JP2001351451A - 接触子材料及び接触子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 損耗量が少なく、信頼性の高い接触子材料及
び接触子を提供する。 【解決手段】 粒子径が２〜２０μｍのＷ材と粒子径３
０μｍのＣｒ材とを混合し、プレスにより成形する。こ
の成形体を水素雰囲気中において、１０００℃以上で仮
焼する。仮焼体をさやに入れ、さらにＣｕ粉またはＣｕ
板を入れて、水素雰囲気中において１０００℃以上で熱
処理する。Ｃｕ材が、さや中で溶融し、Ｗ材とＣｒ材か
ら形成される仮焼体中の気孔部に溶浸して、Ｃｕ中にＣ
ｒを含んだＣｕＷ合金となる。使用するＷ材の量は、Ｃ
ｕＷ合金におけるＷの割合が、４５ｗｔ％以上、９５ｍ
ｏｌｌ％以下となるようにする。使用するＣｕ材の量と
Ｃｒ材の量は、ＣｕＷ合金のＣｕ中に存在するＣｒ量が
Ｃｕ成分に対して５〜５０ｍａｓｓ％となるようにす
る。ＣｕＷ合金の導電率は、８Ｓ／ｍ以上となるように
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｃｕ若しくはＣｕ
を主成分とする合金とＷとの合金から成る接触子材料に
係り、製造工程において特定の添加材を加えることによ
り、その損耗量を改善した接触子材料及び接触子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、電気回路を開閉する接触子とし
ては、次の（１）〜（５）に掲げた条件を具備すること
が必要である。（１）材料の消耗、転移が少ない。
（２）接触抵抗が小さく、接触状態が安定である。
（３）接触面が溶損しない。（４）電極開離時の放電に
対する遮断能力が優れている。（５）機械的性質が良好
である。

【０００３】特に、小電流用の接触子の場合には、接触
抵抗の小さいことが要求されるため、接触子材料として
は、主として貴金属系又はその合金が使われている。ま
た、大電流用の接触子の場合には、アークによる高熱に
さらされるので、消耗および溶着に対する耐性が必要で
あり、接触子材料としては、高融点金属系の焼結合金が
使われている。

【０００４】このような接触子材料の中でも、タングス
テン（Ｗ）系の材料は、大電流回路に適し、遮断能力、
機械的強張において優れている。このため、タングステ
ン粉末を加圧成形し、焼結した後に銅（Ｃｕ）を溶浸し
て作られたＣｕＷ合金が、空気中、真空中、油中、ＳＦ
６ガス中の大電流用の接触子材料として広く使われてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＣｕＷ合金
による接触子であっても、高い電流密度の状態で使用す
ると、損耗量が増大する場合がある。特に、近年の電極
の小型化に伴い、電流密度の増加による損耗量の増加を
防ぐ必要性は高まっている。

【０００６】本発明は、上記のような従来技術の問題点
を解決するために提案されたものであり、その目的は、
損耗量が少なく、信頼性の高い接触子材料及び接触子を
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するため、本発明は、Ｃｕ若しくはＣを主成分とする合
金とＷとの合金であるＣｕＷ合金から成る接触子材料に
おいて、以下のような技術的特徴を有する。

【０００８】すなわち、請求項１記載の発明は、Ｃｕよ
りも高融点の添加材料若しくはＣｕよりも高気化熱を有
する添加材料が、少なくとも１種類含まれていることを
特徴とする。また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の接触子材料において、前記添加材料は、Ｎｉ、Ｃ
ｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｂｅのうちの少なくとも
１種であることを特徴とする。また、請求項３記載の発
明は、請求項１又は請求項２記載の接触子材料におい
て、前記Ｃｕを主成分とする合金は、ＣｕＣｒ合金、Ｃ
ｕＢｅ合金、Ｃｕ−Ａｌ _２Ｏ_３分散合金、Ｃｕ−Ｚｒ合
金及びＣｕＡｇ合金の少なくとも１種であることを特徴
とする。以上のような請求項１〜３記載の発明では、Ｃ
ｕＷ合金にＣｕよりも高融点の材料若しくは高い気化熱
を有する材料を添加することによって、損耗量の少ない
接触子を構成することができる。

