JP3652706B2 - 接触部材の製造方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１及び13の前提部分に記載の接触部材の製造方法及び装置に関するものである。
接触部材は、スイッチ操作中アークを導くもので、いろいろな条件を充足しなければならない。
第１に、接触部材はスイッチが閉じられたときに、十分に高い導電性を有するものでなければならない。第２に、接触部材はスイッチ・アークが形成されたときに、早く腐食するものであってはならない、即ち寿命が十分に長いものでなければならない。
ところで、ガス絶縁高圧ブレーカの場合は、接触装置を、所定の電流を導く接触部材と、アークを導く、従って腐食に耐える接触部材とに分けることができる。一方、真空ブレーカの場合は、所定の電流を導く接触部材を設けることができない。従って、１つの接触部材装置が所定の電流を導くと共に、アークを導かねばならない。
真空室内で、スイッチ・オフする場合、ある電流速度で、所謂コントラクト・アークが形成され、適当な形状の接触部材により回転される。従って、接触材料の腐食は低いレベルに抑えられる。それでも、対向する接触部材の表面には、耐食材料を設けることが必要となる。こうして、冒頭に述べた、接触部材の腐食は低く抑えられている。
以前は、真空ブレーカ用の接触部材は２〜３の金属要素から造られていた。この場合、クロムを必須の要素とし、銅を浸透させた焼結金属構造で、従って接触部材はクロム・銅合金で造られていた。そして、工業的な規模では、このクロム・銅接触部材は、対応する金属の粉末の混合物から焼結により生産されていた。この場合の接触部材は、これら混合物から形成されている。
ところで、耐食金属、例えばクロムは、銅よりも導電性は低いので、製品接触部材中のクロムの量をできるだけ低く保つことが探求されており、非常に広い各種の方法が採用されている。例えば、合成金属からなる接触プレートが、ベース・ボディに加えられている。これは、例えば、DE 31 07 688により公知で、表面をプラズマ・スプレーによりコートしている。
DE 35 41 584には、合成金属の製造方法及び装置並びにこれら金属から製造されたスイッチ装置用の接触部材が開示されている。この場合、ベース・ボディの表面は、ある範囲に亘り、適当にエネルギー・ビームにより溶かされ、ここに粉末要素が供給され、ベース・ボディ中に一体になる。
EP ０ 458 922 B1による方法では、基盤表面、即ちサポート・ボディの表面は局所的に溶かされ、付加金属が粉末層として基盤表面に加えられる。この結果、粉末層中の粉末はウエット（wett）され、即ち、粉末層には溶解領域から液体金属が浸透する。こうして、粉末層中の粉末は基盤表面に拘束され、所望の表面層が形成される。
本発明の目的は、簡単に実施できる接触部材の製造方法で、この接触部材は、良好な導電性を有し、アーク腐食に対して高い抵抗を有し、十分な機械的強度を備えたもの提供することである。
この目的は、請求項１の特徴部分に記載の発明により達成される。
本発明では、ベース・ボディと焼結構造とが，好ましくは、カップ状モールドの中に上下に重ねて置かれ，第１材料の溶解温度よりも高いが，第２材料の溶解温度よりも低い温度で加熱され，こうして，前記第１材料がとけて前記焼結構造の中に浸入するようにしたことを特徴とするものである。
そして、焼結構造を形成するために，前記第２材料が第１材料の上に粉末として散布され，そして，両材料は焼結構造を得るために，先ず，第１材料の溶解温度よりも低い，焼結温度または脱ガス温度まで加熱され，それから両材料は第１材料の溶解温度の上まで加熱されることを特徴とするものである。
特に、モールドがスチール製で、銅がスチール製モールドの内壁にウエットすると、クロム・銅層がエッジから内側に浸透する。従って、再生に際しては、エッシ領域で、全接触ボディ層がターニングにより除去される。
このために、モールドには粉末が一杯に満たされ、粉末がモールドの縁の上に突出する。粉末が、崩れ落ちないようにするために、モールド・リングがベース・ボディの上に置かれ、粉末がエッジ領域で、円錐状に傾斜されることを確保する。円錐角は傾斜角で、これは粉末の粒度に依存する。いずれにしても、この角度は、粉末がこの領域から外側に崩れ落ちないように選ばれる。
この場合、ベース・ボディは同様にカップ状の凹部を有しており、この中の、その接触側の上に、第２材料が入れられる。この場合、凹部のエッジは、モールドの縁より突出させる。
なお、カップ状の凹部を得るために、第１材料で造られたリングをベース・ボディの上に、モールドの内壁に接触させて置き、そして、このリングの内側に第２材料を、例えば粉末状で置いてもよい。このリングも、モールドの縁より突出させる。
