JP2015207456A - 真空バルブ用接点材料及び真空バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】進み小電流遮断性能に優れた真空バルブ用接点材料を提供する。
【解決手段】真空バルブ用接点材料１は、ベース材２とベース材２上に形成された接触層３とを有する。ベース材２は、Ｃｒ粒子４、並びにＮｂ粒子及びＴａ粒子から選択される少なくとも１つの金属粒子５がＣｕ母材６中に分散した組織構造を有する。接触層３は、粒径が１μｍ以下であるＣｒ微粒子７、並びに粒径が１μｍ以下であり且つＣｒ_２Ｎｂ微粒子及びＣｒ_２Ｔａ微粒子から選択される少なくとも１つの金属間化合物微粒子８がＣｕ母材６中に分散した組織構造を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空遮断器などに使用される真空バルブ用接点材料及び真空バルブに関する。

真空遮断器の大容量化、高耐圧化及び小型化に伴い、真空遮断器に搭載される真空バルブの性能向上が要求されている。真空バルブは、高真空に保たれた絶縁容器内で、固定電極と可動電極とが同軸対向配置された構造を有しており、過負荷電流又は短絡電流が発生した際に、これらの電極を瞬時に開極することで電流を遮断する。このような真空バルブの固定電極及び可動電極の接触部に使用される接点材料には、遮断性能、耐電圧性能及び耐溶着性能が主に要求される。接点材料に要求されるこれらの性能は、互いに相反する性質を有するため、接点材料を単一の元素からなる材料を用いて製造することは難しい。そのため、従来の接点材料は、二種以上の元素を組み合わせた材料を用いて製造されている。

遮断性能及び耐電圧性能に優れた接点材料としては、一般に、Ｃｕ−Ｃｒ合金が知られている。また、耐電圧性能を更に向上させた接点材料として、Ｃｕと、Ｃｒと、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗなどの補助成分とを含有する合金が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１９２９９２号公報

しかしながら、特許文献１などの従来の接点材料は、表面の硬さが十分でないため、進み小電流遮断性能（無負荷送電線の充電電流、コンデンサの負荷電流などの容量性小電流の遮断性能）が十分でないという問題がある。すなわち、従来の接点材料は、進み小電流遮断において、接点の溶着を引き剥がす際に溶着痕が引き延ばされるため、接点の表面凹凸が大きくなる。その結果、溶着痕の先端部で電界集中が生じ、耐電圧性能が低下するという問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、進み小電流遮断性能に優れた真空バルブ用接点材料、及び当該特性を有する真空バルブ用接点材料からなる接点を有する真空バルブを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究した結果、粒径が１μｍ以下である、Ｃｒ微粒子及び特定の金属間化合物微粒子をＣｕ母材中に分散した接触層を接点材料の表面に形成することで、接点材料の表面の硬さを高め、接点の溶着を引き剥がす際の溶着痕の引き延ばしを抑制することができることを見出した。

すなわち、本発明は、Ｃｒ粒子、並びにＮｂ粒子及びＴａ粒子から選択される少なくとも１つの金属粒子がＣｕ母材中に分散したベース材と、前記ベース材上に形成された接触層であって、粒径が１μｍ以下であるＣｒ微粒子、並びに粒径が１μｍ以下であり且つＣｒ_２Ｎｂ微粒子及びＣｒ_２Ｔａ微粒子から選択される少なくとも１つの金属間化合物微粒子がＣｕ母材中に分散した接触層とを有することを特徴とする真空バルブ用接点材料である。
また、本発明は、上記の真空バルブ用接点材料からなる接点を有することを特徴とする真空バルブである。

