JPH0577731B2 - - Google Patents

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、特に銅（以下Cuと書く）とビス
マス（以下Biと書く）、鉛（以下Pbと書く）、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）。他の元素の組合わせ
の合金についても、同様に元素記号の組合わせで
表示する。）、Cu−Pb、Cu−Sb、やCu−Co−Bi、
Cu−Cr−Bi等があつた。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％（重量％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1A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れ
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ことを目的
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、必然的に大電流しや断の際はそ
の多量の低融点金属の蒸気が災いし、しや断特性
を大巾に減ずと共に、粒界が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400〜600℃で脱ガス排気する場合にも、低
融点金属が蒸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リツチの
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
の含有による弊害を抑制することにより、しや断
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ることを特徴とする
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Bi、Pb、In、Li、Snの
うちの１種あるいは２種以上の金属を９ないし20
重量％の範囲で添加し、かつ第１の金属として、
Sb、La、Mgのうちの１種あるいは２種以上の金
属を4.5ないし10重量％の範囲で添加し、更に、
第２の金属として、Cr、Fe、Co、Ni、Ti、Ｗの
うちの１種あるいは２種以上の金属を16ないし40
重量％の範囲で添加したものであり、これにより
しや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
図は真空スイツチ管の構造図で、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
の前記電極棒７はベローズ８を介して前記端板３
に気密を損な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１０がア
ークにより発生する蒸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１の内面および
前記ベローズ８を覆つている。電極４および５の
構成を第２図に示す。電極５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。本
発明に係わる真空開閉器の電極４，５は銅を主成
分とし、副成分として低融点金属であるBi、Pb、
In、Li、Snのうちの１種あるいは２種以上の金
属を９ないし20重量％の範囲で添加し、かつ第１
の金属として、Sb、La、Mgのうち１種あるいは
２種以上の金属を4.5ないし10重量％の範囲で添
加し、更に、第２の金属として、Cr、Fe、Co、
Ni、Ti、Ｗのうちの１種あるいは２種以上の金
属を16ないし40重量％の範囲で添加したものから
成つている。例えばこれらの合金としてCu−Bi
−Mg−Crがある。この接点用合金はそれぞれの
材料となる金属の粉末を所定の配合比でボールミ
ルにより混合した後、３Ｔｓ／cm²の圧力で成形し、
高純度水素雰囲気炉内で約1000℃の温度で焼結し
て作られる。低融点金属は主成分である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ものが選ばれる。
第１の金属は、低融点金属と合金化されたとき、
その合金の融点が低融点金属の融点より高くなる
ものから選ばれる。例えば、低融点金属として
Bi、第１の金属としてMgを選んだものが前述の
例であり、Biは、融点273℃であるが、Mgとの
間で823℃の融点の金属間化合物（Mg₃Bi₂）を、
又、551℃の融点の共晶合金（Mg−Mg₃Bi₂）を
形成することが出来る。又第１の金属は前記低融
点金属と第１の金属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は
形成するもうなものが望ましい。例えば、Mgは
Mg₂Cu、MgCu₂等の金属間化合物や共晶合金を
形成することができ、この要求を満たしている。
第２の金属は融点が高く、耐電圧特性を向上させ
るためのものである。CrやTiはよく知られてい
るようにゲツター作用を有しているものでありし
や断時のガス吸着能力による特性向上を期待すこ
とが出来るので第２の金属として適している。 従来のCu−Bi−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
なかつた。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
この溶融Biが流動して、大きな凝集組織を形成
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、一層その度を強め、最
終的には、Biの凝集体が粗く分布する合金状態
とになつていた。これらの傾向はPbやIn、Li等
にも見られる。 本発明による前述したCu−Bi−Mg−Crの場
合、これらの弊害は以下説明するにして効率よく
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Mgが互いに溶解しあ
う。Mgの融点650℃近辺迄は、Mg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
量の溶解Biの流動は生じない。一方、主成分で
あるCuはMgと722℃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Mg粒はBiより高い融点を持ちながら、
その融点ではCuへの大きな融解度を持つため、
溶融流動を生ずることがない。しかもMgはBiと
も急速に溶解し合いMg₃Bi₂なる金属間化合物の
融点823℃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、Mg₃Bi₂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、かつその温度領域ではBi、Mg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Mgが析出
