JP3597544B2 - 真空バルブ用接点材料及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、真空バルブ用接点材料及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空バルブ用接点材料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、これらの要件のなかには、相反するものがある関係上、単一金属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わせ、かつ、大電流用または高耐圧用などのように特定の用途に合った接点材料の開発が行われているが、さらに強まる要求特性に対しては、いまだに満足できない点もあるのが実状である。
最近の顕著な傾向として、リアクトル回路・コンデンサ回路等への適用回路の拡大があげられ、それに伴う接点材料の開発・改良が急務となっている。特に、コンデンサ回路には、通常回路の２倍の電圧が印加される関係上、接点の耐電圧特性、特に再点弧発生の抑制という問題が浮上してきた。
【０００３】
これに対応するために、従来では一般的に耐圧に優れている高融点材料であるＷ・Ｍｏ・Ｔａ・Ｎｂと導電成分であるＣｕとから構成された接点材料を適用してきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＣｕ−Ｗ等の接点材料は、ある程度の高耐圧分野には適応できるが、より苛酷な高耐圧領域、及び突入電流を伴う回路においては再点弧の発生という問題がある。この発生要因は、耐弧材料が導電成分と充分に濡れないために耐弧材の粒子と導電成分の密着強度が不十分となることに起因する。
【０００５】
つまり、電極が開極状態にもかかわらず、耐弧材粒子が電荷を帯びて接点表面から放出されたり、濡れ不十分のために発生する接点内部のポアからガスが突出したりして再点弧が発生する。さらには、投入時に発生する高周波電流等による局所的な溶着が発生した場合に前述の耐弧材料と導電成分の界面強度が弱いことと局所的なポアの存在のため、電極引き外し時に接点表面に移転を生じ、それが電界集中等を引起こし再点弧を発生させる場合もある。再点弧が発生すると回路系統の事故にまで波及し、例えば停電の要因ともなってしまう。
【０００６】
以上のように、再点弧の発生原因は耐弧材料が導電成分と充分に濡れないために耐弧材の粒子と導電成分の密着強度が十分ではないことであり、このためこの界面強度を向上させることと内部ポアを低減させることにより、再点弧の発生頻度を低減することが重要になる。
本発明の目的は、再点弧発生頻度を低減させる真空バルブ用接点材料及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用】
上記目的を達成するために本発明は、耐弧成分と導電成分の密着性を強化するために、耐弧成分と導電成分にさらにＣｒ，Ｔｉ，Ｙ，Ｚｒ，Ｃｏ，Ｖのうち少なくとも１種から成る補助成分を添加し、補助成分が耐弧成分の周囲を包囲するように形成させたことを要旨とする。
【０００８】
すなわち、接点材料として耐弧成分と導電成分にさらにＴｉ・Ｃｒ・Ｚｒ・Ｙ・Ｃｏ・Ｖのうち少なくとも１種を添加し、補助成分が耐弧成分の周囲を包囲するように形成させたことにより、耐弧成分とも反応し且つ導電成分とも反応する補助成分が耐弧成分と導電成分の密着力を向上させて両者を密に接合させることになる。従って、耐弧粒子の表面からの放出・溶着発生時の著しい凹凸の発生・接点内部のポアの低減が実現され、再点弧の発生を抑制することができる。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図１は真空バルブの断面図、図２は真空バルブの電極部分の拡大図である。
【００１０】
図１において、遮断室１は、絶縁材料によりほぼ円筒上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製の蓋体４ａ・４ｂとで真空に保たれ構成されている。
【００１１】
遮断室１内には、導電棒５・６の対向する端部に取付けられた一対の電極７・８が配設され、例えば上部の電極７を固定電極、下部の電極８を可動電極としている。この電極８の導電棒６にはベローズ９が取付けられ、遮断室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。このベローズ９の上部には金属製のアークシールド１０が設けられ、べローズ９がアーク蒸気で覆われることを防止している。また、電極７・８を覆うように遮断室１内に金属製のアークシールド１１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。
【００１２】
一方、電極８は図２に示すように、導電棒６にロウ付け部１２によって固定されるか、又はかしめによって圧着接続されている。接点１３ａは、電極８にロウ付け１４によって取付けられる。なお、電極７についてもほぼ同様である。
【００１３】
次に、本発明の接点の製造方法の一例について説明する。接点材料の製造方法には、大別すると、耐弧粉末等で構成したスケルトンに導電成分を溶かし流し込む溶浸法と、所定の配合で混合した粉末を成型・焼結する焼結法がある。
【００１４】
本発明の製造方法は、従来のものと比較して次の点に特徴がある。すなわち、溶浸法の場合には、耐弧粉末及び第３元素粉末（補助成分粉末）の混合粉末にて、例えば真空雰囲気にて焼結してスケルトンを製作し、そのスケルトンに、例えば真空雰囲気にて導電成分を溶浸して接点を製作する点である。また、耐弧粉末でのみ製作したスケルトンに第３元素を添加した導電成分を溶浸するとによっても接点を製造できる。焼結法の場合は、所定量配合した耐弧粉末・導電粉末・第３元素粉末の混合粉末を例えば真空中に焼結して接点を製作する点である。また、溶浸法・焼結法のいづれの場合も、耐弧成分粉末に第３元素を表面被覆した粉末及び耐弧元素と第３元素との合金粉末を用いても接点の製造は可能である。
次に、後述する具体的な実施例を得た評価方法、及び評価条件について説明する。
【００１５】
前述したような背景から、再点弧発生頻度にて本発明接点及び従来接点との比較を行った。径３０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板状接点片をディマンタブル形真空バルブに装着し、６ＫＶｘ５００Ａの回路を２０００回遮断した時の再点弧発生頻度を測定し、２台の遮断器（バルブとして６本）を測定し、再点弧発生率で示した。接点の装着に際しては、ベーキング加熱（４５０℃ｘ３０分）のみを行い、ろう材の使用ならびにこれに伴う加熱は行わなかった。
【００１６】
【表１】

