JP2002327232A - 電気接点用複合材料とその製造方法並びに電気開閉装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】劣化・消耗の少ない電気接点材料を提供する。 【解決手段】タングステンおよび銅を主成分とする電気
接点用複合材料において、カルシウム、マグネシウムお
よびセリウムのそれぞれの酸化物およびホウ化物からな
る群から選ばれた少なくとも１種類の添加化合物（Ａ）
と、チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッ
ケル、ジルコニウム、ニオブおよびモリブデンからなる
群から選ばれた少なくとも１種類の添加金属（Ｂ）と、
を含み、体積比で、タングステンを３０％以上６０％以
下、添加化合物（Ａ）を０．０１％以上５％以下、添加
金属（Ｂ）を０．０１％以上５％以下とし、残りを銅お
よび不純物とし、気孔率を５％未満とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電気接点用複合
材料、特に、タングステンおよび銅を主成分とする電気
接点用複合材料と、その製造方法並びにこれを利用した
電気開閉装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気回路を開閉し、電気の入れ切りを行
うためには開閉機器を必要とするが、これらの開閉機器
には、発電所、変電所の送配電系統を制御するもの、工
場におけるモーター、電熱炉の制御をするもの、またそ
れらの電力を制御するリレーなどがあり、１００Vから
数十万Vに至る広範な領域で使用されている。

【０００３】これらを負荷の大きさにより区分すると次
のようになる。第１は、常時の電流と異常時の短絡電流
を支障なく開閉できるもので、開閉の頻度は一般に少な
く、遮断器（ブレーカー）がこれに属している。遮断器
の種類には、油中遮断器、空気遮断器、ガス遮断器、真
空遮断器、配線用遮断器などがあり、電気回路に漏電が
発生した場合に安全を守る漏電遮断器もこれに含まれ
る。

【０００４】第２は、常時の比較的大きな負荷電流を多
数回開閉できるもので、真空開閉器、電磁開閉器、タッ
プ切替器などの開閉器がこれに該当する。第３は、比較
的小さな負荷電流を多数回開閉するもので、制御用、電
装用、電子・通信用に使用される電磁継電器（リレ
ー）、スイッチがこれに該当する。なお、このほかに、
回路の接続替えや接続を断つことを目的とし、無電流あ
るいはそれに近い状態での回路開閉に使用される断路器
などがある。

【０００５】高電圧用の遮断器、開閉器における接点材
料には、耐アーク性、耐溶着性にすぐれた銅−タングス
テン、銀−タングステン、銀−炭化タングステンなどの
焼結材料の接点が、油中遮断器、ガス遮断器、真空遮断
器に適用されてきた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】経済性と環境調和の観
点から、電力機器の高電圧・大容量化とコンパクト化は
必須課題であり、継続的な開発が進められている。これ
らの開発では、電力機器を構成する材料にとってはきわ
めて過酷な環境となってきた。つまり、電力機器におけ
る接点材料は、さらに過酷な環境において、（１）消耗
量の少ないこと、（２）耐溶着性のあること、（３）接
触抵抗の低いこと、（４）電気伝導体であることが求め
られている。

【０００７】７２ｋV以上の高電圧用の遮断器、開閉器
は、高融点材料であるタングステンまたはモリブデン、
高電気伝導率および高熱伝導率材料である銅または銀の
複合材料が、接点材料として使用されている。これらの
材料は、現用接点材料の中で最も苛酷な条件の用途に適
合するものとして、各種機器に用いられている。しか
し、高電圧下で遮断を繰り返すと、上記の材料は、２万
℃以上ともいわれるアーク熱による蒸発や、動作時の摩
耗により劣化・消耗する。さらに、電力機器システムの
コンパクト化に伴い、接点径が小さくなると、電流密度
が増大するため、劣化・消耗が大きくなることが予想さ
れる。

【０００８】アークによる接点材料の損耗は、主にアー
ク熱による材料の蒸発、開閉動作における摩耗によるこ
とが報告されている。接点材料の寿命が、遮断器、開閉
器の寿命を決めているといっても過言でないため、機器
の高電圧・大容量化やコンパクト化、保守の低減化を実
現するためには、劣化・消耗の少ない接点材料の開発が
求められている。そこで、この発明の目的は、劣化・消
耗の少ない電気接点材料とその製造方法並びに電気開閉
装置を提供することにある。ここに、電気開閉装置は、
遮断器、開閉器、ガス絶縁開閉装置などを含む。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、タングステンおよび銅を主成分
とする電気接点用複合材料において、カルシウム、マグ
ネシウムおよびセリウムのそれぞれの酸化物およびホウ
化物からなる群から選ばれた少なくとも１種類の添加化
合物（Ａ）と、チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバ
ルト、ニッケル、ジルコニウム、ニオブおよびモリブデ
ンからなる群から選ばれた少なくとも１種類の添加金属
（Ｂ）と、を含み、体積(vol)比で、タングステンを３
０％以上６０％以下、前記添加化合物（Ａ）を０．０１
％以上５％以下、前記添加金属（Ｂ）を０．０１％以上
５％以下とし、残りを銅および不純物とし、気孔率を５
％未満とすること、を特徴とする。

【００１０】ここで、タングステンを３０％未満とする
と耐溶着性が低下するため好ましくなく、また、６０％
を越えると電気伝導度が低下するため好ましくない。ま
た、ＡまたはＢが０．０１％未満だと劣化・消耗の低減
効果が発現しない場合があり、５％を越えると電気伝導
度や機械的特性の低下が見られるため好ましくない。さ
らに、気孔率が５％以上であると電気伝導度や機械的特
性の低下が著しいため好ましくない。

