JP2778826B2 - 真空バルブ用接点材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） この発明は、真空バルブに関し、より詳細には、耐消
耗特性の安定化と同時に大電流しゃ断特性を向上させた
真空バルブ用接点材料に関する。

（従来の技術） 真空中でのアーク拡散性を利用して高真空中で大電流
遮断或いは定格電流開閉を行なわせる真空バルブの接点
は、対向する固定、可動の２つの接点から構成されてい
る。

このような真空バルブ用接点に要求される特性として
は、 （１）電流遮断或いは開閉に対して耐溶着性がよいこ
と、 （２）良好な遮断特性であること、 （３）耐電圧特性がよいこと、 が挙げられる。これらは最も基本的な三要件として従来
より重視され、新たな合金系の研究、電極構造の研究、
機構の研究など多角的な研究がなされ、この基本三要件
において飛躍的進歩がなされている。上記の各性能で示
される基本三要件とこの他の温度上昇、接触抵抗、消耗
性が低く安定していること及びさい断電流値が低く安定
していることが重要な要件となっている。しかしなが
ら、これらの要件の中には相反するものがある関係上、
単一の金属種によって全ての要件を満足させることは不
可能である。このため、実用されている多くの接点材料
においては、不足する性能を相互に補えるような２種以
上の元素を組合せ、かつ大電流用あるいは高電圧用等の
ように特定の用途に合った接点材料の開発が行なわれ、
それなりに優れた特性を有するものが開発されている
が、さらに強まる高耐圧化および大電流化の要求を充分
満足する真空バルブ用接点材料は未だ得られていないの
が実情である。

一方、近年では、需要家の使用条件の過酷化と共に、
負荷の多様化が進行している。その結果、上記の基本三
要件を一定レベルに維持した上で、更に他の特性（適用
回路、装置など負荷の要求）を強調して対応できる真空
バルブも必要となっている。このようなケースは近年で
は多くあるが、標準仕様の真空バルブのシリーズのなか
から１ランク上位のバルブを適用し、これに対応してい
るのが現状である。その結果はシステムの大形化を余儀
されると共に、経済性も失なわれることになる。そし
て、例えば、このようなケースとして前述のように基本
的三要件は、確保した上で大電流しゃ断特性と耐消耗性
とを両立させた要求が多くなっている。

この傾向は、大電流しゃ断を行なった接点の表面が著
しく損傷し、その結果材料の損耗を招くものであり、こ
のように損耗した表面を持つ接点が次の開閉時或いはし
ゃ断時には２次的な多くの不利を持たらすことになる。
そのため大電流をしゃ断してもなお損耗（消耗）の少な
い、すなわち両立させる要求が多くなっている。

上記の基本的三要件を満す接点材料としてBiのような
溶着防止成分を５重量％（以下、wt％と記載）以下の量
で含有するCu−Bi合金が知られている（特公昭41−1213
1号公報）。このCu−Bi系接点は、脆いBiが結晶粒界に
存在する結果、合金自体を脆化し、低溶着引外し力が実
現したことから、大電流遮断特性に優れている。

また、大電流化を指向した他の接点材料として、Cu−
Te合金も知られている（特公昭44−23751号公報）。こ
の合金は、Cu−Bi系合金が持つ上記問題点を緩和しては
いるが、Cu−Bi系合金に比較して雰囲気に対し、より敏
感なため接触抵抗等の安定性に欠ける。さらに、これら
Cu−Te、Cu−Bi等の接点の共通的特徴として、耐溶着性
に優れているものの、耐電圧特性が従来の中電圧クラス
への適用には充分であるとしても、これ以上高い電圧分
野への応用に対しては、必ずしも満足するものでないこ
とが明らかとなってきた。

一方、Crを含有したCu−Cr合金が真空しゃ断器用接点
材料として知られている。この接点合金は、高温下での
CrとCuとの熱特性が好ましい状態で発揮されるため、高
耐圧大電流用としてすぐれた特性を有している。すなわ
ち、Cu−Cr合金は、高耐圧特性と大容量しゃ断とを両立
させ得る接点として多様されている。しかしながら、Cu
−Cr合金は、しゃ断器用接点材料として一般に利用され
ている前記Biを５％程度以下添加したCu−Bi接点と比較
して、耐溶着特性が大幅に劣っている。従って、この材
料を用いた真空バルブを駆動させる操作機構は、Cu−Bi
に比べ引き離し力を大きく設計する必要があり、小型
化、経済性の点で不利がある。

また、Cu−Cr系合金に前記Bi、Teなどの溶着防止金属
を添加したCu−Cr−Bi合金なども知られている。この合
金によって材料の耐溶着性は、著しく向上するが、ベー
キング、ロウづけなどの加熱処理時の条件によって蒸発
するBi量が異なるため、その結果、大電流しゃ断特性及
び耐消耗性にばらつきが生じるという新たな問題が発生
する。

開閉時のサージに対し格別の配慮をしていない一般の
真空バルブを用いて、電動機負荷などの誘導性回路の電
流をしゃ断するとき、過度の異常サージ電圧が発生し、
負荷機器を破壊させる恐れがある。

この異常サージ電圧の発生原因は、例えば、真空中に
おける小電流しゃ断時に発生するさい断現象（交流電流
波形の自然ゼロ点を待たずに強制的に電流しゃ断が行な
われること）、或いは高周波消弧現象などによるもので
ある。

さい断現象による異常サージ電圧の値Vsは、回路のサ
ージインピーダンスZoと、電流さい断値Icの積、すなわ
ちVs＝Zo・Icで表される。従って、異常サージ電圧Vsを
低くするためには電流さい断値Icを小さくしなくてはな
らない。

上記の要求に対して、炭化タングステン（WC）と銀
（Ag）とを複合化した合金の接点を用いた真空密閉器が
開発され（特願昭42−68447号、米国特許第3683138
号）、これが実用化されている。

