JP6403659B2 - 複合粉末及びその製造方法、並びに電気接点材料及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、複合粉末及びその製造方法、並びに電気接点材料及びその製造方法に関する。
電気接点は、遮断器、開閉器などにおいて電極の開閉動作により、電流を断続させる重要な部品である。電気接点の接点部は、電極を開閉する際にアークが発生して発熱し、数千℃の高温に曝される。そのため、この接点部に用いられる材料（以下、「電気接点材料」という。）は、溶融及び蒸発によって消耗が激しくなると共に、酸化による変質によって通電性能も低下する。また、電気接点の接点部は開極時に室温まで冷却されるため、急激な温度変化によって電気接点材料の内部に熱応力が発生すると共に、閉極時には機械的な衝撃力に電気接点材料が曝される。これらの要因により、電気接点材料の消耗が加速する。したがって、電気接点材料には、消耗を抑える観点から、耐酸化性、機械的耐久性及び導電性（通電性能）が高いことが要求される。
従来、電気接点材料として、Ａｇ−酸化物系電気接点材料が一般に知られている。Ａｇ−酸化物系電気接点材料は、耐酸化性、導電性などに優れたＡｇを主成分とし、電気接点材料に必要な特性である耐溶着性、耐消耗性などを付加するために、易酸化性金属（以下、「Ｍｅ」と略す。）の酸化物をＡｇ中に分散させた材料である。ＭｅＯの例としては、ＺｎＯ、ＣｄＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＣｕＯなどが挙げられる。
しかしながら、Ａｇ−酸化物系電気接点材料に主成分として含有されるＡｇは高価な貴金属材料であるため、製造コストが上昇するという問題がある。そのため、安価な電気接点材料の開発が望まれている。
しかしながら、Ａｇ−酸化物系電気接点材料に主成分として含有されるＡｇは高価な貴金属材料であるため、製造コストが上昇するという問題がある。そのため、安価な電気接点材料の開発が望まれている。
Ｃｕは、Ａｇに比べて安価であり且つ導電性が高いため、電気接点材料にＣｕを用いることが提案されている。また、Ｃｕの酸化を防止するために、Ｃｕと共にグラファイト（黒鉛）を用いることも提案されている。このＣｕ−グラファイト系電気接点材料は、電極の開閉動作の際に、グラファイトが酸化してＣＯガス又はＣＯ２ガスを生成し、還元雰囲気などの非酸化雰囲気を生じさせるため、Ｃｕの酸化を防止することができる。また、ＣＯガス又はＣＯ２ガスの生成による体積膨張により、消弧作用を得ることもできる。さらに、グラファイトは、非金属類の中でも良好な導電性を示す物質であるため、電気接点材料の通電性能を高めることができる。
一般に、Ｃｕ−グラファイト系電気接点材料は、Ｃｕ粉末とグラファイト粉末とを混合して成形することによって製造される。しかしながら、金属であるＣｕ粉末は、非金属であるグラファイト粉末と馴染み難い（すなわち、親和性が低い）ため、成形物にボイド又はクラックなどの欠陥が生じ易い。さらに、Ｃｕ粉末又はグラファイト粉末の凝集が発生し易く、電気接点材料の内部組織にバラツキが生じてしまう結果、電気接点材料の通電性能及び機械的耐久性が低下する。
そこで、Ｃｕ−グラファイト系電気接点材料の通電性能及び機械的耐久性を向上させるために、グラファイト粉末の表面にＣｕ層をめっき処理によって形成して得られた複合粉末を成形した後、焼結させることによってＣｕ−グラファイト系電気接点材料を製造する方法が提案されている。この製造方法によれば、内部組織を均一にすることができるため、Ｃｕ−グラファイト系電気接点材料の通電性能及び機械的耐久性を向上させることができる。
しかしながら、グラファイト粉末の表面にＣｕ層をめっき処理によって形成して得られた複合粉末は、グラファイト粉末とＣｕ層との密着性が依然として十分ではない。そのため、この複合粉末を用いて製造された電気接点材料は、電極の開閉時の衝撃力により、グラファイト粉末とＣｕ層との間の界面に沿ってクラックが進展し、破壊に至る可能性が高い。
しかしながら、グラファイト粉末の表面にＣｕ層をめっき処理によって形成して得られた複合粉末は、グラファイト粉末とＣｕ層との密着性が依然として十分ではない。そのため、この複合粉末を用いて製造された電気接点材料は、電極の開閉時の衝撃力により、グラファイト粉末とＣｕ層との間の界面に沿ってクラックが進展し、破壊に至る可能性が高い。
そこで、グラファイト粉末とＣｕ層との密着性を改善する方法として、特許文献１には、グラファイト粉末の表面に、Ｚｎ層、Ｓｎ層、Ｐｂ層又は半田層から選ばれる金属中間層（内層）を形成し、金属中間層の表面にＣｕ層（外層）をさらに形成した複合粉末を用いて電気接点材料を製造することが提案されている。
しかしながら、特許文献１の複合粉末は、金属中間層とＣｕ層と間の密着性は良好であるものの、グラファイト粉末と金属中間層との間の密着性が十分でない。そのため、この複合粉末から電気接点材料を製造した場合、電気接点材料の機械的耐久性が低くなる。また、特許文献１の複合粉末は、金属中間層が融点及び沸点が低い材料から形成されているため、高温での熱処理が難しい。実際、電気接点材料を製造する際、焼結工程において高温にすると金属中間層が溶融して形状が崩れ易くなり、逆に低温にすると焼結が不十分となって内部にボイドが残り易い。また、この電気接点材料を接点部に用いた場合、アーク発生時の高温環境下で金属中間層が溶融又は揮発してしまい、電気接点材料の溶着又は消耗が激しくなる。
上記のように、グラファイト粉末と金属中間層との間の密着性が不十分な複合粉末を用いて電気接点材料を製造すると、電気接点材料の機械的耐久性、耐溶着性及び耐消耗性が低くなるという問題があった。
上記のように、グラファイト粉末と金属中間層との間の密着性が不十分な複合粉末を用いて電気接点材料を製造すると、電気接点材料の機械的耐久性、耐溶着性及び耐消耗性が低くなるという問題があった。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、金属中間層とＣｕ層との間の密着性だけでなくグラファイト粉末と金属中間層との間の密着性も高い複合粉末及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、機械的耐久性、耐溶着性及び耐消耗性に優れる電気接点材料及びその製造を提供することを目的とする。
また、本発明は、機械的耐久性、耐溶着性及び耐消耗性に優れる電気接点材料及びその製造を提供することを目的とする。
本発明者らは、グラファイト粉末の表面に金属中間層を介してＣｕ層が形成された複合粉末について鋭意研究を続けた結果、グラファイト粉末と金属中間層との間及び金属中間層とＣｕ層との間に固溶拡散層を形成することにより、上記の問題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、グラファイト粉末の表面に金属中間層を介してＣｕ層が形成された複合粉末であって、前記グラファイト粉末と前記金属中間層との間及び前記金属中間層と前記Ｃｕ層との間に固溶拡散層が形成されていることを特徴とする複合粉末である。
また、本発明は、グラファイト粉末の表面に金属中間層を形成した後、熱処理を行う工程と、前記金属中間層の表面にＣｕ層を形成した後、熱処理を行う工程とを含む複合粉末の製造方法である。
すなわち、本発明は、グラファイト粉末の表面に金属中間層を介してＣｕ層が形成された複合粉末であって、前記グラファイト粉末と前記金属中間層との間及び前記金属中間層と前記Ｃｕ層との間に固溶拡散層が形成されていることを特徴とする複合粉末である。
また、本発明は、グラファイト粉末の表面に金属中間層を形成した後、熱処理を行う工程と、前記金属中間層の表面にＣｕ層を形成した後、熱処理を行う工程とを含む複合粉末の製造方法である。
また、本発明は、前記複合粉末の加圧焼結体からなる電気接点材料であって、前記複合粉末の前記Ｃｕ層が前記電気接点材料のマトリックスを形成していることを特徴とする電気接点材料である。
さらに、本発明は、前記複合粉末を加圧成形した後、焼結させることを特徴とする電気接点材料の製造方法である。
さらに、本発明は、前記複合粉末を加圧成形した後、焼結させることを特徴とする電気接点材料の製造方法である。
本発明によれば、金属中間層とＣｕ層との間の密着性だけでなくグラファイト粉末と金属中間層との間の密着性も高い複合粉末及びその製造方法を提供することができる。
