JPS5930761B2 - クロム−銅接触子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は一般に真空回路遮断器に係わり、そして特に
このような真空回路遮断器のためのクロム−銅接触子の
製造方法に関する。

真空回路遮断器は、排気された絶縁囲壁もしくはハウジ
ングおよび該絶縁ハウジング内に配置された分離可能な
接触子から構成されている。

接触子は、それ等が係合した閉成位置と、該接触子が引
離されてその間にアーク、ギャップが設定される開成位
置との間で移動するこきができる。

アークは、遮断器が用いられている回路が付勢されてい
る間に、接触子が係合状態に変位される時または保合状
態を解くように動かされる時に、接触子表面間に初期の
時点で発生される。

接触子を接触し合せる時に発生されるアークは、接触子
材料を溶解して蒸発せしめる。

接触子が高い係合圧力下で接触せしめられた後には、ア
ーク発生中に形成される溶融した接触子材料が原因で、
接触子表面間に溶着部が形成される可能性がある。

接触子閉成の最初の数ミリ秒期間中には、電流サージも
生じ、これによっても接触子溶着が生ずることがある。

接触子を開くために、溶着を破壊するのに必要とされる
力の大きさは、アーク電圧、アーク電流、接触面積およ
び接触子材料等を含む多くの因子によって左右される。

このような溶着は、分離もしくは引離し可能な接触子の
円滑な運動を妨げ、そして真空遮断器の開成時に故障を
招来する恐れがあるので、好ましくないものであること
は明らかである。

真空遮断器接触子で往々遭遇する他の問題点は、低電流
導通時に、使用されている材料が電流をチョップ（さい
断）すると言う性向を強く顕す点である。

電流が急激にチョップされた場合には、遮断される回路
に接続された誘導性デバイスに極めて高い電圧が誘起さ
れ、そしてこのような過電圧により回路素子が破壊され
て了う危険がある。

したがって、効果的な真空遮断器では、回路開成時の過
度の電流チョップは遮けるべきである。

銅が溶浸された５０％の多孔率のクロム生地から形成さ
れたアーク回転接触子が真空遮断器における使用に望ま
しいことが判明した。

仕上げられた接触子において、約ｌ対ｌのＣｒ／Ｃｕ比
が、真空遮断器に必要とされる低い溶着強さならびにア
ーク抑御もしくは消弧特性４有する低抵抗接触子を得る
のに有利であることが判った。

５０％密度のクロム粉末成形体を造るのに必要とされる
平方インチ当り約１２トン（約１．９ ｔ／ｉ ）の低
い成形圧力では、非常に低い圧粉強さの成形体しか得ら
れず、ダイス型から、ばらばらにすることなく放出する
ことはできない。

したがって、整形のための機械加工前に、溶浸中鍋の収
容々器内で成形および焼成を実施する必要がある。

普通のスポーク形アーク回転接触子の場合には、放射状
のスロット、連結ロッド用の縁付き孔および複雑な接触
面領域を得るために広汎な機械加工が要求される。

この機械加工もしくは切削により発生される熱は、また
、接触子の汚染を生せしめる。

と言うのは、クロムが窒素に対して高い親和力を有する
からである。

製造費用を軽減し且つ生産性を高めるためには、真空遮
断器用クロム−銅接触子を所望の最終形状に圧縮成形で
きる方法を得るのが望ましい。

よって本発明によれば、真空回路遮断器用のクロム−銅
接触子を製造するために、予め定められた量の銅粉末と
クロム粉末とを混合し、混合されたクロム−銅粉末をダ
イス型内で予め定められた圧力まで圧縮即ちプレスし、
斯くして形成された圧粉成形体を焼結してクロム生地を
形成し、そして焼結クロム生地に銅を溶浸する段階から
成る方法が提案される。

クロム粉末の所要のほぼ５０％の多孔率から実質的に偏
動することなく、（未焼結の）圧粉体強さを改良し且つ
ダイス型からの放出を可能にするためには、銅結合材と
クロム粉末との予備混合を用いるのが適当である。

