JP2010198734A - 真空バルブ用接点材料および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】遮断特性を所定のレベルに維持した上で、再点弧特性を向上させる真空バルブ用接点材料を得る。
【解決手段】接離自在の一対の接点５、６を有する真空バルブに用いられる接点材料において、Ｆｅ成分とＣ成分とＣｒ成分を有するＦｅＣＣｒ層（Ａ）、ＦｅＣＣｒ層（Ｂ）、およびＦｅ成分とＣ成分とＣｒ成分とＣｕ成分を有するＦｅＣＣｒＣｕ層（Ｃ）の少なくとも１つで被覆された改質Ｃｒ粒子からなる耐弧性成分と、Ｃｕ粒子からなる導電性成分と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空バルブ用接点材料に係り、特に遮断特性を維持した上で、再点弧特性を向上し得る真空バルブ用接点材料および製造方法に関する。

真空バルブの接点は、耐溶着特性、耐電圧特性、遮断特性で代表される基本三要件のほかに、裁断特性、耐消耗特性、接触抵抗特性、温度特性などを向上させるため、種々の材料から構成される。しかしながら、上述の諸特性は互いに相反する材料物性を要求する場合が多いことから、一つの元素で満足させることは困難とされている。そこで、材料の複合化や素材張合わせなどによって、特定用途に合った接点材料が開発されている。

大電流遮断用接点材料では、Ｃｕ−Ｂｉ接点、Ｃｕ−Ｔｅ接点が提案され、遮断特性や耐溶着特性の向上が図られているが、再点弧特性が劣るとされている（例えば、特許文献１参照。）。

Ｃｕ−Ｗ接点では、Ｗの高溶融点性の効果によって優れた耐アーク性を示すものの、電流遮断時の激しい熱電子放出によって遮断特性が阻害されることが指摘されている（例えば、特許文献２参照。）。

高耐電圧、大電流遮断用接点材料では、Ｃｕ−Ｃｒ接点が提案されている。Ｃｕ−Ｃｒ接点は、他の接点材料ほどには、構成元素間の蒸気圧差が少ないため均一な性能発揮を期待し得る利点がある（例えば、特許文献３参照。）。

特公昭４１−１２１３１号公報 特公昭４４−２３７５１号公報 特開平５−３１１２７３号公報

近年、真空遮断器の使用条件の過酷化とともに負荷の多様化が進み、リアクトル回路やコンデンサ回路への適用拡大が進んでいる。これに対し、耐電圧特性や遮断特性の改善が期待できるＣｕ−Ｃｒ接点であっても、更なる低再点弧化の要求に対しては充分なものではなかった。

即ち、高耐電圧、大電流遮断として優先的に使用されてきたＣｕ−Ｃｒ接点でも、より過酷な高電圧領域および突入電流を伴う回路では再点弧現象の発生が観察されるとともに、接点の材質間で再点弧特性にばらつきが観察されている。これは、接点製造時の環境や雰囲気に暴露されたＣｒ粒子に起因する場合が多いとされている。このため、Ｃｒ粒子に起因するものを取り除き、遮断特性を所定のレベルに維持した上で、再点弧特性を向上させることのできる接点材料が望まれていた。

本発明は上記問題を解決するためになされたもので、遮断特性を所定のレベルに維持した上で、再点弧特性を向上し得る真空バルブ用接点材料および製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の真空バルブ用接点材料は、ＦｅＣＣｒ層（Ａ）、ＦｅＣＣｒ層（Ｂ）、ＦｅＣＣｒＣｕ層（Ｃ）の少なくとも１つで被覆された改質Ｃｒ粒子からなる耐弧性成分と、Ｃｕ粒子からなる導電性成分と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、原料のＣｒ粒子の表面部にＦｅ成分およびＣ成分を有するＦｅＣＣｒ層を形成させた改質Ｃｒ粒子と、残部をＣｕマトリックス相とで構成したＣｕ−Ｃｒ接点としているので、Ｃｒの雰囲気に対する活性度を低く保ち、Ｆｅの持つ優れた耐電圧特性から、遮断特性を所定のレベルに維持し、再点弧特性を向上させることができる。