【００１７】
【表２】

【００１８】
【表３】

【００１９】
【表４】

【００２０】
なお、表１〜表３の製造では単一金属粉末を使用。溶浸法のスケルトンは、耐弧粉末、補助成分粉末のみで製作し、溶浸材には、無酸素銅、及び真空溶解Ａｇ／Ｃｕ合金を使用した。
実施例１−３、比較例１−２（表１参照）
【００２１】
耐弧材料のＮｂ含有量を２５体積％一定として、補助成分のＣｒ添加量を０．１，２５，５０，６５体積％を接点を製造した（各々、比較例１、実施例１，２，３、比較例２）。Ｎｂ粉末とＣｒ粉末の混合粉末を原料粉末とした。比較例１と実施例１は、焼結法にて製造した。具体的には、Ｎｂ粉末・Ｃｒ粉末・Ｃｕ粉末を混合・成型した後、所定の温度で焼結して製作した。実施例２，３，比較例２は、溶浸法にて製造した。具体的には、Ｎｂ粉末とＣｒ粉末を混合・成型・焼結し、スケルトンを製作する。次いで、無酸素銅を溶浸して試験片とした。これらの試験片を加工し、ディマンタブルチャンバに組込み再点弧発生確率を測定した。
【００２２】
その結果、表１に示すように、Ｃｒ無添加の比較例１は、再点弧発生確率が１−２％であったのに対して、Ｃｒを１，２５，５０％添加した実施例１，２，３は０．５−０．８％であり、改善傾向を示した。Ｃｒを６５％添加した比較例２も再点弧発生確率は０．８％と改善されたが、導電成分が少ないためか接触抵抗が大きく実用には困難な状態であった。なお、Ｃｒ無添加の溶浸法によるＮｂ−Ｃｕ接点も比較のために製作することを試みたが、表面酸化の影響のためか溶浸できなかった。
実施例４−６、比較例３−４（表２参照）
【００２３】
補助成分のＴｉ添加量を１体積％一定として、耐弧成分のＴａ含有量を１５，２５，５０，７０，９０体積％の接点を製造した（各々、比較例３、実施例４，５，６、比較例４）。接点の製造方法は、比較例３と実施例４は前述の比較例１、実施例１と同じ焼結法であり、実施例５，６と比較例４は実施例２と同様の溶浸法である。いずれの試験片も再点弧発生確率は、０．５−０．８％であり、改善が見られるが、Ｔａ含有量１５％の比較例３は遮断能力の低下が著しく、また、Ｔａ含有量９０％の比較例４は前述の比較例２と同様に接触抵抗が大きく実用のバルブに組込めるものではなかった。
実施例７−８（表３参照）
【００２４】
表１ではＮｂ−Ｃｒ−Ｃｕ系、表２ではＴａ−Ｔｉ−Ｃｕ系の例について述べたが、耐弧材料としてＮｂ・ＴａばかりではなくＷ・Ｍｏ、補助成分としてＣｒ・ＴｉばかりではなくＹ・Ｚｒ・Ｃｏ・Ｖ、またＣｕの代わりに導電成分となりうるＡｇを使用しても同様に再点弧発生確率を低減できる。実施例７は５０体積％Ｗ−５％Ｃｏ−３０％Ｃｕ−１５％Ａｇの接点を溶浸法にて製作したものであり、実施例８は２５％Ｗ−２５％Ｍｏ−Ｙ−１％Ｚｒ−Ｃｕの接点を溶浸法にて製作したものである。いずれの接点も再点弧発生確率が０．８％、０．５％と小さく有益であることが確認できた。
【００２５】
以上の実施例の検討結果から、本実施例の組成だけでなく、耐弧材料にＴａ・Ｎｂ・Ｍｏ・Ｗ、補助成分にＣｒ・Ｔｉ・Ｙ・Ｚｒ・Ｃｏ・Ｖ、導電成分にＣｕ・Ａｇを用いることにより再点弧発生頻度を低減できることは明らかである。
実施例９−１２（表４参照）
【００２６】
次に、製造方法について検討する。実施例９はＮｂ粉末とＣｒ粉末を９：１の割合で配合・混合した後、無酸素銅を溶浸して接点を製作したものである。実施例１０はＮｂ粉末のみでスケルトンを製作した後、予め製作しておいた２％Ｃｒ−Ｃｕ合金を溶浸したものである。実施例１１はＮｂ／Ｃｕの合金粉末とＣｕ粉末を混合焼結しスケルトンを製作したものに、新たに無酸素銅を溶浸したものである。実施例１２はＣｒにてＮｂ粉末を表面被覆したものをＣｕ粉末と混合・成型した後焼結を施し接点を製作したものである。これら接点の再点弧発生確率はいずれも０．５−０．８％であり、良好な結果であった。
【００２７】
これらの種々の製造方法により製作した接点材料の断面組織を光学顕微鏡及び電子顕微鏡にて観察すると、いずれも耐弧材料の周囲を補助成分が包囲する傾向にあり、補助成分が耐弧材料と導電成分との結合の役目を果たしていることが確認できた。特に、この傾向は溶浸法にて製造した接点材料に顕著に認められた。その結果が焼結法により製造した接点材料の再点弧発生確率が大体０．８％であるのに対して、溶浸法にて製作した接点材料のそれが０．５％であることにも反映しているように推定できる。従って、焼結法にて接点材料を製作する場合には、焼結温度を導電成分の融点以上にすることが望ましく、融点に満たない場合にも、なるべく融点に近付けた方が再点弧発生の抑制に有効である。ただし、焼結法のものにおいても、再点弧発生確率の低減には十分なものである。
【００２８】
また、断面組織観察を導電マトリクスに向けると、導電成分マトリクス内部の所々に補助成分が溶融あるいは折出した部分が観察され、補助成分と導電成分が強固に接合されていることが確認できた。この現象も、溶浸法の接点材料に顕著に認められた。
【００２９】
以上の実施例の検討結果から、本発明の製造方法は本実施例のみに限定されず、本実施例の部分的な組合わせによっても同様の結果が得られるのは明白である。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、補助成分により耐弧成分と導電成分の密着強度が向上するので、再点弧発生確率を低減した高信頼性の真空バルブ用接点材料及びその製造方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の真空バルブ用接点材料を適用した真空バルブの断面図。
【図２】［図１］の部分拡大断面図。
【符号の説明】
７、８……電極、１３ａ、１３ｂ……接点

