JP6200669B2

JP6200669B2 - 電気接点材料

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Publication number: JP6200669B2
Application number: JP2013066735A
Authority: JP
Inventors: 正治白谷; 久保　祐二; 祐二久保; 貴弘藤田; 寧記宮崎; 康徳案浦; 百代尾家
Original assignee: Nippon Tungsten Co Ltd
Current assignee: Nippon Tungsten Co Ltd
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: JP2014192007A

Description

本発明は、電気機器や電気回路等の接点に利用される電気接点材料に関し、特に直流電気回路の遮断器、断路器および開閉器等の各種開閉機器の接点に最適な電気接点材料に関する。

送配電や受配電網などの高圧大電流回路に使用する遮断器、断路器および開閉器等には、タングステン（以後Ｗ）と銅（以後Ｃｕ）の複合材料、Ｗと銀（以後Ａｇ）の複合材料、炭化タングステン（以後ＷＣ）とＡｇの複合材料を用いた電気接点などが数多くの提案されている。

大電流の開閉時には、開閉する二つの電気接点間にアーク（電弧）が生じる。

いったん接点の開閉により生じたアークは、消弧までには時間がかかる。アークの両端となる接点部分は、消弧までの間に連続的に高熱にさらされる。この現象は、装置内をアークが消失しやすい雰囲気（例えばＳＦ_６ガス中）で満たしても解決されていない。

接点材料は良導体の必要がある。それに加えて、電気接点はアークによって溶融・蒸発しにくい材料を用いる必要がある。単一素材を用いての前記問題の解決は難しい。そこで、良導体と高融点・高沸点の材料を組み合わせたＣｕ−Ｗ材料、Ａｇ−Ｗ材料、Ａｇ−ＷＣ材料がその用途に主に用いられている。

優れた耐酸化性を有するＡｇ−ＷＣ材料は中負荷の気中開閉器に、比較的優れた耐酸化性を有するＡｇ−Ｗ材料は高負荷用の気中開閉器に、耐酸化性は劣るものの優れた耐消耗性を有すＣｕ−Ｗ材料は、油中、ガス、真空遮断器において優れた機能を発揮する。

一方、電流を遮断しない通電用接点としては、ＣｕまたはＡｇなどの材料が使用されている。低圧用の気中遮断器、配線用遮断器のうち、大容量のものにはアーキングチップとしてＡｇ−Ｗ材料、Ａｇ−ＷＣ材料などが使用されている。メインコンタクト（主接点）としては、Ａｇ−ニッケル（以後Ｎｉ）が使用されている。また、中容量以下のアーク・通電兼用接点としては、優れた通電性および耐溶着性を有するＡｇ−ＷＣ材料、Ａｇ−酸化カドミニウム（以後ＣｄＯ）材料などが多用されている。

また、風力や太陽光など自然エネルギーを利用した発電や電力損失の少ない直流送電、電気自動車などに使用される車載リレーなど直流での遮断が行なわれるケースも増えてきている。

解決されていない問題は、電気接点のアーク開閉による蒸発・消耗が大きく、寿命が十分でないことである。

特許文献１および特許文献２は、いずれもホウ化物を添加することでアーク発生点の分散を試みているが、ホウ化物を使用すると高融点材料の焼成を阻害し、電気接点材料内部にスポットを生じさせるため、耐消耗性が悪くなる問題が残っている。