また、本発明によれば、機械的耐久性、耐溶着性及び耐消耗性に優れる電気接点材料及びその製造を提供することができる。
また、本発明によれば、機械的耐久性、耐溶着性及び耐消耗性に優れる電気接点材料及びその製造を提供することができる。
以下、本発明の複合粉末及びその製造方法、並びに電気接点材料及びその製造方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態の複合粉末の断面模式図である。図１において、複合粉末１は、グラファイト粉末２の表面に金属中間層３を介してＣｕ層４が形成されている。また、グラファイト粉末２と金属中間層３との間及び金属中間層３とＣｕ層４との間に固溶拡散層５が形成されている。ここで、本明細書において「固溶拡散層５」とは、グラファイト粉末２又はＣｕ層４に含有される原子と、金属中間層３に含有される原子とが相互に拡散した層、又はそれらの原子が相互に溶け合って固溶体となった層のことを意味する。
図１は、本実施の形態の複合粉末の断面模式図である。図１において、複合粉末１は、グラファイト粉末２の表面に金属中間層３を介してＣｕ層４が形成されている。また、グラファイト粉末２と金属中間層３との間及び金属中間層３とＣｕ層４との間に固溶拡散層５が形成されている。ここで、本明細書において「固溶拡散層５」とは、グラファイト粉末２又はＣｕ層４に含有される原子と、金属中間層３に含有される原子とが相互に拡散した層、又はそれらの原子が相互に溶け合って固溶体となった層のことを意味する。
グラファイト粉末２の平均粒子径は、特に限定されないが、好ましくは５μｍ以上５０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以上４０μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３０μｍ以下である。ここで、本明細書において「平均粒子径」とは、レーザー回折散乱法による粒度分布測定によって求められる、粒度分布（数分布）における積算値５０％での粒子径を意味する。平均粒子径は、市販のレーザー回折散乱式粒度分布計を用いて測定することができる。
金属中間層３としては、炭素原子及びＣｕ原子と固溶又は拡散することが可能な金属材料から形成されていれば特に限定されず、Ｃｕ−グラファイト系電気接点材料に一般に用いられる金属材料から形成することができる。その中でも、電気接点材料を製造する際の焼結工程において金属中間層３の溶融を防止する観点から、金属中間層３は、融点が高い金属材料、特に８００℃以上の融点を有する金属材料から形成されることが好ましい。このような金属材料としては、特に限定されないが、Ｖ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｙ、Ａｇなどが挙げられる。これらは、単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
金属中間層３は、単層構造であり得るが、少なくとも２つの層を含む積層構造としてもよい。金属中間層３に用いる金属材料の種類にも依存するが、金属中間層３を積層構造とすることにより、電気接点材料の特性を向上させることができる場合がある。金属中間層３の好ましい積層構造としては、Ｙ層及びＡｇ層からなる２層構造である。
金属中間層３の厚さは、特に限定されないが、好ましくは０．２μｍ以上２μｍ以下、より好ましくは０．３μｍ以上１．８μｍ以下、さらに好ましくは０．４μｍ以上１．５μｍ以下である。
ここで、本明細書において、複合粉末１を構成する各層の厚さは、複合粉末１を埋め込み材樹脂（ポリマー）に添加して固化したサンプルを切断した後、複合粉末１の断面をＳＥＭ観察し、ＥＤＳ元素分析を行うことによって測定することができる。各層の厚さは、５個の複合粉末１で測定し、その平均値を算出すればよい。
金属中間層３の厚さは、特に限定されないが、好ましくは０．２μｍ以上２μｍ以下、より好ましくは０．３μｍ以上１．８μｍ以下、さらに好ましくは０．４μｍ以上１．５μｍ以下である。
ここで、本明細書において、複合粉末１を構成する各層の厚さは、複合粉末１を埋め込み材樹脂（ポリマー）に添加して固化したサンプルを切断した後、複合粉末１の断面をＳＥＭ観察し、ＥＤＳ元素分析を行うことによって測定することができる。各層の厚さは、５個の複合粉末１で測定し、その平均値を算出すればよい。
Ｃｕ層４の厚さは、特に限定されないが、好ましくは０．５μｍ以上５μｍ以下、より好ましくは０．８μｍ以上４μｍ以下、さらに好ましくは１．０μｍ以上３μｍ以下である。
グラファイト粉末２と金属中間層３との間に形成される固溶拡散層５は、グラファイト粉末２に含有される炭素原子と、金属中間層３に含有される原子とが相互に固溶又は拡散した層である。
非金属であるグラファイト粉末２と金属である金属中間層３とは親和性が低いため、通常、グラファイト粉末２と金属中間層３との間の密着性が低い。しかしながら、グラファイト粉末２と金属中間層３との間に固溶拡散層５を形成することにより、グラファイト粉末２と金属中間層３との間の密着性を拡散接合によって向上させることができる。
非金属であるグラファイト粉末２と金属である金属中間層３とは親和性が低いため、通常、グラファイト粉末２と金属中間層３との間の密着性が低い。しかしながら、グラファイト粉末２と金属中間層３との間に固溶拡散層５を形成することにより、グラファイト粉末２と金属中間層３との間の密着性を拡散接合によって向上させることができる。
金属中間層３とＣｕ層４との間に形成される固溶拡散層５は、金属中間層３に含有される原子と、Ｃｕ層４に含有されるＣｕ原子とが相互に固溶又は拡散した層である。
金属中間層３及びＣｕ層４はともに金属であるため、金属中間層３とＣｕ層４との間の親和性が低いというわけではない。しかしながら、金属中間層３とＣｕ層４との間の密着性が十分であるとはいえないため、金属中間層３とＣｕ層４との間に固溶拡散層５を形成することにより、金属中間層３とＣｕ層４との間の密着性を拡散接合によって向上させている。
金属中間層３及びＣｕ層４はともに金属であるため、金属中間層３とＣｕ層４との間の親和性が低いというわけではない。しかしながら、金属中間層３とＣｕ層４との間の密着性が十分であるとはいえないため、金属中間層３とＣｕ層４との間に固溶拡散層５を形成することにより、金属中間層３とＣｕ層４との間の密着性を拡散接合によって向上させている。
グラファイト粉末２と金属中間層３との間及び金属中間層３とＣｕ層４との間に形成される固溶拡散層５の厚さは、特に限定されないが、好ましくは０．０１μｍ以上２μｍ以下、より好ましくは０．０５μｍ以上１．５μｍ以下、さらに好ましくは０．１μｍ以上１．０μｍ以下である。
上記のような特徴を有する複合粉末１は、グラファイト粉末２の表面に金属中間層３を形成した後、熱処理を行う工程と、金属中間層３の表面にＣｕ層４を形成した後、熱処理を行う工程とを含む方法によって製造することができる。
グラファイト粉末２の表面に金属中間層３を形成する方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法を用いることができる。この形成方法の例としては、電解めっき、無電解めっきなどの湿式めっき；真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリングのような物理気相成長（ＰＶＤ）、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤのような化学気相成長（ＣＶＤ）などの乾式めっきが挙げられる。これらの方法の中でもイオンプレーティングは、他の方法に比べて、グラファイト粉末２の表面に対する金属中間層３の密着性を高めることができるため好ましい。
グラファイト粉末２の表面に金属中間層３を形成する方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法を用いることができる。この形成方法の例としては、電解めっき、無電解めっきなどの湿式めっき；真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリングのような物理気相成長（ＰＶＤ）、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤのような化学気相成長（ＣＶＤ）などの乾式めっきが挙げられる。これらの方法の中でもイオンプレーティングは、他の方法に比べて、グラファイト粉末２の表面に対する金属中間層３の密着性を高めることができるため好ましい。
