JP2012007203A

JP2012007203A - 真空遮断器用電極材料の製造方法及び真空遮断器用電極材料

Info

Publication number: JP2012007203A
Application number: JP2010143243A
Authority: JP
Inventors: Taiji Noda; 泰司野田; Hiromasa Sato; 裕昌佐藤
Original assignee: Japan AE Power Systems Corp
Current assignee: Japan AE Power Systems Corp
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2030-06-24
Also published as: JP5614708B2

Abstract

【課題】耐電圧や遮断性能やコンデンサ開閉性能を向上できる真空遮断器用電極材料の製造方法及び真空遮断器用電極材料を提供する。
【解決手段】真空遮断器用電極材料は、混合工程と、プレス焼結工程と、Ｃｕ溶浸工程で製造する。混合工程で、粒径が０．８〜６μｍのＭｏ粉と粒径が４０〜３００μｍのテルミットＣｒ粉とを、混合比率をＭｏ：Ｃｒ＝１：１〜９：１にすると共に混合重量をＭｏ≧Ｃｒにして均一に混合する。プレス焼結工程で、混合した混合物をプレス圧１〜４ｔ／ｃｍ^２で加圧成形して成形体を形成し、かつ成形体を加熱炉において１１００〜１２００℃の温度で１〜２時間保持する焼結を行って仮焼結体を作る。Ｃｕ溶浸工程で、仮焼結体上にＣｕ薄板を配置し、加熱炉において１１００〜１２００℃の温度で１〜２時間保持することで仮焼結体中にＣｕを液相焼結させて溶侵させる。
【選択図】図１

Description

本発明は真空遮断器用電極材料の製造方法及び真空遮断器用電極材料に係り、特にモリブデン（Ｍｏ）−クロム（Ｃｒ）合金材料を用いた遮断性能の良好な高電圧大容量の真空遮断器用電極材料の製造方法及び真空遮断器用電極材料に関する。

通常、高電圧で大容量の真空遮断器では、接触及び開離動作が繰り返される電極は、その接触面に設ける電極材料として電流遮断性能や耐電圧性能等の電気的特性の良好な材料が使用されている。

一般的には、真空遮断器用電極材料は、導電性の良好なＣｕと耐アーク性成分のＣｒやＭｏ等を定めた割合で混合し、この混合物を加圧成形してから、真空中等の非酸素雰囲気で焼結して焼結体を製造し、この焼結体を使用している。

例えば、特許文献１には、電流遮断性能や耐電圧性能等の電気的特性の良好な電極材料として、Ｃｕ−Ｃｒ系の電極材料を製造するとき、基材として用いられるＣｕと、電気的特性を向上させるＣｒ及びＣｒ粒子を微細にする耐熱元素の各粉末を混合した後、焼結体を得る電極材料が提案されている。この電極材料の組成範囲は、重量比でＣｕ２０〜８０％、Ｃｒ１０〜８０％、Ｍｏ０．００１〜８０％、タングステン（Ｗ）０．０１〜８０％、タンタル（Ｔａ）０．００１〜８０％、ニオブ（Ｎｂ）０．００１〜８０％、バナジウム（Ｖ）０．００１〜８０％であるとされている。

また、特許文献２には、溶着や消耗が少なくて耐弧性能を改善でき、低接触抵抗で信頼性の高い真空遮断器用接点材料として、Ｃｕ、銀（Ａｇ）及び金（Ａｕ）のうち少なくとも一種の含有量が２０〜４５重量％からなる高導電成分と、Ｗ、Ｍｏのうち少なくとも一種の含有量が５５〜８０重量％からなる耐弧成分とを含む接点材料と、この接点材料の金属組織に最大断面積が０．００１〜０．００５ｍｍ^２のものが複数点在して設けられた高導電成分相とを備えることが提案されている。また、この電極材料の製造の最終工程で、更に高導電成分を焼結体の空孔に溶浸させる溶浸工程を行うことも提案されている。