【００１１】請求項１の発明によれば、耐熱性が向上す
るとともに、製造性が改善され、安定して劣化・消耗の
少ない接点材料を提供できる。さらに、接点材料の損耗
は遮断電流の１．２〜２乗に比例するといわれており、
材料の体積比は、遮断電流値により上記の範囲内で選定
される。例えば、遮断電流が大きい場合、タングステン
量を上記範囲内で多くすると有効である。

【００１２】また請求項２の発明は、請求項１記載の電
気接点複合材料の製造方法において、前記電気接点複合
材料のタングステンの体積比は４５％以上６０％以下で
あって、当該製造方法は、平均粒径０．５μｍ以上５０
μｍ以下のタングステン粉末と、平均粒径０．０１μｍ
以上５０μｍ以下の前記添加化合物（Ａ）の粉末を用い
て仮焼体を作製する仮焼成工程と、前記仮焼成工程の後
に、銅と前記添加金属（Ｂ）との合金を溶浸させる溶浸
工程と、を有することを特徴とする。

【００１３】ここで、仮焼成とは、原料粉末の粒径が大
きくならない程度の温度で加熱して揮発成分を除去し、
粉末を凝集させることをいう。また、仮焼体とは仮焼成
によってできた粉末の凝集体をいう。

【００１４】タングステン粉末の粒径を０．５μｍ未満
とすると仮焼成工程で局部的に焼結し、均質な組織が得
られにくく、また、５０μｍ超とすると耐アーク性およ
び劣化・消耗のバラツキが大きくなり好ましくない。ま
た、Ａの粉末の粒径を０．０１μｍ未満とすると粉末が
凝集しやすく、均一に分散させた組織を得ることが困難
となり、５０μｍを越えると耐アーク性および劣化・消
耗のバラツキが大きくなるので好ましくない。請求項２
の発明によれば、当該電気接点複合材料のタングステン
の体積比が４５％以上６０％以下である場合に、優れた
材料を製造することができる。

【００１５】また請求項３の発明は、請求項２記載の製
造方法において、前記仮焼成工程の前に、タングステン
の粉末と前記添加化合物（Ａ）の粉末を混合する混合工
程と、その混合工程の後に、所定の形状および成形体密
度になるよう成形する成形工程と、を有し、前記仮焼成
工程は、不活性ガスまたは還元ガスの雰囲気下または減
圧下で、４００℃以上溶浸の温度以下の温度で行い、前
記溶浸工程は、不活性ガスまたは還元ガスの雰囲気下ま
たは減圧下で、銅と前記添加金属（B）との合金の融点
以上でかつ当該融点より３００℃高い温度以下の温度で
行うこと、を特徴とする。

【００１６】ここに、仮焼成工程の温度を４００℃未満
とするとタングステン粉末が仮焼成されないので好まし
くない。また、溶浸工程の温度が添加金属（Ｂ）との合
金の融点より３００℃高い温度よりも高い温度とする
と、蒸発する銅が増加し、溶浸性が低下するため好まし
くない。

【００１７】また請求項４の発明は、請求項１記載の電
気接点複合材料の製造方法において、前記電気接点複合
材料のタングステンの体積比は４０％以上５５％以下で
あって、当該製造方法は、平均粒径０．５μｍ以上５０
μｍ以下のタングステン粉末と、平均粒径０．０１μｍ
以上５０μｍ以下の前記添加化合物（Ａ）の粉末と、平
均粒径０．１μｍ以上５０μｍ以下の前記添加金属
（Ｂ）の粉末とを用いて仮焼体を作製する仮焼成工程
と、前記仮焼成工程の後に、銅を溶浸させる溶浸工程
と、を有することを特徴とする。

【００１８】ここで、Ｂの粉末の粒径を０．１μｍ未満
とすると十分な特性が発現せず、また、粉末が酸化しや
すく、取り扱いも難しいので好ましくない。また、粒径
が５０μｍを越えるものは、耐アーク性および劣化・消
耗のバラツキが大きくなるので好ましくない。また、タ
ングステン粉末およびＡの粉末の粒径の限定の理由は、
請求項２の場合と同様である。

【００１９】また請求項５の発明は、請求項４記載の製
造方法において、前記仮焼成工程の前に、タングステン
の粉末と前記添加化合物の粉末を混合する混合工程と、
その混合工程の後に、所定の形状および成形体密度にな
るよう成形する成形工程と、を有し、前記仮焼成工程
は、不活性ガスまたは還元ガスの雰囲気下または減圧下
で、４００℃以上１０００℃以下の温度で行い、前記溶
浸工程は、不活性ガスまたは還元ガスの雰囲気下または
減圧下で、１０８０℃以上１３８０℃以下の温度で行う
こと、を特徴とする。

【００２０】ここで、仮焼成工程の温度が１０００℃を
越えると、添加したＡ、Ｂの粉末の中で反応するものが
あるので好ましくない。また、１０８０℃未満とする
と、銅が融けず、溶浸できず、また、１３８０℃を越え
ると、銅の蒸発分が増加し、溶浸性が低下するので好ま
しくない。仮焼成工程の温度を４００℃以上に限定する
理由は請求項３と同様である。溶浸工程の温度を１０８
０℃以上に限定する理由は請求項５と同様である。

