JP6983370B1 - 電気接点の製造方法 - Google Patents

Abstract

内部に残留する不純物ガスが少ない膜厚の厚い微細化皮膜を形成することができる電気接点の製造方法を提供する。導電性粒子の粉末と耐アーク性粒子の粉末との混合粉末を不活性ガスと共に基板の表面に吹き付ける工程（Ｓ２）と、基板の表面に吹き付けられた混合粉末にレーザー光を照射して混合粉末を軟化もしくは溶融させて基板の表面に皮膜を形成する工程（Ｓ３）と、基板の表面に形成された皮膜を冷却固化する工程（Ｓ４）とを備えている。そして、不活性ガスの体積は、混合粉末の重量１ｇ当たり０．５リットル以上８．３リットル以下である。

Description

本願は、電気接点の製造方法、電気接点および真空バルブに関する。

高電圧配電設備に備えられた真空遮断器は、高電圧配電設備の故障および異常時に電流を遮断するために用いられている。真空遮断器は、電流を遮断する機能を有する真空バルブを備えている。真空バルブは、高真空に保たれた絶縁容器内部で、固定電極と可動電極とが同軸上に対向配置された構造を有している。真空バルブの固定電極および可動電極の対向面にはそれぞれ電気接点が備えられている。この電気接点同士が接触および離間することで真空バルブの閉極および開極が行われる。

電気接点は、高電圧、大電流を遮断するときに直接アークにさらされる。電気接点に要求される特性は、遮断容量が大きいこと、耐電圧値が高いこと、電気伝導性に優れていること、耐溶着性に優れていること、接点消耗量が少ないこと、およびこれらの特性の安定性が高いことなどが挙げられる。

従来の真空バルブの電気接点は、Ｃｕ（銅）などの導電性物質を主成分とする母材と、この母材中に分散して存在するＣｒ（クロム）などの高融点物質粒子とで構成されている。このような電気接点は、例えば次のような工程で製造される。その工程は、Ｃｕ粉末とＣｒ粉末とを混合して混合粉末とする工程、混合粉末を加圧圧縮して成形体とする工程、成形体を高温焼成して焼結体とする工程、および焼結体を機械加工して電気接点の形状にする工程である。

上述のような工程で製造された電気接点において、電気接点の内部に残留する酸素などの不純物ガスは遮断性能に大きく影響する。特に残留酸素は、開極のときに電気接点から放出され、可動電気接点と固定電気接点との間の電気的な経路となり易い。その結果、残留酸素は、真空バルブの遮断特性を著しく低下させるという問題がある。この問題に対処するためには、電気接点の内部に残留する不純物ガスを極力減らす必要がある。

また、電気接点においては、進み小電流遮断において電気接点同士の溶着を引き剥がすときに溶着痕が引き延ばされるため、電気接点の表面の凹凸が大きくなる。その結果、溶着痕の先端部で電界集中が生じ、耐電圧性能が低下するという問題がある。この問題に対処するためには、電気接点表面にＣｒ粒子の粒径が小さい微細化皮膜を形成する必要がある。

さらに、高電圧下で使用される電気接点は、電圧が高くなるにしたがって表面にかかる機械的な力およびジュール熱が増加する。そのため、電流遮断の繰り返しに起因して電気接点の表面に破断が生じ、耐電圧性能が徐々に低下していくという問題がある。この問題に対処するためには、微細化皮膜を厚膜化する必要がある。

電気接点表面に微細化皮膜を形成する方法として、コンディショニングと呼ばれる方法がある。コンディショニングとは、例えば電気接点の表面に高電圧を印加してアーク放電を発生させ、このアーク放電の熱で電気接点の表面を溶融して微細化皮膜を形成する方法である。また、別の方法として、摩擦撹拌接合を応用する方法がある。この方法は、摩擦撹拌の技術を応用して電気接点の表面を摩擦熱で溶融して微細化皮膜を形成する方法である（例えば、特許文献１参照）。

一方、電気接点の微細化皮膜を厚膜化する方法として溶射を用いる方法がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９−１５８２１６号公報 特開２０００−２３５８２５号公報

しかしながら、外部からエネルギーを与えて電気接点の表面を溶融して微細化皮膜を形成する従来の方法は、外部から与えられるエネルギーが電気接点の内部では著しく減衰するため、微細化皮膜を厚膜化することは困難であった。また、溶射を用いて微細化皮膜を厚膜化する方法は、微細化皮膜の内部に残留する酸素などの不純物ガスが多くなるという問題があった。

本願は上述のような課題を解決するためになされたもので、内部に残留する不純物ガスが少ない膜厚の厚い微細化皮膜を形成することができる電気接点の製造方法を提供することを目的とする。

本願の電気接点の製造方法は、導電性粒子の粉末と耐アーク性粒子の粉末との混合粉末を不活性ガスと共に基板の表面に吹き付ける工程と、基板の表面に吹き付けられた混合粉末にレーザー光を照射して混合粉末を軟化もしくは溶融させて基板の表面に皮膜を形成する工程と、基板の表面に形成された皮膜を冷却固化する工程とを備えている。そして、不活性ガスの体積は、混合粉末の重量１ｇ当たり０．５リットル以上８．３リットル以下である。

本願の電気接点の製造方法は、混合粉末を不活性ガスと共に基板の表面に吹き付ける工程と、基板の表面に吹き付けられた混合粉末にレーザー光を照射して混合粉末を軟化もしくは溶融させて基板の表面に皮膜を形成する工程とを備えており、不活性ガスの体積を混合粉末の重量１ｇ当たり０．５リットル以上８．３リットル以下としている。そのため、本願の電気接点の製造方法は、内部に残留する不純物ガスが少ない膜厚の厚い微細化皮膜を形成することができる。