【０００９】請求項４記載の発明は、請求項１〜３のい
ずれか１項に記載の接触子材料において、前記ＣｕＷ合
金中に存在する前記添加材料が、平均粒径で０．５μｍ
以上であることを特徴とする。以上のような請求項４記
載の発明では、高融点材料若しくは高気化熱を有する材
料が、平均粒径で０．５μｍ以上の大きさで存在してい
るので、損耗量を大幅に低減することができる。

【００１０】請求項５記載の発明は、請求項１〜４のい
ずれか１項に記載の接触子材料において、前記添加材料
が、前記ＣｕＷ合金のＣｕ中に存在し若しくはＣｕに隣
接して存在していることを特徴とする。以上のような請
求項５記載の発明では、ＣｕＷ合金中における高融点材
料若しくは高気化熱を有する材料の存在位置を適切にす
ることによって、損耗量の低減効果を高めることができ
る。

【００１１】請求項６記載の発明は、請求項１〜５のい
ずれか１項に記載の接触子材料において、前記ＣｕＷ合
金におけるＣｕ成分に対する前記添加材料の割合が、５
〜５０ｍａｓｓ％であることを特徴とする。以上のよう
な請求項６記載の発明では、高融点材料若しくは高気化
熱を有する材料のＣｕ成分に対する割合が、５ｍａｓｓ
％以上であるため、損耗量は著しく低減され、５０ｍａ
ｓｓ％以下であるため、導電率の低下が防止される。

【００１２】請求項７記載の発明は、請求項１〜６のい
ずれか１項に記載の接触子材料において、導電率が８Ｓ
／ｍ以上であることを特徴とする。以上のような請求項
７記載の発明では、ＣｕＷ合金の導電率が８Ｓ／ｍ未満
であると、アーク接点として使用する場合に、アークが
つきにくくなるが、本発明においては、導電率が８Ｓ／
ｍ以上であるため、かかる不都合が防止される。

【００１３】請求項８記載の発明は、請求項１〜７のい
ずれか１項に記載の接触子材料において、前記ＣｕＷ合
金におけるＷの割合が、４５ｗｔ％以上、９５ｍｏｌｌ
％以下であることを特徴とする。以上のような請求項８
記載の発明では、ＣｕＷ合金におけるＷの割合が４５ｗ
ｔ％以上であるため、耐アーク性が向上し、９５ｍｏｌ
ｌ％以下であるため、加工性の点において優れている。

【００１４】請求項９記載の発明は、請求項１〜８のい
ずれか１項に記載の接触子材料において、前記ＣｕＷ合
金は、Ｗ粒子径が２〜２０μｍの焼結合金であることを
特徴とする。以上のような請求項９記載の発明では、Ｗ
粒子が２〜２０μｍの範囲内であるため、内部構造を容
易に均一化させることができる。

【００１５】請求項１０記載の発明は、請求項１〜８の
いずれか１項に記載の接触子材料において、前記ＣｕＷ
合金は、Ｗ粒子が連結したスケルトン構造の焼結合金で
あることを特徴とする。以上のような請求項１０記載の
発明では、ＣｕＷ合金がスケルトン構造の焼結合金なの
で、特に、高電流領域で使用する場合に適した構造とな
る。

