JP2878787B2 - 真空バルブ用接点 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、真空バルブ用接点に係り、特に耐溶着特性
及び耐電圧特性を改良した真空バルブ用接点に関する。

（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、耐溶着、耐電圧、遮断に対する各性能で示される基
本三要件と、この他に温度上昇、接触抵抗が低く安定し
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、かつ大電流用又は高電圧用などのように特定
の用途に合った接点の開発が行われ、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
まる高耐圧化及び大電流化の要求を充分満足する真空バ
ルブ用接点は未だ得られていないのが実状である。

例えば、大電流化を指向した接点としてBiのような溶
着防止成分を５％以下の量で含有するCu−Bi合金が知ら
れている（特公昭41−12131号公報）。しかし、このCu
−Bi合金は、Cu母相に対するBiの溶解度が極めて低いた
め、しばしば偏析を生じ、遮断後の表面荒れが大きく、
また加工成形が困難であるなどの問題点を有している。

また、大電流化を指向した他の接点として、Cu−Te合
金が知られている（特公昭44−23751号公報）。この合
金は、Cu−Bi合金が持つ上記問題点を緩和してはいる
が、Cu−Bi合金に比較して雰囲気に対し、より敏感なた
め接触抵抗などの安定性に欠ける。

さらに、これらCu−Te、Cu−Bi等の材料からなる接点
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適用に対しては、
必ずしも満足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合金が真空バルブ用接点材
料として、知られている。このCu−Cr合金接点は、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優れた特性を有している。即
ち、Cu−Cr合金は、高耐圧特性と、大容量遮断とを両立
させ得る接点として多用されている。

しかしながら、Cu−Cr合金は、遮断器用接点として一
般に多用されている前述したBiを５％程度以下添加した
Cu−Bi合金と比較して、耐溶着特性が大幅に劣ってい
る。

ここで溶着現象とは、接点同士の接触面に発生するジ
ュール熱により接点が溶融しその後に凝固する場合と、
開閉の瞬間に発生するアーク放電により接点が気化しそ
の後に凝固する場合の２通りにおいて発生する。

Cu−Cr合金においては、上記何れの場合も凝固する段
階でCrとCuが１μｍ以下の微粒子となり互いに入り乱れ
た状態で数μｍ〜数百μｍ程度の層を形成する。一般
に、組織の超微細化は、材料の強度向上に寄与する要因
の一つであり、この場合も例外ではない。しかして、こ
の超微細Cu−Cr層の強度がCu−Cr合金のマトリクスの強
度に優れ、かつ、マトリクス強度が設計された引外し力
を超えたときにも溶着が発生する。

したがって、Cu−Cr合金の接点を用いた真空バルブを
駆動させる操作機構は、Cu−Bi合金接点を用いたものに
比べ引外し力を大きく設計する必要があり、小形化や経
済性の点で困難である。

また、Cu−Cr合金の耐溶着性を改良した接点として、
Cu−Cr合金にBiを添加したCu−Cr−Bi合金接点が知られ
ている（特公昭61−41091号公報）。このCu−Cr−Bi合
金接点は、一般的にCu−Cr合金の耐溶着性の改善には効
果を示すが、Bi添加の影響のため、素材が著しく脆化
し、耐圧特性の低下及び再点弧発生確率の増加を再発さ
せる欠点を有する。

（発明が解決しようとする課題） 上記したように、Cu−Cr−Bi合金の接点は一般的にCu
−Cr合金の接点と比較して、耐溶着性は改善されるが、
耐電圧及び再点弧発生の面で問題が残っている。

そこで、本発明は、Cu−Cr−Bi合金接点の持つ耐溶着
性を維持したまま、耐電圧の低下及び再点弧発生確率の
低下を極力抑えることのできる真空バルブ用接点を提供
することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記課題を解決するために、本発明の真空バルブ用接
点は、第１に、Cr含有量が20〜60重量％であり、Bi含有
量がCu含有量の0.05〜1.0重量％であるCu、Bi及びCrか
ら構成される接点材料を接点形状に加工し、真空熱処理
を施してなることを要旨とする。

第２に、前記真空熱処理の温度は、300乃至1083℃で
あることを要旨とする。

（作用） Cu−Cr−Bi合金の接点において、Biの存在形態は次の
４つに分類される。Cuへの固溶、Cr粒子とCuを主成
分とする導電材料（Cuマトリクス）界面への存在、Cu
マトリクス結晶粒界への存在、Cuマトリクス結晶粒内
への存在である。これら存在形態のうち接点強度に一番
強い影響を与えるのは、Cuマトリクス結晶粒界へのBiの
存在であり、ここへのBi量が多い程接点強度が脆く結果
として耐電圧の低下及び再点弧発生確率の助長が促され
る。

