JP5847520B2

JP5847520B2 - 磁器と金具との固着用合金及び配電機器

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Publication number: JP5847520B2
Application number: JP2011217793A
Authority: JP
Inventors: 義明亀嶋; 昇三河内; 伸夫津野
Original assignee: Energy Support Corp
Current assignee: Energy Support Corp
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: JP2013076144A

Description

この発明は、磁器と金具との固着用合金及び固着用合金を用いた配電機器に関する。

磁器製の箱形カットアウト本体（筐体）に埋設される取付金具の固着は、磁器製本体に設けられた金具挿入孔に取付金具の一端を挿入し、磁器の金具挿入孔内表面と金具外表面との隙間にスラリー状のセメントを注入して固化させることにより行っていた（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２７３４８３号公報

ところで、磁器と取付金具との固着用セメントスラリーには、磁器や取付金具との濡れ性が良好であること、磁器の金具挿入孔内表面と取付金具外表面との狭い隙間を完全に充填する流動性を有すること、スラリーの特性が安定していることが望まれる。また、固化したあとのセメントには、耐食性が優れること、さらに対環境性に対する配慮から有害物質を含まないことが望まれる。

また、箱形カットアウトは、一般的に屋外の大気中において使用される。このため、箱形カットアウト本体の外部に露出する取付金具は、夏には直射日光、冬には寒気に曝されるなど季節及び昼夜の温度差の激しい過酷な使用環境下で、箱形カットアウト本体の重量や風圧、さらには路上走行車両などによる繰り返しの振動に耐える必要があるので、磁器と取付金具との固着用セメントには、優れた熱疲労特性が要求される。なお、箱形カットアウト本体の外部に露出しない取付金具との固着用セメントにおいても、露出する取付金具との固着用セメントほどでなくても熱疲労特性が要求される。

取付金具と箱形カットアウト本体との固着用セメントは、磁器の金具挿入孔内表面と取付金具外表面との狭い隙間にスラリー状態で注入される。このスラリーは固形物と液体の混合物であるので、流動性が溶融金属に比べて劣ることや、スラリーの管理に注意を要する。また、セメントの固化のために最短でも２４時間程度の湿潤養生を必要とするので、湿潤養生の専用設備とスペ−スの確保や生産の連続性が中断するなど生産管理上の多くの問題点があった。

そこで、セメントに代えて合金を使用することが考えられる。従来の固定用合金としては、鉛（Ｐｂ）とアンチモン（Ｓｂ）との合金である硬鉛がある。しかしながら、硬鉛は主成分が鉛であるため，ＥＵのＲｏＨＳ指令等によって鉛フリー化が求められている。そして、合金の鉛フリー化は電気・電子機器では進んでいるが、磁器と金具とを固着する固着用合金においても今後規制が進むことが考えられ、検討が必要であった。このため、生産性が向上できるとともに、鉛フリーである磁器と金具との固着用合金が求められていた。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、生産性が向上できるとともに、鉛フリーである磁器と金具との固着用合金を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
請求項１に記載の発明は、磁器製の配電機器に金具を固着するための磁器と金具との固着用合金において、Ｓｂが１０質量％以上５０質量％以下、Ｃｕが１質量％以上２５質量％以下、残部がＳｎからなる組成を有し、液相線温度が２８０℃以上４２０℃以下、固相線温度が２８０℃以上３８０℃以下であることをその要旨としている。

同構成によれば、ＳｂとＣｕとＳｎとからなる固着用合金であるので、鉛フリーであり、廃棄された際の環境汚染を防止できる。また、液相線温度が２８０℃以上４２０℃以下、固相線温度が２８０℃以上３８０℃以下となる組成域であるので、固液共存温度範囲が０℃以上１４０℃以下となり、特に１００℃以内となる合金組成が広い範囲で存在する。すなわち、固液共存温度範囲が狭いということは、凝固開始から凝固終了までの時間が短くなり、次工程への移行の待ち時間が減少するので、生産性を向上可能である。そして、生産速度が向上するとともに、固化待ちの間に振動や衝撃が加わった場合に固着用合金にクラック等の欠陥が発生する可能性が減少するので、品質管理上有利である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の磁器と金具との固着用合金において、液相からの凝固が一定温度で終了する不変系反応点の組成を有することをその要旨としている。

