JP2005533175A - Electrical contact material and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電気接点の分野に関する。さらに詳しくは、消弧効果を有する接点材料とその製造方法とに関する。 The present invention relates to the field of electrical contacts. More particularly, the present invention relates to a contact material having an arc extinguishing effect and a manufacturing method thereof.
このような型の材料は、「低電圧」接点と称されるものの製造に主として使用される。「低電圧」接点とは、その動作範囲が約10〜1000ボルト、及び１〜10,000アンペアにある接点のことをいう。このような接点は、ＤＣ用およびＡＣ用の両方について、家庭用、工業用、及び自動車分野でのスイッチ、リレー、接触器及び回路遮断機として一般に使用されている。 Such types of materials are primarily used in the manufacture of what are referred to as “low voltage” contacts. A “low voltage” contact refers to a contact whose operating range is approximately 10 to 1000 volts and 1 to 10,000 amperes. Such contacts are commonly used as switches, relays, contactors and circuit breakers in the household, industrial, and automotive fields for both DC and AC applications.
一対の電気接点要素が電圧のかかっている状態で開いても、電流が一方の接点要素から他方の接点要素に流れ続けて、電流が通過するところの気体をイオン化する。通常「アーク」と称される、このイオン化されたガスの柱は、ガスの性質及び圧力、端子にかかる電圧、接点材料、装置の形状、回路のインピーダンス等の様々な要因に応じて最大の長さを有する。 Even if a pair of electrical contact elements opens in a state where voltage is applied, current continues to flow from one contact element to the other contact element, and ionizes the gas through which the current passes. This column of ionized gas, commonly referred to as an “arc”, has the longest length depending on various factors such as the nature and pressure of the gas, the voltage across the terminals, the contact material, the geometry of the device, the impedance of the circuit, etc. Have
アークから放出されるエネルギーは、接点要素の構成材料を融かすのに十分であり、これは、金属部品を劣化させるのみならず、時として金属部品を溶接してしまうことがあり、その結果、機器が固定されてしまう。 The energy released from the arc is sufficient to melt the constituent material of the contact element, which not only degrades the metal part, but sometimes also welds the metal part, The device will be fixed.
ＡＣ電源機器では、ゼロを通過する電圧によってアークのカットオフが容易になる。しかしながら、ある種の保護装置にあっては、非常に高い電流をカットオフしなければならず、その結果、接点を損傷するのに十分なエネルギーのアークが発生する。 In an AC power supply device, an arc is easily cut off by a voltage passing through zero. However, in certain protection devices, very high currents must be cut off, resulting in an arc of energy sufficient to damage the contacts.
一方、ＤＣ電源機器の場合は、特に電圧が10ボルトを実質的に上回っているときには、アークは非常に安定している。アークをカットオフする１つの方法は、アークが不安定になってそれ自身によって消滅するように、アークの長さを増すことである。14ボルトの電圧に対しては、１ミリメートルのオーダーの距離があれば十分である。一方、42ボルトに対しては、特に誘導負荷が存在しているときには、この距離は数センチメートルになる。このことがカットオフ装置の構築を複雑にし、生成されたアークの持続時間がその寿命を著しく短くする。 On the other hand, in the case of DC power equipment, the arc is very stable, especially when the voltage is substantially above 10 volts. One way to cut off the arc is to increase the length of the arc so that the arc becomes unstable and disappears by itself. For voltages of 14 volts, a distance on the order of 1 millimeter is sufficient. On the other hand, for 42 volts, this distance is several centimeters, especially when inductive loads are present. This complicates the construction of the cutoff device, and the duration of the generated arc is significantly shortened.
その数が益々増えている、車に使用される電気装置（高級車には、100個にも及ぶモータが搭載されている）用に42ボルトのDC回路を使用することを検討している、特に自動車業界において問題が発生する。このような電圧では、アークに関連する問題を制限することの恩恵は非常に大きくなる。 We are considering using a 42 volt DC circuit for an electrical device used in cars (more than 100 motors are installed in high-end cars). Problems arise especially in the automotive industry. At such voltages, the benefits of limiting the problems associated with arcing are significant.