実施の形態１に係る真空バルブの断面模式図である。 実施の形態１に係る電気接点の製造方法の工程を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る電気接点の製造方法の説明図である。 実施の形態１に係る電気接点における微細化皮膜の形成過程を説明する説明図である。 実施の形態１に係る実施例および比較例の電気接点における不活性ガスの供給条件および電気特性評価結果を表にした図である。 実施の形態１に係る比較例の電気接点における製造方法および電気特性評価結果を表にした図である。 実施の形態１に係る実施例および比較例の電気接点における基板の素材および電気特性評価結果を表にした図である。 実施の形態１に係る実施例および比較例の電気接点における微細化皮膜のＣｕ含有率および電気特性評価結果を表にした図である。 実施の形態１に係る実施例および比較例の電気接点における微細化皮膜の酸素含有率および遮断特性の評価結果を表にした図である。 実施の形態１に係る電気接点の断面画像の模式図である。 実施の形態１に係る実施例および比較例の電気接点における微細化皮膜中のＣｒ粒子の粒径および耐電圧特性の評価結果を表にした図である。 実施の形態１に係る実施例および比較例の電気接点における微細化皮膜と基板との界面のせん断強度および繰り返し耐電圧特性の評価結果を表にした図である。

以下、本願を実施するための実施の形態に係る真空バルブおよび電気接点について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。

実施の形態１．
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、円筒形状の絶縁容器３と、円盤形状の金属蓋５ａおよび５ｂとで構成されている。金属蓋５ａおよび５ｂの両端は、封止金具４ａおよび４ｂで絶縁容器３にそれぞれ固定されている。絶縁容器３、金属蓋５ａおよび５ｂで密封された遮断室２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および可動電極棒７の端部には、固定電極８および可動電極９がそれぞれ取り付けられている。また、固定電極８および可動電極９の接触部には、固定電気接点１０および可動電気接点１１がロウ付けによりそれぞれ取り付けられている。固定電気接点１０および可動電気接点１１の少なくとも一方には、本実施の形態に係る電気接点が適用されている。

可動電極棒７には、ベローズ１２が取り付けられている。ベローズ１２は、遮断室２の内部を真空気密に保持しながら可動電極棒７の軸方向の移動を可能にしている。可動電極棒７の軸方向の移動によって、可動電極９が固定電極８に接触したり離れたりする。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、遮断室２内の固定電極８および可動電極９を覆う位置に、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。

一般に、固定電極８、可動電極９、固定電気接点１０および可動電気接点１１の形状は、円盤形状である。以下、本実施の形態の電気接点の形状は、円盤形状であるとして説明する。ただし、電気接点の形状は、円盤形状以外の形状でもよい。

これ以降、本実施の形態における電気接点について説明する。始めに本実施の形態の電気接点の製造方法について説明する。
図２は、本実施の形態における電気接点の製造方法の工程を示すフローチャートである。図２に示すように、本実施の形態における電気接点の製造方法は、導電性粒子の粉末と耐アーク性粒子の粉末とを混合する工程Ｓ１と、混合粉末を不活性ガスと共に基板の表面に吹き付ける工程Ｓ２と、基板の表面に吹き付けられた混合粉末にレーザー光を照射して混合粉末を軟化もしくは溶融させて基板の表面に皮膜を形成する工程Ｓ３と、基板の表面に形成された皮膜を冷却固化する工程Ｓ４とを備えている。
次に、各工程を詳細に説明する。

［導電性粒子の粉末と耐アーク性粒子の粉末とを混合する工程Ｓ１］
導電性粒子としては、例えばＣｕ粒子を用いる。耐アーク性粒子としては、例えばＣｒ粒子、Ｗ粒子およびＭｏ粒子の少なくともいずれか１つの粒子を用いる。導電性粒子の粉末と耐アーク性粒子の粉末とを混合して混合粉末とする。混合粉末の質量を１００ｗｔ％としたときに、導電性粒子の粉末の質量は２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下とする。導電性粒子および耐アーク性粒子の粒径は、０．１μｍ以上１２０μｍ以下が好ましい。これらの粒子の粒径が０．１μｍ未満の場合、粒子の表面酸化、粒子同士の凝集などの影響を受けやすくなる。これらの粒子の粒径が１２０μｍを超える場合、後述するレーザー光の照射による溶融のときに不完全溶融となり易く、微細化皮膜中での耐アーク性粒子の粒径が大きくなる。
なお、原料粉末の平均粒径は、レーザー回折散乱法を原理とするレーザー回折式粒度分布測定装置を用いて測定することができる。