【００１６】請求項１１記載の発明である接触子は、電
力用開閉機器におけるＣｕ若しくはＣｕを主成分とする
合金又は鋼若しくは鋼を主成分とする合金から成る通電
部と、この通電部に接合される請求項１〜１０のいずれ
か１項に記載の接触子材料からなる接点部とを有するこ
とを特徴とする。以上のような請求項１１記載の発明で
は、損耗量の少ない優れた接点部を有し、電力用開閉機
器に適した接触子を構成することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図面を参
照して以下に説明する。 （１）第１の実施の形態 （構成）請求項１記載の発明に対応する実施の形態を説
明する。なお、本実施の形態は、ＣｕＷ合金において、
Ｃｕ中にＣｕよりも高融点の材料として、クロム（Ｃ
ｒ）を含んだ接触子材料である。すなわち、粒子径が２
〜２０μｍのＷ材と粒子径が３０μｍのＣｒ材とを混合
し、プレスにより成形する。そして、この成形体を水素
雰囲気中において、１０００℃以上で仮焼する。その
後、仮焼体をさやに入れ、さらにＣｕ粉若しくはＣｕ板
を入れて、水素雰囲気中において、１０００℃以上で熱
処理する。

【００１８】すると、Ｃｕ材は、さや中で溶融し、Ｗ材
とＣｒ材から形成される仮焼体中の気孔部に溶浸して、
Ｃｕ中にＣｒを含んだＣｕＷ合金となる。このようなＣ
ｕＷ合金の概略図を、図１に示す。この図１に示すよう
に、ＣｕＷ合金中に存在するＣｒは、ＣｕＷ合金のＣｕ
中若しくはＣｕに隣接した部分に存在する。

【００１９】なお、使用するＷ材の量は、ＣｕＷ合金に
おけるＷの割合が、４５ｗｔ％以上、９５ｍｏｌｌ％以
下となるようにする。使用するＣｕ材の量とＣｒ材の量
は、ＣｕＷ合金のＣｕ中に存在するＣｒ量がＣｕ成分に
対して５〜５０ｍａｓｓ％となるようにする。さらに、
ＣｕＷ合金の導電率は、８Ｓ／ｍ以上となるようにす
る。

【００２０】（作用効果）以上のような本実施の形態の
作用効果は、以下の通りである。すなわち、ＣｕＷ合金
に、Ｃｕよりも高融点のＣｒ材が含まれているので、接
触子の損耗量を低減することができる。特に、Ｃｒ材
は、平均粒径で０．５μｍ未満では、損耗量低減効果は
小さいが、本実施の形態におけるＣｒ材は、Ｃｕが溶浸
してＣｕＷ合金に成ったときに、平均粒径で０．５μｍ
以上の大きさで存在しているので、損耗量を大幅に低減
することができる。

【００２１】また、上述の方法で製造することにより、
ＣｕＷ合金中に存在するＣｒは、ＣｕＷ合金のＣｕ中若
しくはＣｕに隣接した部分に存在することになるので、
損耗量低減効果が大きい。

【００２２】また、ＣｕＷ合金のＣｕ中に存在するＣｒ
量が、Ｃｕ成分に対して５ｍａｓｓ％未満の場合には、
損耗量の低減に効果は少なく、５０ｍａｓｓ％を超える
と、ＣｕＷ合金の導電率が著しく低下するが、本実施の
形態においては、Ｃｒ量が５〜５０ｍａｓｓ％であるた
め、損耗量は著しく低減され、導電率の低下も防止でき
る。特に、ＣｕＷ合金の導電率が８Ｓ／ｍ未満である
と、アーク接点として使用する際、アークがつきにくく
なるが、本実施の形態においては、導電率が８Ｓ／ｍ以
上であるため、かかる不都合が防止される。

【００２３】例えば、大電流を流したときの従来技術に
よる製品（Ａ）と本実施の形態による製品（Ｂ）との損
耗量を比較すると、図２に示すように、製品（Ａ）の損
耗量に対して、製品（Ｂ）は、損耗量を半分に低減する
ことができた。また、Ｃｕ中に在するＣｒ量と損耗量と
の関係を、図３に示す。これによると、Ｃｒ量が５ｍａ
ｓｓ％未満だと、損耗量の低減に効果は少ないが、５ｍ
ａｓｓ％以上であると、損耗量は、著しく低減されるこ
とが分る。

