性，大致处于同等的较好数值范围里。

但当接点中的Al量是4.5％(比较例6)时，与作为标准试样的实施例5的特性相比较，可见到接触电阻特性、温度上升特性都增大和出现偏差，而且看到切断特性显著恶化。

因此，从上述结果可见，将[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值控制成预定值的效果，在接点中的Al量为0.01～1.0％(实施例10～12)的范围时，可得到发挥。

(实施例13～15)

上述实施例10～12把Cu量取成约75％，把所用的耐弧成分Cr的粒径取成70～100μm，而且把[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值取成2.5％，然后，对第1辅助成分(Al量)的效果进行研究，结果表明：在Al含量为0.01～1.0％的CuCrAl接点上，能有效地发挥将[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值控制成预定值的效果。

上述的将[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值控制成预定值的效果不是只在第1成分是Al的场合下才能发挥，在含有Si、Si+Al、Fe的接点中(实施例13～15)，与作为标准的实施例5相比较，也能得到大致相同的接触电阻特性和温度上升特性，切断特性也是良好的。

(实施例16～21、比较例7)

上述实施例1～15、比较例1～6表示了在由Cu(高导电成分)、Cr(耐弧成分)和第1辅助成分(Al、Si、Fe)构成的接点合金上，将[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值控制成预定值的效果，但是本发明的把[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值控制成预定值的效果不局限于上述结构，对添加第2辅助成分的接点材料也是有效的。

也即，在含有Bi、Te、Sb等改善耐焊接性的第2辅助成分的Cu-Cr-Al系接点上也可看到使其耐焊接性效果得到发挥，有显著提高。此外，如图5所示，与作为标准试样的实施例5的特性相比较，接触电阻特性、温度上升特性和切断特性都处在大致相等的较好数值范围里(实施例16～21)。

虽然第2辅助成分的量在15％(比较例7)时，耐焊接性是良好的，但与作为标准试样的实施例5的特性相比较，显示出高的接触电阻值及其大的偏差幅度，而且显示出高的温度上升值。另外，还看到切断特性的降低和显著的耐电压的降低，本发明的把[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值控制成预定值的效果消失，因此是不好的。

因此，在把第2辅助成分的量取成0.05～5％时，能发挥本发明的把[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值控制成预定值的效果。

(实施例22～29)

上述实施例1～21是把Cr用作耐弧成分的代表材料，但是本发明的把[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值控制成预定值的效果发挥并不局限于Cr。

也即，用99.9％Cr-Ti、95％Cr-Ti、50％Cr-Ti、95％Cr-V、95％Cr-Nb、95％Cr-Ta、95％Cr-Mo、和95％Cr-W替代Cr，与作为标准试样的实施例5的特性相比较，接触电阻特性、温度上升特性和切断特性都在大致相同的较好的范围里(实施例22-29)。

(实施例30～38)

上述实施例1～21是把Cr用作耐弧成分的代表材料，但是本发明的把[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值控制成预定值的效果发挥并不局限于Cr或Cr合金。

也即、即使替代成用Fe、Ni、Co、Ti、V、Nb、Ta、Mo或W包覆Cr表面的Cr，与作为标准试样的实施例5的特性相比较，接触电阻特性、温度上升特性和切断特性都处于大致相等的较好数值的范围里(实施例30～38)。

包覆方法可采用电镀法、阴极真空喷镀、离子镀等常规技术。

(实施例39、40)

上述实施例1～38是表示把Cu用作高导电成分的代表材料的例子，但本发明的把[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值控制成预定值的效果发挥并不局限于此。

也就是说，即使高导电成分是银Ag，与作为标准试样的实施例5的特性相比较，接触电阻特性、温度上升特性和切断特性也在大致相等的较好数值范围里(实施例39、40)。

(比较例8)

上述实施例1～40是表示在把Cr(Cr Ti合金、Ti包覆Cr)等颗粒直径取成0.1μm～150μm时，使本发明的把[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值控制成预定值的效果充分发挥的例子。在接点合金中，耐弧成分的粒径0.1μm～150μm的全部颗粒占90容积％以下时，接触电阻特性、温度上升特性和切断特性方面有显著的差异，上述的把[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]值控制成预定值的效果不能充分发挥。

(变形例1)

将预定的Cu板(Cu粉末、Cu薄板、Cu合金板、AgCu合金板等)与上述混合粉接触地放置(根据需要而加压)后，将该混合粉与上述Cu板一起在非氧化性环境中，在800℃以上、Cu或Ag的熔融温度以下的温度范围内进行烧结，制得至少一面上具有高导电成分层的接点坯料，通过将Cu板面作成接合面，就有利于改善银焊性。

如上所述，若采用本发明，则能提供接触电阻特性和切断特性优良稳定的真空阀。

很显然的，按照上文所讲授的，本发明还可有许多附加的改进和各种变形，本发明可不必按此处所述方式实施，但这些都属本申请要求保护的范围。

Claims

1、一种真空阀，它具有由高导电性成分和耐弧性成分构成的接点坯料，其中的高导电性成分由Cu、Ag中的至少1种构成；其中的耐弧性成分是由Cr构成的，且粒径在0.1～150μm范围里的颗粒占全部颗粒的至少90容积％，其特征在于：

上述接点坯料的900℃时的热膨胀率α₉₀₀和50℃时的热膨胀率α₅₀的差与900℃时的热膨胀率的比率[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]是0.8％～12％。

