JP2003187641A - 電気機器用通電部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低コストで複雑形状とすることもでき、機械
的強度、耐食性に優れ、信頼性の高い電気機器用通電部
材を提供する。 【解決手段】 予め所定形状に加工した銅材２を固定し
て、これをアルミニウム材１によって、鋳造プロセスを
用いて鋳包んで形成したアルミニウム／銅複合化通電部
材とする。この銅材２の両端面は外部に突出しており、
他の通電部材を接続し、ボルトを締結するための複数の
ボルト穴２ａが形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気機器の通電部
材に係り、特に、アルミニウム／銅複合部材を用いた電
気機器用通電部材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、電力機器の小型化、低コスト
化の要請は強く、このような中で、一般に、電力機器を
構成する部材、特に通電部材においては、軽量、高導電
率材料であるアルミニウムが多く使用されている。さら
に、例えば、変電機器であるガス絶縁開閉装置において
は、アルミニウム部材の通電性能向上や接触抵抗低減の
ため、導電率が高い銅材との複合化が要求されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、かかる複合
化したアルミニウム材を絶縁樹脂中で使用する場合に
は、銅材のみが絶縁樹脂と接すると、銅材と絶縁樹脂と
の熱膨張係数差が大きすぎるため、銅材と絶縁樹脂との
界面の信頼性が低下してしまう。

【０００４】また、このようなアルミニウム材と銅材と
の複合化部材は、従来からロウ付け品や爆着接合品が使
用されているが、その製造コストは高い。さらに、これ
らの製法では、接合部の形状が面同士などの単純形状に
限定される。

【０００５】本発明は、以上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、
低コストで複雑形状とすることもでき、機械的強度、耐
食性に優れ、信頼性の高い電気機器用通電部材を提供す
ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、請求項１記載の発明である電気機器用通電部材は、
銅材若しくは銅合金材から成る銅材部を、アルミニウム
材若しくはアルミニウム合金材から成るアルミニウム材
部で鋳包んだ通電部材であって、前記通電部材の両端面
に、他部材と接触通電可能となるように、前記銅材部が
表出していることを特徴とする。以上のような請求項１
の発明では、銅材部をアルミニウム材部で鋳包むことに
よって、相対的に熱膨張係数の大きなアルミニウム材部
が相対的に熱膨張係数の小さな銅材を圧縮方向の残留応
力で締め付ける。このため、アルミニウム材部と銅材部
との界面の信頼性が高まる。また、予め所定形状に加工
した銅材部を固定して鋳造することができるため、製造
コストに関しては、銅材部の加工費、材料費及び仕上げ
加工費に、鋳造費用が加算されるのみである。従って、
非常に低コストに製造することができる。

【０００７】請求項２記載の発明は、請求項１記載の電
気機器用通電部材において、前記銅材部の表出部分にお
けるアルミニウム材部との界面が、一平面上に存在して
いることを特徴とする。以上のような請求項２の発明で
は、アルミニウム材部と銅材部との界面が一平面上に形
成されているため、応力集中点が分散され、強度的信頼
性が高い。

【０００８】請求項３記載の発明は、請求項１又は請求
項２記載の電気機器用通電部材において、前記銅材部の
一部が突出していることを特徴とする。請求項４記載の
発明は、請求項１又は請求項２記載の電気機器用通電部
材において、前記銅材部の一部が凹んでいることを特徴
とする。以上のような請求項３及び請求項４の発明で
は、突出や凹みによって、他部材との接続を良好な状態
とすることができる。

【０００９】請求項５記載の発明は、請求項１〜４のい
ずれか１項に記載の電気機器用通電部材において、前記
アルミニウム材部と前記銅材部の界面全面に、アルミニ
ウムと銅の金属間化合物が形成され、拡散接合されてい
ることを特徴とする。以上のような請求項５の発明で
は、アルミニウム材部と銅材部との接合率が高くなり、
界面抵抗が低くなるので、優れた通電性能が得られる。

【００１０】請求項６記載の発明は、請求項１〜５のい
ずれか１項に記載の電気機器用通電部材において、鋳包
み方向における前記アルミニウム材部が前記銅材部の２
０％以上の肉厚を有することを特徴とする。以上のよう
な請求項６の発明では、アルミニウム材部の肉厚比が銅
材部の２０％以上なので、通電部材の熱膨張係数が銅材
部の熱膨張係数に支配されることがなく、信頼性が向上
する。

【００１１】請求項７記載の発明は、請求項１〜６のい
ずれか１項に記載の電気機器用通電部材において、前記
銅材部の端部における前記アルミニウム材部との自由縁
をなす角度が、３５〜８５度若しくは１１０度以上であ
ることを特徴とする。以上のような請求項７の発明で
は、剛性の異なるアルミニウム材部と銅材部との開先角
度が３５〜８５度若しくは１１０度以上であるため、界
面における応力集中が消失し、優れた衝撃強度特性を得
ることができる。

【００１２】請求項８記載の発明は、請求項１〜７のい
ずれか１項に記載の電気機器用通電部材において、前記
銅材部は、前記アルミニウム材部に前記溶湯鍛造によっ
て鋳包まれていることを特徴とする。以上のような請求
項８の発明では、溶湯鍛造によって製造するため、内部
に巣ができることを防止でき、優れた衝撃強度特性が得
られる。

【００１３】請求項９記載の発明は、請求項１〜８のい
ずれか１項に記載の電気機器用通電部材において、前記
銅材部を前記アルミニウム材部によって鋳包む際に、前
記銅材部表面が粗面化処理されていることを特徴とす
る。以上のような請求項９の発明では、銅材部の表面に
粗面化処理が施されているので、アルミニウムと銅の拡
散接合面積の増加とアンカー効果によって、界面強度が
向上する。

