JPS6396243A - 真空バルブ用接点材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、真空バルブ用接点材料として用いられる焼結
合金に係り、特に電流さい所持性を改良した真空バルブ
用接点材料に関する。

（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しゃ
断を行なわせる真空バルブの接点は、通常、対向する固
定、可動の２つの接点から構成されている。前記真空バ
ルブを電動機負荷等の誘導性回路を用いて電流をしゃ断
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。この異常サージ電圧の発生原因は
真空中に於けるしゃ断時に低電流側に発生するさい新現
象（交流電流波形の自然ゼロ点を持たず強制的に電流し
ゃ断が行なわれること）によるものである。

異常サージ電圧の値Ｖ　は回路のサージインピーダンス
Ｚ　と、電流さい断値Ｉ。の積、すなわちＶ　　−２Ｚ
　　Ｉ　　で表わされる。従って、異常すＳ　　　　　
　　ＯＣ −ジ電圧■　を低くするためには電流さい断値■　を小
さくしなければならない。

上記要求に対して、接点を炭化タングステン（以下、Ｗ
Ｃと称す）と銀（以下、Ａｇと称す）Ａｇとを複合化し
た合金で構成した真空開閉器が提案（特願昭４２−６８
４４７号）され、これが実用化されており、これは （イ）　ＷＣの介在が電子放射を容易にさせる、（ロ）
　電界放射電子の衝突による電極面の加熱にもとづく接
点材料の蒸発を促進させる、（ハ）　接点材料中の炭化
物がアークにより分解し、荷電体を生成してアークを接
続する、等の点ですぐれた電流さい所持性を発揮してい
る。

また、前記電流さい所持性を有する他の接点材料として
ビスマス（以下Ｂｉと称す）と銅（以下Ｃｕと称す）と
を複合化した合金が製造され、この材料が真空バルブ用
接点材料として提案されている（特公昭３５−１４９７
４号公報、特公昭４１−１２１３１号公報）。この合金
のうちで、Ｂｉを例えば１０重賦形とじたもの（特公昭
３５−１４９４号公報）は、その適度な蒸気圧特性をを
するので、低いさい断電流特性を発揮し、またＢｉを０
．５重量％としたもの（特公昭４１−１２１３１号公報
）は、結晶粒界に偏析して存在する結果、合金自体を脆
化し、低い溶着用外力を実現し大電流しゃ断性にすぐれ
ている。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、近年、真空バルブを誘導性回路へ適用する例が
従来より増えると共に、高インピーダンス負荷も出現し
たためへ空バルブには一層の安定した電流さい所持性を
持つことが望まれてくるとともに、低コスト化が望まれ
ている。

このような要求に対して、前記接点合金のＡｇ−ＷＣ，
Ｃｕ−Ｂ１は、さい断電流値が高いレベルにあり、また
安定性に欠けるものであった。すなわち、Ａｇ−ＷＣ接
点合金においてはＡｇとＷＣとの蒸気圧差が甚しく大き
いためアーク熱などによるＡｇの著しい選択蒸発を招き
、この結果電流さい所持性の不安定性及び接触抵抗の変
動を招く。

さらにＡｇ−ＷＣに対し所定比率のＣｕを共存させ、Ａ
ｇ−ＷＣの持っさい所持性を改良した合金（特願昭５７
−３９８５１号明細書）が提案されているが近年の厳し
い要求に対しては、更に改良が要求されている。

一方、Ｃｕ　−Ｂ　ｌ接点合金においては、Ｂ　ｌの溶
融点が２７１℃と低いことに起因する本質的問題として
真空バルブのベーキング、或いは銀ろう付けの加熱時に
Ｂｉが凝集し接合不良を招くという問題がある。

