JP3676365B2 - 銀ベースの接点材料、この種の接点材料の電力開閉装置への使用及びこの接点材料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、銀の他に主要有効成分としての酸化鉄及び少なくとももう１つの他の有効成分が入っている銀ベースの接点材料に関する。更に本発明はこのような接点材料の電力開閉装置への使用及びこの接点材料の製造方法に関する。
電力用の低圧開閉装置、例えば電力開閉器並びに直流、モータ及び補助接触器の接触片には１つには銀−金属（ＡｇＭｅ）系、また１つには銀−金属酸化物（ＡｇＭｅＯ）系の接点材料が公知である。第１の系の代表例としては例えば銀−ニッケル（ＡｇＮｉ）又は銀−鉄（ＡｇＦｅ）がある。第２の系の代表例には特に銀−酸化カドミウム（ＡｇＣｄＯ）及び銀−酸化錫（ＡｇＳｎＯ₂）がある。更に特に酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）、酸化銅（ＣｕＯ）及び／又は酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）のような他の金属酸化物も擧げられる。
銀−金属又は銀−金属酸化物ベースの接点材料の実際の使用可能性はいわゆる電気的“接触特性スペクトル”により決定される。その際基準となる特性値は１つには接触片の燃焼により決定される有効寿命のスイッチング回数であり、１つにはいわゆる過剰温度、即ち主として上記接触部材の電気抵抗から生じる接点ブリッジ及び端子の接触加熱である。更に接触片の溶接傾向が十分に僅かでありまた耐食性が十分であることが重要である。それというのも気中開閉器内の材料の長期にわたる腐食により遮断特性は時間と共に変化しかねないことに注意しなければならないからである。
既にドイツ連邦共和国特許出願公開第１６０８２１１号明細書から、酸化カドミウム又は酸化錫の他に酸化鉄を含んでいることもある銀−金属酸化物系の電気接点材料が公知である。更にドイツ連邦共和国特許第３８１６８９５号明細書から鉄３〜３０重量％及びマンガン、銅、亜鉛、アンチモン、酸化ビスマス、酸化モリブデン、酸化タングステン、窒化クロムの添加物中の１つ又は幾つかを合計して０．０５〜５重量％、残り銀の銀−鉄材料を電気接点に使用することが公知である。その他のドイツ連邦共和国特許出願公開第３９１１９０４号明細書から鉄を第１の副次成分として５〜５０重量％及び他の第２の副次成分０〜５重量％を使用する鉄を含む銀ベースの複合材料からなる電気接点用半製品を製造するための粉末冶金法が公知である。この第２の副次成分はチタン、ジルコン、ニオブ、タンタル、モリブデン、マンガン、銅及び亜鉛の金属並びにそれらの酸化物及び炭化物を含んでいる群の１つ又は幾つかの物質を含有している。その際元素の形の鉄は特に化学的沈澱により得られる。最後に日本国特許出願公開平１−０５５３４５号明細書から銀マトリックスに配分された０．５〜２０重量％の酸化鉄粒子からなる冒頭に記載した形式の材料が公知であり、その際酸化鉄の一部は少なくともニッケル、コバルト、クロム、モリブデン、タングステン、カドミウム、亜鉛、アンチモン、錫、ビスマス、インジウム、鉛、マンガン、ベリリウム、カルシウム、マグネシウム又は銅の酸化物の少なくとも１つと置換されている。これら製造される接触片は開閉器に使用した場合良好な機械的特性及び高いアーク放電耐性の点で優れている。
国際特許出願公開第９２／２２０８０号明細書には既に酸化鉄の他に他の有効成分として酸化レニウム及び／又はジルコン酸ビスマス及び／又は酸化ホウ素及び／又は酸化ジルコンが入っている接点材料が提案されており、その際酸化鉄は主成分として１〜５０質量％及び副次成分として０．０１〜５質量％入っている。その際酸化鉄はＦｅ₂Ｏ₃又はＦｅ₂Ｏ₄の耕造を有していてもよいが、しかし場合によっては混合形であってもよい。
従来技術の材料は大抵の場合なお“接触特性スペクトル”の全ての要件を同時に満たすものではない。結局その都度の使用例に対してそれぞれ最も重要な特性値に合った最適条件を得るために努めなければならない。
上述の従来技術から出発して本発明の課題は、他の副次成分を有する銀−酸化鉄ベースの別の接点材料を見つけ出し、その製造方法を提供することにある。この新材料は安定した加熱挙動を有して接触加熱が僅かであり、溶接傾向が少なくかつ遮断電流強度に関して寿命が長い諸点において優れているものでなければならない。更に良好な耐食性も有していなければならない。
