JP5428747B2 - 真空バルブ用接点の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、大電流を遮断のため電力機器に接続される真空遮断器に用いられる真空バルブ用接点の製造方法に関するものである。

従来の真空バルブの接点材料としては、高融点金属の多孔質体に低融点金属の銅などを溶解して染みこませた溶浸型の複合金属材料で構成された接点材料がある。複合金属材料としては、銅−モリブデン−ニオブや、銀−タングステンカーバイト、銅−タングステン等の複合金属材料がある。このような溶浸型の接点材料は、次のような製造方法で製造されている。

高融点金属であるモリブデン粉末およびニオブ粉末に少量の銅粉末を加えた混合粉末を作製し、これをプレス成形により例えば円板状の成形体を作製する。この成形体を原料の混合粉末が粉末の形状を保つ程度に焼結する温度（約１０００℃）に加熱し、仮焼結体とする。この仮焼結体は、ほとんどが高融点金属であるモリブデン−ニオブから構成される多孔質状態となる。この後、仮焼結体の上に無酸素銅の塊を載せ、非酸化雰囲気中で銅の融点以上の温度で無酸素銅を溶解して、多孔質な仮焼結体に含浸させることにより、接点材料が作製されている（例えば、特許文献１参照）。こうして得られた接点材料は、所定の接点形状に機械加工された後、電極棒がろう付け接合されて真空バルブの接点材料として使用される

特開昭６１−１０７６１９号公報（３頁）

従来の溶浸型の接点材料の製造方法において、仮焼結体に含浸される溶融した銅溶湯は、仮焼結体中に残留する気孔に対する毛細管現象によって仮焼結体全体の気孔部分に溶浸される。したがって、仮焼結体の気孔サイズには、適正なサイズが存在し、気孔が大きすぎると含浸速度が低下することになる。

近年、真空遮断器の大型化に伴って大型の接点材料が製造されるようになったが、直径が４０ｍｍ程度以上の大型の接点材料においては、このような接点材料を用いた真空遮断器の遮断性能に大きなばらつきが発生するという問題が顕著になっていた。我々は、大型の接点材料の遮断性能の大きなばらつきの原因を調査したところ、接点材料内部に銅が溶浸せずに空洞状態の気孔が残存し、この空洞状態の気孔からの脱ガスによって接点材料の遮断性能の大きなばらつきが発生することを突き止めた。

通常、直径が２０ｍｍ程度の接点材料であれば、プレス成形された成形体の内部残留する気孔サイズは成形体の全体で大きな違いは生じない。しかしながら、直径が４０ｍｍ程度以上の接点材料においては、プレス成形時に成形体の外周部と中央部とでは圧力の掛かり方に差が生ずるため、成形体の内部に生成される気孔サイズが外周部と中央部とで異なる状態が発生していた。成形体の上下面や外周部には圧力が強く掛かるため、その領域に生成される気孔のサイズは小さくなるが、中央部には圧力が掛かりにくいため、その領域に生成される気孔のサイズは大きくなる。その結果、成形体の内部に気孔サイズの分布が発生していた。

この成形体を焼結して仮焼結体とした場合においても、仮焼結体内に同様な気孔サイズの分布が残留する。毛細管現象による含浸速度は気孔サイズが小さいほど大きいため、仮焼結体に銅を含浸させる場合には仮焼結体の上下面や外周部の気孔サイズの小さい領域に早く銅が含浸され、気孔サイズの大きい中央部の含浸が遅くなり、中央部の気孔からガスが抜けにくくなり、気孔が空洞のままとなり緻密な接点材料が得られない場合が生じていた。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、接点材料内部に銅が溶浸せずに空洞状の気孔が残存することを抑制し、遮断性能のばらつきのない安定した真空バルブ用接点材料が得られる製造方法を提供するものである。

この発明に係る真空バルブ用接点材料の製造方法は、融点が１８００℃以上の高融点金属材料を含む金属粉末をプレス成形して平板状の成形体を形成するプレス工程と、成形体の一方の面にガス抜き孔を形成する穿孔工程と、成形体を加熱して多孔質の仮焼結体を形成する焼結工程と、仮焼結体の一方の面と対向する面に融点が１１００℃以下の低融点金属材料を載置する載置工程と、低融点金属材料および仮焼結体を加熱して低融点金属材料を仮焼結体に溶融含浸させる含浸工程とを備えたものである。