同構成によれば、不変系反応点の組成であるので、液相線温度と固相線温度とが同じとなるので固液共存温度範囲が０℃となる。すなわち、固液共存温度範囲が０℃ということは、一定温度で凝固が終了するので、凝固開始から凝固終了までの時間が短く、次工程への移行の待ち時間が減少するので、生産性を更に向上可能である。そして、生産速度が更に向上するとともに、固化待ちの間に振動や衝撃が加わった場合に固着用合金にクラック等の欠陥が発生する可能性が更に減少するので、品質管理上更に有利である。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の磁器と金具との固着用合金において、Ａｌ，Ｂｅ，Ｃａ，Ｃｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒの元素の少なくとも１種が合計で１質量％以下添加されていることをその要旨としている。

配電機器の磁器本体には、ＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３を主たる成分とする釉薬が施されている。このため、固着用合金の磁器との濡れ性や反応性の確保には、固着用合金の液相線温度や固相線温度を支配する主たる合金成分以外の微量元素の添加が有効である。同構成によれば、溶融状態の固着用合金に釉薬の主たる成分を構成する酸化物より酸化物の標準生成自由エネルギーの小さいＡｌ，Ｂｅ，Ｃａ，Ｃｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ等の金属元素を少なくとも１種添加することで、該金属元素が釉薬表面の酸化物を還元しようとする。よって、釉薬と溶融した固着用合金との反応性が向上し、濡れ性やなじみが向上する。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁器と金具との固着用合金を用いて、金具を磁器製の本体に固着したことを特徴とする配電機器であることをその要旨としている。

同構成によれば、磁器製の配電機器に金具を固着する際に、生産性を向上可能であるとともに、鉛フリーとすることが可能である。

本発明によれば、生産性が向上できるとともに、鉛フリーである磁器と金具との固着用合金を提供することができる。

箱型カットアウトの構造を示す断面図。Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ系３元合金状態図の液相線図。Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ系３元合金状態図の垂直断面図。Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ系３元合金状態図の垂直断面図。Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ系３元合金状態図の垂直断面図。破壊試験に用いたＳｎ−Ｓｂ−Ｃｕ系３元合金を示す液相線図。Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ系３元合金の破壊試験結果。

以下、本発明を具体化した一実施形態について図１〜図７を参照して説明する。
図１に示されるように、磁器製の箱形カットアウト１の磁器本体２の上面３には、電柱に固定された腕金などに取り付けるための取付金具４を固着する金具挿入孔５が形成されている。また、箱形カットアウト１の内部には、内部電極６を固定する固定金具７を固着する金具挿入孔８が形成されている。金具挿入孔５，８の内表面には、固着用合金１０との固着力を確保するために、磁器粒子１１が釉薬１２で固定されている。これらの金具挿入孔５，８に取付金具４や固定金具７を挿入して、金具挿入孔５，８と金具４，７との間に固着用合金１０を流し込むことで磁器本体２と金具４，７とを固定する。なお、箱形カットアウト１が配電機器に相当する。また、取付金具４は埋込ボルトである。

箱形カットアウト１の磁器本体２と取付金具４との固着は、磁器本体２に設けられた金具挿入孔５に取付金具４の一端を挿入し、金具挿入孔５と取付金具４との隙間に溶融した固着用合金１０を注入して固化させる。

磁器本体２と取付金具４との固着用合金１０には、箱形カットアウト１の磁器本体２の耐熱衝撃性に対応した注湯温度を有し、金具挿入孔５の内表面と取付金具４の外表面との狭い隙間を完全に充填する流動性を有すること、熱疲労特性や耐食性が優れることが要求される。また、固着用合金１０には、凝固開始から凝固終了までの温度幅が小さいこと、磁器本体２と取付金具４との濡れ性が良好であること、金具挿入孔５の内表面に固定してある磁器粒子１１が形成する凹凸部とのなじみが良好であることなどの種々の特性が要求される。

本実施形態では、固着用合金１０としてＳｎ−Ｓｂ−Ｃｕ系３元合金を採用する。Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ系３元合金の液相線温度を図２に示す。図２に示されるように、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ系３元合金は、Ｓｂ含有量が１０質量％以上５０質量％以下、Ｃｕ含有量が１質量％以上２５質量％以下の範囲に緩やかな温度勾配の液相線温度２８０℃以上４２０℃以下の領域が存在する。しかし、Ｓｂ含有量が５０質量％以上、Ｃｕ含有量が２５質量％以上のＳｎ−Ｓｂ−Ｃｕ系３元合金は、液相線温度が４２０℃以上となり、固着用合金１０としては好ましくない。