［混合粉末を不活性ガスと共に基板の表面に吹き付ける工程Ｓ２］
図３は、本実施の形態における電気接点の製造方法の説明図である。基板２１の表面に向かって、供給管２２から導電性粒子２３と耐アーク性粒子２４との混合粉末が不活性ガス２５を用いて供給される。このとき、不活性ガス２５の供給量の体積は、例えば混合粉末の重量１ｇ当たり０．５リットル以上８．３リットル以下に設定されている。混合粉末の流量は、６〜２４ｇ／分の範囲であることが好ましい。また、不活性ガス２５の流量は、３〜２００リットル／分の範囲が好ましい。不活性ガス２５としては、例えばアルゴンガス、窒素ガスなどの非酸化性ガスを用いることができる。混合粉末の重量１ｇ当たりの不活性ガス２５の体積が０．５リットル未満の場合、不純物ガスが混合粉末に混入し易くなる。その結果、次の工程において混合粉末が加熱されたときに、混合粉末と不純物ガスとが結合する場合がある。特に酸素が混入した場合、遮断特性を著しく低下させる。混合粉末の重量１ｇ当たりの不活性ガス２５の体積が８．３リットルを超える場合、次の工程において混合粉末がレーザー光で加熱された後の冷却速度が速くなりすぎる。加熱された後の混合粉末の冷却速度が速くなりすぎると、混合粉末が基板に付着する前に凝固が始まって成膜が困難となる場合がある。

なお、不活性ガス２５の供給量の体積を混合粉末の重量１ｇ当たり０．５リットル以上８．３リットル以下の範囲で設定し、混合粉末および不活性ガスの流量を変化させることで微細化皮膜の特性を変化させることができる。例えば、混合粉末の流量を変化させると、次の工程において基板および混合粉末にそれぞれ入力されるレーザー光のエネルギー量が変化するために微細化皮膜と基板との間の密着力が変化する。

なお、この工程において、供給管２２から基板２１に不活性ガスを吹き付ける角度は、とくに限定されない。不活性ガス中において、混合粉末は凝集が少ない状態であることが好ましい。

［レーザー光を照射して混合粉末を軟化もしくは溶融させて基板の表面に皮膜を形成する工程Ｓ３］
図３に示すように、基板の表面に吹き付けられた混合粉末にレーザー光２６が照射される。基板の表面に吹き付けられた混合粉末は、レーザー光２６によって加熱され軟化もしくは溶融した状態となる。この軟化もしくは溶融状態の粉末２７が基板２１の表面に付着して微細化皮膜が形成される。この工程に用いられるレーザー光には、例えばＹＡＧレーザー（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ Ｌａｓｅｒ）の波長１０６４ｎｍのレーザー光を用いることができる。なお、ＹＡＧレーザーの第二高調波の波長５３２ｎｍのレーザー光、または第三高調波の波長３５５ｎｍのレーザー光を用いてもよい。また、ＹＡＧレーザーに替えて、炭酸ガスレーザー、エキシマレーザー、半導体レーザーなど他のレーザーを用いてもよい。なお、この工程において、基板に対してレーザー光が照射される角度は、とくに限定されない。

図４は、この工程における微細化皮膜の形成過程を説明する説明図である。この工程において、レーザー光２６は、図４の黒矢印に示すように基板２１の表面を掃引される。レーザー光２６が照射された基板２１の表面には、基板２１の素材が溶融したメルトプール２８が形成される。このメルトプール２８と軟化もしくは溶融状態の粉末２７との間で金属結合が行われ、微細化皮膜２９が基板２１の表面に強固に付着する。レーザー光２６の掃引が繰り返されることで、微細化皮膜２９は基板２１の表面全体に肉盛りされた状態で形成される。

なお、この工程において形成された微細化皮膜２９は、不可避的に混入する例えばアルゴン、窒素などの元素が含まれる場合がある。また、ＹＡＧレーザーの波長１０６４ｎｍのレーザー光を用いる場合、基板２１の赤外線領域の光吸収率が低いために、メルトプール２８が有効に形成されない場合がある。メルトプール２８が有効に形成されない場合、微細化皮膜２９と基板２１との密着力が低下する。基板２１の赤外線領域の光吸収率を上げるために、基板２１の温度を８０℃以上に加熱する加熱処理を施してもよい。あるいは基板２１の赤外線領域の光吸収率を上げるために、基板２１の表面に酸化被膜処理またはＣｒ被膜処理を施してもよい。

［基板の表面に形成された皮膜を冷却固化する工程Ｓ４］
レーザー光が掃引されてレーザー光の照射領域から外れることで、基板の表面に形成された微細化皮膜２９が冷却される。このとき、不活性ガスの供給は続けられているので、微細化皮膜２９の冷却速度が高まる。例えば、冷却速度が３００Ｋ／秒以上の場合、微細化皮膜２９の内部のＣｒ粒子は１μｍ以下に微細化される。

このようにして製造された電気接点は、真空バルブの電気接点とするために、必要に応じて機械加工される。具体的な機械加工は、真空バルブの電気接点としての設計上の必要な直径および厚さとするための研削加工、端部にテーパーを付けるためのテーパー加工、表面を研磨するための研磨加工などである。ただし、成膜後の微細化皮膜の表面が十分に平坦である場合、研磨加工は省略される場合がある。

次に、本実施の形態における電気接点の電気特性評価について説明する。上述のような製造方法で試験接点を２つ作製し、この２つの試験接点をそれぞれ固定電気接点および可動電気接点とする評価用真空バルブを作製した。この評価用真空バルブを用いて、電気接点の電気特性評価を行った。電気接点の電気特性評価は、遮断特性の評価、耐電圧特性の評価、および繰り返し耐電圧特性の評価の３つである。