このAg−WC系合金の接点は、 （１）WCの介在が電子放射を容易にさせ、 （２）電界放射電子の衝突による電極面の加熱に基づく
接点材料の蒸発を促進させ、さらに、 （３）接点材料の炭化物がアークにより分解し、荷電体
を精製してアークを接続する等の点で優れた低さい断電
流特性を発揮する。

低さい断電流特性を得る他の接点材料として、AgとCu
との比率をほぼ7:3としたAg−Cu−WC合金が提案されて
いる（特願昭57−39851号）。この合金において、従来
にない限定をしたAgとCuとの比率を選択するので、安定
したさい断電流特性を発揮すると記載されている。

さらに、特願昭60−216648号明細書には、耐弧性材料
の粒径（例えば、WCの粒径）を0.2〜１μｍとすること
により、低さい断電流特性の改善に有効であることが示
唆されている。

さらに、特開昭53−35174号公報には、上記焼結合金
の耐溶着性を一層向上させたCu−WC−Bi−Ｗ合金が開示
されている。

（発明が解決しようとする課題） 真空バルブ用接点材料には、前記した基本的三要件
と、この他に需要家が強調する他の要件（耐消耗性）と
の両立が重要となっている。

しかしながら、これらの要件の中には相反する関係に
あるものがあるので、単一の金属材料によって全ての要
件を満足させることは不可能である。このため、実用さ
れている多くの接点材料においては、不足する性能を相
互に補えるような２種以上の元素を組合せ、かつ大電流
用あるいは高電圧用等のように特定の用途に合った接点
材料の開発が行われ、それなりに優れた特性を有するも
のが開発されている。しかし、さらに強まる高信頼性の
要求を充分満足する真空バルブ用接点材料は未だ得られ
ていないのが実状である。

即ち、消耗に係る耐弧性は、高融点成分が有利である
が、高融点材料は一般にアークを受けた時、高温度とな
るため、熱電子放出が著しく、大電流しゃ断性を維持向
上させるには、逆に不利となる。

前記したCu−Bi系接点材料では、素材の脆弱性を利用
して耐溶着性を確保しているため、耐消耗性において致
命的な欠点を有するのみならず、電流遮断或いは開閉に
よる表面荒れの発生で接触抵抗特性もばらつきが大き
い。

また、従来の、通常のAg−WC系接点材料では、電流遮
断或いは開閉数の経過と共に、比較的早い時期にAgが選
択的に蒸発し、局部的にAgの存在しない部分が発生して
接点消耗の増大を招いている。すなわち、例えば前記WC
とAgとを単に複合化しただけの従来の合金の接点では、
WCの量を調節することにより大電流しゃ断特性を改善で
きるが、一方、相対的にAgの量が変動してしまうため、
耐消耗特性も変化する。従って、同一のAg量であって
も、より低く、安定化した両特性を得るよう改善を計る
必要がある。

WCとAgとを複合化した合金の接点（特願昭42−68447
号、米国特許第3683138号）では、大電流しゃ断特性自
体が不十分であるのみならず、耐消耗特性の改善に対し
て何等の配慮がなされていない。

また、AgとCuとの重量比率をほぼ7:3としたAg−Cu−W
C合金（特願昭57−39851号）及び耐弧性材料の粒径を0.
2〜１μｍとする合金（特願昭60−216648号）では、耐
消耗特性を十分に満足していない。

一方、Cu−WC−Bi−Ｗ系接点材料においては、WCと特
にBiの存在の相乗効果で、Cu−Ｗ系接点の耐溶着性の向
上が計られているが、耐消耗特性に、なおばらつきが見
られている。

本発明は上述の背景に基づきなされたものであり、そ
の目的とするところは、優れた大電流しゃ断特性と耐消
耗特性を兼備し、苛酷化する真空遮断器への要求に充分
応える真空バルブ用接点材料を提供することである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明者は、上記の課題解決のために研究開発を進め
た結果、高導電性成分と耐弧性成分とで構成された合金
系に於てこれらの比率を最適化し、特に耐弧性成分の粒
径と合金中に耐弧性成分が存在するときの各耐弧性粒子
の平均粒子間距離とを所定値に最適化すれば、この発明
の目的達成に有効であるとの知見を得て、本発明の完成
に至った。

すなわち本発明の真空バルブに於て、これに用いる接
点材料は、Agおよび／またはCuよりなる高導電性成分
と、WCなどの耐弧性成分とを含むAgまたはAg−Cu金属炭
化物（以下、耐弧性成分を便宜上WCで代表して表記する
場合がある）系真空バルブ用接点材料であって、 （１）高導電性成分の含有量はAg/Cuの総計量が25〜70v
ol％であり、 （２）耐弧性成分の含有量は30〜75vol％であり、該成
分は、Ti、Zr、Hf、Ｖ、Nb、Ta、Cr、MoまたはＷの各炭
化物の少なくとも１種であり、 （３）この接点材料は、0.3〜３μｍの平均粒子径を有
する耐弧性成分が、0.1〜１μｍの平均粒子間距離を保
ちながら存在していることを特徴とする。

この発明の好ましい一態様においてFe、Co、Niから選
ばれた10vol％以下の補助成分を存在させることができ
る。

（作用） 以下の記載においては、導電性成分をAgとして耐弧性
成分をWCで代表して説明するが、本発明はこれらに限定
されるものではない。

Ag−WC系接点材料の大電流しゃ断特性と、耐消耗特性
とを同時に改善するには、同合金中のAg量、合金中のWC
の存在形態、すなわち、各WC粒子の平均粒子間距離とWC
粒径等を好ましい範囲に制御することが重要であり、特
にしゃ断電流値自体をより大きな値に維持すること以外
にも、そのばらつき幅を縮めることならびに消耗量を所
定の範囲内に抑えることと共に開閉の経過に伴い変化
（消耗が増大してゆく）することを避けることも極めて
重要である。前述の大電流しゃ断特性は、接点間の蒸気
量（材料物性としては蒸気圧、熱伝導）、接点材料から
の放出電子などと関係が深い。従って、しゃ断時に電極
空間に放出される蒸気量を過不足ない状態に接点が自己
制御することが重要である。上記WC粒径限定とWC平均粒
子間距離との相互の同時制御によって自己制御が可能と
なる。

