JP2005187831A

JP2005187831A - 耐消耗性に優れた電気リレー接点用材料

Info

Publication number: JP2005187831A
Application number: JP2003426792A
Authority: JP
Inventors: Masao Mizuno; 雅夫水野; Yukiya Nomura; 幸矢野村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: JP4455871B2

Abstract

【課題】Ａｇ−酸化物系接点と同等の優れた耐消耗性を有すると共に、安価に実現できる銅合金製電気リレー接点用材料を提供する。
【解決手段】本発明の銅合金製電気リレー接点用材料は、負荷電圧が１５Ｖ以下である電気リレー接点に用いられる接点用材料であって、Ｚｎ：１．５〜９．８質量％を含有する銅合金からなるものであり、こうした材料は通電しながらの開閉による耐消耗性に優れており、電気リレー接点用材料としては最適である。

Description

本発明は、負荷電圧が１５Ｖ以下になる電気リレー接点の開閉において、接点の消耗量を極力抑制することのできる電気リレー接点用材料に関するものである。

ブレーカーやリレーに用いられる開閉接点用材料としては、従来から、Ａｇ合金が一般的に用いられている。開閉接点用材料として純Ａｇを用いた場合には、接点の電気的な消耗が激しいことからそのままではあまり使われず、実用的にはＡｇ−Ｗ系合金、Ａｇ−Ｎｉ合金、Ａｇ−Ｐｄ合金等の各種Ａｇ合金、或はＡｇ−カドミウム酸化物系等のＡｇ−酸化物系の合金が使用されている。このうち、特にＡｇ−カドミウム酸化物系等のＡｇ−酸化物系合金は、耐消耗性に優れた特性を示すことから、従来から広く使用されている。

しかしながら、カドミウムを含む材料は、環境面で問題があることからあまり使用されなくなっている。そこで、Ａｇ−カドミウム酸化物系に代わり、カドミウムを含まないものとしてＡｇ−酸化インジウム系合金（特許文献１）やＡｇ−酸化マンガン系合金（特許文献２）等の材料も提案されている。

一方、銅合金（Ｃｕ合金）も高い電導率を有する材料として、電気接点用材料として広く利用されており、大電力用のＣｕ−Ｃｒ系の真空遮断器用接点材料（特許文献３）や高電力用Ｃｕ−Ｗ系材料（特許文献４）等も開発されており、また自動車のスタータ用スイッチ接点としても利用されている。しかし、Ｃｕ合金は通電接点部分の耐消耗性がＡｇ−酸化物系合金と比べると劣るので、頻繁な開閉が行われる接点の素材としては使用しにくいという欠点がある。

こうしたことから、頻繁な開閉が行われる接点であるリレー接点には、主としてＡｇ−酸化物系合金が用いられているのが実情である。また、自動車のスタータ用スイッチ等では、Ｃｕ系金属の表面に融点の高いタングステンを貼り付けることによって接点の耐消耗性を向上させる技術も提案されている（例えば、特許文献５）。

従来から用いられてきたＡｇ合金やＷ合金は、高価であるので、こうした材料を素材として用いた接点部品も高価なものとならざるを得ない。Ｃｕ合金は本来導電率の低い材料であり、しかも各種添加物を混ぜることによって機械的特性の調整も可能な金属であるので、こうした特徴を活かしつつＣｕ合金における耐消耗性を向上させることができれば、高価な材料を使わずとも、比較的安価にリレー接点等の開閉接点を構成することが期待できる。

こうした観点から、特許文献５には、Ｃｕに所定量のＺｎＯを含有させた比較的安価な封入用金属材料が提案されている。この技術においては、Ａｇ合金よりも安価なものが得られているが、Ｃｕ合金を焼結法によって製造するものであるので、一般のＣｕ合金に比べて依然として高価なものとなっている。また、Ｃｕ合金は、Ａｇ合金に代わるものとして汎用のリレー接点としては用いられておらず、リレー接点の多くは依然としてＡｇ合金が使用されているのが実情である。
特開昭５２−９６２５号公報（特許請求の範囲など）特開昭５１−１３６１７０号公報（特許請求の範囲など）特開平１１−５０１７７号公報（特許請求の範囲など）特開平１１−３７４０８８号公報（特許請求の範囲など）特開平８−２２７２８号公報（特許請求の範囲など）特開昭５５−１８６４０６号公報（特許請求の範囲など）

