JPH01111832A - 真空開閉器用電極材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は低サイダン電流特性が要求される真空開閉器に
関し、特にｗ４（以下Ｃｕと凹＜）　とビスマス（以下
［１ｉと書（）、鉛（以下ｐｂと書＜）、インジウム（
以下Ｉｎと書く）等の低融点金属との合金で形成される
電極材料に関するものである。

従来この種の接点用合金として、銅−ビスマス合金（以
下Ｃｕ　−Ｂｉと書く、他の元素の組合せの合金につい
ても、同様に元素記号の組合せで表示する。　）、Ｃｕ
−Ｐｂ、　Ｃｕ−３ｂやＣｕ−Ｃｏ−Ｂ１．　Ｃｕ−Ｃ
ｒ−Ｂ１等があった。低サイダン電流特性が要求されな
い場合は、Ｂｉ等の低融点金属の含有量は１％４１％で
示す、以下同じ、）内外と低くおさえて低サイダン特性
よりはむしろ耐溶着性に重点がおかれ、一方ＩＡ以下の
低いサイダン電流特性が要求される場合には、Ｂｉ等の
低融点金属の含有量を１０〜２０％のオーダで多量に含
有させる事が行われていた。

またＣｏ、　Ｃｒ、　Ｎｉ、　Ｔｉ、　Ｗ、　Ｆｅ等は
耐電圧特性を向上させる事を目的として付加されていた
。しかしながら、Ｂｉ、　Ｐｂ、　Ｉｎ等の低融点金属
は常温状態でＣｕにほとんど固溶せず、Ｃｕの粒界に凝
集した金属組織として析出しているため、必然的に大電
流しゃ断の際はその多量の低融点金属の蒸気が災し、し
ゃ断時性を大巾に減すると共に、粒界に析出した低融点
金属が合金の機械的強度を著しく劣化させる欠点を有し
ていた。また、電極棒へのろう付（７００〜８００℃）
の際にはその接合部に低融点金属が侵入し、その接合強
度が極端に低下し、かつ真空容器に組み込み４００〜６
００℃で脱ガス排気する場合にも、低融点金属が藩発飛
散して容器内面を汚染するため、耐電圧特性が低下する
等の欠点を有していた。

さらに、負荷電流の開閉と共に低融点金属が選択的に蒸
発飛散し、接点表面が徐々に銅すンチになるにつれ、そ
のサイダン電流値が上昇する致命的な欠点も有していた
。

この発明は上記のような従来のものの欠点を除去するた
めになされたもので、多量の低融点金属の含有による整
置を抑制することにより、しゃ断性能や耐電圧特性、あ
るいはろう付性等を向上させると共に、多数回の電流開
閉でも安定した低いサイダン電流特性を維持しうろこと
を特徴とする真空開閉器用電極材料を提供することを目
的とする。

即ち、この発明は銅を主成分とし、副成分としてＢｉ等
の低融点金属たる第１の金属を２０重量％以下の範囲で
添加し、Ｔｅ等の第２の金属を添加し、かつＣｒ等の第
３の金属を添加したものであり、これによりしゃ断性能
や耐電圧特性等を向上させうる新規な真空開閉器用電極
材料を提供することを目的とする。

以下、本発明の実施例について説明する。第１図は真空
スイッチ管の構造図で、（１）は真空絶縁容器、前記真
空絶縁容器（１）の両端を閉塞する端板（２）および（
３）とにより形成された容器内部に電極（４）および（
５）が、それぞれ電極棒（６）および（７）の一端に、
お互いが対向するよう配設されている。前記電極棒（６
）の他端は前記端板（２）に気密に固着され、一方の前
記？ｉ！極（７）は、ベローズ（８）を介して前記端板
（３）に気密を川うことなく軸方向の動作が可能なよう
に接合されている。シールド（９）およびＯｌがアーク
により発生する薫気で汚染されることがないよう、それ
ぞれ前記真空絶縁容器（１１の内面および前記ベローズ
（８）を覆っている。電極（４）および（５）の構成を
第２図に示す、電極＋５１はその背面で電極棒（７）に
ろう材（５１）を介挿してろう付されている。前記電極
＋４１．　＋５１は本発明に係るＣｕ−Ｌ　　Ｍｌ　　
Ｍ３係合金（ここで、Ｍｌは副成分を構成する第１の金
属材料であり、Ｂｉ、　Ｐｂ、　Ｉｎ、　Ｌｉ、　Ｓｎ
、　のうち少なくとも１種も一種あるいはその合金、　
　　 ｈは同じく添付金属を構成 する第３の金属材料であり、、　Ｆｅ、　Ｃｒ、　Ｎｉ
、　Ｔｉ、　Ｇｏ。