また、第２材料を、予め焼結されたプレート即ちグリーン・ボディとして、第１材料の上に置いてもよい。この場合にも、予め焼結されたプレートはモールドの縁より突出させる。
カップ状モールドは金属、好ましくはスチール、ステンレス・スチールで造られる。このモールドは、製品接触部材の上に、所謂デッド・モールド（dead mould）として残る。このデッド・モールドは、接触面の反対側の接触部材を強度を高める効果を奏する。
もし、フェライト・スチールが用いられた場合は、カップ状モールドの壁は、都合よく、部分的に除去される。すなわち、スイッチ・オフ操作の場合に、アークがフェライト・スチールから造られたモールドの端リムに達しない範囲で、部分的に除去される。
更に、いろいろなタイプの接触部材、例えばスパイラル接触部材で、スイッチ・オフしたときに、その間に、ラジアルの磁場が形成される。この場合、アークはコントラクトし、スパイラル状に回転される。
もし、モールドの壁がターニングにより部分的に除去され、接触部材の外側エッジに存在するときは、この壁は反対側の接触部材の壁と共に、周囲領域の軸方向磁場を補強する。これは、軸方向磁場が、適当な方法により、開いた接触の間に生成される場合に、特に効果がある。
また、モールドをセラミックから造ることもできる。そして、モールドの全てをセラミックから造る代わりに、底はカーボン（グラファイト）から造り、壁は、底に押付けられるセラミックから造ってもよい。
セラミックから造られた壁の内面は、第１材料によってはウエットされない。従って，続く固化により、表面は凸状にカーブする。Al₂O₃がセラミックとして都合よく使用される。
研究の結果、冷却の場合、特別の手段を講じないと、中央部にシュリンク孔が形成されることが分かった。従って、このような接触部材は使用できない。
そこで、冷却操作は、接触部材の中心軸領域の冷却が、周辺領域よりも早くなされるように、制御されねばならない。
このために、接触部材の周辺領域は、炉の中で、スクリーン・プレートによって囲まれている。このスクリーン・プレートは、接触部材のエッジから外側に放射される熱を反射する。従って、冷却は内側から、即ち、接触部材の中心軸から起こる。こうして、中央領域でのシュリンク孔は防止された。なお、外側領域での、小さなシュリンク孔は、ターニングによって容易に除去できる。
もし、真空が遮られた、室内に設けられる接触部材を製造する場合には、酸素フリーの高い導電性を有する銅が使用され、加熱は高真空溶解炉内でなされる。この場合、クロム粉末は高真空溶解炉内で、銅の溶融点以下の温度で脱ガスされる。この脱ガスの過程で、粉末は焼結され、リジッドなポーラス構造が形成される。なお、この脱ガス中に、クロム粉末に圧縮力を作用させることもできる。これは、対応する圧力ピストンを用いて実施できる。この処置が終わってから、システムは、銅の溶融点以上に加熱される。こうして、ポーラスなクロム層に純度の高い銅が浸透される。
また、この方法を、真空中に代わって、アルゴンまたはヘリウムからなる保護ガス中で行うこともできる。
また、クロム粉末の代わりに他の金属を、その溶融点が支持ボディの溶融点より高いことを条件として、使用することもできる。従って、クロムの代わりに、他の金属及びこれらの混合物を使用することができる。
更に、本発明は、真空スイッチ室でないスイッチ装置の接触部材を製造するためにも用いられる。
もし、プレート状のベース・ボディの形の代わりに、ベース・ボディが丸いドーム状をしている場合、このボディもスチール製の、例えば、第２材料が完全に充填された、モールド内に置くことができる。従って、ドーム状のベース・ボディは完全に覆われている。
ここで、ディスク状の接触部材に対して行ったと同様に、モールドに第２材料を溢れるほどに充填することは有効である。
粉末層の厚みが、接触層の厚みを決める。クロムの接触層中の割合は、粉末のサイズ及び焼結工程により変えられる。
本発明の、更なる構成及び効果は、図面を参照して詳細に説明される。この中に、発明の幾つかの実施例が示されている。
図面の説明
図１〜５は、モールドの各種の形状を、挿入要素と共に示している、
図６は、スクリーン・プレートを備えたモールドの断面図、
図７及び８は、本発明の他の２つの実施例を示している、
図９及び10は、２つの製品接触部材を示している、
図11及び12は、本発明の他の２つの実施例を示している、
図13は、図12の実施例の熱処理後の説明図、
図14は、接触部材の熱処理の温度・時間ダイアグラムである。
本発明による方法を実施し、良好な導電性を有する材料、例えば銅からなるベース・ボディと、好ましくはクロム・銅から造られた接触層を有する接触部材を製造する処置を以下に説明する。