イオンプレーティングは、プラズマを利用して蒸発粒子の一部をイオン又は励起粒子とし、活性化して蒸着する方法である。イオンプレーティングは、市販のイオンプレーティング装置を用いて行うことができる。
イオンプレーティングの条件は、使用するイオンプレーティング装置の種類に応じて適宜設定すればよく特に限定されないが、イオンプレーティングを行う際、グラファイト粉末２の表面に金属中間層３を均一に形成するために、グラファイト粉末２を振動させることが好ましい。また、蒸発源としては、金属中間層３に対応する組成を有する金属板を用いればよい。
イオンプレーティングの条件は、使用するイオンプレーティング装置の種類に応じて適宜設定すればよく特に限定されないが、イオンプレーティングを行う際、グラファイト粉末２の表面に金属中間層３を均一に形成するために、グラファイト粉末２を振動させることが好ましい。また、蒸発源としては、金属中間層３に対応する組成を有する金属板を用いればよい。
例えば、イオンプレーティングは次のようにして行うことができる。まず、イオンプレーティング装置内にグラファイト粉末２を配置する。次に、イオンプレーティング装置内の真空度を３×１０−２Ｐａ以下まで下げた後、高周波コイルに１００Ｗ〜２００Ｗの電力を供給し、蒸発源を６００℃〜１０００℃に加熱する。この温度範囲に蒸発源を約５分程度保持した後、ターゲットであるグラファイト粉末２に−５００Ｖ〜−６００Ｖの直流電圧をかける。その後、シャッターを開き、約５０ｎｍ／分の成膜速度にて１０分〜１００分間成膜することにより、金属中間層３を形成することができる。
グラファイト粉末２の表面に形成する金属中間層３の厚さは、特に限定されないが、好ましくは０．２μｍ以上２．５μｍ以下、より好ましくは０．３μｍ以上２．０μｍ以下、さらに好ましくは０．５μｍ以上１．８μｍ以下である。
上記のような方法によってグラファイト粉末２の表面に金属中間層３を形成しただけでは、グラファイト粉末２と金属中間層３と間の密着性が十分ではない。そこで、グラファイト粉末２の表面に金属中間層３を形成した後に熱処理を行うことにより、グラファイト粉末２と金属中間層３との間を拡散接合して密着性を向上させる。このとき、グラファイト粉末２と金属中間層３との間に固溶拡散層５が生成する。
グラファイト粉末２の表面に金属中間層３を形成した後に行われる熱処理の条件としては、金属中間層３に用いる金属材料の種類に応じて適宜設定すればよく、特に限定されない。例えば、熱処理は、Ａｒガス、Ｎ２ガスなどの不活性ガス雰囲気下、２００℃〜１７００℃で２時間程度加熱することによって行うことができる。
グラファイト粉末２の表面に金属中間層３を形成した後に行われる熱処理の条件としては、金属中間層３に用いる金属材料の種類に応じて適宜設定すればよく、特に限定されない。例えば、熱処理は、Ａｒガス、Ｎ２ガスなどの不活性ガス雰囲気下、２００℃〜１７００℃で２時間程度加熱することによって行うことができる。
具体的には、金属中間層３に用いる金属材料としてＶを用いる場合、加熱温度は１３００℃〜１７００℃に設定することが好ましい。金属中間層３に用いる金属材料としてＭｎを用いる場合、加熱温度は２００℃〜７００℃に設定することが好ましい。金属中間層３に用いる金属材料としてＣｏを用いる場合、加熱温度は８００℃〜１４００℃に設定することが好ましい。金属中間層３に用いる金属材料としてＦｅ又はＹを用いる場合、加熱温度は７００℃〜１４００℃に設定することが好ましい。金属中間層３に用いる金属材料としてＡｇを用いる場合、加熱温度は６００℃〜８００℃に設定することが好ましい。
金属中間層３の表面にＣｕ層４を形成する方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法を用いることができる。この形成方法の例としては、電解めっき、無電解めっきなどの湿式めっき；真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリングのような物理気相成長（ＰＶＤ）、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤのような化学気相成長（ＣＶＤ）などの乾式めっきが挙げられる。これらの方法の中でも、コストなどの観点から、無電解めっき又は電解めっきが好ましい。
Ｃｕ層４を無電解めっき又は電解めっきによって形成する場合、使用するめっき浴は、Ｃｕ層４を形成し得るものであれば特に限定されない。
Ｃｕ層４を無電解めっきする場合、置換Ｃｕめっきを用いることができる。例えば、Ｃｕイオンを含むめっき浴（例えば、ロッセル塩タイプの無電解Ｃｕめっき液、ＥＤＴＡタイプの無電解Ｃｕめっき液など）に金属中間層３が形成されたグラファイト粉末２を浸漬することにより、金属中間層３の金属が溶解し、その際に放出される電子によってめっき浴中のＣｕイオンが還元されてＣｕ層４が形成される。
Ｃｕ層４を電解めっきする場合、その条件は、Ｃｕ層４を形成し得る条件であれば特に限定されない。例えば、硫酸銅２００ｇ／Ｌ、硫酸４０〜６０ｇ／Ｌ、塩素イオン（Ｃｌ−）５〜８０ｍｇ／Ｌを含むめっき浴に、めっき浴温度６０℃、電流密度２０Ａ／ｄｍ２〜４０Ａ／ｄｍ２、粉末投入量５ｇ／ｄｍ３〜１５ｇ／ｄｍ３、めっき時間１０分〜８０分として電解めっきを行なえばよい。
Ｃｕ層４を無電解めっきする場合、置換Ｃｕめっきを用いることができる。例えば、Ｃｕイオンを含むめっき浴（例えば、ロッセル塩タイプの無電解Ｃｕめっき液、ＥＤＴＡタイプの無電解Ｃｕめっき液など）に金属中間層３が形成されたグラファイト粉末２を浸漬することにより、金属中間層３の金属が溶解し、その際に放出される電子によってめっき浴中のＣｕイオンが還元されてＣｕ層４が形成される。
Ｃｕ層４を電解めっきする場合、その条件は、Ｃｕ層４を形成し得る条件であれば特に限定されない。例えば、硫酸銅２００ｇ／Ｌ、硫酸４０〜６０ｇ／Ｌ、塩素イオン（Ｃｌ−）５〜８０ｍｇ／Ｌを含むめっき浴に、めっき浴温度６０℃、電流密度２０Ａ／ｄｍ２〜４０Ａ／ｄｍ２、粉末投入量５ｇ／ｄｍ３〜１５ｇ／ｄｍ３、めっき時間１０分〜８０分として電解めっきを行なえばよい。
金属中間層３の表面に形成するＣｕ層４の厚さは、特に限定されないが、好ましくは０．５μｍ以上５．５μｍ以下、より好ましくは０．８μｍ以上５μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以上４．５μｍ以下である。
上記のような方法によって金属中間層３の表面にＣｕ層４を形成しただけでは、金属中間層３とＣｕ層４と間の密着性が十分ではない。そこで、金属中間層３の表面にＣｕ層４を形成した後に熱処理を行うことにより、金属中間層３とＣｕ層４との間を拡散接合して密着性を向上させる。このとき、金属中間層３とＣｕ層４との間に固溶拡散層５が生成する。
金属中間層３の表面にＣｕ層４を形成した後に行われる熱処理の条件としては、金属中間層３に用いる金属材料の種類に応じて適宜設定すればよく、特に限定されない。例えば、熱処理は、Ａｒガス、Ｎ２ガスなどの不活性ガス雰囲気下、３００℃〜１０００℃で２時間程度加熱することによって行うことができる。
金属中間層３の表面にＣｕ層４を形成した後に行われる熱処理の条件としては、金属中間層３に用いる金属材料の種類に応じて適宜設定すればよく、特に限定されない。例えば、熱処理は、Ａｒガス、Ｎ２ガスなどの不活性ガス雰囲気下、３００℃〜１０００℃で２時間程度加熱することによって行うことができる。
具体的には、金属中間層３に用いる金属材料としてＶを用いる場合、加熱温度は８００℃〜１０００℃に設定することが好ましい。金属中間層３に用いる金属材料としてＭｎを用いる場合、加熱温度は３００℃〜８００℃に設定することが好ましい。金属中間層３に用いる金属材料としてＣｏを用いる場合、加熱温度は８００℃〜１０００℃に設定することが好ましい。金属中間層３に用いる金属材料としてＦｅ又はＹを用いる場合、加熱温度は７００℃〜１０００℃に設定することが好ましい。金属中間層３に用いる金属材料としてＡｇを用いる場合、加熱温度は４００℃〜８００℃に設定することが好ましい。
