JP2002283493A - 異種金属材料の接合構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】耐熱温度が高く、熱による使用部材の機械的特
性の影響もほとんどなく、継手部における電気抵抗も小
さく、信頼性の高い異種金属材料の接合構造を提供す
る。 【解決手段】銅タングステン合金１と、銅または銅を主
成分とする合金３あるいは鋼または鋼を主成分とする合
金のいずれかを接合する異種金属材料の接合構造におい
て、銅タングステン合金１の接合部分に銅または銅合金
から成る層２を設け、この銅または銅合金層２を介して
接合体を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、銅タングステン合
金と、銅または銅を主成分とする合金あるいは鋼または
鋼を主成分とする合金のいずれかを接合する異種金属材
料の接合構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、特開昭６３−９０３６０号公報に
開示された電気接点部品の製造方法（第１の従来例）で
は、銅または銀を主成分とする板状の電気接点材料の台
金との接合面に銀ロウまたはリン酸ロウを重ね、電気抵
抗加熱器の電極でこれらを加圧しながら通電加熱して固
着させている。

【０００３】また、特開平１−２７３６８１号公報に開
示された金属基複合材料の接合方法（第２の従来例）で
は、金属基複合材料同士、または金属基複合材料と金属
材料との接合において、接合面にロウ材を挟んで真空封
入後、熱間静水圧処理により拡散接合するようにしてい
る。

【０００４】さらに、特開昭６０−１１５３８４号公報
に開示されたろう付圧延による複合材料の製造方法（第
３の従来例）では、鋼などの母材と金属材料の合わせ材
の接合面の一方または双方にニッケルメッキを施し、ロ
ウ付けした後、ロウ材の融点以下で圧延するようにして
いる。

【０００５】そして、特開昭５９−３５３２０号公報に
開示された耐弧金属付接触子（第４の従来例）では、異
種金属を接合して構成された耐孤金属付き接触子におい
て、銅または銅合金の台金の接合面に銅層を有する耐孤
金属を設け、この銅層を接合材として台金に耐弧金属を
結合するようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した第
１〜第３の従来例では、接合部材のロウ材の融点が低
く、かつロウ材の電気抵抗が大きいため、接合部の温度
が上昇したときに信頼性が低いという問題がある。ま
た、ロウ材自身の電気抵抗が大きいため、ロウ材部およ
びその界面での通電による発熱が大きく、信頼性を低下
させる原因となっている。

【０００７】また、上記第４の従来例では、アークに晒
されている部分において温度が上昇して、５００℃以上
の温度に達すると、銅または銅合金の台金に軟化が生
じ、銅または銅合金の台金の機械的な特性が低下してし
まう課題があった。

【０００８】以上述べたように、銅タングステン合金と
銅または銅を主成分とする合金あるいは鋼または鋼を主
成分とする合金の接合構造体において、ロウ付けを用い
た場合には、熱に対して信頼性が低いという問題があっ
た。

【０００９】そこで、本発明は上記の課題を解決するた
めになされたものであり、耐熱温度が高く、熱による使
用部材の機械的特性の影響もほとんどなく、継手部にお
ける電気抵抗も小さく、信頼性の高い異種金属材料の接
合構造を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の目
的を達成するため、銅タングステン合金と、銅または銅
を主成分とする合金あるいは鋼または鋼を主成分とする
合金のいずれかを接合する異種金属材料の接合構造にお
いて、前記銅タングステン合金の接合部分に銅または銅
合金から成る層を設け、この銅または銅合金層を介して
接合体を形成することで、耐熱温度が高く、継手部にお
ける電気抵抗も小さく、信頼性の高い異種金属材料の接
合構造を得ることができた。本発明は、上記知見に基づ
いて完成されたものである。

【００１１】すなわち、請求項１記載の発明は、前記銅
タングステン合金の接合部分に銅または銅合金から成る
層を設け、この銅または銅合金層を介して接合体を形成
することを特徴とする。

