JPH07278703A

JPH07278703A - 真空インタラプタ用電極材料

Info

Publication number: JPH07278703A
Application number: JP6075593A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Yoshioka; 信行吉岡; Nobunao Suzuki; 伸尚鈴木; Toshimasa Fukai; 利眞深井
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1994-04-14
Filing date: 1994-04-14
Publication date: 1995-10-24

Abstract

(57)【要約】【目的】遮断性能に優れ、しかも低コストである真空
インタラプタ用電極材料を提供する。【構成】ＣｕとＣｒを主成分とし、Ｃｕマトリックス
中にＣｒが微細に分散し、Ｃｒの組成範囲が１３〜３５
重量％でＣｕの組成範囲が６５〜８７重量％であり、し
かもＣｒ粒子の平均粒子径が２０μｍ以下で、かつ４０
μｍ以下の含有量が９０％以上である真空インタラプタ
用電極材料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、銅（以下、Ｃｕと記
す）とクロム（以下、Ｃｒと記す）を主成分とする真空
インタラプタ用電極材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、真空インタラプタ用の電極材料
は、従来主に使用されていたＣｕ−ビスマス（以下、Ｂ
ｉと記す）系の材料よりも、遮断性能の優れたＣｕ−Ｃ
ｒ系材料が使用されている。

【０００３】実験の結果、この優れた遮断性能は、Ｃｕ
−Ｃｒ電極中のＣｒ粒子の粒径、分散状態に起因するこ
とがわかった。即ち、遮断電流は発生したアークがＣｒ
粒子からＣｕへの移行が速やかに行われるほど遮断性能
は良好であるから、同一組成のＣｕ−Ｃｒ電極において
も、その電極中の内部組織の違いにより遮断性能は著し
く異なるのである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】電極内部に大きなＣｒ
粒子を持つものは、遮断性能が優れているとはいえず、
このため電極の径が大きくなってしまい、真空インタラ
プタ自体も大きくなってしまう。また、真空インタラプ
タのコストも高くなっている。

【０００５】微細なＣｒの均一分散組織からなる電極を
得る方法の一つに、原料粉をプレス成形後焼結する方法
があるが、溝を有するスパイラル形状にするためには機
械加工が必要である。このため、切削加工による素材のロスが多く、機械加工による加工費が高価であり、加工による納期がかかるため製品の日程管理、在庫
調整が煩雑であった。更に、近年では、素材費の価格上
昇、人件費の増大が電極コストの上昇を招くことから、
機械加工を要さず、製作工数の少ない電極を得ることが
望まれている。

【０００６】これらの問題を解決するため、特開平５−
２４２７７３号公報などに開示されているように、使用
する電極形状（例えば、スパイラル形状）でプレス成形
した後、焼結し、機械加工なしにそのまま電極とするこ
とが提案されている。

【０００７】しかし、上記電極においては、その製造過
程において成形体を真空中で焼結すると、Ｃｕの蒸気圧
が高いため選択的にＣｕが飛散し電極表面がＣｒリッチ
となり、接触抵抗が上昇することがあった。

【０００８】また、炉内真空中で焼結する場合、加熱工
程で原料粉体に含有されていたガスの放出が生じ、炉内
の真空度が低下してしまう。そのため、炉内に設置する成形体の数量が限定される、昇温速度を緩やかにしたり、昇温過程での保持回
数、時間を多くとる必要がある、などの問題があり、生
産性の高い電極材料が望まれていた。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで、先ず、Ｃｒの含
有量が電極材料に及ぼす影響を調べるべく、粒径８μｍ
のＣｒ粉体とＣｕの粉体とを配合比を変えて混合し、得
られた混合粉末を金型に充填し、５ton ／cm²の圧力で
加圧成形して成形体を得た。得られた成形体を炉内に設
置し、炉内を５×１０^-3Torrに排気し、次いで、アルゴ
ン（以下、Ａｒと記す）ガスを炉内に導入し、分圧が１
×１０^-4Torrより大きい範囲となるように調整し、Ａｒ
ガスを流しながら加熱した。加熱は、Ｃｕの融点直下の
１０６０°Ｃで２時間行った。