Ｗのうち少なくとも一種（以下同様）から成っている。

例えばＣｕ　　Ｍ＋　　Ｌ　　Ｍｓ係金合金してＣｕ−
Ｂ１−　Ｔｅ　−Ｃｒがある。この接点用合金はそれぞ
れの材幻 純度水素雰囲気炉内で４に＝４１０００℃の温度で焼結
して作られる。ｈ１１成分であるＣｕに対し、常温状態
ではほとんど固溶せず、主として低サイダン電流特性を
確保できる低融点金属が選ばれる０台２は、門、と合金
化させたとき、その合金の融点がＭｌの融点より高くな
るものから選ばれる添加金属である。

例えば、低融点金属としてＢｉ、　ＪとしてＴｅを選ん
だものが前述の例であり、Ｂｉは、融点２７３℃である
が、Ｔｅとの間で５８５℃の融点の金属間化合物（Ｂｉ
、Ｔｅ５）を、又、４１３℃の融点の共晶合金（ＴｅＢ
ｉｚＴｅ３）を形成することが出来る。又りは前記り、
と門２の合金の融点以下で主成分であるＣｕとの間で、
金属間化合物あるいは共晶合金を形成するようなものが
望ましい１例えば、ＴｅはＣｕＴｅ、　ＣｕｚＴｅ　。

ＣｕｔＴｅｓ等の金属間化合物や共晶合金を形成するこ
である。　ＣｒやＴｉは良く知られているようにゲッタ
ー作用を有しているものでもありしゃ断時のガス吸着能
力による特性向上を期待することが出来るので１として
適している。

従来のＣｕ−旧−Ｃｒの場合では、粉末混合段階で、い
かに微細かつ均一な分散の混合物を得ても、成形−焼結
完了後にはＢｉの凝集したかたまりが粗く分布する金属
組織をもつ合金しか得られなかった。

これは焼結過程で、融点の低いＢｉ　（融点２７３℃）
のみが昇温初期に溶融し、しかもＣｕへの溶解度が低い
温度域（２７３〜６００℃）では、焼結前（成形時）に
空隙が存在しているため、容易にこのＦ′８２　Ｂ　ｉ
が流動して、大きなｉａｍｍを形成するためである。

７００℃以上になると、ＢｉはＣｕへの溶解度を急速に
増し、焼結も促進される。しかしながら、約１０００℃
の焼結後冷却過程ではＣｕに固溶したＢｉがＣｕの粒界
に急速に析出されるため、凝集した組織は温存され、−
Ｆｆその度を強め、最終的には、Ｂｉの凝集体が粗く分
布する合金状態となっていた。これらの傾向はｐｂやＩ
ｎ、　Ｌｉ等にも見られる。

本発明による前述したＣｕ−Ｂ１−Ｔｅ−Ｃｒの場合、
これらの弊害は以下説明する様にして効率よく除去され
る。すなわち、昇温過程では、混合段階で微細均一に分
散したＢｉとＴｏが互いに溶解しあう。