すなわち、Ag−WCで代表されるAg−耐弧性材料系合金
では、耐弧性材料（この場合WC）の沸点におけるAgの蒸
気量に左右されるものの他方、前記Cu−Bi系におけるBi
の蒸気圧よりAgの蒸気圧は著しく低いために接点のどの
位置に（Agか耐弧性材料か）にアークの足が固着するか
によって、温度の変動すなわち蒸気量の変動を招くこと
がある。結果的には、ばらつきが現れることが確認され
た。このように電流しゃ断、時の接点面の急激な温度変
化をAgと耐弧性材料との組合わせのみによる従来の合金
状態によってアークを制御させることは既に限界である
と考えられた。さらに高性能化するためには、何等かの
補助技術を付与する必要があるとの結論に至った。この
改良の１つの考えとして、前記特願昭57−39851号明細
書では、高導電性成分をAgとCuとの合金にすることによ
って結晶粒を細かく分布させる技術を示唆している。こ
の技術により飛躍的に特性の安定化が図られた。アーク
が主として固着する位置が、耐弧性成分の場合とAg−Cu
系合金との場合があり、いずれの場合もAg,Cu蒸気の供
給を制御し、しゃ断電流特性の向上（改良）が行なわれ
るが、耐弧性成分に固着した場合には、若干のばらつき
が発生した。

一方、耐弧性成分をより微細化することで、ばらつき
幅の改善が見られる。従って、耐弧性成分の粒径が大電
流しゃ断特性に重要な役割を果すことを示唆すると共
に、耐弧性成分が初期粒径のほぼ10〜20倍程度の大きさ
に偏析が見られた接点材料では著しいばらつきを示した
観察結果を併せて考慮すると、粒径に特定の範囲がある
ことを示唆している。

しかしながら、低裁断値化を目ざした特願昭57−3985
1号ではAgとCuとの量及びWCの粒径を所定の値に制御し
て、さい断電流特性の改善が行なわれ、重要な技術的進
展が見られたものの、これらの技術から、より一層の大
電流しゃ断特性の向上及び低く、安定した耐消耗特性の
同時確保は、得られなかった。

前述のように、本発明接点材料では、微細なWC粉の採
用、Agの量、WC粉の好ましい存在状態（平均粒子間離
間）の採用などで、接点組織の微細化、均一化を達成し
ているので、安定した大電流しゃ断特性を示し、耐消耗
特性についても同様である。多数個の開閉回数の経過後
でも開閉時のジュール熱及びアーク熱によって蒸発する
Agの量を制御し安定した大電流しゃ断特性を示す。

前記した状態の改善のため、本発明では、大電流しゃ
断特性を支配する高導電性成分（Ag）の蒸発量を制御す
るために耐弧性成分（WC）の平均粒子径を所定の好まし
い範囲とすると同時に特にWC各粒子間の平均粒子間距離
を所定の範囲内に存在させた。

このようにすることによって耐消耗性に害を与えるこ
となくAg成分の蒸発状態を制御出来、結果的に大電流し
ゃ断性能を安定化させた。

すなわちWC成分の平均粒子径が３μｍより大の場合
（例えば６〜44μｍの範囲で実験）にはWC粒子の平均粒
子間距離が所定の値の範囲0.1〜１μｍの範囲にあって
も大電流しゃ断特性が低下する（比較例−A5）。一方、
WC成分の平均粒径が0.3μｍより小の場合、WC成分の平
均粒子間距離が0.1〜１μｍの範囲にあっても接点面に
亀裂が認められる場合が見られ耐消耗特性の安定性に問
題があると同時に同一のWC量にあっては、WCの平均粒子
間離間が小さい場合（0.1μｍ以下）しゃ断中の電極空
間へのAgの蒸発供給が多目となる傾向にあり、大電流し
ゃ断特性の劣下も伴う。

これに対しWC粒子径を所定値以内の0.3〜３μｍとし
たときには、大電流しゃ断特性耐消耗性共、或る程度の
レベルを得るが、更にWC粒子の平均粒子間距離も、所定
値以内としたときには、両特性とも、バラツキ幅も著し
く小となり特性の向上に加え安定性向上も認められる。

大電流しゃ断特性と耐消耗特性との両立、改善のため
に本発明では、高導電性成分と耐弧性成分とで構成され
た接点合金中の高導電性成分を25〜70vol％のAgまたは
／およびCuとし、耐弧性成分としてはTi、Zr、Hf、Ｖ、
Nb、Ta、Cr、Mo、Ｗの各炭化物の少なくとも１つとして
構成した接点材料に於て、0.3〜３μｍの平均粒子径を
有する耐弧性成分が0.1〜１μｍの平均粒子間距離を保
ちながら存在していることが必須である。

これによって大電流しゃ断特性を支配するしゃ断時に
電極空間に放出される高導電性成分の量を電流しゃ断に
悪影響を及ぼさない範囲に自己制御し同時に接点の消耗
を少なく維持する。

すなわち同一のWC量ではWC径が小（細かい）方が同一
の熱入力（例えばしゃ断時のアーク）に対しアークスポ
ット部或いはその周辺部の微少部の温度の上昇の程度は
大きい（温度が高くなる。）この温度上昇に対しWCの平
均粒子間距離が或る程度小さいときには同様に温度上昇
を相乗的に増長させこのWC粒子をとり囲むAg（高導電性
成分）の過剰な蒸発、消耗を誘発する。