本発明の実施例に係る真空バルブ用接点材料を使用する真空バルブの構成を示す断面図。

（接点材料の構成）
原料のＣｒ粒子の表面部に、Ｆｅ成分およびＣ成分、更にはＣｕ成分を有するＦｅＣ層、ＦｅＣＣｒ層、ＦｅＣＣｒＣｕ層（以下、ＦｅＣＣｒ層で代表する）の少なくとも１つを形成し、Ｃｒ粒子を改質する。この改質Ｃｒ粒子と残部をＣｕマトリックス相とで構成し、Ｃｕ−Ｃｒ系の接点材料とする。

改質Ｃｒ粒子は、１０〜６０質量％とする。１０質量％未満では、遮断特性、接触抵抗特性が確保されるものの、再点弧特性が低下する。６０質量％を越えると、再点弧特性は優位となるものの、遮断特性、接触抵抗特性が低下する。また、改質Ｃｒ粒子の分散間隔は、１〜８０μｍとする。８０μｍを超えると、耐溶着特性や接触抵抗特性が低下する。

原料のＣｒ粒子直径は、１〜２５０μｍの範囲から選択する。粒径１μｍ未満では、焼結後の接点素材中に残存するガス量が多く、再点弧の発生確率が上昇する傾向にある。粒径が２５０μｍを超えても、再点弧の発生確率が上昇し、ばらつきが大きくなる傾向にある。また、原料のＣｕ粒子直径は、１〜２５０μｍの範囲から選択する。

（改質Ｃｒ粒子の構成）
ＦｅＣＣｒ層は、５０〜９０質量％のＦｅと、０．０００５〜０．０５質量％のＣと、必要により２０質量％以下のＣｕと、残部がＣｒからなる。即ち、ＦｅＣＣｒ層とは、Ｃｒ粒子の周りに、Ｆｅ成分、Ｃ成分、必要によりＣｕ成分が強固に結合した状態のものである。

Ｆｅ量が５０質量％未満では、再点弧特性が低下する。９０質量％を越えると、焼結時などの雰囲気から汚染を受け易く、その上、原料Ｃｒ中へのＦｅの浸入阻止が制御困難となる。Ｃ量は、０．０５質量％を超えると、再点弧特性が低下する。０．０００５質量％未満では、内部のＣｒとの反応もしくは濡れ性が阻害され、脱落することがある。Ｃは、ＦｅＣＣｒ層中のＦｅとＣｒを強固に結合させる作用をする。Ｃｕは、焼結性、溶浸性を改善し、ＦｅＣＣｒ層の導電性を改善するが、２０質量％を超えると、Ｆｅとの混合性が阻害され組織が偏析状態となる。

なお、ＦｅＣＣｒ層中に、０．１質量％以下のＳｉ（ゼロを含む）、０．１質量％以下のＡｌ（ゼロを含む）を含み、Ｃｕマトリックス中に、０．３質量％以下のＣｒ（ゼロを含む）、０．３質量％以下のＦｅ（ゼロを含む）を含んでもよい。これらは、再点弧特性の改善に寄与する。

（改質Ｃｒ粒子の作用）
再点弧現象は、同じＣｕ−Ｃｒ合金であっても、直接アークを受ける部分の組成、材質、製造条件によって大きく異なる。再点弧の発生確率が大きい接点では、表面の材質的不都合さ（組成と成分の不均一性、量の不均一性、表面吸着ガス、吸着ガスとの反応生成物、内臓ガスの吸着や付着、雰囲気など）が大きく影響している。材質的不都合さの原因の１つに、Ｃｒが持つ活性な性質が起因しており、この改善が重要となる。

例えばＣｒなど接点を構成している物質が遮断時の電気的衝撃、機械的衝撃、熱的衝撃などによって、接点面から脱落する現象が観察され、再点弧現象との相関性が見られた。

そこで、原料のＣｒ粒子の表面部にＦｅとＣが共存するＦｅＣＣｒ層を形成し、Ｃによって、Ｆｅと原料Ｃｒ粒子とＦｅＣＣｒ層とを強固に結合させ、接点面からＣｒ粒子が脱落することを抑止させる。また、ＦｅＣＣｒ層中のＣｒも、Ｃｕマトリックス中から改質Ｃｒ粒子が脱落することを阻止する。更に、表面にＦｅＣＣｒ層を形成することで、原料Ｃｒ粒子が製造工程中で受ける影響を抑制する。

