JPH0561338B2

JPH0561338B2 -

Info

Publication number: JPH0561338B2
Application number: JP60216648A
Authority: JP
Inventors: Isao Okutomi; Shigeaki Sekiguchi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1985-09-30
Publication date: 1993-09-06
Also published as: JPS6277439A

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の技術分野］本発明は、真空バルブの接点材料として用いら
れる焼結合金に係り、特に良好なしや断特性を維
持しながら、電流さい断特性を改良した真空バル
ブ用接点材料に関する。［発明の技術的背景］真空中でのアーク拡散性を利用して高真空中で
電流しや断を行なわせる真空バルブの接点は、対
向する固定、可動の２つの接点から構成されてい
る。前記真空バルブを電動機負荷等の誘導性回路
に用いて電流をしや断する時、過度の異常サージ
電圧が発生し、負荷機器を破壊させる恐れがあ
る。この異常サージ電圧の発生原因は真空中に於
けるしや断時に、低電流側に発生するさい断現象
（交流電流波形の自然ゼロ点を待たず強制的に電
流しや断が行なわれること）によるものである。
異常サージ電圧の値V_Sは回路のサージインピー
ダンスZ_Oと、電流さい断値I_Cの積、すなわちV_S＝
2Z_OI_Cで表わされる。従つて、異常サージ電圧V_S
を低くするためには電流さい断値I_Cを小さくしな
ければならない。上記要求に対して接点を炭化タングステン（以
下WCと称す）と銀（以下Agと称す）Agとを複
合化した合金で構成した真空開閉器が出願（特願
昭42−68447号）され、これが実用化されており、
これは (1) WCの介在が電子放射を容易にさせる、 (2) 電界放射電子の衝突による電極面の加熱にも
とづく接点材料の蒸発を促進させる、 (3) 接点材料中の炭化物がアークにより分解し、
荷電体を生成してアークを接続する等の点です
ぐれた電流さい断特性を発揮している。また、前記電流さい断特性を有する他の接点材
料としてビスマスBi（以下Biと称す）と銅Cu（以
下Cuと称す）とを複合化した合金が製造され、
この材料が真空バルブに実用化されている（特公
昭35−14974号公報、特公昭41−12131号公報）。
この合金のうちで、Biを10重量％としたもの
（特公昭35−1494号公報）は、その適度な蒸気圧
特性を有するので、低いさい断電流特性を発揮
し、またBiを0.5重量％としたもの（特公昭41−
12131号公報）は、結晶粒界に偏析して存在する
結果、合金自体を脆化し、低い溶着引外力を実現
し大電流しや断性に優れている。［背景技術の問題点］しかし、近年真空バルブを誘導性回路へ適用す
る例が従来より増えると共に、高インピーダンス
負荷も出現したため真空バルブには一層の安定し
た電流さい断特性を持つことが望まれてくるとと
もに、低コスト化が望まれている。このような要求に対して、前記接点合金のAg
−WC，Cu−Biは、さい断電流値が高いレベルに
あり、又は安定性に欠けるものであつた。すなわ
ち、Ag−WC接点合金にはAgとWCとの蒸気圧
差が甚しく大きいためアーク熱などによるAgの
著しい選択蒸発を招き、この結果電流さい断特性
の不安定性及び接触抵抗の変動を招く。さらにAg−WCに対し所定比率のCuを共存さ
せ、Ag−WCの持つさい断特性を改良した合金
（特願昭57−39851号明細書）が実用されているが
近年の厳しい要求に対しては、更に改良が要求さ
れている。一方のCu−Bi接点合金には、Biの溶融点が271
℃と低いことに起因する本質的問題として真空バ
ルブのベーキング、或いは銀ろう付けの加熱時に