逆にWCの平均粒子間距離が或る程度大きいときには、
確率的にアークスポットがWC部、Ag部に２極化される傾
向になり特性のばらつき幅の増大を招く。

このような現象のためWCの粒径の適切な値の選択と、
WCの平均粒子間距離の好ましい範囲の選択とを同時に満
たす必要がある。

（実施例） 図面を参照しつつ、この発明をより具体的に説明す
る。

第１図は真空バルブの断面図、第２図は真空バルブの
電極部の拡大断面図である。

第１図において、しゃ断室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性の蓋体4a,4bとで真空密に構
成されている。

前記しゃ断室１内には、導電棒5,6の対向する端部に
取付けられた１対の電極7,8が配設され、上部の電極７
を固定電極、下部の電極８を可動電極としている。また
この電極８の電極棒６には、ベローズ９が取付けられし
ゃ断室１内を真空密に保持しながら電極８の軸方向の移
動を可能にしている。またこのベローズ９上部には金属
性のアークシールド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、前記電極7,
8を覆うようにしゃ断室１内に金属性のアークシールド1
1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、第２図に
拡大して示す如く導電棒６にろう付部12によって固定さ
れるか、またはかしめによって圧着接続されている。接
点13aは電極８にろう付14によってろう付で取付けられ
る。なお、接点13bは電極７にろう付により取付けられ
る。

次に、この接点材料の製造方法の一例につき説明す
る。ここでもAg−WCを代表例として説明する。製造に先
立って、必要粒径別に耐弧性成分及び補助成分を分類す
る。分類作業は例えば篩分けと沈降法とを併用して行う
ことで容易に所定粒径の粉末を得る。まず所定粒径のWC
を所定量及び、所定粒径のAgを所定量の一部用意し、こ
れらを混合し、その後加圧成型して粉末形体を得る。

ついで、この粉末成形体を露点が−50℃以下の水素雰
囲気或いは真空度が、1.3×10^-1Pa以下で、所定温度、
例えば1150℃×１時間にて仮焼結し、仮焼結体を得る。

ついで、この仮焼結体の残存空孔中に所定量のAgを11
50℃×１時間で溶浸しAg−WC合金を得る。溶浸は主とし
て真空中で行うが、水素中でも可能である。

ここで、接点製造時に於ける接点中のWC粒子の平均粒
子間距離の調整の一例につき述べる。本発明合金中のWC
の平均粒子間距離はWC粒子の形状、WC粒子の表面汚染の
状態、WC粒子の粒子径、WC粒子の粒度分布、WC粒子中の
不純物の種類とその量等の粉末状態が重要であり、これ
らを厳しく管理したうえで焼結助剤の有無、高導電性材
料との混合時間潤滑材の有無、成形圧力、焼結温度及び
場合により溶浸温度が関係する。

例えば0.7μｍの平均粒径を持つWC粉を600gr、５μｍ
の平均粒径を持つAg粉を600gr、焼結補助材として５μ
ｍの平均粒径を持つCo粉を10.5grをボールミル巾で２時
間混合後所定の成形圧力で得た成形体を、管理した雰囲
気中で焼結し焼結体を得て、この焼結体中に残存する空
孔中に、Agを1050℃で溶浸させ40％WC−59.3％Ag−0.7
％Co合金とし、該合金中のWC粒子の平均粒子間距離が0.
3μｍの合金を得た。前記粉末状態の制御と成形圧力、
焼結温度の制御の組合せによって他の平均粒子間距離を
持つAg−WC合金を得る。

これらの実験を他の粒子径のWCについても行ない各粒
子径のWCについて、所定の平均粒子間距離を持つ合金を
得る。粒径により適宜前記条件を選択する。

次に、本発明実施例データを得た評価方法、及び評価
条件につき述べる。

1.大電流しゃ断特性 表面荒さを５μｍに仕上げたフラット電極と同じ表面
荒さを持つ曲率半径100Rの凸状電極とを対向させる。両
電極を開閉機構を持つ真空度10^-3Pa以下に排気した着脱
可能な真空容器に取付け、40kgの荷重を与えた上で、7.
2kV−31.5kAの電力を投入・しゃ断する。この投入、し
ゃ断を10回繰返したとき溶着、再点弧などの発生のない
しゃ断が可能かどうかを評価する。投入、しゃ断の回数
が10回に至る前に溶着或いは再点弧の発生が多く見られ
たときテストを中止した。

2.耐消耗特性 上記と同じ電極条件の電極を対向させ、10^-3Pa以下の
真空容器のなかで7.2kV−4.4kAの電力を1000回開閉させ
たときの前後の電極の重量の変化を測定し消耗とした。
尚、データは実施例−２の消耗量を1.0としたときの倍
率で示した。

3.供試接点の内容 表に供試接点の材料内容とその対応する測定データを
示す。

表のように、Ag−WC合金中のAg量（一部Ag−Cu合金）
を、15〜16％のものから82〜83％のものまで変化させた
所定の粒子径（WC）を持つ供試材につき、顕微鏡的評価
等によって所定の平均粒子間距離を持つ接点を決定しそ
の値が＜0.1μｍから2.2.μｍまでのものを夫々選出し
た。これらの接点は前述したように主として成形圧力、
焼結温度の制御、また予備配合材（成形時にAgの一部を
あらかじめWCに混合した混合粉を成形）の量の制御によ
って得る。

更に使用する耐弧性成分の種類を変化させ評価した。

実施例A1〜A3,比較例A1〜A2 平均粒径が約0.1μｍ、及び0.3〜６μｍの計５種のWC
粉（但し0.1μｍのWC粉につきては、0.3μｍ粉末のなか
から微粉の部分を集め0.1μｍとした）及び平均粒径５
μｍのAg粉末を用意する。

