JP3590076B2

JP3590076B2 - 接点材料

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Publication number: JP3590076B2
Application number: JP16886592A
Authority: JP
Inventors: 恵美子東中川; 光一手島; 徹上川路; 功奥冨
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-06-26
Filing date: 1992-06-26
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2019-11-17
Also published as: JPH0612935A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、各種の電気機器類において電気的な接点として使用される複合・合金型の接点材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、各種の電気機器類においては、通常、所要電流の通電・遮断を行う電気接点を備えている。そして、このような接点材料については、一般的に次のような性質が要求されている。すなわち、(1) 接触抵抗が低く、かつその接触抵抗が安定であること、(2) 溶着あるいは粘着を生じ難いこと、(3) 放電消耗や機械的な磨耗が少ないことなどが挙げられる。さらに具体的に言うと、接点材料については、(a) 導電率・熱伝導度が大きいこと、(b) 耐蝕性にすぐれていること、(c) 融点・沸点が高く蒸気圧が低いこと、(d) 硬さが大きいこと、(e) 加工性がすぐれていること、(f) 価格が低いことなどが要求される。
【０００３】
しかし、これら全ての性質を満たす単味（１種）の金属がないため、接点材料においては、２種以上の金属から成る合金（複合体）、あるいは金属−セラミック系で対応している。たとえば導電率は高いが融点や沸点が低いため、耐放電消耗性が劣るAu，Ag，Cuなどと、高融点ではあるが接触抵抗特性が劣るW，Moなどとを複合化（合金化）して、両者の長所を利用する方式・手段が採られている。
【０００４】
また、前記合金（複合体）、あるいは金属−セラミック系は多くの場合、固溶量を持たないか、もしくは固溶限が小さい（実質的に非固溶である）ため、いわゆる粉末冶金法で焼結して製造するか、または溶浸法で製造している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電気回路の機械的な開閉（通電・遮断）に関与する接点材料は、使用する環境条件、電気的・機械的な負荷などによって、接点特性が左右ないし支配される。しかしながら、前記構成の接点材料、すなわち二律背反の性質をそれぞれ有する金属から成る合金（複合体）、あるいは二律背反の性質をそれぞれ有する金属およびセラミックから成る複合体の場合は、いずれも表面が微視的に不均一であり、接点性能の点において実用上問題がある。たとえば、Cu−Cr系の接点材料は、すぐれた遮断特性および耐電圧特性を有するので、真空バルブ用接点として注目されている。しかし、装置の小形化に対応して接点間のギャップを小さく設定すると、耐電圧特性の点において十分と言えない。
【０００６】
また、Ag₂Teのすぐれた耐溶着性を利用して、通常の溶解法で製造されるAg−Ag₂Te系の接点材料も知られている。すなわち、Ag₂Teを 8wt％程度含有させたAg−Ag₂Te系（本凝二元系合金）の接点材料は、接点特性としての総合性能が比較的すぐれているため、たとえば装置の小形化に対応しての接点間ギャップの縮小化にも耐え得るものとして注目されている。しかし、このAg−Ag₂Te系（本凝二元系合金）は、その共晶点がAg₂Te 4wt％近傍に存在するため、折出物であるAg₂Te粒子の大きさも通常10〜数10μm となり、前記共晶組織より大幅に外れる。つまり、折出物であるAg₂Te粒子が全然存在しないAgマトリックス部分も、数10〜 100μm の領域となって均質・一様性に欠けることになる。そして、電気回路の機械的な開閉に当たって、接点の接触は確率的な問題であるから、接触点が固有抵抗などの高い折出物であるAg₂Te粒子を中心としている場合は、高い接触抵抗特性を呈する（好ましくない）ことがある。したがって、前記折出物であるAg₂Te粒子は可及的に微細で、かつ均一な分布により接触抵抗特性が安定化していることが望まれている。
【０００７】
さらに、低電圧，高電流用の接点材料として、接触抵抗，耐溶着性，耐消耗性などの総合評価のすぐれているNi−Pt−Ag系も知られている。そして、このNi−Pt−Ag系接点材料においても、小形化しての使用に当たっては、前記良好な耐溶着性，耐消耗性を損なわずに、安定した接触抵抗を保持していることが望まれるが、この点なお実用上問題がある。
