JPH0347931A - 真空バルブ用接点材料 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、真空バルブ用接点材料に係り、特に耐溶着特
性及び耐電圧特性を改良した真空バルブ用接点材料に関
する。

（従来の技術） 真空バルブ用接点材料に要求される特性としては、耐溶
着、耐電圧、遮断に対する各性能で示される基本三要件
と、この他に温度上昇、接触抵抗が低く安定しているこ
とが重要な要件となっている。しかしながら、これらの
要件の中には相反するものかある関係上、単一の金属種
によって全ての要件を満足させることは不可能である。

このため、実用されている多くの接点材料においては、
不足する性能を相互に補えるような２種以上の元素を組
合せ、かつ大電流用又は高電圧用などのように特定の用
途に合った接点材料の開発が行われ、それなりに優れた
特性を有するものが開発されているが、さらに強まる高
耐圧化および大電流化の要求を充分満足する真空バルブ
用接点材料は未だ得られていないのが実状である。

例えば、大電流化を指向した接点材料としてＢｉのよう
な溶着防止成分を５％以下の量で含有するＣｕ−Ｂｉ合
金材料が知られている（特公昭４１−１．２１３１号公
報）がＣｕ母相に対するＢｉの溶胛皮が極めて低いため
、しばしば偏析を生じ、遮断後の表面荒れが大きく、加
工成形が困難であるなどの問題点を有している。

また、大電流化を指向した他の接点材料として、Ｃｕ−
Ｔｅ合金材料も知られている（特公昭４４−２３７５１
号公報）。この合金は、Ｃｕ−Ｂｉ系合金材料が持つ上
記問題点を緩和してはいるが、Ｃｕ−Ｂｉ系合金材料に
比較して雰囲気に対し、より敏感なため接触抵抗などの
安定性に欠ける。

さらに、これらＣｕ−Ｔｅ、Ｃｕ−Ｂｉ等の接点材料の
共通的特徴として、耐溶着性に優れているものの、耐電
圧特性が従来の中電圧クラスへの適用には充分であると
しても、これ以上高い電圧分野への適用に対しては、必
ずしも満足でないことが明らかとなってきた。

一方、Ｃｒを含有したＣｕ−Ｃｒ合金材料が真空バルブ
用接点材料とし゛て、知られている。この接点材料は、
高温下でのＣｒとＣｕとの熱特性が好ましい状態で発揮
されるため高耐圧大電流用として優れた特性を有してい
る。すなわち、ＣｕＣｒ合金材料は、高耐圧特性と、大
容量遮断とを両立させ得る接点として多用されている。

しかしながら、Ｃｕ−Ｃｒ合金材料は、遮断器用接点材
料として一般に多用されている前述したＢｉを５％程度
以下添加したＣｕ−Ｂｉ合金材料と比較して、耐溶着特
性が大幅に劣っている。

溶着現象とは、接点同士の接触面に発生するジュール熱
により接点材料が溶融し、その後に凝固する場合、開閉
の瞬間に発生するアーク放電により接点材料が気化しそ
の後に凝固する場合の２通りに於いて発生する。Ｃｕ−
Ｃｒ合金材料に於いて、何れの場合も凝固する段階でＣ
ｒとＣｕが１μｍ以下の微粒子となり互いに入り乱れた
状態で数μｍ〜数百μｌ程度の層を形成する。

一般に、組織の超微細化は、材料の強度向上に寄与する
要因の一つであり、この場合も例外ではない。しかして
、この超微細Ｃｕ−Ｃｒ層の強度がＣｕ−Ｃｒ合金材料
のマトリクスの強度に優れ、かつ、マトリクス強度が設
計された引外し力を超えた時にも溶着が発生する。

したがって、Ｃｕ−Ｃｒ材料を用いた真空バルブを駆動
させる操作機構は、Ｃｕ−Ｂｉに比べ弓外し力を大きく
設計する必要があり、小形化や経済性の点で困難である
。

また、Ｃｕ−Ｃｒ材料の耐溶着性を改良した接点として
、Ｃｕ−Ｃｒ接点にＢｉを添加したＣｕ−Ｃｒ−Ｂｉ接
点が知られている（特公昭６１−４１０９１号公報）。

この接点は、−船釣にＣｕＣｒ材料の耐溶着性の改善に
は効果を示すが、Ｂｉ添加の影響の為、素材が著しく脆
化し、耐圧特性の低下及び再点弧発生確率の増加を再発
させる欠点を有する。

