JPH0658778B2 - 真空しや断器用接点材料の製造法 - Google Patents

真空しや断器用接点材料の製造法

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JPH0658778B2 JP19706884A JP19706884A JPH0658778B2 JP H0658778 B2 JPH0658778 B2 JP H0658778B2 JP 19706884 A JP19706884 A JP 19706884A JP 19706884 A JP19706884 A JP 19706884A JP H0658778 B2 JPH0658778 B2 JP H0658778B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は真空しや断器用接点に係り、特に耐溶着性とし
や断性能が改良された真空しや断器用接点材料の製造法
に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
真空しや断器は、小型、軽量、メンテナンスフリー、環
境調和など、他のしや断器に比べすぐれた特徴を有する
ため、近年次第にその適用範囲が拡大している。このよ
うな真空しや断器用接点に要求される基本的三要件とし
ては、(1)溶着性が少ないこと、(2)耐電圧が高いこと、
(3)しや断特性がよいこと、が挙げられ、この他にもさ
い断電流値が小さいこと、接触抵抗が低く安定している
こと、耐消耗性がよいこと等が重要な性質となる。
しかしながら、これら要求特性のいくつかは相反するも
のであり、到底単一の金属種によつて全てを満たすこと
は不可能である。このため、実用されている多くの接点
においては、二種以上の元素を組み合わせて特定の用途
に適した接点材料の開発が行われている。
たとえば、従来、電流のしや断ないし通電時のジュール
熱によつて接点面が溶着するのを防止する成分として、
Bi、Teなどの低融点金属を含有する接点材料が知られて
いる(特公昭41−12131号公報、特公昭44−23751号公
報)。しかしながら、Cu、Agなどの高導電性成分にBi、
Teなどの蒸気圧の高い元素を含有する接点合金では、鋳
造工程で鋳塊に気泡やピンホールが発生しやすくなると
いう欠点がある。また、低融点金属を含む接点合金は、
これら成分の母相への固溶度が低いため偏析が生じやす
いという問題もある。たとえば、従来一般的に行なわれ
ている接点材料の製造法としては、Cuを溶解させたのち
低融点金属を添加するとともに、低融点金属の蒸発を防
止するためにArなどの不活性ガス雰囲気下で溶解用容器
内の圧力を数Torrから数百Torrに保持する方法がある。
しかしながら、このような方法で製造された接点材料に
は、ガスの含有、ボンドの発生あるいは低融点金属の偏
析などの欠陥が生じやすい。接点材料中にガスが含有さ
れていると、電流しや断時や電流通電時のジュール熱で
接点面が溶解して含有ガスが放出されるため真空容器内
の真空度が低下し真空しや断器としての機能が劣化す
る。また、接点材料中にボイドや低融点金属の偏析が存
在すると耐電圧特性が著しく低下する。
このような欠陥の発生を防止するために、従来は、前述
した方法で一旦低融点金属を含有する銅合金を製造した
のち再度真空中で溶解した含有ガスの除去を行なうとと
もに再溶解後の徐冷操作によりボイドおよび低融点金属
の偏析が生じないようにしている。
しかしながら、上述したような方法では、必ずしも満足
のいく性状を有する接点材料は得られないばかりか製造
設備、製造工程が複雑化するという問題がある。
〔発明の目的〕
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、
簡易な方法で、低融点金属の偏析、ボイドやガスが含有
されることがなく、しや断特性の一層の向上が図られた
接点材料の製造方法を提供することを目的とする。
〔発明の概要〕
本発明者らは、溶着防止成分として低融点金属を含有す
る接点材料に関する一連の研究において、上述した問題
を解決するための具体的方法を種々検討した結果、高導
電性成分としてのAgまたは(および)Cuからなる基材中
にあらかじめ低融点金属を充填しておき、加熱溶融後こ
れを指向性凝固させることにより、真空しや断器用接点
材料として極めてすぐれた性状を有するものが得られる
ことを見出した。
本発明は上記知見に基いてなされたものである。すなわ
ち、本発明の真空しや断器用接点材料の製造法は、Cuま
たは(および)Agからなる高導電性成分により構成され
た接点材料用基材の内部に低融点金属からなる溶着防止
成分を充填し、充填した低融点金属とともに接点材料用
基材を加熱溶融し、次いで一定方向に沿つて加熱源を移
行させながら冷却し凝固させることを特徴とする。
〔発明の具体的説明〕
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
第6図は、本発明の方法で得られる接点材料を適用する
真空しや断器の一構成例を示す正断面図である。第6図
に示すように、一般に真空しや断器は、絶縁容器61の両
端を端板62a,62bで閉塞した真空容器内に接点63a,63b
および通電軸64a,64bからなる一対の電極65a,65bが設