【００１４】請求項１０記載の発明は、請求項１〜９の
いずれか１項に記載の電気機器用通電部材において、前
記銅材部を前記アルミニウム材部によって鋳包む際に、
前記銅材部表面に溶射膜が形成されていることを特徴と
する。以上のような請求項１０の発明では、銅材部の表
面に溶射膜が形成されているため、溶射膜中の気孔にア
ルミニウムが含浸され、界面強度が向上する。

【００１５】請求項１１記載の発明は、請求項１〜１０
のいずれか１項に記載の電気機器用通電部材において、
前記銅材部を前記アルミニウム材部によって鋳包む際
に、前記銅材部表面にニッケルメッキが施されているこ
とを特徴とする。以上のような請求項１１の発明では、
ニッケルメッキによって、アルミニウムと銅の電位差が
低減され、アルミニウムと銅の電食が抑制される。

【００１６】請求項１２記載の発明は、請求項１〜１１
のいずれか１項に記載の電気機器用通電部材において、
前記銅材部を前記アルミニウム材部によって鋳包む際
に、予め銅材部表面にニッケルメッキが施され、さらに
その上にクロムメッキが施されていることを特徴とす
る。以上のような請求項１２の発明では、ニッケルメッ
キとクロムメッキによって、アルミニウムと銅の電位差
が低減され、アルミニウムと銅の電食が抑制される。

【００１７】請求項１３記載の発明は、請求項１〜１２
のいずれか１項に記載の電気機器用通電部材において、
前記アルミニウム材部と、ニッケルメッキ及びクロムメ
ッキを施した銅材部との界面全面に、アルミニウムとク
ロムの金属間化合物若しくはアルミニウムとニッケルの
金属間化合物が形成されていることを特徴とする。以上
のような請求項１３の発明では、金属間化合物によっ
て、アルミニウム材部と銅材部との接合率を高め、界面
抵抗を低くすることができるので、高い信頼性が得られ
る。

【００１８】請求項１４記載の発明は、請求項１〜１３
のいずれか１項に記載の電気機器用通電部材において、
セラミック粒子分散エポキシ樹脂にてモールドされてい
ることを特徴とする。以上のような請求項１４の発明で
は、体積抵抗、接触抵抗が小さい絶縁物中の通電電極と
して利用することができる。

【００１９】請求項１５記載の発明は、請求項１〜１４
のいずれか１項に記載の電気機器用通電部材において、
ガス絶縁開閉装置における主導体の接続電極であること
を特徴とする。以上のような請求項１５の発明では、主
導体の接触抵抗や接触部発熱の低減を図り、ガス絶縁開
閉装置の信頼性を向上させることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態（以
下、実施形態と言う）を、図面を参照して説明する。 （１）第１の実施形態 （構成）請求項１の発明に対応する実施形態を、図１を
参照して説明する。すなわち、本実施形態は、予め所定
形状に加工した銅材２（例えば、Ｃ１０２０）を固定し
て、これをアルミニウム材１（例えば、Ａ５０５２）に
よって、鋳造プロセスを用いて鋳包んで形成したアルミ
ニウム／銅複合化通電部材である。この銅材２の両端面
（図中、上下の端面）は外部に突出しており、他の通電
部材を接続し、ボルトを締結するための複数のボルト穴
２ａが形成されている。なお、以下に示す他の実施形態
も、基本的には本実施形態と同様の鋳造プロセスによっ
て作製される。

【００２１】（作用効果）以上のような本実施形態で
は、鋳造プロセスにおいて、相対的に熱膨張係数の大き
なアルミニウム材１が相対的に熱膨張係数の小さな銅材
２を圧縮方向の残留応力で締め付けている。このため、
アルミニウムと銅との界面の信頼性が高い。

【００２２】また、予め所定形状に加工した銅材を固定
して鋳造するため、製造コストに関しては、銅材の加工
費、材料費及び仕上げ加工費に、鋳造費用が加算される
のみである。このため、単純な形状の場合は勿論、複雑
な形状のものであっても、非常に低コストに製造するこ
とができる。例えば、通常のアルミニウム／銅のロウ付
け品や爆着接合品などに比べると、製造コストは半分程
度になる。

【００２３】（２）第２の実施形態 （構成）請求項２〜４の発明に対応する実施形態を、図
２〜５を参照して説明する。この図２〜４は、部材表面
におけるアルミニウム材１と銅材２の界面が一平面上に
存在しているアルミニウム／銅複合化通電部材を示す。
このうち、図２は、銅材２の端面を全てアルミニウム材
１と同一平面とした構造である。また、図３は銅材２の
端面に突出部２ｂを設けたもの、図４は銅材２の端面に
凹部２ｃを設けたものである。

【００２４】（作用効果）以上のような本実施形態によ
れば、以下のような作用効果が得られる。まず、応力集
中には２種あり、角部などの形状的な変位点に発生する
幾何学的な応力集中と、剛性の異なる材料の界面にて発
生する材料的な応力集中である。ここで、本実施形態
は、アルミニウム／銅界面が一平面上に形成されている
ため、応力集中点が分散される。つまり、部材に応力が
かかったときに発生する応力集中の重複を避けることが
できるので、アルミニウム／銅界面の信頼性が高くな
る。

