JP4143308B2 - 真空バルブ用接点材料、その製造方法、および真空バルブ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、大電流遮断特性、大電流通電特性、および耐電圧特性に優れた真空バルブ用接点材料、その製造方法、およびその真空バルブ用接点材料から成る接点を備えた真空バルブに関する。
【0002】
【従来の技術】
真空中でのアーク拡散性を利用して、高真空中で電流遮断を行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。真空バルブ用接点は、主として溶解法または焼結溶浸法によって作られる。
【0003】
溶解法によって作られる接点にはCuを主成分として、これにBi,Te,およびSeのような耐溶着性改善成分が添加されたCu−Bi系接点およびCu−Te−Se系接点等があり、低電圧領域での大電流遮断に用いられる。一方、焼結系接点には、CuにCrまたはWのような高融点成分が複合化されたCu−Cr系接点およびCu−W系接点等がある。
【0004】
Cu−Cr系接点は優れた遮断性能を有し、汎用、高耐圧用の遮断器用接点として使用され、Cu−25wt%Cr接点とCu−50wt%Cr接点が最も一般的である。このうち、Cu−25wt%Cr接点は通電特性が優れ、定格電流の大きい遮断器に向いている。一方、Cu−50wt%Cr接点は耐圧特性が優れている。またCu−W接点は、遮断能力はあまり期待できないが、卓越した耐電圧特性を有し、高耐圧用開閉器として使用されている。また、Agに同様に高融点成分であるWCを複合化したAg−WC系接点は、低サージ真空遮断器用接点としてよく知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
汎用の真空遮断器には、通常の定格電流の通電と、事故電流発生時の大電流遮断特性が要求される。このような汎用の真空バルブ用接点には、一般的にCu−Cr接点が用いられ、特に通電性能に優れるCu−25wt%Cr接点が多く用いられている。
【0006】
しかしながら、近年の真空遮断器の用途の多様化により、Cu−25wt%Cr接点をコンデンサ開閉用途のような投入アークを伴う使用環境で用いることが多くなり、投入アークによる溶着部を引きはずした後の絶縁破壊強度のより高い接点が望まれるようになってきた。
【0007】
本発明の目的は、優れた遮断特性、通電特性および耐電圧特性を兼備した真空バルブ用接点材料、その製造方法、およびその真空バルブ用接点材料から成る接点を備えた真空バルブを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る真空バルブ用接点材料は、粒子状Crおよび粒子状Cuの平均粒径が20〜200μmの粒子と、W、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子の平均粒径が5μm以下の粒子から製造された接点材料であって、60〜90vol%のCuからなる導電成分と、9.9〜39.9vol%のCrからなる第1の耐弧成分と、0.1〜3vol%でCrと合わせた総量が40vol%以下のW、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属からなる第2の耐弧成分で構成されており、第1の耐弧成分の大部分または全てが前記Cuのマトリックス中に粒子状に存在し、W、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子が第1の耐弧成分のCr粒子より平均粒径が細かく、Cr粒子間に配置され、かつCuマトリックス中に微細分散していることを特徴とする。
【0009】
この組成により、接点材料の基本的な特性である導電性はCuが担い、その導電性を大きく損なわない程度に、アークの拡散性に優れたCrが複合化され、大電流通電特性と大電流遮断特性とを兼備している。さらにCrの粒子間にW、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属の微粒子を分散させることで、平均粒子間距離を低減し、投入アークによる溶着部での絶縁破壊すなわち再点弧特性を改善している。
【0010】
また本発明に係る真空バルブ用接点材料は、上述の真空バルブ用接点材料において、接点表面から内部に向かって少なくとも100μmの領域において、W、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子の一部またはすべての粒子の表面がCrにより包含されていることを特徴とする。
【0011】
このように、遮断特性面で悪影響を及ぼすW、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子をCrで覆うことにより、遮断特性は低下せず、むしろ向上する。