本発明は前述のような事情に基づいてなされたものであ
り、その目的とするところは、電流さい所持性の安定性
がより一層向上した真空バルブ用接点材料を提供するこ
とにある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段および作用）本発明に係
る真空バルブ用接点材料は、Ａｇまたは（および）Ｃｕ
−ＷＣ−Ｃｏ系合金からなる接点材料であって、合金中
には、ＷＣ相、Ｃｏ相およびＣｏＷＣ相が存在し、これ
ら各相の平均粒径は、０．５〜１０μｍの範囲にあり、
前記Ｃｏ相は合金中に１〜３０重量％存在し、合金中の
Ｃｏの大部分は純Ｃｏとして存在することを特徴として
いる。

また、上記接点材料においては、合金中に存在するＣｏ
の９０重量％以上が純Ｃｏであることが好ましい。

また、上記接点合金においては、さらに、Ｂ１１Ｐ　ｂ
　ｓ　Ｔ　ｅ　ｓ　Ｓ　ｅ　ｓ　Ｓ　ｂの少なくとも１
種を０．１〜１０重量％含有することもできる。

（発明の詳細な説明） 以下、本発明を具体的実施態様に基づいて説明するが、
はじめに本発明の接点材料が適用される真空バルブの構
成について第１図および第２図を参照して説明する。

図に於いて、１はしゃ新字を示し、このしゃ新字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、３ｂを介して設けた金属性の蓋
体４ａ、４ｂとで真空密に構成されている。しかして前
記しゃ新字１内には、導電棒５，６の対向する端部に取
付けられた１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が取付けられし
ゃ新字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−に部には金
属性のアークシールド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。又、前記電極
７，８を覆うようにしゃ新字１内に金属性のアークシー
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。更に電極８は、第２
図に拡大して示す如く導電棒６にろう何部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１４によってろう付で取
付けられる。なお、接点１３ｂは電極７にろう付により
取付けられる。

ここで、本発明の接点材料を得るまでの考察について説
明する。

電流さい所持性の改善には、電流さい断値自体をより低
い値に維持すること以外に、そのばらつき幅を縮めるこ
とも極めて重要である。前記電流さい新現象は、接点間
の蒸気量（蒸気圧、熱伝導）、接点材料からの放出熱電
子などと関係が深いとされ、発明者らの実験によれば前
者の方が寄与が大であることが判明した。したがって、
蒸気を供給し易くするか、あるいは供給し易い材料で接
点を作成すれば電流さい新現象が緩和できることが判明
した。Ｃｕ−Ｂ１合金はこうした観点に立つもので、低
いさい断値を有するが、致命的な欠点として、Ｂｉが持
つ低溶融点（２７１℃）のため通常真空バルブで行なわ
れる６００℃近傍のベーキング或いは８００℃の銀ろう
付は作業時に、Ｂｔの溶融による移動、凝集の結果、電
流さい所持性を維持すべきＢｉの存在が不均一になって
しまう。このため、電流さい断値のばらつき幅が増大す
る現象を確認した。

一方、Ａｇ−ＷＣで代表されるＡｇ−耐火材料系合金で
は、耐火材料（この場合ＷＣ）の沸点におけるＡｇ（あ
るいはＣｕ）の蒸気量に左右されるものの、他方、前記
Ｃｕ−Ｂ１系におけるＢｉの蒸気圧よりＡｇのそれは著
しく低いため接融点のどの位置（耐火材料かＡｇか）に
アークの足が固着するかによって、時折は温度不足即ち
蒸気不足を招いてしまう。そして、結果的には電流さい
断値のばらつき幅が現われることが確認された。