【０００８】
本発明は上記事情に対処してなされたもので、装置の小形化に対応して接点間ギャップを小さく選択・設定しても、常に良好な接触抵抗，耐溶着性，耐消耗性など呈する接点材料の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る接点材料は、（ａ）Ag，Cu，Au，Pt，Rh及びRuからなる第１の群から選ばれた少なくとも１種と（ｂ）W，Mo，Cr，Fe，Ni，Ag₂Te，WC及びCdO からなる第２の群から選ばれた少なくとも１種とから構成される複合体（合金を含む）であって、前記第１の群から選ばれた少なくとも１種と前記第２の群から選ばれた少なくとも１種とは、相互に非固溶もしくは実質的に非固溶であり、かつ前記金属複合体を構成する少なくとも１種の金属は結晶粒が粒度番号（JIS G 0551 による）８以上であるとともに、前記金属複合体の表面には少なくとも１種の金属の｛ 100｝面が集合していることを特徴とする。
【００１０】
上記本発明は、次のような検討・実験による知見に基づいて達成されたものである。すなわち、前記したように接点材料は、二律背反の性質をそれぞれ有する金属同士、もしくは前記金属の少なくとも１種とセラミックで構成されており、マトリックス A相およびマトリックス B相の混合である。そして、これらマトリックス A相およびマトリックス B相の分散状態は、従来両マトリックス A相， B相の粒径に依存しており、またそのマトリックス A相， B相の粒径は出発原料の粉末粒径に左右されていた。従来、出発原料の粉末粒径が微細なほど（たとえば数μm 程度）、微細なマトリックス A相， B相が均一な分布状態を呈し、すぐれた接点特性を有すると考えられていたが、実際は粉末冶金での原料粉の数10μmに達し、微細で均一な混合・分散が望めなかった。
【００１１】
本発明に係る接点材料を構成する相互に非固溶ないし固溶限の小さい２種以上の金属としては、Ag，Cu，Au，Pt，Rh，Ruなどの導電性の高い金属群、および W，Mo，Cr，Fe，Ni，Teなどの融点が比較的高くて硬さの大きい金属群またはAg₂Te，などの金属間化合物がそれぞれ選択される。また、前記金属群のいずれか一方と組み合わせ得るセラミックとしては、たとえばWC，CdO などが挙げられる。さらに要すれば、接点性能の向上を図るため、たとえばPt，Rh，Ruなどの貴金属を10wt％以下の範囲内で添加・併用することもできる。
【００１２】
そして、本発明に係る接点材料は、これらの両金属群などからそれぞれ選ばれた相互に非固溶ないし固溶限の小さい２種以上の金属、あるいは両金属群から選ばれた１種以上の金属とセラミックとを、強制的に溶融・攪拌し、その溶融体を双ロール法により急冷処理することにより得られる。このようにして得られる本発明に係る接点材料は、相互に非固溶（固溶しない）ないし固溶限の小さい金属同士、あるいは金属とセラミックであっても、結晶粒が微小であるため均一な組成を成しており、高い導電率とすぐれた耐放電特性という二律背反性を兼ね備えている。
【００１３】
本発明に係る接点材料は、前記金属複合体の少なくとも１種の金属の結晶粒が、粒度番号（JIS G 0551 による）８以上であることが必要である。すなわち、粒度番号（JIS G 0551 による）８未満の場合は、アーク足の大きさ，金属複合体中のマトリックス部分／折出物部分の大きさ比から決定される接点特性のバラツキ頻度や安定性が損なわれ易い傾向が認められるためである。また、前記一体化して構成した複合体（合金を含む）の表面に少なくとも１種の金属の｛ 100｝が集合していることを要する。つまり、金属の仕事凾数は結晶面によりその値を異にするが、本発明者らの実験によると｛ 100｝が最も低く、この仕事凾数の最も低い結晶面｛ 100｝（もしくは結晶粒の方位 (001)）を接点として利用した場合、良好な遮断特性および効果的にサージを吸収する上で不可欠だからである。
【００１４】
【作用】
本発明に係る接点材料は、前記したように相互に非固溶ないし固溶限の小さい２種以上の金属などが一体化した複合体（合金を含む）から成る構成において、前記金属複合体の表面に少なくとも１種の金属の｛ 100｝面を集合させ、さらに前記金属複合体の少なくとも１種の金属の結晶粒を粒度番号（JIS G 0551 による）８以上と選択・設定している。そして、仕事凾数の最も低い結晶面｛ 100｝を接点として利用することによって、良好な遮断特性の保持発揮および効果的なサージ吸収が達成されるとともに、また金属複合体の少なくとも１種の金属の結晶粒を、粒度番号（JIS G 0551 による）８以上と選択・設定したことにより、アーク足の大きさ，金属複合体中のマトリックス部分／折出物部分の大きさ比から決定される接点特性のバラツキ頻度や安定性も大幅に改善・向上され、常に安定した電気回路の開閉機能を呈することになる。