【0012】
また、このような接点材料を得るための、本発明に係る真空バルブ用接点材料の製造方法は、平均粒径が20〜200μmの粒子状Crおよび粒子状Cuと平均粒径が5μm以下のW、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子を混合して混合粒子を圧粉成形し、真空または還元性雰囲気中においてこの圧粉成形体の周囲を酸化物粒子で充填した状態でCuの融点以上の温度で保持してCu粒子を溶融し、生成するCu液相中に溶解するCrをW、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子上に晶出させることにより真空バルブ用接点材料を製造することを特徴とする。
【0013】
CrはCu液相への溶解度を有し、一旦溶解したCrは、W、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子上に晶出し、W、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子を包含した複合粒子を形成する。従って、Cuの融点以上の温度で熱処理することにより、上記反応を促進することができるが、Cuマトリックスの溶融時に成形体の形状を維持するには、成形体の周囲を酸化物で充填する必要がある。
【0014】
また、上述の接点材料を得るための、本発明に係る真空バルブ用接点材料の製造方法は、平均粒径が20〜200μmの粒子状Crおよび粒子状Cuと平均粒径が5μm以下のW、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子を混合して混合粒子を圧粉成形し、真空または還元性雰囲気中においてこの圧粉成形体の周囲を酸化物粒子で充填した状態で、900℃以上でかつCuの融点以下の温度において保持して焼結し、この焼結体を加工して得た接点の表面に表面温度がCuの融点以上に達するエネルギーを照射することによりCuマトリックスを溶融し、生成するCu液相中に溶解するCrをW、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子上に晶出させることにより真空バルブ用接点材料を製造することを特徴とする。
【0015】
この方法では、接点全体において、CrをW等の粒子上に晶出させてW等の粒子を包含したCr/W複合粒子等を形成させることは困難であるが、耐電圧性能は接点表面から1mm程度の部分のCrまたはCr/W複合粒子等の平均粒子間距離を低減することにより改善できるので、同様の効果が得られる。
【0016】
また、本発明に係る真空バルブは、上述の真空バルブ用接点材料から成る接点を備えたことを特徴とする。
【0017】
上述の真空バルブ用接点材料から成る接点を備えたことにより、優れた遮断特性、通電特性および耐電圧特性を兼備した真空バルブを得ることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
発明者らは、接点材料のCuマトリックス中のCrの平均粒子間距離を低減することが真空遮断器の投入時に発生するアークによる接点の溶着部を引きはずした後の絶縁破壊電圧の向上に有効であるとの知見を得た。
【0019】
この知見に基づき、Cu−Cr接点の第1の耐弧成分であるCrの粒子間に存在する第2の耐弧成分であるW、Mo、Ta、Nb等の微粒子をCuマトリックス中に微細分散させることにより上記課題を解決した。ここで、第2の耐弧成分であるW、Mo、Ta、Nb等の微粒子がCuマトリックス中に微細分散している状態とは、例えば、図1に示すように、第1の耐弧成分であるCrの粒子間隙のCuマトリックスに、第2の耐弧成分であるW、Mo、Ta、Nb等が細かく粒子状に分散している状態である。
【0020】
さらにこの知見に基づき、接点表面から内部に向かって少なくとも100μmの領域において、Cu−Cr接点の耐弧成分である第1の耐弧成分であるCrの粒子間に存在するW、Mo、Ta、Nb等の微粒子を核とし、その周囲をCrが覆っている複合粒子をCuマトリックス中に微細分散させることにより上記課題を解決した。
【0021】
さらに、このような複合粒子は例えばCu−Cr−Wを圧粉成形し、Cuの融点以上の温度で保持することにより、Cu液相中に溶解したCrをW微粒子上に晶出させることで実現できることを見出した。
【0022】
以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。
【0023】
[供試真空バルブの構成]
(真空バルブの構成)
図2は、本発明の一実施形態に係る真空バルブの断面図、図3は図2に示す真空バルブの電極部分の拡大断面図である。
【0024】