特許第３９２６９９４号特開２００２−１５６４４号公報

上記した特許文献１に記載のように、真空遮断器用電極材料では電流遮断性能や耐電圧性能等の電気的特性が向上させるには、Ｃｕ系電極材料におけるＣｕ基材中のＣｒ、Ｍｏ等の高融点材の含有量を多くし、かつＣｒ等の粒径を微細化して均一に分散させると良好である。しかし、高融点材であるＣｒ、Ｍｏ等の含有する量が多い真空遮断器用電極材料は、Ｃｕ分の含有量の低下によって導電率が下がって接触抵抗値が上昇してしまい、かつ遮断性能が低下するし、更には容量不可を遮断した特の遮断性能（以下「コンデンサ開閉性能」という）が満足できなくなる欠点がある。また、特許文献１に記載の如く、特にＣｕ粉とＷ粉を混合して製造するＣｕ−Ｗ系の電極材料では、遮断性能が低くなることから、真空遮断器に使用できなくなる。

高電圧大容量の真空遮断器に使用する電極材料は、高融点材であるＣｒ等の含有量を増加する必要があるが知られている。ところが、この電極材料の場合には、遮断性能が低下する上、接触抵抗が増加してしまうという問題があった。

本発明の目的は、電極材料中に耐弧成分の含有量が多くなっても、耐電圧や遮断性能やコンデンサ開閉性能を向上できる真空遮断器用電極材料の製造方法及び真空遮断器用電極材料を提供することにある。

本発明の真空遮断器用電極材料の製造方法は、粒径が０．８〜６μｍのＭｏ粉と粒径が４０〜３００μｍのテルミットＣｒ粉とを、混合比率をＭｏ：Ｃｒ＝１：１〜９：１にすると共に混合重量をＭｏ≧Ｃｒにして均一に混合する混合工程と、前記混合工程で混合した混合物をプレス圧１〜４ｔ／ｃｍ^２で加圧成形して成形体を形成し、かつ前記成形体を１１００〜１２００℃の温度で１〜２時間保持する焼結を行って仮焼結体を作るプレス焼結工程と、前記プレス焼結工程で形成した仮焼結体上にＣｕ薄板を配置し、１１００〜１２００℃の温度で１〜２時間保持して前記仮焼結体中にＣｕを液相焼結させて溶侵させるＣｕ溶浸工程からなることを特徴としている。

このようにして製造した真空遮断器用電極材料は、粒径２０〜１５０μｍのＣｕが３０〜５０ｗｔ％と、粒径１〜５μｍのＣｒＭｏが５０〜７０ｗｔ％を含有することを特徴としている。

本発明の真空遮断器用電極材料の製造方法は、Ｍｏ粉とテルミットＣｒ粉とを用い、混合比率をＭｏ：Ｃｒ＝１：１〜９：１でかつ混合重量をＭｏ≧Ｃｒして均一に混合し、この混合物を所定のプレス圧で加圧成形して成形体を形成し、この成形体を焼結して仮焼結体を形成し、仮焼結体上にＣｕ薄板を配置した状態で加熱を行い、仮焼結体中にＣｕを液相焼結させて溶侵させて電極材料を製造するものであるから、容易に製造することができる。しかも、ＭｏＣｒ微細合金の母材組織にＣｕが溶浸して均一に分布した組織となるため、従来に比べて硬度が高くて耐アーク性が向上するし、接触抵抗の増加を抑制できて、真空遮断器で要求される電流遮断性能や耐電圧性能等の電気的特性、更にはコンデンサ開閉性能も向上できる。

本発明の真空遮断器用電極材料の製造方法で製造した電極材料の金属組織の顕微鏡写真である。図１を拡大した顕微鏡写真である。

本発明の真空遮断器用電極材料の製造方法は、Ｍｏ粉とテルミットＣｒ粉を用い、これらの混合比率をＭｏ：Ｃｒ＝１：１〜９：１にすると共に、混合重量をＭｏ≧Ｃｒにして均一に混合する。この混合物は加圧成形して成形体を形成してから、所定の温度で焼結して仮焼結体を作る。最後に、仮焼結体上にＣｕ薄板を配置し、所定の温度で仮焼結体中にＣｕを液相焼結させて溶侵させる。製造された真空遮断器用電極材料は、粒径２０〜１５０μｍのＣｕが３０〜５０ｗｔ％と、粒径１〜５μｍのＣｒＭｏが５０〜７０ｗｔ％を含有している。

