JPH09161628A - 真空バルブ用接点材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大電流遮断特性、裁断特性、大電流通電特性
を向上させる。 【解決手段】 真空容器内の接離自在の一対の電極７、
８の対向表面に配置された接点13ａ、13ｂの材料は、40
〜50 vol％の含有量で少なくともＣｕを含む導電成分
と、60〜50 vol％の含有量でＷ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｍ
ｏ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｖ及びＴｉの炭化物のうちの少なくと
も１種を含み粒径が３μｍ以下である耐弧成分と、残部
がＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｒのうちの少なくとも１種を
含む補助成分とを有し、導電成分のＣｕ中に固溶する補
助成分量を 0.1％以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大電流遮断特性、
裁断特性、大電流通電特性を向上させた真空バルブ用接
点材料及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】真空中でのアーク拡散性を利用して、高
真空中で電流遮断を行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。この
真空バルブを用いて、電動機負荷などの誘導性回路の電
流を遮断する時、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。

【０００３】この異常サージ電圧の発生原因は、例え
ば、真空中における小電流遮断時に発生する裁断現象
（交流電流波形の自然ゼロ点を待たずに強制的に電流遮
断が行われる事）、あるいは高周波消弧現象などによる
ものである。裁断現象による異常サージ電圧の値Ｖｓ
は、回路のサージインピーダンスＺｏ・Ｉｃで表され
る。従って、異常サージ電圧Ｖｓを低くするためには電
流裁断値Ｉｃを小さくしなくてはならない。

【０００４】低裁断電流特性を有する接点には、主とし
て溶解法によって作られるＣｕ−Ｂｉ系の接点と焼結溶
浸法によって作られるＡｇ−ＷＣ系接点とがある。周知
のＡｇ−ＷＣ系合金接点は、 （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基づく
接点材料の蒸発を促進させる。 （３）接点材料の炭化物がアークにより分解され、荷電
体を生成してアークを接続する。 などの点で優れた低裁断電流特性を発揮し、この合金接
点を用いた真空開閉器が開発され実用化されている。

【０００５】また、この接点にＣｕを複合化し、Ａｇと
Ｃｕとの比率をほぼ７：３としたＡｇ−Ｃｕ−ＷＣ合金
が提案されている（特公昭63-59212）。この合金におい
て、従来にない限定をしたＡｇとＣｕとの比率を選択す
るので、安定した裁断電流特性を発揮する。

【０００６】さらに、特公平 5-61338には、耐弧性材料
の粒界（例えば、ＷＣの粒界）を 0.2〜１μｍとするこ
とにより、低裁断電流特性の改善に有効であることが示
唆されている。

【０００７】一方、Ｃｕ−Ｂｉ系合金接点では、Ｂｉの
選択蒸発により電流裁断特性を改善している。この合金
のうち、Ｂｉを10重量％（以下、wt％とする。）とした
もの（特公昭35-14974）は、その適度な蒸気圧特性を有
するので低い裁断電流特性を発揮する。また、Ｂｉを
0.5wt％とした（特公昭41-12131）は、結晶粒界に偏析
して存在する結果、合金自体を脆化して低い溶着引き外
し力を実現し、大電流遮断性に優れている。

【０００８】ところで、真空遮断器は本来の責務として
大電流遮断が行えなければならない。大電流遮断のため
には、接点材料表面全体にアークを点弧させ、接点材料
の単位表面積あたりの熱入力を小さくすることが重要と
なってくる。その一手段として、接点材料をマウントし
ている電極部において、極間の電界と平行な方向に磁界
を発生させる縦磁界構造がある。特公昭54-22813によれ
ば、このような方向に磁界を適度に生じさせることによ
り、アークプラズマを接点表面に均一に分布させること
が可能となり、大電流遮断能力が高められるとされてい
る。

【０００９】また、接点材料自体について、特開平 4-2
069121によれば、Ａｇ−Ｃｕ−ＷＣ−Ｃｏ系接点材料に
おいて、ＷＣ−Ｃｏ粒子間距離を 0.3〜３μｍ程度とす
ることによりアーク陰極点の易動度が良好となり、大電
流遮断特性の向上が図れるとされている。また、Ｃｏな
ど鉄属の補助成分の含有量を高めることにより、遮断性
能が高められることが示されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】真空遮断器には低サー
ジ性が要求され、従来では上述のように低裁断電流特性
（低チョッビング特性）が要求されていた。しかしなが
ら、真空バルブは、近年大容量電動機等の誘導性回路に
適用されることが一層増えていると共に高サージ・イン
ピーダンス負荷も出現したため、一層安定した低裁断特
性を持つことが望まれるのは勿論のこと、大電流遮断特
性についても兼備しなくてはならない。