この混合により、比較的大きな圧粉体強さを有する成形
体が得られ、この結果ダイス型からの放出が容易にでき
、しかも爾後の処理が容易になる。

添加される銅の百分率が低いことおよび要求される若干
高い成形圧力は、クロム−銅接触子の最終性質を得る上
のクロムの焼結に悪影響を与えることは無い。

本発明の教示を利用すれば、クロム−銅接触子を成形す
るための５０％クロムのプレスが可能になる。

接触子は、研削加工を必要としないかまたは最小限の研
削加工しか必要とされない最終形状にプレス成形するこ
とができる。

本発明による接触子のプレス成形の追加的利点は、変動
することができる接触子密度（密度分布が一様でないこ
と）を得ることができる点に在る。

中央接触領域に向うにつれて低密度に減少する高密度る
周辺領域に有するクロム接触子を製造することができる
。

したがって、銅を溶浸した場合には接触子外周部は高い
クロム／銅比を有して機械的に強く、そして中央部分は
高い銅／クロム比を有し、接触子閉成時の高い電流搬送
容量が得られる。

このようにして、接触子成形体は、高い機械的強さを有
する外周部で低い機械的強さの中央部を支持すると言う
構造を有することになる。

また、本発明による粉末冶金方法によれば、複合構造を
造ることができる。

例えば異なった材料から成る頂部分および底部分を有す
る２つの部分からできた接触子を造ることができ、この
場合、これ等２つの部分は溶浸工程中に結合される。

基本的な考え方としては、頂部分を銅−クロムで造り、
そして底部分は製作費を廉くし、且つ（または）接触子
の性質を改良するような他の成る種の材料から造ること
ができる。

本発明の教示を利用すれば、従来の接触子と同程度に良
好な、または後者よりも優れた性能を有する可変密度の
接触子をプレス成形で造ることができる。

本発明のプレス成形によれば、機械加工を軽減すること
ができ従来の製造方法と比較して有利でありしかも費用
が、著しく節減される。

クロム粉末と予め混合される１０重量世襲での銅を添加
することにより（未焼結）圧粉体の強さが改良され且つ
またプレス成形体の取扱い易さが改善される。

銅添加と関連して、平方インチ当り２０トン（約３．１
ｔ／ｆｆｌ ）までの成形圧力を用いることにより、
所要の多孔率または密度を維持しつ５改良された圧粉体
強さを有する成形体を得ることができる。

本発明の１つの目的は、殆んどクロムから成る圧粉体接
触子を複雑な形状にプレス成形して、ダイス型から放出
し、そして銅を溶浸して４０％ないし６０％のクロムを
含む接触子を形成する真空遮断器用の接触子の形成方法
を教示することにある。

本発明の他の目的は、真空回路遮断器用の可変密度のク
ロム−銅接触子を提供することにある。

次に、図面を参照し、本発明の好ましい実施例について
説明する。

成る種の真空遮断器においては、その主たる要素は、２
つの低抵抗のクロム−銅接触子である。

従来においては、これ等接触子は先ずクロム粉末を軽く
プレス成形し、真空焼結し、銅を溶浸し次いで仕上げ機
械加工を行なうことにより製造されている。

この従来方法は費用がかかり、そして機械加工は接触子
の純度ならびに爾後の使用時の性能に対して悪影響を及
ぼすものと考えられる。

本発明によれば粉末冶金方法が開発されたのであり、こ
の方法によれば、処理工程および機械的加工の数を減少
できるので製造費用を低くすることができる。

第１図は、クロム−銅接触子を製造するための本発明の
教示に基ずいて達成することができる真空遮断器接触子
の形成における理想的な粉末冶金方法の工程を示す。

本発明の教示を利用した代表的な製造方法として次の方
法工程を挙げることができよう。

１、１０重量世襲での銅粉末をクロム粉末と予備混合す
る。

２、平方インチ当り約１５）ン（約２．３ｔＺ兼）でプ
レス（圧縮）して、ダイス型から所望形状の圧粉成形体
を取出す。

３、 （ａ）機械加工が要求される場合には１，０５
０°Ｃで１時間、また（ｂ）脱ガスおよび大きなりロム
粉末粒溶融が望まれる場合には１，２００℃で１時間予
備焼結する。

４、必要ならば、機械加工する。

５、 １，２００℃で最終高温真空焼結を行ない且つ鋼
を溶浸する。

６、必要ならば、コイニングまたは表面調整処理を行な
う。

上の方法を実験的に、２チ、４％、８％およびｉｏ％の
銅粉末添加を用いて実施した。

これ等の濃度だけを実験的に用いたけれども、成る種の
状況下では他の濃度も使用できるものと考えられる。

銅含量および（または）成形圧力が増大すれば、プレス
された成形体密度および破断強さも増大する。

成形体の横破断強さは、三点破断試験装置を使用して、
制御された条件下で標本もしくは試料に、均等に増大す
る横断荷重を加えることにより測定される。

粉末冶金標本に対する試験方法は、［メタル、パウダー
ズ、インダストリーズ、フエデレーション、スタンダー
ド（ＭＥＴＡＬ ＰＯＷＤＥＲ８ＩＮＤＵＳＴＲＩＥＳ
ＦＥＤＥＲＡＴＩＯＮＳＴＡＮＤＡＲＤ）１５−２Ｊ
に記述されている。