図2において、遮断室1は、絶縁材料によりほぼ円筒状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とで真空気密に構成されている。
【0025】
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、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。またこの電極8の電極棒6には、ベローズ9が取付けられ遮断室1内を真空気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。また、このベローズ9上部には金属製のアークシールド10が設けられ、ベローズ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。
【0026】
さらに、電極8は、図3に拡大して示す如く、導電棒6にろう付け部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にろう付け層14によってろう付けで取付けられる。なお、接点13bは、電極7にろう付けにより取付けられる。
【0027】
[接点材料の製造方法]
まず、これらの接点の製造工程について説明する。製造工程は、例として第2の耐弧成分がWの場合について示しているが、W以外の他の成分についても同様である。以下に2通りの製造工程を示す。
【0028】
(1)第1の製造工程
はじめに所定粒径のCu、Cr、およびWの所定量を混合する。次に、この混合粉末を所定の成形圧にて加圧成形して粉末成形体を得る。ついで、この粉末成形体を所定温度で所定時間、例えば1200℃、8時間の条件にて1×10-1Paより高真空中で熱処理する。さらに、この処理温度からの冷却時に所定の温度にて所定の時間保持し、接点素材を得る。この接点素材を加工し、上記真空バルブに組み込む。後述するが、混合工程における混合比率および混合の手順、成形工程における成形圧力、熱処理工程でのセッティング、熱処理温度、熱処理時間は実施例または比較例毎に異なり、以下の標準条件から特定の製造パラメータのみを変えた場合について調べた。
(接点材料の標準の製造条件)
原料粉末平均粒径:
Cu…50μm
Cr…100μm
W …1μm
混合工程:
第1段階…Wの全量と、これと同量のCuの混合
第2段階…上記段階で得られた混合粉末と、この混合粉末と同量のCuとの混合
第3段階…同様に上記段階で得られた混合粉末と、この混合粉末と同量のCuとの混合
第4段階…上記段階で得られた混合粉末と、残りのCu粉末との混合
第5段階…上記段階で得られた混合粉末と、Cr粉末との混合
成形工程:
成形圧力…700MPa
第1の熱処理工程:
セッティング:カーボンるつぼにアルミナ粉末を敷き、アルミナ粉末の上に成形体を載せた後、るつぼ内にアルミナを充填する。カーボンるつぼの深さは、アルミナ粉末充填後に、成形体上面がアルミナ粉末表面に出ないように選定する。
【0029】
熱処理温度:1200℃
熱処理時間:0.5時間
第2の熱処理工程:
熱処理温度 :600℃
(2)第2の製造工程
はじめに所定粒径のCu、Cr、およびWの所定量を混合する。次に、この混合粉末を所定の成形圧にて加圧成形して粉末成形体を得る。ついで、この粉末成形体を所定温度で所定時間、例えば1200℃、8時間の条件にて1×10-1Paより高真空中で熱処理する。さらに、この処理温度からの冷却時に所定の温度にて所定の時間保持し、接点素材を得る。この接点素材を加工し、前述の真空バルブに組み込む。この真空バルブに、1kAのアーク放電を50回印加し、接点表面を溶融する。
【0030】
[評価方法および評価条件]
次に、本発明の各実施例及び比較例を説明するデータを得た評価方法、および評価条件について説明する。
【0031】
(材料の健全性評価)
熱処理後の素材を下記のとおりに調べた。
(1)外観形状
目視にて、熱処理時の形状の変形について調べた。
(2)相対密度
アルキメデス法により密度を測定して組成比から真密度を求めて相対密度に換算した。結果は、実施例1の値を1.00として相対比較し、0.95以上を合格とした。
(3)第2の耐弧成分の分散状態
光学顕微鏡にて分散状態を調べた。
【0032】
(電気特性評価方法)
電気的特性評価は、製作した接点を所定の真空バルブに組み込み行った。
(1)大電流遮断特性
遮断試験をJEC規格の5号試験により行い、これにより遮断特性を評価した。(2)通電特性
通電電流1000Aで、真空バルブの温度が一定となるまで通電を行い、その温度上昇値により評価した。図10〜図12に通電特性として、実施例1の温度上昇値を1.0とした場合の相対値を示し、この相対値が1.2以下のものを合格とした。
(3)絶縁耐圧特性