特に、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ系３元合金には、液相からの凝固が一定温度で終了する不変系反応点が６箇所（図中の黒丸：●）存在する。そして、Ｓｎ：９１．６質量％、Ｓｂ：７．３質量％、Ｃｕ：１．１質量％の組成以外の５箇所の合金は、合金組成がＳｂ：１４．６〜４３．３質量％、Ｃｕ：２．５〜２４．１質量％、残部がＳｎの範囲内にあり、固相線温度が２８４〜３７１℃である。しかも、これら５箇所の合金は、理論的には固液共存温度範囲がゼロなので、液相線温度＝固相線温度となり、流動性が最も重要な固着用合金１０としては、最も好ましい合金組成である。この好適な合金組成のどれを使用するかは、磁器本体２の耐熱衝撃特性、箱形カットアウト１の使用環境によって要求される耐熱性、並びに合金を構成する金属素材の価格などの要因を考慮して決定する。

図２の液相線図によると、Ｓｂ含有量が１０〜２５質量％、Ｃｕ含有量が１０質量％の範囲では、Ｃｕ含有量の増加に伴って、液相線温度が急激に上昇することが示されているので、Ｃｕ含有量の僅かな増加で耐熱性の向上が期待できる。

固着用合金組成のうち、Ｓｂ含有量の上限値と下限値との限定理由を図２に示したＳｎ−Ｓｂ−Ｃｕ系３元合金の液相線図を用いて説明する。
図２に示されるように、Ｃｕ含有量が１〜２５質量％の範囲内では、Ｓｂ含有量が５０質量％以上になると液相線温度が４２０℃を超えるので好ましくなく、Ｓｂ含有量が１０質量％以下では、固相線温度が２８０℃以下となり、熱疲労特性やクリープ特性などの耐熱性が低下するので好ましくないためである。

固着用合金組成のうち、Ｃｕ量の上限値と下限値との限定理由を図２〜図５に示したＳｎ−Ｓｂ−Ｃｕ系３元合金の垂直断面図を用いて説明する。
図２及び図３に示されるように、Ｓｂ含有量を３０質量％に固定した条件では、Ｃｕ含有量が１０質量％以下では固相線温度が２４５℃となり、耐熱性が劣るので好ましくない。また、Ｃｕ含有量が２５質量％以上では液相線温度が４２０℃を超え、しかも液相線の勾配が急峻となるので好ましくない。Ｃｕ含有量が１０〜２５質量％の範囲では液相線温度が３４０〜３９０℃、固相線温度が２８０〜３２２℃の間にあり、固着合金の溶融温度を過度に高くする必要がないうえ、固液共存温度範囲も６０〜７０℃と小さいので好ましい。また、Ｃｕ含有量が１６〜２５質量％の範囲では液相線温度が３６０〜３９０℃、固相線温度が３２２℃となり、固液共存温度範囲が３８〜６８℃に減少するのでより好ましいものである。

図２及び図４に示されるように、Ｓｂ含有量を３５質量％に固定した条件でも、Ｃｕ含有量が５質量％以下では固相線温度が２４５℃となり、耐熱性が劣るので好ましくない。また、Ｃｕ含有量が２５質量％以上では液相線の勾配が急峻となるので好ましくない。Ｃｕ含有量が１０〜２５質量％の範囲では液相線温度が３５５〜３７０℃と変化が小さく、固相線温度も２８０〜３５０℃の間にあり、固着合金の溶融温度を過度に高くする必要がないうえ、固液共存温度範囲も２０〜７５℃の範囲にあるので好ましいものである。また、Ｃｕ含有量が１３〜２０質量％の範囲では液相線温度が３５０〜３５５℃、固相線温度が３２２℃となり、溶融温度の低減が可能なうえ、固液共存温度範囲が２８〜３３℃と狭くなるのでより好ましいものである。

図２及び図５に示されるように、Ｓｂ含有量を４０質量％に固定した条件でも、Ｃｕ含有量が１質量％以下では固相線温度が２４５℃となり、耐熱性が劣るので好ましくない。また、Ｃｕ含有量が２５質量％以上では液相線温度が４２０℃を超え、しかも液相線の勾配が急峻となるので、注湯温度を上昇させる必要が生じ、磁器に対する熱衝撃性が増加するので、好ましくない。Ｃｕ含有量が１０〜２５質量％の範囲では、液相線温度が３７０〜４００℃、固相線温度が３２２〜３５０℃の範囲にあり、固液共存温度範囲も４８〜５０℃と狭いので好ましいものである。また、Ｃｕ含有量が１０〜２０質量％の範囲では、液相線温度が３６５〜３７０℃、固相線温度が３２２〜３５０℃の範囲にあり、溶融温度の低減が可能なうえ、固液共存温度範囲も１５〜４８℃と狭いのでより好ましいものである。

