JP2004192992A

JP2004192992A - 真空バルブ用接点材料

Info

Publication number: JP2004192992A
Application number: JP2002360658A
Authority: JP
Inventors: Takefumi Ito; 武文伊藤; Hiroyuki Teramoto; 浩行寺本; Shinji Sato; 伸治佐藤; Shinichi Miki; 真一三木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: JP4209183B2

Abstract

【課題】Ｃｕ−Ｃｒ接点材料の遮断性能を維持しながら、極めて優れた耐電圧性能を有する真空バルブ用接点材料を提供する。
【解決手段】接点材料の内部組織構造を、ＣｕとＣｒ、さらに補助成分としてＦｅ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素からなる合金であって、Ｃｒ−補助成分の合金層１５を備えたＣｒ粒子１６とＣｒ及び補助成分からなる合金粒子１７とを含む内部組織構造、或いは、Ｃｒ単独粒子とＣｒ及び補助成分からなる合金層を備えた補助成分粒子とを含む内部組織構造とする。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空遮断器等に使用される真空バルブ用接点材料に関し、特にＣｕ、Ｃｒ及び補助成分を含有する真空バルブ用接点材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空遮断器の大容量化、高耐圧化、小型化への要求が一段と厳しくなっており、真空遮断器の中に搭載されている真空バルブの性能向上が望まれている。この真空バルブの性能を左右する接点材料に対して、主に遮断性能、耐電圧性能、耐溶着性の向上が要求されている。しかし、これらの要求特性は相反するものがあることから単一金属で満足させることは困難で、２種以上の元素を組み合わせた接点材料の開発が行われてきた。
【０００３】
例えば特許文献１に記載のＣｕ−Ｗ合金は、耐電圧性能に優れており、負荷開閉器や接触器等の用途に使用されている。また、特許文献２に記載のＣｕ−Ｃｒ合金は、遮断性能に優れることから、遮断器等の用途によく使用されている。さらに遮断性能と耐電圧性能の両立を図るために、例えば特許文献３に記載のＣｕ−Ｃｒ−Ｔａ合金、特許文献４に記載のＣｕ−Ｃｒ−Ｎｂ合金、特許文献５に記載のＣｕ−Ｃｒ−Ｆｅ合金とＣｕ−Ｃｒ−Ｃｏ合金、特許文献６に記載のＣｕ−Ｃｒ−Ｗ合金とＣｕ−Ｃｒ−Ｍｏ合金等がそれぞれ記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５５−７８４２９号公報
【特許文献２】
特開昭５４−７１３７５号公報
【特許文献３】
特公昭６３−３６０８９号公報
【特許文献４】
特公昭６３−３６０９０号公報
【特許文献５】
特開昭５６−１９８３２号公報
【特許文献６】
特開昭５８−１１５７２８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Ｃｕ−Ｗ合金は、耐電圧特性に優れているが、遮断性能に劣るという問題があった。一方、Ｃｕ−Ｃｒ合金は、遮断性能に優れているが、耐電圧性能に関してはＣｕ−Ｗ合金よりも劣っている。このようなＣｕ−Ｃｒ合金では、耐電圧性を得るために、真空バルブ中における接点間距離を長く確保しなければならないので、真空バルブ内における接点間距離の短縮を図ることができないという問題がある。
【０００６】
さらに、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｔａ合金、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｎｂ合金、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｃｏ合金、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｍｏ合金は、Ｃｕ−Ｃｒ合金に各々の補助成分を添加することで、主に遮断性能と耐電圧性能の両立を図ったものである。しかし、真空遮断器の性能向上が更に要請されている現状において、遮断性能と耐電圧性能との両立が高いレベルで達成された真空バルブの提供が要求されている。