Biが凝集し接合不良を招く問題がある。［発明の目的］本発明は前述のような事情に基づいてなされた
もので、その目的とするところは、良好なしや断
特性を維持しながらより一層電流さい断特性を向
上させることができる真空バルブ用接点材料を提
供することにある。［発明の概要］本発明は、前記目的を達成するため、30〜45重
量％のAgおよびCuのうちの少なくとも１種より
なる高導電性材料と、粒径が0.2〜5μmで且つ量
が0.2〜10重量％のCo，FeおよびNiのうちの少な
くとも１種よりなる補助材料と、粒径が0.2〜
1μmで且つ量が45〜69.8重量％のWC，MoC，
Cr₃C₂，TiC，Ｗ，Co，CrおよびTiのうちのいず
れか１種よりなる耐火材料とかる成ることを特徴
とする真空バルブ用接点材料である。［発明の実施例］以下、本発明の実施例について説明するが、は
じめに本発明の接点材料が適用される真空バルブ
の構成について第１図および第２図を参照して説
明する。図に於いて１はしや断室を示し、このし
や断室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
密に構成されている。しかして前記しや断室１内
には、導電棒５，６の対向する端部に取付けられ
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。
またこの電極８の電極棒６には、ベローズ９が取
付けられしや断室１内を真空密に保持しながら電
極８の軸方向の移動を可能にしている。またこの
ベローズ９上部には金属性のアークシールド１０
が設けられ、ベローズ９がアーク蒸気で覆われる
ことを防止している。又、前記電極７，８を覆う
ようにしや断室１内に金属性のアークシールド１
１が設けられ、これにより絶縁容器２がアーク蒸
気で覆われることを防止している。更に電極８
は、第２図に拡大して示す如く導電棒６にろう付
部１２によつて固定されるか、又はかしめによつ
て圧着接続されている。接点１３ａは電極８にろ
う付１４によつて取付けられる。なお、接点１３
ｂは電極７にろう付により取付けられる。ここで、本発明の接点材料を得るまでの考察に
ついて説明する。電流さい断特性の改善には、電
流さい断値自体をより低い値に維持すること以外
に、そのばらつき幅を縮めることも極めて重要で
ある。前記電流さい断現象は、接点間の蒸気量
（蒸気圧、熱伝導）、接点材料からの放出熱電子な
どと関係が深いとされ、発明者らの実験によれば
前者の方が寄与が大であることを判明した。した
がつて、蒸気を供給し易くするか、あるいは供給
し易い材料で接点を作成すれば電流さい断現象が
緩和できることが判明した。Cu−Bi合金はこう
した観点に立つもので、低いさい断値を有する
が、致命的な欠点として、Biが持つ低溶融点
（271℃）のため通常真空バルブで行なわれる600
℃近傍のベーキング或いは800℃の銀ろう付け作
業時に、Biの溶融による移動、凝集の結果、電
流さい断特性を維持すべきBiの存在が不均一に
なつてしまう。このため、電流さい断値のばらつ
き幅が増大する現象を確認した。一方、Ag−WCで代表されるAg−耐火材料系
合金では、耐火材料（この場合WC）の沸点にお
けるAg（あるいはCu）の蒸気量に左右されるも
のの他方、前記Cu−Bi系におけるBiの蒸気圧よ
りAgのそれは著しく低いため接触点のどの位置
（耐火材料かAgか）にアークの足が固着するかに
よつて、時折は温度不足即ち蒸気不足を招いてし
まう。結果的には電流さい断値のばらつき幅が現
われることが確認された。このように電流しや断
終期の接点面の急激な温度低下を耐火材料とAg
（又はCu）との組合せのみによる合金によつて阻
止しアークを持続させることはすでに限界と考え
られ、更に高性能化するためには、何らかの補助
技術の付与が必要である結論に至つた。この改良
の１つの考えとして前記特願昭57−39851号明細
書では、高導電性材料をAgとCuの共晶比率にす
ることによつて結晶粒を細かく分布させる技術を