本発明によれば、進み小電流遮断性能に優れた真空バルブ用接点材料、及び当該特性を有する真空バルブ用接点材料からなる接点を有する真空バルブを提供することができる。

実施の形態１の接点材料の断面模式図である。 実施の形態２の真空バルブの断面模式図である。

以下、本発明の真空バルブ用接点材料及び真空バルブの好適な実施の形態について説明する。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態の真空バルブ用接点材料（以下、「接点材料」と省略する。）の断面模式図である。
図１に示すように、接点材料１は、ベース材２と、ベース材２上に形成された接触層３とを有する。ベース材２は、Ｃｒ粒子４及び金属粒子５がＣｕ母材６中に分散した組織構造を有する。また、接触層３は、Ｃｒ微粒子７及び金属間化合物微粒子８がＣｕ母材６中に分散した組織構造を有する。なお、ベース材２及び接触層３には、原料に含まれる微量の不可避的不純物（Ａｇ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｐなど）が含有されていてもよい。

ベース材２におけるＣｒ粒子４及び金属粒子５は、接点材料１に耐電圧性能を付与する成分である。
金属粒子５としては、Ｎｂ粒子、Ｔａ粒子又はこれらの組み合わせが用いられる。このような金属粒子５を用いることにより、耐電圧性能を向上させると同時に、ベース材２を表面処理することによってベース材２上に特定の組織構造を有する硬い接触層３を形成することができる。

ベース材２におけるＣｒ粒子４、金属粒子５及びＣｕ母材６の含有量は、要求される特性に応じて適宜設定すればよく、特に限定されない。耐電圧性能と遮断性能とを両立させる観点からは、Ｃｒ粒子４の含有量が、好ましくは１５質量％〜５５質量％、より好ましくは２０〜５０質量％であり、金属粒子５の含有量が、好ましくは１〜２０質量％、より好ましくは３〜１５質量％であり、Ｃｕ母材６の含有量が、好ましくは２５〜８４質量％、より好ましくは３５〜７７質量％である。

Ｃｒ粒子４及び金属粒子５の粒径は、特に限定されないが、好ましくは１μｍ超過１００μｍ以下、より好ましくは１０μｍ〜８０μｍである。ここで、本明細書において「Ｃｒ粒子４及び金属粒子５の粒径」とは、所定の目空き径を有する篩を通して決定される粒径のことを意味する。

ベース材２の作製方法としては、特に限定されず、溶浸法、粉末冶金法、鋳造法などの当該技術分野において公知の方法を用いることができる。また、ベース材２は、原料粉末を放電プラズマ焼結させた後、熱処理を施すことによって作製してもよい。なお、ベース材２は、所望の接点形状とするために機械加工を施すことが好ましい。
例えば、溶浸法を用いる場合、Ｃｒ粒子４から成るＣｒ粉末、金属粒子５から成る金属粉末、及び任意につなぎ材としてＣｕ粉末を混合し、成形及び焼結して多孔質焼結体を得た後、多孔質焼結体にＣｕ溶浸することによって作製することができる。

粉末の成形方法としては、特に限定されないが、例えば、粉末を加圧成形機の金型に充填し、所定の圧力で加圧成形すればよい。加圧成形時の圧力としては、特に限定されないが、好ましくは１００ＭＰａ以上１５０ＭＰａ以下である。
成形後の焼結方法としては、特に限定されないが、成形体を真空又は水素雰囲気などの非酸化性雰囲気中で１１００℃以上１２００℃以下の焼結温度に加熱すればよい。焼結温度が１１００℃未満であると、焼結が不十分となり、接点材料１が脆くなることがある。一方、焼結温度が１２００℃を超えると、粉末（特に、Ｃｕ粉末）が溶融して形状維持性が低下してしまうことがある。また、焼結時間は、作製する接点材料１の大きさ等に応じて適宜調整すればよく、特に限定されない。

Ｃｕ溶浸は、水素ガスなどの還元性ガス雰囲気下で、Ｃｕの融点（１０８３℃）以上に加熱することによって行う。ここで、加熱温度が１２００℃を超えると、溶融Ｃｕの表面張力が低くなり、溶浸性が低下することがある。そのため、加熱温度は、Ｃｕの融点以上１２００℃以下に設定することが好ましい。なお、溶浸時間としては、多孔質焼結体中の空孔全体に溶融Ｃｕを浸透させるのに十分な時間であれば特に限定されないが、一般に２時間以上３時間以下である。

