JP2006032036A - 真空バルブ用接点材料 - Google Patents

Abstract

【課題】 真空遮断器等に使用される真空バルブの接点材料に要求される耐電圧や遮断の性能の安定性を向上させた真空バルブ用接点材料を提供する。
【解決手段】 導電成分と耐弧成分と第３成分と必要により補助成分とで構成される真空バルブ用接点材料で、導電成分Ｃｕ、耐弧成分Ｃｒ、および第３成分α（耐弧成分平均粒子径の３倍以下の平均粒子径を有する例えばＷ）の粉末を混合し、加圧成型した後、液相焼結することにより製造される。これにより、第３成分αの近傍にＣｒが晶出されたものとなり、遮断特性と耐電圧特性を向上させた真空バルブ用接点材料が得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、真空遮断器等に使用される真空バルブの接点材料に要求される特性の内、耐電圧性能と遮断性能を向上させた真空バルブ用接点材料に関する。

真空バルブ用接点材料に要求される特性としては、耐電圧特性、遮断特性、耐溶着特性に対する各性能で示される基本三要件と、この他に電気抵抗（バルク抵抗と接触抵抗）と温度上昇が低く安定していることが重要な要件となっている。

しかしながら、これらの要件の中には相反するものがある関係上、単一の金属種によって全ての要件を満足させることは不可能である。このため、実用化されている多くの接点材料においては、不足する特性を相互に補えるような２種以上の物質、例えば導電成分と耐弧成分とを組合せて大電流用または高電圧用等のように特定の用途に合った接点材料の開発が行われ、ある程度優れた特性を有するものが開発されている。開閉器という使用目的から、高確率で電流の開閉が可能であることは言うまでもない。

従来の発明でも、当社から「真空バルブ用接点材料、その製造方法、および真空バルブ」と題して出願され公開されているもの（特許文献１参照）があるが、この出願では、導電成分をＣｕ、第１耐弧成分をＣｒ、第２耐弧成分をＷ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｎｂのいずれか一つまたはその組み合わせとしているのに対して、本発明では耐弧成分はＣｒに限定しておらず、さらに本発明の第３成分は、耐弧成分だけの役割に限定しているわけではなく、液相焼結の際に導電成分に固溶した耐弧成分が晶出する際の核となる等の焼結助剤としての役割も期待している。従って本発明でいう第３成分は、金属に限定されずに、導電成分にほとんど固溶しない成分であることも特徴としている点も異なる。

また、シーメンス（Ｓｉｅｍｅｎｓ）社から「真空遮断器用接触子材料としての銅・クロム溶融合金の製造方法」と題して出願され公告されているもの（特許文献２参照）があるが、この出願では、ＣｕとＣｒの両方を溶解して製造することを特徴としているのに対し、本発明では、Ｃｕ等の導電成分のみを溶融させることを特徴としている点が異なる。
特開２００３−２２６９０４号公報 特公平４−７１９７０号公報

真空バルブの耐電圧性能や遮断性能を充分に発揮させるには、接点材料の組織には微細な粒子が存在し、さらに接点中のガス含有量は小さいことが好ましい。

従来の接点材料では、微細粒子の存在のためには、微細な原料粉末を使用することが多く、その際には、原料粉末の比表面積が極端に増大して接点中のガス含有量も増大してしまい、安定した遮断性能や耐電圧性能が得られないことが多い。

本発明は、従来のこのような点に鑑みて為されたもので、真空遮断器等に使用される真空バルブの接点材料に要求される耐電圧や遮断の性能の安定性を向上させた真空バルブ用接点材料を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る真空バルブ用接点材料は、少なくとも導電成分と耐弧成分と第３成分とで構成される真空バルブ用接点材料であって、第３成分の原料粉末として、耐弧成分の原料粉末の平均粒子径の３倍以下の平均粒子径を有するものが使用され、液相焼結により製造されたことを特徴とする。