このように電流しゃ断終期の接点面の急激な温度低下を
耐火材料とＡｇ（又はＣｕ）との組合せのみによる合金
によって阻止しアークを持続させることはすでに限界と
考えられ、更に高性能化するためには、何らかの補助技
術の付与が必要であるという結論に至った。この改良の
１つの手段として、前記特願昭５７−３９８５１号明細
書では、高導電性材料をＡｇとＣｕの共晶比率にするこ
とによって結晶粒を細かく分布させる技術が開示されて
いる。この技術によって飛躍的に特性の安定化が得られ
た。アークが主として固着する位置（材料）が、耐火材
料の場合とＡｇ−Ｃｕ共晶の場合とがあり、いずれの場
合でもＡｇ−Ｃｕ蒸気の供給による電流さい新現象の緩
和（改良）が行われる。しかし前者の耐火材料に固着し
た場合には、Ａｇ　−Ｃｕ共晶を活用しても、確率的に
は若干のばらつきが発生していた。

一方、本発明者らの研究によれば、耐火材料をより微細
化することで、特にばらつき幅の改良が見られた。従っ
て、耐化材料の粒径が、電流さい新現象に重要な役割を
持つことを示唆すると共に、耐火材料が初期粒径のほぼ
１０〜２０倍程の大きさに偏析が見られた接点材料では
著しいばらつきを示した観察結果を併考し、粒径に特定
の範囲があることが見出された。

このように前記Ｃｕ−Ｂ１合金及びＡｇ−ＷＣ合金（Ａ
ｇ−耐火材料系）の２つの考察結果は、電流さい所持性
の安定した接点として、新規の補助技術が必要で、その
条件は、蒸気の供給能力を持った一Ｌで、なおかつベー
キングなどの熱処理に・於ける安定性を有することが不
可欠であることを示唆している。すなわち耐火材料の粒
径範囲を合理的に選択することによって、高導電性成分
の実質的分布を従来以上に均一化し、電流さい断時性の
安定化をはかることが必要である。

そこで本発明では、低いさい断電流特性とその安定した
さい断電流特性とを得るために、ＷＣ１Ｃｏ粒径、Ｃｏ
ＷＣ相の大きさを選択すると共に、Ｃｏは、その大部分
を純Ｃｏとして存在させるようにした。すなわち、はと
んどのＣｏを純Ｃｏとして残存させる必要性は、Ａｇと
ＷＣとの結合或いはぬれを必要最少限に抑制させ、さい
断時性の改良に重要な役割を果すＡｇの蒸発を好ましい
状態に保持するためである。この場合、焼結性を促進す
るために、例えば焼結又は溶浸時の温度を高めに選択し
たり、その時間を必要以上に長く選択したり、或いは焼
結補助、促進材として作用するＣｏを極端な微粒子、例
えば０．１μｍ以下のものを使用したりすると、Ｃｏは
、ＷＣと結合すると共に、Ａｇとも良好なぬれを示しそ
の結果、ＡｇとＷＣとの強固な結合状態となり、Ａｇの
蒸発現象に対し好ましくない影響を及ぼすことになる。

更に、ＷＣとＣｏとの結合或いはＣｏＷＣ相の存在は、
ＷＣ単独で存在する場合に発揮する電流さい新現象の緩
和効果を減らし好ましくない。

従って本発明者らの知見によれば、Ａｇ−ＷＣ−Ｃｏ系
接点の電流さい断時性の改良に対しては、Ｃｏが合金中
にその大部分が単体金属として存在することが肝要であ
る。一方、Ａｇ−ＷＣ−Ｃｏ系接点を大電流しゃ断の観
点から見ると、大電流しゃ断に於てはＡｇの蒸発を極力
抑制する必要があり、またＷＣの熱電子放出も緩和した
方が有利であり、従ってこれからＣｏは、前記さい新現
象とは逆にＷＣと結合したＣｏＷＣ相の形態をとった方
が好ましいといえる。従って、電流さい新現象の緩和と
、大電流しゃ断時性との両立は本来的に困難であり、本
発明に於いては電流さい断時性の改善を主目的とするた
めＣｏを、純Ｃｏとして存在させた接点材料を提供する
ことに重点がおかれる。

