JP5539265B2

JP5539265B2 - 接点材料、その製造方法及び真空バルブ

Info

Publication number: JP5539265B2
Application number: JP2011121945A
Authority: JP
Inventors: 貴之見持; 健荒木; 朗山田; 聡越智
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: JP2012248521A

Description

本発明は、接点材料、その製造方法及び真空バルブに関するものである。

遮断器、特に真空遮断器の大容量化、高耐圧化、小型化への要求が一段と厳しくなっており、真空遮断器に搭載されている真空バルブの性能向上が望まれている。真空バルブは、高真空に保たれた絶縁容器内で固定電極と可動電極が同軸対向配置されており、可動電極はベローズを介して操作機構部に接続され、軸方向に移動するようになっている。過負荷電流や短絡電流が発生した場合、電極を瞬時に開極することで電流を遮断する。このような真空バルブの固定電極と可動電極の接触部に使用されている接点材料には、主に、遮断性能、耐電圧性能、低溶着性能及び低サージ性能が要求されている。

これらの接点材料に対する要求特性は互いに相反する性質を要求するため、接点材料を単一の材料で製造することは困難であり、従来、二種以上の元素を組み合わせた材料により製造されている。低サージ性能に優れた接点材料として、溶浸法により製造されたＣｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料（例えば特許文献１）や、焼結法により製造されたＣｕ−Ｃｒ−Ｔｅ接点材料（例えば特許文献２）が知られている。

特開平３−１０８２２３号公報（特に請求項１）特開２００９−２５２５５０号公報（特に請求項１）

このような接点材料にあっては、溶浸法により製造されたＣｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料の場合、接点材料表面のＴｅが気化損失し、内部組織におけるＴｅの分散性が不均一になるという問題があった。また、焼結法により製造されたＣｕ−Ｃｒ−Ｔｅ接点材料の場合、含有されるＴｅ化合物の融点が高いため、低サージ性能に改善の余地があった。
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、内部組織におけるＴｅの分散性が均一であり且つ低サージ性能に優れた接点材料を得ることを目的としている。

本発明に係る接点材料は、Ｃｕを主体とした母材中に、ＷＣ粒子と、Ｃｕ_３Ｔｅ_２相の周囲をＣｕ_２Ｔｅ相が囲んだ相とが分散しており、且つ相対密度が理論密度の９０％以上であることを特徴とするものである。
本発明に係る接点材料の製造方法は、１μｍ以上１０μｍ以下の平均粒径を有するＣｕ粉末と、７５μｍ以上１５０μｍ以下の平均粒径を有するＷＣ粉末と、１μｍ以上５０μｍ以下の平均粒径を有するＴｅ粉末とを混合する工程と、得られた混合物を圧縮し、６００℃以上７００℃以下の温度で焼結する工程と、得られた焼結体を再度圧縮し、６００℃以上７００℃以下の温度で再焼結する工程とを有することを特徴とするものである。

本発明によれば、内部組織におけるＴｅの分散性が均一であり且つ低サージ性能に優れた接点材料及びその製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る接点材料を適用した真空バルブの一例を示す模式断面図である。本発明の実施の形態に係る接点材料の内部組織構造を示す模式断面図である。比較例１及び２で得られた接点材料の内部組織構造を示す模式断面図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による接点材料を適用した真空バルブの一例を示すも式断面図である。真空バルブ１は遮断室２を備えている。この遮断室２は、円筒状に形成された絶縁容器３とその両端に封止金具４ａ，４ｂにより固定された金属蓋５ａ、５ｂとで構成され、真空気密となっている。遮断室２内には、固定電極棒６と可動電極棒７とが対向するように取り付けられている。固定電極棒６及び可動電極棒７の端部には、固定電極８及び可動電極９がそれぞれロウ付により取り付けられ、それぞれの接触部には、固定接点１０及び可動接点１１がロウ付により取り付けられている。可動電極棒７には、ベローズ１２が取り付けられ、遮断室２の内部を真空気密に保持しながら可動電極９の軸方向の移動を可能にしている。ベローズ１２の上部には、金属製のベローズ用アークシールド１３が設けられ、ベローズ１２にアーク蒸気が付着することを防止している。また、固定電極８及び可動電極９を覆うように、遮断室２内に金属製の絶縁容器用アークシールド１４が設けられ、絶縁容器３がアーク蒸気で覆われることを防止している。