【００１１】ところが、10wt％のＢｉとＣｕとを複合化
した合金（特公昭35-14974）では、開閉回数の増大と共
に電極空間への金属蒸気の供給量が減少して低裁断電流
特性の劣化が現れ、高蒸気圧元素量に依存して耐電圧特
性の劣化も指摘されている。

【００１２】0.5wt％のＢｉとＣｕとを複合化した合金
（特公昭41-12131）では、低裁断電流特性が不十分であ
る。このように、高蒸気圧成分の選択蒸発のみによって
は、安定した低裁断性を有することは不可能である。

【００１３】また、ＡｇとＣｕとの重量比率をほぼ７：
３としたＡｇ−Ｃｕ−ＷＣ合金（特公昭63-59212）、Ｗ
Ｃ等の耐弧性成分の粒径を 0.2〜１μｍとする合金（特
公平5-61338）等のＡｇを主成分とする導電成分を有す
る接点材料では、優れた裁断特性を示すものの、蒸気圧
が高すぎるために十分な遮断性能が得られない。また、
これらの接点材料のＣｏ含有量を増加させることにより
遮断性能の向上を図った場合に、これにより低裁断電流
特性が阻害されてしまう。

【００１４】一方、Ｃｕを導電成分として用いた場合に
は、遮断特性は比較的良好となるが、耐弧成分量を高め
なければ良好な裁断特性は得られない。例えばＣｕ−Ｗ
Ｃ−Ｃｏの場合では、ＷＣスケルトンの焼結時にＣｏを
添加することにより、ＷＣスケルトンの空隙率を低め、
空隙に溶浸されるＣｕの量を抑制している。

【００１５】しかし、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉといった炭化物
の焼結促進は、Ｃｕの導電率を低下させるため、通電特
性がはなはだしく損なわれてしまう。本発明の目的は、
優れた遮断特性、低裁断特性と通電特性を兼備した真空
バルブ用接点材料及びその製造方法を提供することにあ
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成させるた
めに請求項１に関する発明は、40〜50 vol％の含有量で
少なくともＣｕを含む導電成分と、60〜50 vol％の含有
量でＷ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｖ及び
Ｔｉの炭化物のうちの少なくとも１種を含み粒径が３μ
ｍ以下である耐弧成分と、残部がＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及び
Ｃｒのうちの少なくとも１種を含む補助成分とを有し、
導電成分のＣｕ中に固溶する補助成分量を 0.1％以下で
あることを要旨とする。

【００１７】また請求項４に関する発明は、耐弧成分ス
ケルトンへ導電成分を溶浸させてなる真空バルブ用接点
材料の製造方法であって、耐弧成分の原料粉末と導電成
分の原料粉末とを体積比で 100：０〜80：20の割合で配
合して造粒し、スケルトンの空隙率を35〜50 vol％とし
たことを要旨とする。

【００１８】一般に接点材料の裁断特性は、導電成分の
イオン生成特性と耐弧成分の熱電子放出特性および耐弧
成分量によって決まる。イオン生成特性は導電成分が高
蒸気圧である程高められるが、遮断性能は逆に低下して
しまう。従って、ある程度の遮断性能を発揮させるため
には、導電成分はＡｇベースよりＣｕベースとする方が
望ましい。しかし、導電成分がＣｕベースの場合、裁断
特性を良好にするには耐弧成分量を多くする必要があ
る。

【００１９】ＡｇベースのＡｇ−ＷＣ−Ｃｏ等の接点の
場合、Ｃｏの焼結促進作用によってＷＣスケルトンの焼
結密度を高め、スケルトン空隙を低くし、空隙に溶浸さ
れる導電成分の量を低くおさえることが可能となり、結
果として耐弧成分量を高めている。しかし、導電成分を
Ｃｕベースとした場合には、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉといった
焼結促進成分が、Ｃｕに固溶し導電率を低下させてしま
うため、通電性能が甚だしく損なわれてしまう。

【００２０】本発明では、このような通電性能の低下を
防止するために焼結促進材を用いず、成形時に耐弧成分
スケルトンの密度を高めている。通常、炭化物粉末は、
粗いほど成形密度を高めることが容易であるが、炭化物
粉末の粒径が粗いと裁断特性のばらつきが大きくなるた
め、安定して低い裁断特性を得ようとする場合には、細
かい粒径の炭化物粉末を使用する必要がある。この細か
い炭化物粉末の成形性を向上するためには、粉末を造粒
するのが効果的である。この造粒の効果により、粉末の
タップ密度を高め、同一成形圧に対する到達密度を高め
ることが可能となる。