接触層３は、接点材料１からなる接点を真空バルブに配置した場合に、真空バルブの開閉操作によって接点同士が接触する部分となる層である。一般に、接触層３の表面の硬さが十分でないと、進み小電流遮断において、接点の溶着を引き剥がす際に溶着痕が引き延ばされるため、接点の表面凹凸が大きくなる。その結果、溶着痕の先端部で電界集中が生じ、耐電圧性能が低下する。
これに対して、本実施の形態の接点材料１に形成される接触層３は、Ｃｒ微粒子７及び金属間化合物微粒子８がＣｕ母材６中に分散した組織構造を有しているため、ベース材２に比べて表面が硬くなる。すなわち、接触層３は、柔らかいＣｕ母材６中に、Ｃｕ母材６よりも硬いＣｒ微粒子７及び金属間化合物微粒子８が微細に分散しているため、ベース材２よりも表面が硬くなる。このような硬い表面を有する接触層３を有する接点材料１であれば、進み小電流遮断において、接点の溶着を引き剥がす際の溶着痕の引き延ばしを抑制し、耐電圧性能の低下を防止することができる。

接触層３におけるＣｒ微粒子７は、接点材料１に耐電圧性能を付与する成分である。また、接触層３における金属間化合物微粒子８は、接点材料１に耐電圧性能を付与すると共に、接触層３の硬さを高める成分である。
金属間化合物微粒子８としては、Ｃｒ_２Ｎｂ微粒子、Ｃｒ_２Ｔａ微粒子又はこれらの組み合わせが用いられる。このような金属間化合物微粒子８を用いることにより、接点の溶着を引き剥がす際の溶着痕の引き延ばしを抑制し、耐電圧性能の低下を防止することができる。

接触層３におけるＣｒ微粒子７、金属間化合物微粒子８及びＣｕ母材６の含有量は、要求される特性に応じて適宜設定すればよく、特に限定されない。耐電圧性能と遮断性能とを両立させると同時に、進み小電流遮断性能を向上させる観点からは、Ｃｒ微粒子７の含有量が、好ましくは１５〜５５質量％、より好ましくは２０〜５０質量％であり、金属間化合物微粒子８の含有量が、好ましくは１〜２０質量％、より好ましくは３〜１５質量％であり、Ｃｕ母材６の含有量が、好ましくは２５〜８４質量％、より好ましくは３５〜７７質量％である。

Ｃｒ微粒子７及び金属間化合物微粒子８の粒径は、所望の硬さ及び進み小電流遮断性能を得る観点から、１μｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上１μｍ以下である。ここで、本明細書において「Ｃｒ微粒子７及び金属間化合物微粒子８の粒径」とは、電子顕微鏡写真、特にＳＥＭにおいて測定されるＣｒ微粒子７及び金属間化合物微粒子８の粒径のことを意味する。Ｃｒ微粒子７及び金属間化合物微粒子８の粒径が１μｍを超えると、接触層３の硬さが十分ではなく、進み小電流遮断性能が低下する。

接触層３の厚さは、特に限定されないが、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以上１００μｍ以下である。接触層３の厚さが１００μｍを超えると、金属間化合物微粒子８の粒径が大きくなる傾向にあり、所望の硬さ及び進み小電流遮断性能の低下を抑制することができない場合がある。

接触層３は、ベース材２の表面をアーク溶解することによって形成することができる。例えば、ベース材２の表面をアークに曝し、ベース材２の成分（Ｃｒ粒子４、金属粒子５及びＣｕ母材６）を溶解した後に急冷凝固させる。アーク溶解は、接触層３中へのガスの混入を防止する観点から、アルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。アーク溶解により、ベース材２の表面の組織が微細化され、Ｃｒ微粒子７及び金属間化合物微粒子８がＣｕ母材６中に分散した状態となる。
なお、アーク溶解の際の条件は、使用するアーク溶解装置の種類などに依存するため、使用するアーク溶解装置の種類に応じて適宜設定する必要がある。