（改質Ｃｒ粒子の製造準備）
原料として、粒子直径１〜２５０μｍのＣｒ粉、粒子直径１〜２５０μｍのＦｅ粉、粒子直径０．０１〜１μｍのＣ粉、粒子直径１〜２５０μｍのＣｕ粉を準備する。

ＦｅＣＣｒ混合粉（Ａ）の製造：予めＣとＦｅとを合金化させたＦｅＣ粉を準備する。そして例えば、８０００ｇｒのＦｅＣ粉と２０００ｇｒのＣｒ粉を混合し、８０％ＦｅＣＣｒ粉を得る。これをＦｅＣＣｒ混合粉（Ａ）とする。
ＦｅＣＣｒ混合粉（Ｂ）の製造：それぞれ所定量のＦｅ粉とＣｒ粉とＣ粉を混合し、ＦｅＣＣｒ混合粉（Ｂ）とする。
ＦｅＣＣｒＣｕ混合粉（Ｃ）の製造：それぞれ所定量のＦｅＣＣｒ混合粉（Ａ）とＣｕ粉を混合し、ＦｅＣＣｒＣｕ混合粉（Ｃ）とする。

（改質Ｃｒ粒子を有するＣｕ−Ｃｒ接点の製造）
製造例１：ＦｅＣＣｒ混合粉（Ａ）を用い、それぞれ所定量のＦｅＣ粉、Ｃｒ粉、原料Ｃｕ粉を混合し、ＦｅＣ粒子とＣｒ粒子に例えば３トン／ｃｍ^２の所定の外力を与え、互いを接触させながら成型する（第１の製造工程）。そして、Ｆｅ粒子とＣｒ粒子の接触を維持させるため、成型体内の残留応力を残した状態を保って、８５０〜１０５０℃で固相焼結する（第２の製造工程）。これにより、ＦｅＣＣｒ層（Ａ）で被覆された改質Ｃｒ粒子が得られるとともに、改質Ｃｒ粒子がＣｕマトリックス相に分散されたＣｕ−Ｃｒ接点を得ることができる。製造例１は、後述する実施例１、７、１４、１５、比較例８に用いる。

製造例２：ＦｅＣＣｒ混合粉（Ｂ）を用い、それぞれ所定量のＦｅＣＣｒ混合粉（Ｂ）、原料Ｃｕ粉を混合し、Ｆｅ粒子、Ｃｒ粒子、Ｃ粒子に例えば３トン／ｃｍ^２の所定の外力を与え、互いの粒子を接触させながら成型する（第１の製造工程に相当）。そして、残留応力の残った成型体を８５０〜１０５０℃で固相焼結する（第２の製造工程に相当）。これにより、ＦｅＣＣｒ層（Ｂ）で被覆された改質Ｃｒ粒子が得られるとともに、改質Ｃｒ粒子がＣｕマトリックス相に分散されたＣｕ−Ｃｒ接点を得ることができる。製造例２は、後述する実施例２に用いる。

製造例３：ＦｅＣＣｒＣｕ混合粉（Ｂ）を用い、それぞれ所定量のＦｅＣＣｒＣｕ混合粉（Ｃ）、原料Ｃｕ粉を混合し、Ｆｅ粒子、Ｃｒ粒子、Ｃ粒子、Ｃｕ粒子に例えば３トン／ｃｍ^２の所定の外力を与え、互いの粒子を接触させながら成型する（第１の製造工程に相当）。そして、残留応力の残った成型体を８５０〜１０５０℃で固相焼結する（第２の製造工程に相当）。これにより、ＦｅＣＣｒＣｕ層（Ｃ）で被覆された改質Ｃｒ粒子が得られるとともに、改質Ｃｒ粒子がＣｕマトリックス相に分散されたＣｕ−Ｃｒ接点を得ることができる。製造例３は、後述する実施例３、８〜１０、比較例３、４に用いる。