遮断特性の評価は、次のようにして行った。コンデンサバンクの開閉を行うサイリスタと評価用真空バルブとを直列接続した回路を組み立てた。この回路において、コンデンサバンクからの放電を利用した通電電流を閉極した状態の評価用真空バルブに流した。コンデンサバンクは外部電源で充電される。通電電流を２ｋＡから１ｋＡずつ上げて評価用真空バルブを強制的に開極する遮断試験を行った。通電電流が４ｋＡのときに遮断試験が成功したか否かで遮断特性の合否を判定した。なお、遮断試験の成功とは、評価用真空バルブを開極したときに、アークが完全に消滅する場合を意味する。遮断試験の不成功とは、評価用真空バルブを開極したときに、アークが継続するかまたは一旦消滅したアークが再度発生する場合を意味する。すなわち、遮断特性の評価においては、通電電流が４ｋＡのときに遮断試験に成功した場合を合格とし、通電電流が４ｋＡのときに遮断試験が不成功の場合を不合格とした。

耐電圧特性の評価は、次のようにして行った。評価用真空バルブにおいて、固定電気接点と可動電気接点との間隔を２ｍｍに設定した。この状態で固定電気接点と可動電気接点との間にインパルス電源を用いて電圧を印加した。印加電圧を４ｋＶから４ｋＶずつ順次上昇させ、絶縁破壊電圧を測定した。なお、絶縁破壊電圧は、電気接点の表面状態に強く依存する。そのため、絶縁破壊電圧の測定は絶縁破壊電圧が飽和傾向になるまで行った。耐電圧特性の評価においては、絶縁破壊電圧が４０ｋＶ以上の場合を合格とし、絶縁破壊電圧が４０ｋＶに満たない場合を不合格とした。

繰り返し耐電圧特性の評価は、上述の耐電圧特性の評価を連続で３回繰り返し行った。繰り返し耐電圧特性の評価においては、３回の連続評価で耐電圧特性の評価がすべて合格である場合を合格とし、３回の連続評価で耐電圧特性の評価が１回でも不合格である場合を不合格とした。

以下、本実施の形態の電気接点について、具体的な実施例および比較例を説明する。
［実施例１〜６］［比較例１〜５］
実施例１〜６および比較例１〜５の電気接点は、導電性粒子と耐アーク性粒子との混合粉末はすべて同じ条件であり、不活性ガスの供給条件が異なっている。実施例１〜６および比較例１〜５の混合粉末は次のようにして準備した。平均粒径１０μｍのＣｕ粉末と平均粒径４０μｍのＣｒ粉末とをＶ型混合撹拌機を用いて１時間以上混合して均一な混合粉末とした。この混合粉末のＣｕ：Ｃｒは、５０ｗｔ％：５０ｗｔ％とした。

また、実施例１〜６および比較例１〜５の電気接点における基板は、次のようにして作製した。平均粒径１０μｍのＣｕ粉末と平均粒径４０μｍのＣｒ粉末とをＶ型混合撹拌機を用いて１時間以上混合して均一な混合粉末とした。この混合粉末のＣｕ：Ｃｒは、６０ｗｔ％：４０ｗｔ％とした。この混合粉末を内径φ３５ｍｍのダイス金型（鋼製）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１０ｍｍの成形体を作製した。得られた成形体を水素雰囲気中９００℃で２時間焼成して焼結体を作製した。得られた焼結体を直径約φ３０ｍｍ、厚さ約２ｍｍのＣｕ円板の下に置き、水素雰囲気中で２時間溶浸した。このようにして基板を作製した。溶浸温度は１１２０℃とした。なお、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。このときにＣｕが溶けた温度を溶浸温度とした。

この基板の表面に上述の混合粉末をアルゴンガスと共に吹き付け、レーザー光を用いて溶融させることで基板の表面に微細化皮膜を形成した。実施例１〜６および比較例１〜５の電気接点においては、混合粉末の重量１ｇ当たりのアルゴンガスの体積をそれぞれ０．５、０．７、１．０、２．０、５．０、８．３、０．２、０．４、８．４、９．２および１０．０リットルとした。なお、混合粉末の流量は、一定の１２ｇ／分とした。また、レーザー光の掃引速度は、１０ｍｍ／秒とした。そして、レーザー光の掃引を繰り返して、膜厚が１ｍｍの微細化皮膜を形成した。この電気接点に対して、評価用真空バルブの電気接点とするために、微細化皮膜を残して直径φ３０ｍｍ、厚さ８ｍｍに加工し、側面に半円加工を加えた。このようにして作製された２つの電気接点を評価用真空バルブの固定電極および可動電極にそれぞれロウ付けして固定電気接点および可動電気接点とした。この評価用真空バルブを用いて、上述の電気特性評価を行った。

図５は、実施例１〜６および比較例１〜５の電気接点における不活性ガスの供給条件および電気特性評価結果を表にした図である。実施例１〜６の電気接点の評価結果から、混合粉末の重量１ｇ当たりのアルゴンガスの体積が０．５〜８．３リットルの範囲であれば、遮断特性の評価、耐電圧特性の評価および繰り返し耐電圧特性の評価の全てにおいて良好な結果が得られた。この条件の下では、混合粉末の量に対して十分な量のアルゴンガスを用いているため、微細化皮膜の酸素含有率を０．５ｗｔ％以下にすることができる。その結果、微細化皮膜中の不純物ガスの量が低下し遮断特性が向上したと推定される。また、レーザー光によって溶融した粉末とアルゴンガスとは、同時に基板表面へ流れ基板表面に付着する。このとき、アルゴンガスは基板に付着した溶融粉末に対して冷却ガスとしても作用する。溶融粉末がアルゴンガスによって急冷凝固することで、微細化皮膜中のＣｒ粒子の平均粒径は１５μｍ以下となる。とくに、微細化皮膜の冷却速度が３００Ｋ／秒より高速な場合には微細化皮膜中のＣｒ粒子の平均粒径は１０μｍ以下となり、良好な耐電圧特性が得られる。