【００２１】また請求項６の発明は、請求項１記載の電
気接点複合材料の製造方法において、前記電気接点複合
材料のタングステンの体積比は３０％以上４５％以下で
あって、当該製造方法は、平均粒径０．５μｍ以上５０
μｍ以下のタングステン粉末と、平均粒径０．０１μｍ
以上５０μｍ以下の前記添加化合物（Ａ）の粉末と、平
均粒径０．１μｍ以上５０μｍ以下の前記添加金属
（Ｂ）の粉末と、平均粒径０．１μｍ以上５０μｍ以下
の銅の粉末とを用いて焼結する焼結工程を有すること、
を特徴とする。ここに、タングステンおよびＡの粉末の
粒径を限定する理由は請求項２と同様であり、Ｂの粉末
の粒径を限定する理由は請求項４と同様である。

【００２２】また請求項７の発明は、請求項６記載の製
造方法において、前記仮焼成工程の前に、タングステン
の粉末と前記添加化合物（Ａ）の粉末を混合する混合工
程と、その混合工程の後に、所定の形状および成形体密
度になるよう成形する成形工程と、を有し、前記仮焼成
工程は、不活性ガスまたは還元ガスの雰囲気下または減
圧下で、４００℃以上１０８０℃以下の温度で行うこ
と、を特徴とする。ここに、仮焼成工程の温度を４００
℃以上に限定する理由は請求項３と同様であり、１０８
０℃以下に限定する理由は請求項５と同様である。

【００２３】また請求項８の発明は、複合材料を用いた
電気接点を有する電気開閉装置において、前記複合材料
は、タングステンおよび銅を主成分とし、カルシウム、
マグネシウムおよびセリウムのそれぞれの酸化物および
ホウ化物からなる群から選ばれた少なくとも１種類の添
加化合物（Ａ）と、チタン、バナジウム、クロム、鉄、
コバルト、ニッケル、ジルコニウム、ニオブおよびモリ
ブデンからなる群から選ばれた少なくとも１種類の添加
金属（Ｂ）と、を含み、体積比で、タングステンを３０
％以上６０％以下、前記添加化合物（Ａ）を０．０１％
以上５％以下、前記添加金属（Ｂ）を０．０１％以上５
％以下とし、残りを銅および不純物とし、気孔率を５％
未満とすること、を特徴とする。

【００２４】ここに、各数値限定の理由は請求項８と同
様である。請求項８の発明によれば、電気開閉装置の耐
熱性が向上するとともに、製造性が改善され、安定して
劣化・消耗の少ない電気開閉装置を提供できる。

【００２５】また請求項９の発明は、請求項８記載の電
気開閉装置において、前記複合材料を、アーク接触子に
適用することを特徴とする。請求項８の発明によれば、
特にアーク接触子を有する電気開閉装置の耐熱性が向上
するとともに、製造性が改善され、安定して劣化・消耗
の少ない電気開閉装置を提供できる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態につい
て、図１を参照して説明する。図１は、本発明の電気接
点用複合材料の種々の試験体の実施例および比較例につ
いて、各成分の体積比、製造方法、製造された複合材料
の特性等を一覧表で示す。

【００２７】［実施例１〜３］実施例１では、平均粒径
５μmのタングステン粉末と、平均粒径５μmのチタン酸
カルシウム（Ａ）粉末を、５５：２の体積比になるよう
混合し、成形助剤であるパラフィンを混合粉末の１質量
％になるよう添加、粉末を調整し、一軸プレス機を用い
て、成形体密度が１０．６ｇ／ｃｍ^３になるように成形
圧力を調整して、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ３
０ｍｍに成形した。そして、成形体を水素ガス雰囲気で
６００〜１０００℃に加熱して２時間保持し、成形助剤
の除去および仮焼成を行って仮焼体を作った。

【００２８】一方、銅とチタン（Ｂ）の体積比が４２：
１になる銅合金を準備し、仮焼体と銅合金をルツボに入
れて、水素ガス雰囲気で、１０８０℃に加熱して５時間
保持し、銅の溶浸を行った。溶浸後、機械加工により試
験体を作製した。図１の製造方法の欄の「溶浸法ａ」と
は、この実施例１のように、タングステンとＡの粉末か
ら作成した仮焼体に、Ｂと銅を溶浸する方法を意味す
る。

【００２９】実施例２では、平均粒径５μmのタングス
テン粉末と、平均粒径５μmのジルコン酸カルシウム
（Ａ）粉末を、４５：２の体積比になるよう混合し、成
形助剤であるパラフィンを混合粉末の１質量％になるよ
う添加、粉末を調整し、一軸プレス機を用いて、成形体
密度が８．６ｇ／ｃｍ^３になるように成形圧力を調整し
て、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ３０ｍｍに成形
した。そして、成形体を水素ガス雰囲気で６００〜１０
００℃に加熱して２時間保持し、成形助剤の除去および
仮焼成を行った。銅とジルコニウム（Ｂ）の体積比が５
２：１になる銅合金を準備し、仮焼体と銅合金をルツボ
に入れて、水素ガス雰囲気で、１０８０℃に加熱して５
時間保持し、銅の溶浸を行った。溶浸後、機械加工によ
り試験体を作製した。

【００３０】実施例３では、平均粒径５μmのタングス
テン粉末と、平均粒径３０μmの銅粉末と、平均粒径５
μmのホウ化カルシウム粉末と、平均粒径３０μmのバナ
ジウム粉末を、３５：６２：２：１の体積比になるよう
混合し、成形助剤であるパラフィンを混合粉末の１質量
％になるよう添加、粉末を調整し、一軸プレス機を用い
て、成形体密度が１１．９ｇ／ｃｍ^３になるように成形
圧力を調整して、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ３
０ｍｍに成形した。そして、成形体を水素ガス雰囲気で
６００℃に加熱して２時間保持した後、１０００℃に加
熱して２時間保持して、成形助剤の除去および焼成を行
った。焼成後、機械加工により試験体を作製した。図１
の製造方法の欄の「焼結法」とは、この実施例３のよう
に、仮焼成、溶浸の工程を伴わずに焼結を行う方法を意
味する。