けられ、また接点部の周囲にはアークシールド66が配設
され絶縁容器へのアーク蒸気の被着を防止している。一
方、通電軸(固定)64aおよび通電軸(可動)64bは各々
端板62a,62bを気密に貫通して電路を構成するととも
に、ベローズ67により真空容器内での真空を保持した状
態での電極の開閉が可能となつている。
本発明で得られる接点材料は、上記したような接点63
a,63bの双方またはいずれか一方を構成するのに適した
ものである。
以下、添付図面を参照して本発明の製造法を説明する。
本発明の方法においては、まず、Cuまたは(および)Ag
からなる高導電性成分により構成された接点材料用基材
内部に溶着防止成分としての低融点金属が充填される。
接点材料用基材としては、一般に、耐溶着性および耐ア
ーク性(耐消耗性)を重視するときはCuを、また低接触
抵抗を重視するときはAgを主成分として用いる。
一方、溶着防止成分としての低融点金属としては、温度
800℃において10-3Torr以上の蒸気圧を有する金属が用
いられ、具体的には、Bi、Te、Se、Sbまたはこれらの合
金が好ましく用いられる。
第1図に示すように、円柱形状の接点材料基材11のほぼ
中心部に長手方向に設けられた孔内に粒状の低融点金属
12を充填し、孔の開口部を基材と同種のネジ付金属栓13
により施栓する。低融点金属は加熱融解時の体積膨張を
考慮して充填することが好ましい。充填量は、最終的に
得られる接点材料中の低融点金属の含有量が0.3〜0.8重
量%となるような量が好ましく、そのためには、高導電
性成分98.5〜99.5重量%に対して低融点金属0.5〜1.5重
量%の範囲で充填することが望ましい。また、充填する
孔の数は、第1図に示すように1個に限る必要はなく、
複数個であってもよい。さらに、孔の断面積は、基材11
の断面積の0.1〜20%であることが望ましい。基材に対
する低融点金属充填孔の断面積比が20%を超えると低融
点金属の偏析が多くなり、一方、0.1%未満では低融点
金属の分散が不均一になり耐溶着性にばらつきが生ずる
ので好ましくない。
次いで、上記のようにして低融点金属を充填した接点材
料原材を加熱溶融する。第2図は上記原材を誘導加熱装
置内に装着した状態を示す概略断面図である。すなわ
ち、加熱工程で用いる誘導加熱装置は、加熱容器21内に
被加熱対象物を収納する収納容器22a,22bおよび可動式
誘導加熱コイル23が配設されてなり、さらに加熱容器21
内は排気管24を介して真空ポンプ25により排気すること
によつて高真空(たとえば10-5Torr以下)に維持され
る。また、容器内の真空度は真空計26により計測され
る。
低融点金属が充填された接点材料の原材27は内部の収納
容器22a中に載置し、さらにこれを外部の収納容器22b内
に収納して通気穴を有する蓋28を取付け、誘導加熱コイ
ル23内に同軸方向に設置する。
次いで、加熱容器内を10-5Torr以下の真空度に維持しな
がらコイルに通電して収納容器中の原材を融解する。加
熱は基材11および低融点金属12が充分融解する温度で行
なわれる。この加熱溶融工程は、使用する金属の種類、
大きさにもよるが、好ましくは、1100〜1150℃の範囲で
60〜120分間行なわれる。充填孔内に存在するガスを溶
融段階で外部に排気するために、基材11に、充填孔から
外部に通じる通気穴を設けておくこともできる。たとえ
ば、栓13のネジ部に排気のための細溝を設けることがで
きる。
この加熱溶融段階においては、蒸気圧の高い低融点金属
が基材11の内部に埋設された状態で溶融するので低融点
金属の過大な蒸散が防止されるとともに基材中への低融
点金属の拡散を促進することができる。
上記のようにして高真空中で溶融することによつて原材
中のガスの除去を行なつたのち、誘導加熱コイル23を長
手方向に徐々に移行させることによつて原材27を冷却し
凝固させる。加熱源の移動は、その移動に伴なつて原材
中の残存ガス、ボイド、偏析等が進行方向に従つて徐々
に除去されてゆくのに充分な速度であることが望まし
く、具体的には、原材の形状、大きさ、種類等に応じて
適宜選択されるが、通常は2〜6mm/minの移動速度が
好ましい。
このようにして得られた接点材料は切削、研摩等の必要
な後処理を施こして、真空しや断器の接点としての使用
に供される。
〔発明の実施例〕
外径50mm、長さ200mmのCu基材の中心部に設けた断面積3
00mm2、長さ150mmの充填孔中に30gのBi粒子を充填し、
前述した第2図に示す装置を用いて、下記の条件で加熱
溶融ならびに冷却・凝固を行なつた。
加熱温度 1100〜1140℃ 加熱時間 60〜120分 真空度 1〜3×10-6Torr 加熱源の移動速度 2〜6mm/min 最終的に得られたCu−Bi合金中のBiの含有量は0.6重量
%であつた。このようにして得られた接点材料の性状、
耐溶着性、しや断特性を評価するために以下の様な試験
を行なつた。
(1) ボイドの確認 得られた接点材料を長手方向に中心部から切断して2等
分し、その切断面を研摩して表面組織を光学顕微鏡で観
察したがボイドは認められなかつた。また、第3図に示
す表面組織の写真からわかるように、結晶粒子も均整の
とれた良好なものであつた。
(2) Biの偏析の確認 上記(1)で2等分した他方の切断片を長手方向にスライ