本発明によれば、遮断特性と耐電圧特性を向上させた真空バルブ用接点材料を提供することが出来る。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

前述したように、真空バルブ用接点材料の性能、例えばＣｕ−Ｃｒ接点の耐電圧性能や遮断性能を充分に発揮させるには、接点中に微細なＣｒ粒子の存在と低ガス量の兼備が必要である。

すなわち、本実施形態の特徴は、微細組織と低ガス量の兼備にある。それを得る為の具体的手段としては、Ｃｕにほとんど固溶しない第３成分αを添加して液相焼結をしてαの近傍にＣｒを晶出させて製造することが挙げられる。例えば、図１に示すように、導電成分Ｃｕ、耐弧成分Ｃｒ、および第３成分αの粉末を混合し、加圧成型した後、液相焼結（Ｃｕの融点以上の温度で焼結）することにより、第３成分αの周りにＣｒが晶出される。なお、この場合、核となる第３成分αが微細なほど、粒子数が多くなり、その周りに晶出されるＣｒの数も多くなって微細となる。

なお本発明の主旨はＣｕ−Ｃｒ接点に限るものではなく、その他の導電成分とその他の耐弧成分と必要により補助成分からなる接点材料についても適用可能である。

本実施形態により、微細組織と低ガス量を兼備することができ、耐電圧性能、遮断性能等を安定化させ、接点性能を向上させることを可能とした。

以下、本発明の実施例を説明するが、はじめに、本発明の真空バルブ用接点材料が適用される真空バルブの構成例を、図２および図３で説明する。

図２において、１は遮断室を示し、この遮断室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、この両端に封着金具３ａ，３ｂを介して設けた金属性の蓋体４ａ，４ｂとで真空気密に構成されている。そして、上記遮断室１内には、導電棒５，６の対向する端部に取り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、この可動電極８の電極棒６には、ベローズ９が取り付けられ遮断室１内を真空気密に保持しながら電極８の軸方向の移動を可能にし、このベローズ９上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。１１は、上記電極７，８を覆うようにして遮断室１内に設けられた金属性のアークシールドで、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。さらに、電極８は、図３に拡大して示すように、導電棒６にロウ付け部１２によって固定されるか、また、かしめによって圧着接続されている。接点１３ａは、電極８にロウ付け１４で固着されている。なお、図２における１３ｂは固定側接点である。

続いて図４を基にして、本発明の真空バルブ用接点材料の実施例、比較例の製造方法及び遮断特性と耐電圧特性の測定結果について述べる。

（比較例１〜２、実施例１〜３）
比較例１では、第３成分αを添加せずに、微細なＣｒ粉末（その分ガス含有量は大）を使用した液相焼結法でＣｕ−５０Ｃｒ接点を製造した。Ｃｕ粉末（平均粒径３０μｍ）とＣｒ粉末（平均粒径１０μｍ）を重量比１：１となるように混合してφ６０ｍｍの金型で１０ｔ／ｃｍ^２で成形した圧粉体を、φ７０mmの坩堝に、圧粉体の周囲をアルミナ粉で覆って充填した後、１０^−３Ｐａオーダの真空中で、１２００℃×６０分の条件で液相焼結し、Ｃｕ−５０Ｃｒ合金を複数枚得た。

このＣｕ−Ｃｒ合金を、断面の組織観察と酸素量の測定を実施すると共に所定の接点形状（φ５０mm、ｔ５mm）に加工した。断面組織の特徴と酸素量の測定値を図４に示した。また加工した接点材料を真空バルブに組み込んで遮断試験と耐電圧試験を実施した。遮断試験は、５ｋＡから徐々に電流値を上げていく方法で最大遮断電流を測定した。また遮断試験後の接点について、耐電圧試験を実施した。耐電圧試験は、電極間隔を一定（約５ｍｍ）にして絶縁破壊電圧を１００回測定し、その平均値を算出した。これらの比較例１の測定結果を基準とし、その他の測定結果は相対値で示した。