ここで、ＣｏＷＣ相とは、ＣｏとＷＣとが何らかの化学
的形態で結合した場合の総称を指すものであり、例えば
具体的にはＣｏ３Ｗ３Ｃなどの金属間化合物がある。

Ａｇ−ＷＣ−Ｃｏ合金に於て、まずＷＣは、接点の耐ア
ーク性の向上に資すると共に、接点の開極直後の電極空
間のＡｇ蒸気量を制御するための調節材としての役目を
はたし、間接的に低サージ性の維持に資する成分であり
、その含有量は、４０〜６０　ｗ　ｔ　９６の範囲が好
ましい。

一方、Ｃｏは、その大部分が純Ｃｏとして存在し、電流
さい断時性の向上を主たる効果とし、必要最少限度の大
容量しゃ断性を維持し、両者のバランスを確保するとと
もに、残部の一部のＣｏが、ＡｇとＷＣとに作用し、接
点素材としての強度を確保するために必要な成分である
。その含有量は、１〜３０重二％重量り、さらの好まし
くは５〜１５重瓜％賦形る。

また、Ａｇは、接点材料として最も基本的特性である導
電性を確保すると共に、電極空間にＡｇ蒸気を供給し、
電流さい新現象を直接的に左右するのに重要な成分であ
り、上述Ｃｏ及びＷＣの残部をなす量で構成されており
、電流さい所持性以外にしゃ断時性及び接点抵抗の安定
性を加味すると、Ａｇの含仔量は、３０〜４５重量％の
範囲が好ましい。

次に、この接点材料の製造方法の一例について説明する
。製造に先立って、必要粒径別に耐火材料及び補助材料
を分類する。分類作業は例えば篩分けと沈降法とを併用
して行うことで所定粒径の粉末を得ることができる。ま
ず所定粒径のＷＣとＣｏを所定量及び、所定粒径のＡｇ
を所定量の一部用意し、これらを混合し、その後加圧成
型して粉末成形体を得る。

ついで、この粉末成形体を露点が一５０℃以下の水素雰
囲気或いは真空度が、Ｉ　Ｘ　１０　’Ｔｏｒｒ以下で
、所定温度例えば９５０℃×１時間にて仮焼結し、仮焼
結体を得る。

ついで、この仮焼結体の残存空孔中にＡｇを例えば１０
５０℃×１時間で溶浸しＡｇ　−Ｃｏ　−ＷＣ合金を得
る。溶浸は主として真空中で行うが、水素中でも行ない
得る。

ここで、焼結熱処理又は／及び溶浸熱処理温度を高めに
選択すると、前述のように大部分のＣｏを純Ｃｏとして
存在させることが困難となる。しかし、炉の性能、或い
は一度に熱処理する素材の童、大きさ、熱容量などによ
って熱処理温度は変動するのでその温度を普遍的に表現
することは無理であり、実際には残存する純Ｃｏ量を、
例えばＸ線法によって直接的に、決定し管理する方法が
採られ得るが、概して１３００℃以上の温度の選択は純
Ｃｏとしての存在を少なくし、好ましくないことが明ら
かになっている。一方、下限温度は、焼結熱処理に於て
は、原料或いは成型体の脱ガスの観点から６００℃以上
、好ましくは９００℃以上を必要とし、また溶浸熱処理
に於ては、スケルトンを脱ガスし、かつＡｇを溶融する
必要性から少なくとも１０００℃を必要とする。

尚、溶着防止材（極く少量のＴｅ５Ｂｉなど）を含有し
た接点は、上記に於て、Ａｇを溶浸するときにＡｇと溶
着防止成分との合金或いは混合物として使用すればよく
、上記と同じ技術によって作製できる。

前述したように、ＷＣ，Ｇｏ、ＣｏＷの粒径を適切に選
択することによって、Ａｇ又は／およびＣｕよりなる適
切な蒸気圧値を有する材料を微細にかつ均一に分散させ
ることにより、しゃ断時のアークが接点面上の特定の場
所に局部的にとどまることを防ぎアークが接点面上に均
一に広がることを促進させる効果をもたらすものと考え
られる。