すると共にMg₃Bi₂及びMg₂CuやMgCu₂等の金属
間化合物、あるいはBiとMg、CuとMgの共晶合
金が微細に分散して析出する。BiやMg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量や、冷却速度等
で決定されるが、従来例に比べて、微細かつ均一
組織が得られることには変わりはない。 なお上記実施例では低融点金属としてBi、第
１の金属としてMgの場合について説明したが、
第１の金属としてSbやLaを使用しても全く同じ
効果を得ることが出来る。又、低融点金属として
もBiを限らず、PbやIn、Li、Sn等でも同様の効
果が得られる。なお、低融点金属や第１の金属と
して、最初からMg₃Bi₂を使用しても良い。いず
れの場合も第２の金属としてFe、Cr、Ni、Co、
Ti、Ｗを添加すると耐電圧特性や、しや断特性
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。

【表】 第１図の構成の真空開閉器用真空スイツチ管に
おいて、電極４，５を外形50φ、内厚8tの寸法に
焼結切削加工で切出し、Ag.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、
600℃で加熱脱ガスしてサンプル電極の真空スイ
ツチ管を完成させた。真空開閉器に組込んだ後、
各種の試験を実施し、性能比較を行つた結果を第
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や断した時のサイダ
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と低い値であつた。これは、
ろう付や加熱脱ガス工程時に、低融点金属が電極
表面に滲み出た為である。負荷電流500Aの回路
を10000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、いずれも1A内外にとどまつた。これは、従
来例では低融点金属の凝集体が粗く分布した組織
となつているため、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、３〜10A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ヤンスがあ
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つているため、前
述のような銅素地でアークが切れるチヤンスが非
常に少なくなると共に、銅中に第１の金属が共融
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
や断したものであり、2KAステツプで電流が増
すよう供与電圧を徐々に上げ、しや断可能な上限
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
た低融点金属組織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つているた
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、第１の金
属との合金化によつて、その融点が高められ、異
常蒸発が低く抑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、１×40μsec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組織によるもの
と、その結果容器内面の汚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ツチ管
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、ろう付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ツトして、力を印加
し始める否や、外れてしまうものがあつた。辛う
じて耐えたもので３Kg／mm²以下であり、従来品は
第２図の構造では真空開閉器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わらず、試験中に電
極が脱落することが起つた、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、
Ag・Cuろう中の大半のAgが、電極内部へ拡散
し、その代わりにろう層中に低融点金属が、層を
成して滲み出ており、その部分で外れていること
が判つた。 本発明品でも本来Ag−Cuろうのもつ、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、副成分である低融点金属に
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
方第１の金属についても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
伝導度を著しく低下せしめるため、しや断性能が
劣化し、接触抵抗を高める。第２の金属について
も、耐電圧性能やしや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。また、これらの成分は過
小であつても効果がない。実施例１ないし実施例
４から各成分の重量比を見ると、ほぼ、低融点金
属は９重量％以上、第１の金属は4.5重量％以上、
第２の金属は16重量％以上となつており、これだ
けの量を含めば効果を生じることがわかる。 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低融点金属である副成分
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第１の金属及び第２の金属
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、しや断特性、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、真空スイツチ管の構造図、第２図は
電極部分の拡大断面図である。 １……真空絶縁容器、２，３……端板、４，５
……電極、６，７……電極棒、８……ベローズ、
９，１０……シールド、５１……ろう材。なお、
図中同一符号は各々同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 以下の(a)〜(d)の成分よりなる真空開閉器用電
   極材料。 (a) 主成分として銅 (b) 副成分として９ないし20重量％の範囲で添加
   される低融点金属であるビスマス、鉛、インジ
   ウム、リチウム、錫のうちの１種あるいは２種
   以上の金属 (c) 第１の金属として、4.5ないし10重量％の範
   囲で添加されるアンチモン、ランタン、マグネ
   シウムのうちの１種あるいは２種以上の金属 (d) 第２の金属として、16ないし40重量％の範囲
   で添加されるクロム、鉄、コバルト、ニツケ
   ル、チタン、タングステンのうちの１種あるい
   は２種以上の金属。