スし、各スライスをさらに長手方向に2等分に分割した
ものを原子吸光分析法によつて分析して、Biの偏析を調
べた。第4図に示す分析結果から明らかなように、Biの
分布は長手方向に対してほぼ均等であり、偏析は認めら
れなかつた。
(3) ガス含有の確認 上記(2)で作成したスライス片を試料として含有ガスの
量をガスクロマトグラフィー方式の酸素・窒素・水素の
3元素分析装置を用いて測定した。測定は、真空しや断
器内の残存ガスとして最も好ましくはないO2について行
なつた。第5図に測定結果を示すように、O2含有量は約
2PPMであつた。なお、これは従来行なわれていた方
法、たとえば1150℃でCuを溶解後、Arガスで150Torrに
昇圧して所定量のBiを投入して得られる接点材料のほぼ
10分の1の値である。
(4) 通電耐溶着性の確認 前記(1)で述べたと同様の方法で製造した接点材料から
外径25mm、厚さ5mmの円板状接点を作成し、その耐溶着
性を測定した。まず、上記円板状接点を外径25mmの通電
軸の先端に取付け、一方これと対向する接点としては、
先端半径が100mmに球面仕上げされたものを用いた。こ
れら一対の接点に100gの荷重をかけた状態で両接点面
を接触させ、10-6Torrの真空雰囲気中で、8KA〜25KAの
範囲の通電を行ない、このときの接触面の引きはずし力
(Kg)を測定した。引はずし力は、いずれも0〜10kgで
あり良好な値を示した。
(5) 電流しや断性の確認 前記(1)と同様の方法で外径50mm、長さ200mm、Bi含有量
0.6%の接点材料を製造し、さらにこれから外径30mm、
厚さ5mmの円板状接点を作成し、真空しや断器の接点と
して取付けて電流しや断試験を行なつた。電流しや断条
件を、交流12KV、25KVに設定して行なつたところ、再発
弧確率はいずれも1%以下であり、前記(3)で述べた従
来法で製造した接点の再発弧確率の約1/30の値を示し
た。
〔発明の効果〕
上記実施例の結果からも明らかなように、本発明の方法
は、高導電性成分により構成された接点材料用基材の内
部にあらかじめ溶着防止成分として低融点金属を充填
し、さらにこれを加熱溶融したのち指向性凝固させるよ
うにしたので、比較的簡易な方法で、ボイドやガスの含
有ならびに低融点金属の偏析が防止されしや断特性にす
ぐれた接点材料を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図は本発明に係る製造工程を示す断面図、
第3図は本発明の方法で得られた接点材料の断面の金属
組織を示す写真、第4図はBiの偏析状態を示すグラフ、
第5図はO2含有量の分析結果を示すグラフ、第6図は真
空しや断器の断面図である。 11……基材、12……低融点金属、13……栓、21……加熱
容器、22a,22b……収納容器、23……可動式誘導加熱コ
イル、24……排気管、25……真空ポンプ、26……真空
計、27……原材、28……蓋、61……絶縁容器、 62a,62b……端板、63a,63b……接点、64a,64b……通
電軸、65a,65b……電極、66……アークシールド、 67……ベローズ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮前 清文 東京都府中市東芝町1 株式会社東芝府中 工場内 (72)発明者 奥富 功 東京都府中市東芝町1 株式会社東芝府中 工場内 (72)発明者 大川 幹夫 東京都府中市東芝町1 株式会社東芝府中 工場内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Cuまたは(および)Agからなる高導電性成
    分により構成された接点材料用基材の内部に低融点金属
    からなる溶着防止成分を充填し、充填した低融点金属と
    ともに接点材料用基材を加熱溶融し、次いで一定方向に
    沿つて加熱源を移行させながら冷却し凝固させることを
    特徴とする、真空しや断器用接点材料の製造法。
  2. 【請求項2】前記低融点金属が、800℃において10-3Tor
    r以上の蒸気圧を有する金属である、特許請求の範囲第
    1項に記載の方法。
  3. 【請求項3】前記低融点金属が、Bi、Te、Se、Sbおよび
    これらの金属の合金から選ばれる、特許請求の範囲第1
    項に記載の方法。
  4. 【請求項4】低融点金属を0.5〜1.5重量%充填する、特
    許請求の範囲第1項に記載の方法。
  5. 【請求項5】低融点金属の加熱溶融ならびに凝固を10-5
    Torr以下の真空雰囲気下で行なう、特許請求の範囲第1
    〜4項のいずれか1項に記載の方法。
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JP2001240949A (ja) * 2000-02-29 2001-09-04 Mitsubishi Materials Corp 微細な結晶粒を有する高純度銅加工品素材の製造方法
JP6130633B2 (ja) * 2012-08-07 2017-05-17 株式会社東芝 樹脂モールド真空バルブ

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