したがって、電気接点の材料は、以下の３つの要件を満たさなくてはならない。
−電流が流れているときの過熱を防ぐための、低い接触抵抗、
−アークの存在下での、溶接への優れた抵抗性、及び
−アークの効果の下での低い浸食性。
Therefore, the material of the electrical contact must satisfy the following three requirements.
-Low contact resistance to prevent overheating when current is flowing,
-Excellent resistance to welding in the presence of an arc-Low erosion under the effect of the arc.
これらの、部分的に矛盾する要件を満たすための１つの方法は、銀又は銅の母材に、ほぼ１〜５ミクロンの大きさの耐火性粒子（例えば、Ni, C, WC, CdO, SnO２）約20容量％からなる成分を挿入した擬似合金を使用することである。このようにして得られた材料は、アークによって発生する熱に対してより抵抗性が高い。この方法は有用な問題解決法を提供するのではあるが、短期又は中期的に、融解と、繰り返しに起因する接点要素の浸食及び溶接の問題とを制限することができない。 One way to meet these partially conflicting requirements is to use a refractory particle (eg, Ni, C, WC, CdO, SnO) on a silver or copper matrix with a size of approximately 1-5 microns. 2 ) The use of a pseudoalloy in which a component consisting of about 20% by volume is inserted. The material thus obtained is more resistant to the heat generated by the arc. While this method provides a useful problem solution, it cannot limit melting and contact element erosion and welding problems due to repetition in the short or medium term.
さらに、非常に高い電流をカットオフすることのできるＡＣ保護装置（回路遮断機）を製造する場合は、アークを消去する、又はアークが再発生するのを防ぐのを助ける補助手段、即ち、空気的又は電磁気的消去手段を使用することが提案されてきた。また、２つの接点を隔てる空間にあるガスを、ＳＦ６などの、非常に安定で、それ故に容易にイオン化することのできないガスに置換することも提案されてきた。しかしながら、これら全ての方法は、実施するには複雑であった。 In addition, when manufacturing an AC protection device (circuit breaker) that can cut off very high currents, an auxiliary means that helps to extinguish the arc or prevent it from reoccurring, ie air It has been proposed to use automatic or electromagnetic erasure means. It has also been proposed to replace the gas in the space separating the two contacts with a gas such as SF 6 that is very stable and therefore cannot be easily ionized. However, all these methods were complicated to implement.
したがって、本発明の目的は、短期的にも長期的にも、その動作がアークのエネルギーによって損なわれない接点要素を製造することを可能にする、電気接点材料を提供することである。 The object of the present invention is therefore to provide an electrical contact material which makes it possible to produce contact elements whose operation is not impaired by the energy of the arc, both in the short term and in the long term.
より正確には、本発明の、消弧効果を有する接点材料は、導電性金属でできた母材とこの母材に導入された不安定成分とを有してなり、該不安定成分は、該接点の動作温度と前記金属の溶融温度との間の温度で分解し、アークを不安定化することのできるガスを放出する性質を有する。 More precisely, the contact material having an arc-extinguishing effect of the present invention has a base material made of a conductive metal and an unstable component introduced into the base material. It decomposes at a temperature between the operating temperature of the contact and the melting temperature of the metal and has a property of releasing a gas capable of destabilizing the arc.
本発明は、また、前記材料を製造する方法に関する。該方法は
−前記の導電性金属と不安定成分とを有するブレンド物を調製し、
−このブレンド物を圧縮し、そして
−用途に応じて成形する
ことから実質的になる。
The invention also relates to a method for producing said material. The method prepares a blend having the conductive metal and an unstable component,
It consists essentially of compressing and blending the blend according to the application.
本発明の他の特徴は、以下の記載より明らかになるであろう。なお、本願明細書には図面は添付されていない。 Other features of the present invention will become apparent from the following description. Note that no drawings are attached to the present specification.
本発明の接点材料は、以下の３つの成分より実質的になる。
−一般的には銀又は銅である、導電性金属からなる母材、
−900℃を超える温度で安定であり、好ましくは以下の群から選択される耐火成分：
CdO、SnO２、ZnO、Fe２O３、Ni、Fe、W、Mo、C、WC、MgO、並びに
−200〜900℃の温度で分解して、アークを冷却することのできるガスを放出し、好ましくは、金属の水素化物（TiH２、ZrH２、MgH２）並びにTi、Zr、Hf、V、Nb、Mg、Ta、Cr、Mo、W、Fe、Co、Ni、La、及びYを基材とする多金属水素化物より選択することのできる不安定成分。
The contact material of the present invention consists essentially of the following three components.