上記のようにして製造される複合粉末１は、固溶拡散層５によって、金属中間層３とＣｕ層４との間の密着性だけでなくグラファイト粉末２と金属中間層３との間の密着性が高い。
本実施の形態の複合粉末１は、上記のような特性を有するため、電気接点材料、カーボンブラシ、摺動材、摩擦材料、耐摩耗材、溶射材料、含油軸受などの各種用途で用いることができる。その中でも、本実施の形態の複合粉末１は、電気接点材料に用いるのに特に適している。
本実施の形態の複合粉末１は、上記のような特性を有するため、電気接点材料、カーボンブラシ、摺動材、摩擦材料、耐摩耗材、溶射材料、含油軸受などの各種用途で用いることができる。その中でも、本実施の形態の複合粉末１は、電気接点材料に用いるのに特に適している。
実施の形態２．
図２は、本実施の形態の電気接点材料の断面模式図である。図２において、電気接点材料１０は、実施の形態１の複合粉末１の加圧焼結体から構成される。また、この加圧焼結体は、複合粉末１のＣｕ層４が、電気接点材料１０のマトリックス１１を形成している。
上記のような構造を有する電気接点材料１０は、実施の形態１の複合粉末１を加圧成形した後、焼結させることによって製造することができる。
図２は、本実施の形態の電気接点材料の断面模式図である。図２において、電気接点材料１０は、実施の形態１の複合粉末１の加圧焼結体から構成される。また、この加圧焼結体は、複合粉末１のＣｕ層４が、電気接点材料１０のマトリックス１１を形成している。
上記のような構造を有する電気接点材料１０は、実施の形態１の複合粉末１を加圧成形した後、焼結させることによって製造することができる。
加圧成形時の加圧力としては、特に限定されず、使用する加圧成形装置の種類に応じて適宜調整すればよい。例えば、加圧力は、一般に１０ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下、より好ましくは１５ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下、さらに好ましくは３０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下である。
焼結時の加熱温度としては、特に限定されないが、好ましくは２００℃以上１０００℃以下、より好ましくは４００℃以上９００℃以下、さらに好ましくは６００℃以上８００℃以下である。
焼結時間としては、特に限定されないが、好ましくは５分以上１００分以下、より好ましくは１０分以上８０分以下、さらに好ましくは１５分以上６０分以下である。
焼結時の雰囲気としては、特に限定されないが、Ｃｕの酸化を防止する観点から、真空又は不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。
なお、焼結方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の焼結装置を用いて行えばよい。
焼結時の加熱温度としては、特に限定されないが、好ましくは２００℃以上１０００℃以下、より好ましくは４００℃以上９００℃以下、さらに好ましくは６００℃以上８００℃以下である。
焼結時間としては、特に限定されないが、好ましくは５分以上１００分以下、より好ましくは１０分以上８０分以下、さらに好ましくは１５分以上６０分以下である。
焼結時の雰囲気としては、特に限定されないが、Ｃｕの酸化を防止する観点から、真空又は不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。
なお、焼結方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の焼結装置を用いて行えばよい。
上記のようにして製造される電気接点材料１０は、複合粉末１の最外層であるＣｕ層４が焼結時に溶融して電気接点材料１０のマトリックス１１となる。この電気接点材料１０は、グラファイト粉末２と金属中間層３との間及び金属中間層３とＣｕ層４との間の密着性が高い複合粉末１を用いているため、加圧成形工程及び焼結工程を経ても、グラファイト粉末２と金属中間層３との間及び金属中間層３とＣｕ層４（マトリックス１１）との間の密着性が確保される。そのため、電気接点材料１０にクラック又はボイドなどの欠陥が発生し難く、電気接点材料１０の機械的耐久性、耐溶着性及び耐消耗性を向上させることが可能となる。
以下、実施例及び比較例によって本発明の詳細を説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
まず、下記の実施例１−１〜１−５では、金属中間層の種類を変えて実験を行った。
（実施例１−１）
平均粒子径が２０μｍのグラファイト粉末（１００ｇ〜５００ｇ）をイオンプレーティング装置内に配置した。次に、イオンプレーティング装置内の真空度を３×１０−２Ｐａ以下まで下げた後、高周波コイルに１００Ｗ〜２００Ｗの電力を供給し、蒸発源を６００℃〜１０００℃に加熱した。ここで、蒸発源には、純度９９％、直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＶ板を用いた。上記の範囲に蒸発源を約５分程度保持した後、グラファイト粉末に−５００Ｖ〜−６００Ｖの直流電圧をかけた。その後、シャッターを開き、約５０ｎｍ／分の成膜速度にて約３６分間成膜することにより、金属中間層であるＶ層（厚さ１．８μｍ）を形成した。成膜中、グラファイト粉末の表面にＶ層を均一に形成するために、グラファイト粉末を振動させた。次に、Ｖ層を表面に形成したグラファイト粉末をＡｒガス雰囲気下、１５００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行った。次に、熱処理した粉末を、錯化剤にＥＤＴＡを用いた硫酸銅めっき液に浸漬することによって置換Ｃｕめっきを行ない、Ｖ層の表面にＣｕ層（厚さ１．８μｍ）を形成した。その後、Ｃｕ層を形成した粉末をＡｒガス雰囲気下、９００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行うことにより、複合粉末を得た。
まず、下記の実施例１−１〜１−５では、金属中間層の種類を変えて実験を行った。
（実施例１−１）
平均粒子径が２０μｍのグラファイト粉末（１００ｇ〜５００ｇ）をイオンプレーティング装置内に配置した。次に、イオンプレーティング装置内の真空度を３×１０−２Ｐａ以下まで下げた後、高周波コイルに１００Ｗ〜２００Ｗの電力を供給し、蒸発源を６００℃〜１０００℃に加熱した。ここで、蒸発源には、純度９９％、直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＶ板を用いた。上記の範囲に蒸発源を約５分程度保持した後、グラファイト粉末に−５００Ｖ〜−６００Ｖの直流電圧をかけた。その後、シャッターを開き、約５０ｎｍ／分の成膜速度にて約３６分間成膜することにより、金属中間層であるＶ層（厚さ１．８μｍ）を形成した。成膜中、グラファイト粉末の表面にＶ層を均一に形成するために、グラファイト粉末を振動させた。次に、Ｖ層を表面に形成したグラファイト粉末をＡｒガス雰囲気下、１５００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行った。次に、熱処理した粉末を、錯化剤にＥＤＴＡを用いた硫酸銅めっき液に浸漬することによって置換Ｃｕめっきを行ない、Ｖ層の表面にＣｕ層（厚さ１．８μｍ）を形成した。その後、Ｃｕ層を形成した粉末をＡｒガス雰囲気下、９００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行うことにより、複合粉末を得た。
（実施例１−２）
蒸発源として純度９９％、直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＭｎ板を用い、Ｍｎ層（厚さ１．８μｍ）形成後の熱処理における加熱温度を４５０℃、Ｃｕ層（厚さ１．８μｍ）形成後の熱処理における加熱温度を５５０℃に変更したこと以外は実施例１−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例１−３）