また、この条件の下で形成される微細化皮膜の膜厚は、１層当たり５００〜８００μｍとなる。これを積層することで膜厚が１ｍｍ以上の厚い微細化皮膜を得ることができる。また、この条件の下では１層目のレーザー光は、混合粉末だけでなく基板の表面を同時に溶解させることができる。そのため、微細化皮膜と基板との界面を金属結合させることができる。その結果、微細化皮膜の密着性を向上させることができ、微細化皮膜と基板との界面のせん断強度を２００ＭＰａ以上にすることができる。

一方、混合粉末の重量１ｇ当たりのアルゴンガスの体積が０．５リットル未満の比較例１および２においては、遮断特性の評価、耐電圧特性の評価および繰り返し耐電圧特性の評価全てにおいて不合格となった。比較例１および２においては、混合粉末の量に対してアルゴンガスの体積が少ないために微細化皮膜中の不純物ガスの量が増加したため遮断特性が低下したと推定される。また、比較例１および２においては、冷却ガスとしてのアルゴンガスの量が少ないために微細化皮膜の冷却速度が低下し、Ｃｒ粒子の粒径が大きくなって耐電圧特性が低下したと推定される。

また、混合粉末の重量１ｇ当たりのアルゴンガスの体積が８．３リットルを超える比較例３〜５においては、微細化皮膜が形成されなかった。比較例３〜５においては、冷却ガスとしてのアルゴンガスの量が多いために、レーザー光で一旦溶融した粉末が基板に到達する前に再凝固したために微細化皮膜が形成されなかったと推定される。

上述の実施例１〜６および比較例１〜５の結果から、不活性ガス２５の供給量の体積が混合粉末の重量１ｇ当たり０．５リットル以上８．３リットル以下の範囲であれば、遮断特性、耐電圧特性および繰り返し耐電圧特性の全てにおいて良好な電気接点が得られる。このことから、不活性ガス２５の供給量の体積が混合粉末の重量１ｇ当たり０．５リットル以上８．３リットル以下の範囲であれば、内部に残留する酸素などの不純物ガスが少ない膜厚の厚い微細化皮膜を形成できることがわかった。

また、このように構成された電気接点の製造方法においては、混合粉末を不活性ガスと共に基板の表面に吹き付けているので、微細化皮膜を形成する皮膜形成室をシールドガスで満たす必要がない。また、不活性ガスは、混合粉末の供給と不純物ガスの混入防止と微細化皮膜の冷却という３つの作用を発揮する。そのため、製造装置の構造が簡易になる。

［比較例６〜８］
比較例６〜８の電気接点は、従来技術で製造された電気接点である。比較例６の電気接点は、焼結法で作製されたものである。比較例７の電気接点は、焼結法で作製された電気接点にコンディショニング処理を施したものである。比較例８の電気接点は、溶射法で作製されたものである。なお、比較例６〜８の電気接点において、導電性粒子と耐アーク性粒子との混合粉末はすべて実施例１と同じ条件である。

比較例６の電気接点は、次のようにして作製した。実施例１と同じ混合粉末を内径φ３５ｍｍのダイス金型（鋼製）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１０ｍｍの成形体を作製した。得られた成形体を水素雰囲気中９００℃で２時間焼成して焼結体を作製した。得られた焼結体を直径約φ３０ｍｍ、厚さ約２ｍｍのＣｕ円板の下に置き、水素雰囲気中で２時間溶浸した。このようにして、比較例６の電気接点を作製した。溶浸温度は１１２０℃とした。なお、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。このときにＣｕが溶けた温度を溶浸温度とした。このようにして作製した電気接点で評価用真空バルブを作製した。

比較例７の電気接点は、次のようにして作製した。比較例６の電気接点で作製された評価用真空バルブにおいて、コンディショニング処理を行った。コンディショニング処理は、次の手順で行った。評価用真空バルブにおいて、閉極された状態で１０ｋＡの直流電流を流し電極間を強制的に開極して電流遮断を行った。この電流遮断のときに発生するアークで電気接点の表面を溶融させて微細化皮膜を形成した。電流遮断は５回以上行った。また、固定電気接点および可動電気接点の両方の電気接点表面に均等に微細化皮膜を形成するために、直流電流の極性を切り替えて電流遮断を実施した。

比較例８の電気接点は、次のようにして作製した。溶射ガンを用いて実施例１と同じ混合粉末を基板の表面に溶射した。基板は、実施例１で用いた基板と同じである。このようにして作製した電気接点で評価用真空バルブを作製した。

図６は、比較例６〜８の電気接点における製造方法および電気特性評価結果を表にした図である。焼結法で作製された比較例６の電気接点は、遮断特性評価では合格したが、耐電圧特性評価および繰り返し耐電圧特性評価では不合格となった。その理由は、次のように推定される。焼結法で作製された比較例６の電気接点は、表面の硬度が高くないために電流遮断で溶着が引き剥がされるときに電気接点の表面の溶着痕が大きくなったと推定される。その結果、比較例６の電気接点では溶着痕の先端部に電界集中が生じ、耐電圧性能が低下したと推定される。

