JP6100978B1 - グラフェン補強銅系複合接点材料及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、酸化物粉末：０．０１〜１０質量％、炭化物粉末：０．０１〜２質量％、残部：厚さ１０ｎｍ以下のグラフェンで被覆された銅粉末又は銅合金粉末からなる、グラフェン補強銅系複合接点材料及びその製造方法を開示した。この銅系複合接点材料は接触抵抗が低くて安定し、耐アーク消耗性及び耐溶着性に優れている利点を有し、従来の銀系接点材料を代替して低圧遮断器、接触器及び継電器に適用することができる。
Description
本発明は電気接触材料分野に属し、詳しくは低圧電気機器用接点材料に関し、特にグラフェン補強銅系複合接点材料に関するものである。
接点材料は各種のスイッチ、継電器、接触器などの電気機器の重要な材料であり、電流を投入、遮断及び伝送する役割を果たす。現在国内外で多く使用されている接点材料は銀系材料であるが、そのコストが高い。一部の銅系接点材料は使用されているが、その耐酸化性が低く、電気的寿命が短い。主な原因は銅が接触表面に露出しているので、低温耐酸化性が低下し、アークによる消耗が激しくなっている。
検索を経て、以下の特許は銅系接点材料に関するものである。
１、ＣＮ１２２４７６８Ａの銅系銀フリーカドミウムフリー低圧電気接点合金材料は、主に、補強材（ダイヤモンドなど）及び添加物（Ｚｎ、Ｓｎなど）を用いることで銅系接点材料の電気的特性の改善を図るものである。
２、ＣＮ１７６７１０５Ａの低圧電気機器用環境保全型銅系接点材料及び接点の製造方法は、主に、補強材（希土類酸化物）及び添加物（希土類金属元素）を用いることで銅系接点材料の電気的特性の改善を図るものである。
３、ＣＮ１０１３３５１０２Ａの電気接触要素用の銅系材料は、主に、銅基材に第５、６族元素及び希土類元素を添加する方法で電気的特性の改善を図るものである。
４、ＣＮ１０２３２４３３５Ａの複合電気接点材料の製造方法は、カーボンナノチューブ被覆銅を特徴とする銅系接点材料を開示した。
５、ＣＮ１０２２１８５４０Ａのグラフェンと金属とのナノ複合粉末及びその製造方法である。
以上の発明のうち、前の３つの特許はいずれも補強材及び添加物を用いる方法で銅系接点材料の改善を図っているが、銅基材に対しては改善を行っていないので、これらの材料の使用に際し、銅が空気やアークにさらされて酸化しやすくなり、接触抵抗に影響を及ぼす。特許４はカーボンナノチューブ被覆銅の接点材料を提案しているが、この材料は製造方法が複雑であり、原料として銅片を使用することにより銅粒子が粗大化してしまい（カーボンナノチューブが完全保護の役割を果たすことができない）、材料内部に一部の銀が含有されて銀フリー化が実現できないなどの問題が存在し、工業的使用が困難である。特許５はグラフェンと金属粉末とを複合化した材料を提案しているが、グラフェンマイクロシートが使用され、金属粒子表面をグラフェンで被覆することができず、金属粒子の完全保護を実現することができない。
同様に、従来の粉末混合方法でグラフェン及びカーボンナノチューブを添加して製造した、グラフェン及びカーボンナノチューブを有する銅系接点材料に比べて、これらの方法で製造された材料は、各々の補強材と基材との間にグラフェン又はカーボンナノチューブが分散されていることを確保できないので、品質や性能の不安定性の問題が存在する。
本発明の第１の目的は、従来技術に存在する欠陥や不足を克服するために、銅系接点材料の耐酸化性が低く、アーク消耗が大きいという問題点を解決することができるとともに、補強材と基材との間に均質に分散しているグラフェン補強銅系複合接点材料を提供することにある。
本発明の第２の目的は、上記グラフェン補強銅系複合接点材料の製造方法を提供することにある。
本発明の第１の目的を達成するための技術的手段は次の通りである。酸化物粉末：０．０１〜１０質量％、炭化物粉末：０．０１〜２質量％、残部：グラフェン被覆銅粉末又はグラフェン被覆銅合金粉末からなり、前記グラフェン被覆の厚さが１０ｎｍ以下である。
さらに、酸化物はＳｎＯ２、ＣｕＯ、ＺｎＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＲＥＯの１種又は複数種である。
さらに、炭化物はＷＣ、ＶＣ、Ｂ４Ｃなどの１種又は複数種である。
さらに、銅合金中の銅の含有量が９５％以上であり、該銅合金はＣｕＡｌ、ＣｕＺｎ、ＣｕＮｉ、ＣｕＢ、ＣｕＴｅ、ＣｕＲＥの１種であるか、又は、該銅合金はＣｕと少なくとも２種の他の元素との組み合わせである。
さらに、前記グラフェン被覆銅粉末中、銅粉末の粒子表面に対するグラフェンの被覆率が５０％〜１００％であり、前記グラフェン被覆銅合金粉末中、銅合金粉末の粒子表面に対するグラフェンの被覆率が５０％〜１００％である。
本発明の第２の目的を達成するための技術的手段は次の工程を含む。
