JP2002180150A - 真空開閉器用銅−クロム系接点素材の組織制御方法及びその方法により製造された接点素材 - Google Patents
真空開閉器用銅−クロム系接点素材の組織制御方法及びその方法により製造された接点素材Info
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Abstract
ることにより大電流遮断特性と絶縁破壊電圧特性の優れ
た真空開閉器用Cu−Cr系接点素材を製造するための
真空開閉器用銅−クロム系接点素材の組織制御方法及び
その方法により製造された接点素材。 【解決手段】 銅−クロム系接点素材の製造方法におい
て、基材として用いられる銅(Cu)と、接点素材の電
気的特性を向上させるクロム(Cr)及び基材内のクロ
ム粒子を微細にする耐熱元素に対するそれぞれの粉末が
混合された混合粉末を得る段階と;前記混合粉末を焼結
法、溶浸法、加圧成形法から選択されたいずれか一つの
方法により処理し焼結体を得る段階とを含んで成され、
その合金組成範囲は、重量比でCu 20〜80%、C
r 10〜80%、Mo 0.001〜80%、W
0.01〜80%、Ta 0.001〜80%、Nb
0.001〜80%、V 0.001〜80%である。
Description
クロム系接点素材の組織制御方法及びその方法により製
造された接点素材に係り、より詳しくはCu−Cr系接
点材料に耐熱性元素を添加することにより大電流遮断特
性と絶縁破壊電圧特性の優れた真空開閉器用Cu−Cr
系接点素材を製造するための真空開閉器用銅−クロム系
接点素材の組織制御方法及びその方法により製造された
接点素材に関する。
特性が優れているだけでなく、寿命が長く、補修の必要
性が無いため維持費が低廉であり、構造が比較的に単純
なため装置のサイズを縮小することができ、環境親和的
で外部環境の影響を受けないという利点のため、各種の
配電設備、産業用動力設備、国防/教育/科学研究用中
電圧真空遮断機に広く用いられている。このように多用
途に用いられている真空開閉器の性能は電流遮断の際に
接点表面に発生するアーク特性により決定され、アーク
特性は接点材料の特性により決定される。
定する最も重要な因子からの一つである (Paul G. Slad
e: The Vacuum Interrupter Contact, IEEE Transactio
n onComponents, Hybrids, and Manufacturing Technol
ogy, Vol. CHMT-7 (1984) pp.25)。
ともに遂行するために、接点材料は次の互いに相反する
数々の特性を満足しなければならない。接点材料として
要求される主要特性には、(1)遮断容量が大きいこ
と、(2)絶縁電圧が高いこと、(3)接触抵抗が低い
こと、(4)耐溶着特性が優れていること、(5)接点
の消耗量(摩耗量)が少ないこと、(6)さい断電流値
が低いこと、(7)加工性が優れていること、(8)十
分な機械的強度を有することなどである (Furushawa et
al. US Patent 5,853,083(1998); T.Seki, T.Okutomo,
A. Yamamoto, T.Kusano, Conatact Materials for Vac
uum Valve and Method of Manufacturingthe Same, Uni
ted State patent 5,882,488(1999); E.Naya, M.Okumur
a, Canatact for Vacuum Interrupter, United State p
atent 4,870,231(1989); F.Heitzinger, H.Kippenberg,
Karl E.Saeger, and Karl-heinz Schroder, Contact M
aterials for Vacuum Switching Devices, IEEE Transa
tions on Plasma Science,Vol.21, NO.5 (1993) pp.44
7)。
び製造に対する研究は、1970年代以前までは米国と
英国により主導されていたが、80年代以降ヨーロッパ
と日本などの国家でも本格的な研究が遂行され、現在は
全世界的に広く用いられている。特に、1980年まで
は遮断機製造企業のうち Westinghouse, English Elect
ric, Siemens, Mitsubishi など四つの会社だけがCu