従って、本発明の焼結合金は、電流さい断性に優れたも
ので、真空バルブ用接点材料として最適である。

（実施例） 次に前記のように製造された各接点材料について考察し
、その最良の含有割合を求める。

現在、低電流さい断時性を持った接点合金として第１表
に示すように比較例−３，４に示すＡｇ−７０％ＷＣお
よびＣｕ−１５％Ｂｉ合金が実用されている。これは、
純Ｃｕ（比較例−５）より電流さい断時性は向上するが
特にＣｕ−Ｂ１系（比較例−４）では、開閉回数を重ね
ることにより特性（さい断電流の上昇）が著しく劣化す
る。

実施例−１、比較例−１，２ 平均粒径３μｍのＷＣ粉、Ｃｏ粉を用意する。

これらに少量のＡｇを加えてボールミルにて混合後、４
トン／ｃｄにて成型して得た成型体を黒鉛容器中に収納
し、真空中１０５０℃で、焼結熱処理を行い約１０％程
度に相当するＡｇを含有したＷＣ−Ｃｏスケルトンを得
る。このスケルトンと溶浸材Ａｇ塊とを重ね合せた状態
で、真空中１１００℃で溶浸熱処理を行いＡｇ−ＷＣ−
Ｃ０素材（実施例−１）を得た。

また、平均粒径４４μｍ以上のＷＣ粉、Ｃｏ粉を用意し
上記と同じようにしてＡｇ−ＷＣ−Ｃｏ索材（比較例−
１）を得た。

更に、平均粒径３μｍのＷＣ粉、Ｃｏ粉を用意し、実施
例−１と同様の成型体を得た後、黒鉛容器中へ収納し、
水素中１３００℃で焼結処理を行い、合金中に残存する
Ｃｏを極力少なくしたスケルトンを得る。このスケルト
ンと溶浸材Ａｇ塊とを重ね合せた状態で、真空中１１５
０℃で溶浸処理を行いＡｇ−ＷＣ−Ｃｏ素材（比較例−
２）を得た。

Ａｇ−ＷＣ−Ｃｏ合金中のＣｏを純Ｃｏとして存在させ
（実施例−１及び比較例−１）だとき、同合金中のＷＣ
，Ｃｏ粒子の大きさが０．５〜１０μｍの範囲の場合（
実施例−１）には、同合金中のＷＣ，Ｃｏ粒子及びＣｏ
ＷＣ相の大きさが４４μｍ以上の場合（比較例−１）と
比較するとすぐれた電流さい断時性を示している。しか
し、合金中のＣｏが純Ｃｏとして存在する量が著しく少
ない比較例−２に於ては、ＷＣ，Ｃｏ粒子の大きさが例
え前記で好ましい大きさの範囲であった０、５〜１０μ
ｍであっても電流さい断時性は実施例−１と比較して著
しく劣ることが判った（比較例−２）。

実施例２．　３．４ 上述した実施例−１、比較例−１，２は、Ａｇ−ＷＣ−
Ｃｏ合金中のＣｏＥｉｋを略々８〜９ｗｔ％の場合（実
施例−４）、１５ｗｔ％の場合（実施例−２）、３０ｗ
ｔ％の場合（実施例−３）に於ても、合金中の全Ｃｏｎ
に対する純ＣｏＥｉの比率が９０ｗｔ％以上で、かつ合
金中のＷＣ，Ｃｏ粒子の平均粒径が０．２〜１０μｍの
範囲に於ては、実施例−１同様に、安定した電流さい断
時性が得られることが判った。尚、実施例−２，３，４
の場合の接点の製造状況は実施例−１と同等の条件とし
た。Ｃｏｄが１％の場合も同様の効果が存在した。

実施例−１〜４、比較例−１の合金中のＣｏｆｆ１の略
々９０％以上が純Ｃｏであることは、Ｘ線回折によって
その強度比から求めたもので、５％以下の比較例−２に
ついても同様である。