AgとWCを所定比率混合後、焼結後のスケルトンの残存
空隙量を調整するよう成形圧をゼロ〜８トン／cm²の範
囲で適宜選択しかつ一部のものにはWCのみのスケルトン
を作製し同様の操作を行なった。

このようにして最終の組成比率が34〜35vol％のAgと
なるよう調節した接点を前記した評価条件に従った大電
流しゃ断テスト及び耐消耗性テストを行なった。

その結果表１によればWCの粒子径が0.1μｍ、かつ平
均粒子間距離が＜0.1μｍでは前記した条件によるしゃ
断テストに於て数回の投入しゃ断で、しゃ断不能を呈
し、更に4.4kA1000回しゃ断後の材料損失も大きいこと
が判った（比較例−A1）。

これに対しWC粒子径が0.3〜３μｍかつ平均粒子間距
離が0.1〜１μｍのものでは 31.5kAを10回しゃ断に成功した上で耐消耗性も安定した
状態であった。（実施例A1〜A3）。

しかしWC粒子径が６μｍでかつ平均粒子間距離も、大
きい場合には充分なしゃ断性能と、耐消耗特性が得られ
なかった（比較例−A2） 従ってWCの粒子径は0.3〜３μｍの範囲で、平均粒子
間距離は0.1〜1.0μｍの範囲が好ましいことが判った。

実施例A4〜A7,比較例A3〜A6 粒子径が前述した好ましい範囲（WC径が0.3〜３μｍ
のもの）にある0.7μｍの場合でも平均粒子径が好まし
い範囲（WC粒子の平均粒子間距離が0.1〜１μｍのも
の）にない0.08μｍの供試材（比較例−３）では、表−
１のように大電流しゃ断特性、耐消耗性共に好ましくな
い傾向を示した。同じくWC粒子の平均粒子間距離が好ま
しい範囲外の2.2μｍの供試材（比較例−A4）でも、両
特性は、好ましくない傾向にある。一部に溶着の発生も
見られている（比較例−A4）。

また、逆に平均粒子間距離が好ましい範囲である0.3
μｍであっても、WC粒子径が６μｍ（好ましい範囲外）
の場合には、同様に両特性は劣ることが示された（比較
例−A5）。

また上記の結果は、供試材中のAgの量（高導電性成分
の量）は、実施例A1,A2,A3,A4,A5,A6のように25〜26vol
％〜69〜70vol％の範囲が両特性が好ましいことが判
る。特にAgの量がこれより少ない15〜16vol％（比較例
−A3）では、10回のしゃ断テスト総てがしゃ断不能を示
しまた、Agの量が多い82〜83vol％（比較例−A4）では
耐消耗性が著しく劣った。

上記に示したのは高導電性成分は総てAgの場合を示し
たが、（Ag−Cu）であっても粒子径及び平均粒子間距離
が前記所定範囲にあるので両特性は良好である（実施例
−A7）。実施例−A7では高導電性成分中のCuが60vol％
であったが、これが80vol％となると接触抵抗にばらつ
きと増大の傾向が見られたので、テストを中止した（比
較例−A6）。

実施例A8〜A21 前記した実施例A1〜A7、比較例A1〜A6では耐弧性成分
は総てWCを使用した。耐弧性成分の粒子径及び同平均粒
子間距離が前記した所定範囲にあるときには、WC以外の
耐弧性成分TiC,ZrC,HfC,VC,NbC,TaC,Cr₃C₂，Mo₂C（実施
例A8〜A15）に於ても同様の好結果を得た。

また、耐弧性成分は１種でなく、（WC−Mo₂C）の如
く、複数種であっても同じように粒子径、平均粒子間距
離を所定範囲に管理することによって好結果を示した
（実施例A16）。これらの実施例A8〜A21では補助成分と
してNi、Co、Feを添加したが同様に好結果が得られてい
る。

その補助成分の量は、10vol％までは充分な特性を示
した（実施例−A17）。

以上述べた実施例のように、Agまたは／およびCuから
なる高導電性成分の総計量と、かつ0.3〜３μｍの平均
粒子径を持つ耐弧性成分とを選択した上で耐弧性成分の
平均粒子間距離を0.1〜１μｍの範囲に制御することに
よって大電流しゃ断特性と耐消耗性の両立が可能となっ
た。

ところで、真空遮断器には低サード性が要求され、そ
のためには、従来では、上述のように低裁断電流特性
（低チョッピング特性）が要求されていた。

しかしながら、真空バルブは、近年、大容量電動機等
の誘導制回路に適用されることが一層増えると共に、高
サージ・インピーダンス負荷も出現したため、真空バル
ブは、一層安定した低裁断特性を持つことが望まれるの
は勿論のこと、大電流遮断特性についても兼備しなくて
はならない。

従来、これらの両特性を同時に満足させる接点材料は
なかった。

WCとAgを複合化した合金の接点（特願昭42−68447
号、米穀特許第3683138号）では、裁断電流自体が不十
分であるのみならず、大電流遮断特性の改善に何等配慮
がなされていない。

10wt％のBiとCuとを複合化した合金（特公昭35−1497
4号、＝米国特許第2975256号）では、開閉回数の増大と
共に電極空間への金属蒸気の供給量が減少し、低裁断電
極特性の劣化が現れ、高蒸気圧元素量に依存して耐電圧
特性の劣化も指摘されている。

0.5wt％のBiとCuとを複合化した合金（特公昭41−121
31号、米国特許第3246979号）では、低裁断電流特性が
不十分である。

また、AgとCuとの重量比率をほぼ7:3としたAgとCu−W
C合金（特願昭57−39851号）および耐弧性材料の粒径を
0.2〜μｍとする合金（特願昭60−216648号）では、、
大容量遮断特性の改善に何等配慮がなされていない。