コンディショニング処理が施された比較例７の電気接点は、遮断特性評価および耐電圧特性評価では合格したが、繰り返し耐電圧特性評価では不合格となった。その理由は、次のように推定される。コンディショニング処理が施された比較例７の電気接点は、比較例６の電気接点に比べて表面の硬度が向上したため耐電圧性能が向上したと推定される。しかしながら、コンディショニング処理で微細化された微細化皮膜はその膜厚が薄い。そのため、比較例７の電気接点は繰り返し耐電圧特性評価において微細化皮膜が破断し、その破断部分に電界集中が生じて不合格になったと推定される。

溶射法で作製された比較例８の電気接点は、耐電圧特性評価および繰り返し耐電圧特性評価では合格したが、遮断特性評価では不合格となった。その理由は、次のように推定される。溶射法で作製された比較例８の電気接点は、膜厚が厚く緻密な微細化皮膜が形成されている。そのため、比較例８の電気接点は、耐電圧性能および繰り返し耐電圧性能が向上したと推定される。しかしながら、比較例８の電気接点は溶射による成膜過程で粉末材料が非常に高温になり酸化が促進され、その結果、微細化皮膜の酸素含有率が増加して遮断性能が低下したと推定される。

［実施例７］［比較例９、１０］
実施例７および比較例９、１０の電気接点は、基板の素材を変更した電気接点である。実施例７の電気接点は、基板に銅クロム合金を用いたものである。比較例９の電気接点は、基板にアルミニウムを用いたものである。比較例１０の電気接点は、基板に鉄を用いたものである。

実施例７の電気接点における基板は、実施例１の基板と同じである。すなわち、実施例７の電気接点における基板は、Ｃｕ：Ｃｒが６０ｗｔ％：４０ｗｔ％の銅クロム合金である。比較例９の電気接点における基板は、純度３Ｎのアルミニウムである。比較例１０の電気接点における基板は、純度３Ｎの鉄である。これらの基板の形状は、外径φ３５ｍｍ、厚さ１０ｍｍとした。また、実施例７および比較例９、１０の電気接点における微細化皮膜の形成方法は、実施例１の形成方法と同じとした。したがって、微細化皮膜のＣｕ：Ｃｒは、５０ｗｔ％：５０ｗｔ％である。ただし、混合粉末の重量１ｇ当たりのアルゴンガスの体積は、２．５リットルとした。

図７は、実施例７および比較例９、１０の電気接点における基板の素材および電気特性評価結果を表にした図である。基板に銅クロム合金を用いた実施例７の電気接点は、遮断特性の評価、耐電圧特性の評価および繰り返し耐電圧特性の評価の全てにおいて合格となった。これに対して、基板にアルミニウムを用いた比較例９、および基板に鉄を用いた比較例１０の電気接点においては、遮断特性の評価および繰り返し耐電圧特性の評価において不合格となった。比較例９、１０の電気接点の遮断性能が低下した原因は、基板の電気伝導率が低いためと考えられる。また、比較例９、１０の電気接点の繰り返しの耐電圧性能が低下した原因は、基板の電気伝導率が低いため基板でジュール熱が発生し易く、繰り返しの耐電圧特性の評価で微細化皮膜の温度が上昇して微細化皮膜が破断し易くなったためと推定される。

なお、基板の電気伝導率は、微細化皮膜の電気伝導率より大きいことが好ましい。したがって、基板に銅を用いることが好ましい。また、基板に銅クロム合金を用いた場合でも、基板に含まれるＣｕが占める割合が、微細化皮膜に含まれるＣｕが占める割合よりも大きいことが好ましい。

［実施例８〜１２］［比較例１１〜１６］
実施例８〜１２および比較例１１〜１６の電気接点は、微細化皮膜の形成方法は同じであり、微細化皮膜のＣｕ含有率が異なっている。微細化皮膜のＣｕ含有率の調整は、Ｃｕ粉末とＣｒ粉末とを混合して混合粉末を作製するときのＣｕ粉末とＣｒ粉末との質量比を調整して行った。実施例８〜１２および比較例１１〜１６の電気接点の微細化皮膜の形成方法は、実施例１の形成方法と同じとした。ただし、混合粉末の重量１ｇ当たりのアルゴンガスの体積は、２．５リットルとした。

図８は、実施例８〜１２および比較例１１〜１６の電気接点における微細化皮膜のＣｕ含有率および電気特性評価結果を表にした図である。図８に示した表からわかるように、微細化皮膜のＣｕ含有率が２０ｗｔ％以上の実施例８〜１２および比較例１４〜１６の電気接点においては、遮断特性の評価は合格となった。電気接点における遮断性能は、微細化皮膜の電気伝導率に依存する。微細化皮膜のＣｕ含有率が２０ｗｔ％以上であれば、微細化皮膜の電気伝導率は十分高くなり遮断性能が向上する。一方、微細化皮膜のＣｕ含有率が２０ｗｔ％未満の比較例１１〜１３の電気接点においては、遮断特性の評価は不合格となった。その理由は、次のように推定される。微細化皮膜のＣｕ含有率が２０ｗｔ％未満の電気接点においては、母材のＣｕを経由して電気伝導可能な容量を超えた電流がＣｒ粒子を経由して流れるために遮断性能が低下したと推定される。