【００１５】
【実施例】
以下本発明の実施例として、特に C-GIS用真空バルブの接点への適用例を説明する。ここで、 C-GISとはキューピクル形ガス絶縁開閉装置のうち、遮断電圧 1kV〜 168kV，遮断電流数 A〜数10 Aの中電圧用真空遮断器である。
【００１６】
実施例１
Cu 50 wt％およびCr 50 wt％の混合粉末を1700℃前後の温度で溶融し、強制的に攪拌した後、双ロール法によって、急冷速度約 100℃／sec で急冷処理して厚さ約 3mmの板を製造した。前記製造した金属板を約 700℃の温度で焼鈍した後、冷間圧延により厚さ約 2mmの板にし、打ち抜き加工して接点片を得た。なお、前記において、急冷処理して得た厚さ約 3mmの板は、ビッカース硬さHv＝約 120であったが、焼鈍，冷間圧延して厚さ約 2mmの板とした時点では、ビッカース硬さHv＝約 300で、機械的強度の改善およびCr粒子の一層なる均一分布が図られていた。
【００１７】
前記接点片は厚さ方向に直角な面（双ロール流出方向に沿った面）に厚さ約 3μm のCuとCrの小片積層構造を成しており、かつこの小片積層構造内ではCuもCrもミクロン単位の結晶粒から成っていた。また、Cu接点片の接点面は｛ 100｝結晶面をなしており、Crの結晶粒は粒度番号（JIS G 0551 による）14であった。この接点片を用いて、直径48mm，接点厚さ 2mm，接点間ギャップ 5mmとした真空遮断器を構成し、50％インパルス破壊電圧を測定して絶縁特性を評価したところ、従来の粉末冶金法で製造したCu 50 wt％−Cr 50 wt％系の接点材料を用いた場合に比べて、20〜30％も向上した絶縁特性を示した。
【００１８】
ここで、従来の粉末冶金法で製造した接点材料が、絶縁破壊電圧値に劣るばかりでなく、そのバラツキも大きいのは、粗大なCr粒子の存在および不均一な分散に起因している。一方、本発明に係る接点材料の場合は、前記冷間圧延によりCuマトリックス中のCr粒子の大きさが僅かながら大きく調整され、CuマトリックスとCr粒子との界面の長さ（面積）が増大される。このため、電気的，機械的な外力に対するCuマトリックスからのCr粒子の脱落抵抗も改善し、上記のようなすぐれた絶縁特性に寄与するといえる。
【００１９】
なお、上記において、Cr成分の代わりに W，Mo，Fe，WCもしくはCdO を用いて構成した接点材料について、同様の試験・評価を行ったところ、同様の作用・効果が認められた。また、Cu成分の代わりにAu，Ag，Pt，RhもしくはRuを用いて構成した接点材料の場合も同様の効果が認められた。
【００２０】
実施例２
Ag 90 wt％およびNi 10 wt％から成る混合粉末を溶融し、強制的に攪拌した後、高速回転する双ロール上に流し急冷して厚さ 5mmの板を、この板を打ち抜き加工して接点片を得た。また、Ag接点片の接点面は｛ 100｝結晶面をなしており、またAgマトリックス相に折出分散したNiの結晶粒は粒度番号（JIS G 0551 による）12であった。
【００２１】
この接点片を用いて、直径48mm，接点厚さ 2mm，接点間ギャップ 5mmとした真空遮断器を構成した。上記構成した真空遮断器において、AC 100 V， 50 Hz，投入電流20 A，遮断電流 5 Aで20回／min,の開閉頻度で、接点が溶着を発生するまで開閉試験を行なったところ、開閉回数 5万回の時点で接触抵抗 10.5mΩ、また溶着発生までの開閉回数は13.8万回であった。これらの値は、従来の粉末冶金法で製造した接点材料を用いて構成した真空遮断器の場合、同じ条件での開閉試験において、開閉回数 5万回の時点で接触抵抗180mΩ、溶着発生までの開閉回数 8.3万回に比べて大幅にすぐれていた。
【００２２】
上記本発明に係る接点材料のすぐれた作用・効果は次のように考えられる。すなわち、双ロール法で製造したAg−Ni系接点材料においては、Agマトリックス中に耐アーク性のNiが均一、かつ微細に折出分散した構成を成している。つまり、Niが均一、かつ微細に折出分散した組織を有しているため、溶着し易い純Agマトリックス同士が接触する確率が大幅に低減されるとともに、接触抵抗特性の安定化も図られる（純Agマトリックス部分の異常溶融の軽減される）。
【００２３】
一方、従来例の接点材料の場合は、Agマトリックス中に比較的粒径の大きい（ 5〜50μm ）Niが著しく偏折した状態（製造技術的にAgおよびNiが２液相分離を呈し易い）を採るため、純Agマトリックス同士の接触する確率が上がるとともに、ポアが残存したりして特性の安定化が損なわれることに起因すると考えられる。
【００２４】
