JP6669327B1 - 電気接点、電気接点を備えた真空バルブ - Google Patents
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Abstract
Description
したがって、Mnを適量添加することで、電気接点の機械強度を確保していた(例えば、特許文献3参照)。
属の粒子又は高融点金属の炭化物の粒子の少なくとも一方である高融点物質粒子と、母材
中に分散して配置されたTe及びTiとを含む電気接点であって、全体を100質量%と
した場合、Teは3.5質量%以上14.5質量%以下で添加されているとともに、Ti
/Teは、0.12以上0.38以下であり、Te及びTiの少なくとも一部は、Te及
びTiによる金属間化合物を形成している。
金属の粒子又は高融点金属の炭化物の粒子の少なくとも一方である高融点物質粒子と、母
材中に分散して配置されたTe及びTiとを含む電気接点であって、全体を100質量%
とした場合、Teは3.5質量%以上14.5質量%以下で添加されているとともに、T
i/Teは、0.12以上0.38以下であり、Te及びTiの少なくとも一部は、Te
及びTiによる金属間化合物を形成している電気接点を備えている。
図1は、実施の形態1に係る真空バルブの断面模式図である。本実施の形態の真空バルブ1は、遮断室2を備えている。
遮断室2は、円筒状の絶縁容器3と、金属蓋5a及び5bで構成されている。金属蓋5a及び5bの両端は、封止金具4a及び4bによって固定されており、金属蓋5a及び5bの内部は、真空気密に保たれている。
遮断室2内には、固定電極棒6と可動電極棒7とが対向して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がロウ付によりそれぞれ取り付けられている。また、固定電極8及び可動電極9の接触部には、固定電気接点10及び可動電気接点11がロウ付によりそれぞれ取り付けられている。固定電気接点10及び可動電気接点11の少なくとも一方には、本実施の形態による電気接点が使用されている。
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が設けられている。ベローズ用アークシールド13は、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が設けられている。絶縁容器用アークシールド14は、絶縁容器3の内壁にアーク蒸気が付着することを防止している。
以下、本実施の形態の電気接点の製造方法について詳細に説明する。
混合粉末の質量を100質量%(以下、wt%として表す)としたとき、Ti粉末の質量は20〜80wt%、Te粉末の質量は3.5〜14.5wt%、残部がCu粉末及びCr粉末の質量となるようにする。このとき、Ti/Teが質量比で0.12以上0.38以下である。
上記の各物質の値を定めるために行った実験については、後述する。
また、Cr粉末の平均粒径が大きい場合、遮断時にばらつきが発生し、低裁断電流特性が不安定になる可能性があるため、120μm以下であることが望ましい。
焼結温度は、Teの沸点である988℃よりも30℃以上低ければよい。
溶浸の温度が1140℃以上であると、焼結体中に存在する低沸点金属の飽和蒸気圧が高くなることで始まるTeの昇華により焼結体が膨張して緻密な電気接点が得られない場合、又は、焼結体中のCuが溶融して焼結体の形状が崩れる場合がある。
溶浸体を所望の形状に加工して電気接点を得る工程においては、真空バルブ用の固定電気接点又は可動電気接点として、設計上の必要な厚さ及び直径となるまで接点材料を研削する。最後に、端部にテーパー加工又は表面を研磨することで電気接点を得ることができる。
次に、実施例および比較例を挙げてより詳細に説明する。
実施例1では、平均粒径10μmのCu粉末、平均粒径40μmのCr粉末、平均粒径40μmのTe粉末及び平均粒径30μmのTi粉末を、ボールミル又はV型混合攪拌機等を用いて、30分間以上混合して均一な混合粉末を作製した。混合粉末を内径φ23mmの鋼製のダイス金型に入れ、油圧プレス機を用いて20〜100MPaの圧力で圧縮成形し、厚さ5mmの成形体を作製した。