【００１０】焼結により得られた電極材料の充填密度は
９８％であった。この電極材料を真空インタラプタの電
極として組み込み、接触抵抗を測定後、遮断試験を実施
した。その結果を表１及び図１に示す。

【００１１】

【表１】

【００１２】表１及び図１より、Ｃｒの含有量が１３重
量％以上になると、遮断電流特性が向上することがわか
る。ただし、Ｃｒの割合が３５重量％以上になると、初
期の接触抵抗が高くなり、遮断後は一層高くなり、接点
としての使用に向かないものとなる。従って、Ｃｒの含
有量は、１３〜３５重量％の範囲であることが必要であ
る。

【００１３】次に、Ｃｕ粉と、平均粒径が８、１５、４
０、１００μｍのＣｒ粉を８２：１８の重量比で混合し
たものを金型に充填し、５ton ／cm²の圧力で加圧して
成形体を得、得られた成形体を炉内に設置し、１×１０
^-4Torrの真空中で加熱し、焼結体を得た。加熱は、融点
直下の１０６０°Ｃ下で２時間行った。

【００１４】得られた焼結体を電極形状に機械加工し、
リード棒とろう付けして真空インタラプタを作製し、遮
断性能試験を実施し、Ｃｒ粒径の違いによる遮断性能を
比較した。これらの結果を表２に示す。尚、表２には、
Ｃｕ−Ｃｒアトマイズ粉体を用いた例も併せて示す。ア
トマイズ粉体の平均粒径は１００μｍであり、５０〜１
５０μｍのものが粉体の９０％を占めるものを採用し
た。得られた電極においては、Ｃｕマトリックス中のＣ
ｒの平均粒径は８μｍで、５〜２０μｍのものが全体の
９０％を占めていた。

【００１５】

【表２】

【００１６】表２より、電極内部のＣｒ粒径が微細なほ
ど遮断性能が良好なことがわかる。即ち、本発明に係る
真空インタラプタ用電極材料は、ＣｕとＣｒを主成分と
し、Ｃｕマトリックス中にＣｒが微細分散し、Ｃｒの組
成範囲が１３〜３５重量％でＣｕの組成範囲が６５〜８
７重量％であり、しかもＣｒ粒子の平均粒子径が２０μ
ｍ以下で、かつ４０μｍ以下の含有量が９０％以上であ
ることを特徴とするものである。尚、Ｃｒ粒子の粒径
は、２０μｍ以下であるが、平均粒径５〜１５μｍが望
ましい。Ｃｒ粒子の径が２０μｍを越える場合には、遮
断性能が低下してしまう。また、加減の５μｍより小さ
い場合は、製造が困難であり、かつ製造工程中に不純物
が混入するおそれがある。

【００１７】

【実施例】次に、本発明に係る真空インタラプタ用電極
材料の一実施例について説明する。出発原料としてＣｕ
粉と、平均粒径が８、１５、４０、１００μｍのＣｒ粉
を８２：１８の重量比で、Ｖ形混合器で１時間十分に混
合した。使用したＣｒ粉末における粒度分布は、表２に
示すように、平均粒径が８μｍのものにおいては２〜２
０μｍの範囲が、平均粒径が１５μｍのものにおいては
５〜３０μｍの範囲が、平均粒径が４０μｍのものにお
いては１０〜６０μｍの範囲が、平均粒径１００μｍの
ものにおいては６０〜１５０μｍの範囲が９０％を占め
ている。

【００１８】上記混合粉末を直径６０ｍｍの円盤状の金
型に充填し、５ton ／cm²の圧力で加圧成形し、成形体
を得た。得られた成形体を炉内に設置し、１×１０^-4To
rrで加熱し、焼結した。加熱は、Ｃｕの融点直下の１０
６０°Ｃで、２時間行った。