以下、本発明の真空遮断器用電極材料の製造方法及び真空遮断器用電極材料について、順に説明する。真空遮断器用電極材料の製造には、主原材料にＭｏ粉とＣｒ粉を用いている。Ｍｏ粉は、市販の粒径が０．８〜６μｍのものを用い、またＣｒの微粒子粉は酸化し易いことから、微粒子粉は使用できないため、テルミットＣｒ粉を使用する。テルミットＣｒ粉は、粒径が４０〜８０μｍ程度のものが望ましいが、市販の粒径が４０〜３００μｍものを使用することができる。また、市販されているテルミットＣｒ粉の酸素含有量は、１２００ｐｐｍ以下であって、５００から１２００ｐｐｍであるから、これを使用することができる。

Ｍｏ粉とテルミットＣｒ粉とは、後述するように両者の混合比率を１：１以上のＭｏ：Ｃｒ＝１：１〜９：１にすると共に、混合重量をＭｏ≧Ｃｒにし、両者を均一に混合する。好ましいＭｏＣｒの混合比率は、後述する実施例の試料での検討によれと、Ｍｏ：Ｃｒ＝３：１程度である。また、耐弧成分であるＣｒは、いずれの混合比率の場合でも５〜１５ｗｔ％程度存在すると遮断性能が良好になるから、真空遮断器用電極材料としてより一層好適となる。

本発明の真空遮断器用電極材料の製造は、Ｍｏ粉とテルミットＣｒ粉を均一に混ぜ合わせる混合工程と、混合物を所定のプレス成形圧力で加圧成形して成形体を形成し、かつこの成形体を予め定めた温度に加熱して仮焼結体を作るプレス焼結工程と、作った仮焼結体上にＣｕ薄板を配置して定めた温度に加熱して仮焼結体中にＣｕを溶侵させるＣｕ溶浸工程によって製造している。

更に具体的に説明すると、混合工程では上記した条件を満たすＭｏ粉とテルミットＣｒ粉を準備し、最初の工程でこれらを均一に混合する混合処理を施して混合物を作る。続くプレス焼結工程では、混合物を所定の形状の金型に入れ、プレスによる成形圧力を１〜４ｔ／ｃｍ^２にして短時間で圧縮成形する加圧成形の処理を施し、成形体を形成する。この成形体は、加熱炉において１１００〜１２００℃の温度で１〜２時間保持する焼結を行い、ＭｏＣｒ合金組織の仮焼結体（スケルトン）を作る。

最後のＣｕ溶浸工程では、ＭｏＣｒ合金組織の仮焼結体上に、このＭｏＣｒ合金組織と濡れ性の非常に良好なＣｕ薄板を配置した状態で、同様に加熱炉において１１００〜１２００℃の温度で１〜２時間保持する溶浸処理を施している。このようにすると、微細なＭｏＣｒ合金の焼結母材内に、数十μｍ程度のＣｕを液相焼結させて均一に溶侵させることができる。

仮焼結体を作る際の１１００〜１２００℃の温度で１〜２時間保持する焼結は、Ｍｏ粉とテルミットＣｒ粉の混合比率から考慮して加熱温度と時間を適切に設定して行わせることができる。また、同様にＣｕ溶浸工程の１１００〜１２００℃の温度で１〜２時間保持する溶浸処理も、Ｃｕ溶浸の程度を考慮して同様に加熱温度と時間を適切に設定して行わせることができる。

真空遮断器用電極材料の実施例と比較例
表１には、上記した本発明の製造方法の混合工程、プレス焼結工程、Ｃｕ溶浸工程とによって製造した真空遮断器用電極材料の実施例を試料ＮＯ．１〜１２に示し、比較例として従来の方法で製造したＣｕＣｒ主体の真空遮断器用電極材料を、試料ＮＯ．１３に示している。

試料ＮＯ．１〜１２の真空遮断器用電極材料は、いずれも表１記載のＭｏＣｒの混合比率で均一に混合し、これを試料ＮＯ．１２を除いて試料ＮＯ．１〜１１は記載のように最大４ｔ／ｃｍ^２〜最小１ｔ／ｃｍ^２のプレスによる成形圧力を加えて成形し、加熱炉で１１５０℃の温度で１．５時間保持する焼結を行い、ＭｏＣｒ合金組織の仮焼結体を作った。その後、仮焼結体上にＣｕ薄板を配置した状態で、加熱炉で１１５０℃の温度で１．５時間保持する溶浸処理によって、ＭｏＣｒ合金組織中にＣｕを均一に分散させ、Ｃｕがそれぞれ表１記載のｗｔ％を含むように製造した。