【００１２】請求項２記載の発明は、請求項１記載の異
種金属材料の接合構造において、銅タングステン合金を
構成している銅が、銅またはクロム銅，ベリリウム銅，
銅−アルミナ分散合金，銅−ジルコニウム合金，銅銀合
金のいずれかであることを特徴とする。

【００１３】請求項３記載の発明は、請求項１記載の異
種金属材料の接合構造において、銅タングステン合金に
おけるタングステンの割合が４５ｗｔ％以上であること
を特徴とする。

【００１４】請求項３記載の発明において、タングステ
ンの割合が４５ｗｔ％未満であると、耐アーク性が著し
く低下するため、４５ｗｔ％以上が望ましい。

【００１５】請求項４記載の発明は、請求項１記載の異
種金属材料の接合構造において、銅タングステン合金
は、タングステン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。

【００１６】請求項５記載の発明は、請求項１記載の異
種金属材料の接合構造において、銅タングステン合金
は、タングステン粒子径が２から２０μｍの焼結合金で
あることを特徴とする。

【００１７】請求項５記載の発明において、タングステ
ン粒子径は、２μｍより小さいとスケルトン構造を形成
しにくく、２０μｍを超えると経済性に劣るため、２か
ら２０μｍの範囲が望ましい。

【００１８】上述の異種金属材料の接合構造において、
接合体は、摩擦圧接，熱間圧接，拡散接合，超音波接
合，抵抗溶接のいずれかの手段で接合されることが望ま
しい。

【００１９】また、銅を主成分とする合金は、銅クロム
合金，銅ベリリウム合金，銅−アルミナ分散合金，銅−
ジルコニウム合金，銅銀合金のいずれかであることが望
ましい。

【００２０】さらに、鋼を主成分とする合金は、軟鋼，
炭素鋼，ステンレス鋼，耐熱鋼，高張力鋼のいずれかで
あることが望ましい。

【００２１】請求項６記載の発明は、請求項１記載の異
種金属材料の接合構造において、銅タングステン合金の
接合部に形成される銅合金は、銅クロム合金，銅ベリリ
ウム合金，銅−アルミナ分散合金，銅−ジルコニウム合
金，銅銀合金のいずれかであることを特徴とする。

【００２２】請求項７記載の発明は、請求項１記載の異
種金属材料の接合構造において、接合構造がリング状の
場合、銅タングステン合金と銅または銅を主成分とする
銅合金、あるいは鋼または鋼を主成分とする合金間に介
在させる前記銅タングステン合金の接合部分に形成した
銅または銅合金から成る層の厚さｔは、リング幅Ｔに対
して、（ｔ／Ｔ）＜０．５であることを特徴とする。

【００２３】請求項７記載の発明において、銅または銅
合金から成る層の厚さｔは、リング幅Ｔに対して、（ｔ
／Ｔ）＜０．５の範囲としたことで、引張り強度が高
く、機械的な信頼性が一段と向上する。

【００２４】請求項８記載の発明は、請求項１記載の異
種金属材料の接合構造において、接合構造が丸棒の場
合、前記銅または銅合金層の厚さｔは、丸棒の直径Ｄに
対して、（ｔ／Ｄ）＜０．５であることを特徴とする。

【００２５】請求項８記載の発明において、銅または銅
合金層の厚さｔは、丸棒の直径Ｄに対して、（ｔ／Ｄ）
＜０．５の範囲としたことで、引張り強度が高く、機械
的な信頼性が一段と向上する。

【００２６】請求項９記載の発明は、請求項１記載の異
種金属材料の接合構造において、接合構造が板状の場
合、前記銅または銅合金層の厚さｔは、板の縦の長さ
ａ、横の長さｂ長さの小さい方に対して、（ｔ／ａ）＜
０．５（但しａ＜ｂの場合）、（ｔ／ｂ）＜０．５（但
しｂ＜ａの場合）であることを特徴とする。