【００１９】得られた焼結体、即ち電極材料の内部構造
を電子顕微鏡で観察し、組織内のＣｒ粒子の大きさを調
べた。その結果は、前掲の表２のとおりである。即ち、
Ｃｕマトリックス中のＣｒ粒子の平均粒径は、原料粉と
してＣｒ粒子の平均粒径が８μｍのものを使ったものに
あっては１２μｍ、原料粉としてＣｒ粒子の平均粒径が
１５μｍのものを使ったものにあっては１８μｍ、原料
粉としてＣｒ粒子の平均粒径が４０μｍのものを使った
ものにあっては４５μｍと、いずれも微細であった。
尚、電極材料内部のＣｒ粒子の径は、任意の部分で切断
後研磨仕上げにより得られた試料を顕微鏡観察により測
定した結果である。

【００２０】得られた電極材料を機械加工し、図２に示
すように、固定電極２１、可動電極２２として、固定リ
ード棒２３、可動リード棒２４とろう付けし、真空イン
タラプタ２５を得た。この真空インタラプタ２５の遮断
性能試験を実施し、Ｃｒ粒径による遮断性能を調べた結
果は表２のとおりである。原料粉として、Ｃｒ粉の平均
粒径８、１５、４０μｍのいずれを用いた場合も、良好
な遮断性能を示した。これは、Ｃｕマトリックス中にＣ
ｒが微細に分散したため、電流遮断時のアークの駆動が
速やかに行われることによる。

【００２１】出発原料として用いるＣｕーＣｒ粉体とし
ては、電解法により得られる樹枝状のものが加圧成形時
粉体同士が絡みやすく、かつつぶれやすいため好まし
い。また、メカニカルアロイニング製法による粉体、ア
トマイズ法による粉体も出発原料として採用される。

【００２２】出発原料として用いられるＣｕーＣｒアト
マイズ粉体は、例えば以下の方法で製造される。８７重
量％のＣｕと１３重量％のＣｒの混合物を真空中で加熱
溶解後、Ａｒガスにより５〜８ＭＰａの圧力で噴霧す
る。得られるＣｕーＣｒ粉体の粒径は、１５０μｍ〜５
０μｍであり、成分は初期混合物と同等であった。ま
た、この合金粉体を電子顕微鏡で観察すると、５μｍ以
下のＣｒ粒子が均一に分散していることが確認された。

【００２３】上記製法により得られたアトマイズ粉体を
直径７０ｍｍのアルミナ容器に３００ｇ充填し、５ton
／cm²の圧力で加圧成形し、成形体を得た。この成形体
を、１×１０^-4Torrの真空中で、Ｃｕの融点以下の温度
である１０８０°Ｃで３０分間加熱処理を施し、電極材
料を得た。

【００２４】得られた電極材料について前述と同様にし
てＣｒ粒径について調べ、また、前述と同様に機械加工
し、電極として真空インタラプタを作製し、遮断性能に
ついて調べた。その結果は、前掲の表２のとおりであ
る。

【００２５】電極材料内部には、平均粒径８μｍのＣｒ
が均一に分散しており、しかもＣｒは、５〜２０μｍの
ものが９０％を占めていた。電流遮断能力は顕著に向上
した。

【００２６】次に、他の実施例として、焼結体を機械加
工せず、そのまま電極として用いる場合について示す。
先ず、出発原料としてＣｕ粉と、平均粒径が８、１５、
４０、１００μｍのＣｒ粉を８２：１８の重量比で、Ｖ
形混合器で１時間十分に混合し、混合粉体を得る。使用
したＣｒ粉末における粒度分布は、表３に示すように、
平均粒径が８μｍのものにおいては２〜２０μｍの範囲
が、平均粒径が１５μｍのものにおいては５〜３０μｍ
の範囲が、平均粒径が４０μｍのものにおいては１０〜
６０μｍの範囲が、平均粒径１００μｍのものにおいて
は６０〜１５０μｍの範囲が９０％を占めている。