−Cr系接点素材を商業用真空遮断機に用いたが、19
80年代以降Cu−Cr系合金の特性が画期的に向上さ
れるに連れて1990年代から市販されている殆どの商
業用中電圧/大電流遮断機にはCu−Cr系接点材料が
用いられている (Paul E. Slade, IEEETransactions on
Components, Packaging, and Manufacturing Technolo
gy-PartA, Vol 17, No.1 (1994) pp.96)。
なり、その使用範囲が既存の遮断回路から原子炉回路と
蓄電回路領域まで拡張されるに従って、既存のCu−C
r系接点材料より優れた電流遮断特性と絶縁電圧特性を
有するCu−Cr系接点材料に対する需要が増加してい
る。即ち、蓄電回路の場合、一般回路より電圧が2倍以
上高く、より優れた耐電圧特性を要する突入電流 (inru
sh current) が通過する回路では、アークの再点弧が深
刻な問題としてなってきている。このような問題点を解
決するためにはCu−Cr系接点材料の電流遮断特性と
絶縁電圧特性を向上させる必要がある。
ためにはMo、W、Nb、Ta、V、Zrなどの耐熱金
属含量を増加させ内部組織を均一化し、Cr粒子のサイ
ズを微細化させる必要がある。
の微細なCu−Cr系接点材料を得るために、粒子サイ
ズが約40μmのクロム(Cr)粉末を原料として用い
ていた (T.Seki, T.Okutomo, A.Yamamoto, T.Kusano: C
onatact Materials for Vacuum Valve and Method of M
anufacturing the Same, United State patent 5,882,4
88(1999))。
点材料の製造原価を増加させる欠点となるだけでなく、
微細なCr粉末表面に緻密なCr酸化物が形成されて酸
素の濃度が高くなる欠点もある。従って、粗大なCr原
料粉末から、Cu基材内に粒子サイズの微細なCr粒子
が分散されているCu−Cr系接点材料を製造するため
には、合金元素添加による組織制御技術の開発が必要と
される。
a、Nb、V、Zrなどの元素が添加されるかクロム粒
子が微細化されることにより真空遮断機の電流遮断特性
と絶縁破壊電圧特性が向上するという事実に基づき、C
u−Cr接点材料製造にクロム粒子サイズが約40μm
の微細なクロム粉末が用いられている。しかし、サイズ
が微細なCr粉末を原料として用いるのはCu−Cr接
点材料の製造工程を複雑にし製造単価を高める欠点があ
る。
大なCr粉末を原料として用いながらも微細なCr粒子
を有するCu−Cr系接点材料を製造するための組織制
御技術が必要とされる。
の如くの従来の技術の問題点を勘案し案出されたものと
して、その目的は欠陥の無い健全な組織を有せしめるこ
とにより遮断性能と絶縁特性の優れた真空開閉器用Cu
−Cr系接点材料を製造することができる真空開閉器用
銅−クロム系接点素材の組織制御方法及びその方法によ
り製造された接点素材を提供することにある。
めに、本発明は、Cu−Cr系接点材料の特性を向上さ
せるためにW、Mo、Ta、Pt、Nb、V、Zrなど
の耐熱金属を添加し、微細組織制御技術を通してクロム
粒子を微細化し、クロム原子と添加元素(W、Mo、T
a、Nb、V、Zrなど)の合金化を促進させ銅基材組
織内部に微細なCr−X(W、Mo、Ta、Nb、V、
Zrなど添加元素を固溶しているクロム)粒子の析出を
増進させた。
料は、W、Mo、Ta、Nb、V、Zrなどの添加元素
効果、クロム粒子の微細化効果、クロムと添加元素の合
金化効果などが重畳されている。従って、本発明のCu
−Cr接点材料は既存のCu−Cr接点材料より優れた
大電流遮断特性と耐電圧特性を示すものである。
溶浸法、高温加圧法などにより製造することができ、前
記合金元素の添加目的は二つある。
などのような元素を添加しCu−Cr接点材料の遮断特
性と絶縁電圧特性を向上させるためのものであり、二つ
目は添加元素を用いてCu基材内に存在するCr粒子サ
イズを微細化させるためのものである。
制御技術を通して直径40〜60μmのCr粒子が分散
されたCu−Cr材料を製造した。Cu−Cr接点材料
の製造に用いた原料粉末の粒子の直径は、それぞれCr
200〜300μm、Mo4μm、W 4μm、Ta
45μm、Nb 45μm、V 50μmであった。
囲(重量比)は次のとおりである。
%、Mo 0.001〜80%、W0.001〜80
%、Ta 0.001〜80%、Nb 0.001〜8
0%、V 0.001〜80%。