進み小電流試験における再点弧発生確率にて評価した。電流は500Aであり、回復電圧は12.5kVである。試験回数は2000回である。実施例1の再点弧発生確率を1.0とした場合の相対値を示し、この相対値が2.0以下のものを合格とした。
【0033】
[実施例]
次に、図4〜図6の各接点の材料組成、図7〜図9の各接点の製造方法、およびこれらに対応する図10〜図12の電気的特性データを参照しながら考察する。まず第1の製造工程で製造した接点材料について説明する。
【0034】
(実施例1〜3および比較例1、2)
第2の耐弧成分であるWの添加量を0.1vol%で一定とし、導電成分であるCuと第1の耐弧成分であるCrの体積比率を55:44.9〜95:4.9の範囲で替えて特性を調べた。Cuの体積比率が60〜90vol%の範囲にある実施例1〜3では、健全な材料が得られかつ電気的特性も全て満足している。しかし、Cuの体積比率が55vol%の比較例1では、十分な遮断性能が得られず、通電性能も不十分である。一方、Cuの体積比率が95vol%の比較例2ではCrの添加量が少なくなるため、アークの拡散性が十分でなく、遮断性能が不合格である。
【0035】
(実施例4〜6および比較例3、4)
導電成分であるCuと第1の耐弧成分であるCrの体積比率を75:20〜75:24.95で概ね一定とし、W添加量を0.05〜5vol%の範囲で替えて特性を調べた。W添加量が0.1〜3vol%の範囲にある実施例4〜6では、健全な材料が得られかつ電気的特性も全て満足している。しかし、W添加量が0.05vol%の比較例3では、耐電圧性能を満足していない。一方、Cuの体積比率が95vol%の比較例4ではCrの添加量が少なくなるため、アークの拡散性が十分でなく、遮断性能が不合格である。
【0036】
(実施例7、8および比較例5)
第2の耐弧成分であるWの添加量を3vol%で一定とし、導電成分であるCuと第1の耐弧成分であるCrの体積比率を67:30〜57.1:39.9の範囲で替えて特性を調べた。Cuの体積比率が60〜90vol%の範囲にありかつ耐弧成分の合計量が40vol%以下である実施例7および実施例8では、健全な材料が得られかつ電気的特性も全て満足している。しかし、耐弧成分の総量が42.9vol%の比較例5では、十分な通電性能が得られていない。
【0037】
(実施例9、10および比較例6〜9)
第2の耐弧成分であるWの原料粉末の平均粒径を1μmで一定とし、導電成分であるCuと第1の耐弧成分であるCrの原料粉末の平均粒径をそれぞれ変化させて特性を調べた。CuおよびCrの平均粒径がいずれも20〜200μmの範囲にある実施例9および実施例10では、健全な材料が得られかつ電気的特性も全て満足している。しかし、Cuの平均粒径が10μmの比較例6、Crの平均粒径が10μmの比較例7では、粒子表面のガスの影響で十分な遮断性能が得られていない。一方、Cuの平均粒径が300μmの比較例8では、組織の不均質が生じ、遮断性能が不十分である。また、Crの平均粒径が300μmの比較例9では、局所的なCr−rich部の影響で、遮断性能が不合格となる。
【0038】
このように、粒子状Crおよび粒子状Cuの平均粒径が20〜200μmであることが好ましい。主原料であるCuおよびCrの粒径を必要以上に細かくすると、表面積が増大し、ガス含有量が大きくなるため、結果として遮断特性が劣化する。しかしながら、耐電圧特性を高めるためには平均自由工程を小さくする必要があり、これらの主原料は適切な粒径とすべきである。
【0039】
(実施例11、12および比較例10)
導電成分であるCuと第1の耐弧成分であるCrの原料粉末の平均粒径をそれぞれ50μmおよび100μmで一定とし、第2の耐弧成分であるWの原料粉末の平均粒径を1〜10μmの範囲で変化させて特性を調べた。Wの平均粒径がいずれも5μm以下である実施例11および実施例12では、健全な材料が得られかつ電気的特性も全て満足している。しかし、Wの平均粒径が10μmの比較例10では、Cr粒子およびCr/W複合粒子の平均粒子間距離が十分低減されておらず、このため耐電圧性能を満足していない。
【0040】
このように、第2の耐弧成分であるWの平均粒径は5μm以下であることが好ましい。すなわち、第2の耐弧成分は、平均粒径がCrに比べて十分小さくないと添加による平均自由工程低減の効果が得られないので、上限の粒径が存在する。
【0041】
(実施例13および比較例11)
成形体をCるつぼにセッティングする際に成形体をるつぼ底面に敷いたアルミナの上に載せ、そのまま処理する場合と、標準条件のように、成形体がアルミナに包まれるように、るつぼ内にアルミナ粉末を充填する場合との差異について調べた。アルミナを充填した実施例13では、健全な材料が得られかつ電気的特性も全て満足している。しかし、アルミナを充填せずに熱処理した比較例11では、成形体に変形が見られ、かつ、相対密度が低い。本サンプルは、内部に欠陥を有する上、変形も大きいので、接点に加工することが不可能であったため、電気特性データは得られていない。