（１）化学蒸着法、又は液相酸化グラファイト還元法、又はその他グラフェン成長技術によって、銅粉末又は銅合金粉末の粒子表面をグラフェンで被覆して、グラフェン被覆銅粉末又はグラフェン被覆銅合金粉末を形成するグラフェン被覆銅粉末又はグラフェン被覆銅合金粉末の製造工程、
（２）グラフェン被覆銅粉末又はグラフェン被覆銅合金粉末、前記酸化物粉末、前記炭化物粉末を混合、打錠、焼結、押出して、銅系複合接点材料を製造するか、又は混合、成形、焼結、再圧して銅系複合接点材料を製造する工程。
本発明の銅系複合接点材料は、各々の銅又は銅合金粉末が外部に露出しないように、グラフェンで銅又は銅合金の表面を被覆して、銅の酸化を防止し、従来の銅系接点材料では解決できない低温酸化問題を解決した。グラフェンの比表面積が大きいため、アークによる溶融池の粘度が増大し、アーク飛散が低減され、耐アーク消耗性が向上するだけではなく、溶融池内の補強材（炭化物及び酸化物）がグラフェンにより、沈殿又は浮遊による凝集が発生しにくく、接点材料の消耗層の成分均一性が確保されて、接点動作中の接触抵抗の安定性が確保される。
グラフェンが炭素元素特有の耐溶着性を有するため、銅系材料の耐溶着性を向上させた。グラフェンの高導電性により銅系接点材料の体積抵抗率も低くなった。
本発明の接点材料は、従来の銅系接点よりも優れた耐酸化性及び耐消耗性を有し、低圧遮断器、接触器及び継電器に適用することができる。
次に実施形態により本発明を詳しく説明するが、実施形態は本発明を詳しく説明するためのものであって、本発明の保護範囲を限定するものではない。当業者は上述した発明の内容に基づいて本発明に改良や変更を加えることができる。
ＣｕＴｅ／ＧＲＮ ＷＣＳｎＯ２の組成が、ＷＣ：１質量％、ＳｎＯ２：１質量％、残部：厚さ１０ｎｍ以下のグラフェンで被覆されたＣｕＴｅであり、ＣｕＴｅ合金中のＣｕの含有量が９９．５％であり、残りはＴｅである。ＣｕＴｅ合金粉末を噴霧して、酸化グラファイト水分散液を製造し、酸化グラファイト水分散液を銅合金粉末含有ヒドラジン水和物水溶液中で還元させてＣｕＴｅ／ＧＲＮ粉末を製造し、この粉末をＷＣ、ＳｎＯ２粉末と機械混合して、ＣｕＴｅ／ＧＲＮ ＷＣＳｎＯ２混合粉末を製造し、さらに、静水圧圧縮、焼結、押出・緻密化を経て、銅系複合接点材料を製造する。この組成で製造された銅系複合接点材料は密度が８．７８ｇ／ｃｍ３、抵抗率が２．１８μΩ．ｃｍ、硬度がＨＶ１０８である。
Ｃｕ／ＧＲＮ Ｂ４ＣＳｎＯ２の組成が、ＢＣ：０．５質量％、ＳｎＯ２：０．３質量％、残部：厚さ１０ｎｍ以下のグラフェンで被覆されたＣｕである。Ｃｕ粉末を製造し、管状化学蒸着炉内でＣｕ粉末をグラフェンで被覆し（メタン雰囲気）、Ｃｕ／ＧＲＮ粉末を破砕した後、Ｂ４Ｃ粉末、ＳｎＯ２粉末と機械混合し、その後静水圧圧縮、焼結、押出を経て緻密化された銅系複合接点材料を製造する。この組成で製造された銅系複合接点材料は密度が８．７２ｇ／ｃｍ３、抵抗率が２．０６μΩ．ｃｍ、硬度がＨＶ９３．５である。
本発明は上記の実施例に限定されるものではない。
Claims (4)
- 酸化物粉末：０．０１〜１０質量％、炭化物粉末：０．０１〜２質量％、残部：グラフェン被覆銅粉末又はグラフェン被覆銅合金粉末からなり、
前記酸化物が、ＳｎＯ２、ＣｕＯ、ＺｎＯ、Ｆｅ２Ｏ３、希土類酸化物の１種又は複数種であり、
前記炭化物が、炭化タングステン、炭化バナジウム、炭化ホウ素の１種又は複数種であり、
前記グラフェン被覆の厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とするグラフェン補強銅系複合接点材料。 - 銅合金中の銅の含有量が９５％以上であり、銅合金がＣｕＡｌ、ＣｕＺｎ、ＣｕＮｉ、ＣｕＢ、ＣｕＴｅ、銅の希土類合金の１種であるか、又は、該銅合金がＣｕと少なくとも２種の他の元素との組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載のグラフェン補強銅系複合接点材料。
- 前記グラフェン被覆銅粉末中、銅粉末の粒子表面に対するグラフェンの被覆率が５０％〜１００％であり、
前記グラフェン被覆銅合金粉末中、銅合金粉末の粒子表面に対するグラフェンの被覆率が５０％〜１００％であることを特徴とする請求項１に記載のグラフェン補強銅系複合接点材料。 - （１）化学蒸着法又は液相酸化グラファイト還元法で、銅粉末又は銅合金粉末の粒子表面をグラフェンで被覆して、グラフェン被覆銅粉末又はグラフェン被覆銅合金粉末を形成するグラフェン被覆銅粉末又はグラフェン被覆銅合金粉末の製造工程と、
（２）グラフェン被覆銅粉末又はグラフェン被覆銅合金粉末、前記酸化物粉末、前記炭化物粉末を混合、打錠、焼結、押出して、銅系複合接点材料を製造するか、又は混合、 成形、焼結、再圧して銅系複合接点材料を製造する工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のグラフェン補強銅系複合接点材料の製造方法。
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