【００２５】これを証明するため、図１の通電部材と図
２の本実施形態とを比較して行なった衝撃強度試験の結
果を、図５に示す。この試験は、それぞれ複数個のアル
ミニウム／銅複合化部材に衝撃荷重を加え、アルミニウ
ム／銅界面に亀裂が生じるまでの最大衝撃値を相対的に
評価したものである。図５に示すように、図１の通電部
材に比べ、図２の通電部材の衝撃強度比が、２倍近くま
で向上している。これは、図１の通電部材では、幾何学
的な応力集中が発生する角部と、材料的な応力集中が発
生するアルミニウム／銅界面部が一致しているが、図２
の通電部材ではアルミニウム／銅界面が一平面上に形成
されているため、応力集中点が分散されることによるも
のである。

【００２６】なお、ここでは、図２の通電部材の衝撃強
度についての試験結果を示したが、図３及び図４に示し
た部材においても、図２に示した部材と同様に、良好な
衝撃強度特性を示すことが確認されている。さらに、図
３及び図４に示した部材においては、突出部２ｂや凹部
２ｃが形成されているので、他部材の凹部や凸部との嵌
め合い等によって、接続時の強度や安定性などの状態が
良好となる。

【００２７】（３）第３の実施形態 （構成）請求項５の発明に対応する実施形態を、図２及
び図６を参照して説明する。本実施形態は、図２に示し
た形状のアルミニウム／銅複合化通電部材を、上記の実
施形態のように製造する過程において、アルミニウム材
１と銅材２の界面全面にアルミニウムと銅の金属間化合
物が形成され、拡散接合したものである。

【００２８】（作用効果）アルミニウム／銅通電部材の
場合、界面抵抗が高いと大電流通電時に界面にて発熱が
起こり、部材の信頼性が著しく低下してしまう。しか
し、本実施の形態によれば、金属間化合物によって、ア
ルミニウムと銅の界面の接合率が高く、界面抵抗が低く
なるので、界面における発熱等が生じることなく、優れ
た通電性能が得られるとともに、通電部材の信頼性が高
くなる。

【００２９】これを証明するため、鋳造プロセスの製造
条件を変化させるにより、界面の拡散反応状態を変えた
アルミニウム／銅複合化通電部材を作製した。そして、
これらの部材に関し、そのアルミニウム／銅界面の電気
抵抗と超音波探傷による界面の接合率を調査した。その
結果を図６に示す。この試験結果によれば、界面の接合
率が高いほど、界面抵抗が低くなることが明らかであ
る。

【００３０】さらに、これらの界面抵抗と接合率を評価
した部材の界面の断面を、顕微鏡で観察した結果、界面
全体にわたりアルミニウム／銅の金属間化合物（Ａｌ_２
Ｃｕ、Ａｌ_４Ｃｕ_９、ＡｌＣｕ）が形成されている通電
部材では、８０％以上の接合率を有しており、部分的に
金属間化合物が形成されていない部分がある通電部材で
は接合率が８０％以下であった。

【００３１】（４）第４の実施形態 （構成）請求項６の発明に対応する実施形態を、図２及
び図７を参照して説明する。本実施形態は、図２に示し
た形状のアルミニウム／銅複合化通電部材において、鋳
包み方向における銅材２の厚さに対するアルミニウム材
１の肉厚比を、２０％以上としたものである。

【００３２】（作用効果）以上のような本実施形態によ
れば、アルミニウム材１の肉厚比が銅材２の２０％以上
であり厚いので、複合化通電部材の熱膨張係数が、銅材
２の熱膨張係数に支配されることがなく、信頼性が向上
する。

【００３３】これを証明するため、アルミニウム材１の
銅材２に対する肉厚の比率を変化させた通電部材につい
て、エポキシ樹脂で注型する実験を実施した。その実験
結果を図７に示す。図７において、横軸は銅材２の厚さ
に対するアルミニウム材１の肉厚比であり、縦軸はそれ
ぞれの肉厚比の通電部材１０ｐをエポキシ樹脂で注型し
た場合に、エポキシ樹脂中に割れが発生する確率を示
す。この実験結果から明らかなように、銅材２の厚さに
対するアルミニウム材１の肉厚比が２０％以上の場合に
は、エポキシ樹脂中の割れの発生率が０％であり、非常
に信頼性の高い通電部材が作製されている。一方、肉厚
比が２０％未満の場合には、エポキシ樹脂中の割れの発
生率が高い。これは、エポキシ樹脂の熱膨張係数が大き
いため、アルミニウム材１の肉厚が薄いと、複合化通電
部材の熱膨張係数が銅材２の熱膨張係数に支配されてし
まうためである。

【００３４】（５）第５の実施形態 （構成）請求項７の発明に対応する実施形態を、図８及
び図９を参照して説明する。本実施形態は、図８に示す
ように、開先角度、つまり、銅材２の端部におけるアル
ミニウム材１との自由縁をなす角度（図中５で示す）
を、３５〜３８度若しくは１１０度以上としたものであ
る。

【００３５】（作用効果）剛性の異なる異種材料間の界
面においては、開先角度は、応力集中に大きく影響を及
ぼす。特に、特定の開先角度においては、異種材料界面
における応力集中が消失するため、そのような開先角度
で優れた衝撃強度特性が得られる。ここで、本実施形態
においては、開先角度が３５〜３８度若しくは１１０度
に設定されているので、優れた衝撃強度特性を得ること
ができる。