製造例４：製造例１の第１の製造工程後の成型体を、例えば８５０℃で固相焼結し（第３の製造工程）、この焼結体の空隙内に、１１００〜１３５０℃でＣｕを溶浸する（第４の製造工程）。これにより、製造例１と同様のＦｅＣＣｒ層（Ａ）で被覆された改質Ｃｒ粒子がＣｕマトリックス相に分散されたＣｕ−Ｃｒ接点を得ることができる。製造例４は、後述する実施例４、１１〜１３、１６、１７、比較例５〜７、９に用いる。

製造例５：製造例２の第１の製造工程後の成型体を、例えば８５０℃で焼結し（第３の製造工程に相当）、この焼結体の空隙内に、１１００〜１３５０℃でＣｕを溶浸する（第４の製造工程に相当）。これにより、製造例２と同様のＦｅＣＣｒ層（Ｂ）で被覆された改質Ｃｒ粒子がＣｕマトリックス相に分散されたＣｕ−Ｃｒ接点を得ることができる。製造例５は、実施例５に用いる。

製造例６：製造例３の第１の製造工程後の成型体を、例えば８５０℃で焼結し（第３の製造工程に相当）、この焼結体の空隙内に、１１００〜１３５０℃でＣｕを溶浸する（第４の製造工程に相当）。これにより、製造例３と同様のＦｅＣＣｒＣｕ層（Ｃ）で被覆された改質Ｃｒ粒子がＣｕマトリックス相に分散されたＣｕ−Ｃｒ接点を得ることができる。製造例６は、実施例６に用いる。

上述した製造例４、６は、再点弧特性のみならず、製造が容易であり、経済性や生産性に優れている。

（真空バルブの構成）
ＦｅＣＣｒ層で被覆された改質Ｃｒ粒子がＣｕマトリックス相に分散されたＣｕ−Ｃｒ接点が用いられる真空バルブを図１を参照して説明する。筒状の真空絶縁容器１の両端開口部には、固定側封着金具２と可動側封着金具３が封着されている。固定側封着金具２には、固定側通電軸４が貫通固定され、真空絶縁容器１内の端部に固定側接点５が固着されている。

固定側接点５に対向して接離自在の可動側接点６が、可動側封着金具３を移動自在に貫通する可動側通電軸７の端部に固着されている。可動側通電軸７の中間部にはベローズカバー８が固定され、ベローズカバー８と可動側封着金具３間に伸縮自在のベローズ９が封着されている。また、接点５、６を包囲するように筒状のアークシールド１０が真空絶縁容器１内面に固定されている。

（評価方法）
再点弧特性：試験用真空容器内に一対のＣｕ−Ｃｒ接点を装着し、２４ｋＶ−５００Ａを２０００回開閉したときの、再点弧発生頻度を測定した。判定基準を表１に示す。実施例１の値を基準のＢとし、相対値で表示している。なお、各接点のベーキング、電流エージング、開閉速度などは同様である。

遮断特性：Ｃｕ−Ｃｒ接点を真空バルブ内に組み込み、電圧エージング後、２４ｋＶ−５０Ｈｚ回路に接続し、遮断限界を求めた。遮断限界近くまでは５ｋＡステップで上昇させ、遮断限界になると１ｋＡステップで上昇させた。供試数は３本であり、ばらつきを求めた。判定基準を表２に示す。実施例１の値を基準のｂとし、相対値で表示している。

接触抵抗特性：一部のＣｕ−Ｃｒ接点については、遮断試験前と遮断試験後の接触抵抗を測定した。測定電流は１０Ａである。

静耐電圧特性：一部の接点については、遮断試験後に、接点間を所定のギャップに開き、１ｋＶステップで電圧上昇させたときの破壊電圧を、静耐電圧値として求めた。

以下、本発明の実施例を、表３に示す接点製造条件、表４に示す評価結果を参照して説明する。

（実施例１〜３、比較例１）
実施例１〜３では、それぞれＦｅＣＣｒ層（Ａ）、ＦｅＣＣｒ層（Ｂ）、ＦｅＣＣｒＣｕ層（Ｃ）で被覆された平均粒子直径８０μｍの改質Ｃｒ粒子からなる耐弧性成分と、平均粒子直径５μｍの電解Ｃｕ粉からなる導電性成分を用いた。それぞれのＦｅＣＣｒ層の成分は、表３に示す通りである。比較例１では、耐弧性成分に原料そのままの平均粒子直径８０μｍのＣｒ粉を用いた。