この発明者らは、上記のような、Ag−Cu−WC系接点材
料において、下記のように接点材料の組成、組織ならび
に相対密度を設定することによって、特性の向上した接
点材料を得ることができることを見出している。

すなわち、この態様の真空バルブ用接点材料は、Agお
よび／またはCuの高導電性成分と、WC の耐弧性成分と、Co、Fe、Niの少なくとも一つからなる
補助成分で構成されるAg−Cu−WC−Co系真空バルブ用接
点材料において、 接点材料の組成は、 高導電性成分の含有量が25〜65容積％であり、その高
導電性成分全体に占める、Agの比率〔Ag/（Ag＋Cu）〕
が40〜100容積％であり、 補助成分の含有量が１容量％以下であり、残部が耐弧性
成分であり、 接点材料の組織は、 その一部または全てが高導電性成分のマトリックス
と、３μｍ以下の耐弧性成分により構成されるスケルト
ンとからなり、残部が高導電性成分のみで５μｍ以上の
粗大な島状の組織を形成し、かつ この島状組織部を除いた残部の耐弧性成分の不連続粒の
平均粒子間距離（式１による計算値）が0.1〜0.5μｍで
あり、 接点の相対密度が、90容積％以上 である真空バルブ用接点材料である。

以下、この態様について説明する。

接点材料によって決まる裁断電流値を低く抑えること
は、低サージ性を確保するための必要条件である。この
裁断電流値は、統計的な分布を持つ値であり、毎回同じ
値を再現性よくとるような物性値とは異なり、工業的な
視点から見た場合はその値は、ある回数測定した時の最
大値により評価せざるを得ない。最大値を低下させるた
めには、分布の平均値とその分散を低下させる必要があ
る。

金属成分を含む接点材料の場合、電流裁断現象は、ア
ークの陰極点において、アーク放電を維持している電荷
（金属イオンおよび電子）と接点材料から放出される金
属蒸気および熱電子とのバランスが、交流電流の零点直
前で、電流減少による入力エネルギーの低下に伴い、不
均衡を生じることにより起こるものである。従って、裁
断電流値の平均値を低下させるためには、導電成分の蒸
気圧が高く、かつ接点材料全体の熱伝導率が低いことは
もちろんのこと、耐弧材の蓄熱効果によって、電流減少
と共に低下するアークからの入力エネルギーを補い、必
要量の金属蒸気の蒸発に消費されるエネルギーをより電
流零点の近くまで維持することが重要である。そのため
には、耐弧材量をある程度以上にすること、逆に言え
ば、導電性分量をある所定の量以下とすることが好まし
い。Ag−WC系接点及び、Ag−Cu−WC系接点の場合、導電
成分量は65容積％以下とすることが好ましい。

さらに、Co等の焼結補助成分の存在は、裁断特性を阻
害するため、その量は必要最小限とすることが好まし
い。

また、アークの陰極点は、実際には接点表面が移動し
ているため、接点材料組織が不均一なものである場合に
は、裁断電流値の分散が大きくなってしまう。Ag−WC系
接点及び、Ag−Cu−WC系接点の場合、裁断電流値の分散
を低く抑えるには、WC粒径は、３μｍ以下である必要が
ある。

一方、大電流遮断を可能とするには、接点材料として
は、電流遮断時に発生する金属蒸気密度を低くし、遮断
後の絶縁回復を容易とすることが要求される。しかしな
がら、Ag−WC系接点及び、Ag−Cu−WC系接点の場合、低
サージ性（低裁断電流特性）の観点から、単独の陰極点
からの金属蒸気の放出量が多くなければならないので、
金属蒸気密度を低くするには、アークの陰極点をスムー
ズに接点表面上に拡散させ、陰極点密度を低くせねばな
らない。金属蒸気の放出が最も盛んであるのは、WC/Ag
界面であるので、アークの陰極点をスムーズに移動させ
るには、そのWCの粒子間距離が狭い方が良いと考え得
る。しかし、粒子間距離が極端に小さい接点材料を作製
しようとすると、WCの粒成長あるいは凝集が生じ、実際
には反って粒子間距離が大きくなってしまう。従って、
作製する材料のWCの平均的な粒子間距離を最も小さくし
ようとするためには、接点材料の組成および単独のWCの
粒径から下記式（１）によって計算される平均粒子間距
離を、0.1〜0.5μｍに設定することが好ましい。

これに加えて、Ag−WC系接点及び、Ag−Cu−WC系接点
の場合、導電成分量が25容積％以下では導電率が著しく
低くなるため大電流の通電が困難となる。

さらに、接点材料の相対密度が低い場合には、空隙内
の内蔵ガスおよび吸音ガスが、大電流放電時に解放され
真空度低下による絶縁破壊を生ずるため、大電流遮断が
困難となる。

以上述べたように低裁断電流特性、および大電流遮断
特性は、適度な導電成分量、充分少ないCo含有量、充分
微細なWC粒径、適度なWCの平均粒子間距離（計算値）、
および充分高い接点の相対密度によって、兼備すること
が可能となるものである。

次に上記態様の接点材料の製造方法の１例について説
明する。製造に先立って必要粒径別に耐弧性成分および
補助成分を分類する。分類作業は例えばふるい分けと沈
降法とを併用して行うことで容易に所定粒径の粉末を得
る。まず所定粒径のWCとCoおよび／またはＣを所定量お
よび、所定粒径のAgを所定量の一部用意し、これらを混
合し、その後加工成形して粉末成形体を得る。

ついで、この粉末成形体を露点が、1.3×10^-1Pa以下
で、所定温度、例えば1150℃、１時間の条件にて仮焼結
し、仮焼結体を得る。

ついで、この仮焼結体の残存空孔中に所定量および所
定比率のAg−Cuを1150℃、１時間で溶浸しAg−Cu−Co−
WC合金を得る。溶浸は主として真空中で行うが、水素中
でも可能である。