そして、厚さ2mm程度で直径φ20mmのCu円板の上に焼結体を置き、水素雰囲気下1110℃で2時間溶浸して実施例1の電気接点を得た。被溶浸材のCuが未溶融の場合は、10℃ずつ温度を上げて再度溶浸処理を施した。溶浸処理のとき、Cuが溶けた温度を溶浸温度と定義する。実施例1で得られた電気接点の組成を図2の表で示す。
実施例2〜13では、実施例1と同じ手順で電気接点を作製し、Ti濃度の効果を検証した。ただし、混合粉末作製時の各粉末の質量比を調整し、電気接点の組成比を変えている。実施例2〜4では、Te濃度を3.5wt%と固定し、電気接点の組成を図2の表で示す。実施例2〜13では、Te濃度を9wt%と固定し、得られた電気接点の組成をそれぞれ図3に示す。実施例10〜13では、Te濃度を14.5wt%と固定し、電気接点の組成をそれぞれ図4に示す。
比較例1〜8では、実施例1と同じ手順で電気接点を作製した。Ti濃度の効果を検証した。ただし、混合粉末作製時の各粉末の質量比を調整し、電気接点の組成比を変えている。Te濃度をそれぞれ、比較例1及び2では3.5wt%、比較例3では2.5wt%、比較例4及び5では9wt%、比較例6及び7では14.5wt%、比較例8では15.5wt%と固定した。比較例1〜3の電気接点の組成をそれぞれ図2に、比較例4及び5の電気接点の組成をそれぞれ図3に、比較例6〜8の電気接点の組成を図4に、それぞれ述べる。
第一の評価点は、電気接点の密度比が、電気接点として有用な密度比である95%を超えることである。本実施の形態では、密度比=試作した電気接点の密度÷配合組成から算出した理論密度とする。真空バルブ組み立て時のろう付け工程において、密度比が95%以下の場合、電気接点内に空隙を有しているために、毛細管現象によって電気接点内の空隙がろう材を吸収する可能性が高く、ろう付け不良を発生する頻度が増す可能性がある。そのため、実用上は95%を超える密度比が望ましく、密度比が95%に達しない電気接点は不良と判断する。
本実施の形態では、機械加工時に割れが発生しない場合を合格とし、割れが発生した場合を不良として判断した。
各実施例及び比較例で得られた厚さ5mm直径φ23mmの電気接点を機械加工して、厚さ3mm直径φ20mmの試験接点を作製する。さらに、試験接点の端部から内側2mmまでの部分には表面に対して約15°のテーパー加工を施す。テーパー加工を施した試験接点を2つ作製して、それぞれを固定接点及び可動接点とする評価用真空バルブを組み立てる。各実施例及び比較例に従って作製した評価用真空バルブを用いて、裁断電流試験及び遮断電流試験を行い、低裁断電流特性及び遮断特性を評価した。
なお、遮断時に発生するサージ電圧上昇による電気機器の損傷を避ける観点から裁断電流値が1A以下である必要がある。今回の試験では、裁断電流値が1A以下となった場合は、試験合格としている。
本実施の形態では、低サージ接点として広く普及しているAg―WC接点の導電率を基準として、20%IACSより高い導電率であった場合は合格とした。
図5に示すように、Cuを導電成分とした母材15に、高融点物質の粒子であるCr粒子16、Ti及びTeが金属間化合物を形成したTi―Te金属間化合物の粒子17が分散して配置されている。
図6は、図5で示した電気接点のTi−Teの状態図である。図6より、Ti―Te金属間化合物のうちTiTe2金属間化合物18又はTi3Te4金属間化合物19を有していることから、Ti粉末及びTe粉末を混ぜて加熱する過程において互いに反応し、金属間化合物が形成したものと考えられる。
まず、図2を用いて実施例1〜4及び比較例1〜2について述べる。
製造性の密度比の観点では、実施例1〜4及び比較例1は、1140℃の溶浸温度までに、Cuが溶浸されるため電気接点の試作が可能であった。
製造性の機械強度の観点では、実施例1〜4と比較例1を機械加工したところ、比較例1では一部割れが発生した。
比較例2はCuがほとんど溶浸されることなく、溶浸材のCuが残ったままであり、密度比が95%に達しないので、電気接点の製造が不可であった。
つまり、全てのTeがTiTe2金属間化合物又はTi3Te4金属間化合物になるのではなく、一部のTi―Te金属間化合物とすることで、電気接点の破壊に耐え得る程度の機械強度を持つことができると考えられる。実施例からは、Ti/Teが0.09以下においては割れが発生したため、Ti/Teが0.12以上でも製造可能であったといえる。