なお、上記において、Ag成分の代わりにAuを用いて構成した接点材料について、同様の試験・評価を行ったところ、同様の作用・効果が認められた。
【００２５】
実施例３
Ag− 8％Ag₂Te合金をなすように組成分を調製した約1180℃のAg−Te溶湯を、高速回転する双ロール上に流し急冷（ 150℃／sec,）して、厚さ 1mmのAg− 8％Ag₂Te合金板を得た。この板を打ち抜き加工して接点径 8mm，厚さ 1mmの接点を得た。また、Ag接点片の接点面は｛ 100｝結晶面をなしており、Agの結晶粒は粒度番号（JIS G 0551 による）12であった。
【００２６】
この接点を用いて、接点間ギャップ 5mmとした真空遮断器を構成した。上記構成した真空遮断器において、AC 200 V，投入電流 100 A，接触力 100 g，開離力100 gにて60回／min,の開閉頻度で、 5×104 回開閉を行ないこの間における耐溶着特性を評価したところ、溶着発生の頻度は２回であったのに対し、従来のAg− 8％Ag₂ Te合金接点の場合は、 5×104 回の開閉試験の間に23回溶着を発生した。しかも、前記における接点の溶着を引き外すための力も、本実施例の場合 100 g以下であったのに対し、従来のAg− 8％Ag₂Te合金接点の場合は、1000 gを超えることがしばしばあった。
【００２７】
実施例４
Cu−Cr溶湯（約2100℃）を、高速回転する双ロール上に流し急冷（ 150℃／sec,）して、厚さ 2.6mmのCu−50％Cr合金板を得た。この板を打ち抜き加工して接点径30mm，厚さ 2.6mmの接点を得た。また、Cu接点片の接点面は｛ 100｝結晶面をなしており、Crの結晶粒は粒度番号（JIS G 0551 による）15であった。この接点を用いて、接点間ギャップ 5mmとした組立て式真空バルブ（10-3Pa以下に排気）を構成した。
【００２８】
一方、比較例として 950℃で作成したCrスケルトンに、Cuを溶浸（約1200℃で）して得たCu−50％Cr合金を素材とした接点を用い、前記と同様の組立て式真空バルブ（10-3Pa以下に排気）を構成した。なお、前記接点においては、実施例の場合、素材中のCrが約 1μm の粒径をなし均一に分散していたのに対し、比較例の場合は素材中のCrの大部分が約70μm の粒径をなして分散していた。
【００２９】
上記構成した各組立て式真空バルブにおいて、遮断電流を20 A（実行値），50Hzとし 0.8 m／sec,の開極速度で開極させ、遅れ小電流を遮断したときの裁断電流を測定した結果を次表に示す。なお、開極位相はランダムに行ない 500回遮断したときの裁断電流を接点数３個につき測定し、その平均値および最大値であり、また前記数値は比較例の裁断電流値の平均値を 1.0とした相対値である。
【００３０】

表から明らかのように、比較例の場合、裁断電流平均値が高いばかりでなく、裁断電流値のバラツキ幅も大きいのに対し、実施例の場合は裁断電流平均値が低いとともに、裁断電流値のバラツキ幅も小さく安定した性能を有していた。そして、このような作用・効果の相違は、前記Cr成分の分散状態の相違とともに、両接点（接点素材）の仕事函数の相違（実施例の場合 3.8 eV ，比較例の場合 4.3eV ）に起因すると考えられる。
【００３１】
上記では、 C-GIS用真空バルブの接点への適用例について、例示したが本発明に係る接点材料は、前記のような真空遮断器にその用途が限定されるものでなく、組成分や組成比の選択などによって一般的な電気接点として使用することも可能である。
【００３２】
【発明の効果】
上記説明したように、本発明に係る接点材料は、高い耐電圧やすぐれた耐溶着性，低接触抵抗性などを備えている。そして、前記高い耐電圧特性は、接点間の絶縁性能の向上をもたらすため、接点間のギャップ長の縮小化を可能にする。ここで、接点間のギャップ長の縮小化を成し得ることは、たとえば遮断器の操作力を低減し得ることになり、また操作機構のコンパクト化も容易になしえる。かくして、本発明に係る接点材料は、前記良好な耐溶着性，低接触抵抗性などと相俟って、信頼性の高い、かつ耐用寿命の長い接点として常に機能し得るものといえる。

Claims

（ａ）Ag，Cu，Au，Pt，Rh及びRuからなる第１の群から選ばれた少なくとも１種と（ｂ）W，Mo，Cr，Fe，Ni，Ag₂Te，WC及びCdO からなる第２の群から選ばれた少なくとも１種とから構成される複合体（合金を含む）であって、
前記第１の群から選ばれた少なくとも１種と前記第２の群から選ばれた少なくとも１種とは、相互に非固溶もしくは実質的に非固溶であり、
かつ前記金属複合体を構成する少なくとも１種の金属は結晶粒が粒度番号（JIS G 0551 による）８以上であるとともに、前記金属複合体の表面には少なくとも１種の金属の｛ 100｝面が集合している
ことを特徴とする接点材料。