【０００７】
本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、Ｃｕ−Ｃｒ接点材料の遮断性能を維持しながら、極めて優れた耐電圧性能を得ることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の真空バルブ用接点材料は、Ｃｕ、Ｃｒ及び補助成分を含有する真空バルブ用接点材料において、Ｃｕ母材中に、Ｃｒ及び補助成分の合金層を有する粒子が分散していることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１には、本発明の実施の形態に係る真空バルブが示されている。
真空バルブは、遮断室１を備えている。この遮断室１は、円筒状に形成された絶縁材料製の絶縁容器２と、絶縁容器２の図１上方及び下方にそれぞれ配置された金属製蓋４ａ、４ｂとで構成されている。絶縁容器２の上端辺及び下端辺と金属製蓋４ａ、４ｂとの間には、封止金具３ａ、３ｂが配置されて、絶縁容器２の内部を真空気密状態にしている。金属製蓋４ａ、４ｂには、それぞれ固定電極棒５及び可動電極棒６が貫通しており、固定電極棒５及び可動電極棒６の端部が遮断室１内に配置されている。固定電極棒５及び可動電極棒６の端部には、それぞれ固定電極７と可動電極８がろう付けされて、互いに対向している。固定電極７には固定接点９が、また可動電極８には可動接点１０が、それぞれろう付けにより取り付けられている。可動電極棒６にはベローズ１１が取り付けられ、遮断室１内を真空気密に保持しながら、可動電極８の軸方向の移動を可能にしている。
【００１０】
ベローズ１１の上部には金属製のベローズ用アークシールド１２が設けられている。このベローズ用アークシールド１２は、発弧域より発生した金属蒸気がベローズ１１に付着することを防止している。また、固定電極７と可動電極８を覆うように、遮断室１内に金属製の絶縁容器用アークシールド１３が設けられている。これにより発弧域より発生する金属蒸気が絶縁容器２の内面に付着することを防止している。この真空バルブの開閉操作は、図示しない駆動機構に連結された可動電極棒６を介して行われる。
【００１１】
固定電極７及び可動電極８にそれぞれ取り付けられた固定接点９及び可動接点１０には、本発明にかかる接点材料が使用されている。本発明にかかる接点材料は、Ｃｕを母材とし、更にＣｒ及び補助成分を含有する合金であると共に、Ｃｕ母材中に、合金層を有しない粒子と、合金層を有する粒子とが分散している特別な内部組織構造を有している。このような内部組織構造の状態に制御することによって、耐電圧性能が一層向上することが見出された。
【００１２】
ここで、本発明における合金層とは、Ｃｒと補助成分とを主要な構成成分として、焼結中の拡散現象により生成された合金や金属間化合物の層をいう。合金層を有するとは、粒子の少なくとも約５０％以上、好ましくは約８０％以上が合金層によって被覆されていることをいい、粒子全体のほぼ全面が合金層によって囲まれていることが特に好ましい。
【００１３】
この内部組織構造において、合金層を有する粒子は、Ｃｒ粒子又は補助成分粒子であることが好ましい。
図２には、Ｃｕ−Ｃｒ合金にＦｅ又はＣｏの補助成分を添加した場合の接点材料の内部組織構造の拡大断面図が示されている。この内部組織構造では、母材のＣｕ相１４の中に、合金層１５に囲まれたＣｒ粒子１６と、合金層を有しない合金粒子１７とが分散している。この場合の合金粒子１７は、Ｃｒ及び補助成分との合金粒子、即ち、Ｃｒ−Ｆｅ合金粒子又はＣｒ−Ｃｏ合金粒子である。
【００１４】
このような合金層１５で囲まれたＣｒ粒子１６と合金層を有しない合金粒子１７とがＣｕの母材中に分散している内部組織構造は、補助成分としてＦｅ及びＣｏを用いたときに主として生じる。ここで、これらの補助成分は、いずれか一方のみを添加してもよく、両方を組み合わせて添加してもよい。
【００１５】
一方、図３には、Ｃｕ−Ｃｒ合金に、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏから選ばれた補助成分を添加した場合の接点材料の他の内部組織構造の拡大断面図が示されている。この内部組織構造では、母材のＣｕ相１４の中に、合金層１５で囲まれた補助成分粒子１８と、単体のＣｒ粒子１９とが分散している。
【００１６】