A base material made of a conductive metal, typically silver or copper,
Refractory components that are stable at temperatures above −900 ° C., preferably selected from the following group:
CdO, SnO 2 , ZnO, Fe 2 O 3 , Ni, Fe, W, Mo, C, WC, MgO, and gases that can be decomposed at a temperature of −200 to 900 ° C. to cool the arc are released. , preferably, the metal hydride (TiH 2, ZrH 2, MgH 2) and Ti, Zr, Hf, V, Nb, Mg, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, La, and Y An unstable component that can be selected from the multi-metal hydride used as a base material.
前記不安定成分がアーク冷却ガスを放出して、その分解が主として空気中で起こると、その残渣は、空気中で部分的に又は完全に酸素及び窒素と反応した金属であり、耐火成分を完全に又は部分的に代替することができる。したがって、耐火成分は、接点材料の必須の成分ではない。 When the unstable component releases arc cooling gas and its decomposition occurs mainly in the air, the residue is a metal that has partially or completely reacted with oxygen and nitrogen in the air, and the refractory component is completely removed. Or partially. Therefore, the refractory component is not an essential component of the contact material.
耐火成分が存在しない場合は、不安定成分がそれ自体で、接点材料の体積の５〜50％を占める。 In the absence of a refractory component, the unstable component itself occupies 5-50% of the volume of the contact material.
耐火成分が存在する場合は、２つの成分が接点材料の体積の５〜50％を占めるが、不安定成分の割合が少なくとも２容量％である必要がある。 When refractory components are present, the two components occupy 5-50% of the volume of the contact material, but the proportion of unstable components should be at least 2% by volume.
本発明の接点材料は、さらに、材料の性質を最適化するように選択されたドーパントを少量含有すると好ましい。このようなドーパントとしては、例えば、Bi２O３、CuO又はReを挙げることができる。 The contact material of the present invention preferably further contains a small amount of dopant selected to optimize the properties of the material. Examples of such a dopant include Bi 2 O 3 , CuO, and Re.
接点要素の対は、同じ組成の材料を用いても、又、異なる組成の材料を用いても製造することもできる。この場合、２つの接点要素の内、１つのみが不安定要素を含有することができる。 The pair of contact elements can be manufactured using materials of the same composition or using materials of different composition. In this case, only one of the two contact elements can contain an unstable element.
即ち、上記のように好ましくは分解された不安定成分が水素化物である場合は、アークによって作られる熱の効果によって、水素から実質的に形成されるガスを放出する電気接点を本発明は提案する。このガスはアークを冷却して不安定化するので、アークは急速に消滅する。 That is, the present invention proposes an electrical contact that releases gas substantially formed from hydrogen by the effect of heat generated by the arc when the unstable component preferably decomposed as described above is a hydride. To do. This gas cools the arc and destabilizes it, so the arc disappears rapidly.
それでも、アークが生成されてしまった以上、各接点要素の一部分はその熱によって溶融し、融着してしまっている可能性がある。このようなことが起こってしまったとしても、不安定成分からのガスの放出によって溶融した接点要素の表面が多孔質になり、それ故に脆くなることを考慮すると、接点要素間の融着は、次に接点が開いたときに容易に破断する。このことが、本発明による材料の主要な効果である。 Still, as long as the arc has been generated, a portion of each contact element can be melted and fused by its heat. Even if this happens, the fusion between the contact elements takes into account that the surface of the molten contact element becomes porous and hence brittle due to the release of gas from unstable components, It then breaks easily when the contact opens. This is the main effect of the material according to the invention.
