JP2006233298A - 真空バルブ用接点材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐電圧特性を発揮し、かつ溶着特性を改善した真空バルブ用接点材料およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 真空バルブ用接点材料は、５５〜７５体積％のＣｕからなる導電成分と、２５〜４５体積％の検量の耐弧成分および補助成分とを備えている。耐弧成分はＷ、Ｍｏ、Ｔａの少なくとも一つからなり、補助成分はＣｒからなっている。補助成分は耐弧成分と補助成分の検量に対して０．３〜５重量％となっており、耐弧成分の粒子表面が補助成分により被覆されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、真空バルブ用接点材料およびその製造方法に係わり、とりわけ優れた耐溶着特性と耐電圧特性とを兼備した真空バルブ用接点材料およびその製造方法に関わる。

真空バルブ用接点材料は、導電成分であるＣｕやＡｇを含むとともに、更に用途に応じた種々の成分を含み、大別すると、以下の４種類が存在する。

１）ＣｕＢｉ、ＣｕＴｅＳｅに代表される大電流遮断用接点材料
Ｂｉ，Ｔｅ，Ｓｅ等、接点材料中に、脆性相を形成する成分を含んでおり、通電性に優れ、仮に接触抵抗による溶着が発生しても、この脆性相を起点として溶着部が破断できる。一方、溶着破断面の荒れは大きく、破断面に突起が形成されて電界が集中するため、高電圧領域には使用不可能である。

２）Ｃｕ−Ｗ等の高電圧用途に用いられる接点材料
高融点のＷを含むことから、耐アーク性（耐弧性）に優れ、大電流の投入による溶着の回避には有効な接点である。また、接点の硬度が高く、耐電圧特性に優れる。

３）Ａｇ−ＷＣ等の低裁断特性を有する接点材料
低裁断化作用を有するＷＣを多量添加することにより低裁断特性が発揮されている。この低裁断作用を有する成分は、耐電圧特性を阻害するため、高電圧領域では使用されない。

４）Ｃｕ−Ｃｒ等の、耐電圧特性および大電流遮断特性を有する接点材料
Ｃｒの複合化により優れた遮断性能を発揮する。複合量が比較的少ない接点材料は低接触抵抗特性を有する。Ｃｒの複合化による低裁断化効果は小さい。

またＣｕ−Ｍｏ−Ｃｒ系の接点材料も開発されている（特許文献１参照）。
特許第１４８７１６３号公報

上述した接点材料のうち、Ｃｕ−Ｃｒ系接点材料では、電流投入時の溶着に伴う接点表面の荒れが耐電圧性能を低下させるため、高い電圧領域での使用が困難である。一方、Ｃｕ−Ｗ系接点材料は電流投入時のアークによる耐溶着特性が優れており、安定した耐電圧特性を発揮するが、極めて高い電圧領域においては、特に、接点を開閉動作を行った後の耐電圧性能に比較的大きなばらつきが生じる。

Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｒ系を記載した特許として上述のように特許第１４８７１６３号があるが、Ｃｒはその添加量が１０％以上であり、ＣｒはＣｕマトリックスにおいて粒子状に分散して耐弧成分としての作用を担うものである。従ってＣｒを一旦Ｃｕ中に溶解させ、Ｃｕ液相からの晶出により、Ｗ，Ｍｏ等の耐弧成分粒子表面にＣｒ層を形成させることはできない。このためＣｕマトリックスと耐弧成分粒子との結合力を高めて、耐圧低下の原因と成り得る耐弧成分粒子の電圧印加時の飛散を防止することはむずかしい。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、優れた耐溶着特性と耐電圧特性とを兼備した真空バルブ用接点材料を提供することを目的とする。

発明者らは、上記課題に対して鋭意研究を重ねた結果、Ｃｕ−Ｗ接点の耐電圧特性改善には、ＷとＣｕとの結合力を高めることが課題解決に有効であることを見出した。

本発明は、真空バルブ用接点材料において、５５〜７５体積％のＣｕからなる導電成分と、２５〜４５体積％の総量の耐弧成分および補助成分とを備え、耐弧成分は、Ｗ，Ｍｏ，Ｔａの少なくとも一つからなり、補助成分がＣｒからなり、前記補助成分は、前記耐弧成分と前記補助成分の総量に対して０．３〜５重量％の範囲であり、前記耐弧成分粒子の表面の一部または全てを補助成分が被覆していることを特徴とする真空バルブ用接点材料である。