【００２７】出発原料として用いるＣｒ粉は、電解法、
アトマイズ法その他いずれの方法で生産したものでもよ
いが、電解法により得られる樹枝状のものが、粒子同士
が絡みやすく、かつつぶれやすいため好ましい。

【００２８】上記混合粉末を、電極形状をした直径６０
ｍｍのスパイラル形状の金型に充填し、５ton ／cm²の
圧力で加圧成形し、成形体を得る。得られた成形体を炉
内に設置し、先ず、残留酸素、窒素を除去するため炉内
を真空ポンプにより排気して５×１０^-3Torrの真空圧と
し、次いで、Ａｒガスを炉内に導入し、分圧が０．１To
rrになるように調整し、Ａｒガスを流しながら加熱を開
始した。加熱は、Ｃｕの融点直下の１０６０°Ｃで２時
間行った。得られた焼結体は、図３に示すようにスパイ
ラル形電極となっており、そのまま真空インタラプタの
電極として採用できるものである。図中、１が電極、２
がスパイラル溝、３がペダルである。

【００２９】この電極の充填密度は９８％であった。こ
の電極の内部構造を電子顕微鏡で観察し、組織内のＣｒ
粒子の大きさを調べた結果は、表３に示すとおりであ
る。即ち、Ｃｕマトリックス中のＣｒ粒子の平均粒径
は、原料粉としてＣｒ粒子の平均粒径が８μｍのものを
使ったものにあっては１２μｍ、原料粉としてＣｒ粒子
の平均粒径が１５μｍのものを使ったものにあっては１
８μｍ、原料粉としてＣｒ粒子の平均粒径が４０μｍの
ものを使ったものにあっては４５μｍと、いずれも微細
であり、原料粉として１００μｍのものを使ったものに
あっては、平均粒径が１０５μｍで、６０〜１５０μｍ
のものが９０％を占めていた。尚、電極材料内部のＣｒ
粒子の径は、任意の部分で切断後研磨仕上げにより得ら
れた試料を顕微鏡観察により測定した結果である。

【００３０】

【表３】

【００３１】得られた焼結体をそのまま電極として採用
し、図２に示したように、固定電極２１、可動電極２２
として、固定リード棒２３、可動リード棒２４とろう付
けし、真空インタラプタ２５を得た。この真空インタラ
プタ２５の遮断性能試験を実施し、Ｃｒ粒径による遮断
性能を調べた結果は表３のとおりである。原料粉とし
て、Ｃｒ粉の平均粒径８、１５、４０μｍのいずれを用
いた場合も、良好な遮断性能を示した。これは、Ｃｕマ
トリックス中にＣｒが微細に分散したため、電流遮断時
のアークの駆動が速やかに行われるようになったことに
よる。

【００３２】この実施例では、以上の如く焼結雰囲気を
Ａｒガス雰囲気とする。不活性ガス雰囲気を作成する場
合、一般には、Ａｒの他に安価な窒素ガスを用いる場合
があるが、焼結加熱中でのＣｒの窒化を避けるためＡｒ
ガス雰囲気とする。

【００３３】Ａｒガスの分圧は、焼結温度（１０６０°
Ｃ）におけるＣｕの蒸気圧、即ち、１×１０^-4Torrより
大きい範囲とする。しかし、実際には、炉内の構造やガ
ス導入条件、例えば、架台に設置した成形体の位置、架
台の構造、ガス導入位置、導入口の数と排気位置、ガス
導入の流量等に依存する。このため、実用的には、１×
１０^-2より大きい圧力で安定して製作される。圧力が高
い場合の効果は同様であるが、ガスのコストが高くなる
ため５×１０⁰Torr程度がよい。