ベース・ボディ13は銅から造られ、底11及び側壁12を有するカップ状モールド10に入れられている。ベース・ボディ13は、その接触側表面上に、軸方向に突出するリム15を備えた，カップ状の凹部14を有している。クロム粉末16が、カップ状モールド14,15に満たされている。モールド10の内面と、ベース・ボディ13の外面との間のギャップ17は、できるだけ、狭くされている。
ベース・ボディ13及びクロム粉末16（以下では、接触層16とも言う）を有するモールド10は、高真空溶解炉に入れられ、図14に示す熱処理を受ける。
装置は、先ず、ベース・ボディ13を構成する材料の溶解温度以下である温度T₁まで加熱される。銅の場合は、この温度は1083℃である。そこで、温度T₁は、1083℃以下でなければならない。時間Δt_Eの間、装置は脱ガスされ、粉末16は焼結し、ポーラスなフレーム、焼結構造を形成する。炉内の温度をT₂まで上昇させる。この温度は銅の溶融点より高いが、クロム粉末の溶融点以下である。焼結構造に銅が浸透し、こうして、接触層が形成される。
それから、炉内で冷却される。図６に従い，スクリーン18が装置の周りに配置される。このスクリーンは，装置の中心軸Ｍ−Ｍの領域に，モールド10の底11に平行する壁21及び22の中に，それぞれ開口19及び20を有している。この結果，熱エネルギーＥは，開口19及び20を通って放射されるが，装置のエッジから放射される熱エネルギーＷは，装置のエッジに向かって，スクリーン18に反射される。こうして，冷却が内側，即ち中心Ｍ−Ｍから，外に向かって制御される。その結果，中心Ｍ−Ｍ領域でのシュリンク孔は防止される。もし，陥没孔がエッジの領域に現れても，これらは機械加工により容易に除去される。
図６は，完成接触部材23を示しており，図６の接触層16aの中のカラー15は消えている。このカラーでの材料は，焼結構造の中に流入している。接触層16aの厚さは，図１の粉末層の高さ，即ち深さに依存する。
図１の例では，モールドは，ベース・ボディ13の銅によりウエットされない材料で作られている。
図２の例では，モールド24は，ステンレス・スチール又はスチール等の金属で作られている。この金属は銅によりウエットされ，いわゆるデッド・モールドと呼ばれ，接触部材の一部となる。
図３の例では，カバー即ちプレート25が，カラヘ15の上に置かれている。
このカバーは，孔26を有しており，焼結及び脱ガスの過程で，粉末からのガスは，この孔から逃げられる。
必要ならば，プレート25の外径は，カラー15の内径より小さくしてもよく，プレート25はある圧縮力で粉末に押付けられ，その結果，焼結及び脱ガスの過程で形成されるくぼみに影響を及ぼす。
図４の例では，モールド24の底27及び側壁28は，セラミック29及び30によりコートされている。従って，焼結された接触部材はモールド24から取外せる。この場合，コーティング29を省くこともでき，この結果，ベース・ボディ13の銅は，底27をウエットする。
図５の例では，プレート31は銅製で，モールド24の中へ挿入されている。リム32は，半径方向のカラー33及び円筒状の突起34を有しており，銅製プレート31の上に置かれている。
円筒状の突起34の外径は，モールド24の壁28の内側にピッタリとフィトしている。円筒状の突起34の内面35は，円錐状をなしており，底に向かって広がっている。角度αが形成され，銅プレート31との接触面は，リング32を外したときに，プレート31の上に置かれた粉末36が，崩れ落ちない寸法になっている。角度αは，傾斜角であり，粉末36の粒径による。
図５に見られるように，粉末36の自由面は，側壁24のリム・エッジより突出している。これにより，次のような作用がなされる。
図2,3の例では，ベース・ボディ13の銅が，モールド24の側壁28をウェットする問題がある。その結果，内壁上のベース・ボディ13の銅が，側壁28のリムに向かって上昇し，完成接触部材の厚さが中央，即ちＭ−Ｍで，外側周縁に比べて薄くなる。
接触層16aは凹状になる。そこで，接触部材の実際の製造作業中では，周縁において，接触層の全面がターニングによって除去される恐れがある。この様な構造のものは，使用できない。このために，粉末層36の高さは，側壁28のリムの上に突出するように選ばれる。
モールド24は，一杯にされ，接触部材の形状は，ベース・ボディ13aの面が平らであったことを前提として，接触層16とベース・ボディ13aとの分割面16bが平になるようにされる。もし，ベース・ボディ13aの面が異なった形状になっている場合，分割面はこれに対応した形状になる。なぜなら，焼結構造は，接触ボディ即ちベース・ボディ13の表面の影響を受ける。
もし，モールドが非ウェット材料で作られている場合は，接触層16aの表面は凸状になる，図13参照。