なお、別の真空バルブ用接点材料の製造方法は、融点が１８００℃以上の高融点金属材料を含む金属粉末をプレス成形して平板状の成形体を形成するプレス工程と、成形体を加熱して多孔質の仮焼結体を形成する焼結工程と、仮焼結体の一方の面にガス抜き孔を形成する穿孔工程と、仮焼結体の一方の面と対向する面に融点が１１００℃以下の低融点金属材料を載置する載置工程と、低融点金属材料および仮焼結体を加熱して低融点金属材料を仮焼結体に溶融含浸させる含浸工程とを備えたものである。

この発明に係る真空バルブ用接点材料の製造方法においては、仮焼結体の一方の面にガス抜き孔が形成されているので、低融点金属材料および仮焼結体を加熱して低融点金属材料を仮焼結体に溶融含浸させる含浸工程において、ガス抜き孔が気孔サイズの大きい中央部からのガス抜け経路となって低融点材料の含浸を促進させることができる。その結果、気孔サイズの分布に依存せずに仮焼結体全体への低融点材料の溶浸が可能となり空洞状の気孔が残存することを抑制し、遮断性能のばらつきのない安定した真空バルブ用接点材料が得られるものである。

この発明の実施の形態１の真空バルブ用接点材料の製造方法の模式図である。 この発明の実施の形態２の真空バルブ用接点材料の模式図である。 この発明の実施の形態２の真空バルブ用接点材料の模式図である。 この発明の実施の形態２の真空バルブ用接点材料の模式図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における真空バルブ用接点材料の製造方法を示した工程図である。平均粒径約φ３μｍのモリブデン粉末と平均粒径約φ４０μｍのニオブ粉末と平均粒径約φ４０μｍの銅粉末とを重量比７５．７：７．８：１６．５となるように混合した。ここで、粉末の平均粒径は、粉末の比表面積から換算される平均粒径である。この混合粉末を、例えばボールミルなどを用いて２時間均一に混合する。この均一混合粉末を所定の金型に充填し、２ｔ／ｃｍ^２の荷重でプレス成形を行い、図１（ａ）に示したような直径約φ５０ｍｍ、厚さ約１５ｍｍのディスク状の成形体１を作製する。このとき、図１（ａ）に示したように、成形体１にはプレス成形時の圧力分布により、上下面や外周部には気孔サイズの小さい高密度部２が生じ、中央部には気孔サイズの大きい低密度部３が生じる。次に、この成形体１の下面の中心よりも外周側約２０ｍｍの位置２箇所に、機械加工により直径約φ１０ｍｍ、深さ約５ｍｍのガス抜き孔４を穿孔する。このガス抜き孔４は、下面の高密度部２を除去して低密度部３を露出させるためのものである。次に、この成形体１を水素雰囲気中において１０００℃で仮焼結し、図１（ｃ）に示したような高融点金属を主体とした多孔質性状を有する仮焼結体５を得る。この仮焼結体５においても、成形体１のプレス成形時に生じた高密度部２と低密度部３が持ち越される。次に、図１（ｄ）に示したように、仮焼結体５の上面に、例えば高純度無酸素銅の溶浸材６を載置する。最後に、接点材料の酸化を防ぐために水素雰囲気中において、溶浸材６の融点以上の温度である約１１００℃に加熱して溶浸材５を溶融させて仮焼結体５に含浸させ、図１（ｅ）に示したように、高融点多孔質体の仮焼結体に銅が均一に含浸した接点材料７を作製する。

このようにして作製した真空バルブ用接点材料においては、仮焼結体５にガス抜き孔４が形成されているので、仮焼結体５の中央部の低密度部３からガス抜き孔４を経由したガス抜き経路が形成されるため、溶浸材６が溶融した液状の銅の低密度部３への含浸速度が速くなり、高密度部２への含浸速度との差が小さくなる。その結果、仮焼結体５の中央部の気孔サイズの大きい中央部にも溶浸材が含浸するので、空洞状態の気孔の残留を抑制して緻密な接点材料が得られる。