本発明はこの様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、Ａｇ−酸化物系合金接点と同等の優れた耐消耗性を有すると共に、安価に実現できるＣｕ合金製電気リレー接点用材料を提供することにある。

上記課題を解決することのできた本発明の電気リレー接点用材料とは、負荷電圧が１５Ｖ以下である電気リレー接点に用いられる接点用材料であって、Ｚｎ：１．５〜９．８質量％を含有するＣｕ合金からなるものである点に要旨を有するものである。

本発明では、所定量のＺｎを含有するＣｕ合金を用いることによって、Ａｇ−酸化物系合金接点と同等の優れた耐消耗性を有すると共に、安価に実現できるＣｕ合金製電気リレー接点用材料が実現でき、こうした材料は通電しながらの開閉による耐消耗性に優れており、電気リレー接点用材料としては最適である。

本発明者らは、Ｃｕ合金を接点用材料として用いたときの消耗現象について検討した。その結果、次のような知見が得られた。Ｃｕ接点が通電中に離れる際には（「開」の状態）、電流の集中が生じて通電点付近でジュール熱が発生し、接点表面がＣｕ合金の融点にまで達して溶融してしまうことになる。このとき、接点のプラス側の溶融痕は比較的大きな窪みとなり、マイナス側の溶融痕は小さな突起を形成することになる。接点が離れる瞬間の通電は、プラス接点とマイナス接点を繋ぐ極めて細い溶融金属の橋（ブリッジ）を通して行われた後、ブリッジが破壊されて接点が切断されることになる。この際、接点と接点を繋ぐブリッジを速やかに破壊してやれば、接点の消耗が抑制できることを突き止めた。

本発明者らは、上記のような知見に基づき、接点の消耗が抑制できるＣｕ合金の実現を目指して更に検討を重ねた。その結果、所定量のＺｎを含有させたＣｕ合金を接点用材料とした場合には、通電させながらの接点開閉を行なうと、融点が低く蒸気圧が高いＺｎの効果によって、ブリッジ付近でＺｎが大量に蒸発してブリッジを破壊できたのである。

上記の様なＣｕ合金によって達成される効果は、他のＣｕ合金によっては達成することはできず、例えばＣｕにＡｇを合金化させたＣｕ−Ａｇ系合金ではこうした効果が発揮されないことも確認できた。

本発明の接点用材料は、純Ｃｕや他の合金と比べて数倍の耐消耗性を発揮し、従来のＡｇ−酸化物系合金と同等の耐消耗性を有するものとなる。こうした効果を発揮させるためには、Ｚｎの含有量は少なくとも１．５％以上とする必要があるが、９．８％を超えて含有すると却って消耗量が多くなる傾向を示す。例えば、Ｚｎを３０％以上含有させた銅合金（真鍮）では、電圧が１２Ｖ程度であってもアークが発生するので(この点については後述する)好ましくない。Ｚｎ含有量の好ましい下限は２％程度であり、好ましい上限は６％程度である。

本発明で用いるＣｕ合金は、Ｚｎの他は基本的にはＣｕであるが、不可避的に混入してくる不純物元素（例えば、Ａｇ，Ｆｅ，Ｐｂ，Ｎａ，Ｍｇ等）も不可避不純物量である限り許容される。不可避不純物量の具体的な基準は不純物の種類によっても異なるが、特にＰｂについては過剰になると、Ｃｕ合金の割れを誘発する原因となるので、０．２％以下に抑制することが好ましい。

ところで、こうした接点用材料においては、接点間の負荷電圧が１５Ｖを超えて使用すると、接点間にアークが発生することになり、接点表面に酸化物が生成されて接点抵抗が増大しやすくなる。またアークの発生によって、消耗量も増大するので好ましくない。こうしたことから、本発明では基本的な要件として、「負荷電圧が１５Ｖ以下である電気リレー接点に用いられる」接点材用材料とした。