一般に、ここまで記述してきた接点材料を製造する方法は、
−前記基材成分、即ち、導電性金属、と不安定成分と、要すれば耐火成分とのブレンド物を調製し、
−該ブレンド物を圧縮し、
−任意に、得られた圧縮体を焼結し、
−用途に従って圧縮体を成形し、
−任意に、最終的な熱処理を施し、
−要すれば、用途に向けて仕上げをする
という処理を順に行う。
In general, the method of manufacturing the contact material described so far is:
-Preparing a blend of said substrate component, i.e. conductive metal, unstable component and, if necessary, refractory component;
-Compressing the blend;
Optionally sintering the resulting compact
-Molding the compact according to the application;
-Optionally subject to a final heat treatment,
-If necessary, perform the process of finishing for the application in order.
第一の好ましい態様によると、材料の基材成分は粉末の形状をしており、材料粉末は、乾式混合もしくは湿式混合され、又は「機械的合金化」と呼ばれる技術を用いてブレンドされる。このようにして、粒子を融着させてその成分をより小さな粒子に粉砕する。これらの３つ方法は、当業者にはよく知られている。 According to a first preferred embodiment, the base component of the material is in the form of a powder, and the material powder is dry mixed or wet mixed or blended using a technique called “mechanical alloying”. In this way, the particles are fused and the components are crushed into smaller particles. These three methods are well known to those skilled in the art.
次いで、一軸冷間プレス、又は高過ぎない温度で、任意に加圧水素下での加熱プレス、即ち、不安定成分が分解しない水素温度及び圧力条件下での加熱プレス、或いは衝撃圧縮（断熱圧縮法）によって、得られたブレンド物はペレットの形状に圧縮される。得られた圧縮体は、次に、高過ぎない温度で、任意に加圧水素下で焼結される。この処理操作は、圧縮が高過ぎない温度でなされた場合、又は衝撃圧縮によって行われた場合には、任意である。最後に、圧縮体は冷間再プレスによって形成される。 Then, a uniaxial cold press, or a hot press, optionally under pressurized hydrogen, at a temperature that is not too high, ie, a hot press under conditions of hydrogen temperature and pressure at which unstable components do not decompose, or shock compression (adiabatic compression method) ), The resulting blend is compressed into pellet form. The resulting compact is then sintered at a temperature that is not too high, optionally under pressurized hydrogen. This processing operation is optional if the compression is done at a temperature that is not too high or if it is done by impact compression. Finally, the compact is formed by cold repressing.
第二の好ましい態様によると、処理プロセスは、上記態様と同じ第一の処理ステップを繰り返す。しかしながら、今回は、ブレンド物を短冊状に加圧することによって圧縮する。加圧は一軸方式で、冷間又は高過ぎない温度で行われ、そして、得られた圧縮体は高過ぎない温度で、任意に加圧水素下で焼結される。第一の態様と同様に、加圧が高過ぎない温度で行われていれば、焼結は必要ない。最終的に、圧縮体は圧延によって成形される。 According to a second preferred embodiment, the processing process repeats the same first processing steps as in the above embodiment. However, this time, the blend is compressed by pressing it into strips. The pressurization is uniaxial, is performed at a temperature that is not cold or too high, and the resulting compact is sintered at a temperature that is not too high, optionally under pressurized hydrogen. Similar to the first embodiment, sintering is not necessary if the pressurization is carried out at a temperature that is not too high. Finally, the compact is formed by rolling.
第三の好ましい態様によると、静水圧モードにおける冷間プレス又は高過ぎない温度でのプレスによって、同じ初期ブレンド物をビレットの形状に圧縮する。得られた圧縮体は、次に、再び高過ぎない温度で、任意に加圧水素下で焼結される。加圧が高過ぎない温度でなされていれば、焼結は任意である。最後に、高過ぎない温度で、圧縮体を短冊又はワイヤへと押し出す。そして、この製造物は、当業者に公知のあらゆる方法によって、接点部品に変換される。 According to a third preferred embodiment, the same initial blend is compressed into a billet shape by cold pressing in hydrostatic pressure mode or pressing at a temperature not too high. The resulting compact is then sintered again at a temperature that is not too high, optionally under pressurized hydrogen. Sintering is optional if the pressing is done at a temperature that is not too high. Finally, the compact is extruded into strips or wires at a temperature that is not too high. This product is then converted into contact components by any method known to those skilled in the art.