このような合金層１５で囲まれた補助成分粒子１８と、合金層を有しないＣｒ粒子１９とが、Ｃｕの母材中に分散している内部組織構造は、補助成分として、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗから選ばれたものを用いたときに主として生じる。ここで、これらの補助成分は、いずれか一方のみを添加してもよく、両方を組み合わせて添加してもよい。
【００１７】
これら２種の内部組織構造のうちいずれの内部組織構造になるかは、添加される補助成分の性質によって決定される。
いずれの内部組織構造においても、Ｃｕ−Ｃｒ合金の組成は、耐電圧性能と遮断性能を両立するために、Ｃｒの含有量が２０−５０重量％、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた補助成分の含有量が１−２０重量％、残部がＣｕであることが好ましく、Ｃｕ−２５重量％Ｃｒ合金では、Ｆｅ又はＣｏを１〜８重量％添加したもの、さらにＮｂ、Ｔａ、Ｍｏ又はＷを３〜１０重量％添加したものであることが特に好ましい。
【００１８】
また、Ｃｕ−Ｃｒ合金の相対密度比は９５％以上にすることが好ましく、相対密度比を上げるために、焼結体に再圧縮したり、或いは再圧縮後に再焼結又は熱間押し出しを利用してもよい。
さらに、Ｃｒと、補助成分であるＦｅ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗとの双方の粒径は、均一分散性を考慮すると共に２００μｍ以下が好ましく、１５０μｍ以下であることが更に好ましい。また、本発明の内部組織構造を得るには、補助成分粒子はＣｒ粒子よりも微細な方が好ましく、粒径が１５０μｍ以下のＣｒ粒子と、５０μｍ以下の補助成分粒子とを組み合わせることが更に好ましい。
【００１９】
このような本発明に係る内部組織構造を得るには、８００〜１２００℃の焼結温度、焼結時間（焼結温度での保持時間）を１〜２０時間の範囲とする。８００℃以上の焼結温度にすることにより、補助成分が単体で分散して合金層を形成しないという状態を回避することができると共に、充分な焼結を進行させて気孔の少ないものにすることができる。一方、１２００℃以下とすることにより、合金層を有する粒子と有しない粒子とが互いに結合して粒子が適度に分散しないという状態を回避することができると共に、焼結体の膨れや焼結肌荒れ等の発生を抑制して、健全な焼結材を得ることができる。
【００２０】
焼結時間は、焼結温度が低いほど長く、高いほど短く行うことになるが、昇温速度や焼結パターンによって変更可能であり、当業者によって適宜選択可能である。また適切な焼結条件の選択は、添加される補助成分及び焼結法によって異なる。例えば、固相焼結法とした場合には、８００℃から１０８０℃で２〜２０時間の焼結条件が採用される。
【００２１】
本実施の形態に係る接点材料のためのＣｕ−Ｃｒ合金の焼結は、水素中の他に真空中、不活性雰囲気中でも可能である。また、製造方法は、固相焼結法以外に、液相焼結法や溶浸法を利用してもよく、さらに混合粉末を加熱しながら加圧して焼結体を得るホットプレス法やＨＩＰ法でもよい。さらに、真空中や不活性雰囲気中で電流を通電して焼結する放電プラズマ焼結法等で焼結体を得て、熱処理を施してもよい。
【００２２】
【実施例】
Ｃｕ−２５重量％Ｃｒ合金に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗの補助成分を各々５重量％ずつ添加した場合について説明する。
まず、粒径４５μｍ以下で純度９９％以上のＣｕ粉と、平均粒径１００μｍで純度９９％以上のＣｒ粉、平均粒径１０μｍで純度９９％以上のＦｅ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗの粉末を所定の組成となるように秤量した後、混合機で混合し各混合粉を得た。次に各混合粉を金型に充填し、４〜１０ｔｏｎ／ｃｍ^２で加圧成形して各組成の圧粉体を得た。そして、各圧粉体を水素雰囲気中で、室温から１０６０℃までを３時間で昇温し、続いて温度１０６０℃で２時間保持し、次に１０６０℃から５００℃までを５℃／ｍｉｎで降温しＣｕ−Ｃｒ合金を得た。
【００２３】
以上のように作製した各Ｃｕ−Ｃｒ合金について、耐圧性能を評価した結果を表１に示す。耐圧性能の評価は、各合金を直径２５ｍｍの接点に仕上げて真空バルブに組み込こみ、接点間距離を５ｍｍに設定して絶縁破壊電圧を求めた。
【００２４】
【表１】