能な工法には、溶浸法、焼結法、加圧成形法などがあ
る。
Crと合金元素粉末に少量のCu粉末が混合された粉末
をV字形混合器(V−mixer)又は低速ボールミル
(ball mill)を用いて均一に混合した後、6
00〜1070℃の温度にて1次焼結し多孔質の焼結体
を得た(予備焼結)。
予備焼結体の上に純粋Cu板を積層した後、温度をCu
の融点(1083℃)より高い1100〜1800℃ま
で加熱し、液相のCuが予備焼結体内の気孔を埋め健全
なCu−Cr−合金元素焼結体が製造されるようにした
(溶浸工程)。
た。溶浸の際、真空又は水素雰囲気以外にアルゴン及び
窒素のような不活性ガス雰囲気の使用も可能である(溶
浸後、Cr粒子が微細化され合金元素成分が固溶される
よう長時間維持した場合には粒子微細化のための下記の
後熱処理工程は省略することができる)。
r、合金元素粉末をそれぞれ秤量した後、V字形混合器
又は低速ボールミルを用いて均一に混合した。混合粉末
を型に装入した後、88MPa以上に加圧しCu−Cr
−合金元素成形体を製造した。製造された成形体は固相
焼結或いは液相焼結、又は固相焼結領域にて1次焼結し
た後、焼結温度を液相焼結領域に上昇させ2次焼結する
固相/液相2段焼結工程により最終焼結した。最終焼結
温度での維持時間が比較的に長時間の場合、Cr粒子の
微細化及び固溶化のための後熱処理は省略することがで
きる。
の組成に適したCu、Cr、合金元素粉末をそれぞれ秤
量した後、V字形混合器又は低速ボールミルを用いて均
一に混合した。混合粉末を型に装入した後、高温プレス
を用いて加圧焼結した。加圧焼結の際、温度600〜1
070℃、圧力1〜500MPaの範囲で処理した。
法により健全な焼結組織を有するCu−Cr−合金元素
焼結体を得るのに長い焼結時間は必要としない。しか
し、添加元素(合金元素)によりCr粒子が溶解された
後、Cr−合金元素の固溶体として再析出させるために
は焼結後に維持時間がさらに必要となり得る。特に、C
u−Cr−合金元素焼結体が均質な組織を有するために
は高温(焼結温度)で長時間の維持が必要とされる。
度は1083〜1800℃の範囲であり、維持時間の長
さは維持温度により異なる。即ち、1100℃では20
時間が必要であったが、1800℃では1時間でも十分
であった。
気を用いた。真空又は水素雰囲気以外に窒素、アルゴン
のような不活性雰囲気の使用も可能である。
細なCr粒子がCu基材内に均一に分散されている健全
な組織のCu−Cr−合金元素焼結体が得られた。Cr
粒子の微細化程度及びCr粒子内固溶合金元素原子の分
布(濃度勾配)は、後熱処理温度及び維持時間により異
なる。添加元素分布の勾配の無いCr−合金元素の完全
固溶体を得るためには高い焼結温度と長時間の維持時間
が必要である。
徴を明確に示すであろう。
rなど)の粉末を均一に混ぜた混合粉末を型に装入した
後、1.75ton/cm2以上の圧力で加圧し直径が
25mmのCu−(15〜75)%Cr−10%耐熱元
素の成形体を製造した。
[固相焼結(900〜1075℃)又は液相焼結(11
00〜1250℃)]又は固相/液相2段焼結し健全な
Cu−Cr−耐熱元素焼結体が得られた。
雰囲気は真空又は水素雰囲気を用いた。Cu−Cr−耐
熱元素焼結体内部に存在するCr粒子を微細化するため
に図1に示した熱処理曲線のように、1100℃で20
時間、1800℃で1時間維持した。真空焼結の際の真
空度は5×10-5torr以上であり、水素雰囲気焼結
の際の水素ガスの純度は99.9%以上であった。
u−Cr−耐熱元素系接点材料の代表的な組織写真であ
る。合金元素の元素が添加されたCu−Cr−耐熱元素
接点材料内のクロム粒子のサイズは、図4に示す従来の
Cu−Cr接点材料内のクロム粒子のサイズよりずっと
微細であった。
rなど)の粉末を均一に混ぜた混合粉末を型に装入した
後、0.2〜4ton/cm2以上の圧力で加圧し直径
が25mmのCu−(15〜75)%Cr−(1〜5
0)%耐熱元素成形体を製造した。そして、図1に示し
た熱処理曲線のように、製造された成形体を600〜1
050℃の温度で0.5〜10時間1次予備焼結を実施
し多孔質の焼結体を製造した後、該多孔質の予備焼結体
上に純粋Cu板を載せて加熱し、Cuの融点以上の温度
(1100〜1800℃)で0.5〜20時間維持しC
u融液が多孔質のCu−(15〜75)%Cr−(1〜
50)%耐熱元素予備焼結体内部へと十分に溶浸される
ようにした。
子を微細化させるために1100℃で20時間又は18