蒸発源として純度９９％、直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＣｏ板を用い、Ｃｏ層（厚さ１．８μｍ）形成後の熱処理における加熱温度を１１００℃、Ｃｕ層（厚さ１．８μｍ）形成後の熱処理における加熱温度を９００℃に変更すると共に、硫酸銅２００ｇ／Ｌ、硫酸４０〜６０ｇ／Ｌ、塩素イオン（Ｃｌ−）５〜８０ｍｇ／Ｌを含むめっき浴に、めっき浴温度６０℃、電流密度３０Ａ／ｄｍ２、粉末投入量５ｇ／ｄｍ３〜１５ｇ／ｄｍ３、めっき時間４０分の条件で電解めっきを行なうことによってＣｕ層（厚さ１．８μｍ）を形成したこと以外は実施例１−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例１−４）
蒸発源として純度９９％、直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＦｅ板を用い、Ｆｅ層（厚さ１．８μｍ）形成後の熱処理における加熱温度を１０５０℃、Ｃｕ層（厚さ１．８μｍ）形成後の熱処理における加熱温度を８５０℃に変更したこと以外は実施例１−１と同様にして複合粉末を得た。
蒸発源として純度９９％、直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＭｎ板を用い、Ｍｎ層（厚さ１．８μｍ）形成後の熱処理における加熱温度を４５０℃、Ｃｕ層（厚さ１．８μｍ）形成後の熱処理における加熱温度を５５０℃に変更したこと以外は実施例１−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例１−３）
蒸発源として純度９９％、直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＣｏ板を用い、Ｃｏ層（厚さ１．８μｍ）形成後の熱処理における加熱温度を１１００℃、Ｃｕ層（厚さ１．８μｍ）形成後の熱処理における加熱温度を９００℃に変更すると共に、硫酸銅２００ｇ／Ｌ、硫酸４０〜６０ｇ／Ｌ、塩素イオン（Ｃｌ−）５〜８０ｍｇ／Ｌを含むめっき浴に、めっき浴温度６０℃、電流密度３０Ａ／ｄｍ２、粉末投入量５ｇ／ｄｍ３〜１５ｇ／ｄｍ３、めっき時間４０分の条件で電解めっきを行なうことによってＣｕ層（厚さ１．８μｍ）を形成したこと以外は実施例１−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例１−４）
蒸発源として純度９９％、直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＦｅ板を用い、Ｆｅ層（厚さ１．８μｍ）形成後の熱処理における加熱温度を１０５０℃、Ｃｕ層（厚さ１．８μｍ）形成後の熱処理における加熱温度を８５０℃に変更したこと以外は実施例１−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例１−５）
蒸発源として純度９９％、直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＹ板を用い、実施例１−１と同様の条件にてイオンプレーティングを行うことによってグラファイト粉末の表面にＹ層（厚さ０．９μｍ）を形成した後、Ａｒガス雰囲気下、１０５０℃の温度で２時間加熱する熱処理を行った。その後、蒸発源として純度９９％、直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＡｇ板を用い、実施例１−１と同様の条件にてイオンプレーティングを行うことによってＹ層の表面にＡｇ層（厚さ０．９μｍ）を形成した後、Ａｒガス雰囲気下、７００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行った。次に、実施例１−３と同様にして電解めっきを行なうことによってＣｕ層（厚さ１．８μｍ）を形成した後、Ａｒガス雰囲気下、６００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行うことにより、複合粉末を得た。
蒸発源として純度９９％、直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＹ板を用い、実施例１−１と同様の条件にてイオンプレーティングを行うことによってグラファイト粉末の表面にＹ層（厚さ０．９μｍ）を形成した後、Ａｒガス雰囲気下、１０５０℃の温度で２時間加熱する熱処理を行った。その後、蒸発源として純度９９％、直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＡｇ板を用い、実施例１−１と同様の条件にてイオンプレーティングを行うことによってＹ層の表面にＡｇ層（厚さ０．９μｍ）を形成した後、Ａｒガス雰囲気下、７００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行った。次に、実施例１−３と同様にして電解めっきを行なうことによってＣｕ層（厚さ１．８μｍ）を形成した後、Ａｒガス雰囲気下、６００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行うことにより、複合粉末を得た。
次に、比較実験として、特許文献１に記載された方法に準じた方法を用いて複合粉末を作製した。
（比較例１−１）
平均粒子径が２０μｍのグラファイト粉末の表面にレーザーアブレーションによって半田（Ｓｎ−Ｚｎ）層（Ｓｎ９２質量％、Ｚｎ８質量％、厚さ１．８μｍ）を形成した後、半田（Ｓｎ−Ｚｎ）層の表面に実施例１−１と同様の方法によってＣｕ層（厚さ１．８μｍ）を形成した。その後、Ｃｕ層を形成した粉末をＡｒガス雰囲気下、２５０℃の温度で３０分間加熱する熱処理を行うことにより、複合粉末を得た。
（比較例１−２）
グラファイト粉末の表面にレーザーアブレーションによって半田（Ｓｎ−Ｐｂ）層（Ｓｎ６３質量％、Ｐｂ３７質量％、厚さ１．８μｍ）を形成したこと以外は比較例１−１と同様にして複合粉末を得た。
（比較例１−１）
平均粒子径が２０μｍのグラファイト粉末の表面にレーザーアブレーションによって半田（Ｓｎ−Ｚｎ）層（Ｓｎ９２質量％、Ｚｎ８質量％、厚さ１．８μｍ）を形成した後、半田（Ｓｎ−Ｚｎ）層の表面に実施例１−１と同様の方法によってＣｕ層（厚さ１．８μｍ）を形成した。その後、Ｃｕ層を形成した粉末をＡｒガス雰囲気下、２５０℃の温度で３０分間加熱する熱処理を行うことにより、複合粉末を得た。
（比較例１−２）
グラファイト粉末の表面にレーザーアブレーションによって半田（Ｓｎ−Ｐｂ）層（Ｓｎ６３質量％、Ｐｂ３７質量％、厚さ１．８μｍ）を形成したこと以外は比較例１−１と同様にして複合粉末を得た。
上記の実施例及び比較例で得られた複合粉末について密着性の評価を行った。
密着性の評価は、複合粉末７０体積％と直径３ｍｍのガラスビーズ３０体積％とを回転ドラムを用いて２時間回転させながら混合し、グラファイト粉末の被覆率を光学顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することによって行った。参考のため、ガラスビーズと混合する前の複合粉末における最表層の被覆率も光学顕微鏡で観察した。グラファイト粉末の被覆率は、金属中間層又は固溶拡散層が露出していてもグラファイト粉末の露出がなければ１００％とした。また、グラファイト粉末の被覆率が低いほど、グラファイト粉末が露出している割合が多いことを意味する。その結果を表１に示す。
密着性の評価は、複合粉末７０体積％と直径３ｍｍのガラスビーズ３０体積％とを回転ドラムを用いて２時間回転させながら混合し、グラファイト粉末の被覆率を光学顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することによって行った。参考のため、ガラスビーズと混合する前の複合粉末における最表層の被覆率も光学顕微鏡で観察した。グラファイト粉末の被覆率は、金属中間層又は固溶拡散層が露出していてもグラファイト粉末の露出がなければ１００％とした。また、グラファイト粉末の被覆率が低いほど、グラファイト粉末が露出している割合が多いことを意味する。その結果を表１に示す。
次に、上記の実施例及び比較例で得られた複合粉末を４０ＭＰａで加圧成形した後、７００℃で２０分間焼結させることによって電気接点材料を得た。
次に、得られた電気接点材料を接点に加工して遮断器（三菱電機株式会社製ＮＦ６３−ＣＶＦ）に組み込み、通電耐久試験及び機械耐久試験を行った。通電耐久試験では、通電電流を６３Ａ、電圧を２００Ｖとし、１回の開閉試験につき開極時間１秒及び閉極時間６秒に設定し、接点が破壊するまでの開閉回数を測定した。また、機械耐久試験では、電流を流さず、１回の開閉試験につき開極時間１秒及び閉極時間６秒に設定し、接点が破壊するまでの開閉回数を測定した。