【0042】
(実施例14、15および比較例12、13)
第1の熱処理工程における保持温度を1000〜1300℃の範囲で変化させて調べた。熱処理温度が銅の融点以上で1250℃以下の範囲にある実施例14および実施例15はいずれも健全な材料が得られ、かつ電気的特性も全て満足している。しかしながら、Cuの融点以下の1000℃で処理した比較例12では、Wが再発弧のトリガーとなることや、相対密度が低く、ガス放出が起こることなどの原因で遮断性能が不合格となっている。一方、処理温度が1300℃の比較例13では、Crの過度な溶解により、凝固時に成形体内部に空隙が生じ、相対密度が低くなっているため、遮断特性が不合格となった。
【0043】
このように、第1の熱処理工程における保持温度、すなわちCuを溶融する温度は1250℃以下であることが好ましい。CrのCu液相への溶解度は温度が高くなる程大きくなり、Crを容易にW粒子上に移動させ易くなるが、一方Crを多量に含む液相は、凝固時に引け巣状の欠陥を生成しやすくなるため、欠陥の少ない健全な素材を得るには、第1段階の熱処理温度を欠陥が生じない上限の温度に制御する必要がある。
【0044】
(実施例16、17および比較例14、15)
第1の熱処理工程における保持時間を0.17〜5時間の範囲で変化させて調べた。保持時間が0.25〜2時間の範囲にある実施例16および実施例17はいずれも健全な材料が得られかつ電気的特性も全て満足している。しかしながら、保持時間が0.17時間の比較例14では、Crの溶解が不十分なためWが再発弧のトリガーとなることや、相対密度が低く、ガス放出が起こることなどの原因で遮断性能が不合格となっている。一方、保持時間が5時間の比較例15では、アルミナとの反応で成形体に空隙が生じ、相対密度が低くなっているため、遮断特性が不合格となった。
【0045】
このように、第1の熱処理工程における保持時間、すなわちCuの融点以上で保持する時間は0.25〜2時間であることが好ましい。熱処理時間は、CrがCu液相に溶解するのに十分な時間が必要であるが、保持時間が長いと、反応性の高いCrを溶解したCu液相が成形体を充填する酸化物と反応するため、初期の成形体の形状を維持するのが困難となる。従って、液相が生成する保持時間も適切な時間の範囲としなければならない。
【0046】
(実施例18、19および比較例16)
成形工程での成形圧力を200〜700MPaの範囲で変化させて調べた。成形圧力が300MPa以上の実施例18および実施例19では、いずれも健全な材料が得られ、かつ電気的特性も全て満足している。しかしながら、成形圧力が200MPaの比較例16では、成形体内部の空隙がCu粒子の溶融によって欠陥化し、相対密度が低くなってしまったため、遮断性能が不合格となっている。
【0047】
このように、混合粉末を圧粉成形する成形工程での成形圧力は300NPa以上であることが好ましい。すなわち、凝固時に生成される欠陥は、圧粉成形体の密度が低く、内蔵する欠陥が多いほど容易に形成されてしまうため、成形圧力を加減の圧力以上とし、成形体の密度を十分に上げて置く必要がある。
【0048】
(実施例20、21および比較例17)
混合工程での混合手順を前述の標準条件で行った実施例21と、Cu粒子の全量とW粒子の全量を混合した混合粉末にCr粒子の全量を混合した実施例20、およびCu粒子、Cr粒子、W粒子の全量を一度に混合した比較例17を調べた。Wが凝集せず均質に分散した実施例21、およびWが若干凝集しているものの平均自由行程が十分低減されている実施例20は、いずれも良好な電気特性を示しているが、W粒子が著しく凝集し、平均自由行程が十分低減されていない比較例17では、耐電圧特性が満足できない。
【0049】
このように、粉末を混合する際にCu粉末に第2の耐弧成分であるW粉末を混合し、この混合粉末にCr粉末を混合することが好ましい。すなわち、第2の耐弧成分は、第1の耐弧成分の粒子間のCuマトリックスに均一分散させる必要がある。このため、混合は、第1段階としてマトリックスを形成するCu粒子と、マトリックス中に分散させるW粒子をまず混合し、この混合粉にCr粒子を混ぜる手順とするのが効果的である。
【0050】
更に、Cu粉末と第2の耐弧成分であるW粉末を混合する際に、まず第1段階として、W金属粉末と同量のCu粉末を混合し、次に第2段階としてこの混合粉末と同量のCu粉末をさらに加えて混合し、この第2段階の動作を数回繰り返すことが好ましい。すなわち、Cu粒子はマトリックスの原料であるため、マトリックスに微細分散するWに比べ、混合時の体積率が大きく異なる。従って、全量を一度に混ぜるとW粒子が凝集する可能性が高い。W粒子はその全量を、まず同量のCu粒子と混合し、その混合粉末と同量のCu粒子とさらに混ぜてゆけば、このような凝集を防止することが可能である。