【００３１】［比較例１〜５］比較例１では、平均粒径
５μmのタングステン粉末に、成形助剤であるパラフィ
ンを混合粉末の１質量％になるよう添加、粉末を調整
し、一軸プレス機を用いて、成形体密度が８．６ｇ／ｃ
ｍ^３になるように成形圧力を調整して、縦１００ｍｍ×
横１００ｍｍ×高さ３０ｍｍに成形した。そして、成形
体を水素ガス雰囲気で６００〜１０００℃に加熱して２
時間保持し、成形助剤の除去および仮焼成を行った。仮
焼体と銅をルツボに入れて、水素ガス雰囲気で、１１８
０℃に加熱して５時間保持し、銅の溶浸を行った。溶浸
後、機械加工により試験体を作製した。

【００３２】比較例２では、平均粒径５μmのタングス
テン粉末に成形助剤であるパラフィンを混合粉末の１質
量％になるよう添加、粉末を調整し、一軸プレス機を用
いて、成形体密度が１０．６ｇ／ｃｍ^３になるように成
形圧力を調整して、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ
３０ｍｍに成形した。そして、成形体を水素ガス雰囲気
で６００〜１０００℃に加熱して２時間保持し、成形助
剤の除去および仮焼成を行った。銅とチタン（Ｂ）の体
積比が５４：１になる銅合金を準備し、仮焼体と銅合金
をルツボに入れて、水素ガス雰囲気で、１０８０℃に加
熱して５時間保持し、銅の溶浸を行った。溶浸後、機械
加工により試験体を作製した。

【００３３】比較例３では、平均粒径５μmのタングス
テン粉末と、平均粒径３０μmの銅粉末と、平均粒径５
μmのホウ化カルシウム（Ａ）粉末を、３５：６３：２
の体積比になるよう混合し、成形助剤であるパラフィン
を混合粉末の１質量％になるよう添加、粉末を調整し、
一軸プレス機を用いて、成形体密度が１１．９ｇ／ｃｍ
^３になるように成形圧力を調整して、縦１００ｍｍ×横
１００ｍｍ×高さ３０ｍｍに成形した。そして、成形体
を水素ガス雰囲気で６００℃に加熱して２時間保持した
後、１０００℃に加熱して２時間保持して、成形助剤の
除去および焼成を行った。焼成後、機械加工により試験
体を作製した。

【００３４】比較例４では、平均粒径５μmのタングス
テン粉末と、平均粒径５μmのチタン酸カルシウム
（Ａ）粉末を、７０：２の体積比になるよう混合し、成
形助剤であるパラフィンを混合粉末の１質量％になるよ
う添加、粉末を調整し、一軸プレス機を用いて、成形体
密度が１３．４ｇ／ｃｍ^３になるように成形圧力を調整
して、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ３０ｍｍに成
形した。そして、成形体を水素ガス雰囲気で６００〜１
０００℃に加熱して２時間保持し、成形助剤の除去およ
び仮焼成を行った。銅とチタン（Ｂ）の体積比が２７：
１になる銅合金を準備し、仮焼体と銅合金をルツボに入
れて、水素ガス雰囲気で、１０８０℃に加熱して５時間
保持し、銅の溶浸を行った。溶浸後、機械加工により試
験体を作製した。

【００３５】比較例５では、平均粒径５μmのタングス
テン粉末と、平均粒径３０μmの銅粉末と、平均粒径５
μmのホウ化カルシウム（Ａ）粉末と、平均粒径３０μm
のバナジウム（Ｂ）粉末を、２０：７７：２：１の体積
比になるよう混合し、成形助剤であるパラフィンを混合
粉末の１質量％になるよう添加、粉末を調整し、一軸プ
レス機を用いて、成形体密度が１０．２ｇ／ｃｍ^３にな
るように成形圧力を調整して、縦１００ｍｍ×横１００
ｍｍ×高さ３０ｍｍに成形した。そして、成形体を水素
ガス雰囲気で６００℃に加熱して２時間保持した後、１
０００℃に加熱して２時間保持して、成形助剤の除去お
よび焼成を行った。焼成後、機械加工により試験体を作
製した。

【００３６】［実施例４〜９］実施例４では、平均粒径
１μmのタングステン粉末と、平均粒径５μmのセリア
（Ａ）粉末と、平均粒径３０μｍのクロム（Ｂ）粉末
を、５５：２：１の体積比になるよう混合し、成形助剤
であるパラフィンを混合粉末の１質量％になるよう添
加、粉末を調整し、一軸プレス機を用いて、成形体密度
が１０．６ｇ／ｃｍ^３になるように成形圧力を調整し
て、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ３０ｍｍに成形
した。そして、成形体を水素ガス雰囲気で６００〜１０
００℃に加熱して２時間保持し、成形助剤の除去および
仮焼成を行った。仮焼体と銅をルツボに入れて、水素ガ
ス雰囲気で、１０８０℃に加熱して５時間保持し、銅の
溶浸を行った。溶浸後、機械加工により試験体を作製し
た。図１の製造方法の欄の「溶浸法ｂ」とは、この実施
例４のように、タングステンとＡとＢの粉末から作成し
た仮焼体に、銅のみを溶浸する方法を意味する。