固定電極８及び可動電極９にそれぞれ取り付けられた固定接点１０及び可動接点１１には、本実施の形態による接点材料が使用されている。本実施の形態による接点材料は、Ｃｕを主体とした母材中に、ＷＣ粒子と、Ｃｕ_３Ｔｅ_２相の周囲をＣｕ_２Ｔｅ相が囲んだ相とが分散した組織構造を有している。図２は、本実施の形態による接点材料の内部組織構造を示す模式断面図である。図２に示されるように、Ｃｕを主体とした母材１５中に、ＷＣ粒子１６と、Ｃｕ_３Ｔｅ_２相１７の周囲をＣｕ_２Ｔｅ相１８が囲んだ相１９が分散している。また、原料に含まれる微量の不可避の不純物（Ａｇ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｐ、Ｏ、Ｎ、Ｈなど）も含有されている。本実施の形態による接点材料は、特許文献１による接点材料とは異なり、Ｃｕ_２Ｔｅより融点の低いＣｕ_３Ｔｅ_２相１７の周囲をＣｕ_２Ｔｅ相１８で囲んだ相１９を内部組織に分散させているので、低サージ性能が向上されている。
更に、本実施の形態による接点材料の相対密度は、理論密度の９０％以上とされており、好ましくは理論密度の９３％以上とされる。相対密度が理論密度の９０％以上であれば、内部の残留ガスが十分に少ないので、接点材料を真空バルブに適用した場合であっても遮断性能にばらつきを生じることがない。

このような内部組織構造及び相対密度を有する接点材料は、所定の平均粒径を有する原料粉末の混合物を圧縮し、６００℃以上７００℃以下の温度で焼結する工程、及び得られた焼結体を再度圧縮し、６００℃以上７００℃以下の温度で再焼結する工程を経て製造される。従来技術による焼結法では十分な相対密度を得られないが、本発明のような再圧縮及び再焼結工程を経ることで、電気特性に悪影響を与えない程度まで相対密度を向上させることができる。
なお、相対密度は下式により求められる。
相対密度（％）＝（接点材料の測定密度／組成分析値から求めた接点材料の理論密度）×１００

また、焼結法を適用しているため、溶浸法において問題となる接点材料表面側のＴｅの気化損失を解消することができ、Ｔｅの分散性の均一な接点材料を得ることができる。その結果、本実施の形態による接点材料を適用した真空バルブの電気特性のばらつきを抑制することができる。

原料粉末混合物の圧縮工程及び焼結体の圧縮工程のいずれにおいても成形圧力は、特に限定されるものではないが、６４０ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下であることが好ましい。

いずれの焼成工程においても焼結温度が６００℃未満の場合、焼結性が低下して接点材料自体が脆くなるため、適当でない。また、焼結温度が７００℃を超える場合、本実施の形態による接点材料に特有の組織構造であるＣｕ_３Ｔｅ_２相が得られないため、不適当である。

また、いずれの焼成工程においても焼結時間は、Ｃｕを主体とした母材中に、ＷＣ粒子と、Ｃｕ_３Ｔｅ_２相の周囲をＣｕ_２Ｔｅ相が囲んだ相とが分散するのに十分な条件であればよく、例えば４時間から１０時間程度が適当である。

本実施の形態による接点材料の製造に使用する原料粉末は、平均粒径が１μｍ以上１０μｍ以下の範囲のＣｕ粉末、平均粒径が７５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲のＷＣ粉末、及び平均粒径が１μｍ以上５０μｍ以下の範囲のＴｅ粉末である。Ｃｕ粉末の平均粒径が１μｍ未満の場合、成形性が低下するため、好ましくない。Ｃｕ粉末の平均粒径が１０μｍより大きい場合、接点材料内部の気孔が大きくなり、相対密度が低下するため、不適当である。また、ＷＣ粉末の平均粒径が７５μｍ未満の場合、ＷＣの比表面積が大きくなることで、ＷＣ粒子間のＣｕ量が少なくなり、成形性が低下するため、望ましくない。ＷＣ粉末の平均粒径が１５０μｍより大きい場合、接点材料内部の気孔が大きくなり、相対密度が低下するため、不適当である。また、Ｔｅ粉末の平均粒径が１μｍ未満の場合、低溶着性能が乏しくなるため、不適当である。Ｔｅ粉末の平均粒径が５０μｍより大きい場合、耐電圧性能のばらつきが大きくなり、不適当である。
更に、原料粉末混合物におけるＣｕ粉末の含有量は、４０質量％以上５０質量％以下であることが好ましく、ＷＣ粉末の含有量は、５０質量％以上６０質量％以下であることが好ましく、Ｔｅ粉末の含有量は、０．１質量％以上２質量％以下であることが好ましい。Ｃｕ粉末の含有量が、４０質量％未満である場合、遮断性能が低下することがあり好ましくない。Ｃｕ粉末の含有量が、５０質量％を超える場合、耐電圧性能が不十分となることがあり好ましくない。また、ＷＣ粉末の含有量が、５０質量％未満である場合、耐電圧性能が不十分となることがあり好ましくない。ＷＣ粉末の含有量が、６０質量％を超える場合、遮断性能が低下することがあり好ましくない。また、Ｔｅ粉末の含有量が、０．１質量％未満である場合、低溶着性能が乏しくなることがあり好ましくない。Ｔｅ粉末の含有量が、２質量％を超える場合、低溶着性能は向上するが、材料自体が脆くなることがあり、接点材料としては実用上不適当である。

