JP2015521355A - 接点部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、接点部材を焼結してなる接点要素（２ａ、２ｂ）と、その接点要素に鋳込まれた接点担体（４）とを有し、接点要素（２ｂ）の粒子を優先方向（Ｂ）に配向させるようにした、電気接点部材（１ｂ）及びその製造方法に関する。【選択図】図４ｂ

Description

本発明は、電気開閉器の接点部材及びこの種の接点部材を製造するための方法に関する。

特許文献１は、銅合金を含浸した焼結タングステン骨格体と、含浸材料から鋳込まれた接点担体とを有する電気接点を開示している。銅合金は、０．１〜１．２％のクロムと、場合によっては０．１〜８％の銀とを有する。接点担体の鋳造後に、電気接点は、高い硬度と高い電気伝導率とを有する接点担体を製造するべく、熱処理に掛けられるか、又は硬化される。

オーストリア特許第286423号公報

本発明の課題は、改良された電気接点部材及びこの種の接点部材の製造方法を提供することにある。

この課題は、請求項１又は８の特徴によって解決される。有利な実施態様は、従属請求項の対象である。

請求項１によれば、電気接点部材は、焼結された接点要素と、その接点要素に鋳込まれた接点担体を有する。即ち、焼結された接点要素と鋳込まれた接点担体とが一緒に、例えば中電圧範囲又は高電圧範囲の電気開閉器用の電気接点部材を形成する。特に、接点要素も接点担体も、導電性である。例えば高電圧範囲の電力開閉器用としては、接点部材は、例えばチューリップ又はアーキングチューリップのような管状要素として形成される。別の接点部材は、チューリップに係合するピン又はアーキングピンとして形成又は成形され、両接点部材で電気開閉器の接点が閉じられるようにされる。

接点要素は、焼結される、即ち互いに境を接する多数の粒子を有するものとなる。本発明によれば、接点要素の粒子は、優先方向に配向されるか、又は接点要素の粒子が優先方向又は優先配向を有する。例えば、粒子は長めに形成されるか又は接点要素の粒形が長めであり、粒子又はその長手軸が優先方向に沿って配向されることとなる。例えば、接点要素は、焼結後に既に冷間成形された状態にあるか冷間成形を施されると、接点要素の粒子は長めに変形されて、優先方向に沿って配向されているか又は配向されることとなる。即ち、接点要素の粒子は、（機械的な）成形によって、優先方向を有する配向又は形状を有することとなる。

優先方向に沿った粒子の配向によって、又は、優先方向に配向された(長めの)粒子形状の形成によって、接点要素は優先方向に比較的僅かな電気抵抗を有するものとなることが判明している。即ち、接点要素又は接点部材は、電流を優先方向に僅かな損失で導くことが可能である。

接点部材は、接点担体の溶融接合後には冷間成形された状態になっていて、接点要素の粒子が優先方向を有し、かつ、その冷間成形によって付加的に接点担体が硬化されるようにすること、即ち、接点要素及び接点担体は、接点要素への接点担体の溶融接合後に、一緒に冷間成形されるようにすることが有利である。その接点担体に接合された、大抵は硬い、従って脆い、接点要素の材料は、接点担体材料への溶融接合後に、大きな範囲に亘って（応力）亀裂の形成なしに変形されることが判明している。即ち、特別に頑丈かつ損失の少ない接点部材を、簡易に、かつ時間を節約して、製造することができる。特に、一つの作業工程のみ、即ち冷間成形のみで以て、上述のような有利な接点要素の配向又は粒子形状が用意され、それと同時に、接点担体又は接点担体材料が硬化されることとなる。

総括すれば、上述の冷間成形によって、個々の接点部材のための再現可能な特性プロフィルを、接点担体用の溶融冶金法で以て製造される出発材料の強度特性の工程技術上生じるばらつきに関係なく、得ることが可能となる。例えば、担体材料及び接点要素の均一な組織構造を、成形率の調整の度合いによって再現可能に設定することができる。特に、担体材料の硬化のために時間の掛かる熱処理が要求されるオーストリア特許第286423号公報のそれと比べて、ここに記載する接点部材は、冷間成形によって、迅速に、従ってコスト的に有利に、硬化されることが可能である。

冷間成形の実例は、冷間鍛造又は冷間圧延であり、例えば、接点部材は、その長手軸に沿って圧延又は鍛造される。即ち、接点部材には、その長手軸に垂直又はほぼ垂直の力が及ぼされる。これにより、接点要素の（焼結後に偶然的に配置された）粒子が、その接点要素の長手軸の方向に、長めに変形されるか、又は、長く引っ張られ又は引き延ばされることとなる。即ち、接点要素の粒子は、冷間成形によって惹起され、又はそれが原因となって、その（接点要素の長手軸方向の）形状、配向又は優先方向が得られる。例えばチューリップのような中空又は管状の接点部材は、例えば管に圧延されるか又は芯を介して引き抜かれる。例えばピンのようなコンパクトな接点部材は、丸く打ち延ばされる。例えばチューリップのような接点部材も、まず中実円筒形として用意され、例えば圧延などによる冷間成形後に、孔を開けられ、さらに加工されて、チューリップ形状にされる。