固着用合金１０には、固着用合金１０の液相線温度や固相線温度を支配する主たる合金成分以外の微量元素を添加する。金具挿入孔５，８の内表面に固定されている磁器粒子１１はＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３とを主たる成分とする釉薬１２で固定されている。そこで、溶融状態の固着用合金１０に釉薬１２の主たる成分を構成する酸化物より酸化物の標準生成自由エネルギーの小さいＡｌ，Ｂｅ，Ｃａ，Ｃｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ等の金属元素を少なくとも１種添加する。すると、該金属元素が釉薬１２表面の酸化物を還元しようとするので、釉薬１２と溶融した固着用合金１０との反応性が向上し、濡れ性やなじみが向上する。ここで、金属元素の添加量は、溶融温度や雰囲気などの溶融条件により変化させることが可能であるが、過剰に添加すると該金属元素の酸化物量が多くなるので好ましくない。従って、このような金属元素の添加量の合計としては、１質量％以下であることが好ましい。

次に、本実施例の固着用合金１０を使用して取付金具４を磁器本体２に固着した箱形カットアウト１の引張強度試験の結果を図６及び図７を参照して説明する。なお、固定金具７を磁器本体２に固着した場合においても略同様の結果になるため割愛する。図６には、実施例の組成及び液相線温度を黒丸（●）で示し、比較例の組成及び液相線温度を黒菱形（◆）で示す。図７には、実施例をＮｏ．１〜１９に示し、比較例をＮｏ．２０〜３０に示す。

Ｎｏ．１〜１７は、Ｓｂが１０質量％以上５０質量％以下、Ｃｕが１質量％以上２５質量％以下、残部がＳｎからなる組成を有し、液相線温度が２８０℃以上４２０℃以下、固相線温度が２８０℃以上３８０℃以下である固着用合金１０を使用した引張強度試験の測定結果である。これらの合金は、試験に使用した箱形カットアウト１の金具挿入孔５に要求される保証強度を大きく超える荷重で箱形カットアウト１の磁器本体２に破壊が生じ、十分な固着強度を有している。なお、個々の実施例の破壊荷重の変動は、磁器本体２の強度のばらつきによるものである。

Ｎｏ．１８，１９は、Ｎｏ．５，８の固着用合金１０の主たる合金成分以外の微量元素を添加した固着用合金１０を使用した引張強度試験の測定結果である。Ｎｏ．５，８の固着用合金１０と比べて破壊強度が上昇している。

Ｎｏ．２０〜２６は、Ｓｂが１０質量％以上５０質量％以下、Ｃｕが１質量％以上２５質量％以下の組成域外である固着用合金１０を使用した引張強度試験の測定結果である。これらの合金は、実施例の半分程度の荷重で磁器本体２が破壊した。すなわち、液相線温度が高いために注湯温度を高くした結果、磁器本体２が熱衝撃により損傷を受けて磁器本体２が低値で破壊したものである。

Ｎｏ．２７〜３０は、凝固温度範囲（液相線温度−固相線温度）が１００℃を超える組成の合金を使用した場合の例で、実施例の約１／２の荷重で磁器本体２の金具挿入孔５から取付金具４が抜けたものである。すなわち、溶湯の流動性が低すぎたために、溶湯が磁器本体２の金具挿入孔５の内表面と取付金具４の外表面との狭い隙間を完全に充填することができなかったためである。

さて、本実施例の固着用合金１０は、鉛を含有しないので、箱形カットアウト１が廃棄された際における環境汚染を防止できる。また、固液共存温度範囲が最大で１４０℃となり、凝固開始から凝固終了までの時間が短くなり、次工程への移行の待ち時間が減少するので、生産性を向上できる。さらに、高価なＳｎの含有量を最大で３０質量％まで減少できるので、材料費を低減できる。

以上、説明した実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）ＳｂとＣｕとＳｎとからなる固着用合金１０であるので、鉛フリーであり、廃棄された際の環境汚染を防止できる。また、固着用合金１０は、液相線温度が２８０℃以上４２０℃以下、固相線温度が２８０℃以上３８０℃以下となる組成域であるので、固液共存温度範囲が０℃以上１４０℃以下となり、特に１００℃以内となる合金組成が広い範囲で存在する。すなわち、固液共存温度範囲が狭いということは、凝固開始から凝固終了までの時間が短くなり、次工程への移行の待ち時間が減少するので、生産性を向上可能である。そして、生産速度が向上するとともに、固化待ちの間に振動や衝撃が加わった場合に固着用合金１０にクラック等の欠陥が発生する可能性が減少するので、品質管理上有利である。