実施例１では、Ｃｕ−４８Ｃｒ−２W合金を、比較例１と同一の液相焼結で作製した。ただし、原料粉末の平均粒径は、Ｃｕは３０μｍ、Ｃｒは５０μｍ、Ｗが１３０μｍで、混合比（重量比）は、Ｃｕ：Ｃｒ：Ｗ＝５０：４８：２とした。作製したＣｕ−４８Ｃｒ−２W合金の断面組織は、粒径２０μｍ程度の微細なＣｒ粒子がＷ粒子の近傍あるいは以前Ｃｕマトリックスの粒界だったと思われる箇所に点在しており、合金中の酸素量は８００ｐｐｍであった。電気特性の評価結果は、遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ１．１倍と１．１倍であった。

実施例２では、Ｃｕ−２４Ｃｒ−１Ｍｏ合金を、比較例１と同一の液相焼結で作製した。ただし、原料粉末の平均粒径は、Ｃｕは３０μｍ、Ｃｒは１５０μｍ、Ｍｏが３μｍで、混合比（重量比）は、Ｃｕ：Ｃｒ：Ｍｏ＝７５：２４：１とした。作製したＣｕ−２４Ｃｒ−１Ｍｏ合金の断面組織は、粒径１０μｍ程度の微細なＣｒ粒子が微細なＭｏ粒子の近傍に点在しており、合金中の酸素量は６００ｐｐｍであった。電気特性の評価結果は、遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ１.３倍と１.１倍であった。

実施例３では、液相焼結の１種である焼結溶浸法でＣｕ−５５Ｃｒ−１Ｔａ合金を作製した。Ｃｕ−５５Ｃｒ−１Ｔａ合金は、Ｃｒ粉末（平均粒径１５０μｍ）とＴａ粉末（平均粒径１５μｍ）を混合して加圧成形した後、水素雰囲気中で、１２００℃×１２０分の条件で焼結して製造したＣｒ（＋Ｔａ）スケルトンと溶浸材Ｃｕを坩堝内で上下に配置し、水素雰囲気中で１２００℃に加熱して１２０分保持することにより、導電成分であるＣｕを溶浸させることにより作製した。作製したＣｕ−５５Ｃｒ−１Ｔａ合金の断面組織は、粒径２０μｍ程度の微細なＣｒ粒子がＴａ粒子の近傍に点在しており、合金中の酸素量は４００ｐｐｍであった。電気特性の評価結果は、遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ１.１倍と１.２倍であった。

比較例２では、Ｃｕ−４８Ｃｒ−２W合金を、比較例１と同一の液相焼結で作製した。ただし、原料粉末の平均粒径は、Ｃｕは３０μｍ、Ｃｒは５０μｍ、Ｗが１７０μｍで、混合比（重量比）は、Ｃｕ：Ｃｒ：Ｗ＝５０：４８：２とした。作製したＣｕ−４８Ｃｒ−２W合金の断面組織は、原料粉末と同等な粒径である５０μｍ程度のＣｒ粒子が存在しており、合金中の酸素量は８００ｐｐｍであった。電気特性の評価結果は、遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ１.０倍と１.０倍であり、改善効果はほとんどなかった。

以上の比較例１〜２と実施例１〜３の結果より、導電成分Ｃｕと耐弧成分Ｃｒに加え、第３成分を添加した液相焼結により、遮断特性と耐電圧特性という電気特性の向上が可能となる。第３成分の原料粉末の平均粒径は原料耐成分粉末の平均粒径の３倍以下が有効で、好ましくは１／１０以下の時に特性向上が顕著となる。

（比較例３〜４、実施例４〜５）
前記比較例１〜２と実施例１〜３では、焼結温度を１２００℃、即ち導電成分Ｃｕの融点（１０８３℃）を基準にして＋１１７℃の温度で焼結している事例について述べたが、本発明の主旨はこれに限るものではない。