接触層16aが，凸状になることを防止するためには（図７参照），ベース・ボディ70は，凹部72を形成するように突出カラー71を有している。このカラーは，モールド75（モールド24に対応）の側壁74の自由リムを越えて突出する寸法になっている。
一体に形成されたリム即ちカラー71の代わりに，リング81をベース・ボディ80の上に載せる（図８参照）。このリングの外径は，モールド75の側壁74の内径に対応している。リング81はリム73を越えて突出している。
図９の例では，デッド・モールド75の側壁74はターニングによって除去され，自由リム76は傾斜され，ベース・ボディ78と接触層79との分割面77の下に位置している。従って，アークがモールドの側壁74に接触することはない。
図10の例では，傾斜リム面即ち端面が，凹カーブ82に置換えられている。
図9,10の例では，モールド75はフェライトで作られている。そのため，軸方向磁場83が，図９または図10に示される接触部材と同様の構成の対向する接触部材との間に形成される。そして，もし適当な方法によって，開いた接触部材の間に軸方向磁場が形成される場合には特に好都合である。
図１〜10の例で，ベース・ボディは，場合により突出リムを備えた，ディスクとして示されている。
また，図11を参照して，ドーム状のベース・ボディ85を，モールド84（モールド24,75に対応）の中に入れ，モールド84とベース・ボディ85の間のスペース86に粉末87を満たす。この場合，粉末の自由面88はモールド84のリム89より高くし，図５の傾斜35と同様な，傾斜を形成する。
図11の配置でも，図１〜６の場合と，同様にして熱処理を受ける。ドーム状のベース・ボディ85は，粉末87により形成された，焼結構造の中に浸透し，そして，適当な金属除去機械により加工され，ドーム状の接触部材が形成される。
このドーム状の接触部材は，消弧のための絶縁ガスが用いられているに高圧ブレーカで，アーク防止接触部材とし使用できる。
図１のモールドは，例えばAl₂O₃から作られた，セラミック・モールドである。
図12及び13の例では，カーボン・プレート（グラファイト・プレート）90を有するモールドが使用されており，このプレートの上に,Al₂O₃から作られた円筒リング91が載せられている。
このリング91の中で，ベース・ボディがプレートの上に載せられている。このベース・ボディは，図１〜４に示すベース・ボディと同様なもので，符号13で示されている。
リング91は，銅がリング91とプレート90との間から逃げれないようにするために，プレート90に機械力Ｆで押付けられる。
ついで，既に述べたと同様な方法で，熱処理がなされる。この場合，ベース・ボディ13の銅はセラミック／リングをウェットしないので，接触層92は，特にその周縁部で凸状になる。
酸素フリーの，高い導電性を有する銅が，総ての場合に，ベース・ボディに対して望ましく，クロム粉末が接触層の形成に用いられる。
しかし，ベース・ボディの材料が良好な導電性を有すること，また接触層の材料が耐蝕性を有し，溶接に対して低い傾向を有するという条件を充足しさえすれば，ベース・ボディ及び接触層に，どんな材料でも使用できる。
銅及びクロムは，真空スイッチ室で一般的に使用されている材料に過ぎない。
銅とクロムとの混合割合は公知で，焼結方法により広い範囲で調整できる。したがって，電気抵抗，アーク抵抗及び溶接に対する傾向を最適にできる。
クロム粉末は，異なったサイズでもよく，或いは狭い幅の中での１つサイズでもよい。
また，異なった形状の粒でも使用できる。更に、接触層の焼結構造の形成のために，クロム・銅の粉末の混合物を使用することもできる。
これまでの説明では，焼結構造は，総て，ベース・ボディの上に粉末を流動状態で適用し，それからて流動粉末を焼結することにより製造されていた。しかし、前もって焼結されたプレートをベース・ボディの上に置いてもよい。
図１〜13で、凸または凹表面形状について説明したことは，焼結プレート（グリーン・ボディ）が置かれる場合にも，考慮しなければならない。
スチール又はステンレス・スチールから作られたモールドを使用するときは，スチールのある量が銅溶解の中に合金されるという問題がある。
必要ならば、モールド24の内面を、銅溶解の中に溶け込まない材料，例えばタングステン又はモリブデンから作られた箔でカバーする。これにより，モールドは銅溶解から離される。同様に，セラミック・コーティング29,30を施してもよい。
高真空溶解炉が，クロム粉末が十分に脱ガスされるように，真空ブレーカ用の接触部材の製造に用いられる。炉の中に保護雰囲気ガスを，少なくとも図11に示す例の場合には，充満させてもよい。

Claims (19)

1. 高い導電性を有する第１材料から作られたベース・ボディと、
   第１材料に比べて導電性が低く、アーク腐蝕に耐えられる第２材料から作られた接触層と、からなる接触部材の製造方法であって、