実施例1〜4は、裁断試験及び遮断試験についても良好な結果が得られた。
また、実施例1〜4は、Cuに固溶するTi成分を断面分析したところ1wt%以下と少なく、導電率は20%IACS以上であった。
したがって、本実施の形態の実施例1〜4の電気接点は、導電率が向上し、通電時の発熱を抑えることができるといえる。
1点目は、Ti添加による焼結体と溶浸材のCuとの漏れ性悪化である。図7は、比較例2の電気接点の様子を示した図である。図7より、焼結体に浸みこまず焼結体の外に流れ出る溶けたCu22、表面で液滴として凝固しているCu23及び溶浸材のCu21が確認できる。図7より、比較例2のように過度にTiを添加した場合、焼結体と溶浸材のCuとの濡れ性が悪化するため、焼結体内部に入ることなく、溶融したCuが液滴となって外に流れ出たものと考えられる。
つまり、本実施の形態では、実施例1〜4及び比較例1〜2より、Ti/Teが0.38以下であれば、1140℃までの溶浸温度で溶浸が可能であった。
また、TeはTiとの金属間化合物として存在していることより、Teの融点は上昇しているものの、Teの飽和蒸気圧は非常に低いため、高温での溶浸時に一部で蒸発する可能性がある。Teが蒸発すると成形体の密度低下につながることから、1150℃以上の処理では製造不可と判断した。
以上より、脆弱性の原因であるCu2Teを形成しない量のTiを添加する一方で、必要以上のTiの添加は電気接点の製造性を困難にさせることが判明した。
評価用真空バルブによる低裁断電流特性を評価した結果、裁断電流が1Aよりも大きくなり、不合格であった。これは、低サージ性を確保するための低沸点金属であるTeが不足していたためと考えられる。そのため、安定した低裁断電流特性を得るには、3.5wt%以上が必要であると考えられる。
図2の結果をまとめると、製造性、低裁断電流特性及び導電率が満たされる電気接点のTi及びTeにおいて、Teは3.5wt%以上であり、Ti/Teは、0.12以上0.38以下であるといえる。
図3より、実施例5〜9及び比較例4〜5では、Te濃度を9wt%に固定して、Ti/Teは、0.08以上0.43以下とした。
Ti/Teが0.09よりも小さい値である比較例4では、1110℃で被溶浸材のCuが溶融したが、断面分析では脆性の原因であるCu2Teが多く検出され、機械加工時においても一部割れが発生した。
比較例5では、1130℃までの溶浸温度では十分に溶浸ができなかった。比較例2と同様の原因であると考えられる。
図3の結果をまとめると、製造性、低裁断電流特性及び導電率が満たされる電気接点のTi及びTeにおいて、Teは9wt%であり、Ti/Teは、0.12以上0.37以下であるといえる。
図4より、実施例10〜13及び比較例6〜7では、Te濃度を14.5wt%と固定して、Ti/Teは、0.09以上0.42以下とした。
その結果、上記の実施例1〜9及び比較例1〜5と同様の結果が得られた。
また、比較例8では、Te濃度の上限を確認するため、Te濃度を15.5wt%まで増加させた。比較例8では、電気接点の作製可能であったが、低裁断電流特性及び遮断特性の試験時に低沸点金属であるTeの蒸発量が多くなり4kAの遮断失敗が散見された。 したがって、実用上Teの含有量は15wt%未満であると考えられる。
図4の結果をまとめると、製造性、低裁断電流特性及び導電率が満たされる電気接点のTi及びTeにおいて、Teは14.5wt%であり、Ti/Teは、0.12以上0.36以下であるといえる。
また、低裁断電流特性及び遮断特性の評価では、共に良好な結果が得られた。
Cr量と導電率には相関があり、Cr量が少ないほど導電率が高い傾向にあった。図9では、実施例14〜16の中で最も多いCr濃度60wt%の実施例13でも、IACSで20%以上が確認できた。
図9中でCr量が70wt%である比較例10では、成形体を形成することが困難であった。硬質なCrを添加していることで、プレス金型から取り出したときに成形体の側面に軽微ではあるが割れが発生した。
図9の結果をまとめると、製造性、低裁断電流特性及び導電率が満たされる電気接点において、Te濃度を9wt%、Ti/Teを0.29である場合、Cr濃度は、20wt%以上60wt%以下であるといえる。