【００２７】請求項９記載の発明において、銅または銅
合金から成る層の厚さｔは、板の縦の長さａ、横の長さ
ｂ長さの小さい方に対して、（ｔ／ａ）＜０．５（但し
ａ＜ｂの場合）、（ｔ／ｂ）＜０．５（但しｂ＜ａの場
合）の範囲としたことで、引張り強度が高く、機械的な
信頼性が一段と向上する。

【００２８】請求項１０記載の発明は、請求項１記載の
異種金属材料の接合構造において、接合部の電気抵抗
が、母材の電気抵抗と同等であることを特徴とする。

【００２９】請求項１１記載の発明は、請求項１￥記載
の異種金属材料の接合構造において、施工後の接合部を
熱処理することを特徴とする。

【００３０】請求項１２記載の発明は、請求項１記載の
異種金属材料の接合構造において、銅タングステン合金
が電力用開閉装置に使用されるアーク接触子の接触子接
点部を構成する一方、銅または銅合金を主成分とする合
金、あるいは鋼または鋼を主成分とする合金のいずれか
が前記接触子接点部以外を構成したことを特徴とする。

【００３１】請求項１３記載の発明は、請求項１記載の
異種金属材料の接合構造において、銅タングステン合金
が電力用断路器に使用される接触子の接触子接点部を構
成する一方、銅または銅合金を主成分とする合金、ある
いは鋼または鋼を主成分とする合金のいずれかが前記接
触子接点部以外を構成したことを特徴とする。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を具体的
な実施例に基づいて説明する。

【００３３】（実施例１）摩擦圧接を用いた銅タングス
テン合金と銅を主成分とする合金として銅クロム合金の
異種金属材料の接合構造において、銅タングステン合金
の接合部に銅層を設け、この銅層を介して接合体を形成
する場合を説明する。

【００３４】すなわち、図１に示すように摩擦圧接を用
い、銅タングステン合金（ＣｕＷ）１の銅層部２に銅ク
ロム合金（ＣｕＣｒ）３を接合して異種金属材料接合体
とする。

【００３５】接合に用いた銅タングステン合金１は、粒
子径が２から２０μｍのタングステン粒子を微量の添加
物を加えて成型プレス、仮焼した後、タングステン粒子
間の空隙に銅を溶浸して焼結合金とする。ここで、タン
グステン粒子径は、２μｍより小さいとスケルトン構造
を形成しにくく、２０μｍを超えると経済性に劣るため
２０μｍ以下とした。

【００３６】また、銅タングステン合金１においては、
タングステンの割合が少なくなると、耐アーク性が著し
く低下するためタングステンの割合は４５ｗｔ％以上が
望ましい。さらに、高電流領域で使用する場合、銅タン
グステン合金１の構造においては、タングステン粒子が
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
が望ましい。

【００３７】銅タングステン合金１の接合部に形成する
銅層部２は、タングステン仮焼後、銅を溶浸する際に形
成する。なお、銅タングステン合金１の接合部に形成さ
れる銅は、銅クロム合金，銅ベリリウム合金，銅−アル
ミナ分散合金，銅−ジルコニウム合金，銅銀合金などの
銅を主成分とする合金でも同じように接合することがで
き、形成される銅または銅合金は、焼結による方法以外
に、肉盛り，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
のいずれかの手段で形成されてもよい。

【００３８】銅タングステン合金１を構成している銅
は、銅またはクロム銅，ベリリウム銅，銅−アルミナ分
散合金，銅−ジルコニウム合金，銅銀合金でもよい。

【００３９】銅クロム合金３の代わりに、銅ベリリウム
合金，銅−アルミナ分散合金，銅−ジルコニウム合金，
銅銀合金，あるいは鋼、鋼を主成分とする合金として軟
鋼，炭素鋼，ステンレス鋼，耐熱鋼，高張力鋼でも同じ
効果が得られる。