尚、合金中の導電成分量の比率Ag/（Ag＋Cu）の制御
は、次の様にして行った。例えばあらかじめ所定比率の
Ag/（Ag＋Cu）を有するインゴットを、温度1200℃、真
空度1.3×10^-2Paで真空溶解を行い、切断し溶浸要素材
として用いた。導電成分の比率Ag/（Ag＋Cu）の制御の
他の方法は、仮焼結体を作る際、あらかじめ、所定量の
一部をWC中に混合させることでも、所望組成の接点合金
を得ることができる。

また、WCの平均粒子間距離は、導電成分の全体量、仮
焼結時にWCに予備配合される導電成分量（全導電成分量
中に占める、仮焼結時にWCに予備配合されることによっ
て材料中に導入された導電成分の割合を、以下におい
て、“予備配合率”と呼ぶ）、WC粒径および、Co含有量
を調整することにより制御される。ここで言うWCの平均
粒子間距離は（１）式に基づき得られる値であり、実際
には以下のようにして計算することができる。

λ_WC：溶浸部のWCの平均粒子間距離（μｍ）， d_WC:WC粒径（μｍ） f_E：導電成分量（vol％）， f_Co:Co含有量（vol％）， P_E：予備配合率（vol％） 上記の溶浸部とは、島状組織を除いた残りの部分、す
なわち高導電性成分のマトリックスと、３μｍ以下の耐
弧性成分により構成されるスケルトンとからなる部分を
指す。

以下、上記態様の接点材料の実施例について説明す
る。

この場合のデータを得た評価方法、および評価条件は
前述した実施例Ａの場合と同様である。

供試接点の内容 第２表に供試接点の材料内容とその対応する特性デー
タを示す。

表のようにAg−Cu−WC−Co合金中の導電成分組成を69
容積％Ag−Cu（AgとCuの共晶組成）とし（ただし実施例
21〜24、比較例14,15は除く）、導電成分量、すなわちA
g＋Cu量を20〜70wt％、Agの導電成分中に占める割合いA
g/（Ag＋Cu）を０〜100wt％の範囲に変化させ、またCo
含有量は、０〜7wt％、WC粒径は、0.3〜５μｍの範囲で
変化させた。なお、WCの平均粒子間距離は、導電成分
量、WC粒径および、予備配合率（接点中の全導電成分の
うつ予備配合によって導入される導電成分が占める割
合）が変化することにより、後述する（２）式のように
変化する。

先ず、導電成分量、WC粒径、Co含有量および、予備配
合率のうちいずれか一つのパラメータのみを変化させ
て、WCの平均粒子間距離を変化させた場合について述べ
る。

実施例−B1,B2および比較例−B1,B2 接点中の導電成分量のみを変化させ、接点の特性を調
べた。導電成分量が25〜40容積％（実施例−B1,B2）で
は、WCの平均粒子間距離が適度であり遮断特性が良好で
あると同時に、裁断特性も導電成分量が比較的少ないた
めに良好である。これに対して、導電成分量が55容積％
以上（比較例−B1,B2）では、WCの平均粒子間距離が大
きく遮断性能が低下しているうえ導電成分量が多すぎる
ため裁断特性も低くなっている。

実施例−B3,B4および比較例−B3,B4 接点中のWC粒径のみを変化させ、接点の特性を調べ
た。WC粒径が0.3〜0.8μｍ（実施例−B3,B4）では、WC
の平均粒子間距離が適度であり遮断特性が良好であると
同時に、裁断特性も導電成分量が比較的少ないために良
好である。これに対して、WC粒径が1.5〜3.0μｍ（比較
例−B3,B4）では、裁断特性は、導電成分量が変わらな
いため許容範囲内であるものの、WCの平均粒子間距離が
大きく遮断性能が低下している。

実施例−B5,B6,B7および比較例−B5,B6 接点中のCo含有量のみを変化させ、接点の特性を調べ
た。Co含有量の変化は少ないので、これによるWCの平均
粒子間距離の変化は僅かであるため、裁断性能もいずれ
も良好である。しかし、Co含有量が1.0容積％以下（実
施例−B5,B6,B7）では、Co含有量が充分少ないため、裁
断特性が良好であるのに対して、Co含有量が1.0容積％
を越えるもの（比較例−B5,B6）では、裁断特性は、低
下している。

実施例−B8,B9,B10および比較例−B7,B8 全導電成分量25容積％で一定とし、予備配合率のみを
変化させ、接点の特性を調べた。予備配合率が40容積％
以下（実施例−B8,B9,B10）では、WCの平均粒子間距離
が適度であり遮断特性が良好であると同時に、裁断特性
も導電成分量が比較的少ないために良好である。これに
対して、予備配合率が50容積％以上（比較例−B7,B8）
では、裁断特性は、導電成分量が変わらないため変化し
ていないものの、WCの平均粒子間距離が小さく遮断性能
が低下している。

実施例−B11,B12および比較例−B9,B10 全導電成分量65容積％で一定とし、予備配合率のみを
変化させ、接点の特性を調べた。予備配合率が55容積％
以上（実施例−B11,B12）では、WCの平均粒子間距離が
適度であり遮断特性が良好であると同時に、裁断特性も
導電成分量が比較的少ないために良好である。これに対
して、予備配合率が40容積％以下（比較例−B9,B10）で
は、裁断特性は、導電成分量が変わらないため変化して
いないものの、WCの平均粒子間距離が大きく遮断性能が
低下している。

以上の実施例、および比較例より、裁断特性は、全導
電成分量が40容積％以下、WC粒径が３μｍ以下、Co含有
量が１容積以下であれば満足することができるが、これ
に加えて良好な遮断性能を得るには、WC平均粒子間距離
を0.1〜0.5μｍの範囲とし、かつ、接点の相対密度が90
容積％以上となることが必要であることがわかる。