（発明が解決しようとする課題） 上記した様に、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｂｉ接点材料は一般的に従
来のＣｕ−Ｃｒ接点材料に比較して、耐溶着性は改善さ
れるが、耐電圧及び再点弧発生の面で問題が残っている
。

そこで、本発明は、真空バルブ用Ｃｕ−ＣｒＢｉ接点材
料の耐溶着性を維持したまま、耐電圧の低下及び再点弧
発生確率の低下を極力抑えた真空バルブ用接点材料を提
供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するため、Ｃｒ含有晟が２０〜
６０ｗｔ％（重量％）であり、かつ、Ｂｉ含有量がＣｕ
含有量の０．０５−１．０ｗｔ％であるＣｕとＢｉ及び
Ｃｒから構成される真空バルブ用接点材料に於いて、Ｃ
ｒ粒子を包含するＣｕを主成分とする導電材料の平均結
晶粒径が０．７１１１ｍ以上である事を特徴とするもの
である。

また、上記Ｃｒ粒子を包含したＣｕを主成分とする導電
材料の結晶粒内に、Ｂｉ単体又は／及びＢｉを主成分と
するＢｉ金合金存在する事を特徴とするものである。

（作用） 上記した手段の様に、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｂｉ接点材料に於い
て、Ｃｒ粒子を包含した導電材料の平均結晶粒径を０．
７ｍｍ以上とする事によって、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｂｉ接点の
耐溶着特性を維持したまま、Ｃｕ−Ｃｒ接点材料とほぼ
同等の耐電圧、再点孤発生確率とする事ができる。

すなわち、その作用について具体的に述べる。

Ｃｕ−Ｃｒ−Ｂｉ接点材料に於いてＢｉの存在形態は次
の４つに分類される。■Ｃｕへの固溶■Ｃｒ粒子とＣｕ
を主成分とする導電材料（Ｃｕマトリクス）界面への存
在■Ｃｕマトリクス結晶粒界への存在■Ｃｕマトリクス
結晶粒内への存在である。これら存在形態のうち接点強
度に一番強い影響を与えるのは、Ｃｕマトリクス結晶粒
界へのＢｉの存在であり、ここへのＢｉ量が多い程接点
強度が脆く結果として耐電圧の低下及び再点弧発生確率
の助長を促す事を本発明者らはつきとめた。

本発明者らの実験によれば、Ｃｕへの固溶及びＣｒ粒子
とＣｕマトリクス界面に存在するＢｉｆｆ１は、同一原
料使用の場合、はぼ一定であるが、Ｃｕマトリクスの結
晶粒径の大きさにより、ＢｉのＣｕマトリクス結晶粒界
への存在量とＣｕマトリクス結晶粒内への存在量が異な
ってくる。即ち、Ｃｕマトリクス結晶粒径か細い場合、
ＢｉはＣｕマトリクス結晶粒界に存在し易くなり、逆に
Ｃｕマトリクス結晶粒径が大きい場合は、Ｃｕマトリク
ス結晶粒内に存在する８　１　ｋｍが多く、結晶粒界へ
の存在は少ない。

上述の要因により、接点母料強度はＣｕマトリクス結晶
粒径が大きい方か強く、耐電圧特性及び再点弧発生確率
も従来のＣｕ−Ｃｒ接点並みとなる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を具体的実施態様に基づいて説明
するが、はじめに本発明の接点材料が適用される真空バ
ルブの構成を第１図および第２図を参照して説明する。

第１図は、本発明の接点材料を適用する真空バルブの構
成例を示すもので、同図に於いて、１は遮断室を示し、
この遮断室１は、絶縁材料によりほぼ円筒状に形成され
た絶縁容器２と、この両端に封止金具３ａ、３ｂを介し
て設けた金属性の蓋体４ａ、４ｂとで真空気密に１１〜
１成されている。しかして、上記遮断室１内には、導電
棒５，６の対向する端部に取イ」けられた１対の電極７
，８が配設され、上部の電極７を固定電極、下部の電極
８を可動電極としている。また、この可動電極８の電極
棒６には、ベローズ９が取付けられ遮断室１内を真空気
密に保持しながら電極８の軸方向の移動を可能にし、こ
のベローズ９上部には金属性のアークシールド１０か設
けられ、ベローズ９がアク蒸気で覆われることを防止し
ている。１１は、上記電極７，８を覆うようにして遮断
室１内に設けられた金属性のアークシールドで、絶縁容
器２かアーク蒸気で覆われることを防止している。さら
に、電極８は、第２図に拡大して示すように、導電棒６
にろう何部１２によって固定されるか、また、かしめに
よって圧着接続されている。接点１３ａは、電極８にろ
う付け１４で固着されている。なお、第１図における１
、３ｂは固定側接点である。