次の表１は、銅添加量および成形圧力の関数として横破
断強さを示す。

銅添加物は、クロム生地の所望の３０％ないし６０係の
多孔率から実質的に偏差をきたすことなく、圧粉成形体
の強さを増大しそしてダイス型からの取出しを可能にす
る。

ここに開示した銅添加を利用した混合物から造られる成
形体は、ダイス型からの放出を可能にし爾後の取扱いを
許容する高い圧粉体強度を有する成形体である。

添加される銅の百分率を低くそして成形圧力が若干高く
ても、クロムの焼結または接触子の最終的な性質に悪影
響が及ぼされることはない。

成形体重量、合金密度ならびに密度の百分率値の所要の
計算は、７，１９９ｍ／ｃｃのクロムおよび８、９６
ｇｒｒｔ ／ｃｃの銅と言う理論密度を用いて行なった
。

４，８およびｌＯ重量世襲銅のクロム、銅のプレス前混
合物の密度は、各々７．２５，７．３１および７．３３
ｇｍ／ｃｃである。

これ等の値は、合金の理論密度を計算するための下記の
二元合金公式を用いて算出した。

この計算に介入する誤差は最小限に抑えられる。

試験成形体の密度は、その重量および測定された容積か
ら得られる。

理論密度の百分率値は、関連の二元密度式を用いて計算
される。

したがって、最小限誤差が介入するのは、理論密度を得
る計算だけである。

理論密度値には僅かな誤差があり得るが、これ等の値は
処理を表わす値であり再生可能である。

約４０％多孔率の成形体の重量は、計算された成形体容
積の６０％に純クロムの密度を乗することによって得た
。

所望の銅添加量は、成形体重量の適当な百分率値とした
。

その結果、空隙容積率は４０％以上に増える。

例えば、 成形体容積−４２，６ＣＣ 成形体重量＝ ０．６０ Ｘ ４２．６ ｃｃＸ ７．
１９９ｍ／Ｃｃ＝１８４ｇｍ １０係の銅添加で 鋼重量＝ ０．１０ＸＩ ８４ｇｍ＝１８ ｇｍクロム
重量 ＝１６６ｇｍクロム容積１６６ｇ
ｍ÷７．１９ ｇｍ／Ｃｅ−２３，１（５４％）銅が占
め得る全容積 ＝１９．５ｃｃ（４６％）銅対
クロムの重量比 −１，０５／１粉末冶金成形に
は種々な方法がある。

最も広く用いられ、そして慣用技術とみなされているの
はダイス型による成形である。

この技術には幾つかの異なった方法があるが、そのうち
、銅−クロム処理に適用できる２、３の方法について述
べる。

（１） 単動成形 プレス作用は、ダイス型空洞に入り、粉末を固定の下側
パンチ、ダイス型の内面および存在する芯材ロッドの表
面に対し圧縮する上側パンチの運動により得られる。