【００２１】なお、パラフィンやワックスの使用によ
り、健全な成形体が得られる最大の圧力を高めることが
可能となることも、本発明者らの研究開発により判明し
ている。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を具体的
に説明する。まず、本発明の一実施例を示す真空バルブ
用接点材料が適用される真空バルブについて、図面を参
照して説明する。

【００２３】図１は本実施例を説明するための真空バル
ブの断面図，図２は図１の電極部分の断面図である。図
１において、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、３
ｂを介して設けた金属製の蓋体４ａ、４ｂとで真空気密
に構成されている。

【００２４】遮断室１内には、導電棒５，６の対向する
端部に取付けられた一対の電極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
付けられ遮断室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
部には金属製のアークシールド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。また、
電極７，８を覆うように、遮断室１内に金属製のアーク
シールド11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。

【００２５】さらに、電極８は、図２に拡大して示す如
く、導電棒６にろう付け部12によって固定されるか、又
は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によってろう付けで取付けられる。な
お、接点13ｂは、電極７にろう付けにより取付けられ
る。

【００２６】次に、本発明の一実施例を説明するための
データを得た評価方法及び評価条件について説明する。
ここで、表１には各接点の製造条件を示し、表２には各
接点の組成及び特性を示した。 （１）電流裁断特性 各接点を取付けて10^-5Ｐａ以下に排気した組立て式バル
ブを製作し、この装置を 0.8ｍ／秒の開極速度で開極さ
せ遅れ小電流を遮断した時の裁断電流を測定した。遮断
電流は、20Ａ（実効値）、50Ｈｚとした。開極位相はラ
ンダムに行い、500回遮断されたときの裁断電流を接点
数３個につき測定し、その最大値を表２に示した。尚数
値は、実施例２の裁断電流値の最大値を 1.0とした場合
の相対値で示した。 （２）通電特性 通電電流1000Ａで、真空バルブの温度が一定となるまで
行い、その温度上昇値により評価した。表２に通電特性
として、実施例２の温度上昇値を 1.0とした場合の相対
値を示した。 （３）大電流遮断特性 遮断試験をＪＥＣ規格の５号試験により行い、これによ
り遮断特性を評価した。 まず、これらの接点の製造方法について説明する。実施
例１〜18及び比較例１〜11は、耐弧成分をＷＣとした場
合の接点の試作例である。

【００２７】

【表１】

【００２８】 （実施例１〜５，７〜14および比較例１〜３，７〜10）
製造に先立って必要粒径別に耐弧性成分ＷＣおよび補助
成分を分類する。分類作業は例えばふるい分けと沈降法
とを併用して行うことで容易に所定粒径の粉末を得る。
まず所定粒径のＷＣの所定量と、所定粒径のＣｕの所定
量の一部を用意し、（実施例13〜14および比較例９〜10
ではＣｒをさらに加えて）これらを混合し、所定の粒度
の２次粒子に造粒した後、加圧成形して粉末成形体を得
る。

【００２９】ついで、この粉末成形体を所定温度で所定
時間、例えば1150℃、１時間の条件にて仮焼結し、仮焼
結体を得る。ついで、この仮焼結体の残存空孔中に実施
例１〜５および比較例１〜３ではＣｕを、実施例７〜９
および比較例７ではＣｕ−Ａｇ合金を、実施例10〜12お
よび比較例８ではＣｕ−Ｔｅ合金をそれぞれ、1150℃、
１時間で溶浸しＣｕ−ＷＣ合金を得る。溶浸は主として
水素中で行うが、真空中でも可能である。

【００３０】尚、Ｃｕ等の溶浸素材は、所定温度で、真
空度 1.3×10^-2Ｐａにおいて所定比率で真空溶解して得
たインゴットを切断して用いた。 （比較例４〜６、実施例６）上述の方法と同様にＷＣと
Ｃｕの粉末を用意し、これに所定量のＣｏ，Ｆｅまたは
Ｎｉを混合した後、加圧成形し、上述と同様の方法で、
焼結、溶浸を行う。

【００３１】（実施例15）上述の方法と同様にＷＣとＣ
ｕの粉末を用意し、これに１wt％のパラフィンを加えて
100℃程度に加熱しながら混合した後、加圧成形し、 4
00℃で１時間程度保持してパラフィンを除去した後、11
50℃で焼結、溶浸を行う。