2、一种真空阀，它具有由Cu、Ag中的至少1种构成的高导电性成分和由Cr构成的、粒径在0.1～150μm范围里的颗粒占全部颗粒的至少90容积％的耐弧性成分，把它们各自均匀地混合而制成“高导电性粉末·耐弧性粉末”混合粉后，在非氧化性环境中，通过对这种混合粉的加热处理，将相对密度调节成88％以上的接点坯料，其特征在于：

上述接点材料的900℃时的热膨胀率α₉₀₀和50℃时的热膨胀率α₅₀的差与900℃时热膨胀率α₉₀₀的比率[(α₉₀₀-α₅₀)×100/(α₉₀₀)]是0.8％～12％。

3、如权利要求1或2所述的真空阀，其特征在于：

上述接点坯料由“高导电性粉末·耐弧性粉末·第1辅助成分粉末”混合粉构成，这种混合粉含有40～80重量％的、作为高导电性成分的Cu或Ag中的至少1种；含有0.01～1.0％的作为第1辅助成分的从Al、Si、Fe中选取的1种以上的元素；其余部分为预定量的作为耐弧性成分的Cr；

上述接点坯料是通过将这种混合粉在非氧化性环境中，用高导电性成分的熔融温度以上的温度、或者800℃以上高导电性成分熔融温度以下的温度(但是高导电性成分的熔融温度是800℃以下时，用高导电性成分的熔融温度以上的温度)进行加热处理而得到的。

4、如权利要求1或2所述的真空阀，其特征在于：

上述接点坯料由“高导电性粉末·耐弧性粉末·第2辅助成分粉末”混合粉构成，这种混合粉含有40～80重量％的、作为高导电性成分的Cu或Ag中的至少1种；含有0.05～5％的作为第2辅助成分的从Bi、Fe、Sb中选取的1种以上的元素；其余部分为预定量的作为耐弧性成分的Cr；

上述接点坯料是将混合粉放在非氧化性环境中，用高导电性成分熔融温度以上的温度、或者800℃以上高导电性成分熔融温度以下的温度(但是高导电性成分的熔融温度是800℃以下时，取高导电性成分的熔融温度以上的温度)进行加热处理而得到的。

5、如权利要求2所述的真空阀，其特征在于：

上述接点坯料是对上述混合粉施加混合粉本体自重确定的压力以上、8吨/cm²以下的压力形成成型体之后，将该成型体放在非氧化性环境中，用高导电性成分的熔融温度以上的温度、或者800℃以上高导电性成分熔融温度以下的温度(但是高导电性成分的熔融温度是800℃以下的，取高导电性成分的熔融温度以上的温度)进行加热处理而得到的。

6、如权利要求2所述的真空阀，其特征在于：

上述接点坯料是使含有Cu的材料和上述混合粉接触地放置(可根据需要而加压)后，将这种混合粉和上述含Cu材料一起放在非氧化环境中，用800℃以上、上述高导电性成分熔融温度以下的温度(但是高导电性成分熔融温度是800℃以下时，取高导电性成分的熔融温度以上的温度)进行烧结而得到的至少一面具有高导电性成分层的接点材料。

7、如权利要求1或2所述的真空阀，其特征在于：

上述接点坯料是用相对于Cr的含量为0.1％～50％的从Ti、V、Nb、Ta、Mo、W中选取1种置换上述Cr的一部分而得到的。

8、如权利要求1或2所述的真空阀，其特征在于：

上述接点坯料是用厚度为0.01～50μm的从Fe、Ni、Co中选择1种包覆上述Cr的表面而得到的。

9、如权利要求1或2所述的真空阀，其特征在于：

上述接点坯料是用厚度为0.01～50μm的从Ti、V、Nb、Ta、Mo、W中选择1种包覆上述Cr的表面而得到的。

10、如权利要求1或2所述的真空阀，其特征在于：

上述接点坯料是由“高导电性粉末·耐弧性粉末·第1辅助成分粉末”混合粉构成，这种混合粉含有40～80重量％的、作为高导电性成分的Cu或Ag中的至少1种；含有0.01～1.0％的作为第1辅助成分的从Al、Si、Fe中选取的1种以上的元素；其余部分为预定量的作为耐弧性成分的Cr，这种混合粉是将预定量的Al、Si、Fe中选择出的1种以上的元素与大致相同容积的从Cu、Ag、Cr中选择出的1种以上的金属预先进行1次预备混合，将经过1次预备混合的1次预备混合粉和剩余部分的金属混合而得到的；

上述接点坯料是通过将这种混合粉在非氧化性环境中，用高导电性成分的熔融温度以上的温度、或者800℃以上高导电性成分熔融温度以下的温度(但是高导电性成分的熔融温度是800℃以下时，用高导电性成分的熔融温度以上的温度)成型、烧结得到的。

11、如权利要求1或2所述的真空阀，其特征在于：

上述接点坯料由“高导电性粉末·耐弧性粉末·第2辅助成分粉末”混合粉构成，这种混合粉含有40～80重量％的、作为高导电性成分的Cu或Ag中的至少1种；含有0.05～5％的作为第2辅助成分的Bi、Fe、Sb中的1种；其余部分为预定量的作为耐弧性成分的Cr，这种混合粉上述接点坯料是将预定量的Bi、Te、Sb中选择出的1种以上元素和大致相同容积的从Cu、Ag、Cr中选择的1种以上的金属预先进行1次预备混合，将经过1次预备混合的1次预备混合粉和剩余部分的金属混合而得到的；

上述接点坯料是将混合粉放在非氧化性环境中，用高导电性成分熔融温度以上的温度、或者800℃以上高导电性成分熔融温度以下的温度(但是高导电性成分的熔融温度是800℃以下时，取高导电性成分的熔融温度以上的温度)成型、烧结得到的。