また、アーク溶解は、ベース材２を真空バルブに配置し、真空バルブにおいて生じるアークを利用することによって行うこともできる。具体的には、真空バルブの固定接点及び可動接点としてベース材２を取り付け、電流を遮断する際に発生するアークを利用してベース材２の表面をアーク溶解すればよい。アーク溶解は、電流遮断時にアノード側で起こるため、固定接点及び可動接点の両方に接触層３を形成する場合には、極性を切り替えて電流を遮断する。このような方法を用いることにより、接点材料１が取り付けられる真空バルブにおいて接触層３を有する接点材料１を作製することができるため、アーク溶解装置などを用いて接点材料１を別途作製する場合に比べて製造効率が高い。
なお、真空バルブにおいてベース材２の表面をアーク溶解する場合、アーク溶解の程度は、遮断する電流の大きさに依存する。遮断する電流の大きさは、真空バルブの種類によって異なるため、使用する真空バルブの種類に応じて適宜設定する必要がある。

上記のような特徴を有する本実施の形態の接点材料１は、粒径が１μｍ以下である、Ｃｒ微粒子７及び金属間化合物微粒子８をＣｕ母材６中に分散した接触層３をベース材２の表面に形成することで表面の硬さを高めているので、進み小電流遮断において、接点の溶着を引き剥がす際の溶着痕の引き延ばしを抑制し、耐電圧性能の低下を防止することができる。

実施の形態２．
本実施の形態の真空バルブは、実施の形態１の接点材料１からなる接点を有することを特徴とする。
以下、本実施の形態の真空バルブについて図面を用いて説明する。
図２は、本実施の形態の真空バルブの断面模式図である。図２において、真空バルブ１０は、遮断室１１を内部に備えている。遮断室１１は、円筒状に形成された絶縁容器１２と、封止金具１３ａ，１３ｂによって絶縁容器１２の両端に固定された金属蓋１４ａ，１４ｂとから区画形成され、真空密封されている。遮断室１１内には、固定電極棒１５と可動電極棒１６とが、互いに対向するように設けられている。固定電極棒１５及び可動電極棒１６の対向面には、固定電極１７及び可動電極１８がそれぞれロウ付けによって取り付けられている。固定電極１７と可動電極１８との接触部には、固定接点１９及び可動接点２０がそれぞれロウ付けによって取り付けられている。可動電極棒１６には、遮断室１１の内部を真空気密に保持しながら、可動電極１８を軸方向に移動可能とするベローズ２１が取り付けられている。ベローズ２１の上部には、ベローズ２１にアーク蒸気が付着することを防止するために、金属製のベローズ用アークシールド２２が設けられている。また、遮断室１１内には、絶縁容器１２がアーク蒸気で覆われることを防止するために、固定電極１７及び可動電極１８を覆うように、金属製の絶縁容器用アークシールド２３が設けられている。

上記のような構成を有する真空バルブ１０において、固定接点１９及び可動接点２０が実施の形態１の接点材料１を用いて形成される。実施の形態１の接点材料１は、粒径が１μｍ以下である、Ｃｒ微粒子７及び金属間化合物微粒子８をＣｕ母材６中に分散した接触層３をベース材２の表面に形成することで表面の硬さを高めているので、真空バルブ１０は、進み小電流遮断において、接点の溶着を引き剥がす際の溶着痕の引き延ばしを抑制し、耐電圧性能の低下を防止することができる。

以下、実施例及び比較例により本発明の詳細を説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
（実施例１）
目空き径４５μｍのふるいに通して４５μｍ以下の粒径としたＣｒ粉末、Ｎｂ粉末及びＣｕ粉末（つなぎ材）を混合した後、金型内に充填して１４０ＭＰａの圧力で加圧成形した。次に、成形体を水素ガス雰囲気中、１１９０℃で３時間焼結させることによって多孔質焼結体を得た。次に、多孔質焼結体の表面にＣｕ板を配置し、水素ガス雰囲気中、１０９０℃で加熱し、Ｃｕ板を溶解して多孔質焼結体の内部に浸透させることによってベース材を得た。
次に、ベース材を外径２５ｍｍ、厚さ８ｍｍの大きさに機械加工した後、図２に示す真空バルブの固定接点１９及び可動接点２０として取り付けた。次に、真空バルブにおいて、電流を遮断する際に発生するアークを利用してベース材の表面をアーク溶解して接触層を形成させた。ここで、電流を１０ｋＡ、電流の遮断を５回以上としてアーク溶融を行った。また、固定接点１９及び可動接点２０の両方の接点材料に接触層を形成させるために、極性を切り替えて電流を遮断した。