【００４０】接合構造において、摩擦圧接の代わりに熱
間圧接，拡散接合，超音波接合，抵抗溶接のいずれかの
方法でもよい。

【００４１】図２は得られた異種金属材料接合体とロウ
付けによる従来品の曲げ強度の温度特性を示すグラフで
ある。図２に示すように、従来品では５００℃以上にお
いて、曲げ強度に低下が見られるが、本実施例品では、
９００℃程度までは曲げ強度の低下が見られない。

【００４２】また、図３は本実施例品と従来品の接合界
面を挟んだ電気抵抗を示すグラフである。図３に示すよ
うに従来品では、銅タングステン合金１と銅クロム合金
３との界面付近においても０．２ｍΩの電気抵抗が見ら
れるが、本実施例品では界面付近での電気抵抗は、０．
０１ｍΩ以下と小さく、接合部の電気抵抗が、母材の電
気抵抗と同等である。そして、接合部に銅層を有した銅
タングステン合金−銅クロム合金の接合体において、台
金に相当する炭素鋼の引張り強度は、９００℃の高温に
おいても低下は見られなかった。

【００４３】これらの結果より、本実施例を用いると、
耐熱温度が高く、かつ継手部における電気抵抗も小さ
く、信頼性の高い異種金属材料の接合構造を得ることが
できる。

【００４４】図４は実施例１の異種金属材料の接合構造
において接合構造がリング状の場合を示す斜視図であ
る。図４において、銅タングステン合金１と銅クロム合
金３の両材料間に介在させる銅タングステン合金１に形
成された銅層部２の厚さｔは、リング幅Ｔに対して、
（ｔ／Ｔ）＜０．５であることが望ましい。図５に示す
ように、この範囲においては、引張り強度が高く、機械
的な信頼性が一段と向上することが判った。

【００４５】図６は実施例１の異種金属材料の接合構造
において接合構造が丸棒の場合を示す斜視図である。図
６において、銅タングステン合金１と銅クロム合金３の
両材料間に介在させる銅タングステン合金１に形成され
た銅層部２の厚さｔは、丸棒の直径Ｄに対して、（ｔ／
Ｄ）＜０．５であることが望ましい。図７に示すよう
に、この範囲においては、引張り強度が高く、機械的な
信頼性が一段と向上することが判った。

【００４６】図８は実施例１の異種金属材料の接合構造
において接合構造が板状の場合を示す斜視図である。図
８において、銅タングステン合金１と銅クロム合金３の
両材料間に介在させる銅タングステン合金１に形成され
た銅層部２の厚さｔは、板の縦の長さａ、横の長さｂに
おいて長さの小さい方に対して、（ｔ／ａ）＜０．５
（但し、ａ＜ｂの場合）、（ｔ／ｂ）＜０．５（但し、
ｂ＜ａの場合）であることが望ましい。図９に示すよう
に、この範囲においては、引張り強度が高く、機械的な
信頼性が一段と向上することが判った。

【００４７】なお、上記の銅層部２を形成した銅タング
ステン合金１と銅クロム合金２からなる異種金属材料の
接合構造において、施工後の接合部を熱処理を行うこと
により、銅層部２の硬さをもとの硬さにまで向上させる
ことが望ましい。

【００４８】（実施例２）図１０は本発明の接合構造を
採用した電力用開閉器のアーク接触子の概略図である。
アーク接触子は閉時の場合、固定側と可動側は接触して
いるが、開時の場合、可動側のアーク接触子が操作機構
部に連結して固定側から離れる。このとき、アーク接触
子は、衝撃的な力を受けるため、アーク接触子には、電
気的特性以外に衝撃強度も要求されている。

【００４９】一般的にアーク接触子は、耐アーク性の強
い銅タングステン合金と銅もしくは銅クロム合金のロウ
付けで構成されており、ロウ付け接合体の電気抵抗が大
きいため、大きな接合面積が必要であり、アーク接触子
の小型化が困難であった。