本発明に係る接点材料は、上記したような接点１３ａ、
１３ｂの双方または何れか一方を構成するのに適したも
のである。

次に、本発明に係る接点材料の製造方法について説明す
る。本発明のＣｕ−Ｃｒ−Ｂｉ接点材料の製造方法は大
きく２つに大別され、その１つは溶浸法であり、もう１
つは固相法である。

まず溶浸法の一例について記す。

所定粒径のＣｒ粉末を加圧成形して粉末成形体を得る。

次いて、この粉末成形体を露点か一５０℃以下の水素雰
囲気または真空度かＩ　Ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒ以下で、
所定温度例えば９５０°ＣＸ１時間にて仮焼結し、仮焼
結体を得る。

次いで、この仮焼結体の残存空孔中に予め所定の８１％
を含有したＣｕ−Ｂｉ合金材料を例えば１１００℃Ｘ３
０分で溶浸した後、所定の冷却方法で冷却凝固し、ＣＬ
Ｉ−Ｃｒ−Ｂｉ合金材料を得る。

溶浸は主として真空中で行うが、水素中でも行い得る。

ここで、焼結熱処理又は／及び溶浸熱処理温度を高めに
選択すると、Ｃｕ及びＢｉの蒸発か激しく、その成分量
の制御か重要となる。しかし、炉の性能、または−度に
熱処理する素Ｈの量、大きさ、熱容量などによって熱処
理温度は変動するので、その温度を普遍的に表現するこ
とは無理てあ］０ リ、実際には残存するＣｕ量を、例えばＸ線法によって
直接的に決定し管理する方法が取られ得るが、概して１
３００℃以上の温度の選択はＣｕの存在を少なくシ、好
ましくないことが明らかになっている。

一方、下限温度は、焼結熱処理に於いては、原料または
成形体の脱ガスの観点から６００℃以上、好ましくは９
００℃以上を必要とし、また溶浸熱処理に於いては、ス
ケルトンを脱ガスし、かっＣｕを溶融する必要性から少
なくとも１１００℃を必要とする。

更にＣｕマトリクスの結晶粒度の面から溶浸後の冷却速
度がポイントとなる。本発明者らの知見によれば、溶浸
時のポート下方に水冷機構を設け、その冷却水温度及び
水の流量によって溶浸材の冷却速度を調整し、Ｃｕマト
リクスの結晶粒度を調整する事は可能であった。

次いで、固相焼結法の一例について記す。

所定のＣｒ粉末Ｃｕ粉末およびＢｉ粉末を混合した後、
プレス機にて圧粉体を成形し、次いで露１ 点が一５０℃以下の水素雰囲気またはＩ　Ｘ　１０−’
Ｔｏｒｒ以下の真空雰囲気にて焼結する。このプレス工
程と焼結工程を複数回繰り返し、目的とするＣｕ−Ｃｒ
−Ｂｉ接点材料を得る。

ここで、注意を要するのは、焼結後のプレス圧力による
加工率であり、更に焼結条件である。本発明者らの研究
によれば、本発明の特徴であるＣｕマトリクスの結晶粒
度を決定する因子は、最終工程のプレス及び焼結条件で
あり、例えば最終工程でのプレスによる加工歪（堆積変
化）は数％程度であり、焼結条件は１０００℃ｘ２Ｈｒ
（時間）保持によってＣｕマトリクスの結晶粒度を０，
７關とすることができる。

この様にして製造された接点材料はＣｕマトリクスの結
晶粒径が１　ａｍ以上であり、接点中のＢｉの分布から
、耐圧特性がＢｉ無添加のＣｕ−Ｃｒ接点と同等であり
、真空パルプ用接点材料として最適である。

次に、以上のようにして製造された各接点材料の比較例
と対比して示す。なお、この各側におい２ て評価したときの条件、方法は、次の通りである。

（１）耐溶着性 外径２５＋ｎｍφの一対の円板状試料に外径２５關φ先
端が１００Ｒの球面をなす加圧ロッドを対向させ、１０
０ｋｇの荷重を加え１０−５ｍｍ１ｇの真空中において
５０Ｈｚ、　２０ＫＡの電流を２０ミリ秒間通電し、そ
の時の試料−ロッド間の引外しに必要な力を測定し耐溶
着性の判断をした。なお、評価は、比較例２に示した溶
浸上りのＣｕ−Ｃｒ合金材料の溶着引外し力を１．００
としたときの相対的な値で比較した。６表には上記接点
数３個の測定値におけるばらつき幅を示す。