示唆している。この技術によつて飛躍的に特性の
安定化が得られた。アークが主として固着する位
置（材料）が、耐火材料の場合とAg−Cu共晶の
場合とがあり、いずれの場合でもAg−Cu蒸気の
供給による電流さい断現象の緩和（改良）が行わ
れる。しかし前者の耐火材料に固着した場合に
は、Ag−Cu共晶を活用しても、確率的には若干
のばらつきが発生していた。一方耐火材料をより
微細化することで、特にばらつき幅の改良が見ら
れた。従つて、耐火材料の粒径が、電流さい断現
象に重要な役割を持つことを示唆すると共に、耐
火材料が初期粒径のほぼ10〜20倍程の大きさに偏
析が見られた接点材料では著しいばらつきを示し
た観察結果を併考すると、粒径に特定の範囲があ
ることを示唆している。以下、実施例と比較例によつてその効果を詳述
する。このように前記Cu−Bi合金及びAg−WC合金
（Ag−耐火材料系）の２つの考察結果は、電流さ
い断特性の安定した接点として、新規の補助技術
が必要で、その条件は、蒸気の供給能力を持つた
上で、なおかつベーキングなどの熱処理に於ける
安定性を有することが不可欠であることを示唆し
ている。すなわち耐火材料の粒径範囲を合理的に
選択することによつて、高導電性成分の実質的分
布を従来以上に均一化し、電流さい断特性の安定
化をはかることが必要である。従つて、本発明では、上述のように一定の条件
を積極的に付与させ電流さい断特性の向上をはか
つている。そこで本発明は、低いさい断電流特性
とその安定したさい断電流特性とを得るために耐
火材料の粒径に注目し、更にこれと対応し、補助
材料例えばコバルト（以下Coと称す）の粒径も
選択するようにした合金である。特にCoの粒径
は、耐火材料の分散の程度すなわち電流さい断値
のばらつきの程度に影響を与えるもので粒径が大
のときには耐火材料の分散を阻害している。Co
の量も本合金系の場合同様の影響を及ぼしその量
が多いとき、すなわちその量が10％を超える場合
耐火材料の分散を阻害し好ましくない。またCo
の粒径が0.2μm未満では取扱い上、工業的に得策
ではない。次に、この接点材料の製造方法の一例につき説
明する。製造に先立つて、必要粒径別に耐火材料
及び補助材料を分類する。分類作業は例えば篩分
けと沈降法とを併用して行うことで容易に所定粒
径の粉末を得る。耐火材料として炭化タングステン（以下WCと
称す）、補助材料としてCo、高導電材料として
Agよりなる合金を代表例として述べる。まず所
定粒径のWCとCoを所定量及び、所定粒径のAg
を所定量の一部用意し、これらを混合し、その後
加圧成型して粉末成形体を得る。ついで、この粉末成形体を露点が−50℃以下の
水素雰囲気或いは真空度が、１×10^-3Torr以下
で、所定温度例えば1150℃×１時間にて仮焼結
し、仮焼結体を得る。ついで、この仮焼結体の残存空孔中にAgを
1150℃×１時間で溶浸しAg−Co−WC合金を得
る。溶浸は主として真空中で行うが、水素中でも
可能である。なお、WC以外の耐火材料、Co以外の補助材料
を用いた合金によつて同じ方法で合金を得ること
が出来る。 AgおよびCuのうちの少なくとも１種は、接点
における高導電性成分として用いられるもので、
これら高導電性成分は30〜45重量％で構成する。
これらは30重量％以上で低い接触抵抗を安定して
もたらし、この効果は45重量％まで耐火性を損ね
ることなく維持される。耐溶着性および耐火性を
重視する場合にはCuを、且つ低接触抵抗を得た
い場合にはAgを主成分として用いる。タングス
テン（以下Ｗと称す）、モリブデン（以下Moと
称す）、クロム（Crと称す）、チタン（以下Tiと
称す）およびこれらの炭化物の１種を、耐火性成
分として用い、特にWCが多く用いられる。これ
らの耐火成分は、前述した高導電性成分および後
述するCo、鉄（以下Feと称す）およびニツケル
（以下Niと称す）のうちの少なくとも１種よりな
る補助成分の残部をなす量で構成される。また、