（実施例２）
アーク溶融を行う際、遮断する電流の大きさを実施例１の０．８倍としたこと以外は実施例１と同様にして接点材料及び真空バルブを作製した。
（実施例３）
アーク溶融を行う際、遮断する電流の大きさを実施例１の０．６倍としたこと以外は実施例１と同様にして接点材料及び真空バルブを作製した。

（実施例４及び５）
実施例１で用いた原料粉末の配合割合を変えて所定の組成のベース材を作製した。このベース材を用いたこと以外は実施例１と同様にして接点材料及び真空バルブを作製した。
（実施例６）
原料粉末として、Ｎｂ粉末の代わりにＴａ粉末（粒径４５μｍ以下）を用いたこと以外は実施例１と同様にして接点材料及び真空バルブを作製した。
（実施例７）
アーク溶融を行う際、遮断する電流の大きさを実施例６の０．８倍としたこと以外は実施例６と同様にして接点材料及び真空バルブを作製した。

（実施例８）
アーク溶融を行う際、遮断する電流の大きさを実施例６の０．６倍としたこと以外は実施例６と同様にして接点材料及び真空バルブを作製した。
（実施例９及び１０）
実施例６で用いた原料粉末の配合割合を変えて所定の組成のベース材を作製した。このベース材を用いたこと以外は実施例６と同様にして接点材料及び真空バルブを作製した。

（比較例１）
実施例１で作製したベース材を接点材料として用いた。
（比較例２）
実施例６で作製したベース材を接点材料として用いた。
（比較例３）
アーク溶融を行う際、遮断する電流の大きさを実施例１の約１．２倍としたこと以外は実施例１と同様にして接点材料及び真空バルブを作製した。
（比較例４）
アーク溶融を行う際、遮断する電流の大きさを実施例６の約１．２倍としたこと以外は実施例６と同様にして接点材料及び真空バルブを作製した。

（比較例５）
アーク溶融を行う際、遮断する電流の大きさを実施例１の２．０倍としたこと以外は実施例１と同様にして接点材料及び真空バルブを作製した。
（比較例６）
アーク溶融を行う際、遮断する電流の大きさを実施例６の２．０倍としたこと以外は実施例６と同様にして接点材料及び真空バルブを作製した。
（比較例７）
目空き径４５μｍのふるいに通して４５μｍ以下の粒径としたＣｒ粉末及びＣｕ粉末（つなぎ材）を混合した後、金型内に充填して１４０ＭＰａの圧力で加圧成形した。次に、成形体を水素ガス雰囲気中、１１９０℃で３時間焼結させることによって多孔質焼結体を得た。次に、多孔質焼結体の表面にＣｕ板を配置し、水素ガス雰囲気中、１０９０℃で加熱し、Ｃｕ板を溶解して多孔質焼結体の内部に浸透させることによって接点材料を得た。次に、接点材料を外径２５ｍｍ、厚さ８ｍｍの大きさに機械加工した。

上記で作製した接点材料を有する真空バルブにおいて、進み小電流遮断性能を評価した。進み小電流遮断性能の評価は、発弧電流積分値を２Ａｓ、遮断電流を２００Ａ、回復電圧を１２０ｋＶとし、進み小電流を１００回遮断したときの再点弧発生回数によって評価した。
また、真空バルブに用いた接点材料について、ＧＤ−ＯＥＳ（グロー放電発光分析）を用いて表面の接触層の組成を同定すると共に、ＳＥＭを用いて接触層の厚さ及び接触層に分散した微粒子の最大粒子径を測定した。ここで、接触層に分散した微粒子の最大粒子径とは、Ｃｒ微粒子、Ｃｒ_２Ｎｂ微粒子又はＣｒ_２Ｔａ微粒子の中で最も大きな微粒子の粒子径を意味する。
上記の評価結果を表１に示す。