【００３７】実施例５では、平均粒径２０μmのタング
ステン粉末と、平均粒径５μmのホウ化セリウム（Ａ）
粉末と、平均粒径３０μｍの鉄（Ｂ）粉末を、５５：
２：１の体積比になるよう混合し、成形助剤であるパラ
フィンを混合粉末の１質量％になるよう添加、粉末を調
整し、一軸プレス機を用いて、成形体密度が１０．６ｇ
／ｃｍ^３になるように成形圧力を調整して、縦１００ｍ
ｍ×横１００ｍｍ×高さ３０ｍｍに成形した。そして、
成形体を水素ガス雰囲気で６００〜１０００℃に加熱し
て２時間保持し、成形助剤の除去および仮焼成を行っ
た。仮焼体と銅をルツボに入れて、水素ガス雰囲気で、
１０８０℃に加熱して５時間保持し、銅の溶浸を行っ
た。溶浸後、機械加工により試験体を作製した。

【００３８】実施例６では、平均粒径５μmのタングス
テン粉末と、平均粒径５μmのマグネシア（Ａ）粉末
を、５５：０．５の体積比になるよう混合し、成形助剤
であるパラフィンを混合粉末の１質量％になるよう添
加、粉末を調整し、一軸プレス機を用いて、成形体密度
が１０．６ｇ／ｃｍ^３になるように成形圧力を調整し
て、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ３０ｍｍに成形
した。そして、成形体を水素ガス雰囲気で６００〜１０
００℃に加熱して２時間保持し、成形助剤の除去および
仮焼成を行った。銅とコバルト（Ｂ）の体積比が４４：
０．５になる銅合金を準備し、仮焼体と銅合金をルツボ
に入れて、水素ガス雰囲気で、１１８０℃に加熱して５
時間保持し、銅の溶浸を行った。溶浸後、機械加工によ
り試験体を作製した。

【００３９】実施例７では、平均粒径５μmのタングス
テン粉末と、平均粒径５μmのホウ化マグネシウム
（Ａ）粉末を、５５：４の体積比になるよう混合し、成
形助剤であるパラフィンを混合粉末の１質量％になるよ
う添加、粉末を調整し、一軸プレス機を用いて、成形体
密度が１０．６ｇ／ｃｍ^３になるように成形圧力を調整
して、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ３０ｍｍに成
形した。そして、成形体を水素ガス雰囲気で６００〜１
０００℃に加熱して２時間保持し、成形助剤の除去およ
び仮焼成を行った。銅とニッケル（Ｂ）の体積比が３
７：４になる銅合金を準備し、仮焼体と銅合金をルツボ
に入れて、水素ガス雰囲気で、１２８０℃に加熱して５
時間保持し、銅の溶浸を行った。溶浸後、機械加工によ
り試験体を作製した。

【００４０】実施例８では、平均粒径５μmのタングス
テン粉末と、平均粒径１μmのホウ化カルシウム（Ａ）
粉末と、平均粒径４５μｍのニオブ（Ｂ）粉末を、５
５：２：１の体積比になるよう混合し、成形助剤である
パラフィンを混合粉末の１質量％になるよう添加、粉末
を調整し、一軸プレス機を用いて、成形体密度が１０．
６ｇ／ｃｍ^３になるように成形圧力を調整して、縦１０
０ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ３０ｍｍに成形した。そし
て、成形体を水素ガス雰囲気で６００〜１０００℃に加
熱して２時間保持し、成形助剤の除去および仮焼成を行
った。仮焼体と銅をルツボに入れて、水素ガス雰囲気
で、１０８０℃に加熱して５時間保持し、銅の溶浸を行
った。溶浸後、機械加工により試験体を作製した。

【００４１】実施例９では、平均粒径５μmのタングス
テン粉末と、平均粒径３０μmのホウ化マグネシウム
（Ａ）粉末と、平均粒径４５μｍのモリブデン（Ｂ）粉
末を、５５：２：１の体積比になるよう混合し、成形助
剤であるパラフィンを混合粉末の１質量％になるよう添
加、粉末を調整し、一軸プレス機を用いて、成形体密度
が１０．６ｇ／ｃｍ^３になるように成形圧力を調整し
て、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ３０ｍｍに成形
した。そして、成形体を水素ガス雰囲気で６００〜１０
００℃に加熱して２時間保持し、成形助剤の除去および
仮焼成を行った。仮焼体と銅をルツボに入れて、水素ガ
ス雰囲気で、１０８０℃に加熱して５時間保持し、銅の
溶浸を行った。溶浸後、機械加工により試験体を作製し
た。

【００４２】［比較例６〜１２］比較例６では、平均粒
径１００μmのタングステン粉末と、平均粒径５μmのセ
リア（Ａ）粉末と、平均粒径１μｍのクロム（Ｂ）粉末
を、５５：２：１の体積比になるよう混合し、成形助剤
であるパラフィンを混合粉末の１質量％になるよう添
加、粉末を調整し、一軸プレス機を用いて、成形体密度
が１０．６ｇ／ｃｍ ^３になるように成形圧力を調整し
て、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ３０ｍｍに成形
した。そして、成形体を水素ガス雰囲気で６００〜１０
００℃に加熱して２時間保持し、成形助剤の除去および
仮焼成を行った。仮焼体と銅をルツボに入れて、水素ガ
ス雰囲気で、１０８０℃に加熱して５時間保持し、銅の
溶浸を行った。溶浸後、機械加工により試験体を作製し
た。