【００５０】そこで、銅タングステン合金１と銅クロム
合金３の接合界面において，本発明を適用した接合構造
とした。すなわち、銅層部２を形成した銅タングステン
合金１と銅クロム合金３を摩擦圧接して接合した。

【００５１】一般的なアーク接触子のように銅タングス
テン合金と銅クロム合金のロウ付けによる接合では、接
合部の電気抵抗が大きかったが、本発明の接合構造とす
ることで、電気抵抗を低下させることができ、アーク接
触子の信頼性を高めるとともに、小型化も可能となっ
た。

【００５２】（実施例３）図１１は本発明の接合構造を
採用した電力用開閉器の接触子の概略図である。接触子
は閉時の場合、固定側と可動側は接触しているが、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、衝撃的な力を受ける
ために、接触子には、電気的特性が要求されている。

【００５３】一般的に接触子は、耐アーク性の強い銅タ
ングステン合金と銅もしくは銅クロム合金のロウ付けで
構成されており、ロウ付け接合体の電気抵抗が大きいた
め、大きな接合面積が必要であり、接触子の小型化が困
難であった。

【００５４】そこで、銅タングステン合金１と銅クロム
合金３の接合界面において，本発明の接合構造とするこ
とで、電気抵抗を低下させることができ、アーク接触子
の信頼性を高めるとともに、小型化も可能となった。

【００５５】なお、上記実施例２および３において接合
構造が、通電部品として使用される接合において、接合
面が接点部から離れていることが望ましい。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、銅
タングステン合金と、銅または銅を主成分とする合金あ
るいは鋼または鋼を主成分とする合金のいずれかを接合
する異種金属材料の接合構造において、銅タングステン
合金の接合部分に銅または銅合金から成る層を設け、こ
の銅または銅合金層を介して接合体を形成することによ
り、耐熱温度が高く、継手部における電気抵抗も小さ
く、信頼性の高い異種金属材料の接合構造を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る異種金属材料の接合構造の実施例
１を示す概略図。

【図２】従来品と実施例１品の継手強度比を示すグラ
フ。

【図３】従来品と実施例１品の界面の電気抵抗を示すグ
ラフ。

【図４】実施例１の異種金属材料の接合構造において接
合構造がリング状の場合を示す斜視図。

【図５】図４のリング状接合構造の引張り強度を示すグ
ラフ。

【図６】実施例１の異種金属材料の接合構造において接
合構造が丸棒の場合を示す斜視図。

【図７】図６の棒状接合構造の引張り強度を示すグラ
フ。

【図８】実施例１の異種金属材料の接合構造において接
合構造が板状の場合を示す斜視図。

【図９】図８の板状接合構造の引張り強度を示すグラ
フ。

【図１０】本発明の接合構造を採用した電力用開閉器の
アーク接触子の概略図。

【図１１】本発明の接合構造を採用した電力用開閉器の
接触子の概略図

【符号の説明】

１ 銅タングステン合金（ＣｕＷ） ２ 銅層部 ３ 銅クロム合金（ＣｕＣｒ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２３Ｋ 20/00 ３４０ Ｂ２３Ｋ 20/00 ３４０ ３６０ ３６０Ｃ ３６０Ｈ 20/10 20/10 20/12 20/12 Ｄ Ｂ２３Ｋ 103:12 103:12 (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） 4E067 AA07 AA26 BA00 BB02 BF00 BG00 4F100 AA19A AA19B AB01A AB01B AB03C AB13A AB13B AB17A AB17B AB17C AB19A AB19B AB24A AB24B AB31A AB31B AB31C BA03 BA07 BA10A BA10C BA14 DA11 DE01A EC01 EC17 EJ42 EJ48A GB41 JA20B JG04 JG04A JG04B JG04C JJ03 JK01 YY00A YY00B