次に、得られた電気接点材料を接点に加工して遮断器（三菱電機株式会社製ＮＦ６３−ＣＶＦ）に組み込み、通電耐久試験及び機械耐久試験を行った。通電耐久試験では、通電電流を６３Ａ、電圧を２００Ｖとし、１回の開閉試験につき開極時間１秒及び閉極時間６秒に設定し、接点が破壊するまでの開閉回数を測定した。また、機械耐久試験では、電流を流さず、１回の開閉試験につき開極時間１秒及び閉極時間６秒に設定し、接点が破壊するまでの開閉回数を測定した。
表１に示されているように、実施例１−１〜１−５の複合粉末はいずれも、各層の密着性が高く、比較例１−１〜１−２の複合粉末に比べて通電耐久性及び機械耐久性が高い電気接点材料を与えた。
実施例２−１〜２−９では、金属中間層（Ｃｏ層）及びＣｕ層の厚さを変えて実験を行った。
（実施例２−１）
平均粒子径が２０μｍのグラファイト粉末（１００ｇ〜５００ｇ）をＰＶＤ装置内に配置した。次に、ＰＶＤ装置内の真空度を３×１０−２Ｐａ以下まで下げた後、高周波コイルに１００Ｗ〜２００Ｗの電力を供給し、蒸発源を６００℃〜１０００℃に加熱した。ここで、蒸発源には、純度９９％、直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＣｏ板を用いた。上記の範囲に蒸発源を約５分程度保持した後、グラファイト粉末に−５００Ｖ〜−６００Ｖの直流電圧をかけた。その後、シャッターを開き、約５０ｎｍ／分の成膜速度にて１０分間成膜することにより、金属中間層であるＣｏ層（厚さ０．５μｍ）を形成した。成膜中、グラファイト粉末の表面にＣｏ層を均一に形成するために、グラファイト粉末を振動させた。次に、Ｃｏ層を表面に形成したグラファイト粉末をＡｒガス雰囲気下、１１００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行った。次に、熱処理した粉末を、硫酸銅２００ｇ／Ｌ、硫酸４０〜６０ｇ／Ｌ、塩素イオン（Ｃｌ−）５〜８０ｍｇ／Ｌを含むめっき浴に、めっき浴温度６０℃、電流密度３０Ａ／ｄｍ２、粉末投入量５ｇ／ｄｍ３〜１５ｇ／ｄｍ３、めっき時間９分の条件で電解めっきを行なうことによってＣｕ層（厚さ０．５μｍ）を形成した。その後、Ｃｕ層を形成した粉末をＡｒガス雰囲気下、９００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行うことにより、複合粉末を得た。
（実施例２−１）
平均粒子径が２０μｍのグラファイト粉末（１００ｇ〜５００ｇ）をＰＶＤ装置内に配置した。次に、ＰＶＤ装置内の真空度を３×１０−２Ｐａ以下まで下げた後、高周波コイルに１００Ｗ〜２００Ｗの電力を供給し、蒸発源を６００℃〜１０００℃に加熱した。ここで、蒸発源には、純度９９％、直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＣｏ板を用いた。上記の範囲に蒸発源を約５分程度保持した後、グラファイト粉末に−５００Ｖ〜−６００Ｖの直流電圧をかけた。その後、シャッターを開き、約５０ｎｍ／分の成膜速度にて１０分間成膜することにより、金属中間層であるＣｏ層（厚さ０．５μｍ）を形成した。成膜中、グラファイト粉末の表面にＣｏ層を均一に形成するために、グラファイト粉末を振動させた。次に、Ｃｏ層を表面に形成したグラファイト粉末をＡｒガス雰囲気下、１１００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行った。次に、熱処理した粉末を、硫酸銅２００ｇ／Ｌ、硫酸４０〜６０ｇ／Ｌ、塩素イオン（Ｃｌ−）５〜８０ｍｇ／Ｌを含むめっき浴に、めっき浴温度６０℃、電流密度３０Ａ／ｄｍ２、粉末投入量５ｇ／ｄｍ３〜１５ｇ／ｄｍ３、めっき時間９分の条件で電解めっきを行なうことによってＣｕ層（厚さ０．５μｍ）を形成した。その後、Ｃｕ層を形成した粉末をＡｒガス雰囲気下、９００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行うことにより、複合粉末を得た。
（実施例２−２）
電流密度３０Ａ／ｄｍ２、めっき時間４０分に変更して電解めっきを行なうことによってＣｕ層（厚さ１．８μｍ）を形成したこと以外は実施例２−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例２−３）
電流密度３０Ａ／ｄｍ２、めっき時間２００分に変更して電解めっきを行なうことによってＣｕ層（厚さ５μｍ）を形成したこと以外は実施例２−１と同様にして複合粉末を得た。
電流密度３０Ａ／ｄｍ２、めっき時間４０分に変更して電解めっきを行なうことによってＣｕ層（厚さ１．８μｍ）を形成したこと以外は実施例２−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例２−３）
電流密度３０Ａ／ｄｍ２、めっき時間２００分に変更して電解めっきを行なうことによってＣｕ層（厚さ５μｍ）を形成したこと以外は実施例２−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例２−４）
ＰＶＤ装置を用いた成膜時間を３６分に変更してＣｏ層（厚さ１．８μｍ）を形成したこと以外は実施例２−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例２−５）
ＰＶＤ装置を用いた成膜時間を３６分に変更してＣｏ層（厚さ１．８μｍ）を形成したこと以外は実施例２−２と同様にして複合粉末を得た。
（実施例２−６）
ＰＶＤ装置を用いた成膜時間を３６分に変更してＣｏ層（厚さ１．８μｍ）を形成したこと以外は実施例２−３と同様にして複合粉末を得た。
ＰＶＤ装置を用いた成膜時間を３６分に変更してＣｏ層（厚さ１．８μｍ）を形成したこと以外は実施例２−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例２−５）
ＰＶＤ装置を用いた成膜時間を３６分に変更してＣｏ層（厚さ１．８μｍ）を形成したこと以外は実施例２−２と同様にして複合粉末を得た。
（実施例２−６）
ＰＶＤ装置を用いた成膜時間を３６分に変更してＣｏ層（厚さ１．８μｍ）を形成したこと以外は実施例２−３と同様にして複合粉末を得た。
（実施例２−７）
ＰＶＤ装置を用いた成膜時間を１００分に変更してＣｏ層（厚さ５μｍ）を形成したこと以外は実施例２−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例２−８）
ＰＶＤ装置を用いた成膜時間を１００分に変更してＣｏ層（厚さ５μｍ）を形成したこと以外は実施例２−２と同様にして複合粉末を得た。
（実施例２−９）
ＰＶＤ装置を用いた成膜時間を１００分に変更してＣｏ層（厚さ５μｍ）を形成したこと以外は実施例２−３と同様にして複合粉末を得た。
ＰＶＤ装置を用いた成膜時間を１００分に変更してＣｏ層（厚さ５μｍ）を形成したこと以外は実施例２−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例２−８）
ＰＶＤ装置を用いた成膜時間を１００分に変更してＣｏ層（厚さ５μｍ）を形成したこと以外は実施例２−２と同様にして複合粉末を得た。
（実施例２−９）
ＰＶＤ装置を用いた成膜時間を１００分に変更してＣｏ層（厚さ５μｍ）を形成したこと以外は実施例２−３と同様にして複合粉末を得た。
上記の実施例で得られた複合粉末について、上記と同様の方法で密着性の評価を行った。その結果を表２に示す。
また、上記の実施例で得られた複合粉末を４０ＭＰａで加圧成形した後、７００℃で２０分間焼結させることによって電気接点材料を得た。その後、得られた電気接点材料を接点に加工し、上記と同様の方法で通電耐久試験及び機械耐久試験を行った。その結果を表２に示す。
また、上記の実施例で得られた複合粉末を４０ＭＰａで加圧成形した後、７００℃で２０分間焼結させることによって電気接点材料を得た。その後、得られた電気接点材料を接点に加工し、上記と同様の方法で通電耐久試験及び機械耐久試験を行った。その結果を表２に示す。