   前記接触層は、前記ベース・ボディの材料が浸透した焼 結構造を有し、
   前記ベース・ボディと前記焼結構造とが、カップ状モールドの中に上下に重ねて置かれ、前記第１材料の溶解温度よりも高いが、第２材料の溶解温度よりも低い温度で加熱され、それによって、前記第１材料が溶けて前記焼結構造の中に浸入するようにした接触部材の製造方法に おいて、
   前記焼結構造を形成するため、前記第２材料が第１材料 の上に、粉末としてまたは予備焼結されたプレートとし て、置かれ、そして、両材料は、焼結構造を得るため に、先ず、第１材料の溶解温度よりも低い、焼結温度ま たは脱ガス温度まで加熱され、それから両材料は第１材 料の溶解温度の上まで加熱されることを特徴とする接触 部材の製造方法。
2. 前記接触ボディの上に散布される粉末の量は、粉末がモールドの縁の上に出る程度であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記粉末は、前記ベース・ボディの周縁領域に、円錐状に傾斜して散布され、その円錐角即ち傾斜角は、粉末が崩れ落ちない角度になっていることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記傾斜角は、前記ベース・ボディの上に置かれるモールド・リングにより生成されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記ベース・ボディは、その中に前記第２材料が入れられる、カップ状の凹部を、その接触側に有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１ 項に記載の方法。
6. 前記第１材料から作られたリングが前記ベース・ボディの上に置かれ、このリングは前記モールドの内壁に接触し、このリングの内側に前記第２材料が入れられることを特徴とする請求項１から５のいずれか１ 項に記載の方法。
7. 前記リングは、前記モールドのリムの上に突出していることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 焼結される板の厚さは、前記ベース・ボディの上に置かれたときに、前記モールドのリムの上に突出する厚さになっていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記焼結構造は、クロムまたはクロムの混 合物から作られることを特徴とする請求項１から８のい ずれか１項に記載の方法。
10. 金属粉末である焼結助材が金属粉末に混ぜられることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記カップ状モールドが、スチールまた はステンレス・スチールから作られていることを特徴とする請求項１から10のいずれか１項に記載の方法。
12. 冷却後、前記モールドの壁が、少なくとも部分的にターニングにより取除かれることを特徴とする請求項11に記載の方法。
13. 前記ベース・ボディ及び焼結構造が挿入 される前に、前記モールドの壁の少なくとも内面がセラミック層によりカバーされることを特徴とする請求項11 または12に記載の方法。
14. 前記ベース・ボディ及び焼結構造が挿入 される前に、金属からなる前記モールドの内面が前記第１材料に溶けない金属箔により覆われ、それによって、前記第１材料が溶け込む間に、モールドの金属が溶解されることが防止されることを特徴とする請求項11または 12に記載の方法。
15. 前記モールドの少なくとも一部がセラミックから作られていることを特徴とする請求項１〜10に いずれか１項に記載の方法。
16. 前記モールドは、カーボンからなる底、 及び、この底の上に押付けられたAl2O3からなる壁を有していることを特徴とする請求項15に記載の方法。
17. 前記粉末層は金属板で覆われ、この金属 板は、溶け込み作業中は、前記接触層に固定状態で且つ 気孔のない状態で接続され、且つ、この金属板は、脱ガスのためのボア又は溝を有することを特徴とする請求項 11から16のいずれか１項に記載の方法。
18. 炉内での冷却は、前記接触部材が、その周囲領域においてよりも中心軸領域において強く冷却されるように制御されることを特徴とする請求項11から17 のいずれか１項に記載の方法。
19. 前記接触部材の周囲領域は、前記炉内での冷却の際に、前記接触部材の縁部から放射される熱を反射する遮蔽板によって囲まれており、冷却が内部から即ち前記接触部材の中心軸からなされることを特徴とする請求項18に記載の方法。

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