プレスにより加えられる力は、■方向だけである。

部品の放出は、ダイス型のどちらの端から行なっても良
い。

この方法は、全密度範囲な亘り、密度レベルが一定の比
較的薄肉の部品を製造するのに用いられる。

（２）複動成形 この場合には、上側および下側のパンチが同時に、両反
対側から粉末を圧縮成形する。

芯材ロッドは、静止していても或いはまた可動であって
も良く、そして放出は、通常下側のパンチを上方に移動
することによって実施される。

この方法は、広い厚さ範囲に亘り一定の厚さの部品を製
造するのに用いられる。

（３）浮動ダイス型成形 成形サイクルの初期のプレス期間中、ダイス型および下
側のパンチは静止状態にとどまっている。

上側のパンチはダイス型空洞内に入って粉末に圧力を加
える。

この圧力により、ダイス型の支持力よりも大きな摩擦力
が誘起される。

次いで、上側のパンチが下方に移動するに伴ないダイス
型も降下して、粉末を圧縮する。

この運動に由る下側パンチとダイス型との間の相対運動
は、下側パンチからの圧力印加に擬似する。

部品の放出もしくは取出しは空洞のどちらの端部から行
なっても良い。

この方法によれば、先に述べた２種の部品双方を造るこ
とができる。

これ等成形方法で必要とされる圧力は、油圧機構または
機械的機構のいずれを用いても印加することができる。

また、上述の成形方法を用い、手動で製造する場合にも
或いはまた自動製造過程でも、これ等の機構を利用する
ことができる。

上述した成形方法のいずれをも、本発明の教示を実施す
るのに使用することが可能である。

クロム、銅の前混合物の組成制御は、個々の成形体に対
して、別々の粉末の重量を計量し混合することにより達
成できる。

製造中に、大量の粉末予備混合物を蓄積しておくと、蓄
積中の偏析が原因で成形が困難になる場合がある。

成形体を製造するための典型的な順序は、（１）クロム
および銅粉末の所要量を計量し、（２）約５分間タンプ
リングにより混合し、（３）ダイス型を粉末で満たし、
上側パンチを挿入して予め定められた圧力になるまで低
いラム速度でプレスし、（４）１５秒間その状態に保持
し、（５）圧力を解いて、（６）圧粉成形体を取出す。

プレスされた多孔性クロム成形体の密度および横破断強
さが問題となる性質である。

種々な混合物におけるこれ等の性質は、止揚の表１に列
挙されている。

銅結合材を使用し、そして成形圧力を若干増大すること
による利点は、止揚の表に記載の結果から明らかである
。

銅および（または）成形圧力が増大すると、それにより
成形体の密度および圧粉体強さは増大する。

また、銅および（または）クロム粉末の量が変わると、
これ等の値も変動する。

銅−クロムの良質の成形体は、低い密度もしくは高い多
孔率および充分な圧粉体強さを有する。

本発明の教示に従って製造された成形体は、ダイス型か
ら容易に取出すことができ、しかも損傷を与えることな
く取扱うことができる。

圧粉成形体は、ダイス型からの取出し後に、焼結されて
、銅が溶浸することができるクロム生地が造られる。

焼結とは、加圧下で稠密化された粒子または単に容器内
に閉込められた粒子の集合体が、高温および制御された
雰囲気条件の影響下で、冶金的に、一体化結合する工程
を言う。

この工程は重要である。

何故ならば、この工程で、仕上り接触子の強さ、硬さ、
靭性および密度を決定する圧粉成形体における寸法変動
および化学的反応が大きく制御されるからである。

溶浸および連結のような他の技術工程をこの焼結工程に
組入れることができる。

焼結後には、成形体の密度には極く僅かな変動しか生じ
ないか、強さには相当の変化が起る。

このような増大した強さレベルの実現は、焼結温度によ
って左右される。

本発明による銅結合材と共にプレスしてしかる後に焼結
すると言う方法によれば、殆んど、または全く機械加工
を要しない接触子成形品を造ることができる。

接触子の焼結後、該接触子は銅を溶浸されて、クロム−
銅接触子が造られる。

この溶浸は、粉末冶金技術分野で普通用いられるもので
あって、焼結された固体の孔に液相金属または合金が充
填される製造過程を言う。

この工程によれば、低融点溶浸材が入れられる前に、高
温相の強い多孔性組織が形成される。

液相金属は、組織金属との間に充分な湿潤性があれば、
相互結合された孔胞内に毛組管作用によって浸透する。

このようにして、液相焼結および圧粉成形体溶浸のよう
な類似の工程に比較し卓越した物理的性質が得られる。

ここで、液相焼結とは、予備混合された完全な圧粉成形
体を加熱して最も低い融点の成分の溶融温度にし、以っ
て該成分を液化し、それで成形体を飽和し稠密化する工
程を言う。

この液オｉ焼結および圧粉体溶浸の不利点は、空隙、鋳
縮みが生じしかも小さい強さしか得られないことである
。

満足のゆく溶浸方法は、アランダム粉末の容器内に焼結
された接触子面を下に向けて配置するとともに、接触子
組立体の背部に配置された鍛造調波を真空中で溶浸温度
にまで加熱することである。

この方法を用いれば、接触子は、歪みを生ずることなく
、且つまた接触子表面に悪影響を及ぼすことなく完全に
溶浸され得る。

容器およびアランダム粉末は繰返して使用することがで
さ、その場合でも満足な結果が得られる。

粉床冶金方法を用いることにより、孔胞分布を故意に不
均等にした接触子を造ることも可能である。

例えば、接触子外周部よりも中央部において高い多孔率
を有する圧粉成形体を得ることができる。

この場合、溶浸した時には、接触子の外周部分ではクロ
ム／銅比が高く良好な機械的強さか得られ、そして中央
部分は高い銅含量を有するので、接触子閉成時には、高
い電流搬送容量が得られる。