そして、耐弧性成分５０質量％、導電性成分５０％質量％とする混合粉を得た後、３トン／ｃｍ^２で成形し、φ５２ｍｍの成型体を得た。これを水素雰囲気中で９５０℃−３時間の焼結をした。

その結果、実施例１〜３では、再点弧特性がＡ〜Ｃ２、遮断特性がｂ〜ｃ２であり、いずれも良好であった。これに対し、比較例１では、再点弧特性がＸ、遮断特性がｃ２〜ｙであり、不良であった。

また、実施例１〜３では、遮断試験後の接触抵抗値が、遮断試験前の１．１〜１．５倍であった。これに対し、比較例１では、遮断試験後に、１．７〜３．４倍に上昇した。また、遮断試験前後の静耐電圧値は、実施例１〜３では大きな差がなかったが、比較例１では遮断試験後に大きく低下した。これは、ＦｅＣＣｒ層のＣの存在効果が現れたものであり、実施例１〜３では表面荒れが少なかったが、比較例１では表面が激しく荒れていた。なお、ＦｅＣＣｒ層の厚さは、１〜２５μｍである。１μｍ未満では、Ｃｒが持つ活性な性質を抑え難くなる。

（実施例４〜６、比較例２）
実施例４〜６では、それぞれＦｅＣＣｒ層（Ａ）、ＦｅＣＣｒ層（Ｂ）、ＦｅＣＣｒＣｕ層（Ｃ）で被覆された平均粒子直径８０μｍの改質Ｃｒ粒子からなる耐弧性成分と、平均粒子直径５μｍの電解Ｃｕ粉からなる導電性成分を用いた。それぞれのＦｅＣＣｒ層の成分は、表３に示す通りである。比較例２では、耐弧性成分に原料そのままの平均粒子直径８０μｍのＣｒ粉を用いた。

そして、耐弧性成分５０質量％、導電性成分５０％質量％とする混合粉を得た後、２トン／ｃｍ^２で成形し、φ５２ｍｍの成型体を得た。これを水素雰囲気中で８５０℃−１時間の仮焼結をした。次いで、仮焼結体の空隙部にＣｕを１１５０℃の真空中で溶浸した。

その結果、実施例４〜６では、再点弧特性がＳ〜Ｃ１、遮断特性がａ〜ｃ１であり、いずれも良好であった。これに対し、比較例２では、再点弧特性がＸ、遮断特性がｃ１〜ｘであり、不良であった。

また、実施例４〜６では、遮断試験後の接触抵抗値が、遮断試験前の１．３〜１．９倍であった。これに対し、比較例１では、遮断試験後に、２．０〜３．８倍に上昇した。これは、実施例１〜３と同様に、ＦｅＣＣｒ層のＣの存在効果が現れたものである。なお、ＦｅＣＣｒ層の厚さは、実施例１〜３と同様に、１〜２５μｍである。

（実施例７〜１０、比較例３、４）
実施例７〜１０、比較例３、４では、ＦｅＣＣｒ層の成分のうち、Ｆｅ量を３０〜９９質量％、Ｃｕ量を０〜３５質量％と変化させた。Ｆｅ量とＣｕ量の制御は、それぞれの混合比率とともに、加熱処理温度、加熱時間で行った。そして、耐弧性成分２５質量％、導電性成分７５質量％とし、９５０℃で固相焼結した。

その結果、Ｆｅ量が５０〜９９質量％、Ｃｕ量が０〜２０質量％の実施例７〜１０では、再点弧特性がＢ〜Ｃ２、遮断特性がｂ〜ｃ１であり、いずれも良好であった。これに対し、比較例３のＦｅ量４５質量％、Ｃｕ量３０質量％では、遮断特性が良好なものの、再点弧特性が劣った。比較例４のＦｅ量３０質量％、Ｃｕ量３５質量％も同様であった。

（実施例１１〜１３、比較例５〜７）
実施例１１〜１３、比較例５〜７では、ＦｅＣＣｒ層の成分のうち、Ｃ量を０．０００５〜０．５質量％と変化させた。Ｃは、原料のＣｒ粒子からＦｅＣＣｒ層が脱落するのを防止したり、接点表面の平滑化に効果を発揮する。