これに対し、本発明では、Cu−Cr−Biの接点材料を接
点形状に加工した後、真空中での熱処理を施すことによ
り、接点表層部のBiが除去され、これとともに、熱処理
前までBiを介して接触していたCuを主成分とする結晶粒
及び／又はCr粒子の一部分或いは全てが、Biの排除によ
って、より密接に接合される。この結果、表面強度が向
上し、接点表面の脆化が抑制され、耐電圧及び再点弧発
生確率の低下が抑えられる。また、Biの除去は接点表層
部のみで行われ、表層部直下の部分には、なお規定量の
Biが存在してその部分から溶着引外しが行われて耐溶着
性は殆んど低下しない。そして、（Cu＋Bi）中のBi含有
量が0.05重量％より少ないと上記の耐溶着性の改善はみ
られず、またBi含有量が1.0重量％より大きいと熱処理
を施す効果が認められず耐電圧及び再点弧発生確率の低
下が著しくなる。

また、真空熱処理の温度に関しては、300℃より低い
と接点表層部のBiの除去が不十分となって耐電圧の向上
及び再点弧発生確率の改善が不十分となる。一方、Cuの
融点を越えると接点表面の荒れが著しくなる。したがっ
て真空熱処理は300〜1083℃の温度範囲がよく、この熱
処理は、接点形状への加工後、１回以上が行われる。

Cr含有量に関しては、20重量％より少ないと、Cu含有
量が多くなり過ぎて耐電圧が低下する。また、60重量％
より多いと、Cr量過多となって真空熱処理による接点表
面の脆化防止が不可能となり、耐電圧及び再点弧発生確
率の低下を抑制し得なくなる。

上述の要因により、本発明の真空バルブ用接点は、Cu
−Cr−Bi接点材料を接点形状に加工した後、真空熱処理
を施すことによって、耐溶着特性を維持したまま、Cu−
Cr接点材料とほぼ同等の耐電圧、再点弧発生確率とする
ことが可能となる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を具体的実施態様に基づいて説
明する。

まず、本実施例に係る接点の製造方法について説明す
る。本実施例のCu−Cr−Bi合金接点の製造方法は２つに
大別され、その１つは溶浸法であり、もう１つは固相法
である。

まず溶浸法の一例について記す。

所定粒径のCr粉末を加圧成形して粉末成形体を得る。
次いで、この粉末成形体を露点が−50℃以下の水素雰囲
気又は真空度が１×10^-3Torr以下で、所定温度、例えば
950℃×１時間にて仮焼結し、仮焼結体を得る。

次いで、この仮焼結体の残存空孔中に予め所定のBi％
を含有したCu−Bi合金材料を例えば1100℃×30分で溶浸
した後、所定の冷却方法で冷却凝固し、Cu−Cr−Bi合金
材料を得る。溶浸は主として真空中で行うが、水素中で
も行い得る。

ここで、焼結熱処理又は／及び溶浸熱処理温度を高め
に選択すると、Cu及びBiの蒸発が激しく、その成分量の
制御が重要となる。しかし、炉の性能、又は一度に熱処
理する素材の量、大きさ、熱容量などによって熱処理温
度は変動するので、その温度を普遍的に表現することは
無理である。そして実際には残存するCu量を、例えばＸ
線法によって直接的に決定し管理する方法が取られ得る
が、概して1300℃以上の温度の選択はCuの存在を少なく
し、好ましくないことが明らかになっている。

一方、下限温度は、焼結熱処理においては、原料又は
成形体の脱ガスの観点から600℃以上、好ましくは900℃
以上を必要とし、また溶浸熱処理においては、スケルト
ンを脱ガスし、かつCuを溶融する必要性から少なくとも
1100℃を必要とする。

以上のようにして溶浸法のCu−Cr−Bi接点材料を得
る。

次いで、固相焼結法の一例について記す。

所定のCr粉末Cu粉末及びBi粉末を混合した後、プレス
機にて圧粉体を成形し、次いで露点が−50℃以下の水素
雰囲気又は１×10^-3Torr以下の真空雰囲気にて焼結す
る。このプレス工程と焼結工程を複数回繰り返し、目的
とするCu−Cr−Bi接点材料を得る。

このようにして製造された溶浸法又は固相焼結法のCu
−Cr−Bi接点材料を所定の接点形状に加工し、その後、
例えば800℃×30分の熱処理を例えば10^-5Torrの真空度
にて行う。

このようにして製造されたCu−Cr−Bi合金接点は、耐
圧特性がBi無添加のCu−Cr合金接点と同等であり、真空
バルブ用接点として最適である。

次に、第１図の表を用いて、以上のようにして製造さ
れた各接点例を比較例と対比して示す。なお、この各接
点例において評価したときの条件、方法は、次の通りで
ある。

（１）耐溶着性 外径25mmφの一対の円板状試料に、外径25mmφで先端
が100Rの球面をなす加圧ロッドを対向させ、100Kgの荷
重を加え10^-5mmHgの真空中において50Hz、20KAの電流を
20ミリ秒間通電し、その時の試料−ロッド間の引外しに
必要な力を測定し耐溶着性の判断をした。なお、評価
は、比較例１に示した溶浸上りのCu−Cr合金材料の溶着
引外し力を1.00としたときの相対的な値で比較した。表
中の各例には上記接点数３個の測定値におけるばらつき
幅を示す。