（２）耐電圧特性 各接点合金についてパフ研磨により鏡面仕上をしたＮｉ
針を陽極とし、同じように鏡面仕上をした各試料を陰極
とし、両極間のギャップを０．５ｍｍとし、１０−６ｍ
ｎ＋Ｈｇの真空において徐々に電圧を上昇しスパークを
発生したときの電圧値を測定し、静耐圧値を求めた。第
２表に示す測定データは、３回の繰返しテストを行った
ときのばらつき値を含３ めて、溶浸上りのＣｕ−Ｃｒ合金の静耐圧値を１．００
　（第１表に示す比較例１）としたときの相対的な値で
示した。

（３）再亦孤特性 径３０ｍｍ、厚さ５　ｍｍの円板状接点片を、デイマウ
ンタプル形真空バルブに装着し、６　Ｋ　Ｖ　ｘ　　５
００Ａの回路を２０００回しゃ断した時の再点弧発生頻
度を測定し、２台のしゃ断器（バルブとして６本）のば
らつき幅（最大および最小）で示した。接点の装着に際
しては、ベーキング加熱（４５０℃、３０分）のみ行い
、ろう材の使用ならびにこれに伴う加熱は行わなかった
。

実施例１〜２、比較例−２ Ｃｕ量約５０ｖｔ％、Ｂ　ｉ　／　Ｃｕ　十Ｂ　ｉ量０
．５ｖｔ％（重量％）、溶浸温度１１００℃一定とし、
冷却条件のみを変えＣｕマトリクスの平均結晶粒径を３
　ｍｍ　ｓｏ　、　７　＋ａｍ、１００１と異なるＣｕ
−Ｃｒ−Ｂｉ接点を製作した（各々、実施例１，２、比
較例−３）。

各々の特性は第１表に示す通り、耐溶着特性はＢｉを添
加していないＣｕ−Ｃｒ接点（比較例４ −］）に比して大幅に良好であるが、耐電圧特性並びに
再点弧発生確率は結晶粒径が小さい程低下し、特に　１
００μｍのもの（比較例−３）に於いては、再点弧発生
確率が大幅に上昇し、使用不可と判断される状態であっ
た。以上の結果よりＣｕマトリクスは０．７ｎ＋ｍ以上
の結晶粒が望ましい。

実施例２〜４、比較例３〜４ Ｃｕｉ５０ｗｉ％、溶浸温度、冷却条件を一定とし、Ｂ
ｉ含有量を０．０１，０．０５，０．４ｇ、１．０，５
．３と変化させＣｕ−Ｃｒ−Ｂｉ接点を製作した（各々
比較例−３、実施例−３，２，４、比較例−４）。第１
表に示す様にＢｉ含有量の少ないもの（比較例−３）は
、耐電圧特性再点弧発生確率は良好であったが、耐溶着
性の改善はほとんど見られなかった。一方Ｂｉ含有量の
多いもの（比較例−４）では、Ｃｕ結晶粒か細いものと
同様に再点弧発生確率及び耐電圧特性の低下が著しかっ
た。以上よりＢ　ｉ　／　Ｃｕ　十Ｂ　ｉ　量は０．０
５〜１．０が適当であると言える。

５ 実施例−５ 溶浸温度と冷却条件の相互効果について検討する。溶浸
温度１３００℃、冷却条件を１０°ＣＸＩ／分の冷却と
して０．７＋ｎｍの平均結晶粒径を得た。この特性は、
耐溶着特性・耐電圧特性、再点弧発生確率のいずれも良
好な特性を得られるものであった。

この結果から、耐溶着特性・耐電圧特性・再点弧発生確
率のいずれも満足するには、Ｂｉ量及びＣｕマトリクス
の結晶粒径の制御が必要である事が再確認できた。

今まで実施例として溶浸法を取扱ってきた。溶浸法の場
合、Ｃｕ結晶粒径へ最も影響を及はず因子はＣｕ凝固時
の冷却条件であり、これは熱源を切断した事による自然
冷却を考えれば、炉内の熱容量の他に炉自体の特性と見
るところも有る。しかし仮に熱源の切断によって得られ
るＣｕマトリクスの平均結晶粒径が０　、７　＋＋ｏｎ
に満たない様な特性をもった炉であれば、冷却条件を熱
源の切断ではなく、熱入力を徐々に低下させる事によっ
てＣｕマトリクス結晶粒径を制御する事が可能である。