接点要素の粒子は、長めに、長く引っ張られるか又は引き延ばされて成形され、優先方向に配向される。即ち、接点要素の粒子形状は、長めであるか、又は、その粒子が長手軸と平行な方向において垂直な方向よりも大きな広がりを有する。優先方向において、即ち優先方向に沿って配向された粒子の長手軸方向において、電気抵抗がわずかなものとなるのは、その優先方向においては電流が（長く引き延ばされた粒子によって）僅かな粒子境界を通過するだけでよく、その粒子境界は粒子容積に比して電気抵抗が大きい、ということに基づくものであると考えられる。

優先方向は、通電方向又は接点部材の長手軸と平行又はほぼ平行であると有利である。このような配置によって、接点部材の上述のような僅かな抵抗が、特に効果的に利用されることとなる。例えば、優先方向は、電力開閉器用のチューリップ又はピンの長手軸と平行又はほぼ平行である。

接点要素は、高い摩耗耐性及び耐アーク性のみならず良好な電気伝導率も示すタングステン合金から製造すると有利である。例えば、Ｗ：Ｃｕの混合比が９０：１０、８０：２０、又は、６０：４０であるものが使用される。別の実施態様では、接点要素は、ＭｏＣｕ、又は、ＣｕＣｒから製造される。

接点担体は、高い電気伝導率と良好な鋳造特性とを有する銅から製造されると有利である。あるいはその代わりに、担体材料としてＣｕＣｒ、ＣｕＣｒＺｒ、又は、他の硬化可能な銅合金を使用することも可能であり、その銅担体の溶融接合後に、その銅担体を、冷間成形に付加して又はその代わりに熱処理によって、硬化せしめるようにすることも可能である。

接点要素は、接点担体材料によって取り囲まれるか、又は接点担体材料によって被覆されるようにすると有利である。このようにすることにより、接点要素と接点担体との間に特に大面積の、従って（破損に対して）丈夫な接合が作られる。これにより、特に接点要素と接点担体との間に良好な電気接触が用意され、従って、接点部材の良好な電気伝導率が得られることとなる。

以下に、電気接点部材、特に上述の電気接点部材の製造方法を例示する。まず焼結された接点要素が用意され、その上に接点担体が鋳込まれる。焼結接点要素は、種々の粉末状出発材料が混合され、プレスされ、最後に焼結されることによって、製造される。オプションとして、焼結接点要素は溶融接合の前に旋盤に掛けられる。接点要素は、容器又は黒鉛坩堝のような坩堝に入れられる。続いて、接点担体材料が、例えばブロック状の若しくは棒状の一つの塊として、又は、例えば粉砕片若しくは小片状の概形を残している切断片のような、粉末材料若しくは顆粒として、容器に添加される。その容器の内容物が担体材料の溶融温度に加熱されると、溶融された担体材料が接点要素上に一体鋳造される、又は、接点要素が担体材料に鋳込溶融接合される。即ち、接点要素の材料は、接点担体材料よりも高い融点を有する。その接点要素が担体材料によって溶浸されて接点要素と接点担体との間に特に安定した接合が作られるようにすることが有利である。

上述のように、接点要素が既に冷間成形された状態にある、又は、冷間成形を施されると、接点要素の粒子が優先方向に配向されることとなる。例えば、接点要素が溶融接合の前に冷間成形される、又は、接点担体材料の溶融接合後に接点部材全体（接点要素及び接点担体）が冷間成形されると、その接点部材には、上述の利点が用意されることとなる。

上記の接点部材の実施態様及びその製造方法の個々の特徴、並びに、下記の実施例に記載される接点部材及びその製造方法の個々の特徴は、任意に互いに組み合わせることが可能である。

以下、図面に基づいて本発明の一実施例を詳述する。

溶融工程又は溶浸工程前の、接点部材用の出発材料を有する容器の概略横断面図である。 接点部材の素材を形成するための溶融工程後の、図１の容器を示す図である。 図２の接点部材素材の、冷間成形工程の概略図である。 冷間成形及び最終加工後の、接点部材素材の概略図である。 冷間成形及び最終加工後の、接点部材素材の概略図である。 溶融又は溶浸工程後の、接点部材の顕微鏡写真図である。 成形工程後の、図５の接点部材の顕微鏡写真図である。 成形工程後の、図５の接点部材の顕微鏡写真図である。