【００３２】（実施例16〜18および比較例11〜12）上述
の方法と同様にＷＣとＣｕの粉末を用意して混合した
後、所定の圧力で粉末を成形し、この圧粉体を粉砕する
工程を所定の回数繰り返すことにより粉末を造粒し、最
終成形圧力で成形した後、実施例１の方法で焼結および
溶浸を行う。次に、各接点の材料組成およびその対応す
る特性データについて、表２を参照しながら考察する。

【００３３】

【表２】

【００３４】 （実施例１〜３および比較例１，２）いずれの場合も導
電成分をＣｕ、耐弧成分の粒径を 0.8μｍとし、成形圧
力を１〜６ton の範囲で変えた。

【００３５】成形圧力が適度である実施例１〜３および
比較例１では、健全な成形体が得られているが、比較例
２では成形圧が高すぎるため割れが発生し、健全な成形
体が得られない。実施例１〜３および比較例１では、導
電成分の体積率が51.4〜40.5vol％の範囲で変化してい
るので、健全な成形体を得られるのは、導電成分の体積
率を40 vol％以上とする必要がある。

【００３６】裁断特性は導電成分が50 vol％以下の実施
例１〜３では 2.0以下で良好であるが、比較例２では、
裁断電流値が 2.5となり不適である。 （実施例６および比較例４〜６）粉末の造粒を行わず、
Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの添加によりＷＣの焼結を促進して焼
結密度を高めＷＣ成分量を高めたこれらの試作例では、
これらの成分を１wt％以上含む比較例４〜６では、いず
れも導電成分のＣｕにこれらの焼結促進元素が固溶して
しまうため、導電率が著しく低く通電性能が悪い。Ｃｏ
を 0.1wt％以下に抑えた実施例６では、必要な通電性能
を確保することができ、裁断特性、遮断性能も良好であ
る。

【００３７】（実施例７〜９および比較例７）高蒸気成
分としてＡｇを添加したＣｕ−Ａｇを溶浸材として用い
た試作例では、接点中のＡｇ成分量が15wt％以下である
実施例７〜９についてはいずれも裁断特性、通電特性お
よび遮断特性が良好であるが、Ａｇが15wt％以上である
比較例７では遮断性能が不十分となってしまう。

【００３８】（実施例10〜12および比較例８）高蒸気成
分としてＴｅを添加したＣｕ−Ｔｅを溶浸材として用い
た試作例では、通電成分中のＴｅ成分量が７wt％以下で
ある実施例７〜９についてはいずれも裁断特性、通電特
性および遮断特性が良好であるが、Ｔｅが７wt％以上で
ある比較例７では遮断性能が不十分となってしまう。

【００３９】（実施例13，14および比較例９，10）粉末
へのＣｒの添加により溶浸時のＷＣとＣｕの濡れ性を改
善した試作例では、粉末配合時のＣｒ量が１〜10wt％の
範囲である実施例13および14についてはいずれも裁断特
性、通電特性および遮断特性が良好であるが、配合時の
Ｃｒ量が１wt％以下の比較例９では、Ｃｒの濡れ性改善
効果が不十分で、また、Ｃｒ量が10wt％以上の比較例10
では、ＣｕにＣｒが多量に固溶してしまうため、いずれ
も通電特性が不十分である。

【００４０】（実施例15）スプレードライヤーの代わり
に、粉末混合時にパラフィンを添加して粉末を造粒した
実施例15では、実施例２と同様に各特性とも良好な特性
を示した。

【００４１】（実施例16，17および比較例11）スプレー
ドライヤーでの造粒の代わりに、粉末を８ton で成形
し、粉砕する工程を繰り返して造粒した試作例では、実
施例16および17のように造粒のための繰り返し数が２回
以上の場合は、健全な成形体が得られ、各特性ともに良
好であるが、成形、粉砕が１回だけの比較例11では、造
粒が不十分で最終成形時に割れが発生するため、目的と
するＣｕ成分量とすることは不可能である。

【００４２】（実施例18および比較例12）スプレードラ
イヤーでの造粒の代わりに、粉末を４ton および６ton
で成形し、粉砕する工程を繰り返して造粒した実施例18
および比較例12では、造粒のための成形圧が６ton の場
合は、健全な成形体が得られ、各特性ともに良好である
が、成形圧が４ton の比較例12では、造粒が不十分で最
終成形時に割れが発生するため、目的とするＣｕ成分量
とすることは不可能である。