【００３６】これを証明するため、銅材２の端部におけ
るアルミニウム材１との自由縁をなす角度を変化させ
て、アルミニウム材１で銅材２を鋳包んだアルミニウム
／銅複合化通電部材を作製し、上記と同様の衝撃強度試
験を実施した。その試験結果を図９に示す。この試験結
果によれば、開先角度が３５度から８５度又は１１０度
以上の範囲で、優れた衝撃強度特性が得られている。

【００３７】（６）第６の実施形態 （構成）請求項８の発明に対応する実施形態を、図８及
び図１０を参照して説明する。本実施形態は、加熱した
金型内で、銅材２とアルミニウム溶湯を高圧で加圧する
溶湯鍛造によって、図８に示した形状のアルミニウム／
銅複合化通電部材を作製したものである。

【００３８】（作用効果）以上のような本実施形態によ
れば、溶湯鍛造により製造しているため、巣のない通電
部材を作製することができ、優れた衝撃強度が得られ、
信頼性を向上させることができる。

【００３９】これを証明するため、図８に示した形状の
アルミニウム／銅複合化通電部材を作製する場合のプロ
セスとして、重力鋳造と溶湯鍛造を選択し、それぞれの
方法で試験体を作製し、上記の衝撃強度試験を実施し
た。その結果を図１０に示す。この試験結果によれば、
重力鍛造で作製した通電部材（図中６で示す）よりも、
溶湯鍛造で作製した通電部材（図中７で示す）の方が、
優れた衝撃強度特性を有している。これは、重力鋳造で
あると、アルミニウム材１の内部やアルミニウムと銅の
界面に巣が存在するが、溶湯鍛造の場合、巣のない通電
部材を作製できるためである。

【００４０】（７）第７の実施形態 （構成）請求項８の発明に対応する他の実施形態を、図
８、１１〜１４を参照して説明する。すなわち、本実施
形態は、図８に示した形状のアルミニウム／銅複合化通
電部材を製造するにあたり、銅材２をアルミニウム材１
で溶湯鍛造によって鋳包む際に、アルミニウム溶湯温度
を６５０℃〜８５０℃にしたもの、予め金型を２００℃
以上に加熱しておいて鋳包んだもの、鋳包む際の加圧力
を５０ＭＰａ以上としたもの、鋳包んだ後の降温時にお
いて、２５０℃以下の降温速度を２００℃／ｈ以下にし
たものの、いずれか一つ若しくはこれらを組み合わせて
製造したものである。

【００４１】（作用効果）以上のような本実施形態の作
用効果を、アルミニウム溶湯温度、金型予熱温度、加圧
力、溶湯鍛造後の２５０℃以下における降温速度の４種
の製造条件に分けて、これらについてそれぞれ衝撃強度
試験を行なった結果に基づいて説明する。

【００４２】（ａ）アルミニウム溶湯温度の影響 アルミニウム溶湯温度を６００℃から９００℃に変化さ
せて、アルミニウム／銅複合化通電部材を作製した。こ
こで、金型の予熱温度は２５０℃、加圧力は８０ＭＰ
ａ、溶湯鍛造後の降温速度は電気炉内で２００℃／ｈと
した。そして、この通電部材の衝撃強度試験を行なった
結果を、図１１に示す。この試験結果によれば、６５０
℃から８５０℃の範囲で優れた衝撃強度特性が得られて
いる。

【００４３】これはアルミニウム溶湯温度が低いと、溶
湯鍛造プロセス中においてアルミニウムの凝固が早く起
こりすぎてしまうため、アルミニウムと銅の拡散反応が
進まず、アルミニウム／銅界面に欠陥が生じやすくなる
ためである。また、アルミニウム溶湯温度が８５０℃よ
りも高いと、アルミニウム材中の成分が不安定になるた
めである。このように溶湯鍛造プロセスにおいてアルミ
ニウム溶湯温度を６５０℃から８５０℃とすることによ
り、信頼性の高いアルミニウム／銅複合化通電部材を構
成できる。

【００４４】（ｂ）金型予熱温度の影響 金型予熱温度を１００℃から３００℃に変化させて、ア
ルミニウム／銅複合化通電部材を作製した。ここで、ア
ルミニウム溶湯温度は７５０℃、加圧力は８０ＭＰａ、
溶湯鍛造後の降温速度は電気炉内で２００℃／ｈとし
た。そして、この通電部材に対して行なった衝撃強度試
験の結果を、図１２に示す。

【００４５】この試験結果によれば、２００℃以上の範
囲で優れた衝撃強度特性が得られている。これは、金型
予熱温度が低いと、溶湯鍛造プロセス中においてアルミ
ニウムの凝固が早く起こりすぎてしまうため、アルミニ
ウムと銅の拡散反応が進まず、アルミニウム／銅界面に
欠陥が生じやすくなるためである。このように溶湯鍛造
プロセスにおいて、金型予熱温度を２００℃以上にする
ことにより、信頼性の高い通電部材を構成できる。

【００４６】（ｃ）加圧力の影響 加圧力を３０ＭＰａから１００ＭＰａに変化させて、ア
ルミニウム／銅複合化通電部材を作製した。ここで、ア
ルミニウム溶湯温度は７５０℃、金型予熱温度を２５０
℃、溶湯鍛造後の降温速度は電気炉内で２００℃／ｈと
した。この通電部材に対して行なった衝撃強度試験の結
果を、図１３に示す。

【００４７】この試験結果によれば、５０ＭＰａの範囲
で優れた衝撃強度特性が得られている。これは加圧力が
低いとアルミニウム材またはアルミニウム／銅界面にお
いて、巣が発生することがあるためである。このように
溶湯鍛造プロセスにおいて、加圧力を５０ＭＰａ以上に
することにより、信頼性の高い通電部材を構成できる。