【００２５】
比較例であるＮｏ．１３のＣｕ−２５重量％Ｃｒの絶縁破壊電圧は８０−９０ｋＶであった。また、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗを各々添加し、焼結温度を低くして各元素を単体で分散させたもの（比較例Ｎｏ．７−１２）は、Ｃｕ−２５重量％Ｃｒ（比較例Ｎｏ．１３）に比べて絶縁破壊電圧値が高く、従来技術で示されているように添加元素の効果で耐電圧性能が向上することが確認された。
【００２６】
これらに対して、本発明の耐電圧性能の評価結果について述べる。
Ｎｏ．１はＣｕ−２５重量％Ｃｒ−５重量％Ｆｅの合金で、Ｃｒ−Ｆｅ合金層で囲まれたＣｒ粒子とＣｒ−Ｆｅ合金粒子をＣｕの母材中に分散させたものである。また、Ｎｏ．２はＣｕ−２５重量％Ｃｒ−５重量％Ｃｏで、Ｃｒ−Ｃｏ合金層で囲まれたＣｒ粒子とＣｒ−Ｃｏ合金粒子をＣｕの母材中に分散させたものである。
Ｎｏ．１とＮｏ．２は、比較例であるＮｏ．７とＮｏ．８に比べて絶縁破壊電圧が高く、耐電圧性能が向上していることがわかる。
【００２７】
次にＮｏ．３はＣｕ−２５重量％Ｃｒ−５重量％Ｎｂの合金で、Ｃｒ−Ｎｂ合金層で囲まれたＮｂ粒子と単体のＣｒ粒子をＣｕの母材中に分散させたものである。同様にＮｏ．４はＣｕ−２５重量％Ｃｒ−５重量％Ｔａの合金でＣｒ−Ｔａ合金層で囲まれたＴａ粒子と単体のＣｒ粒子、Ｎｏ．５はＣｕ−２５重量％Ｃｒ−５重量％Ｗの合金でＣｒ−Ｗ合金層で囲まれたＷ粒子と単体のＣｒ粒子、Ｎｏ．６はＣｕ−２５重量％Ｃｒ−５重量％Ｍｏの合金でＣｒ−Ｍｏ合金層で囲まれたＭｏ粒子と単体のＣｒ粒子をＣｕの母材中に分散させたものである。
本発明のＮｏ．３−Ｎｏ．６は、比較例であるＮｏ．７−Ｎｏ．１２に比べて絶縁破壊電圧が高く、耐電圧性能が向上していることがわかる。
【００２８】
従って本発明の実施の形態にかかる接点材料では、内部組織構造を適切な状態に制御することにより、耐電圧性能を一層向上させることができ、遮断性能と耐電圧性能との両立を高いレベルで達成できる。これにより、Ｃｕ−Ｃｒ合金の接点材料であっても真空バルブ中における接点間距離を長く確保する必要がなく、真空バルブの小型化を図ることができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｃｕ−Ｃｒ接点材料の遮断性能を維持しながら、極めて優れた耐電圧性能を有する真空バルブ用接点材料を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる真空バルブの断面図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる接点材料の内部組織構造の拡大断面図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる接点材料の他の内部組織構造の拡大断面図である。
【符号の説明】
１遮断室、２絶縁容器、３ａ、３ｂ封止金具、４ａ、４ｂ金属製蓋、５固定電極棒、６可動電極棒、７固定電極、８可動電極、９固定接点、１０可動接点、１１ベローズ、１２ベローズ用アークシールド、１３絶縁容器用アークシールド、１４Ｃｕ相、１５合金層、１６Ｃｒ粒子、１７合金粒子、１８補助成分粒子、１９Ｃｒ粒子。

Claims

Ｃｕ、Ｃｒ及び補助成分を含有する真空バルブ用接点材料において、Ｃｕ母材中に、Ｃｒ及び補助成分の合金層を有する粒子が分散していることを特徴とする真空バルブ用接点材料。
前記合金層を有するＣｒ粒子並びに、該合金層を有しないＣｒと補助成分との合金粒子が分散していることを特徴とする請求項１記載の真空バルブ用接点材料。
前記補助成分は、Ｆｅ及びＣｏの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空バルブ用接点材料。
前記合金層を有する補助成分粒子並びに、該合金層を有しないＣｒ粒子が分散していることを特徴とする請求項１記載の真空バルブ用接点材料。
前記補助成分は、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷから選ばれた少なくとも１つであることを特徴とする請求項１又は４に記載の真空バルブ用接点材料。