【００４３】以上の実施例においては、耐弧成分をＷＣ
として調べた結果について示したが、耐弧成分をＴａ
Ｃ，Ｃｒ₃ Ｃ₂ ，ＺｒＣ，Ｍｏ₂ Ｃ，ＨｆＣ，ＮｂＣ，
ＶＣ，ＴｉＣとした場合および、ＷＣを含めたこれらの
炭化物の複合耐弧成分を用いた場合においても同様な効
果が得られている。

【００４４】このように、真空バルブ用接点材料を粉末
の成形、焼結による耐弧成分スケルトンの形成と、スケ
ルトンへの導電成分の溶浸によって製造する製造方法に
おいて、耐弧成分を構成する各成分の原料粉末と、導電
成分の合金粉末あるいは導電成分を構成するそれぞれの
成分の原料粉末を体積比で 100：０から80：20の割合で
配合して造粒することにより成形密度を高密度としたの
でＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉなどの焼結促進成分を焼結する粉末
に添加することなくスケルトンの空隙率を低めることが
可能となるという知見を得、本発明を完成するに至っ
た。

【００４５】この製造方法において、焼結する粉末に、
粉末全体の１〜10wt％のＣｒを添加することにより、ス
ケルトンへの溶浸を容易にし、接点材料の健全性を高め
ることが判明した。さらに、粉末混合時にパラフィンや
ワックスを添加することにより、成形体をさらに高密度
化することが判明した。

【００４６】

【発明の効果】以上のように請求項１に関する発明によ
れば、40〜50 vol％の含有量で少なくともＣｕを含む導
電成分と、60〜50 vol％の含有量でＷ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚ
ｒ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｖ及びＴｉの炭化物のうちの少
なくとも１種を含み粒径が３μｍ以下である耐弧成分
と、残部がＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｒのうちの少なくと
も１種を含む補助成分とを有し、導電成分のＣｕ中に固
溶する補助成分量を 0.1％以下としたので、大電流遮断
特性、裁断特性、大電流通電特性を向上させた真空バル
ブ用接点材料を得ることができる。

【００４７】また請求項４に関する発明は、耐弧成分ス
ケルトンへ導電成分を溶浸させてなる真空バルブ用接点
材料の製造方法であって、耐弧成分の原料粉末と導電成
分の原料粉末とを体積比で 100：０〜80：20の割合で配
合して造粒し、スケルトンの空隙率を35〜50 vol％とし
たので、大電流遮断特性、裁断特性、大電流通電特性を
向上させた真空バルブ用接点材料の製造方法を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す真空バルブ用接点材料
が適用される真空バルブの断面図。

【図２】［図１］の要部拡大断面図。

【符号の説明】

７、８…電極、13ａ、13ｂ…接点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 関 経世 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 草野 貴史 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 40〜50 vol％の含有量で少なくともＣｕ
   を含む導電成分と、60〜50 vol％の含有量でＷ、Ｔａ、
   Ｃｒ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｖ及びＴｉの炭化物の
   うちの少なくとも１種を含み粒径が３μｍ以下である耐
   弧成分と、残部がＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｒのうちの少
   なくとも１種を含む補助成分とを有し、前記導電成分の
   Ｃｕ中に固溶する前記補助成分量を 0.1％以下であるこ
   とを特徴とする真空バルブ用接点材料。
2. 【請求項２】 前記導電成分は、高蒸気圧成分である40
   at以下のＡｇ又は12at以下のＴｅを含有することを特徴
   とする請求項１記載の真空バルブ用接点材料。
3. 【請求項３】 前記補助成分は、 0.7〜７wt％のＣｒで
   あることを特徴とする請求項１〜請求項２のいずかに記
   載の真空バルブ用接点材料。
4. 【請求項４】 耐弧成分スケルトンへ導電成分を溶浸さ
   せてなる真空バルブ用接点材料の製造方法であって、前
   記耐弧成分の原料粉末と前記導電成分の原料粉末とを体
   積比で 100：０〜80：20の割合で配合して造粒し、前記
   スケルトンの空隙率を35〜50 vol％としたことを特徴と
   する真空バルブ用接点材料の製造方法。
5. 【請求項５】 造粒時に８ ton／cm² 以上の圧力で各粉
   末の成形及び成形体の粉砕を複数回繰返すことを特徴と
   する請求項４記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
6. 【請求項６】 造粒時に１〜10wt％のＣｒを添加したこ
   とを特徴とする請求項４〜請求項５のいずれかに記載の
   真空バルブ用接点材料の製造方法。