上記した方法で製造した真空遮断器用電極材料は、図１の倍率×１００の顕微鏡写真及び図２の倍率×５００の顕微鏡写真に示すように、Ｍｏ粒子にＣｒが拡散固着した状態である粒径１〜５μｍの微細なＭｏＣｒ合金組織（白色箇所）中に、粒径２０〜１５０μｍのＣｕ（黒色箇所）が分散した組織となっている。これは、Ｃｕ溶浸工程でＭｏ粒子を付着させていたＣｒが、拡散固着していく過程で生ずる空隙部分に、Ｃｕが溶浸していった結果であると推定される。

表１の試料ＮＯ．１〜５は、ＭｏＣｒの混合比率が約３：１、９：１、約４：１、即ち混合重量がＭｏ＞Ｃｒであって、成形圧力が４ｔ／ｃｍ^２、３ｔ／ｃｍ^２、１ｔ／ｃｍ^２と異なっているが、接触抵抗はいずれも従来の試料ＮＯ．１３よりも小さく、しかもブリネル硬度が大きく真空遮断器用電極材料として好適なものと判定できた。また、試料ＮＯ．６〜８は、混合比率が略１：１で成形圧力を上記と同じように変えたものであるが、接触抵抗及びブリネル硬度とも真空遮断器用電極材料として使用可能なものと判定できた。

しかし、試料ＮＯ．９〜１１のようにＭｏＣｒの混合比率が１：３、即ちＭｏＣｒの混合重量をＭｏ＜Ｃｒとした場合の電極材料は、満足できるものでなくて使用不可能の判定となった。また、試料ＮＯ．１２のようにＭｏＣｒの混合比率を約３：１とした場合であっても、ＭｏＣｒにプレスによる成形圧力を加えなかった電極材料は、使用不可能の判定となった。

本発明の製造方法では、Ｍｏ粉とテルミットＣｒ粉を用い、焼結により微細なＣｒＭｏ合金組織とし、この組織と濡れ性が非常に良いＣｕを隙間に溶浸させて真空遮断器用電極材料を作るものである。このため、微細なＭｏＣｒの焼結母材中に数十μｍのＣｕを均一に分散させることで、Ｃｕの一定量が確保できるから、従来の５０％ｗｔずつのＣｕＣｒの真空遮断器用電極材料と比較し、真空遮断器用電極材料の遮断性能を低下させることなく接触抵抗の上昇を抑制できる。また、この真空遮断器用電極材料は、耐弧成分含有量が多いＣｒＭｏ合金の複合組織ではあるが、微細な組織であるから遮断性能を向上できるし、硬度がより高くできるので耐電圧やコンデンサ開閉性能も向上できる。

Claims

粒径が０．８〜６μｍのＭｏ粉と粒径が４０〜３００μｍのテルミットＣｒ粉とを、混合比率をＭｏ：Ｃｒ＝１：１〜９：１にすると共に混合重量をＭｏ≧Ｃｒにして均一に混合する混合工程と、前記混合工程で混合した混合物をプレス圧１〜４ｔ／ｃｍ^２で加圧成形して成形体を形成し、かつ前記成形体を１１００〜１２００℃の温度で１〜２時間保持する焼結を行って仮焼結体を作るプレス焼結工程と、前記プレス焼結工程で形成した仮焼結体上にＣｕ薄板を配置し、１１００〜１２００℃の温度で１〜２時間保持して前記仮焼結体中にＣｕを液相焼結させて溶侵させるＣｕ溶浸工程からなることを特徴とする真空遮断器用電極材料の製造方法。
請求項１記載の製造方法によって製造され、粒径Ｍｏ＞Ｃｒ２０〜１５０μｍのＣｕが３０〜５０ｗｔ％と、粒径１〜５μｍのＣｒＭｏが５０〜７０ｗｔ％を含有することを特徴とする真空遮断器用電極材料。