第四の態様によると、処理プロセスは上記と同じ第一ステップを繰り返すが、ブレンド物は焼結することなく冷間プレスに付される。得られた圧縮体は、前記技術の１つを用いて最終的に成形される。 According to the fourth aspect, the treatment process repeats the same first steps as described above, but the blend is subjected to cold pressing without sintering. The resulting compact is finally molded using one of the above techniques.
第五の態様によると、この態様でも様々な成分が粉末形状で提供される。しかしながら、不安定成分はその最終形状をしておらず、前駆体の形状をしている。即ち、不安定成分の金属原子は全く酸化されていない状態にある。例えば、粉末は、TiH２ではなくTi、ZrH２ではなくZr、MgH２ではなくMgの形態にある。前駆体は遊離状態であってもよいし、母材と共に合金化されていてもよい。そして、これら様々な粉末は、乾式混合、湿式混合又は機械的合金化によってブレンドされる。次いで、ブレンド物は、冷間一軸プレス、加熱プレス、又は衝撃圧縮によって、ペレットの形状に圧縮される。加熱プレス又は衝撃圧縮によって加圧がなされた場合には任意であるが、不安定成分の前駆体を水素化するための水素雰囲気下での熱処理に付す前に、水素を存在させることなく、圧縮体を高温で焼結する。最後に、圧縮体を冷間再プレスによって成形する。変形例として、焼結を水素雰囲気下で直接行ってもよく、このようにすると前記水素化処理を省くことができる。 According to the fifth aspect, various components are also provided in powder form in this aspect. However, the unstable component is not in its final shape, but in the form of a precursor. That is, the unstable component metal atoms are not oxidized at all. For example, the powder is in the TiH 2 rather Ti, the ZrH 2 rather than Zr, the Mg forms without the MgH 2. The precursor may be in a free state or may be alloyed with the base material. These various powders are then blended by dry mixing, wet mixing or mechanical alloying. The blend is then compressed into pellet form by cold uniaxial pressing, hot pressing, or impact compression. It is optional when pressure is applied by hot pressing or impact compression, but compression without the presence of hydrogen before subjecting the precursors of unstable components to a heat treatment in a hydrogen atmosphere to hydrogenate. Sinter the body at high temperature. Finally, the compact is shaped by cold repressing. As a modification, the sintering may be performed directly in a hydrogen atmosphere, and in this way, the hydrogenation treatment can be omitted.
第六の態様によると、前記第五の態様で記載したのと同じブレンド物を、冷間静水圧プレス又は加熱一軸プレスによって、圧縮する。そして、圧縮が加熱プレスで行われた場合は任意であるが、得られた圧縮体を高温で焼結し、又は水素雰囲気中で焼結して不安定成分の前駆体の水素化を行う。これを行うに際し、水素が圧縮体の中央に入ることができるように、圧縮されたビレットは十分に多孔質である必要がある。焼結が、水素なしで高温で行われた場合は、圧縮体は、水素化処理に付される前に高温押し出しで成形される。焼結が水素雰囲気下で行われた場合は、高過ぎない温度で押し出すことによって圧縮体を成形する。 According to a sixth aspect, the same blend as described in the fifth aspect is compressed by a cold isostatic press or a heated uniaxial press. When compression is performed by a hot press, it is optional, but the obtained compressed body is sintered at a high temperature or sintered in a hydrogen atmosphere to hydrogenate the precursor of the unstable component. In doing this, the compressed billet needs to be sufficiently porous so that hydrogen can enter the center of the compact. If the sintering is carried out at high temperature without hydrogen, the compact is molded by hot extrusion before being subjected to hydrotreatment. When sintering is performed in a hydrogen atmosphere, the compact is formed by extruding at a temperature that is not too high.
第七の態様によると、前記第六の態様で記載したのと同じブレンド物が、冷間一軸プレス又は加熱プレスによって、短冊の形状に圧縮される。加圧が加熱プレスで行われた場合は任意であるが、得られた圧縮体を高温で焼結し、又は水素雰囲気下で焼結して、不安定成分の前駆体を水素化する。圧縮体は、水素化処理が必要な場合はそれに付される前に、圧延によって成形される。 According to the seventh aspect, the same blend as described in the sixth aspect is compressed into a strip shape by cold uniaxial pressing or hot pressing. When the pressurization is performed by a hot press, it is optional, but the obtained compressed body is sintered at a high temperature or sintered under a hydrogen atmosphere to hydrogenate the precursor of the unstable component. The compression body is formed by rolling before being subjected to a hydrogenation treatment if necessary.