（２）不変系反応点の組成であるので、液相線温度と固相線温度とが同じとなるので固液共存温度範囲が０℃となる。すなわち、固液共存温度範囲が０℃ということは、一定温度で凝固が終了するので、凝固開始から凝固終了までの時間が短く、次工程への移行の待ち時間が減少するので、生産性を更に向上可能である。そして、生産速度が更に向上するとともに、固化待ちの間に振動や衝撃が加わった場合に固着用合金にクラック等の欠陥が発生する可能性が更に減少するので、品質管理上更に有利である。

（３）溶融状態の固着用合金１０に釉薬１２の主たる成分を構成する酸化物より酸化物の標準生成自由エネルギーの小さいＡｌ，Ｂｅ，Ｃａ，Ｃｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ等の金属元素を少なくとも１種添加することで、該金属元素が釉薬１２表面の酸化物を還元しようとする。よって、釉薬１２と溶融した固着用合金１０との反応性が向上し、濡れ性やなじみが向上する。

（４）磁器製の箱形カットアウト１に取付金具４及び固定金具７を固着する際に、生産性を向上できるとともに、鉛フリーとすることができる。
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。

・上記実施形態において、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ系３元合金の不変系組成合金は、液相線温度＝固相線温度なので、凝固に際しては一定温度で凝固が完了するという大きな利点を有する。しかしながら、昇温に際しては固相線温度で固着用合金全体が液体となるので、耐熱性に問題が生ずることがある。この場合には、合金組成を不変系組成（液相線温度＝固相線温度）から僅かにずらして、固相線温度を変化させずに液相線温度のみを上昇させる（液相線温度＞固相線温度）ことで対応すれば固着用合金部の全域が一定温度で液体となることを防止できる。液相線と固相線との温度差は必要とする溶湯の流動性と接合部の耐熱性に応じて決定すればよいが、この温度差が大きいと溶湯の流動性が低下するので、溶湯の流動性確保の面から温度範囲は１００℃以内が望ましく、５０℃以内がより望ましく、１０℃以内が最も望ましい。

・上記実施形態では、固着用合金１０に主たる合金成分以外の微量元素を添加したが、固着用合金と金具挿入孔の内壁との固着が十分であれば、固着用合金１０に主たる合金成分以外の微量元素を添加しなくてもよい。

・上記構成において、耐熱衝撃性が低い磁器の場合には、磁器本体２を予熱することや液相線温度の低い固着用合金を使用することが考えられる。このようにすることで、溶融した固着用合金１０の注入による磁器本体２の熱衝撃による損傷を防止することができる。また、予熱を行う場合には、可能なかぎり低温であることが好ましい。

・上記実施形態では、配電機器としての箱形カットアウト１の磁器本体と金具４，７との固着に固着用合金１０を採用したが、箱形カットアウト１以外の配電機器の磁器本体と金具との固着に固着用合金１０を採用してもよい。また、配電機器に限らず、その他の磁器と金具との固着に固着用合金１０を採用してもよい。

１…箱形カットアウト、２…磁器本体、３…上面、４…取付金具、５…金具挿入孔、６…内部電極、７…固定金具、８…金具挿入孔、１０…固着用合金、１１…磁器粒子、１２…釉薬。

Claims

磁器製の配電機器に金具を固着するための磁器と金具との固着用合金において、
Ｓｂが１０質量％以上５０質量％以下、Ｃｕが１質量％以上２５質量％以下、残部がＳｎからなる組成を有し、液相線温度が２８０℃以上４２０℃以下、固相線温度が２８０℃以上３８０℃以下である
ことを特徴とする磁器と金具との固着用合金。
請求項１に記載の磁器と金具との固着用合金において、
液相からの凝固が一定温度で終了する不変系反応点の組成を有する
ことを特徴とする磁器と金具との固着用合金。
請求項１又は２に記載の磁器と金具との固着用合金において、
Ａｌ，Ｂｅ，Ｃａ，Ｃｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒの元素の少なくとも１種が合計で１質量％以下添加されている
ことを特徴とする磁器と金具との固着用合金。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁器と金具との固着用合金を用いて、
金具を磁器製の本体に固着したことを特徴とする配電機器。