00℃で1時間維持した。真空溶浸の際、真空度は5×
10 -5torr以上であり、水素雰囲気下での溶浸の際
の水素ガスの純度は99.9%以上であった。
施例1での焼結組織と類似した組織を得た。
rなど)の粉末を均一に混ぜた混合粉末を直径25mm
の型に装入し、型の温度を600〜1050℃の範囲に
維持した後、1〜500MPaの圧力で加圧成形し健全
なCu−Cr−耐熱元素接点材料を製造した。Cr粒子
を微細化させるために前記実施例1のような方法で熱処
理した。
r−耐熱元素(耐熱元素=Mo、W、Ta、Nb、V、
Zrなど)接点材料において、Cr粒子の直径は、最初
に用いた粒子サイズ200〜300μmから20〜60
μm程度へと減少した。又、微細なCr粒子は相当量の
耐熱元素の元素を固溶していた。Cu−Cr系接点材料
でCr粒子の微細化及びCr粒子内部へのMo、W、T
a、Nb、V、Zrなど耐熱金属元素の固溶によりCu
−Cr系合金の電流遮断特性を向上させ、絶縁破壊電圧
の増大が可能となる。
施例を例として挙げ図示し説明したが、本発明は前記の
実施例に限定されず本発明の精神を逸脱しない範囲内に
て当該発明の属する技術分野において通常の知識を有す
る者により様々な変形と修正が可能であろう。
ための焼結工程の熱処理曲線。
0%W接点材料の組織写真。
%Mo接点材料の組織写真。
Claims (10)
- 【請求項1】 銅−クロム系接点素材の製造方法におい
て、基材として用いられる銅(Cu)と、接点素材の電
気的特性を向上させるクロム(Cr)及び基材内のクロ
ム粒子を微細にする耐熱元素のそれぞれの粉末が混合さ
れた混合粉末を得る段階と;前記混合粉末を焼結法、溶
浸法、加圧成形法から選択されたいずれか一つの方法に
より処理して焼結体を得る段階とを含むことを特徴とす
る真空開閉器用銅−クロム系接点素材の組織制御方法。 - 【請求項2】 前記クロムは、相対密度を減少させて電
気的特性を悪化させる酸化皮膜量を減らすために200
〜300μmの粒子サイズを有するクロム粒子を用いる
ことを特徴とする請求項1に記載の真空開閉器用銅−ク
ロム系接点素材の組織制御方法。 - 【請求項3】 前記耐熱元素はMo、W、Ta、Nb、
V、Zrから選択された少なくともいずれか一種である
ことを特徴とする請求項1に記載の真空開閉器用銅−ク
ロム系接点素材の組織制御方法。 - 【請求項4】 前記銅、クロム、耐熱元素の合金組成範
囲が、重量比でCu20〜80%、Cr 10〜80
%、Mo 0.001〜80%、W 0.001〜80
%、Ta 0.001〜80%、Nb 0.001〜8
0%、V 0.001〜80%であることを特徴とする
請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の真空開閉
器用銅−クロム系接点素材の組織制御方法。 - 【請求項5】 前記焼結法は、前記銅(Cu)の融点以
下の温度にて固体状態に焼結させる固相焼結法と前記銅
(Cu)の融点以上の温度にて液体状態に焼結させる液
相焼結法から選択された少なくともいずれか一つの焼結
法で成されることを特徴とする請求項1に記載の真空開
閉器用銅−クロム系接点素材の組織制御方法。 - 【請求項6】 前記溶浸法は、粉末の成形体を銅の融点
温度以下で予備焼結させ多孔質性の予備焼結体を形成す
る段階と;前記予備焼結体上に銅板を載せた後、銅の融
点以上の温度で加熱し銅の液相を多孔質性の予備焼結体
内部へと溶浸させる段階とで成されることを特徴とする
請求項1に記載の真空開閉器用銅−クロム系接点素材の
組織制御方法。 - 【請求項7】 前記加圧成形法は、銅、クロム、耐熱元
素の粉末を均一に混合して型に装入した後、型の温度を
銅の融点温度以下に維持しながら1〜500MPaの圧
力で加圧して成形することを特徴とする請求項1に記載
の真空開閉器用銅−クロム系接点素材の組織制御方法。 - 【請求項8】 前記焼結処理と溶浸処理とは真空雰囲
気、水素雰囲気又は不活性雰囲気から選択されたいずれ
か一つの雰囲気にて成されることを特徴とする請求項5
又は請求項6に記載の真空開閉器用銅−クロム系接点素
材の組織制御方法。 - 【請求項9】 内部のクロム粒子を微細化させるために
後熱処理する段階を更に含むことを特徴とする請求項1
に記載の真空開閉器用銅−クロム系接点素材の組織制御
方法。 - 【請求項10】 請求項1の方法により製造されたこと
を特徴とする真空開閉器用銅−クロム系接点素材。
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