比較のために、ガス抜き孔を形成せずに接点材料を作製し、上述のようにガス抜き孔を形成して作製した接点材料と中央部の空孔率を比較した。ここで、空孔率は、接点材料の中央部を１×１ｍｍのサイズに加工し、真比重と嵩密度とから算出したものである。この空孔率は、プレス成形で作製された成形体の中央部の気孔に仮焼結体の作製時に溶浸材が含浸せずに空隙として残留した気孔の多寡を表すものである。その結果、ガス抜き孔を形成していない接点材料では空孔率が１０％であったが、ガス抜き孔を形成した接点材料では空孔率は２％であった。

ガス抜き孔が形成されていない場合、溶浸材は仮焼結体中の上下面および外周に存在する高密度部に優先的に含浸される。その結果、中央部からのガス抜け経路がなくなり中央部の気孔からのガス抜けが困難となるので、溶浸材が中央部の気孔に充填されず、未溶浸部が生じる。これを防ぐために、仮焼結体全体に溶浸材が均質に含浸されるように仮焼結体全体の気孔サイズの分布を均質にすることが考えられるが、全ての材料系や原料系、異なるカリ焼結体サイズにおいて均質性を確保することは困難である。

本実施の形態のようにガス抜き孔を形成することにより、仮焼結体の気孔サイズの分布が存在する場合でも緻密な接点材料が得られることがわかった。

この接点材料を直径約φ４５ｍｍ、厚さ約１０ｍｍの真空バルブ用接点に加工し、この接点を用いた真空遮断器の遮断性能を測定したところ、耐電圧特性に優れ、遮断性能のばらつきのない安定した真空バルブ用接点材料が得られることがわかった。

なお、本実施の形態において、仮焼結や含浸工程はアルミナ製あるいはカーボン製の容器中で行われる場合が多いが、上述の説明や図においては、容器は省略して記述している。

また、高密度部を除去して低密度部を露出させるためのガス抜き孔の位置、深さ、配置などは、高密度部や低密度部の形成状態が原料種やプレス形成条件によって異なるため、実際の製造方法に基づく先行試作を行い、含浸状態を評価して除去すべき成形体の高密度部や低密度部の形成状態によって決定することが有効である。

また、本実施の形態においては、ガス抜き孔を仮焼結体とする前の成形体に形成していたが、仮焼結を行った後の仮焼結体に形成してもよい。ただし、仮焼結体は成形体に比べて硬度が高くなるので、機械加工の容易性から仮焼結体に形成する方が好ましい場合がある。

また、本実施の形態においては、溶浸材を仮焼結体の上面に載置したが、仮焼結体の下側、上下両側、側面等、その配置にとくに制限はなく、いずれの配置でも可能である。ただし、溶浸材の溶浸時にガス抜き孔が溶解した溶浸材で塞がれないように、ガス抜き孔を形成する位置は、溶浸材が配置される面の対向する面など、適宜設定する必要がある。

また、本実施の形態においては、高融点金属材料としてモリブデンとニオブを用いたが、それ以外に、クロムやタングステンなどを用いることができる。なお、成形体の原料粉末として、モリブデン粉末およびニオブ粉末にさらに銅粉末を混合しているが、この銅粉末は高融点金属の結着剤として混合しているものであり、高融点金属の性質等を変えるものではない。

また、本実施の形態においては、溶浸材の低融点金属材料として銅を用いたが、銅の替わりに銀を用いてもよい。

さらには、本実施の形態においては、平板状の成形体として直径約φ５０ｍｍ、厚さ約１５ｍｍのディスク状の成形体を形成したが、ディスク状の形状である必要はなく、平板状の四角形や多角形でもよい。接点材料作製後に、所定の真空バルブ用の接点材料として機械加工できればよい。

実施の形態２．
実施の形態２は、ガス抜き孔の形成位置を変化させたものである。図２〜４は、本実施の形態における真空バルブ用接点材料のガス抜き孔の位置を示した模式図である。

図２に示すように、ガス抜き孔４を仮焼結体５の中央に１箇所形成した接点材料（実施例１）、図３に示すように、ガス抜き孔４を仮焼結体５の中心と端部との距離（ｒ）の１／３（１／３ｒ）の位置に４箇所形成した接点材料（実施例２）、および図４に示すように、ガス抜き孔４を仮焼結体５の中心と端部との距離（ｒ）の１／２（１／２ｒ）の位置に４箇所形成した接点材料（実施例３）を作製した。ガス抜き孔４のサイズは、直径約φ１０ｍｍ、深さ約５ｍｍで統一した。
本実施の形態の接点材料は、ガス抜き孔の形成位置以外は実施の形態１と同様な方法で作製した。仮焼結体のサイズは、直径約φ５０ｍｍ、厚さ約１５ｍｍである。