これらのしゃ断時性の相対値も第１表に併記した。第１
表のように、電流さい断時性の著しく劣った比較例−２
に係る合金では、前記したように合金中のＣｏのほとん
どがＣｏ　Ｗ　Ｃ相を形成しているもので、３．６ＫＶ
ｘ１６ＫＡのしゃ断責務に対し充分な余裕を持ってしゃ
断に成功し、更にランクの上の７．２ＫＶｘ２０ＫＡの
しゃ断責務に対しても（４号責務０−Ｃｏ−Ｃｏ及び５
号責務０−０−０）合格している。しかし電流さい断時
性の高性能化を優先、重視する製品に適用する要求に応
するため、電流さい断時性をより厳しく管理する必要が
あり、実施例−１〜４より劣るので、除外した。すなわ
ち、第１表に示したしゃ断時性に於いて３．６ＫＶｘ１
６ＫＡより上のランクで７．２ＫＶｘ２０ＫＡでしゃ断
時性を評価すると、実施例−１，２，３，４による接点
では、比較例−２より著しく劣っている。すなわち本発
明実施例−１〜４では必要最少限度のしゃ断時性を確保
させる観点から電流さい断時性を優先した材料選択であ
る。

以下に、本発明の接点材料を評価したときの条件、方法
を示す。

第１表における評価の条件は次の通りである。

さい断電流：表中のさい断電流値は供試接点に直列に挿
入した同軸型シャントの電圧降下をシンクロスコープで
観測したものである。すなわちＬＣ回路を経て実効値４
４Ａの交流を与え実験回数１〜１００回及び３００１〜
３１００回でのさい断電流値の平均値その他を求めであ
る。その試料はベーキング、放電エージングを行い測定
に移す。エージングの不足は測定回数と共にさい断値が
上昇するので加熱と放電により充分に行う。試料形態は
径２０ｍｍ、厚さ４ｍｍで一方は平面、他方は２０ｍｍ
Ｒで接触圧力は１０ｋｇである。

しゃ新評価：直径７５ｍｍ、厚さ５ｍ＋ｓの円板状接点
片を対向させたしゃ断テスト用実験バルブに組込み、ベ
ーキング、電圧エージング等を与えた後３．６ＫＶ−１
６ＫＶのしゃ断電流を与えたときのしゃ断状況を、７０
％ＷＣ−Ａｇ合金の特性を１、　０としたときの相対特
性によって比較評価した。

〔発明の効果〕

以上詳記したように本発明によれば、電流さい所持性の
安定性にすぐれた真空バルブの接点材料を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による真空バルブ用の接点材料が適用さ
れる真空バルブの断面図、第２図は第１図に示す真空バ
ルブの電極部分の拡大断面図である。 １・・・しゃ断電、２・・・絶縁容器、５，６・・・導
電棒、１３ａ、　　１３ｂ−・・接点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ａｇまたは（および）Ｃｕ−ＷＣ−Ｃｏ系合金から
   なる接点材料であって、合金中には、ＷＣ相、Ｃｏ相お
   よびＣｏＷＣ相が存在し、これら各相の平均粒径は、０
   ．５〜１０μｍの範囲にあり、前記Ｃｏ相は合金中に１
   〜３０重量％存在し、合金中のＣｏの大部分は純Ｃｏと
   して存在することを特徴とする、真空バルブ用接点材料
   。 ２、合金中に存在するＣｏの９０重量％以上が純Ｃｏで
   ある、特許請求の範囲第１項の接点材料。 ３、前記合金中のＣｏ相の量が、５〜１５重量％である
   。特許請求の範囲第１項または第２項の接点材料。 ４、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｓｂの少なくとも１種を
   ０．１〜１０重量％含有する、特許請求の範囲第１項〜
   第３項のいずれか１項に記載の接点材料。