この課題は本発明により、他の有効成分が周期表の第三副族の元素の酸化物であることにより解決される。周期表の第六副族の元素を含む酸化物が補助的に少なくとも１つ入っていてもよい。これらの接点材料は特に低圧開閉器の使用に適している。
酸化鉄が質量にして好適には３〜２０％及び他の有効成分が質量にして０．１〜１０％入っていることは本発明の枠内にある。その際酸化鉄が特に質量にして７．５〜１５％又は質量にして４〜７．５％入っていてもよく、一方他の酸化物が好適には質量にして０．５〜２％入っていてもよい。有効成分の元素としては周期表の第三副族からの元素のスカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）及び他のランタノイドを有するランタン（Ｌａ）が対象となる。更に他の有効成分として特に酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）が擧げられる。Ａｇ／Ｆｅ₂Ｏ₃１０／Ｙ₂Ｏ₃１組成の材料は設定要件を特に良好に満たすものである。
Ａｇ／Ｆｅ₂Ｏ₃／Ｙ₂Ｏ₃構造の材料の他の金属酸化物としては特にフェルベライト（鉄重石）（ＦｅＷＯ₄）が入っていてもよい。Ａｇ／Ｆｅ₂Ｏ₃９／Ｙ₂Ｏ₃１／ＦｅＷＯ₄０．５組成の材料が特に有効である。
新しい接点材料の製造は本発明により、まず銀粉末及び酸化鉄粉末を所定の割合で混ぜ合わせ、この混合物に他の酸化鉄を添加混合し、引続きその後の加工を焼結及び圧縮を交互に実施することにより行う。
本発明によりＡｇＮｉ代用材が改良された。特に主な有効成分として温度挙動を保証するために特に７．５質量％以下の酸化鉄を選択した公知の代用材の接触片に観察された比較的高い燃焼は、本発明材料では減少されて銀−ニッケルの燃焼に近いものとなっている。
本発明の枠内において、特に主有効成分としての酸化鉄を副次有効成分としての酸化イットリウムと組み合わせることが全ての接点材料の“接触特性スペクトル”を改善することが認められた。
本発明の他の詳細及び利点を以下に記載する実施例から明らかにする。その際添付の表で本発明に基づく具体的な材料組成に関する個々の例について説明する。
表にはそれぞれ開閉装置の接点ブリッジで測定された新材料の過剰温度に対する測定値が最大及び平均ブリッジ温度として、また更に燃焼挙動に対する測定値が記載されている。
第１欄には最高温度値のブリッジに生じるそれぞれ最大過剰温度が、また第２欄には全ての温度測定の平均値が示されている。これらの値はそれぞれ室温に対する温度差として生じる。第３欄には重量測定から生じる燃焼に関する値が記載されている。全ての測定は１５ｋＷ接触器のスイッチング連続試験でｎｓ＝５００００のスイッチング回数まで行われたものである。
この表は比較材料の他に本発明による接点材料の有効組成を有する典型例を含んでいる。測定はそれぞれ２つの接触片を有する１５ｋＷ試験用接触器の接点ブリッジで直接行われた。以下個々に測定結果について説明する。
例 １：Ａｇ／Ｆｅ ₂ Ｏ ₃ １０／Ｙ ₂ Ｏ ₃ １接点材料
Ａｇ／Ｆｅ₂Ｏ₃１０／Ｙ₂Ｏ₃１組成の材料が製造される。それにはまず別々の銀粉末と酸化鉄粉末とを所定の割合で混合し、その粉末混合物に１質量％の酸化イットリウム粉末を混ぜ合わせる。その後の製造は公知方法で所定の限界条件下に焼結及び圧縮を交互に実施することにより行われる。
接触片の形成は射出成形法か或は鋳型成形法により行われる。両方法の場合裏側は形成時に確実な接合を保証するために既にろう接及び／又は溶接可能の銀層を備えている。このようにして形成されたＡｇ／Ｆｅ₂Ｏ₃／Ｙ₂Ｏ₃構造の接触片は所定の接触器中で公知の接点材料との比較試験を実施され、その結果は表中に示されている。
表はまず公知の良好な特性を有するＡｇＮｉ２０接点材料をブリッジ温度並びに燃焼に関して示すものである。これらの値はニッケルの代わりに専ら酸化鉄を有するＡｇＦｅ₂Ｏ₃接点材料の場合著しく低下し、その際特に個々の接点ブリッジで観察される最大温度は許容し得ないほど高い。その際酸化物含有量と比例して上昇が観察されるが、一方燃焼は予想通りに減少する。