この構造で得られる別の利点は、ダイス型からの放出動
作中に、高密度の外側部分が低密度の中央部分に対して
付加的な支持を与えることである。

変動する密度分布を有する成形体の種々な部分の密度の
測定には、２つの金相学的方法を使用した。

第１の方法においては、顕微鏡分級測定法を用いて接触
子を検査した。

この方法では、変動する百分率段階での顕微鏡組織分散
の一連のファクシミリから成る可視計測尺と試料とを比
較した。

使用した第２の方法は、遮切点計数法である。

この方法では、試料を採取して、接眼レンズに刻まれた
１６個の点から成る適切格子を有する光学顕微鏡を使用
して検査した０倍率１００で、遮切点の下側にある空隙
の数を計数した。

これ等の比較結果および接触子形状は第２図に示されて
いる。

変動密度分布の成形体の許容性も上述の方法を採用する
ことにより合理的に判断することができる。

成形体内のクロムの容積は、工程損失が無いと仮定して
、既知の重量と理論密度とから算出することができる。

したがって、孔胞もしくは空隙容積は、成形体容積から
クロム容積を差引いたものに等しくなる。

例えばｌｏ％鋼混合物を使用すると、成形体容積−４５
ｃｃ、クロム容積−１８０ｇｍ／７、１９９ｍ／ｃＣ＝
２５ ＣＣで約５６係、そして空隙容積＝２０ＣＣで
約４４％となる。

このことは、普通の成形体では全体に亘って均等に分布
された４４係の多孔率を意味するが、変動密度分布の成
形体では、薄い断面部分が低い多孔率を有することにな
る。

そして、周辺領域が薄い断面積を有するので、この領域
が高いクロム濃度を有する。

厚い中央部分は、多孔質に富むクロム生地を有すること
になり、溶浸が完了した時には、高い銅濃度を有する。

クロム粉末さ予め混合された銅の添加により圧粉体強さ
およびプレスされた成形体の取扱い易さは改良され、し
かも複雑な構造の接触子をプレス成形することができる
。

銅添加物と組合せて１インチ平方当り２０トン（約３．
１１／ｃｉｔ）までの成形圧力を使用することによって
、所要の多孔率で改良された圧粉体強さを有する圧粉成
形体が造られる。

予め混合された銅が存在していても、成形体の最初の熱
処理後に、該成形体の性質には殆んど影響することはな
いことが判った。

適切な構造により、現在用いられているクロム−銅接触
子と同程度に良好な、もしくはそれ以上に良好な性能を
有する変動密度分布の接触子をプレス成形できることが
確認された。

このプレス成形によれば、機械加工は軽減され、そして
従来の製造方法と比較して製造費用がかなり節減される
。

以上説明した本発明の方法を次の通り実施して良い結果
を得た。

１、１０重量世襲での銅粉末をクロム粉末と予備混合す
る。

２、平方インチ当たり約１５トン（約２．３ ｔ／ｃｒ
ｔｔ ）でプレス（圧縮）して、ダイス型から所望形状
圧粉成型体を取り出す。

３、 （ａ）機械加工が要求される場合には１，０５
０°Ｃで１時間、また（ｂ）脱ガス及び大きなりロム粉
末粒熔融が臨まれる場合には１，２００℃で一時間予備
焼結する。

４、必要ならば、機械加工する。

５、 １，２００℃で最高高温真空焼結を行いかつ銅を
溶浸する。

６、必要ならば、コイニングまたは表面調整処理を行う
。

上の方法を実験的に１０％の銅粉末添加を用いて実施し
た。

また、１，０５０℃及１，２００℃に於いて真空雰囲気
中及び水素雰囲気中での焼結試験も行った。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による方法を実施するための段階を例示
し、第２図は変動密度分布を有する成形体の試験結果を
示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ クロム含有量が４０重量世襲至６０重量世襲真空回
   路遮断器用クロム−銅接触子の製造方法であって、クロ
   ム粉末と小量添加した銅粉末とを混合する工程と、３．
   ｉ ｔ／ｍよりｌトさい圧力でダイ型中で所望の型にプ
   レスして圧粉成形体内に所望のクロム多孔率を得て完成
   した接触子のクロム含有量が４０重量楚乃至６０重量楚
   となるようにする工程と、プレスした圧粉成形体をダイ
   型から取出す工程と、小量添加した銅で部分的に溶浸さ
   れた多孔質クロム生地を形成するように所定時間真空焼
   結する工程と、クロム生地を充填するように銅でクロム
   生地を完全に溶浸し最終焼結する工程とを備えた真空回
   路遮断器用クロム−銅接触子の製造方法。