このようにして作製した接点材料の空孔率を測定した。空孔率の測定方法は実施の形態１と同様である。実施例１、実施例２および実施例３の接点材料の空孔率は、それぞれ８％、３％および２％であった。このことから、ガス抜き孔は複数が好ましい。また、仮焼結体の一方の面の中心とガス抜き孔の位置との距離が、中心と一方の面の端部との距離の１／３以上１／２以下であることが好ましい。

実施の形態３．
実施の形態３は、ガス抜き孔の深さを変化させたものである。ガス抜き孔の位置は、実施の形態２の図４に示したように、仮焼結体の中心と端部との距離の１／２の位置の４箇所とした。仮焼結体のサイズは、直径約φ５０ｍｍ、厚さ約１５ｍｍである。

ガス抜き孔の直径は約φ１０ｍｍとし、深さを１ｍｍ（実施例４）、２ｍｍ（実施例５）、４ｍｍ（実施例６）および１０ｍｍ（実施例７）とした４種類とした。本実施の形態の接点材料は、ガス抜き孔の深さ以外は実施の形態１と同様な方法で作製した。

このようにして作製した接点材料の空孔率を測定した。空孔率の測定方法は実施の形態１と同様である。実施例４、実施例５、実施例６および実施例７の接点材料の空孔率は、それぞれ４％、１．２％、１％および１％であった。このことから、ガス抜き孔の深さは、仮焼結体の厚さの１／４以上であることが好ましい。ただし、ガス抜き孔の深さが仮焼結体の厚さの１／２で仮焼結体の中央部に形成された低密度部の中央まで到達するので、それ以下であることが好ましい。

１ 成形体
２ 高密度部
３ 低密度部
４ ガス抜き孔
５ 仮焼結体
６ 溶浸材
７ 接点材料

Claims (6)

1. 融点が１８００℃以上の高融点金属材料を含む金属粉末をプレス成形して平板状の成形体を形成するプレス工程と、
   前記成形体の一方の面にガス抜き孔を形成する穿孔工程と、
   前記成形体を加熱して多孔質の仮焼結体を形成する焼結工程と、
   前記仮焼結体の一方の面と対向する面に融点が１１００℃以下の低融点金属材料を載置する載置工程と、
   前記低融点金属材料および前記仮焼結体を加熱して前記低融点金属材料を前記仮焼結体に溶融含浸させる含浸工程と
   を有する真空バルブ用接点の製造方法。
2. 融点が１８００℃以上の高融点金属材料を含む金属粉末をプレス成形して平板状の成形体を形成するプレス工程と、
   前記成形体を加熱して多孔質の仮焼結体を形成する焼結工程と、
   前記仮焼結体の一方の面にガス抜き孔を形成する穿孔工程と、
   前記仮焼結体の一方の面と対向する面に融点が１１００℃以下の低融点金属材料を載置する載置工程と、
   前記低融点金属材料および前記仮焼結体を加熱して前記低融点金属材料を前記仮焼結体に溶融含浸させる含浸工程と
   を有する真空バルブ用接点の製造方法。
3. 前記仮焼結体の一方の面の中心と前記ガス抜き孔の位置との距離が、前記中心と前記一方の面の端部との距離の１／３以上１／２以下であることを特徴とする請求項１または２記載の真空バルブ用接点の製造方法。
4. 前記ガス抜き孔の深さが、前記平板状の成形体または前記仮焼結体の厚さの１／４以上１／２以下であることを特徴とする請求項１または２記載の真空バルブ用接点の製造方法。
5. 前記高融点金属材料は、クロム、モリブデン、タングステンおよびニオブからなる群の少なくともひとつの金属材料であることを特徴とする請求項１または２記載の真空バルブ用接点の製造方法。
6. 前記低融点金属材料は、銅または銀であることを特徴とする請求項１または２記載の真空バルブ用接点の製造方法。
   以上

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