Ｔｅの融点４５０℃近辺迄は、Ｔｅ粒子自身は全溶せず
、その位置にとどまりつつ、近傍のＢｉの溶解量を増し
ていくのみであり、従来のような多量の溶融Ｂｉの流動
は生じない、一方、主成分であるＣｕはＴｅと３６０℃
近辺で反応を始め互いに溶解し合うため、主成分である
Ｃｕの焼結を促進する。即ちＴａ粒はＢｉより高い融点
を持ちながら、その融点ではＣｕへの大きな溶解度を持
つため、溶融流動を生ずることかない、しかもＴｅはＢ
ｉとも急速に溶解し合いＢｉｇＴｅｘなる金属間化合物
の融点５８５℃迄Ｂｉも大きな流動性を生じないで焼結
は進む、更に温度が上がると、Ｂｉ２Ｔｅ２は完全な溶
融状態となるが、溶融Ｂｉよりその流動性は低いもので
あり、かつその温度ヤ■域では［ｌｉ、　Ｔｅ共Ｃｕに
十分溶解し得るため、凝集組織を作ることなく焼結が完
了する。冷却過程はこの逆を辿るのみであり、微細均一
な分布を持つＢｉとＴｅが析出すると共にＢ１１Ｔｅ３
及びＣｕｚＴｅやＣｕ４Ｔ（！３　、　ＣｕＴｅ等の金
属間化合物、あるいはＢｉとＴａ５ＣｕとＴｅの共晶合
金が微細に分散して析出する。ＢｉやＴｅの単体として
の析出量と、金属間化合物と共晶合金の析出量の割合は
それぞれの投入配合金や、冷却速度等で決定されるが、
従来例に比らべて、微細かつ均一な組織が得られること
には変りはななお上記実施例では、Ｍｌとして８１％　
ＬＴｅの場合について説明したが、Ｍ８としてｓｂやＬ
ａ、　Ｍｇを使用しても全（同じ効果を得ることが出来
る。又、ｈ。

としてもＢｉに限らず、ｐｂやＩｎ、　Ｌｉ、　Ｓｎ等
でも同様効果が得られる。なお、Ｍｌやｈとして、最初
からＢｉｔＴｅａを使用しても良く、あるいは、Ｍｌと
してＢｉｇＴｅｓ、ｈとしてＴｉＴｅｚ等の合金粉末で
も同様効果が得られた。いずれの場合もｈとしてＦｅ、
　Ｃｒ。

Ｎｉ、　Ｇｏ、　Ｔｉ、　Ｗを添加すると耐電圧特性や
、しゃ断時性が一層向上する。

次に従来例と本発明の実施例との比較において、本発明
の効果について説明する。

以　　下　　余　　白 第１図の構成の真空開閉器用真空スイッチ管において、
電極ｆ４１．　（５）を外形５０φ、肉厚８ｔの寸法に
焼結後切削加工で切出し、Ｑｇ−Ｃｕ共晶ろうを用いて
８００℃で炉中ろう付した後、真空容器に組込み、６０
０℃で加熱脱ガスしてサンプル電極の真空スイッチ管を
完成させた。真空開閉器に組込んだ後、各種の試験を実
施し、性能比較を行なった結果を第１表に示す、サイダ
ン電流特性は２０Ａピークの交流電流が流れる抵抗回路
をしゃ断した時のサイダン電流値の平均値を示し、いず
れのサンプルも完成直後は、０．２〜０．４Ａと低い値
であった。これは、ろう付や加熱脱ガス工程時に、低融
点金属が電穫表面に滲み出た為である。負荷電ｆｆ１５
００Ａの回路をｔｏ、ｏｏｏ回開閉した後、再度サイダ
ン電流を１００回測定し、その平均値を記載したのが試
験１である。従来例では２Ａ内外に達するが、本発明品
では、Ｉ、ｚずれもＩＡ円内外とどまった。これは、従
来例では低融点金属の′ａ集体が粗く分布したｍ織とな
っているため、開閉と共に低融点金属が選択的に蒸発飛
散し、遂には低融点金属が固溶していない銅素地が露出
するためである。銅は良く知られているように、３〜Ｉ
ＯＡのサイダン電流を有しているため、銅素地でアーク
が切れるチャンスがあると、サイダン電流平均値を押し
上げる。

本発明品では、低融点金属が、粗い分布とならず、微細
均一な無数の分布となっているため、前述のような銅素
地でアークが切れるチャンスが非常に少なくなると共に
、鋼中に添加金属が共融ないし、混合状態で残留してい
るため、万一銅素地部分でアークが切れても、そのサイ
ダン値があまり高くならないことが、低い値を維持でき
る理由である。