本発明は、耐弧成分は平均粒径０．３〜１０μmの粒子状体からなることを特徴とする真空バルブ用接点材料である。

本発明によれば、相互に反応しないＷ等の耐弧成分とＣｕとの間に両者との親和性に富んだＣｒを介在させることにより、間接的にＣｕとＷ等の耐弧成分との結合力が高まり、ＣｕマトリックスからのＷ等の耐弧成分粒子の離脱を抑制することが可能となる。

すなわち、Ｃｒを一旦Ｃｕ中に溶解させ、Ｃｕ液相からの晶出により、Ｗ，Ｍｏ等の耐弧成分粒子表面にＣｒ層を形成させることができる。このためＣｕマトリックスと耐弧成分粒子との結合力を高めて、耐圧低下の原因と成り得る耐弧成分粒子の電圧印加時の飛散を防止することができる。

本発明は、真空バルブ用接点材料の製造方法において、Ｃｕからなる導電成分粉末と、Ｗ，Ｍｏ，Ｔａの少なくとも一つからなる耐弧成分粉末とを混合して混合粉末を形成する工程と、前記混合粉末を真空バルブ用接点材料の形状に成形して成形体を作製する工程と、成形体に０．３〜５重量％のＣｒを含むＣｕとＣｒの合金を溶浸する工程とからなる真空バルブ用接点材料の製造方法である。

本発明は、真空バルブ用接点材料の製造方法において、Ｃｕからなる導電成分粉末と、Ｗ，Ｍｏ，Ｔａの少なくとも一つからなる耐弧成分粉末と、Ｃｒからなる補助成分粉末を混合して混合粉末を形成する工程と、前記混合粉末を真空バルブ用接点材料の形状に成形して成形体を作製する工程と、成形体をＣｕの液相存在下において液相焼結する工程とからなる真空バルブ用接点材料の製造方法である。

本発明は、前記液相焼結する工程は、Ｃｕの融点以上の温度でかつ１３５０℃以下の温度にて行なわれることを特徴とする真空バルブ用接点材料の製造方法である。

本発明は、前記液相焼結する工程において、成形体は容器内に設置され、この容器と成形体との間隙に粉末状の酸化物が充填されることを特徴とする真空バルブ用接点材料の製造方法である。

本発明によれば、Ｃｕ合金中に含まれるＣｒは溶浸時にＷ等の耐弧成分粒子の表面に晶出するため、Ｗ等の耐弧成分粒子の表面をＣｒにより被覆させることが可能となる。

本発明によれば、Ｃｕ−耐弧成分接点材料にＣｒを添加し、かつ液相焼結することにより耐弧成分粒子を被覆したＣｒの作用により、Ｃｕマトリックスと耐弧成分とが強固に結びつく。このことにより優れた耐電圧特性を発揮すること可能とし、また、耐弧成分の含有量などを適切な範囲とすることにより、溶着特性が改良された。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。まず、図１および図２により真空バルブの概略を説明する。

図１は、本実施例を説明するための真空バルブの断面図、図２は図１の電極部分の拡大断面図である。

図１において、真空バルブは遮断室１と、遮断室１内に配置された導電棒５、６と、導電棒５、６の対向する先端に取付けられた電極７、８とを備えている。また電極７、８の先端面には接点１３ａ、１３ｂが設けられている。

このうち遮断室１は、絶縁材料によりほぼ円筒状に形成された絶縁容器２と、この両端に封止金具３ａ、３ｂを介して設けた金属製の蓋体４ａ、４ｂとを有し、真空状態を保ちかつ気密に構成されている。

遮断室１内には、上述のように導電棒５，６の対向する先端部に一対の電極７，８が取付けられ、このうち上部の電極７が固定電極、下部の電極８が可動電極となっている。またこの電極８側の電極棒６にはベローズ９が取付けられ、遮断室１内を真空状態でかつ気密に保持しながら電極８の軸方向の移動を可能としている。また、このベローズ９上部には金属製のアークシールド１０が設けられ、ベローズ９がアーク蒸気で覆われることを防止している。また、電極７，８を覆うように、遮断室１内に金属製のアークシールド１１が設けられ、これにより絶縁容器２がアーク蒸気で覆われることを防止している。