特開２００２−２９４３８４号公報特開２００３−２０３５４３号公報

本発明の技術的課題は、電気接点の開閉により発生するアークに対しての消耗の少ない電気接点材料を得ることである。

本発明の電気接点材料は、電気機器、電気回路の接点に用いる材料であって、高融点材料であるＷおよびＷＣから選択する第１成分と、高電気伝導材料であるＣｕまたはＡｇかから選択する第２成分と、仕事関数の低い材料であるカルシウム（以後Ｃａ）、ストロンチウム（以後Ｓｒ）、バリウム（以後Ｂａ）、マグネシウム（以後Ｍｇ）および希土類金属のそれぞれのホウ酸化物から選択する少なくとも１種の第３成分と、接点の強度を向上させ接触抵抗を低減する材料であるカーボン（以後Ｃ）、クロム（以後Ｃｒ）、コバルト（以後Ｃｏ）、Ｎｉ、鉄（以後Ｆｅ）、リン（以後Ｐ）、バナジウム（以後Ｖ）およびこれらの化合物からなる群から選択する少なくとも１種または２種以上の第４成分とを含有する。

本発明の電気接点材料は、前記第１成分が２０〜９０質量％、前記第２成分が８０〜１０質量％からなり、かつ前記第３成分および前記第４成分が合せて０．１〜１４質量％以下であることが好ましい。

本発明の電気接点材料の材料組織は大きく以下の２つに分類できる。
（組織１）前記第１成分、前記第３成分および前記第４成分が連続した開気孔を有する多孔体構造を有し、前記第２成分を前記開気孔に充填した材料組織
（組織２）前記第２成分マトリックス中に前記第１成分、前記第３成分および前記第４成分が分散している材料組織
本発明の電気接点材料の材料組織は、上のいずれでも構わない。

本発明の電気接点材料は、前記多孔体は前記第１成分の平均粒子径、前記第３成分の平均粒子径が共に２０μｍ以下であることが好ましい。

本発明の電気接点材料は、前記第１成分はアルミニウム、カリウムおよびシリコンからなる群から選ばれた少なくとも１つの元素がドープされていることを許容する。

本発明の電気接点材料は、前記第２成分はＣｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐからなる群から選択する少なくとも１種の金属と合金化していることを許容する。

本発明の電気接点材料は、気孔率が１０％以下であることが好ましい。

本発明の電気接点材料は、導電率が１０％ＩＡＣＳ以上であることが好ましい。

本発明係る電気接点材料は、特に直流電流遮断用電気接点として使用に適している。また、その際は、特に陰極としての使用が適している。

本発明によれば電流遮断による電気接点の体積消耗量を減少させることができるようになる。

試験片を電気開閉装置の可動側、固定側として接合した可動側を陽極、固定側を陰極とした試験回路の簡易図図１で遮断試験を行った後の試験片の体積消耗量の比較グラフ試験片を電気開閉装置の可動側、固定側として接合した可動側を陰極、固定側を陽極とした試験回路の簡易図図１および図３で遮断試験を行った後の試験片の体積消耗量の比較グラフ

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

この電気接点材料は、高融点材料であるＷ、ＷＣから選択する第１成分と、高電気導電材料であるＣｕおよびＡｇから選択する第２成分と、仕事関数の低い材料であるＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇおよび希土類金属のそれぞれのホウ酸化物から選択する少なくとも１種の第３成分と、接点材料の強度に影響し、接触抵抗を低減させる材料であるＣ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐ、Ｖおよびこれらの化合物からなる群から選択する少なくとも１種または２種以上の第４成分とを含有する。
仕事関数の低いホウ化物や酸化物は放電特性を改善することで知られているが、ホウ酸化物はより一層の放電特性の改善をもたらす。また、ホウ酸化物はホウ化物や酸化物に比べ電気接点材料の緻密化を阻害しない。従って、前記第３成分はホウ酸化物とした。また、前記第４成分を加えるのは、電気接点材料に適切な強度を与えることで破損や変形の対策となり、電気接点材料の接触抵抗を低減するためである。
前記第１成分の配合割合は、前記第１成分が２０〜９０質量％、前記第２成分が８０〜１０質量％からなり、かつ前記第３成分および前記第４成分の合計が０．１質量％〜１４質量％であることが好ましい。