【0051】
(実施例22、23および比較例18、19)
第2の熱処理工程での保持温度を300〜800℃で変化させて調べた。保持温度が400〜600℃の範囲にある実施例22および実施例23では過飽和に固溶したCrが析出し、導電率が十分な値であるので、通電特性が満足されているが、保持温度が300℃の比較例18では、導電率が回復していないため通電特性が悪い。また、保持温度が800℃の比較例19では、800℃での固溶度が大きく、Crの析出が十分に進まないため、導電率が回復せず、同様に通電特性が満足できない。
【0052】
このように、第1の熱処理工程でCuの融点以上で保持後の第2の熱処理工程では、400〜600℃にて加熱保持することが好ましい。すなわち、第1の熱処理工程での保持後の冷却過程で、Cu液相に固溶していたCrの一部は過飽和固溶の状態でCuマトリックス中に存在し、材料の導電率を低減するが、400〜600℃での保持という第2の熱処理により、過飽和固溶CrがCuマトリックス中に析出するため、導電率は回復する。第2の熱処理温度は、Cuの拡散が活発でかつ固溶限が小さい温度域である必要性から適切な範囲が決められる。
【0053】
(実施例24、25および比較例20)
第2の熱処理工程での保持温度を600℃とし、保持時間を0.5〜2時間で変化させて調べた。保持時間が1時間以上である実施例24および実施例25では過飽和に固溶したCrが析出し、導電率が十分な値であるので、通電特性が満足されているが、保持時間が0.5時間の比較例20では、析出が不十分で導電率が回復していないため通電特性が悪い。
【0054】
このように、第2の熱処理工程での加熱保持は、1時間以上行うことが好ましい。すなわち、第2の熱処理工程におけるCr相の析出は、1時間程度必要であるのでこの程度時間の保持することが必要である。
【0055】
(実施例26〜30)
以上は第2の耐弧成分としてWを用いた場合であるが、Wの代わりにMoを用いた実施例26、Taを用いた実施例27、Nbを用いた実施例28、WとMoの両者を用いて試作した実施例29、WとTaの両者を用いて試作した実施例30のいずれも、同様に良好な結果が得られている。
【0056】
最後に、第2の製造工程によって製造した接点材料について説明する。
【0057】
(実施例31、32および比較例21、22)
製造時の焼結温度を800〜1100℃で変化させて調べた結果を示す。焼結温度を900℃以上でCuの融点以下の温度とした実施例31および実施例32はいずれも良好な電気的特性を示しているが、焼結温度が800℃の比較例21は材料の相対密度が低く、真空バルブ内へのガス放出が著しいため、耐電圧特性が不良である。一方、1100℃で焼結した比較例22は、焼結時に形状が変形してしまったため、密度が低く、電気特性評価は不能であった。
【0058】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、大電流通電特性および大電流遮断特性に優れたCu−Cr接点を第2の耐弧成分を添加することで改良し、第1の耐弧成分であるCrの粒子間に存在するW、Mo、Ta、Nb等の微粒子、またはこれらを核とし、その周囲をCrが覆っている複合粒子を、Cr粒子間のCuマトリックス中に微細分散させることにより、Crの平均粒子間距離を低減したので、真空遮断器の投入時に発生するアークによる接点の溶着部を引きはずした後の絶縁破壊電圧が向上できる。
【0059】
さらに、本発明では、例えばCu−Cr−Wを圧粉成形し、Cuの融点以上の温度で保持することにより、Cu液相中に溶解したCrをW微粒子上に晶出させることで、このような複合粒子を形成する方法を提供している。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態に係る真空バルブ用接点材料における第2の耐弧成分粒子の微細分散状態を説明するための図。
【図2】 本発明の一実施形態に係る真空バルブの断面図。
【図3】 図2に示す真空バルブの要部拡大断面図。
【図4】 本発明の実施例1〜10、及び比較例1〜9の接点材料の組成を示す表図。
【図5】 本発明の実施例11〜21、及び比較例10〜17の接点材料の組成を示す表図。
【図6】 本発明の実施例22〜32、及び比較例18〜22の接点材料の組成を示す表図。
【図7】 本発明の実施例1〜10、及び比較例1〜9の製造方法を示す表図。
【図8】 本発明の実施例11〜21、及び比較例10〜17の製造方法を示す表図。
【図9】 本発明の実施例22〜32、及び比較例18〜22の製造方法を示す表図。
【図10】本発明の実施例1〜10、及び比較例1〜9の評価結果を示す表図。
【図11】本発明の実施例11〜21、及び比較例10〜17の評価結果を示す表図。
【図12】本発明の実施例22〜32、及び比較例18〜22の評価結果を示す表図。