６ 固相焼結法の実施例について記す。

比較例−５〜６、実施例−６ 最終工程の加工率及び焼結条件によって１００μｍのＣ
ｕ結晶粒径を得たＢｉを含まないＣｕＣｒ接点（比較例
−５）及び１００μ刊のＣｕ結晶粒径を得たＣｕ−Ｃｒ
−Ｂｉ接点（比較例−６）、１、　＋ｏｎ＋のＣｕ−Ｃ
ｒ−Ｂｉ接点（実施例−６）について比較検討する。

Ｂｉを含有しない固相Ｃｕ−Ｃｒ接点（比較例−５）は
溶浸法Ｃｕ−Ｃｒ接点と比較して、若干の耐溶着性の改
善を示すが、まだ満足できる値ではない。Ｃｕマトリク
ス平均結晶粒径が１００沖のＣｕ−Ｃｒ−Ｂｉ接点（比
較例−６）は、耐溶着性の改善はされるものの、耐電圧
・再点弧発生確率に欠点を有している。これに対し、Ｃ
ｕマトリクス平均結晶粒径が１ｍ［１のＣｕ−Ｃｒ−Ｂ
ｉ接点（実施例−６）は、いずれも良好な特性を示した
。

以上より本発明は溶浸法のみならず、固相焼結法にも適
用できる事が証明された。

コア 実施例７〜８、比較例７〜８ Ｃｒ含有量の有効範囲について検討する。Ｂｉ量及びＣ
ｕマトリクス平均結晶粒径を一定としてＣｒ含有量を　
１０．６，２０．５，３９．３．８５．６ｗｔ％となる
Ｃｕ−Ｃｒ−Ｂｉ接点を製作した（比較例−７、実施例
−７，８、比較例−８）。諸特性を評価したところ、耐
溶着特性は全て良好であった。

しかし、耐電圧の面では、Ｃｒ　量１０．６ｗｔ％（比
較例−７）なる接点はＣｕ量が多すぎたため著しい耐電
圧の低下が認められた。但し再点弧発生の面では問題が
なかった。また８５．６シｔ％Ｃｒ量の接点（比較例−
８）ではＣｒが多量の為、累月の脆化がさらに進み、耐
電圧特性、再点弧発生確率とも良好な結果を得られなか
った。一方、Ｃｒ量２０．５，５９．３ｗｔ％の接点は
全て良好な結果を示した。

以上の結果よりＣｒ％は２０〜６０ｗｔ％が望ましい。

以上述べた実施例では、溶浸法および固相焼結法に於け
るＣｕマトリクスの平均結晶粒径か０．７ｍｍ以上のＣ
ｕ−Ｃｒ−Ｂｉ接点の製造例を示したが、ここに記述し
ていない他の方法を用いて同様　８ な接点を製作しても得られる緒特性は同等である事は明
らかである。

　０ ［発明の効果コ 以上述べた本発明によれば、真空バルブ用Ｃｕ−Ｃｒ−
Ｂｉ接点材料の耐溶性性を維持したまま、耐電圧特性お
よび再点孤発／Ｊ：確率が低下しない真空バルブ用接点
材料を提供する事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用される真空バルブの断面図、第２
図は接点部の拡大断面図である。 １・・・遮断室、２・・・絶縁容器、３ａ・・・封着金
具、３ｂ・・・封着金具、４ａ・・・蓋体、４ｂ・・・
蓋体、５・・・導電棒、６・・・導電棒、７・・・固定
電極、８・・・固定電極、９・・・ベローズ、ｌＯ・・
・アークシールド、１１・・・アークシールド、１２・
・・ロウ付部、１３ａ・・・可動側接点、１３ｂ・・・
固定側接点、１４・・・ロウ付部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｃｒ含有量が２０〜６０重量％であり、かつ、Ｂ
   ｉ含有量がＣｕ含有量の０．０５〜１．０重量％である
   ＣｕとＢｉ及びＣｒから構成される真空バルブ用接点材
   料に於いて、Ｃｒ粒子を包含するＣｕを主成分とする導
   電材料の平均結晶粒径が０．７ｍｍ以上である事を特徴
   とする真空バルブ用接点材料。
2. （２）Ｃｒ粒子を包含したＣｕを主成分とする導電材料
   の結晶粒内に、Ｂｉ単体又は／及びＢｉを主成分とする
   Ｂｉ合金が存在する事を特徴とする請求項１記載の真空
   バルブ用接点材料。