図１は、接点部材１ｂ（図４ｂ）を製造するための出発材料を備えた、例えば黒鉛坩堝である容器８の、概略横断面図を示す。以下に、アーキングチューリップの形をした接点部材の製造を例として説明する。

第１の工程において、容器８に焼結素材２ａが接点要素として用意される。この例では、焼結素材２ａは、焼結材料を節約するためにリング形状をしている。なぜなら、完成した接点部材は中央に貫通孔を有するからである（図４ｂ）。例えば、タングステン合金、例えばＷＣｕから成るリングが用意される。焼結素材２ａ又は接点要素の上に、担体材料ブロック６が、例えば銅ブロックが、配置される。材料ブロック６の代わりに、例えば小片又は粉末若しくは顆粒などの微細化担体材料も使用可能である。即ち、金属加工の残片を（再）使用するか、又は、例えば棒状の中実材料よりも値段が安い顆粒又は粉末を使用することが可能である。

続いて、担体材料が溶融され、焼結素材２ａが担体材料によって溶浸される、又は、焼結素材２ａが担体材料によって被覆されることにより、接点部材の素材１ａが形成される。図２に示すように、余剰の担体材料は、接点担体４を形成する。

接点担体４の溶融接合後又は焼結素材２ａの溶浸後に、接点部材の素材１ａが容器８から取り出され、冷間成形を施される。図３において矢印で概略表示されている如く、接点部材の素材１ａは、２個（又はそれ以上）の互いに反対方向に回転するローラ１０ａ，ｂ同士の間を、素材１ａの長手軸Ａに対して平行な方向に動かされる。ローラ間隙、即ちローラ１０ａ，ｂ同士の間隔を狭めることによって、素材１ａの断面が減少させられる、又は、素材１ａが長めに変形させられる。この場合、焼結素材２ａの（焼結工程によって任意に配置若しくは成形された）粒子１４ａ−ｃは、平らに圧延される、即ち、長手軸Ａの方向に長めに、長く引っ張られ又は引き延ばされるようにして、変形させられる。その圧延後には、素材２ａの粒子１６ａ−ｃは、接点部材の長手軸Ａに沿って配向される。即ち、接点要素２ｂ又は成形された焼結素材２ａの粒子１６ａ−ｃは、優先方向Ｂ（長手軸Ａ又は通電方向と平行若しくはほぼ平行な方向）に沿って配向される。

優先方向Ｂに沿って長めに配向された粒子１６ａ−ｃによって、接点要素２ｂ又は接点部材１ｂは、電気伝導率が改良される、又は、方向Ｂへの電気抵抗が減少される。なぜなら、電流は優先方向Ｂに長く引き延ばされた粒子１６ａ−ｃによって、より少ない粒界を克服して行くだけで済むからである。

さらに、冷間成形又は冷間圧延によって、接点担体４が硬化される。即ち、接点担体４又は接点部材１ａの成形率に応じて、接点部材１ａの全容積又は長さに亘って所定の再現可能な機械的特性が、出発材料のばらつきのある特性とは無関係に、達成される。即ち、上述の方法によって、簡易かつ迅速に、従ってコスト的に有利に、個々の接点部材１ｂに対する再現可能な特性プロフィルが達成されることとなる。

図４ａに概略的に示した冷間成形後の接点部材１ｂは、続いて、中心孔１２を設けられ（図４ｂ）、接点要素２ｂ又は接点部材１ｂが、アーキングチューリップの形に成形される（図示せず）。

別の実施態様によれば、容器８の中央に芯（図示せず）が設けられ、その上にリング状の焼結素材２ａが差しこまれる。この芯は、溶融接合の際に接点部材の素材内に空洞を形成することとなるので、その空洞によって、担体材料６の溶浸後には前記の孔１２が形成される、又は、その空洞をごく僅かに再加工することで前記の孔１２が作られるようにすることができる。このようにすることにより、製造時に僅かな担体材料を溶融すれば済むこととなって、その時間及びエネルギーの節約が図られる。

上述の方法に応じて、上述のチューリップに適したアーキングピン（図示せず）が、接点要素と鋳込み形成された接点担体とによって製造される。上述の方法とは別に、焼結素材をリング状には形成せず、例えば（中実）円筒状とし、上述の方法による接点部材の形成後（孔１２は設けない）ピンの接点尖端を孔１２に係合できるように形成して、電気開閉器の開閉器接点が閉じられるようにすることも可能である。

図５は、焼結工程及び担体材料の溶浸工程後における、ＷＣｕ８０／２０の接点要素２ａの範囲における、接点部材の顕微鏡写真図を示す。この図から明らかなように、接点要素２ａの粒子１４ａ−ｃは、任意に形成及び配置されている。