【００２４】また、ＣｕＷ合金において、Ｗの割合が４
５ｗｔ％未満になると、耐アーク性が著しく低下する
が、本実施の形態においては、Ｗの割合が４５ｗｔ％以
上なので、耐アーク性を向上させることができる。さら
に、Ｗの割合が９５ｍｏｌｌ％を超える場合には、材料
の加工性が悪くなるが、本実施の形態においては、Ｗの
割合が９５ｍｏｌｌ％以下なので、加工性の点において
も優れている。

【００２５】また、Ｗ粒子が２μｍ未満か、２０μｍを
超える場合には、内部を均一な構造することが難しい
が、本実施の形態のＣｕＷ合金は、Ｗ粒子が２〜２０μ
ｍの範囲内であるため、内部構造を容易に均一化させる
ことができる。

【００２６】（２）第２の実施の形態 請求項２記載の発明に対応する一つの実施の形態を説明
する。すなわち、本実施の形態は、図４及び図５に示す
ように、Ｃ若しくはＣｕを主成分とする合金から成る通
電部である本体２の先端に、接点部１として、上述の第
１の実施の形態による接触子材料を接合した接触子であ
り、図４は電力用開閉器のアーク接触子の一例、図５は
電力用断路器の接触子の一例である。

【００２７】かかる本実施の形態では、接触子は閉時の
場合、固定側と可動側とが接触しているが、開時の場
合、可動側の接触子が操作機構部に連結して固定側から
離れる。このとき、接触子は、アーク熱を受けるが、本
実施の形態においては、上記の図２に示したように、接
点部１に損耗量を約半分に低減できる接触子材料を用い
ているので、接触子の信頼性が高まるとともに、小型化
も可能となる。

【００２８】（３）他の実施の形態 本発明は上記のような実施の形態に限定されるものでは
ない。例えば、上記の第１の実施の形態におけるＣｕＷ
合金の構造としては、高電流領域で使用する場合には、
Ｗ粒子が連続的に連結したスケルトン構造の焼結合金で
あることが、上述の効果を得る上で望ましい。

【００２９】また、Ｃｒ材は、Ｗ仮焼時に全部添加しな
くても、Ｗ仮焼時とＣｕを溶浸する時とで分割して添加
してもよいし、Ｃｕ溶浸時に全部を添加してもよい。

【００３０】また、高融点材料としては、Ｃｒの他に、
ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニ
オブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ベリリウム（Ｂｅ）
を用いた場合であっても同様の効果を得ることができ
る。さらに、これらの高融点材料を、１種類でなく、複
数種混ぜて用いてもよい。

【００３１】さらに、高融点材料の代わりに、ＣｕＷ合
金に、Ｃｕよりも高気化熱を有する材料を存在させた場
合でも同様の効果を得ることができる。この高気化熱材
料としては、例えば、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎ
ｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）等が考えられる。
さらに、これらの高気化熱材料を、１種類でなく、複数
種混ぜて用いてもよい。

【００３２】また、ＣｕＷ合金におけるＣｕは、Ｃｕ以
外に、クロム銅合金（ＣｕＣｒ合金）、ベリリウム銅合
金（ＣｕＢｅ合金）、アルミナ分散銅合金（Ｃｕ−Ａｌ
₂Ｏ₃分散合金）、ジルコニウム銅合金（Ｃｕ−Ｚｒ合
金）、銀銅合金（ＣｕＡｇ合金）などのＣｕを主成分と
する合金であっても、同じようにＷに溶浸でき、同様の
効果を得ることができる。

【００３３】また、第２の実施の形態における本体２
は、Ｃｕ若しくはＣｕを主成分とする合金の他、鋼若し
くは鋼を主成分とする合金であってもよい。さらに、本
体２と接点部１との接合は、摩擦圧接、熱間圧接、冷間
圧接、拡散接合、爆発圧接、鍛接、超音波接合、ロウ付
け、はんだ付け、抵抗溶接、溶融金属注入溶湯鍛造、鋳
継ぎ、接着剤のいずれの方法によってもよい。