第八の態様によると、材料の様々な成分が、不安定成分の前駆体を含有するバルク合金の形状で提供される。次に、合金は溶融されてビレット又はインゴットの形態に鋳造される。そして、最終的な水素化の前に、ビレットの場合は高温、通常900℃で押し出され、インゴットの場合は、随時熱処理を行いながらの連続する塑性変形操作（圧延、線引き、ハンマー延ばし等）によって短冊又はワイヤに変えられる。 According to an eighth aspect, the various components of the material are provided in the form of a bulk alloy containing precursors of unstable components. The alloy is then melted and cast into billet or ingot form. Before the final hydrogenation, the billet is extruded at a high temperature, usually 900 ° C, and in the case of an ingot, it is subjected to a continuous plastic deformation operation (rolling, drawing, hammer extension, etc.) while performing heat treatment as needed. Can be changed to strips or wires.
前記第八の態様によると、押し出されたビレット、又は短冊もしくはワイヤ状になったインゴットは、例えば、切断、成形、研磨、膨張熱処理等の従来の最終処理に付される。 According to the eighth aspect, the extruded billet or strip or wire-shaped ingot is subjected to conventional final processing such as cutting, molding, polishing, and expansion heat treatment.
これまでに記載してきた様々な態様は、全ての例を網羅してはいない。各処理ステップに対して提案されている様々な手段の他の組み合わせも、任意に、用いることができる。 The various aspects described so far are not exhaustive. Other combinations of the various means proposed for each processing step can optionally be used.
記載した全ての態様において、接点部品が使用されるときになされる溶接及び蝋付け操作を実施するのを容易にする目的で、圧縮に際して、使用されている導電性金属（通常、銀又は銅）とほぼ同じ組成の薄い亜層を追加することも可能である。 In all described embodiments, the conductive metal (usually silver or copper) that is used during compression in order to facilitate performing the welding and brazing operations that are performed when the contact components are used. It is also possible to add a thin sublayer of approximately the same composition.
勿論、不安定成分は、該成分の形成用として上記で提案された要素の内のいくつかからなっていてもよいし、大きさの異なる粒子を有する前記要素の１つからなっていてもよい。このようにして、製造された材料が幅広い条件下で機能することができるように、不安定成分の分解率を様々に違えることも可能である。 Of course, the unstable component may consist of some of the elements proposed above for forming the component, or it may consist of one of the elements with particles of different sizes. . In this way, it is possible to vary the decomposition rate of the unstable components in various ways so that the manufactured material can function under a wide range of conditions.
以上、要約すると、本発明は、２つの接点要素の間に発生するアークを不安定化させ、放出される熱によって接点要素が長期的に損なわれることがないようにすることのできる電気接点材料を提案する。さらに、この材料を製造する方法は、その大きな柔軟性故に、現行の材料に対して使用されている製造手段と同じ手段を用いて、あらゆる標準的な形態をした接点部品を製造するのを可能にする。
In summary, the present invention provides an electrical contact material that can destabilize an arc generated between two contact elements and prevent the contact elements from being damaged in the long term by the released heat. Propose. In addition, the method of manufacturing this material, due to its great flexibility, makes it possible to manufacture contact parts in any standard form using the same means used for current materials. To.
Claims (20)
−該ブレンド物を圧縮し、
−用途に従って圧縮体を成形する
ことを特徴とする、電気接点材料の製造方法。 Preparing a blend of a conductive metal and an unstable component that emits a gas capable of decomposing at a temperature between the operating temperature of the electrical contact and the melting temperature of the metal to destabilize the arc; ,
-Compressing the blend;
-A method for producing an electrical contact material, characterized in that the compact is shaped according to the application.
20. A method according to any one of claims 14, 17 and 19, characterized in that after the blend is formed, it is subjected to a hydrothermal treatment.
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