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 銅タングステン合金と、銅または銅を主
   成分とする合金あるいは鋼または鋼を主成分とする合金
   のいずれかを接合する異種金属材料の接合構造におい
   て、前記銅タングステン合金の接合部分に銅または銅合
   金から成る層を設け、この銅または銅合金層を介して接
   合体を形成することを特徴とする異種金属材料の接合構
   造。
2. 【請求項２】 請求項１記載の異種金属材料の接合構造
   において、銅タングステン合金を構成している銅が、銅
   またはクロム銅，ベリリウム銅，銅−アルミナ分散合
   金，銅−ジルコニウム合金，銅銀合金のいずれかである
   ことを特徴とする異種金属材料の接合構造。
3. 【請求項３】 請求項１記載の異種金属材料の接合構造
   において、銅タングステン合金におけるタングステンの
   割合が４５ｗｔ％以上であることを特徴とする異種金属
   材料の接合構造。
4. 【請求項４】 請求項１記載の異種金属材料の接合構造
   において、銅タングステン合金は、タングステン粒子が
   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
   する異種金属材料の接合構造。
5. 【請求項５】 請求項１記載の異種金属材料の接合構造
   において、銅タングステン合金は、タングステン粒子径
   が２から２０μｍの焼結合金であることを特徴とする異
   種金属材料の接合構造。
6. 【請求項６】 請求項１記載の異種金属材料の接合構造
   において、銅タングステン合金の接合部に形成される銅
   合金は、銅クロム合金，銅ベリリウム合金，銅−アルミ
   ナ分散合金，銅−ジルコニウム合金，銅銀合金のいずれ
   かであることを特徴とする異種金属材料の接合構造。
7. 【請求項７】 請求項１記載の異種金属材料の接合構造
   において、接合構造がリング状の場合、銅タングステン
   合金と銅または銅を主成分とする銅合金、あるいは鋼ま
   たは鋼を主成分とする合金間に介在させる前記銅タング
   ステン合金の接合部分に形成した銅または銅合金から成
   る層の厚さｔは、リング幅Ｔに対して、（ｔ／Ｔ）＜
   ０．５であることを特徴とする異種金属材料の接合構
   造。
8. 【請求項８】 請求項１記載の異種金属材料の接合構造
   において、接合構造が丸棒の場合、前記銅または銅合金
   層の厚さｔは、丸棒の直径Ｄに対して、（ｔ／Ｄ）＜
   ０．５であることを特徴とする異種金属材料の接合構
   造。
9. 【請求項９】 請求項１記載の異種金属材料の接合構造
   において、接合構造が板状の場合、前記銅または銅合金
   層の厚さｔは、板の縦の長さａ、横の長さｂ長さの小さ
   い方に対して、（ｔ／ａ）＜０．５（但しａ＜ｂの場
   合）、（ｔ／ｂ）＜０．５（但しｂ＜ａの場合）である
   ことを特徴とする異種金属材料の接合構造。
10. 【請求項１０】 請求項１記載の異種金属材料の接合構
    造において、接合部の電気抵抗が、母材の電気抵抗と同
    等であることを特徴とする異種金属材料の接合構造。
11. 【請求項１１】 請求項１記載の異種金属材料の接合構
    造において、施工後の接合部を熱処理することを特徴と
    する異種金属材料の接合構造。
12. 【請求項１２】 請求項１記載の異種金属材料の接合構
    造において、銅タングステン合金が電力用開閉装置に使
    用されるアーク接触子の接触子接点部を構成する一方、
    銅または銅合金を主成分とする合金、あるいは鋼または
    鋼を主成分とする合金のいずれかが前記接触子接点部以
    外を構成したことを特徴とする異種金属材料の接合構
    造。
13. 【請求項１３】 請求項１記載の異種金属材料の接合構
    造において、銅タングステン合金が電力用断路器に使用
    される接触子の接触子接点部を構成する一方、銅または
    銅合金を主成分とする合金、あるいは鋼または鋼を主成
    分とする合金のいずれかが前記接触子接点部以外を構成
    したことを特徴とする異種金属材料の接合構造。