本発明に係る電気接点材料において、材料組織は大きく以下の２つに分類できる。
（組織１）前記第１成分、前記第３成分および前記第４成分が連続した開気孔を有する多孔体構造を有し、前記第２成分が前記開気孔に充填した材料組織
（組織２）前記第２成分のマトリックス中に前記第１成分、前記第３成分および前記第４成分が分散している材料組織
本発明に係る電気接点材料の材料組織は、上のいずれでも構わない。
前記多孔体は、前記第１成分中に前記第３成分および前記第４成分が分散した組織を有することが好ましい。
特に、前記多孔体は前記第１成分の平均粒子径、前記第３成分の平均粒子径が共に２０μｍ以下であることが好ましい。
前記多孔体の前記第１成分の平均粒子径が２０μｍを超えると、材料組織が不均質になり、良好な特性を発現することが困難になるおそれがある。前記多孔体の第３成分の平均粒子径が２０μｍを超える平均粒子径で存在すると、耐アーク特性のばらつきが大きくになるおそれがある。平均粒子径１０μｍ以下であれば求める特性がより得られやすい。

前記第１成分が２０質量％以上であれば、耐アーク特性が高く保てる。一方、前記第１成分が９０質量％以下であれば、導電率が１０％ＩＡＣＳ以上を保てる。前記第１成分の配合量は３０〜７０質量％、前記第２成分は７０〜３０質量％であれば求める特性が得られやすい。

前記第３成分と前記第４成分の合計が１４質量％以下であれば、材料組織が不均質になりにくく、特性のばらつきが少なくなる傾向にある。前記第３成分と前記第４成分の合計が０．１％以上であれば、求める特性が得られやすい。

本発明の電気接点材料は、気孔率が１０％以下であれば、耐アーク特性が得られやすい。気孔率が５％以下であれば求める特性は得られやすい。

本発明の電気接点材料は、導電率が１０％ＩＡＣＳ以上であれば、通電時の発熱が少なくなるために、耐温度上昇特性がより得られやすい。

次に、本発明に係る電気接点材料の製造方法の一例を説明する。

まず、高融点材料であるＷ、ＷＣのいずれから選択する第１成分の粉末と、仕事関数の低い材料であるＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇおよび希土類金属のそれぞれのホウ酸化物から選択する少なくとも１種の第３成分の粉末と、材料の強度に影響し、接触抵抗を低減する材料であるＣ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐ、Ｖおよびこれらの化合物からなる群から選択する少なくとも１種または２種以上の第４成分の粉末とを混合し、成形した後、窒素、アルゴンのような不活性ガス雰囲気、水素のような還元性ガス雰囲気、または真空雰囲気のいずれかの雰囲気中にて焼成して、前記第１成分に前記第３成分および前記第４成分が分散した多孔体を作製する。前記第４成分は、前記単体でもよいし、例えばＮｉＰやＶＣなどの化合物としてもよい。

ホウ酸化物粉末については前述のホウ酸化物から選択するホウ酸化物粉末を準備する。

本実施形態のホウ酸化物粉末はＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇや希土類金属の酸化物あるいは炭酸化物と炭化ホウ素や炭酸ホウ素などのホウ素を有する物質とを混合し、酸化雰囲気中で熱処理を行うことによって得ることができる。

前記第１成分の粉末は、平均粒子径が１〜２０μｍのものを用いることが好ましい。

前記第３成分の粉末は、平均粒子径が１〜２０μｍのものを用いることが好ましい。

前記焼成時の温度は、前記第１成分がＷである場合、１０００〜１５００℃、第１成分がＷＣである場合、８００〜１３００℃にすることが好ましい。焼成温度を前記焼成条件で製造すると良好な機械的特性を得られやすい。

次いで、前記多孔体とＣｕおよびＡｇのいずれから選択し、粉末状、粒子状、ペレット状およびプレート状のいずれかの形態を持つ第２成分とを例えばルツボのような容器に収容し、窒素、アルゴンのような不活性ガス雰囲気、水素のような還元性ガス雰囲気、または真空雰囲気のいずれかの雰囲気中にて、適当な温度で加熱して前記多孔体に前記第２成分を溶浸することによって電気接点材料を製造する。