【００４３】比較例７では、平均粒径０．１μmのタン
グステン粉末と、平均粒径５μmのホウ化セリウム
（Ａ）粉末と、平均粒径３０μｍの鉄（Ｂ）粉末を、５
５：２：１の体積比になるよう混合し、成形助剤である
パラフィンを混合粉末の１質量％になるよう添加、粉末
を調整し、一軸プレス機を用いて、成形体密度が１０．
６ｇ／ｃｍ^３になるように成形圧力を調整して、縦１０
０ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ３０ｍｍに成形した。そし
て、成形体を水素ガス雰囲気で６００〜１０００℃に加
熱して２時間保持し、成形助剤の除去および仮焼成を行
った。仮焼体と銅をルツボに入れて、水素ガス雰囲気
で、１０８０℃に加熱して５時間保持し、銅の溶浸を行
った。溶浸後、機械加工により試験体を作製した。

【００４４】比較例８では、平均粒径５μmのタングス
テン粉末と、平均粒径５μmのマグネシア（Ａ）粉末
を、５５：１０の体積比になるよう混合し、成形助剤で
あるパラフィンを混合粉末の１質量％になるよう添加、
粉末を調整し、一軸プレス機を用いて、成形体密度が１
０．６ｇ／ｃｍ^３になるように成形圧力を調整して、縦
１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ３０ｍｍに成形した。
そして、成形体を水素ガス雰囲気で６００〜１０００℃
に加熱して２時間保持し、成形助剤の除去および仮焼成
を行った。銅とコバルト（Ｂ）の体積比が３４：１にな
る銅合金を準備し、仮焼体と銅合金をルツボに入れて、
水素ガス雰囲気で、１２８０℃に加熱して５時間保持
し、銅の溶浸を行った。溶浸後、機械加工により試験体
を作製した。

【００４５】比較例９では、平均粒径５μmのタングス
テン粉末と、平均粒径７５μmのホウ化マグネシウム
（Ａ）粉末を、５５：２の体積比になるよう混合し、成
形助剤であるパラフィンを混合粉末の１質量％になるよ
う添加、粉末を調整し、一軸プレス機を用いて、成形体
密度が１０．６ｇ／ｃｍ^３になるように成形圧力を調整
して、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ３０ｍｍに成
形した。そして、成形体を水素ガス雰囲気で６００〜１
０００℃に加熱して２時間保持し、成形助剤の除去およ
び仮焼成を行った。銅とニッケル（Ｂ）の体積比が４
２：１になる銅合金を準備し、仮焼体と銅合金をルツボ
に入れて、水素ガス雰囲気で、１１８０℃に加熱して５
時間保持し、銅の溶浸を行った。溶浸後、機械加工によ
り試験体を作製した。

【００４６】比較例１０では、平均粒径５μmのタング
ステン粉末と、平均粒径５μmのホウ化カルシウム
（Ａ）粉末と、平均粒径３０μｍのニオブ（Ｂ）粉末
を、５５：２：１０の体積比になるよう混合し、成形助
剤であるパラフィンを混合粉末の１質量％になるよう添
加、粉末を調整し、一軸プレス機を用いて、成形体密度
が１０．６ｇ／ｃｍ^３になるように成形圧力を調整し
て、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ３０ｍｍに成形
した。そして、成形体を水素ガス雰囲気で６００〜１０
００℃に加熱して２時間保持し、成形助剤の除去および
仮焼成を行った。仮焼体と銅をルツボに入れて、水素ガ
ス雰囲気で、１０８０℃に加熱して５時間保持し、銅の
溶浸を行った。溶浸後、機械加工により試験体を作製し
た。

【００４７】比較例１１では、平均粒径５μmのタング
ステン粉末と、平均粒径５μmのホウ化マグネシウム
（Ａ）粉末と、平均粒径１００μｍのモリブデン（Ｂ）
粉末を、４５：２：１の体積比になるよう混合し、成形
助剤であるパラフィンを混合粉末の１質量％になるよう
添加、粉末を調整し、一軸プレス機を用いて、成形体密
度が８．６ｇ／ｃｍ^３になるように成形圧力を調整し
て、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ３０ｍｍに成形
した。そして、成形体を水素ガス雰囲気で６００〜１０
００℃に加熱して２時間保持し、成形助剤の除去および
仮焼成を行った。仮焼体と銅をルツボに入れて、水素ガ
ス雰囲気で、１０８０℃に加熱して５時間保持し、銅の
溶浸を行った。溶浸後、機械加工により試験体を作製し
た。

【００４８】比較例１２では、平均粒径５μmのタング
ステン粉末と、平均粒径１００μmの銅粉末と、平均粒
径５μmのホウ化マグネシウム（Ａ）粉末と、平均粒径
３０μmのモリブデン（Ｂ）粉末を、３５：６２：２：
１の体積比になるよう混合し、成形助剤であるパラフィ
ンを混合粉末の１質量％になるよう添加、粉末を調整
し、一軸プレス機を用いて、成形体密度が１１．９ｇ／
ｃｍ^３になるように成形圧力を調整して、縦１００ｍｍ
×横１００ｍｍ×高さ３０ｍｍに成形した。そして、成
形体を水素ガス雰囲気で６００℃に加熱して２時間保持
した後、１０００℃に加熱して２時間保持して、成形助
剤の除去および焼成を行った。焼成後、機械加工により
試験体を作製した。