【符号の説明】
1…遮断室
2…絶縁容器
3a、3b…封止金具
4a、4b…蓋体
5、6…導電棒
7、8…電極
9…ベローズ
10、11…アークシールド
12…ろうづけ部
13a、13b…接点
14…ろうづけ層
Claims (9)
- 粒子状Crおよび粒子状Cuの平均粒径が20〜200μmの粒子と、W、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子の平均粒径が5μm以下の粒子から製造された接点材料であって、
60〜90vol%のCuからなる導電成分と、9.9〜39.9vol%のCrからなる第1の耐弧成分と、0.1〜3vol%でCrと合わせた総量が40vol%以下のW、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属からなる第2の耐弧成分で構成されており、前記第1の耐弧成分の大部分または全てが前記Cuのマトリックス中に粒子状に存在し、前記W、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子が第1の耐弧成分のCr粒子より平均粒径が細かく、前記Cr粒子間に配置され、かつCuマトリックス中に微細分散していることを特徴とする真空バルブ用接点材料。 - 接点表面から内部に向かって少なくとも100μmの領域において、前記W、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子の一部またはすべての粒子の表面がCrにより包含されていることを特徴とする請求項1に記載の真空バルブ用接点材料。
- 平均粒径が20〜200μmの粒子状Crおよび粒子状Cuと前記平均粒径が5μm以下のW、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子を混合して混合粒子を圧粉成形し、真空または還元性雰囲気中においてこの圧粉成形体の周囲を酸化物粒子で充填した状態でCuの融点以上の温度で保持してCu粒子を溶融し、生成するCu液相中に溶解するCrを前記W、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子上に晶出させることにより、請求項2に記載の真空バルブ用接点材料を製造することを特徴とする真空バルブ用接点材料の製造方法。
- Cuを溶融する温度が1250℃以下であることを特徴とする請求項3に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
- Cuの融点以上で保持する時間が0.25〜2時間であることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
- 粒子を混合する際に、Cu粒子に前記W、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子を混合し、この混合粒子にCr粒子を混合することを特徴とする請求項3乃至請求項5のいずれか1項に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
- Cu粒子と前記W、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子を混合する際に、まず第1段階として、W、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子と同量のCu粒子を混合し、次に第2段階としてこの混合粒子と同量のCu粒子をさらに加えて混合し、この第2段階の動作を1回以上繰り返すことを特徴とする請求項6に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
- 平均粒径が20〜200μmの粒子状Crおよび粒子状Cuと前記平均粒径が5μm以下のW、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子を混合して混合粒子を圧粉成形し、真空または還元性雰囲気中においてこの圧粉成形体の周囲を酸化物粒子で充填した状態で、900℃以上でかつCuの融点以下の温度において保持して焼結し、この焼結体を加工して得た接点の表面に表面温度がCuの融点以上に達するエネルギーを照射することによりCuマトリックスを溶融し、生成するCu液相中に溶解するCrをW、Mo、Ta、Nbのいずれか一つまたはその組み合わせの金属粒子上に晶出させることにより請求項2記載の真空バルブ用接点材料を製造することを特徴とする真空バルブ用接点材料の製造方法。
- 請求項1または請求項2に記載の真空バルブ用接点材料から成る接点を備えたことを特徴とする真空バルブ。
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