従来技術では既にその特性を改善する種々の他の添加物が副次有効成分として擧げられている。特に酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）は有効であり、その結果は表中に記載されている。表では酸化鉄の含有量が低い場合、特にＦｅ₂Ｏ₃が約７．５質量％以下の場合、最大ブリッジ温度は低く、また優れた平均ブリッジ温度が確認され、一方燃焼はもちろん不満足なものである。後者（燃焼）はまず酸化鉄含有量が比較的に高い場合、即ち約７．５質量％のＦｅ₂Ｏ₃から低下し、その際もちろん温度挙動の低下が確認される。
更にこの表から温度挙動が特に酸化イットリウムの添加により、燃焼が著しく劣化されることなく驚異的に改善されることが読み取れる。その際酸化イットリウムの分量は０．１〜１０質量％の範囲内である。
特に表中に記載されているＡｇ／Ｆｅ₂Ｏ₃１０／Ｙ₂Ｏ₃１材料はその温度挙動において全くＡｇＮｉ１０の材料と比較可能のものである。しかしこれまで提案されてきた他の副次成分を有するＡｇＦｅ₂Ｏ₃ベース材料とは対照的にその燃焼は公知材料の燃焼より著しく低い。例えば５００００回のスイッチング回数では銀−ニッケルの約２０％を超えた燃焼しかしか観察できず、一方他の代用材では著しくそれを超えている。
特にＡｇ／Ｆｅ₂Ｏ₃１０／Ｙ₂Ｏ₃１の温度挙動及び燃焼挙動に関して同じく有利な特性により、幅広い使用スペクトルに対して公知の有害作用を有する銀−ニッケル材料を代用する前提条件が生じる。特に酸化イットリウムの代わりに場合によっては周期表の第三副族の他の化学元素もＡｇＦｅ₂Ｏ₃材料に対する副次成分として重要になって来る。
例 ２：Ａｇ／Ｆｅ ₂ Ｏ ₃ ９／Ｙ ₂ Ｏ ₃ １／ＦｅＷＯ ₄ ０．５接点材料
この材料の製造にはまず別々の銀粉末及び酸化鉄粉末を所定の割合で混合し、この粉末混合物に１質量％の酸化イットリウム粉末及び０．５質量％のタングステン酸鉄粉末を混ぜ合わせる。その後の製造は公知の方法で焼結及び圧縮を交互に実施して所定の限界条件下に行われる。
この材料から接触片を形成するには射出成形法又は鋳型成形法により行われる。この両方法では裏側は接触片を形成する際確実な接触片の接合を保証するためにろう接及び／又は溶接可能の銀層を備えている。
こうして形成された接触片は一方では公知の接点材料との比較試験をまた一方では前述の他の実施例による材料との比較試験を実施された。
例２の材料で既に例１に提案されたＡｇ／Ｆｅ₂Ｏ₃／Ｙ₂Ｏ₃構造の焼結接点材料の有利な温度特性ばかりでなく、特に溶接及び短絡挙動も一段と改善されることが確認された。従ってこの材料は電力開閉器に使用するのに特に適している。

Claims (8)

1. 主有効成分としての酸化鉄及び他の有効成分としての金属酸化物を含み、銀と鉄酸化物をベースとする接点材料（ＡｇＦｅ₂Ｏ₃／Ｆｅ₃Ｏ₄）において、前記他の有効成分が酸化イットリウムであり、前記酸化鉄は質量にして３〜２０％、前記酸化イットリウムは質量にして０．１〜１０％を占め、残部は銀からなることを特徴とする接点材料。
2. 酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃／Ｆｅ₃Ｏ₄）が質量にして７．５〜１５％入っていることを特徴とする請求項１記載の接点材料。
3. 酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃／Ｆｅ₂Ｏ₄）が質量にして９〜１２％入っていることを特徴とする請求項２記載の接点材料。
4. 酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃／Ｆｅ₂Ｏ₄）が質量にして４〜７．５％が入っていることを特徴とする請求項３記載の接点材料。
5. 酸化イットリウムが質量にして０．５〜５％入っていることを特徴とする請求項１記載の接点材料。
6. Ａｇ／Ｆｅ₂Ｏ₃１０／Ｙ₂Ｏ₃１の組成を特徴とする請求項１ないし５の１つに記載の接点材料。
7. 銀−鉄酸化物をベースとする接点材料の製造方法であって、
   該接点材料は主有効成分としての鉄酸化物と、他の有効成分としての酸化イットリウムと、残部の銀とからなり、
   鉄酸化物は質量にして３〜２０％、酸化イットリウムは質量にして０．１〜１０％を占めるものにおいて、
   次の処理工程を実施することを特徴とする方法。
   ▲１▼まず銀と鉄酸化物の粉末を所定の割合で混合し、
   ▲２▼この混合物に、酸化イットリウムを添加し、
   ▲３▼引続きその後の加工を焼結及び圧縮を交互に実施することにより行う。
8. 電力開閉装置に使用することを特徴とする請求項１ないし６の１つに記載の接点材料。