表１において、実施例１の「５０Ｃｕ−４５Ｃｒ−５Ｎｂ」というベース材の組成は、ベース材が、５０質量％のＣｕ母材、４５質量％のＣｒ粒子、及び５質量％のＮｂからなることを意味する。同様に、実施例１の「５０Ｃｕ−４０Ｃｒ−１０Ｃｒ_２Ｎｂ」という接触層の組成は、接触層が、５０質量％のＣｕ母材、４０質量％のＣｒ微粒子、１０質量％のＣｒ_２Ｎｂ微粒子からなることを意味する。

表１に示されているように、実施例１〜１０の接点材料は、接触層に分散された微粒子の最大粒径が１μｍ以下である微細化組織を有しており、再点弧発生回数が少なかった。
これに対して比較例１、２及び７の接点材料は、接触層を形成しなかったため、再点弧発生回数が多くなった。これは、接点材料の表面に柔らかいＣｕ母材が多く露出しており、接点の溶着を引き剥がす際にＣｕ母材において溶着痕が引き延ばされてしまったためであると考えられる。
比較例３〜６の接点材料は、接触層が所望の微細化組織を有していないため、再点弧発生回数が多くなった。これは、接触層に分散された微粒子の最大粒径が１μｍよりも大きく、接触層における微粒子の分散性が低下したため、接点の溶着を引き剥がす際にＣｕ母材において溶着痕が引き延ばされてしまったためであると考えられる。

上記の結果を検討すると、接触層に分散された微粒子の最大粒径と、接触層の厚さとの間には相関があり、接触層が厚くなりすぎると、接触層に分散された微粒子の最大粒径が大きくなる傾向にある。したがって、接触層に分散された微粒子の粒径を１μｍ以下にするためには、接触層の厚さを１００μｍ以下とすることが好ましいと考えられる。

以上の結果からわかるように、本発明によれば、進み小電流遮断性能に優れた真空バルブ用接点材料、及び当該特性を有する真空バルブ用接点材料からなる接点を有する真空バルブを提供することができる。

１ 接点材料、２ ベース材、３ 接触層、４ Ｃｒ粒子、５ 金属粒子、６ Ｃｕ母材、７ Ｃｒ微粒子、８ 金属間化合物微粒子、１０ 真空バルブ、１１ 遮断室、１２ 絶縁容器、１３ａ、１３ｂ 封止金具、１４ａ、１４ｂ 金属蓋、１５ 固定電極棒、１６ 可動電極棒、１７ 固定電極、１８ 可動電極、１９ 固定接点、２０ 可動接点、２１ ベローズ、２２ ベローズ用アークシールド、２３ 絶縁容器用アークシールド。

Claims (5)

1. Ｃｒ粒子、並びにＮｂ粒子及びＴａ粒子から選択される少なくとも１つの金属粒子がＣｕ母材中に分散したベース材と、
   前記ベース材上に形成された接触層であって、粒径が１μｍ以下であるＣｒ微粒子、並びに粒径が１μｍ以下であり且つＣｒ_２Ｎｂ微粒子及びＣｒ_２Ｔａ微粒子から選択される少なくとも１つの金属間化合物微粒子がＣｕ母材中に分散した接触層と
   を有することを特徴とする真空バルブ用接点材料。
2. 前記接触層の厚さが１００μｍ以下であ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. 前記接触層において、前記Ｃｒ微粒子の含有量が２０質量％以上５０質量％以下、前記金属間化合物微粒子の含有量が１質量％以上２０質量％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空バルブ用接点材料。
4. 前記ベース材におけるＣｒ粒子及び金属粒子の粒径が１μｍ超過１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の真空バルブ用接点材料。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の真空バルブ用接点材料からなる接点を有することを特徴とする真空バルブ。

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