【００３４】また、本体２と接点部１との接合部におい
て、銅若しくは銅合金による層を介して接合することに
よって、特に耐熱温度が高く、電気抵抗も小さい接触子
を構成することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、損
耗量が少なく、信頼性の高い接触子材料及び接触子を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＣｕＷ合金のＣｕ中にＣｒが存在した接触子材
料を示す概略図である。

【図２】従来技術による製品（Ａ）と本実施の形態の製
品（Ｂ）の損耗量の比較を示すグラフである。

【図３】Ｃｕ成分に対するＣｒ量と損耗量との関係を示
すグラフである。

【図４】本発明の第２の実施の形態における電力用開閉
器のアーク接触子を示す側面図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態における電力用断路
器の接触子を示す側面図である。

【符号の説明】

１…接点部 ２…本体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 義康 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 安藤 秀泰 神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号 株 式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者 森 正 神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号 株 式会社東芝浜川崎工場内 Ｆターム(参考） 5G050 AA02 AA06 AA11 AA12 AA13 AA14 AA27 AA29 AA46 AA51 AA54 BA06 CA01 DA03 EA01

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃｕ若しくはＣを主成分とする合金とＷ
   との合金であるＣｕＷ合金から成る接触子材料におい
   て、 Ｃｕよりも高融点の添加材料若しくはＣｕよりも高気化
   熱を有する添加材料が、少なくとも１種類含まれている
   ことを特徴とする接触子材料。
2. 【請求項２】 前記添加材料は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃ
   ｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｂｅのうちの少なくとも１種であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の接触子材料。
3. 【請求項３】 前記Ｃｕを主成分とする合金は、ＣｕＣ
   ｒ合金、ＣｕＢｅ合金、Ｃｕ−Ａｌ_２Ｏ_３分散合金、Ｃ
   ｕ−Ｚｒ合金及びＣｕＡｇ合金の少なくとも１種である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の接触子材
   料。
4. 【請求項４】 前記ＣｕＷ合金中に存在する前記添加材
   料が、平均粒径で０．５μｍ以上であることを特徴とす
   る請求項１〜３のいずれか１項に記載の接触子材料。
5. 【請求項５】 前記添加材料が、前記ＣｕＷ合金のＣｕ
   中に存在し若しくはＣｕに隣接して存在していることを
   特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の接触子
   材料。
6. 【請求項６】 前記ＣｕＷ合金におけるＣｕ成分に対す
   る前記添加材料の割合が、５〜５０ｍａｓｓ％であるこ
   とを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の接
   触子材料。
7. 【請求項７】 導電率が８Ｓ／ｍ以上であることを特徴
   とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の接触子材
   料。
8. 【請求項８】 前記ＣｕＷ合金におけるＷの割合が、４
   ５ｗｔ％以上、９５ｍｏｌｌ％以下であることを特徴と
   する請求項１〜７のいずれか１項に記載の接触子材料。
9. 【請求項９】 前記ＣｕＷ合金は、Ｗ粒子径が２〜２０
   μｍの焼結合金であることを特徴とする請求項１〜８の
   いずれか１項に記載の接触子材料。
10. 【請求項１０】 前記ＣｕＷ合金は、Ｗ粒子が連結した
    スケルトン構造の焼結合金であることを特徴とする請求
    項１〜８のいずれか１項に記載の接触子材料。
11. 【請求項１１】 電力用開閉機器におけるＣｕ若しくは
    Ｃｕを主成分とする合金又は鋼若しくは鋼を主成分とす
    る合金から成る通電部と、この通電部に接合される請求
    項１〜１０のいずれか１項に記載の接触子材料からなる
    接点部とを有することを特徴とする接触子。