さらに、電極８は、図２に拡大して示す如く、導電棒６にろう付け部１２によって固定されるか、又はかしめによって圧着接続されている。また接点１３ａは電極８にろう付け部１４によってろう付けで取付けられる。なお、接点１３ｂは、電極７にろう付けにより取付けられる。

図１および図２に示す接点１３ａ、１３ｂは、本発明による真空バルブ用接点材料を所定形状に加工することにより得られる。

次に本発明による接点材料の製造方法について説明する。

接点材料の製造方法
（接点材料の製造工程）
以下に示す実施例２〜５，実施例１１〜１２および比較例２〜５については、次のような溶浸法による方法を用いて本発明の標準的な製造方法として実施して真空バルブ用接点材料を得た。

・第１の工程
Ｍｏを耐弧成分として選択する。平均粒径４５μｍのＣｕ粉末および平均粒径１μｍのＭｏ粉末を準備し、これらを図３に示す体積比で混合する。

・第２の工程
前記混合粉末を０．８ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力にて成形して成形体を作製する。

・第３の工程
図５（ａ）に示すように成形体２０をカーボン製のるつぼ１５内に設置し、成形体２０の６０％程度の体積を有するＣｕ−Ｃｒ合金のブロック２１を成形体２０に載せ、このるつぼ１５を１０^−３Ｔｏｒｒより高真空な真空雰囲気内において、１２００℃にて３０分保持して成形体２０の空隙内にＣｕ−Ｃｒ合金を溶浸する。

上記実施例において、Ｃｕ−Ｃｒ合金のブロックとしては溶解鋳造により得られたブロックを用いるが、Ｃｕ粉末とＣｒ粉末を所定の組成比となるように配合して圧粉成形したブロックを用いても良い。また、上記実施例では真空雰囲気にてＣｕ−Ｃｒ合金の溶浸を行なうが、水素雰囲気にてＣｕ−Ｃｒ合金の溶浸を行なってもよい。

また、実施例１，実施例６〜１０および比較例１，比較例６〜１０については、次のような原料粉末の液相焼結による方法を用いて本発明の標準的な製造方法として実施した。

・第１の工程
Ｍｏを耐弧成分として選択する。平均粒径４５μｍのＣｕ粉末，平均粒径１００μｍのＣｒ粉末および平均粒径１μｍのＭｏ粉末を準備し、これらを図３に示す重量比で混合する。

・第２の工程
前記混合粉末を８ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力にて成形して成形体を作製する。

・第３の工程
図５（ｂ）に示すように成形体２０をカーボン製のるつぼ１５内に設置し、るつぼ１５内の成形体２０周囲に平均粒径１００μｍのアルミナ粉末２１を充填し、成形体１５がアルミナ粉末２１中に埋没し見えなくなるまでアルミナ粉末を充填する（設置方法１）。

このるつぼ１５を１０^−３Ｔｏｒｒより高真空の雰囲気内において、１２００℃にて３０分保持する。

各実施例および比較例では、上記標準製造条件と部分的に異なる条件にて接点材料を製造し、組成、組織などの特性が異なる材料として、材料的特性および電気的特性の評価を行った。液相焼結法の第３の工程での成形体の設置方法については、図５（ｃ）に示すように、成形体２０をカーボンるつぼ１５内にそのまま設置する方法も検討した（設置方法２）。

評価方法および評価条件
次に、本発明の実施例および比較例のデータを得るための評価方法、および評価条件について説明する。

（材料特性評価）
（１）得られた接点材料の形状
液相焼結法により作製した実施例および比較例については、接点材料の形状が成形体と大きく異なっているものを目視で不良と判断した。なお、接点材料の形状が不良のものについては、加工による接点の作製が困難であるため、以下の評価は行なわない。

（２）相対密度
アルキメデス法により得られた接点材料の密度を測定して組成比から真密度を求めて相対密度に換算した。結果は、実施例１の値を１．００として相対比較し、０．９５以上を合格とした。