本実施の形態による接点材料は、融点の低いＣｕ_３Ｔｅ_２相を有するため、優れた低サージ性能を実現し得るという効果がある。また、本実施の形態による接点材料の製造方法は、再圧縮及び再焼結の工程を含むため、Ｔｅの分散性が均一で、相対密度の高い接点材料を得ることができる。本実施の形態による接点材料を、真空遮断器等に搭載される真空バルブに適用した場合、電気特性ばらつきを抑えることができるという効果がある。

次に、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

〔実施例１〕
平均粒径が１μｍ以上２μｍ以下の範囲のＣｕ粉末を４４質量％と、平均粒径が１２５μｍのＷＣ粉末を５４質量％と、平均粒径が０．１μｍ以上０．５μｍ以下の範囲のＴｅ粉末を２質量％とを混合し、所定量を圧力８００ＭＰａで加圧成形した。次に、成形体を温度７００℃の水素雰囲気下で４時間焼結した。その後、焼結体を圧力８００ＭＰａで再圧縮し、温度７００℃の水素雰囲気下で４時間再焼結して、相対密度９５％のＣｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料を得た。接点材料の内部組織について顕微鏡観察を行った結果、Ｃｕを主体とした母材中に、ＷＣ粒子と、Ｃｕ_３Ｔｅ_２相の周囲をＣｕ_２Ｔｅ相が囲んだ相とが分散していることが確認された。

〔実施例２〕
成形体の焼結温度及び焼結体の再焼結温度を６００℃に変更した以外は実施例１と同様にして、Ｃｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料を得た。得られたＣｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料の相対密度は９４％であった。また、接点材料の内部組織について顕微鏡観察を行った結果、Ｃｕを主体とした母材中に、ＷＣ粒子と、Ｃｕ_３Ｔｅ_２相の周囲をＣｕ_２Ｔｅ相が囲んだ相とが分散していることが確認された。

〔実施例３〕
成形体の焼結温度を６００℃に変更した以外は実施例１と同様にして、Ｃｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料を得た。得られたＣｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料の相対密度は９５％であった。また、接点材料の内部組織について顕微鏡観察を行った結果、Ｃｕを主体とした母材中に、ＷＣ粒子と、Ｃｕ_３Ｔｅ_２相の周囲をＣｕ_２Ｔｅ相が囲んだ相とが分散していることが確認された。

〔実施例４〕
焼結体の再焼結温度を６００℃に変更した以外は実施例１と同様にして、Ｃｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料を得た。得られたＣｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料の相対密度は９５％であった。また、接点材料の内部組織について顕微鏡観察を行った結果、Ｃｕを主体とした母材中に、ＷＣ粒子と、Ｃｕ_３Ｔｅ_２相の周囲をＣｕ_２Ｔｅ相が囲んだ相とが分散していることが確認された。

〔実施例５〕
原料粉末として平均粒径が１５０μｍのＷＣ粉末を使用した以外は実施例１と同様にして、Ｃｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料を得た。得られたＣｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料の相対密度は９７％であった。また、接点材料の内部組織について顕微鏡観察を行った結果、Ｃｕを主体とした母材中に、ＷＣ粒子と、Ｃｕ_３Ｔｅ_２相の周囲をＣｕ_２Ｔｅ相が囲んだ相とが分散していることが確認された。

〔実施例６〕
原料粉末として平均粒径が７５μｍのＷＣ粉末を使用した以外は実施例１と同様にして、Ｃｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料を得た。得られたＣｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料の相対密度は９３％であった。また、接点材料の内部組織について顕微鏡観察を行った結果、Ｃｕを主体とした母材中に、ＷＣ粒子と、Ｃｕ_３Ｔｅ_２相の周囲をＣｕ_２Ｔｅ相が囲んだ相とが分散していることが確認された。

〔比較例１〕
成形体の焼結温度を９００℃に変更し、再圧縮工程及び再焼結工程を省略した以外は実施例１と同様にして、Ｃｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料を得た。得られたＣｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料の相対密度は８７％であった。また、接点材料の内部組織について顕微鏡観察を行った結果、図３に示すようなＣｕを主体とした母材１５中に、ＷＣ粒子１６と、Ｃｕ_２Ｔｅ相１８とが分散している組織となっており、Ｃｕ_３Ｔｅ_２相は形成されていないことが確認された。