【００４８】（ｄ）降温速度の影響 溶湯鍛造後に金型から取り出した溶湯鍛造品の２５０℃
以下における降温速度を、電気炉内の温度制御により１
５０℃／ｈから３５０℃／ｈに変化させてアルミニウム
／銅複合化通電部材を作製した。ここで、アルミニウム
溶湯温度は７５０℃、金型予熱温度を２５０℃、加圧力
は８０ＭＰａとした。この通電部材に対して行なった衝
撃強度試験の結果を、図１３に示す。

【００４９】この試験結果によれば、２００℃／ｈ以下
の範囲で優れた衝撃強度特性が得られている。これはア
ルミニウムが剛性をもつ温度範囲において、降温速度が
速いとアルミニウムと銅の熱膨張係数差によりアルミニ
ウム／銅界面において欠陥が生じやすいためである。こ
のように溶湯鍛造プロセスにおいて２５０℃以下の降温
速度を２５０℃／ｈ以下に制御することにより、信頼性
の高い通電部材を構成できる。

【００５０】（８）第８の実施形態 （構成）請求項９の発明に対応する実施形態を、図８及
び図１５を参照して説明する。すなわち、本実施形態
は、図８に示した形状のアルミニウム／銅複合化通電部
材を作製する場合、銅材２をアルミニウム材１で鋳包む
際に、予め銅材２の表面を粗面化処理したものである。

【００５１】（作用効果）以上のような本実施形態によ
れば、銅材２の表面に粗面化処理を施すことにより、ア
ルミニウムと銅の拡散接合面積の増加とアンカー効果に
より、アルミニウム／銅界面の強度を向上させることが
でき、信頼性の高い通電部材が得られる。

【００５２】これを証明するために、図８に示した形状
のアルミニウム／銅複合化通電部材を、銅材２の表面状
態を変えて作製した。ここで表面状態は、機械加工仕上
げそのままのもの（図中８で示す）と、アルミニウムと
拡散接合される面をブラストにより粗面化処理したもの
（図中９で示す）の２通りとし、それぞれの試験体につ
いて、上記の衝撃強度試験を実施した。その結果を、図
１５に示す。この試験結果によれば、粗面化処理を施し
た通電部材の方が、優れた衝撃強度特性を有している。

【００５３】（９）第９の実施形態 （構成）請求項１０の発明に対応する実施形態につい
て、図８及び図１６を参照して説明する。本実施形態
は、図８に示した形状のアルミニウム／銅複合化通電部
材を作製する場合、銅材２をアルミニウム材１で鋳包む
際に、銅材２の表面に予め銅の溶射膜を形成したもので
ある。

【００５４】（作用効果）以上のような本実施形態によ
れば、銅材２の表面に溶射膜が形成されているので、溶
射膜中の気孔にアルミニウムが含浸され、アルミニウム
／銅界面の強度が向上する。これにより、優れた衝撃強
度特性を有し、高い信頼性の通電部材を構成できる。

【００５５】これを証明するため、図８に示した形状の
アルミニウム／銅複合化通電部材について、銅材の表面
に銅の溶射膜を０．５ｍｍの厚さで形成したもの（図中
１１で示す）と、機械加工仕上げのみのもの（図中１０
で示す）を作製し、上記の衝撃強度試験を実施した。そ
の結果を図１６に示す。この試験結果によれば、溶射膜
を形成した通電部材の方が優れた衝撃強度特性を有して
いる。

【００５６】（１０）第１０の実施形態 （構成）請求項１０の発明に対応する他の実施形態を、
図８、図１７及び図１８を参照して説明する。本実施形
態は、図８に示した形状のアルミニウム／銅複合化通電
部材を、銅材２の表面に溶射膜を形成して作製するに当
たって、溶射膜の厚さを０．１〜１ｍｍの範囲としたも
の、溶射膜の材料を銅又は銅合金としたものの一つ若し
くはこれらを組み合わせたものである。

【００５７】（作用効果）以上のような本実施形態の作
用効果を、溶射膜厚、溶射膜材料の製造条件に分けて、
これらについてそれぞれ行った衝撃強度試験に基づいて
説明する。

【００５８】（ａ）溶射膜厚の衝撃強度への影響 溶射膜材料を銅として、膜厚を０．０５ｍｍから２ｍｍ
へ変化させてアルミニウム／銅複合化通電部材を作製
し、上記の衝撃強度試験を実施した結果を、図１７に示
す。この試験結果によれば、溶射膜厚が０．１ｍｍから
１ｍｍの範囲の通電部材において優れた衝撃強度特性を
有している。これは、溶射膜厚が０．１ｍｍより薄い
と、溶射膜へアルミニウムが含浸する量が少ないため、
アルミニウムと銅の界面強度を向上させる効果が低く、
また、溶射膜厚が１ｍｍより厚いと溶射膜中の残留応力
が大きくなり、銅材２と溶射膜の密着強度が低下するた
めである。このように、銅材２に予め溶射膜を形成して
作製する場合、溶射膜厚を０．１ｍｍら１ｍｍにするこ
とにより、信頼性の高い通電部材を構成できる。