比較例11のCr粒径が0.1μmの場合では、成形体の側面に割れが発生した。あらかじめ定めた成形体の密度を得るため、成形時の圧力が高くなるためであると考えられる。
比較例12のCr粒径が150μmの場合では、遮断試験時に遮断失敗が散見された。これは、高融点物質であるCr粒子の粒径が150μm以上である場合は、接点表面が均一組織でなくなり、発生したアークが高融点物質であるCr粒子に留まったためであると考えられる。
図10結果をまとめると、製造性、低裁断電流特性及び導電率が満たされる電気接点において、Te濃度を9wt%、Ti/Teを0.29である場合、実用的なCrの粒径は0.1μmより大きく120μm以下であるといえる。
したがって、高融点物質粒子は、Cr粉末に限らず、他の高融点金属の粒子であるW粉末でもよいし、高融点金属の炭化物である例えばCrの炭化物のCr3C2粉末、及びWの炭化物の粒子である例えばWC粉末であってもよい。つまり、高融点物質粒子は、高融点金属又は高融点金属の炭化物の粒子の少なくとも一方であればよい。さらに他の例としては、高融点金属の粒子として、Cr粉末及びW粉末と同様に、Mo粉末でもよいし、高融点金属の炭化物の粒子として、Cr3C2粉末及びWC粉末と同様に、例えばMo2C粉末のようなMoの炭化物の粒子でもよい。
上記の実施例及び比較例の結果より、Teは3.5wt%以上14.5wt%以下であり、さらに、Ti/Teは0.12以上0.38以下とすることで、Tiの一部が、TiTe2又はTi3Te4を形成する。その結果、脆弱性の原因であるCu2Teを形成せず、機械強度を保つことができる。また、本実施の形態での電気接点は、低裁断電流特性及び遮断特性も満足することができる。すなわち、大電流の遮断性能、低サージ性能及び通電性能を満たす電気接点を作製することができる。
11 可動電気接点
15 母材のCu
16 Cr
17 Ti−Te金属間化合物
18 TiTe2金属間化合物
19 Ti3Te4金属間化合物
22 溶けたCu
23 凝固しているCu
Claims (6)
- Cuからなる母材と、
前記母材中に分散して配置された高融点金属の粒子又は前記高融点金属の炭化物の粒子
の少なくとも一方である高融点物質粒子と、
前記母材中に分散して配置されたTe及びTiとを含む電気接点であって、
全体を100質量%とした場合、
前記Teは3.5質量%以上14.5質量%以下で添加されているとともに、
前記Ti/前記Teは、0.12以上0.38以下
であり、
前記Te及び前記Tiの少なくとも一部は、前記Te及び前記Tiによる金属間化合物
を形成している
電気接点。 - 前記金属間化合物は、TiTe2又はTi3Te4を形成している
ことを特徴とする請求項1に記載の電気接点。 - 前記Cuは、前記Tiを1質量%以下で固溶している
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電気接点。 - 前記高融点物質粒子は、Cr、Crの炭化物、W、Wの炭化物、Mo、及びMoの炭化
物の少なくともいずれか1つである
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の電気接点。 - 前記高融点物質粒子がCrである場合、
前記Crの濃度は、20質量%以上60質量%以下であり、
前記Crの粒径は、0.1μmより大きく120μm以下である
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の電気接点。 - Cuからなる母材と、
前記母材中に分散して配置された高融点金属の粒子又は前記高融点金属の炭化物の粒子
の少なくとも一方である高融点物質粒子と、
前記母材中に分散して配置されたTe及びTiとを含む電気接点であって、
全体を100質量%とした場合、
前記Teは3.5質量%以上14.5質量%以下で添加されているとともに、
前記Ti/前記Teは、0.12以上0.38以下
であり、
前記Te及び前記Tiの少なくとも一部は、前記Te及び前記Tiによる金属間化合物
を形成している
電気接点を備えた真空バルブ。
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