前記第２成分を溶浸するための加熱温度は、第２成分がＣｕである場合、１０８０℃以上、第２成分がＡｇである場合、９６０℃以上であることが好ましい。第２成分がＣｕである場合、前記加熱温度を１０８０℃未満にするとＣｕを前記多孔体に十分に溶浸させることが困難になる。第２成分がＡｇである場合、前記加熱温度を９６０℃未満にするとＡｇを前記多孔体に十分に溶浸させることが困難になる。温度が高すぎると材料内部に気孔が生じやすくなるため、第２成分がＣｕである場合１０８０〜１１８０℃、第２成分がＡｇである場合９６０〜１０６０℃であることが好ましい。

また、本発明に係る電気接点材料は前記第１成分、前記第２成分、前記第３成分および前記第４成分を混合、成形した後、窒素、アルゴンのような不活性ガス雰囲気、水素のような還元性ガス雰囲気、または真空雰囲気のいずれかの雰囲気中にて、例えば９００〜１０００℃の温度で焼成することによっても製造することが可能である。

以上に説明したように、本発明によれば高融点材料である前記第１成分と高電気伝導材料である前記第２成分、および接点の強度や接触抵抗に影響する材料である前記第４成分の系に前記第３成分として仕事関数が低く、高電子放出特性の高いホウ酸化物を配合、例えば前記第１成分中に分散させることにより、アークを分散させて、第２成分であるＣｕまたはＡｇの選択的な欠損を抑制させ、第１成分の脱落、損耗を大幅に低減できるため、耐アーク特性を向上できる。

また、極性が一定である直流遮断の場合、電子を放出する陰極側に仕事関数の低いホウ酸化物を含む電気接点を使用することで、アークを分散させて耐アーク特性を向上できる。

また、主材料が高融点材料である前記第１成分と高電気伝導材料である前記第２成分からなるため、耐溶着性に優れ、接触抵抗が低く、かつ良好な電気伝導性を有する。

したがって、本発明によれば耐溶着性に優れ、接触抵抗が低く、かつ良好な電気伝導性を有するとともに、優れた耐アーク特性を有する電気接点材料を提供することができる。

（電気接点材料試料の作製）
以下、本発明に係る電気接点材料の好ましい実施例を説明する。

まず、平均粒子径が４μｍのＷ粉末、平均粒子径が１μｍの粉末状のＮｉおよび平均粒子径が７μｍの粉末状のホウ酸化ストロンチウム粉末を用意した。

前記ホウ酸化ストロンチウムは、平均粒子径が５μｍのＳｒＢＯ_３とＢ_２Ｏ_３とを質量比で２：１の割合で混合し、大気雰囲気にて１０５０℃で３０分間焼成して得られたものを使用した。

これらの粉末を、ヘンシェルミキサーにて３０分間混合し、混合粉末を得た。このとき、ホウ酸化ストロンチウムの配合量を変更することで６種類の粉末を製作した。

次に混合粉末を５０ＭＰａの圧力にて金型プレスを行い、板状の成形体を得た。

耐熱容器に成形体が十分収まる凹状部の部位を設けてその中に成形体を設置し、Ｈ_２雰囲気１１５０℃にて６０分間焼結を行なうことによって、連続した開気孔を有する多孔体を得た。

この多孔体上に、溶浸には十分量の板状のＣｕを設置し、この状態でＨ_２雰囲気、１１００℃にて２０分間溶浸を行い、前記連続した開気孔中にＣｕを充填した構造の電気接点材料を得た。