Claims (3)

1. ２５体積％以上で７５体積％未満であってＴａ，Ｎｂ，Ｗ，Ｍｏのうち少なくとも１種からなる耐弧成分と、この耐弧成分との合量が７５体積％以下であってＣｒ，Ｔｉ，Ｙ，Ｚｒ，Ｃｏのうち少なくとも１種からなる補助成分と、残部がＣｕまたはＡｇの少なくとも１種からなる導電成分とを有し、前記補助成分が前記耐弧成分の周囲を包囲するように形成されるとともに、前記導電成分は導電成分マトリクスとして含有されることを特徴とする真空バルブ用接点材料。
2. ２５体積％以上で７５体積％未満であってＴａ，Ｎｂ，Ｗ，Ｍｏのうち少なくとも１種からなる耐弧成分と、この耐弧成分との合量が７５体積％以下であってＣｒ，Ｔｉ，Ｙ，Ｚｒ，Ｃｏのうち少なくとも１種からなる補助成分と、残部がＣｕまたはＡｇの少なくとも１種からなる導電成分とを有し、前記耐弧成分でスケルトンを製作し、このスケルトンに前記導電成分と補助成分の合金成分を溶浸させ、前記補助成分が前記耐弧成分の周囲を包囲するように形成されることを特徴とする真空バルブ用接点材料の製造方法。
3. ２５体積％以上で７５体積％未満であってＴａ，Ｎｂ，Ｗ，Ｍｏのうち少なくとも１種からなる耐弧成分と、この耐弧成分との合量が７５体積％以下であってＣｒ，Ｔｉ，Ｙ，Ｚｒ，Ｃｏのうち少なくとも１種からなる補助成分と、残部がＣｕまたはＡｇの少なくとも１種からなる導電成分とを有し、前記耐弧成分を前記補助成分で表面被覆した成分と前記導電成分とを混合・成型して焼結したことを特徴とする真空バルブ用接点材料の製造方法。

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