焼結合金を形成するために用いる耐火性成分の粉
末の平均粒径は、0.2〜1μmの範囲である。この
平均粒径の範囲は、耐火性成分の粉末粒子が焼結
合金の基地組織中に均一に分散できる大きさであ
り、かつ前述したように電流さい断特性を改善す
る範囲である。 Coなどの補助成分は基地組織においてAgおよ
びCuのうちの少なくとも１種の粒子、Tiおよび
これらの炭化物の粒子を粒界で結合する結合剤の
役目をなすものである。 Coは0.2〜10重量％の割合で添加する。Coは0.2
重量％以上で添加の効果を顕著に示して焼結性を
改善し、この効果は、10重量％まで電気抵抗の著
しい増大を伴なうことなく維持できる。好ましく
は0.7〜3.0重量％であり、かつ、前述したよう
に、その粒径を0.2〜5μmの範囲に選択するとき
には耐火材料の分散状態並びに電流さい断特性の
観点から好ましい状態に改善する。前述したように、耐火材料と補助材料との粒径
を適切に選択することによつて、AgおよびCuの
うちの少なくとも１種よりなる適切な蒸気圧値を
有する材料を微細にかつ均一に分散させることに
より、しや断時のアークが接点面上の特定の場所
に局部的にとどまることを防ぎ、アークが接点面
上に均一に広がるることを促進させる効果をもた
らすものと考えられる。従つて、本発明の焼結合
金は、しや断特性、電流さい断性および耐溶着性
に優れたもので、真空バルブ接点材料として最適
である。次に前記のように製造された各接点材料につい
て考察し、その最良の含有割合を求める。現在、低電流さい断特性を持つた接点合金とし
て第１表、第２表に示すように比較例１，10に示
すAg−70％WCおよびCu−15％Bi合金が実用さ
れている。これは、純Cu（比較例−11）より電流
さい断特性は向上するが特にCu−Bi系（比較例
−10）では、開閉回数を重ねることにより特性
（さい断電流値の上昇）が著しく劣化する。耐火材料の粒径の影響、補助材料の粒径の影響
をAg−WC−Co系を代表例として検討する。WC
粒径が3μm（比較例−２）では、補助材料Coの存
在の効果がはつきりせず、（比較例−１と対比し
て）、WCの粒径が1.8μ（比較例−３）でも、未だ
充分な効果が期待できず、その粒径は最大でも
1μmであり、0.2μmまで効果が確認された（実施
例−１〜３）。粒径が0.2μm未満の場合、取扱い
上工業的には得策ではなく、除外する。一方、補助材料Coの粒径は、仮に耐火材料の
粒径が前述の好ましい範囲に入つていても例えば
44μm（比較例−４）では、電流さい断特性にばら
つきが見られ、かつ7.2kVしや断テストも劣るこ
とが確認されており、Coの粒径は５〜0.2μmの範
囲が、好ましい領域であつた（実地例−４，５）。
すなわち、第１表の比較例−４に示すようにCo
粒径が大きい（44μm）ときには、電流さい断特
性にばらつきが見られる。一方、Co粒径が0.2μm
未満では前述のように取扱い上得策でない。

【表】

【表】更にAg−WC−Co合金中のAg（高導電性材料）
の量も、この発明の効果を充分発揮させるのには
重要である。すなわちこの発明の粒径の制御の効
果は、Agの量が30重量％（実施例−２）〜45重
量％（実施例−６）の範囲に於て、効果が表わ
れ、これよりAgの少ない16重量％（比較例−５）
及び多い79重量％（比較例−６）では電流さい断
特性が好ましくない。すなわち、前者の16重量％
Agでは、開閉初期（１〜100回開閉）では、低い
好ましいレベルにあるが、多数回開閉（3000回開
閉）で、著しく劣化が見られると共に、しや断性
能も著しく劣る傾向にあり、後者のAgの79重量
％では開閉初期のレベルも高く、多数回開閉後に
は、ばらつきが見られる。従つて、高導電性材料
（この場合Ag）の量は、30〜45重量％の範囲の合
金系に対し有効であることが判る。また、高導電
性材料がCuであつても同じ効果が得られる（実
施例10および17）。以上は、補助材料としてのCoの量を2.5重量％