Ｃ量の制御は、製造例１ではＦｅ粉とＣ粉を秤量する際の比率調整、製造例２ではＦｅ粉、Ｃｒ粉、Ｃ粉を秤量する際の比率調整、製造例３ではＦｅ粉、Ｃｒ粉、Ｃ粉、Ｃｕ粉を秤量する際の比率調整で行うが、Ｃｕマトリックス相からの拡散も加味する。

その結果、比較例５、実施例１１〜１３のＣ量０．０５質量％以下では、再点弧特性がＳ〜Ｃ１、遮断特性がａ〜ｂであり、良好であった。しかしながら、比較例５のＣ量０．０００５未満では、Ｃ量を安定的に制御することが困難であるので、製造技術的な観点から除外する。

これに対し、比較例６のＣ量０．０７質量％、比較例７の０．５質量％では、再点弧特性、遮断特性とも不良であった。このため、Ｃ量は、０．０００５〜０．０５質量％において、優れた再点弧特性と遮断特性を得ることができる。更に、Ｃ量が増加するにつれて、接触抵抗のばらつきが小さくなる傾向にあった。

（実施例１４〜１７、比較例８、９）
実施例１４〜１７、比較例８、９では、ＦｅＣＣｒ層を有する耐弧性成分を５〜７０質量％と変化させた。導電性成分は、残部となる。

その結果、実施例１４〜１７の耐弧性成分１０〜６０質量％では、再点弧特性がＢ〜Ｃ２、遮断特性がａ〜ｃ２であり、いずれも良好であった。

これに対し、比較例８の耐弧性成分が５質量％では、遮断によって接点消耗が大となるものの遮断特性はｃ１〜ｃ２と良好であった。しかしながら、再点弧特性がＸ〜Ｙであった。比較例９の耐弧性成分７０質量％では、再点弧特性が良好なものの、遮断特性が劣り、接触抵抗特性も低下した。

１ 真空絶縁容器
２ 固定側封着金具
３ 可動側封着金具
４ 固定側通電軸
５ 固定側接点
６ 可動側接点
７ 可動側通電軸
８ ベローズカバー
９ ベローズ
１０ アークシールド

Claims (6)

1. ＦｅＣＣｒ層（Ａ）、ＦｅＣＣｒ層（Ｂ）、ＦｅＣＣｒＣｕ層（Ｃ）の少なくとも１つで被覆された改質Ｃｒ粒子からなる耐弧性成分と、
   Ｃｕ粒子からなる導電性成分と、
   を備えたことを特徴とする真空バルブ用接点材料。
2. 前記ＦｅＣＣｒ（Ａ）層および前記ＦｅＣＣｒ（Ｂ）層は、
   ５０〜９９質量％のＦｅと、
   ０．０００５〜０．０５質量％のＣと、
   残部がＣｒと、
   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. 前記ＦｅＣＣｒＣｕ（Ｃ）層は、
   ５０〜９９質量％のＦｅと、
   ０．０００５〜０．０５質量％のＣと、
   ２０質量％以下のＣｕと、
   残部がＣｒと、
   からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の真空バルブ用接点材料。
4. 前記耐弧性成分は１０〜６０質量％であり、残部が前記導電性成分で構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の真空バルブ用接点材料。
5. それぞれ所定量のＦｅ粉と、Ｃ粉と、Ｃｒ粉と、必要によりＣｕ粉とを接触させ、所定の圧力で加圧して成型体を得る第１の製造工程と、
   前記成型体を８５０〜１０５０℃で固相焼結する第２の製造工程と、
   を備えたことを特徴とする真空バルブ用接点材料の製造方法。
6. それぞれ所定量のＦｅ粉と、Ｃ粉と、Ｃｒ粉と、必要によりＣｕ粉とを接触させ、所定の圧力で加圧して成型体とした後、固相焼結して焼結体を得る第３の製造工程と、
   前記焼結体にＣｕを溶浸する第４の製造工程と、
   を備えたことを特徴とする真空バルブ用接点材料の製造方法。

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