【００５９】（ｂ）溶射材料の衝撃強度への影響 溶射材料を銅または１３Ｃｒ鋼、膜厚を０．５ｍｍとし
てアルミニウム／銅複合化通電部材を作製して、上記の
衝撃強度試験を実施した結果を、図１８に示す。この試
験結果によれば、溶射材料を１３Ｃｒ鋼としたもの（図
中１２で示す）よりも、銅としたもの（図中１３で示
す）の方が、優れた衝撃強度特性を有している。これ
は、溶射材料を１３Ｃｒ鋼とした場合には、基材の銅材
２と溶射材料との線膨張係数が異なるため、その界面に
て溶射プロセス中若しくは溶湯鍛造プロセス中に、大き
な熱応力が発生しやすく、溶射膜と銅材２のの界面強度
が低下するためである。このように、銅材に予め溶射膜
を形成して作製する場合、溶射材料を銅にすることによ
り、高い衝撃強度をもつ、信頼性の高い通電部材を構成
できる。

【００６０】（１１）第１１の実施形態 （構成）請求項１１の発明に対応する実施形態を、図
６、図８、図１９及び図２０を参照して説明する。本実
施形態は、図８に示した形状のアルミニウム／銅複合化
通電部材を作製する場合に、銅材２に予めニッケルメッ
キを施したもの、そのニッケルメッキの厚さを１０μｍ
以上としたもの、アルミニウムと銅の界面全面にアルミ
ニウムとニッケルの金属間化合物を形成したものの一つ
若しくはこれらを組み合わせたものである。

【００６１】（作用効果）以上のような本実施形態の作
用効果を、ニッケルメッキの有無、ニッケルメッキの厚
さ、金属間化合物の有無の製造条件に分けて、これらに
ついてそれぞれ行った塩水噴霧試験の結果に基づいて説
明する。

【００６２】（ａ）ニッケルメッキの有無の影響 図８に示した形状のアルミニウム／銅複合化通電部材を
作製する場合、銅材２の表面に予めニッケルメッキを施
したものと機械加工仕上げのみのものを作製し、塩水噴
霧試験を実施した。塩水噴霧試験では複合化通電部材に
１０００ｈの間、塩水を噴霧し、その前後の重量変化を
評価した。その結果を図１９に示す。

【００６３】この試験結果によれば、機械加工仕上げの
みのもの（図中１４で示す）よりも、ニッケルメッキを
施したもの（図中１５で示す）の方が、重量減少量が少
なく、優れた耐食性を有している。これはニッケルメッ
キ層をアルミニウムと銅の間に存在させることにより、
アルミニウムと銅の電位差が低減され、アルミニウムと
銅の電食を抑制するためである。このようにアルミニウ
ム／銅複合化通電部材を作製する場合、銅材に予めニッ
ケルメッキを施すことにより、耐食性に優れ、信頼性の
高い通電部材を構成できる。

【００６４】（ｂ）ニッケルメッキの厚さの影響 ニッケルメッキの厚さを５μｍから２０μｍに変化させ
たアルミニウム／銅複合化通電部材について、塩水噴霧
試験を実施した。その結果を図２０に示す。この試験結
果によれば、ニッケルメッキ層が１０μｍ以上の試験体
において重量減少量が少なく、優れた耐食性を有してい
る。これはニッケルメッキの厚さが５μｍ以下の場合は
アルミニウムとニッケルが反応したときにニッケル層が
薄いため、部分的にニッケルが無くなり、アルミニウム
と銅が反応してしまい、アルミニウムと銅が接して電位
差が大きくなる部分ができるためである。このように予
め銅材にニッケルメッキを施してアルミニウム／銅複合
化通電部材を作製する場合、ニッケルメッキの厚さを１
０μｍ以上にすることにより、耐食性に優れ、信頼性の
高い通電部材を構成できる。

【００６５】（ｃ）金属間化合物の有無の影響 銅材に予めニッケルメッキを施して作製するアルミニウ
ム／銅複合化通電部材において、鋳造プロセスの製造条
件を変化させることにより、界面の拡散反応状態を変え
たアルミニウム／銅複合化通電部材を作製した。これら
の部材に関し、そのアルミニウム／銅界面の電気抵抗と
超音波探傷による界面の接合率を調査した。その結果
は、上記の図６と同様な傾向を示しており、界面の接合
率が高いほど界面抵抗が低くなることが明らかである。

【００６６】通電部材の場合、界面抵抗が高いと大電流
通電時に界面にて発熱が起こり、部材の信頼性が著しく
低下してしまう。さらにこれらの界面抵抗と接合率を評
価した部材の界面の断面を顕微鏡観察した結果、界面全
体にわたりアルミニウム／ニッケルの金属間化合物（Ｎ
ｉＡｌ_３）が形成されている部材では、８０％以上の接
合率を有しており、部分的に金属間化合物が形成されて
いない部分がある部材では接合率が８０％以下であっ
た。

【００６７】以上のようにアルミニウムと銅の界面全面
にアルミニウムとニッケルの金属間化合物が形成され、
拡散接合されていることにより、通電性能に優れ、信頼
性の高い通電部材を構成できる。

【００６８】（１２）第１２の実施形態 （構成）請求項１２及び請求項１３の発明に対応する実
施形態について、図６、図８及び図２１を参照して説明
する。本実施形態は、図８に示した形状のアルミニウム
／銅複合化通電部材を作製する場合に、銅材２の表面に
予めニッケルメッキを施して、さらにその上にクロムメ
ッキを施したもの、予めニッケルメッキとクロムメッキ
を施した銅材２の界面全体に、アルミニウムとクロムの
金属間化合物又はアルミニウムとニッケルの金属間化合
物を形成したものである。

【００６９】（作用効果）以上のような本実施形態の作
用効果を、ニッケルメッキ及びクロムメッキの有無、金
属化合物の有無の製造条件に分けて、これらについてそ
れぞれ行った塩水噴霧試験に基づいて説明する。