（３）導電率
渦電流測定により得られた接点材料の導電率を評価し、実施例１の測定との相対値で表示し、この値が１．１以上を合格とした。

（電気特性評価）
（１）耐溶着特性
それぞれ平面および曲率半径５０ｍｍの球面の接触面を有する１対の接点材料を真空チャンバー内にセットし、接点材料を２００Ｎの力で接触させ、１５ｋＡを通電して溶着させ、その後引き外しに必要な力を測定する。３対の接点材料での試験を実施し、平均値を実施例１０と相対比較した値を表２に示す。この値が１．５以下を合格とした。

（２）耐電圧特性
進み小電流試験における再点弧発生確率にて接点材料の耐電圧特性を評価した。電流は５００Ａであり、回復電圧は１２．５ｋＶである。試験回数は２０００回である。実施例８の再点弧発生確率を１．０とした場合の相対値を示し、この相対値が１．２以下のものを合格とした。

（実施例の検討）
次に、図３に示す接点材料の製造条件および、これらに対応する図４に示す材料組成、材料組織、材料的特性および電気的特性データを参照しながら考察する。

（実施例１および比較例１）
液相焼結法による標準製造方法により製造した実施例１と、固相焼結法により製造した比較例１とを比較評価した。比較例では、焼結温度をＣｕの融点以下の１０５０℃とし、原料Ｃｕ粉末は粒径２μｍのものを使用した。実施例１では液相焼結したとによりＭｏ粒子がこれを被覆したＣｒの作用によりＣｕマトリックスと強固に結びついており、良好な耐電圧特性が得られており、導電率も高いことから耐溶着特性も良好である。比較例１では、固相焼結したためＣｒがＭｏ粒子の周囲を覆っておらず、電圧印加時にＭｏ粒子の離脱が発生したため、耐電圧特性は不十分となっている。

（実施例２〜３および比較例２〜３）
溶浸法による標準製造方法のＣｕ成分量を５０〜７８体積％の範囲で変えた実施例２〜３および比較例２〜３とを比較評価した。Ｃｕ成分量が５５〜７５体積％の範囲にある実施例２〜３では、良好な耐溶着特性および耐電圧特性が得られている。Ｃｕ成分量が５０体積％の比較例２では、接点の導電率が低いため、耐溶着性が不十分であった。一方、Ｃｕ成分量が７８体積％の比較例３では、電流投入時の溶着部を開極時に引き外したことにより形成される接点表面の荒れが大きいため、耐電圧特性が著しく低下している。

（実施例４〜５および比較例４〜５）
溶浸法による標準製造方法を用いて、溶浸材となるブロックのＣｒ成分量を０．２〜７．１重量％の範囲で変え、Ｃｒ成分量／（耐弧成分量＋Ｃｒ量）を０．３〜５．０重量％とした実施例４〜５を準備した。またＣｒ成分量／（耐弧成分量＋Ｃｒ量）をそれぞれ０．２重量％および７．１重量％とした比較例４および比較例５を準備し、両者を比較評価した。

この結果、Ｃｒ成分量／（耐弧成分量＋Ｃｒ量）が０．３〜５重量％の範囲となった実施例４および５では、良好な耐溶着特性および耐電圧特性が得られている。

この値が０．２重量％となった比較例４では、Ｍｏ粒子がＣｒにより十分被覆されていないため、耐電圧特性が不十分であった。一方、この値が７．５重量％の比較例５では、Ｃｕマトリックス内に晶出したＣｒ粒子によって、Ｃｕマトリックスの連続性が部分的に阻害され、導電率が低下するため、耐溶着特性が不十分であった。

（実施例６〜７および比較例６〜７）
液相焼結法における標準的製造方法を用いて、耐弧成分の粒径を０．２〜１５μｍの範囲で変えることにより得られた実施例および比較例を比較評価した。

耐弧成分の粒径が０．３〜１０μｍの範囲にある実施例６〜７においては、いずれも良好な耐溶着特性および耐電圧特性が得られている。

耐弧成分の粒径が０．２μｍの比較例６では、耐弧成分が凝集し、その間隙にＣｕ液相が侵入できないため、相対密度が低く、導電率が低いため耐溶着性能が低い。また、この凝集部にはＣｕマトリックスに包含されていないＭｏ粒子が存在し、これらが電圧印加時に離脱するため、耐電圧性能も低い。一方、耐弧成分の粒径が１５μｍの比較例７では、Ｍｏ粒子相互の結合力が弱く、Ｍｏ粒子が離脱しやすいため、耐電圧特性が不十分となった。