（２）耐電圧特性 各接点合金についてバル研磨により鏡面仕上をしたNi
針を陽極とし、同じように鏡面仕上をした後、真空熱処
理を施した各試料を陰極とし、両極間のギャップを0.5m
mとし、10^-6mmHgの真空において徐々に電圧を上昇しス
パークを発生したときの電圧値を測定し、静耐圧値を求
めた。表中に示す測定データは、３回の繰返しテストを
行ったときのばらつき値を含めて、溶浸上りのCu−Cr合
金の静耐圧値を1.00（比較例１）としたときの相対的な
値で示した。

（３）再点弧特性 外径30mm、厚さ5mmの円板状接点片を、ディマウンタ
ブル形真空バルブに装着し、6KV×500Aの回路を2000回
しゃ断した時の再点弧発生頻度を測定し、２台のしゃ断
器（バルブとして６本）のばらつき幅（最大及び最小）
で示した。

実施例１〜３、比較例１〜４ Cr量約50wt％、Bi/（Cu＋Bi）量約0.5wt％の接点を用
い、熱処理条件を、なし、200℃×1Hr、300℃×1Hr、80
0℃×1Hr、1050℃×1Hr、1200℃×1Hrとし、各特性を評
価した（各々比較例−２、３、実施例１〜３、比較例
４）。各々の特性は表中に示す通り、耐溶着特性に関し
てはBiを添加していないCu−Cr接点（比較例−１）に比
べて大幅に良好となっているが耐電圧特性並びに再点弧
発生確率は熱処理温度に大きく依存した。即ち、接点加
工後の熱処理を実施しなかったもの（比較例−２）及び
熱処理温度が200℃のもの（比較例−３）は、接点表面
のBi除去が不十分なため、耐電圧の向上及び再点弧発生
確率の改善が見られなかった。また、熱処理温度がCuの
融点を越えたもの（比較例−４）は、接点表面の荒れが
著しく、各特性を測定する事が不可能であった。これに
対し、熱処理温度300℃、800℃、1050℃のもの（実施例
−１、２、３）は、耐電圧特性、再点弧発生確率とも向
上が認られた。

実施例２、４、５、比較例５〜６ Cr量50wt％、Bi/（Cu＋Bi）量を、0.01、0.05、0.4
3、0.97、5.6wt％と変化させたCu−Cr−Bi接点の特性を
評価した（比較例−５、実施例４、２、５、比較例−
６）。表中に示すようにBi含有量の少ないもの（比較例
−５）は耐電圧特性、再点弧発生確率は良好であった
が、耐溶着性の改善は殆んど見られなかった。一方、Bi
含有量の多いもの（比較例−６）では、熱処理を施す効
果は認められず、再点弧発生確率及び耐電圧特性の低下
が著しかった。以上よりBi/（Cu＋Bi）量は0.05〜1.0wt
％が適当であると言える。

実施例６〜８、比較例７〜８ Cr含有量の有効範囲について検討する。Cr含有量を1
2.3、22.5、47.9,59.1、87.6wt％となるCu−Cr−Bi合金
接点につき検討した（比較例７、実施例６〜８、比較例
８）。各接点例について諸特性を評価したところ、耐溶
着性は全て良好であった。しかし、耐電圧の面では、Cr
量12.3wt％（比較例−７）なる接点はCu量が多すぎたた
め、著しい耐電圧の低下が認められた。但し再点弧発生
の面では問題がなかった。また、87.6wt％Cr量の接点
（比較例８）ではCr量過多のため、熱処理による接点表
面の脆化防止が不可能であり、耐電圧特性、再点弧発生
確率とも良好な結果を得られなかった。一方、Cr量22.
5、47.9、59.1wt％の接点（実施例６〜８）は全て良好
な結果を示した。以上の結果より、Cr％は20〜60wt％が
望ましい。

以上で述べた各実施例は、接点単体につき熱処理を施
したものであるが、本発明の特徴である熱処理は、接点
単体にて実施するだけではなく、真空バルブに組み立て
るまでの何れの工程で実施しても上記と同様な諸特性の
改善を得られることは明らかである。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、真空バルブ用Cu
−Cr−Bi合金接点の耐溶着性を維持したまま、耐電圧特
性及び再点弧発生確率の低下を極力抑えることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る真空バルブ用接点の各実施例で得
られる耐溶着特性、耐電圧特性及び再点弧発生確率の各
特性データを比較例と対比して示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 敦史 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東 芝府中工場内 (56)参考文献 特開 昭54−113077（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−117030（ＪＰ，Ａ) 特公 昭61−41091（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭45−27216（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01H 33/66

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Cr含有量が20〜60重量％であり、Cu、Bi及
   びCrから構成される接点材料を接点形状に加工し、真空
   熱処理を施すことにより接点表層部のCuとCrの界面及び
   CuとCuの界面を密接に接合し、接点表層部以外の部分の
   Bi含有量はBi/（Bi＋Cu）＝0.05〜1.0重量％であること
   を特徴とする真空バルブ用接点。
2. 【請求項２】前記真空熱処理の温度は、300乃至1083℃
   であることを特徴とする請求項１記載の真空バルブ用接
   点。