また、図８に示した表からわかるように、微細化皮膜のＣｕ含有率が８０ｗｔ％以下の実施例８〜１２および比較例１１〜１３の電気接点においては、耐電圧特性の評価および繰り返し耐電圧特性の評価は合格となった。電気接点における耐電圧性能は、微細化皮膜の絶縁性に依存する。微細化皮膜の絶縁性はその物質の硬度および融点と正の相関をもつ。銅クロム合金において、その物質の硬度および融点を高くする役割はクロムが担っている。微細化皮膜のＣｕ含有率が８０ｗｔ％以下、すなわちＣｒ含有率が２０ｗｔ％を超えていれば、微細化皮膜の硬度および融点が十分高くなり耐電圧性能が向上する。一方、微細化皮膜のＣｕ含有率が８０ｗｔ％を超える比較例１４〜１６の電気接点においては、耐電圧特性の評価および繰り返し耐電圧特性の評価は不合格となった。その理由は、次のように推定される。微細化皮膜のＣｕ含有率が８０ｗｔ％を超える電気接点においては、微細化皮膜の表面におけるＣｕが占める面積が大きくなり、電流遮断時に微細化皮膜の表面に突起が形成され易くなったためと推定される。また、微細化皮膜における電気伝導経路のＣｕの寄与率が上昇し、仕事関数が減少して電子放出され易くなったためとも推定される。

上述の実施例８〜１２および比較例１１〜１６の結果から、遮断性能と耐電圧性能とを同時に満足するためには微細化皮膜のＣｕ含有率が２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下であり、残部がＣｒであることが好ましい。なお、微細化皮膜は、ＣｕとＣｒ以外の不可避な不純物を含んでいてもよい。

［実施例１３〜１７］［比較例１７〜１９］
実施例１３〜１７および比較例１７〜１９の電気接点は、微細化皮膜の形成方法は同じであり、微細化皮膜の酸素含有率が異なっている。実施例１３〜１７および比較例１７〜１９の電気接点は、実施例１と同様な方法で微細化皮膜を形成した。ただし、原料粉末である混合粉末に付着する酸素量を調整して、微細化皮膜の酸素含有率を調整した。具体的には、実施例１３〜１７および比較例１７〜１９の電気接点は、実施例１と同様な微細化皮膜の形成方法において、真空保管から大気暴露後、室温でそれぞれ１０、３０、６０、１２０、１００、１５０、１８０および２００分間保持した混合粉末を用いた。大気中で保持する時間が長くなるにしたがって混合粉末の表面酸化量が増える。混合粉末の表面酸化量が増えるにしたがって、その混合粉末を用いて形成された微細化皮膜の酸素含有率も増える。

微細化皮膜の酸素含有率は、赤外線吸収法を用いて測定した。赤外線吸収法は、例えば測定試料を黒鉛るつぼに入れて加熱溶融して測定試料中の酸素を一酸化炭素に変換し、この一酸化炭素の赤外線吸収量から酸素量を測定する方法である。なお、微細化皮膜の酸素含有率は、任意に３分割された微細化皮膜で測定された酸素含有率の平均値とした。

図９は、実施例１３〜１７および比較例１７〜１９の電気接点における微細化皮膜の酸素含有率および遮断特性の評価結果を表にした図である。図９に示した表からわかるように、微細化皮膜の酸素含有率が０．５ｗｔ％以下の実施例１３〜１７の電気接点においては、遮断特性の評価は合格となった。一方、微細化皮膜の酸素含有率が０．５ｗｔ％を超える比較例１７〜１９の電気接点においては、遮断特性の評価は不合格となった。その理由は、微細化皮膜の酸素含有率が０．５ｗｔ％を超える電気接点においては、開極のときに伝導キャリアとして働く脱ガスした酸素の量が可動電気接点と固定電気接点との間の伝導パスを形成するために十分な量となったためと推定される。

［実施例１８〜２１］［比較例２０、２１］
実施例１８〜２１および比較例２０、２１の電気接点は、微細化皮膜の形成方法は同じであり、微細化皮膜中のＣｒ粒子の粒径が異なっている。実施例１８〜２１の電気接点は、実施例１と同様な微細化皮膜の形成方法において、アルゴンガスの体積を混合粉末の重量１ｇに対してそれぞれ２．０、１．０、０．７および０．５リットルとしたものである。比較例２０、２１の電気接点は、実施例１と同様な微細化皮膜の形成方法において、アルゴンガスの体積を混合粉末の重量１ｇに対してそれぞれ０．４および０．２リットルとしたものである。混合粉末の重量１ｇ当たりのアルゴンガスの体積が増えるにしたがって、冷却速度が速くなるため微細化皮膜中のＣｒ粒子の粒径が小さくなる。

Ｃｒ粒子の粒径は、次のようにして測定した。走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）とこれに付属するエネルギー分散型Ｘ線分析（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＤＸ）とを用いて微細化皮膜の断面観察および組成分析を行った。観察された断面画像において組成分析によりＣｒ粒子を特定した。図１０は、本実施の形態の電気接点で観察された断面画像の模式図である。図１０に示すように、本実施の形態の電気接点には、Ｃｕからなる母材３０の中に高融点物質粒子であるＣｒ粒子３１が分散して存在していた。観察された断面画像において、Ｃｒ粒子３１の幾何学的な形状に基づいてＣｒ粒子３１の形状を球形近似した場合の粒径を算出した。そして、観察された断面画像に含まれる全てのＣｒ粒子３１の粒径の平均値を算出してその平均値を最終的にＣｒ粒子３１の粒径とした。

図１１は、実施例１８〜２１および比較例２０、２１の電気接点における微細化皮膜中のＣｒ粒子の粒径および耐電圧特性の評価結果を表にした図である。図１１に示した表からわかるように、微細化皮膜中のＣｒ粒子の粒径が１５μｍ以下の実施例１８〜２１の電気接点においては、耐電圧特性の評価は合格となった。一方、微細化皮膜中のＣｒ粒子の粒径が１５μｍを超える比較例２０、２１の電気接点においては、耐電圧特性の評価は不合格となった。その理由は、微細化皮膜中のＣｒ粒子の粒径が１５μｍを超える電気接点においては、電気接点の表面の凸凹が大きくなって耐電圧性能が低下したと推定される。