表２に示されているように、Ｃｏ層及びＣｕ層が薄くなるにつれて、複合粉末の被覆率が低下し、電気接点材料の通電耐久性及び機械耐久性も低下する傾向が見られた。ただし、Ｃｏ層及びＣｕ層が厚くなるにつれ、複合粉末の被覆率は向上するものの、電気接点材料の通電耐久性及び機械耐久性が低下する傾向が見られた。
実施例３−１〜３−９では、熱処理時の加熱温度変えて実験を行った。
（実施例３−１）
平均粒子径が２０μｍのグラファイト粉末（１００ｇ〜５００ｇ）をＰＶＤ装置内に配置した。次に、ＰＶＤ装置内の真空度を３×１０−２Ｐａ以下まで下げた後、高周波コイルに１００Ｗ〜２００Ｗの電力を供給し、蒸発源を６００℃〜１０００℃に加熱した。ここで、蒸発源には、純度９９％、直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＣｏ板を用いた。上記の範囲に蒸発源を約５分程度保持した後、グラファイト粉末に−５００Ｖ〜６００Ｖの直流電圧をかけた。その後、シャッターを開き、約５０ｎｍ／分の成膜速度にて３６分間成膜することにより、金属中間層であるＣｏ層（厚さ１．８μｍ）を形成した。成膜中、グラファイト粉末の表面にＣｏ層を均一に形成するために、グラファイト粉末を振動させた。次に、Ｃｏ層を表面に形成したグラファイト粉末をＡｒガス雰囲気下、８００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行った。次に、熱処理した粉末を、硫酸銅２００ｇ／Ｌ、硫酸４０〜６０ｇ／Ｌ、塩素イオン（Ｃｌ−）５〜８０ｍｇ／Ｌを含むめっき浴に、めっき浴温度６０℃、電流密度３０Ａ／ｄｍ２、粉末投入量５ｇ／ｄｍ３〜１５ｇ／ｄｍ３、めっき時間４０分の条件で電解めっきを行なうことによってＣｕ層（厚さ１．８μｍ）を形成した。その後、Ｃｕ層を形成した粉末をＡｒガス雰囲気下、８００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行うことにより、複合粉末を得た。
（実施例３−１）
平均粒子径が２０μｍのグラファイト粉末（１００ｇ〜５００ｇ）をＰＶＤ装置内に配置した。次に、ＰＶＤ装置内の真空度を３×１０−２Ｐａ以下まで下げた後、高周波コイルに１００Ｗ〜２００Ｗの電力を供給し、蒸発源を６００℃〜１０００℃に加熱した。ここで、蒸発源には、純度９９％、直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＣｏ板を用いた。上記の範囲に蒸発源を約５分程度保持した後、グラファイト粉末に−５００Ｖ〜６００Ｖの直流電圧をかけた。その後、シャッターを開き、約５０ｎｍ／分の成膜速度にて３６分間成膜することにより、金属中間層であるＣｏ層（厚さ１．８μｍ）を形成した。成膜中、グラファイト粉末の表面にＣｏ層を均一に形成するために、グラファイト粉末を振動させた。次に、Ｃｏ層を表面に形成したグラファイト粉末をＡｒガス雰囲気下、８００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行った。次に、熱処理した粉末を、硫酸銅２００ｇ／Ｌ、硫酸４０〜６０ｇ／Ｌ、塩素イオン（Ｃｌ−）５〜８０ｍｇ／Ｌを含むめっき浴に、めっき浴温度６０℃、電流密度３０Ａ／ｄｍ２、粉末投入量５ｇ／ｄｍ３〜１５ｇ／ｄｍ３、めっき時間４０分の条件で電解めっきを行なうことによってＣｕ層（厚さ１．８μｍ）を形成した。その後、Ｃｕ層を形成した粉末をＡｒガス雰囲気下、８００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行うことにより、複合粉末を得た。
（実施例３−２）
Ｃｕ形成後の熱処理の加熱温度を９００℃に変更したこと以外は実施例３−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例３−３）
Ｃｕ形成後の熱処理の加熱温度を１０００℃に変更したこと以外は実施例３−１と同様にして複合粉末を得た。
Ｃｕ形成後の熱処理の加熱温度を９００℃に変更したこと以外は実施例３−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例３−３）
Ｃｕ形成後の熱処理の加熱温度を１０００℃に変更したこと以外は実施例３−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例３−４）
Ｃｏ層形成後の熱処理の加熱温度を１１００℃に変更したこと以外は実施例３−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例３−５）
Ｃｏ層形成後の熱処理の加熱温度を１１００℃に変更したこと以外は実施例３−２と同様にして複合粉末を得た。
（実施例３−６）
Ｃｏ層形成後の熱処理の加熱温度を１１００℃に変更したこと以外は実施例３−３と同様にして複合粉末を得た。
Ｃｏ層形成後の熱処理の加熱温度を１１００℃に変更したこと以外は実施例３−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例３−５）
Ｃｏ層形成後の熱処理の加熱温度を１１００℃に変更したこと以外は実施例３−２と同様にして複合粉末を得た。
（実施例３−６）
Ｃｏ層形成後の熱処理の加熱温度を１１００℃に変更したこと以外は実施例３−３と同様にして複合粉末を得た。
（実施例３−７）
Ｃｏ層形成後の熱処理の加熱温度を１４００℃に変更したこと以外は実施例３−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例３−８）
Ｃｏ層形成後の熱処理の加熱温度を１４００℃に変更したこと以外は実施例３−２と同様にして複合粉末を得た。
（実施例３−９）
Ｃｏ層形成後の熱処理の加熱温度を１４００℃に変更したこと以外は実施例３−３と同様にして複合粉末を得た。
Ｃｏ層形成後の熱処理の加熱温度を１４００℃に変更したこと以外は実施例３−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例３−８）
Ｃｏ層形成後の熱処理の加熱温度を１４００℃に変更したこと以外は実施例３−２と同様にして複合粉末を得た。
（実施例３−９）
Ｃｏ層形成後の熱処理の加熱温度を１４００℃に変更したこと以外は実施例３−３と同様にして複合粉末を得た。
上記の実施例で得られた複合粉末について、上記と同様の方法で密着性の評価を行った。その結果を表３に示す。
また、上記の実施例で得られた複合粉末を４０ＭＰａで加圧成形した後、７００℃で２０分間焼結させることによって電気接点材料を得た。その後、得られた電気接点材料を接点に加工し、上記と同様の方法で通電耐久試験及び機械耐久試験を行った。その結果を表３に示す。
また、上記の実施例で得られた複合粉末を４０ＭＰａで加圧成形した後、７００℃で２０分間焼結させることによって電気接点材料を得た。その後、得られた電気接点材料を接点に加工し、上記と同様の方法で通電耐久試験及び機械耐久試験を行った。その結果を表３に示す。
表３に示されているように、Ｃｏ層形成後の熱処理の加熱温度及びＣｕ形成後の熱処理の加熱温度が低くなるにつれて、複合粉末の被覆率が低下し、電気接点材料の通電耐久性及び機械耐久性も低下する傾向が見られた。ただし、Ｃｏ層形成後の熱処理の加熱温度及びＣｕ形成後の熱処理の加熱温度が高くなるにつれ、複合粉末の被覆率は向上するものの、電気接点材料の通電耐久性及び機械耐久性が僅かに低下する傾向が見られた。
実施例４−１〜４−３では、グラファイト粉末の平均粒子径を変えて実験を行った。
（実施例４−１）
平均粒子径が５μｍのグラファイト粉末（１００ｇ〜５００ｇ）をＰＶＤ装置内に配置した。次に、ＰＶＤ装置内の真空度を３×１０−２Ｐａ以下まで下げた後、高周波コイルに１００Ｗ〜２００Ｗの電力を供給し、蒸発源を６００℃〜１０００℃に加熱した。ここで、蒸発源には、純度９９％、直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＣｏ板を用いた。上記の範囲に蒸発源を約５分程度保持した後、グラファイト粉末に−５００Ｖ〜６００Ｖの直流電圧をかけた。その後、シャッターを開き、約５０ｎｍ／分の成膜速度にて３６分間成膜することにより、金属中間層であるＣｏ層（厚さ１．８μｍ）を形成した。成膜中、グラファイト粉末の表面にＣｏ層を均一に形成するために、グラファイト粉末を振動させた。次に、Ｃｏ層を表面に形成したグラファイト粉末をＡｒガス雰囲気下、１１００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行った。次に、熱処理した粉末を、硫酸銅２００ｇ／Ｌ、硫酸４０〜６０ｇ／Ｌ、塩素イオン（Ｃｌ−）５〜８０ｍｇ／Ｌを含むめっき浴に、めっき浴温度６０℃、電流密度３０Ａ／ｄｍ２、粉末投入量５ｇ／ｄｍ３〜１５ｇ／ｄｍ３、めっき時間４０分の条件で電解めっきを行なうことによってＣｕ層（厚さ１．８μｍ）を形成した。その後、Ｃｕ層を形成した粉末をＡｒガス雰囲気下、９００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行うことにより、複合粉末を得た。