尚、アークが発生しない条件は、負荷電圧が１５Ｖを超える場合の他に、（１）電圧が１５Ｖを超えても電流が１Ａ以下である場合、（２）接点が配置されている雰囲気がアークの発生しにくい雰囲気（例えば、真空雰囲気、Ｈ₂ガス雰囲気、不活性ガス雰囲気）である場合、等があるが、本発明の接点用材料はこれらのいずれの条件下で用いた場合であっても、その効果が発揮されることになる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に包含される。

Ｚｎ含有量を変えた各種銅合金をクリプトン炉にて溶解、鋳造した後、鋳塊を８００℃で熱間圧延し、厚さ１５ｍｍの熱延板とした。得られた熱延板から、直径：３．５ｍｍφ、長さ：５ｍｍの円柱試料を切り出した後、端面に切削加工にてＲ２０（ｍｍ）の丸みを付けた試料を準備した。

これらの試料について、加工済み端面を突き合わせて、電気閉回路を構成し、直流電圧：１２Ｖ、電流：３０Ａの電流電圧を印加しながら、速度：５０ｍｍ／ｓｅｃで接点を開閉する実験を繰り返した。そして１０００回の開閉後における接点の重量変化を測定することによって、耐消耗性について評価した。また、その一部のもの（下記表１のＮｏ．７）については、小阪研究所表面粗さ時計「ＳＥ３５００」を用いて、表面凹凸性状を測定した。このとき、接点用材料を変えたもの（純Ｃｕ、Ａｇ合金等）についても（後記、表１のＮｏ．１〜３、１２）、上記と同様にして耐消耗性を調査した。その結果を、各合金の化学成分組成と共に、下記表１に示す。

この結果から、次のように考察できる。まず、Ｎｏ．１のものは、接点用材料として純Ｃｕを用いたものであるが、消耗量が比較的大きいことが分かる。また、この材料を用いたときの表面凹凸状態を図１（プラス極表面窪み）および図２（マイナス極突起）に示す。

Ｎｏ．２のものは、Ａｇ−５％ＳｎＯ合金を用いたものであるが、耐消耗性が比較的良好であることが分かる。Ｎｏ．３のものは、純銀を用いたものであるが、消耗量は純Ｃｕよりも多くなっていることが分かる。Ｎｏ．４のものは、１％のＺｎを含有させたＣｕ合金を用いたものであるが、耐消耗性向上効果があまり発揮されていないことがわかる。

これらに対し、Ｎｏ．５〜９のものでは、適正な量のＺｎを含有させたＣｕ合金を用いたものであり、純Ｃｕを用いた場合（Ｎｏ．１）より耐消耗性が良好になっていることが分かる。特に、Ｎｏ．６〜８のものでは、Ａｇ−酸化物系合金（Ｎｏ．２）よりも消耗量が少なくなっていることがわかる。

このうち、Ｎｏ．７の場合における表面凹凸状態を図３（プラス極表面窪み）および図４（マイナス極突起）に示すが、前記図１、２に比べて消耗量が低減されていることが分かる。

Ｎｏ．１０のものでは、Ｚｎを１０％含有させたＣｕ合金を用いたものであるが、耐消耗性向上効果が発揮されていないことが分かる。Ｎｏ．１１のものは、Ｚｎを３０％含有させたＣｕ合金（いわゆる真鍮）であるが、アークが発生したために消耗量が激増した。Ｎｏ．１２のものは、０．１％のＡｇを含有させたＣｕ合金を用いたものであるが、耐消耗性がそれほど向上していないことが分かる。

純Ｃｕを接点用材料として用いた場合におけるプラス極表面窪み状態を示すグラフである。純Ｃｕを接点用材料として用いた場合におけるマイナス極突起状態を示すグラフである。５％Ｚｎ−Ｃｕ合金を接点用材料として用いた場合におけるプラス極表面窪み状態を示すグラフである。５％Ｚｎ−Ｃｕ合金を接点用材料として用いた場合におけるマイナス極突起状態を示すグラフである。

Claims

負荷電圧が１５Ｖ以下である電気リレー接点に用いられる接点用材料であって、Ｚｎ：１．５〜９．８質量％を含有する銅合金からなるものであることを特徴とする耐消耗性に優れた電気リレー接点用材料。