試験２．は別のサンプルで、短絡発電機回路をしゃ断し
たものであり、２ｋＡステツプで電流が増すよう供与電
圧を徐々に上げ、しゃ断可能な上限値を求めた。従来例
では６〜８ｋＡが限度であるが、これは、大電流アーク
に晒された時、凝集した低融点金ｖ′！４＆ｌＩ￥８が
局所的に異常に蒸発し、絶縁回復特性を劣化させること
が原因である。

本発明品では、微細均一な分布となっているため、前述
の凝集層が悪影響を及ぼすような異常蒸発が抑制される
ことと、低融点金属が、添加金属との合金化によって、
その融点が高められ、異常蒸発が低く抑さえられるため
である。

試験３．は更に他のサンプルで、５００Ａを２００回開
閉した後、ｌＸ４０ＩＪｓｅｃのインパルス電圧を３回
印加し、５ｋＶステツプで昇圧した時、１回でも絶縁破
壊したものを下限値、３回とも絶縁破壊したものを上限
値として示している。従来例と実施例との差は、明らか
であり前述の金属ｍ織によるものと、その結果容器内面
の′ｒＩ５損が軽減されたためと思われる。

試験４．は、各種テストに供した真空スイッチ管３本を
分解した後、第２図において、電極（５）と、電極棒（
７）とをアムスラー引張試験機により引張り、ろう件部
の強度を測定したものである。

従来例では引張り治具にセントして、力を印加し初める
や否や、外れてしまうものがあった。

辛ろして耐えたものでも３ｋｇ／ｍｍ”以下であり、従
来品は第２図の構造では真空開閉器用として使用に耐え
ないものであることが判る。

実際、試験１の際にも、かなりの低衝撃の真空開閉器に
より試験したにも拘らず、試験中に電極が脱落すること
が起った。Ｘ線マイクロアナライザーによるろう付層の
金属組成分析によると、八ｇ・Ｃｕろう中の大半のＡｇ
が、電極内部へ拡散し、その代りにろう層中に低融点金
属が、店を成して滲み出ており、その部分で外れている
ことが判った。

本発明品でも本来Ａｇ　−Ｃｕろうのも番、強度から考
えて半分以下に落ちていることは事実であるが、実用上
使用に耐える強度を有している。

それぞれの成分の配合比を決定するために実施した実験
では、まず、副成分であるＭｌについては、２０％以上
投入すると、得られた合金自身の機械的強度が使用に耐
えないものとなる。一方添加金属りについても１０％以
上投入すると、主成分である銅への溶解量が過大となり
、その電気伝動度を著しく低下せしめるため、しゃ断性
能が劣化し、接触抵抗を高める。補助添加金属り、につ
いても、耐電圧性能やしゃ断性能等を期待できる上限は
４０重量％未満で、これも合金自身の電気伝導度が低下
するためである。

以上のように、この発明によれば、主成分である銅に対
し、常温ではほとんど固溶しないサイダン電流低減効果
を有する副成分と、この副成分と合金化し、その融点を
高め、しかも主成分に溶解する添加金属及とにより電極
材料を構成したので、副成分が微細均一に分散した低サ
イダン電流特性の電極が得られ、また、しゃ断時性、耐
電圧特性。

ろう付性等も著しく改善される効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、真空スイッチ管の構造図、第２図は、電極部
分の拡大断面図である。 （旧・・・−真空絶縁容器、＋２１．　（３）−・・・
端板、＋４１．　＋５１・・・・・電極、＋６１．＋７
１・−・−電極棒、（８）・・・・−ベローズ、＋９１
．（１１−・−・シールド、（５１）・・−・−ろう材 なお、図中同一符号は各々同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 銅を主成分とし、副成分として低融点金属たる第１の金
   属を２０重量％以下の範囲で添加し、テルル、アンチモ
   ン、ランタン、マグネシウムの少なくとも１種あるいは
   その合金を第２の金属として添加し、かつクロム、鉄、
   コバルト、ニッケル、チタン、タングステンのうちの少
   なくとも１種あるいはその合金を第３の金属として添加
   ししたことを特徴とする真空開閉器用電極材料。