（実施例８〜９および比較例８〜９）
液相焼結法における標準的製造方法の焼結温度を１０５０〜１３５０℃の範囲で変えることにより得られた実施例および比較例を比較評価した。

焼結温度が１１００〜１３００℃の範囲にある実施例８〜９においては、いずれも良好な耐溶着特性および耐電圧特性が得られている。

焼結温度が１０５０℃の比較例８では、比較例１と同様の理由により耐溶着特性および耐電圧特性の両方が不十分であった。また、焼結温度が１３５０℃の比較例９では、液相生成時に形状が大きく崩れ、内部に大きな空洞が形成された。このため、その他の材料特性、電気特性の評価は不可能であった。

（実施例１０および比較例１０）
液相焼結法における標準的製造方法の成形体のるつぼ内の設置方法を変えることにより得られた実施例および比較例を比較評価した。

成形体２０とるつぼ１５との間隙にアルミナを充填した実施例１０は、良好な耐溶着特性および耐電圧特性を示したが、アルミナを充填しなかった比較例１０では、液相生成時に形状が大きく崩れ、内部に大きな空洞が形成された。このため、その他の材料特性、電気特性の評価は不可能であった。

（実施例１１および１２）
溶浸法による標準製造方法と耐弧成分を変えることにより得られた実施例を評価した。耐弧成分をＷおよびＴａとした実施例１１〜１２は、いずれも良好な耐溶着特性および耐電圧特性を示した。

本発明による真空バルブ用接点材料が適用される真空バルブを示す断面図。 図１の要部拡大断面図。 実施例および比較例の製造条件を示す図表。 実施例および比較例の組成および特性を示す図表。 るつぼ内で成形体を焼結する状態を示す図。

符号の説明

１ 遮断室
２ 絶縁容器
３ａ，３ｂ 封止金具
４ａ，４ｂ 蓋体
５，６ 導電棒
７，８ 電極
９ ベローズ
１０，１１ アークシールド
１３ａ，１３ｂ 接点
１４ ろう付け部
１５ るつぼ
２０ 成形体
２１ ブロック
２２ アルミナ粉末

Claims (6)

1. 真空バルブ用接点材料において、
   ５５〜７５体積％のＣｕからなる導電成分と、
   ２５〜４５体積％の総量の耐弧成分および補助成分とを備え、
   耐弧成分は、Ｗ，Ｍｏ，Ｔａの少なくとも一つからなり、補助成分がＣｒからなり、
   前記補助成分は、前記耐弧成分と前記補助成分の総量に対して０．３〜５重量％の範囲であり、前記耐弧成分粒子の表面の一部または全てを補助成分が被覆していることを特徴とする真空バルブ用接点材料。
2. 耐弧成分は平均粒径０．３〜１０μmの粒子状体からなることを特徴とする請求項１に記載の真空バルブ用接点材料。
3. 真空バルブ用接点材料の製造方法において、
   Ｃｕからなる導電成分粉末と、Ｗ，Ｍｏ，Ｔａの少なくとも一つからなる耐弧成分粉末とを混合して混合粉末を形成する工程と、
   前記混合粉末を真空バルブ用接点材料の形状に成形して成形体を作製する工程と、
   成形体に０．３〜５重量％のＣｒを含むＣｕとＣｒの合金を溶浸する工程とからなる真空バルブ用接点材料の製造方法。
4. 真空バルブ用接点材料の製造方法において、
   Ｃｕからなる導電成分粉末と、Ｗ，Ｍｏ，Ｔａの少なくとも一つからなる耐弧成分粉末と、Ｃｒからなる補助成分粉末を混合して混合粉末を形成する工程と、
   前記混合粉末を真空バルブ用接点材料の形状に成形して成形体を作製する工程と、
   成形体をＣｕの液相存在下において液相焼結する工程とからなる真空バルブ用接点材料の製造方法。
5. 前記液相焼結する工程は、Ｃｕの融点以上の温度でかつ１３５０℃以下の温度にて行なわれることを特徴とする請求項４に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
6. 前記液相焼結する工程において、成形体は容器内に設置され、この容器と成形体との間隙に粉末状の酸化物が充填されることを特徴とする請求項５に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。

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