得られた材料から溶浸しきれなかった余分なＣｕを取り除き、フライス盤にて切削加工を行なって直方体の試験片に成形し、試験に用いる電気接点を作製した。ＷとＮｉの合計質量は７０質量％、溶浸したＣｕは３０質量％であった。また、ＷとＮｉはそれぞれ６９．６質量％、０．４質量％であった。この試験片の気孔率は３％未満であった。この試験片の導電率を測定したところ、導電率は５０％ＩＡＣＳであった。

前記電気接点に含まれるホウ酸化ストロンチウムは０質量％を比較試料１とし、０．１質量％、０．５質量％、１．０質量％、１．５質量％、２．０質量％と添加した試料を、それぞれ、試料１〜試料５とした。

前記試料１〜５の断面をＸＲＤ（Ｘ線回折）で組成分析すると、Ｎｉは単体としては観察できなかった。ホウ酸化物をＸＲＤにて測定したところ、ピーク強度比で９０％のＳｒ_２Ｂ_２Ｏ_５と、１０％のＳｒＢ_２Ｏ_４がみられた。

前記比較例１および試料例１〜５を直方体の真鍮の台座に、ＪＩＳ規格で定められるろう材ＢＡｇ−２４でろう付を行ったものを試験片として、２種類の電気試験を実施した。

（実施例１）
実施例１として、可動側を陽極、固定側を陰極とし、同じ試験片を使い、試験電圧をＡＣ２３０Ｖ、試験電流２５００Ａ、通電時間０．５サイクル、試験間隔３０秒、接点サイズ２ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍという条件で遮断試験を５回行い、試験片の質量損耗量から体積損耗率を算出して比較を行った（図１、２）。

比較試料１に比べて試料１の陰極は明らかに消耗が少なく、また試料２の陰極は約６５％、試料３〜５の陰極は約４０％の消耗量となり、特に試料４が最も消耗が少ない結果となった。また、図には示していないが、比較試料にホウ酸化ストロンチウムを５質量％加えた試料を製作し、同様の試験を行った結果、比較試料１に比べて約８０％の消耗量となった。

（実施例２）
極性の影響と可動側固定側の影響を比較するために、試料４（ホウ酸化ストロンチウム１．５質量％）を使用し、極性を入れ替えて実施例１と同様の試験を行った。（図３、４）
試験結果より、可動固定に関わらず、陰極側の体積消耗量が陽極側の体積消耗量と比較して６０％〜７０％に抑えられることがわかった。

（実施例３）
実施例３として、可動側を陽極、固定側を陰極とし、実施例１と同じ試験片を使い、試験電圧をＡＣ２３０Ｖ、試験電流１００Ａ、通電時間１秒、試験間隔２秒、試験片サイズ２ｍｍ×８ｍｍ×８ｍｍという条件で開閉試験を２０，０００回行い、試験片の接触抵抗を比較した。

前記試料１〜５は前記比較試料１と比べて接触抵抗の増加が低く、２０，０００回開閉後の接触抵抗値は比較試料１の７０％程度まで低下した。
前記実施例１〜３のいずれの試験においても溶着は発生しなかった。

（実施例４）
前記実施例１で使用した試験片のＷ部分をＷＣに入れ替えた試験片を比較試料２、試料６〜１０として試験を実施した。
比較試料２に比べて試料６の陰極は明らかに消耗が少なく、また試料７の陰極は約６５％、試料８〜１０の陰極は約４０％の消耗量となり、特に試料４が最も消耗が少ない結果となった。

（実施例５）
前記実施例３で使用した試験片のＷ部分をＷＣに入れ替えた試験片を比較試料２、試料６〜１０として試験を実施した。
前記試料６〜１０は前記比較試料２と比べて接触抵抗の増加が低く、２０，０００回開閉後の接触抵抗値は比較試料２の７０％程度まで低下した結果となった。
前記実施例４、５のいずれの試験においても溶着は発生しなかった。