【００７０】（ａ）ニッケルメッキ及びクロムメッキの
有無の影響 図８に示した形状のアルミニウム／銅複合化通電部材を
作製する場合に、銅材の表面に予めニッケルメッキを施
して、さらにその上にニッケルメッキを施したものと機
械加工仕上げのみのものを作製し、前記塩水噴霧試験を
実施した。その結果を図２１に示す。

【００７１】この試験結果によれば、機械加工仕上げの
みのもの（図中１６で示す）よりも、ニッケルメッキと
クロムメッキを施したもの（図中１７で示す）は、重量
減少量が少なく、優れた耐食性を有している。これは、
ニッケルメッキ層およびクロムメッキ層をアルミニウム
と銅の間に存在させることによりアルミニウムと銅の電
位差が低減され、アルミニウムと銅の電食を抑制するた
めである。このように銅材に予めニッケルメッキとクロ
ムメッキを施すことにより、耐食性に優れ、信頼性の高
い通電部材を提供することができる。

【００７２】（ｂ）金属間化合物の有無の影響 次に、銅材に予めニッケルメッキとクロムメッキを施し
て作製する図８に示したアルミニウム／銅複合化通電部
材において、鋳造プロセスの製造条件を変化させること
により、界面の拡散反応状態を変えたアルミニウム／銅
複合化通電部材を作製した。これらの部材に関し、その
アルミニウム／銅界面の電気抵抗と超音波探傷による界
面の接合率を調査した。その結果は、上記の図６と同様
な傾向を示しており、界面の接合率が高いほど界面抵抗
が低くなることが明らかである。

【００７３】通電部材の場合、界面抵抗が高いと大電流
通電時に界面にて発熱が起こり、部材の信頼性が著しく
低下してしまう。さらにこれらの界面抵抗と接合率を評
価した部材の界面の断面を顕微鏡観察した結果、界面全
体にわたりアルミニウム／ニッケルまたアルミニウム／
クロムの金属間化合物（ＮｉＡｌ_３、ＣｒＡｌ_４）が形
成されている部材では、８０％以上の接合率を有してお
り、部分的に金属間化合物が形成されていない部分があ
る部材では接合率が８０％以下であった。

【００７４】以上のようにアルミニウムと銅の界面全面
にアルミニウムとニッケルまたはアルミニウムとクロム
の金属間化合物が形成され、拡散接合されていることに
より通電性能に優れ信頼性の高い通電部材を構成でき
る。

【００７５】（１３）第１３の実施形態 請求項１４及び請求項１５の発明に対応する実施形態
を、図２２、２３を参照して説明する。すなわち、上記
の第１〜１２の実施形態におけるアルミニウム／銅複合
化通電部材は、耐熱性、絶縁性に優れたセラミック粒子
分散エポキシ樹脂中で使用することが使用することが非
常に有効である。例えば、図２１に示すように、アルミ
ニウム材１９の周囲をセラミック粒子分散エポキシ樹脂
２０で注型し、銅材１８が表出するようにする。銅材１
８とセラミック粒子分散エポキシ樹脂２０は接しておら
ず、両部材の熱膨張係数差を考慮する必要がないので、
通電部材とセラミック粒子分散エポキシ樹脂２０との界
面の信頼性が向上する。このように使用することによ
り、体積抵抗、接触抵抗が小さい絶縁物中の通電電極と
して通電部材を利用することができる。

【００７６】また、図２３に示すように、上記と同様の
通電部材を、ガス絶縁開閉装置のタンク２２内における
導体２１の接続電極として使用することにより、導体の
接触抵抗低減、接触部発熱の低減を図ることができる。

【００７７】（１４）他の実施形態 本発明は上記のような実施形態に限定されるものではな
い。例えば、上記の実施形態では、銅材やアルミニウム
材については、Ｃ１０２０やＡ５０５２を使用した時の
結果を示したが、その他の銅やアルミニウムであって
も、または銅合金、アルミニウム合金を基材として用い
た場合であっても、同様な効果が得られることは確認済
みである。さらに、各請求項に記載された発明の組み合
わせは自由であり、上記の実施形態に例示したものには
限定されない。

【００７８】

【発明の効果】本発明によれば、その目的は、低コスト
で複雑形状とすることもでき、機械的強度、耐食性に優
れ、信頼性の高い電気機器用通電部材を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態のアルミニウム／銅複
合化通電部材を示す模式図