【００４９】［各試験体の試験・検査］上記各試験体の
作成後、その試験体について、気孔率、導電率、硬度の
測定および、アーク試験を実施した。気孔率は、２０ｍ
ｍ×２０ｍｍ×１０ｍｍの試験体を切り出し、水銀圧入
法を用いて測定し、５％未満であるかどうか調べた。導
電率は、同様に２０ｍｍ×２０ｍｍ×１０ｍｍの試験体
を切り出し、ＡＳＴＭ Ｂ ３４２（ELECTRICAL CONDUCT
IVITY BY USE OF EDDY CURRENTS）に準拠して、渦電流
を応用したシグマテスト（商品名：SIGMA-TEST）を用い
て測定し、２０％ＩＡＣＳ（International Annealed C
opper Standard）以上であるかどうか調べた。硬度は、
同様に２０ｍｍ×２０ｍｍ×１０ｍｍの試験体を切り出
し、ビッカース硬度試験機を用いて測定し（荷重１〜１
０ｋｇ）、Ｈｖ（ビッカース硬度）１７０以上であるか
どうか調べた。

【００５０】アーク試験は、直径３０ｍｍ×高さ１０ｍ
ｍの試験体を切り出し、減圧プラズマ溶射装置を用い、
熱源としてプラズマアークを用いた試験体のエロージョ
ン試験を行った。２ｋＰａ以下のアルゴンガス雰囲気
で、試験体を陰極とし、水冷した銅陽極との間に電圧を
かけることにより移行アークを発生させている。電源電
圧６０Ｖ、アーク電流６０Ａ、銅陽極と試験体の距離を
１５０ｍｍとし、ガス遮断器に用いる絶縁ガス（六フッ
化硫黄ガス）を０．１／ｓの流量で導入し、６０秒間試
験を実施した。試験前後の重量変化を測定し、損耗量１
ｇ以下であるかどうか調べた。

【００５１】［結果の検討］以上の結果から、実施例１
〜３は、ＡおよびＢともに含有していない比較例１、Ｂ
のみを含有している比較例２、Ａのみを含有している比
較例３と比較して、気孔率、導電率、硬度、アーク損耗
量ともに要求される材料特性を満足できる材料が得られ
た。このとき、Ａのみでは気孔率が１５％と高くなるこ
と、Ｂのみでは十分な効果が得られないことが予想され
る。

【００５２】また、タングステンの体積比が７０％と高
い比較例４、反対にタングステンの体積比が２０％と低
い比較例５と比較して、タングステンの体積比は３０〜
６０％、ＡおよびＢともに０．０１〜５％、残りが銅の
材料構成において、気孔率、導電率、硬度、アーク損耗
量ともに要求される材料特性を満足できる材料を満たす
ことが実験により明らかになった。タングステンが多い
場合、導電率が低下し、また絶縁ガスのアーク分解ガス
により、アーク損耗量が増加するものと思われる。反対
に、タングステンが少ない場合、硬度が低下し、アーク
熱による材料の蒸発が顕著になるため、アーク損耗量が
増加するものと思われる。

【００５３】実施例５〜９は、本発明の電気接点材料の
ＡおよびＢの添加量およびそれらの粉末粒径に関するも
ので、タングステン粉末粒径の大きい比較例６、反対に
タングステン粒径の小さい比較例７、Ａの添加量の多い
比較例８、Ａ粉末粒径の大きい比較例９、Ｂ粉末の添加
量が多い比較例１０、Ｂ粉末の粒径が大きい比較例１
１、銅の平均粒径の大きい比較例１２と比較して、気孔
率、導電率、硬度、アーク損耗量ともに要求される材料
特性を満足できる材料が得られた。ＡおよびＢの添加量
および、タングステン、銅、ＡおよびＢの各粉末粒径
は、適切な範囲があることが実験により明らかになっ
た。このとき、銅合金溶浸法では、銅とＢは溶融した状
態で含浸するため、これらの粒径の規定はないことがわ
かる。同様に、銅溶浸法では、銅は溶融した状態で含浸
するため、この粒径の規定はないことがわかる。

【００５４】本発明の電気接点材料を提供するために
は、製造方法およびプロセス条件が重要である。適正範
囲の組成において緻密な複合材を作製するためには、銅
合金溶浸法、銅溶浸法、焼結法を使い分けることが重要
であることがわかった。また、所定のプロセス条件で作
製することによって、気孔率、導電率、硬度、アーク損
耗量ともに要求される材料特性を満足できる材料が提供
できる。また、部品の大型、複雑形状においても、安定
して製造できる製造プロセスである。

【００５５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、公知の
銅−タングステン材料の耐アーク特性を改良し、耐熱性
および硬度の向上、分解ガスと反応して耐食皮膜を形成
することにより、アーク熱による蒸発、開閉動作におけ
る摩耗、アークにより分解した絶縁ガスによる損耗を抑
制して、耐アーク性にすぐれた電気接点材料とその製造
方法を提供する。そして、この電気接点材料を適用する
ことによって、特に、高電圧に好適な、高信頼性で、長
寿命化が可能なガス遮断器、ガス絶縁開閉装置、空気絶
縁開閉装置等の電気開閉装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電気接点用複合材料およびその製
造方法の実施例および比較例を示す一覧表。

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｃ２２Ｃ 1/05 Ｃ２２Ｃ 1/05 Ｓ 1/10 1/10 Ｇ Ｈ０１Ｈ 1/02 Ｈ０１Ｈ 1/02 Ｃ Ｆ 11/04 11/04 Ｂ (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 伊藤 義康 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 Ｆターム(参考） 4K018 AA04 AA20 AB01 AB04 AC01 BA09 BA11 BB04 DA11 DA31 DA32 FA36 KA34 4K020 AA22 AC07 BB29 BC03 5G023 AA05 AA20 5G050 AA08 AA09 AA11 AA12 AA13 AA14 AA23 AA25 AA27 AA29 AA48 AA50 AA51 AA54 BA08 CA01 DA03 DA04 DA05 EA02 EA20