［実施例２２〜２４］［比較例２２、２３］
実施例２２〜２４および比較例２２、２３の電気接点は、微細化皮膜の形成方法は同じであり、微細化皮膜と基板との界面のせん断強度が異なっている。実施例２２〜２４および比較例２２、２３の電気接点は、実施例１と同様な微細化皮膜の形成方法において、混合粉末の流量を変化させて微細化皮膜と基板との界面のせん断強度を変化させたものである。なお、アルゴンガスの体積は、混合粉末の重量１ｇに対して２．５リットルの一定とした。実施例２２〜２４の電気接点は、混合粉末の流量をそれぞれ８、１５、および２４ｇ／分としたものである。比較例２２、２３の電気接点は、混合粉末の流量をそれぞれ３３および４０ｇ／分としたものである。混合粉末の流量が増えるにしたがって基板に加えられるエネルギーが低下し、基板のメルトプールの温度が低下するため微細化皮膜と基板との界面のせん断強度が低下する。なお、微細化皮膜と基板との界面のせん断強度は、次のようにして測定した。微細化皮膜と基板との界面を側面に露出させた短辺１ｍｍで長辺２ｍｍの長方形の突起を電気接点の表面に切削加工で作製する。この突起に対して微細化皮膜と基板との界面をせん断するように治具を引っかける。この治具に対して突起の短辺と平行な方向に１ｍｍ／分で荷重を印加し、微細化皮膜が基板から剥がれるときに加えられている荷重をせん断強度とした。

図１２は、実施例２２〜２４および比較例２２、２３の電気接点における微細化皮膜と基板との界面のせん断強度および繰り返し耐電圧特性の評価結果を表にした図である。図１２に示した表からわかるように、微細化皮膜と基板との界面のせん断強度が２００ＭＰａ以上の実施例２２〜２４の電気接点においては、繰り返し耐電圧特性の評価は合格となった。一方、微細化皮膜と基板との界面のせん断強度が２００ＭＰａ未満の比較例２２、２３の電気接点においては、繰り返し耐電圧特性の評価は不合格となった。その理由は、微細化皮膜と基板との界面のせん断強度が２００ＭＰａ未満の電気接点においては、繰り返し耐電圧特性の評価において、徐々に微細化皮膜と基板との界面に微小な剥がれが生じたためと推定される。この微細化皮膜と基板との界面の微小な剥がれは、その剥がれた部分が寄生容量の発生原因となり、遮断性能および耐電圧性能の低下を招くと推定される。

なお、本実施の形態に係る電気接点において、耐アーク成分としてＣｒを用いていた。耐アーク成分としては、Ｃｒ以外にＷ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）など融点が１８００℃を超える材料を用いることができる。また、耐アーク成分として、Ｃｒ、ＷおよびＭｏの炭化物を用いることもできる。

また、本実施の形態に係る電気接点においては、微細化皮膜の膜厚は１ｍｍであった。微細化皮膜の膜厚は０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましい。微細化皮膜の膜厚が０．５ｍｍ未満の場合、電気接点の開閉に伴う機械的な圧力で微細化皮膜が破断し易くなる。また、微細化皮膜の膜厚が１０ｍｍを超過する場合、微細化皮膜の形成時に割れなどが生じ易くなると共に、電気接点の抵抗値が上昇して遮断性能が低下する。

本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
したがって、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

１ 真空バルブ、２ 遮断室、３ 絶縁容器、４ａ、４ｂ 封止金具、５ａ、５ｂ 金属蓋、６ 固定電極棒、７ 可動電極棒、８ 固定電極、９ 可動電極、１０ 固定電気接点、１１ 可動電気接点、１２ ベローズ、１３ ベローズ用アークシールド、１４ 絶縁容器用アークシールド、２１ 基板、２２ 供給管、２３ 導電性粒子、２４ 耐アーク性粒子、２５ 不活性ガス、２６ レーザー光、２７ 軟化もしくは溶融状態の粉末、２８ メルトプール、２９ 微細化皮膜、３０ 母材、３１ Ｃｒ粒子。

Claims (3)

1. 導電性粒子の粉末と耐アーク性粒子の粉末との混合粉末を不活性ガスと共に基板の表面に吹き付ける工程と、
   前記基板の表面に吹き付けられた前記混合粉末にレーザー光を照射して前記混合粉末を軟化もしくは溶融させて前記基板の表面に皮膜を形成する工程と、
   前記基板の表面に形成された前記皮膜を冷却固化する工程とを備えた電気接点の製造方法であって、
   前記不活性ガスの体積は、前記混合粉末の重量１ｇ当たり０．５リットル以上８．３リットル以下であることを特徴とする電気接点の製造方法。
2. 前記導電性粒子はＣｕ粒子であり、前記耐アーク性粒子はＣｒ粒子、Ｗ粒子およびＭｏ粒子の少なくともいずれか１つの粒子であり、前記混合粉末の質量を１００ｗｔ％としたときに、前記導電性粒子の粉末の質量が２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１に記載の電気接点の製造方法。
3. 前記基板は、ＣｕまたはＣｕとＣｒとの合金で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電気接点の製造方法。

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