と一定にした場合（実施例−１〜６、比較例−２
〜６）についての考察であるが、Coの量は前記
粒径条件及び耐火材料の粒径条件を満せば、最小
0.2重量％（実施例−７）、最大10重量％（実施例
−８）の範囲のとき電流さい断特性は安定する。
すなわち、Coが0.07重量％（比較例−７）では、
Coの存在しない材料（比較例−１）と大差なく
電流さい断特性の改善が見られない。尚、高導電性材料として前記Agにつき述べた
が（実施例−１〜８、比較例１〜７）、Ag−Cu
合金としても有効で、特にAgとCuとの比率を略
７：３とした実施例−９では、耐火材料の制約し
た粒径の効果が相乗し、極めて安定した電流さい
断特性を発揮する。耐火材料として前記したWC
に限ることなく、MoC（実施例−10）、Cr₃C₂（実
施例−11）、TiC（実施例−12）、Ｗ（実施例−13）、
Mo（実施例−14）、Cr（実施例−15）、Ti（実施例
−16）のいずれかに代替しても、電流さい断特性
の安定化に対して効果が見られた。更に、補助材
料としてはCo，FeおよびNiのうちの少なくとも
１種であれば充分その効果が見られた（実施例14
〜16）。第１表、第２表における評価の条件は次の通り
である。さい断電流；表中のさい断電流値は供試
接点に直列に挿入した同軸型シヤントの電圧降下
をシンクロスコープで観測したものである。すな
わちLC回路を経て実効値44Aの交流を与え実験
回数500回でのさい断電流値の平均値その他を求
めてある。その試料はベーキング、放電エージン
グを行い測定に移す。エージングの不足は測定回
数と共にさい断値が上昇するので、加熱と放電に
より充分に行う。試料形態は径20mm、厚さ４mmで
一方は平面、他方は20mmＲで接触圧力は10Kgであ
る。しや断評価；直径20mm、ギヤツプ2.5mmに対向さ
せたしや断テスト用実験バルブに組込み、ベ
ーキング、電圧エージング等を与えた後
7.2kV50Hzで1kAずつ電流を増加しながらし
や断限界を比較評価した。以上述べた実施例においては、AgおよびCuの
うちの少なくとも１種よりなる高導電材料と、
WCなどの耐火材料とCoなどの補助材料とで構成
された接点材料に於て、特に耐火材料と補助材料
との粒径を前者に於ては、0.2〜1μm、後者に於
ては0.2〜5μmに制御することによつて、次のよ
うな効果を奏する。すなわち、良好なしや断特性
を維持しながら電流さい断特性を低く維持するこ
とができ、特に電流さい断特性については、ばら
つきの少ない安定した特性にすることができる。
したがつて、本発明の接点材料を真空バルブ接点
に用いれば、電流さい断特性およびしや断特性の
良い真空バルブが得られる。［発明の効果］以上詳記したように本発明によれば、良好なし
や断特性を維持しながらより一層電流さい断特性
が向上する真空バルブ用接点材料を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による真空バルブ用の接点材料
が適用される真空バルブの断面図、第２図は第１
図に示す真空バルブの電極部分の拡大断面図であ
る。１……しや断室、２……絶縁容器、５，６……
導電棒、１３ａ，１３ｂ……接点。

Claims

【特許請求の範囲】１ 30〜54重量％のAgおよびCuのうちの少なく
とも１種よりなる高導電性材料と、粒径が0.2〜
5μmで且つ量が0.2〜10重量％のCo，FeおよびNi
のうちの少なくとも１種よりなる補助材料と、粒
径が0.2〜1μmで且つ量が45〜69.8重量％のWC，
MoC，Cr₃C₂，TiC，Ｗ，Mo，CrおよびTiのう
ちのいずれか１種よりなる耐火材料とから成るこ
とを特徴とする真空バルブ用接点材料。２高導電性材料として、Cuが8.4〜12.6重量％、
Agが21.6〜32.4重量％であり、かつCuとAgとの
比率をほぼ３：７に選択したことを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の真空バルブ用接点材
料。