【００３４】本発明に係る電極材料は、ＣｕとＣｒを主
成分とするので、上記実施例では、ＣｕとＣｒについて
のみ述べたが、真空インタラプタの遮断性能、溶着性や
接触抵抗等の他の性能の向上を図るため添加する副成分
（ＣｕやＣｒの量より少ない添加量のもの）を添加する
場合も本発明による組織であれば遮断性能は向上する。

【００３５】

【発明の効果】本発明に係る真空インタラプタ用電極材
料は、ＣｕとＣｒを主成分とし、Ｃｕマトリックス中に
Ｃｒが微細分散し、Ｃｒの組成範囲が１３〜３５重量％
でＣｕの組成範囲が６５〜８７重量％であり、しかもＣ
ｒ粒子の平均粒子径が２０μｍ以下で、かつ４０μｍ以
下の含有量が９０％以上であるので、電流遮断時のアー
クの駆動が速やかに行われ、遮断性能が向上する。遮断
性能が向上することにより電極の径の縮小が可能とな
り、ひいては真空インタラプタの小型化、コストの低減
が図れる。

【００３６】また、本発明に係る真空インタラプタ用電
極材料によれば、得られた焼結体をそのまま電極として
使用するようにしたので、機械加工費がかからないた
め、製造コストをより低くすることができる。

【００３７】更に、本発明に係る真空インタラプタ用電
極材料によれば、その製造に際しては、設備の面では、
メンテナンスの簡略化、作業時間の短縮、投入量の増加
による生産性の向上とコストの低減が可能となる。つま
り、Ａｒガス導入下で成形体の加熱、焼結を行うので、
高真空を得るための高価な設備（ディヒュージョンポン
プ等）が不要となり、高価なポンプが不要となることか
ら、ポンプ冷却用の液体窒素が不要となり、装置の維持
費、ランニングコストが低くなるのである。

【００３８】また、排気から加熱工程への時間が短縮す
る。つまり、粉体から発生したガスは、Ａｒガスが速や
かに運びさるため、真空焼結のように発生ガスによる昇
温スピードを緩やかにしたり昇温工程での保持時間を長
くする必要がなくなるのである。

【００３９】生産性の面では、高真空雰囲気による加熱
の場合は、粉体（成形体）から発生したガスにより真空
度が低下し焼結体の酸化、高真空測定用真空計の損傷等
が発生するため加熱炉内に多量の成形体を設置すること
ができなかったのに対し、本発明に係る電極材料によれ
ば、その製造に際しても、高真空測定用真空計が不要と
なり、また、成形体から発生したガスはＡｒガスにより
速やかに排出されるため焼結体の酸化がなく炉内に多量
の成形体を設置することが可能となり、生産性が向上す
る。更に、真空雰囲気と異なり、加熱中にはＡｒガスの
対流があるため炉内の温度分布が向上し、設置範囲が広
がり、この面でも生産性の高いものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｃｒ含有量と遮断性能との関係を示すグラフで
ある。

【図２】本発明の一実施例に係る電極材料を組み込んだ
真空インタラプタの断面図である。

【図３】本発明の一実施例に係る電極材料の平面図と側
面図である。

【符号の説明】

１電極２スパイラル溝２１固定電極２２可動電極２３固定リード棒２４可動リード棒２５真空インタラプタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】銅とクロムを主成分とし、銅マトリック
ス中にクロムが微細分散し、クロムの組成範囲が１３〜
３５重量％で銅の組成範囲が６５〜８７重量％であり、
しかもクロム粒子の平均粒子径が２０μｍ以下で、かつ
４０μｍ以下の含有量が９０％以上であることを特徴と
する真空インタラプタ用電極材料。
【請求項２】平均粒子径が５〜１５μｍ範囲にあるこ
とを特徴とする請求項１に記載の真空インタラプタ用電
極材料。