図６ａ及び図６ｂは、図５の接点部材の成形工程後の、その接点部材の範囲内における顕微鏡写真図を示しており、この場合、接点部材は、丸く打ち延ばされたものとなっている。この図から明らかなように、粒子１６ａ−ｃは、成形によって、優先方向Ｂを有する若しくは細長い形に変形させられている。その成形された構造の、優先方向Ｂに対して平行な電気伝導率は、直角な方向のそれよりも高いことが測定される。本実施例の場合、電気伝導率は、少なくとも１．５Ｍ／Ｓの改良となった。

１ａ 接点部材の素材
１ｂ 接点部材／チューリップ
２ａ 焼結素材
２ｂ 接点要素
４ 接点担体
６ 担体材料ブロック
８ 容器／坩堝
１０ａ，ｂ ローラ
１２ 中心孔
１４ａ−ｃ 焼結後の粒子
１６ａ−ｃ 成形後の粒子
Ａ 接点部材の長手軸
Ｂ 優先方向

Claims (13)

1. 焼結された接点要素（２ａ、２ｂ）と、前記接点要素（２ａ、２ｂ）上に鋳造形成された接点担体（４）とを備えた、電気接点部材（１ｂ）において、
   前記接点要素（２ｂ）の粒子が、優先方向（Ｂ）に配向されている
   ことを特徴とする電気接点部材。
2. 請求項１記載の電気接点部材において、
   前記接点要素（２ｂ）が冷間成形されたことによって、前記接点要素（２ｂ）の粒子が前記優先方向（Ｂ）に配向されている
   ことを特徴とする電気接点部材。
3. 請求項１又は２記載の電気接点部材において、
   前記接点要素（２ｂ）の粒子が、細長に形成されて、前記優先方向（Ｂ）に沿って配向されている
   ことを特徴とする電気接点部材。
4. 請求項１、２又は３記載の電気接点部材において、
   前記優先方向（Ｂ）が、前記電気接点部材（１ａ、１ｂ）の通電方向及び／又は長手軸（Ａ）に対して、平行若しくは略平行である
   ことを特徴とする電気接点部材。
5. 請求項１から４の１つに記載の電気接点部材において、
   前記接点要素（２ｂ）及び前記接点担体（４）が、冷間成形されたものである
   ことを特徴とする電気接点部材。
6. 請求項１から５の１つに記載の電気接点部材において、
   前記接点要素（２ａ、２ｂ）用の材料が、ＷＣｕ、ＭｏＣｕ、ＣｕＣｒ、のうちから選ばれる１つの材料である
   ことを特徴とする電気接点部材。
7. 請求項１から６の１つに記載の電気接点部材において、
   前記接点担体（４）用の材料が、Ｃｕ、ＣｕＣｒ、ＣｕＣｒＺｒ、他の硬化可能な銅合金、のうちから選ばれる１つの材料である
   ことを特徴とする電気接点部材。
8. 焼結された接点要素（２ａ）を用意し当該接点要素（２ａ）上に接点担体（４）を溶融接合してなる電気接点部材（１ｂ）を製造するための、特に請求項１から７の１つに記載の電気接点部材を製造するための方法であって、
   前記接点要素（２ａ）を冷間成形することによって、当該接点要素（２ａ）の粒子を１つの優先方向（Ｂ）に配向する
   ことを特徴とする電気接点部材の製造方法。
9. 請求項８記載の電気接点部材の製造方法において、
   前記接点要素（２ａ）を、前記溶融接合後に、冷間成形する
   ことを特徴とする電気接点部材の製造方法。
10. 請求項８又は９記載の電気接点部材の製造方法において、
    前記接点要素（２ａ）及び前記接点担体（４）を、前記溶融接合後に、冷間成形する
    ことを特徴とする電気接点部材の製造方法。
11. 請求項８、９又は１０記載の電気接点部材の製造方法において、
    前記接点要素（２ｂ）の粒子が、細長に形成される、又は、細長の形状を示す
    ことを特徴とする電気接点部材の製造方法。
12. 請求項８から１１の１つに記載の電気接点部材の製造方法において、
    前記優先方向（Ｂ）が、前記接点部材（１ｂ）の通電方向及び／又は長手軸（Ａ）に対して平行若しくは略平行である
    ことを特徴とする電気接点部材の製造方法。
13. 請求項８から１２の１つに記載の電気接点部材の製造方法において、
    前記接点要素（２ａ）を冷間成形し、前記接点要素の長手軸及び／又は前記接点要素の通電方向に対して垂直若しくは略垂直の力を、前記接点要素（２ａ）に及ぼす、又は、前記接点部材（１ａ）を冷間成形し、前記接点部材の長手軸（Ａ）及び／又は前記接点部材の導電方向に対して垂直若しくは略垂直の力を、前記接点部材（１ａ）に及ぼすようにした
    ことを特徴とする電気接点部材の製造方法。
    

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