〔比較例２〕
成形体の焼結温度及び焼結体の再焼結温度を９００℃に変更した以外は実施例１と同様にして、Ｃｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料を得た。得られたＣｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料の相対密度は９６％であった。また、接点材料の内部組織について顕微鏡観察を行った結果、図３に示すようなＣｕを主体とした母材１５中に、ＷＣ粒子１６と、Ｃｕ_２Ｔｅ相１８とが分散している組織となっており、Ｃｕ_３Ｔｅ_２相は形成されていないことが確認された。

〔比較例３〕
再圧縮工程及び再焼結工程を省略した以外は実施例１と同様にして、Ｃｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料を得た。得られたＣｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料の相対密度は８５％であった。また、接点材料の内部組織について顕微鏡観察を行った結果、Ｃｕを主体とした母材中に、ＷＣ粒子と、Ｃｕ_３Ｔｅ_２相の周囲をＣｕ_２Ｔｅ相が囲んだ相とが分散していることが確認された。

〔比較例４〕
原料粉末として平均粒径が６０μｍのＷＣ粉末を使用した以外は実施例１と同様にして、Ｃｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料を得た。得られたＣｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料の相対密度は８０％であった。また、接点材料の内部組織について顕微鏡観察を行った結果、Ｃｕを主体とした母材中に、ＷＣ粒子と、Ｃｕ_３Ｔｅ_２相の周囲をＣｕ_２Ｔｅ相が囲んだ相とが分散していることが確認された。

〔比較例５〕
原料粉末として平均粒径が１０μｍのＷＣ粉末を使用した以外は実施例１と同様にして、Ｃｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料を得た。得られたＣｕ−ＷＣ−Ｔｅ接点材料の相対密度は７５％であった。また、接点材料の内部組織について顕微鏡観察を行った結果、Ｃｕを主体とした母材中に、ＷＣ粒子と、Ｃｕ_３Ｔｅ_２相の周囲をＣｕ_２Ｔｅ相が囲んだ相とが分散していることが確認された。

実施例１〜６及び比較例１〜５の接点材料を１２ｋＶクラスの真空バルブに組み込んで裁断電流値を評価した。結果を表１に示す。表１の裁断電流値から、実施例１〜６（裁断電流値０．５Ａ）は、比較例１〜２（裁断電流値０．８〜０．９Ａ）よりも低サージ性能に優れていることが分かる。比較例１〜２では、本発明による接点材料に特有の組織構造であるＣｕ_２Ｔｅよりも融点の低いＣｕ_３Ｔｅ_２相が形成されていないため、低サージ性能が不十分だったと考えられる。また、遮断性能ばらつき（アーク時間が０．３以上０．５以下の範囲で１０回遮断した場合の遮断失敗回数）については、同表に示すように、実施例１〜６（遮断失敗回数０回）は、比較例１及び３〜５（遮断失敗回数４〜６回）よりも遮断性能安定性に優れていることが分かる。比較例１及び３では、再焼結工程を省略したため、また、比較例４及び５では、ＷＣ粉末の平均粒径が適当でなかったため、それぞれ十分な相対密度が得られず、遮断性能にばらつきが生じたと考えられる。

１真空バルブ、２遮断室、３絶縁容器、４ａ、４ｂ封止金具、５ａ、５ｂ金属蓋、６固定電極棒、７可動電極棒、８固定電極、９可動電極、１０固定接点、１１可動接点、１２ベローズ、１３ベローズ用アークシールド、１４絶縁容器用アークシールド、１５Ｃｕ母材、１６ＷＣ粒子、１７Ｃｕ_３Ｔｅ_２相、１８Ｃｕ_２Ｔｅ相、１９Ｃｕ_３Ｔｅ_２相の周囲をＣｕ_２Ｔｅ相が囲んだ相。

Claims

Ｃｕを主体とした母材中に、ＷＣ粒子と、Ｃｕ_３Ｔｅ_２相の周囲をＣｕ_２Ｔｅ相が囲んだ相とが分散しており、且つ相対密度が理論密度の９０％以上であることを特徴とする接点材料。
１μｍ以上１０μｍ以下の平均粒径を有するＣｕ粉末と、７５μｍ以上１５０μｍ以下の平均粒径を有するＷＣ粉末と、１μｍ以上５０μｍ以下の平均粒径を有するＴｅ粉末とを混合する工程と、得られた混合物を圧縮し、６００℃以上７００℃以下の温度で焼結する工程と、得られた焼結体を再度圧縮し、６００℃以上７００℃以下の温度で再焼結する工程を有することを特徴とする接点材料の製造方法。
請求項１に記載の接点材料からなる接点を備えることを特徴とする真空バルブ。