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タングステンおよび銅を主成分とする電
   気接点用複合材料において、 カルシウム、マグネシウムおよびセリウムのそれぞれの
   酸化物およびホウ化物からなる群から選ばれた少なくと
   も１種類の添加化合物と、 チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケ
   ル、ジルコニウム、ニオブおよびモリブデンからなる群
   から選ばれた少なくとも１種類の添加金属と、 を含み、 体積比で、タングステンを３０％以上６０％以下、前記
   添加化合物を０．０１％以上５％以下、前記添加金属を
   ０．０１％以上５％以下とし、残りを銅および不純物と
   し、気孔率を５％未満とすること、を特徴とする電気接
   点用複合材料。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電気接点複合材料の製造
   方法において、 前記電気接点複合材料のタングステンの体積比は４５％
   以上６０％以下であって、 当該製造方法は、 平均粒径０．５μｍ以上５０μｍ以下のタングステン粉
   末と、平均粒径０．０１μｍ以上５０μｍ以下の前記添
   加化合物の粉末を用いて仮焼体を作製する仮焼成工程
   と、 前記仮焼成工程の後に、銅と前記添加金属との合金を溶
   浸させる溶浸工程と、 を有することを特徴とする製造方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載の製造方法において、 前記仮焼成工程の前に、タングステンの粉末と前記添加
   化合物の粉末を混合する混合工程と、その混合工程の後
   に、所定の形状および成形体密度になるよう成形する成
   形工程と、を有し、 前記仮焼成工程は、不活性ガスまたは還元ガスの雰囲気
   下または減圧下で、４００℃以上溶浸の温度以下の温度
   で行い、 前記溶浸工程は、不活性ガスまたは還元ガスの雰囲気下
   または減圧下で、銅と前記添加金属との合金の融点以上
   でかつ当該融点より３００℃高い温度以下の温度で行う
   こと、 を特徴とする製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１記載の電気接点複合材料の製造
   方法において、 前記電気接点複合材料のタングステンの体積比は４０％
   以上５５％以下であって、 当該製造方法は、 平均粒径０．５μｍ以上５０μｍ以下のタングステン粉
   末と、平均粒径０．０１μｍ以上５０μｍ以下の前記添
   加化合物の粉末と、平均粒径０．１μｍ以上５０μｍ以
   下の前記添加金属の粉末とを用いて仮焼体を作製する仮
   焼成工程と、 前記仮焼成工程の後に、銅を溶浸させる溶浸工程と、 を有することを特徴とする製造方法。
5. 【請求項５】 請求項４記載の製造方法において、 前記仮焼成工程の前に、タングステンの粉末と前記添加
   化合物の粉末を混合する混合工程と、その混合工程の後
   に、所定の形状および成形体密度になるよう成形する成
   形工程と、を有し、 前記仮焼成工程は、不活性ガスまたは還元ガスの雰囲気
   下または減圧下で、４００℃以上１０００℃以下の温度
   で行い、 前記溶浸工程は、不活性ガスまたは還元ガスの雰囲気下
   または減圧下で、１０８０℃以上１３８０℃以下の温度
   で行うこと、 を特徴とする製造方法。
6. 【請求項６】 請求項１記載の電気接点複合材料の製造
   方法において、 前記電気接点複合材料のタングステンの体積比は３０％
   以上４５％以下であって、 当該製造方法は、平均粒径０．５μｍ以上５０μｍ以下
   のタングステン粉末と、平均粒径０．０１μｍ以上５０
   μｍ以下の前記添加化合物の粉末と、平均粒径０．１μ
   ｍ以上５０μｍ以下の前記添加金属の粉末と、平均粒径
   ０．１μｍ以上５０μｍ以下の銅の粉末とを用いて焼結
   する焼結工程を有すること、を特徴とする製造方法。
7. 【請求項７】 請求項６記載の製造方法において、 前記仮焼成工程の前に、タングステンの粉末と前記添加
   化合物の粉末を混合する混合工程と、その混合工程の後
   に、所定の形状および成形体密度になるよう成形する成
   形工程と、を有し、 前記仮焼成工程は、不活性ガスまたは還元ガスの雰囲気
   下または減圧下で、４００℃以上１０８０℃以下の温度
   で行うこと、 を特徴とする製造方法。
8. 【請求項８】 複合材料を用いた電気接点を有する電気
   開閉装置において、 前記複合材料は、 タングステンおよび銅を主成分とし、 カルシウム、マグネシウムおよびセリウムのそれぞれの
   酸化物およびホウ化物からなる群から選ばれた少なくと
   も１種類の添加化合物と、 チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケ
   ル、ジルコニウム、ニオブおよびモリブデンからなる群
   から選ばれた少なくとも１種類の添加金属と、 を含み、 体積比で、タングステンを３０％以上６０％以下、前記
   添加化合物を０．０１％以上５％以下、前記添加金属を
   ０．０１％以上５％以下とし、残りを銅および不純物と
   し、気孔率を５％未満とすること、 を特徴とする電気開閉装置。
9. 【請求項９】 請求項８記載の電気開閉装置において、
   前記複合材料をアーク接触子に適用することを特徴とす
   る電気開閉装置。