（実施例４−１）
平均粒子径が５μｍのグラファイト粉末（１００ｇ〜５００ｇ）をＰＶＤ装置内に配置した。次に、ＰＶＤ装置内の真空度を３×１０−２Ｐａ以下まで下げた後、高周波コイルに１００Ｗ〜２００Ｗの電力を供給し、蒸発源を６００℃〜１０００℃に加熱した。ここで、蒸発源には、純度９９％、直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＣｏ板を用いた。上記の範囲に蒸発源を約５分程度保持した後、グラファイト粉末に−５００Ｖ〜６００Ｖの直流電圧をかけた。その後、シャッターを開き、約５０ｎｍ／分の成膜速度にて３６分間成膜することにより、金属中間層であるＣｏ層（厚さ１．８μｍ）を形成した。成膜中、グラファイト粉末の表面にＣｏ層を均一に形成するために、グラファイト粉末を振動させた。次に、Ｃｏ層を表面に形成したグラファイト粉末をＡｒガス雰囲気下、１１００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行った。次に、熱処理した粉末を、硫酸銅２００ｇ／Ｌ、硫酸４０〜６０ｇ／Ｌ、塩素イオン（Ｃｌ−）５〜８０ｍｇ／Ｌを含むめっき浴に、めっき浴温度６０℃、電流密度３０Ａ／ｄｍ２、粉末投入量５ｇ／ｄｍ３〜１５ｇ／ｄｍ３、めっき時間４０分の条件で電解めっきを行なうことによってＣｕ層（厚さ１．８μｍ）を形成した。その後、Ｃｕ層を形成した粉末をＡｒガス雰囲気下、９００℃の温度で２時間加熱する熱処理を行うことにより、複合粉末を得た。
（実施例４−２）
グラファイト粉末の平均粒子径を２０μｍに変更したこと以外は実施例４−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例４−３）
グラファイト粉末の平均粒子径を５０μｍに変更したこと以外は実施例４−１と同様にして複合粉末を得た。
グラファイト粉末の平均粒子径を２０μｍに変更したこと以外は実施例４−１と同様にして複合粉末を得た。
（実施例４−３）
グラファイト粉末の平均粒子径を５０μｍに変更したこと以外は実施例４−１と同様にして複合粉末を得た。
上記の実施例で得られた複合粉末について、上記と同様の方法で密着性の評価を行った。その結果を表４に示す。
また、上記の実施例で得られた複合粉末を４０ＭＰａで加圧成形した後、７００℃で２０分間焼結させることによって電気接点材料を得た。その後、得られた電気接点材料を接点に加工し、上記と同様の方法で通電耐久試験及び機械耐久試験を行った。その結果を表４に示す。
また、上記の実施例で得られた複合粉末を４０ＭＰａで加圧成形した後、７００℃で２０分間焼結させることによって電気接点材料を得た。その後、得られた電気接点材料を接点に加工し、上記と同様の方法で通電耐久試験及び機械耐久試験を行った。その結果を表４に示す。
表４に示されているように、グラファイト粉末の平均粒子径が大きくなるにつれて、複合粉末の被覆率が低下し、電気接点材料の通電耐久性及び機械耐久性も低下する傾向が見られた。また、グラファイト粉末の平均粒子径が小さくなるにつれて、電気接点材料の通電耐久性及び機械耐久性が低下する傾向が見られた。
実施例５−１〜５−３では、電気接点材料を製造する際の焼結温度を変えて実験を行った。
（実施例５−１）
実施例４−２で得られた複合粉末を４０ＭＰａで加圧成形した後、６００℃で２０分間焼結させることによって電気接点材料を得た。
（実施例５−２）
焼結温度を７００℃に変更したこと以外は実施例５−１と同様にして電気接点材料を得た。
（実施例５−３）
焼結温度を８００℃に変更したこと以外は実施例５−１と同様にして電気接点材料を得た。
次に、上記で得られた電気接点材料を接点に加工し、上記と同様の方法で通電耐久試験及び機械耐久試験を行った。その結果を表５に示す。
（実施例５−１）
実施例４−２で得られた複合粉末を４０ＭＰａで加圧成形した後、６００℃で２０分間焼結させることによって電気接点材料を得た。
（実施例５−２）
焼結温度を７００℃に変更したこと以外は実施例５−１と同様にして電気接点材料を得た。
（実施例５−３）
焼結温度を８００℃に変更したこと以外は実施例５−１と同様にして電気接点材料を得た。
次に、上記で得られた電気接点材料を接点に加工し、上記と同様の方法で通電耐久試験及び機械耐久試験を行った。その結果を表５に示す。
表５に示されているように、焼結温度が低くなると、電気接点材料の通電耐久性及び機械耐久性が低下する傾向が見られた。
以上の結果からわかるように、本発明によれば、金属中間層とＣｕ層との間の密着性だけでなくグラファイト粉末と金属中間層との間の密着性も高い複合粉末及びその製造方法を提供することができる。
また、本発明によれば、機械的耐久性、耐溶着性及び耐消耗性に優れる電気接点材料及びその製造を提供することができる。
また、本発明によれば、機械的耐久性、耐溶着性及び耐消耗性に優れる電気接点材料及びその製造を提供することができる。
１ 複合粉末、２ グラファイト粉末、３ 金属中間層、４ Ｃｕ層、５ 固溶拡散層、１０ 電気接点材料、１１ マトリックス。
Claims (13)
- グラファイト粉末の表面に８００℃以上の融点を有する金属材料からなる金属中間層を介してＣｕ層が形成された複合粉末であって、
前記グラファイト粉末と前記金属中間層との間及び前記金属中間層と前記Ｃｕ層との間に固溶拡散層が形成されていることを特徴とする複合粉末。 - 前記金属材料が、Ｖ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｙ及びＡｇからなる群から選択される１種以上であることを特徴とする請求項１に記載の複合粉末。
- 前記金属中間層が、少なくとも２つの層を含む積層構造を有する請求項１又は２に記載の複合粉末。
- 前記積層構造が、Ｙ層及びＡｇ層からなる２層構造であることを特徴とする請求項３に記載の複合粉末。
- 前記グラファイト粉末の平均粒子径が５μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の複合粉末。
- 前記金属中間層の厚さが０．２μｍ以上２μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合粉末。
- 前記Ｃｕ層の厚さが０．５μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の複合粉末。
- 電気接点材料の製造に用いられることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の複合粉末。
- グラファイト粉末の表面に８００℃以上の融点を有する金属材料からなる金属中間層を形成した後、熱処理を行う工程と、
前記金属中間層の表面にＣｕ層を形成した後、熱処理を行う工程と
を含む複合粉末の製造方法。 - 前記グラファイト粉末の表面に形成する前記金属中間層の厚さが０．２μｍ以上２．５μｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の複合粉末の製造方法。
- 前記金属中間層の表面に形成する前記Ｃｕ層の厚さが０．５μｍ以上５．５μｍ以下であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の複合粉末の製造方法。
- 請求項１〜８のいずれか一項に記載の複合粉末の加圧焼結体からなる電気接点材料であって、
前記複合粉末の前記Ｃｕ層が前記電気接点材料のマトリックスを形成していることを特徴とする電気接点材料。 - 請求項１〜８のいずれか一項に記載の複合粉末を加圧成形した後、焼結させることを特徴とする電気接点材料の製造方法。
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