（実施例６）
まず平均粒子径が２μｍのＷ粉末（第１成分）と、平均粒子径が２μｍのＡｇ（第２成分）、平均粒子径が７μｍのホウ酸化ストロンチウム粉末（第３成分）、平均粒子径が１００μｍ以下のＣ粉末と平均粒子径が２μｍのＶＣ粉末（第４成分）をヘンシェルミキサーにて３０分間混合し、混合粉末を得た。このとき、ホウ酸化ストロンチウムの配合量を変更することで６種類の粉末を製作した。

耐熱容器に成形体が十分収まる凹状部の部位を設けてその中に成形体を設置し、Ｈ_２雰囲気１１５０℃にて６０分間焼結を行なうことによって、Ａｇ中にＷ粒子、ホウ酸化ストロンチウム粒子およびＣ粒子が分散した構造を有する材料を得た。
得られた材料を金型に入れ、圧力をかけ高密度化した後に、フライス盤にて切削加工を行なって直方体の試験片に成形し、試験に用いる電気接点を作製した。ＷＣと第４成分の合計質量は２１質量％（ＷＣ１２質量％、Ｃ３質量％、ＶＣ６質量％）、Ａｇの質量は７９質量％であった。この試験片気孔率は３％未満であった。この試験片の導電率を測定したところ、導電率は４０％ＩＡＣＳであった。

前記電気接点に含まれるホウ酸化ストロンチウムは第１成分および第２成分と比較して０質量％を比較試料３とし、０．１質量％、０．５質量％、１．０質量％、１．５質量％、２．０質量％、５．０質量％であり、それぞれ、試料１１〜試料１６とする。

前記試料１１〜１６の断面をＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）にて観察すると、ホウ酸化物はその大部分がＡｇとＷＣの粒界に存在していることが確認された。ホウ酸化物をＸＲＤにて測定したところ、ピーク強度比で９０％のＳｒ_２Ｂ_２Ｏ_５と、１０％のＳｒＢ_２Ｏ_４がみられた。

前記比較例３および試料例１１〜１６を使用して実施例１と同じ試験を実施した。
試験の結果は、比較試料３に比べて試料１１はほとんど変わらず、試料１２は約９０％、試料１３〜１６は約８０％、試料１６は約９０％の消耗量となり、特に試料１４が最も消耗が少なかった。

前記試料１１〜１６は前記比較試料３と比べて接触抵抗の増加が低く、２０，０００回開閉後の接触抵抗値は比較試料４の８０％程度まで低下した。
試料の１１〜１６は、いずれの試験においても溶着が発生しなかった。

Claims

電気接点に用いる材料であって、
ＷＣである第１成分と、
ＣｕおよびＡｇから選択する第２成分と、
Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇおよび希土類金属のいずれかのホウ酸化物から選択する少なくとも１種または２種以上の第３成分と、
Ｃ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＶおよびＰの単体またはいずれか２種以上からなる化合物からなる群から選択する少なくとも１種または２種以上から選択する第４成分
とを含有する電気接点材料。
前記電気接点材料が直流電流遮断用電気接点材料である、請求項１に記載の電気接点材料。
前記電気接点材料が直流電流遮断用電気接点の陰極材料である、請求項２に記載の電気接点材料。
前記第１成分が２０〜９０質量％、
前記第２成分が８０〜２０質量％、
前記第３成分と前記第４成分が合せて０．１質量％以上１４質量％以下である
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電気接点材料。
前記第１成分の平均粒子径と、前記第３成分の平均粒子径が共に２０μｍ以下である
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電気接点材料。
前記第１成分、前記第３成分および前記第４成分が連続した開気孔を有する多孔質体の形状を有し、
前記第２成分を開気孔中に充填した構造を有する
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電気接点材料。
前記第２成分のマトリックス中に、
前記第１成分および前記第３成分および前記第４成分が分散した構造を有する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電気接点材料。
気孔率が１０％以下である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電気接点材料。
導電率が１０％ＩＡＣＳ以上である請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電気接点材料。