上記の実施例および比較例では、（２）式右辺中のパ
ラメータのうちいずれかひとつによりWCの平均粒子間距
離を制御したが、２つ以上のパラメータを変化させれ
ば、WCの平均粒子間距離を0.1〜0.5μｍとし得る。導電
成分量、WC粒径のとり得る範囲が広くなる。以下の実施
例、および比較例では、導電成分量、WC粒径のそれぞれ
に対し、予備配合率を同時に変化させた場合について述
べる。

実施例−B13〜B16および比較例−B11,B12 接点中の導電成分量を変化させ、これと同時に予備配
合率を変化させ、WCの平均粒子間距離を0.3μｍに最も
近づけた接点の特性を調べた。導電成分量が25〜65容積
％（実施例−B13〜B16）では、WCの平均粒子間距離が適
度であり遮断特性が良好であると同時に、裁断特性も導
電成分量が比較的少ないために良好である。しかし、導
電成分量が20容積％以下（比較例−B11）では、接点の
導電率が不十分なため、遮断特性が低下してしまう。ま
た、導電成分量が65容積％を越えるもの（比較例−B1
2）では、導電成分量が過剰なため、裁断性能が低下し
てしまっている。

実施例−B17〜B20および比較例−B13 接点中のWC粒径を変化させ、これと同時に予備配合率
を変化させ、WCの平均粒子間距離を0.3μｍに最も近づ
けた接点の特性を調べた。WC粒径が３μｍ以下（実施例
−B17〜B20）では、WCの平均粒子間距離が適度であり遮
断特性が良好であると同時に、裁断特性も導電成分量が
比較的少ないために良好である。しかし、WC粒径が３μ
ｍを越えるもの（比較例Ｂ−13）では、予備配合率を高
めてもWCの平均粒子間距離が大きいうえ、予備配合率を
高め過ぎたことにより、溶浸部のWC容積％が高くなり、
このため、closed poreが生じ、相対密度が低下してし
まっているため、遮断性能が大幅に低下している。

なお、以上では導電成分を全て69容積％Ag−Cu（Agと
Cuとの共晶組成）の場合のみにおいて示したが以下の実
施例のごとく導電成分中のAgが40容積％以上であれば良
好な裁断特性を示し（実施例−B21〜B24および比較例−
B14,B15）、同時に遮断特性も満足し得る。

また上記の実施例では、焼結補助材としてCoを用いて
説明したが、Coの代わりに同じ鉄属元素のFeあるいはNi
を用いても同様な結果が得られている（実施例B25,B2
6）。

以上実施例、比較例で明らかなように、接点材料の導
電成分をAgおよび／またはCuとし、導電成分組成をAg/
（Ag＋Cu）が40容積％以上となるようにし、かつ、耐弧
材WCの粒径を３μｍ以下として、また、補助成分（Co,F
e,Niの少なくとも一つからなる）の含有量を１容積％以
下とすると同時に、式１による溶浸部のWCの平均粒子間
距離を0.1〜0.5μｍとなるようにし、さらに接点材料の
相対密度を90容積％以上とすることにより、低サージ性
に優れかつ大電流遮断可能な真空遮断器用接点材料を実
現することができる。

〔発明の効果〕

以上詳記したように本発明によれば次の様な効果を奏
する。すなわち、大電流しゃ断特性を向上させることが
出来る。さらに耐消耗性も同時に向上させることが出来
る。従って本発明は、上記両特性の安定性をより一層向
上した真空バルブを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による真空バルブ用の接点材料が適用さ
れる真空バルブの断面図、第２図は第１図に示す真空バ
ルブの電極部分の拡大断面図である。 １…しゃ断室、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、12…ろう付部、13a、13b
…接点。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大川 幹夫 東京都府中市東芝町１ 株式会社東芝府 中工場内 (72)発明者 本間 三孝 東京都府中市東芝町１ 株式会社東芝府 中工場内 (56)参考文献 特開 昭60−197840（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−228438（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01H 33/66

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Agおよび／またはCuからなる25〜70容積％
   の高導電性成分と、 Ti、Zr、Hf、Ｖ、Nb、Ta、Cr、MoおよびＷからなる群か
   ら選ばれた元素の炭化物からなる75〜30容量％の耐弧性
   成分、とから構成された接点合金であって、 前記耐弧性成分の平均粒子径が0.3〜３μｍであり、か
   つ、その平均粒子間距離が0.1〜１μｍの範囲であるこ
   とを特徴とする、真空バルブ用接点材料。
2. 【請求項２】高導電性成分が60容量％以下のCuを含有す
   る、請求項１に記載の真空バルブ用接点材料。
3. 【請求項３】Fe、Co、Niから選ばれた10容量％以下（ゼ
   ロ含む）の補助成分を含有する、請求項１に記載の真空
   バルブ用接点材料。
4. 【請求項４】接点材料の組成は、 高導電性成分の含有量が25〜65容積％であり、その高導
   電性成分全体に占める、Agの比率〔Ag/（Ag＋Cu）〕が4
   0〜100容積％であり、 補助成分の含有量が１容量％以下であり、 残部が耐弧性成分からなるものであり、 接点材料の組織は、 その一部または全てが高導電性成分のマトリックスと、
   ３μｍ以下の耐弧性成分により構成されるスケルトンと
   からなり、残部が高導電性成分のみで５μｍ以上の粗大
   な島状の組織を形成し、 かつこの島状組織部を除いた残部の耐弧性成分の下記式
   （１）によって計算される平均粒子間距離が0.1〜0.5μ
   ｍであり、 接点の相対密度が、90容積％以上 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。 λ_WC:WC平均粒子間距離（μｍ）、 d_WC:WC粒径（μｍ）、 f_i：島状組織を除いた部分の容積％、 f_WC:WCの容積％。