【図２】本発明の第２の実施形態のアルミニウム／銅複
合化通電部材を示す模式図

【図３】本発明の第２の実施形態のアルミニウム／銅複
合化通電部材を示す模式図

【図４】本発明の第２の実施形態のアルミニウム／銅複
合化通電部材を示す模式図

【図５】本発明の第２の実施形態におけるアルミニウム
／銅複合化通電部材の形状と衝撃強度比の関係図

【図６】本発明の第３の実施形態におけるアルミニウム
／銅複合化通電部材の界面接合率と接触抵抗の関係図

【図７】本発明の第４の実施形態におけるアルミニウム
／銅複合化通電部材の銅材とアルミニウム材の肉厚比と
割れの発生確率の関係図

【図８】本発明の第５の実施形態におけるアルミニウム
／銅複合化通電部材の模式図

【図９】本発明の第５の実施形態におけるアルミニウム
／銅複合化通電部材の開先角度と衝撃強度比の関係図

【図１０】本発明の第６の実施形態におけるアルミニウ
ム／銅複合化通電部材の製造プロセスと衝撃強度比の関
係図

【図１１】本発明の第７の実施形態におけるアルミニウ
ム／銅複合化通電部材の溶湯温度と衝撃強度比の関係図

【図１２】本発明の第７の実施形態におけるアルミニウ
ム／銅複合化通電部材の金型予熱温度と衝撃強度比の関
係図

【図１３】本発明の第７の実施形態におけるアルミニウ
ム／銅複合化通電部材の加圧力と衝撃強度比の関係図

【図１４】本発明の第７の実施形態におけるアルミニウ
ム／銅複合化通電部材の降温速度と衝撃強度比の関係図

【図１５】本発明の第８の実施形態におけるアルミニウ
ム／銅複合化通電部材の銅材表面状態と衝撃強度比の関
係図

【図１６】本発明の第９の実施形態におけるアルミニウ
ム／銅複合化通電部材の銅材表面状態と衝撃強度比の関
係図

【図１７】本発明の第１０の実施形態におけるアルミニ
ウム／銅複合化通電部材の溶射膜厚と衝撃強度比の関係
図

【図１８】本発明の第１０の実施形態におけるアルミニ
ウム／銅複合化通電部材の溶射材料と衝撃強度比の関係
図

【図１９】本発明の第１１の実施形態におけるアルミニ
ウム／銅複合化通電部材の銅材表面状態と重量減少比の
関係図

【図２０】本発明の第１１の実施形態におけるアルミニ
ウム／銅複合化通電部材のニッケルメッキ膜厚と重量減
少比の関係図

【図２１】本発明の第１２の実施形態におけるアルミニ
ウム／銅複合化通電部材の銅材表面状態と重量現状比の
関係図

【図２２】本発明の第１３の実施形態におけるアルミニ
ウム／銅複合化通電部材の通電電極としての使用例を示
す模式図

【図２３】本発明の第１３の実施形態におけるアルミニ
ウム／銅複合化通電部材のガス絶縁開閉装置の接続電極
としての使用例を示す模式図

【符号の説明】

１，１９…アルミニウム材 ２，１８…銅材 ２ａ…ボルト穴 ２ｂ…突出部 ２ｃ…凹部 ２０…セラミック粒子分散エポキシ樹脂 ２１…導体 ２２…タンク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新藤 尊彦 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 宇田川 剛 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 須山 章子 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） 5G307 BA07 BB02 BC08 BC09 BC10

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 銅材若しくは銅合金材から成る銅材部
   を、アルミニウム材若しくはアルミニウム合金材から成
   るアルミニウム材部で鋳包んだ通電部材であって、 前記通電部材の両端面に、他部材と接触通電可能となる
   ように、前記銅材部が表出していることを特徴とする電
   気機器用通電部材。
2. 【請求項２】 前記銅材部の表出部分におけるアルミニ
   ウム材部との界面が、一平面上に存在していることを特
   徴とする請求項１記載の電気機器用通電部材。
3. 【請求項３】 前記銅材部の一部が突出していることを
   特徴とする請求項１又は請求項２記載の電気機器用通電
   部材。
4. 【請求項４】 前記銅材部の一部が凹んでいることを特
   徴とする請求項１又は請求項２記載の電気機器用通電部
   材。
5. 【請求項５】 前記アルミニウム材部と前記銅材部の界
   面全面に、アルミニウムと銅の金属間化合物が形成さ
   れ、拡散接合されていることを特徴とする請求項１〜４
   のいずれか１項に記載の電気機器用通電部材。
6. 【請求項６】 鋳包み方向における前記アルミニウム材
   部が前記銅材部の２０％以上の肉厚を有することを特徴
   とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気機器用
   通電部材。
7. 【請求項７】 前記銅材部の端部における前記アルミニ
   ウム材部との自由縁をなす角度が、３５〜８５度若しく
   は１１０度以上であることを特徴とする請求項１〜６の
   いずれか１項に記載の電気機器用通電部材。
8. 【請求項８】 前記銅材部は、前記アルミニウム材部に
   前記溶湯鍛造によって鋳包まれていることを特徴とする
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気機器用通電部
   材。
9. 【請求項９】 前記銅材部を前記アルミニウム材部によ
   って鋳包む際に、前記銅材部表面が粗面化処理されてい
   ることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載
   の電気機器用通電部材。
10. 【請求項１０】 前記銅材部を前記アルミニウム材部に
    よって鋳包む際に、前記銅材部表面に溶射膜が形成され
    ていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に
    記載の電気機器用通電部材。
11. 【請求項１１】 前記銅材部を前記アルミニウム材部に
    よって鋳包む際に、前記銅材部表面にニッケルメッキが
    施されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれ
    か１項に記載の電気機器用通電部材。
12. 【請求項１２】 前記銅材部を前記アルミニウム材部に
    よって鋳包む際に、予め銅材部表面にニッケルメッキが
    施され、さらにその上にクロムメッキが施されているこ
    とを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の
    電気機器用通電部材。
13. 【請求項１３】 前記アルミニウム材部と、ニッケルメ
    ッキ及びクロムメッキを施した銅材部との界面全面に、
    アルミニウムとクロムの金属間化合物若しくはアルミニ
    ウムとニッケルの金属間化合物が形成されていることを
    特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電気
    機器用通電部材。
14. 【請求項１４】 セラミック粒子分散エポキシ樹脂にて
    モールドされていることを特徴とする請求項１〜１３の
    いずれか１項に記載の電気機器用通電部材。
15. 【請求項１５】 ガス絶縁開閉装置における主導体の接
    続電極であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれ
    か１項に記載の電気機器用通電部材。