比較例３、実施例４〜５、比較例４では、焼結温度をそれぞれ１１００℃、１１５０℃、１２５０℃、１３００℃で、Ｃｕ−２４Ｃｒ−１ＷＣ合金を製造した。なお原料粉末の平均粒径は、Ｃｕは３０μｍ、Ｃｒは１５０μｍ、ＷＣが０.８μｍで、混合比（重量比）は、Ｃｕ：Ｃｒ：ＷＣ＝７５：２４：１とした。

この内１３００℃で焼結した比較例４では、外見上崩れており、明らかにＣｕとＣｒが分離してしまったので、接点の電気評価に値しないと判断した。残りの３種類のＣｕ−２４Ｃｒ−１ＷＣ合金については、材料特性を評価すると共に、所定形状に加工した後、電気特性を評価した。

比較例３では、微細なＣｒ粒子は存在せず、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ１.０倍と１.０倍であり、向上されなかった。これは焼結温度が低い為に、Ｃｒの晶出が促進されなかったからである。

実施例４では、粒径１０μｍ程度の微細Ｃｒが点在しており、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ１.２倍と１.２倍であった。

実施例５では、粒径１０μｍ程度の微細Ｃｒが点在しており、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ１.３倍と１.２倍であった。

以上のように、焼結温度が導電成分Ｃｕの融点を基準にして＋２０℃より低いとＣｕは溶解するが、微細なＣｒ粒子の晶出が顕著に表れない。一方、焼結温度が導電成分Ｃｕの融点を基準にして＋２００℃を越えるとＣｕの形状、換言すると接点の形状が保てなくなる。更にＣｕとＣｒが２相分離して組織の均一性が保てない。従って、接点材料の焼結温度は、導電成分Ｃｕの融点（１０８３℃）を基準にして、＋２０℃以上、＋２００℃以下とすることが好ましい。

（実施例６〜１０）
実施例６〜１０では、Ｃｕ−２４Ｃｒ−５ＷＣ合金を真空雰囲気中の液相焼結で作製した後に真空雰囲気中で３０分の熱処理を行い、熱処理温度をパラメータとした。

実施例６では、１０７０℃で熱処理して、電気特性を評価したところ、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ１.２倍と１.１倍であった。

実施例７では、１０５０℃で熱処理して、電気特性を評価したところ、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ１.２倍と１.１倍であり、熱処理により遮断特性が若干向上されていた。これは熱処理により導電率が改善されたからである。

実施例８では、８５０℃で熱処理して、電気特性を評価したところ、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ１.３倍と１.１倍であり、熱処理により遮断特性がさらに向上されていた。

実施例９では、７００℃で熱処理して、電気特性を評価したところ、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ１.２倍と１.１倍であり、熱処理により遮断特性が若干向上されていた。

実施例１０では、６５０℃で熱処理して、電気特性を評価したところ、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ１.１倍と１.１倍であり、熱処理により遮断特性はほとんど向上されていなかかった。これは熱処理温度が低く、導電率の改善効果が小さかったからである。

以上の実施例６〜１０の結果より、液相焼結後に熱処理すると電気特性、特に遮断特性の向上が可能となる。特に熱処理温度は、導電成分Ｃｕの融点（１０８３℃）を基準にして、−２０℃以下、−４００℃以上の時に特性向上が顕著となる。熱処理温度が、導電成分Ｃｕの融点を基準にして、−２０℃より高いと、特性は悪くはないが、炉の制御が難しくなり、歩留まりが悪くなる。熱処理温度が、導電成分Ｃｕの融点を基準にして、−４００℃を下回ると、熱処理の効果が低く、改善効果が小さい。

（実施例１１〜１６）
前記比較例１〜４と実施例１〜１０では、導電成分がＣｕ、耐弧成分がＣｒ、第３成分がＷ，Ｍｏ，Ｔａ，ＷＣである接点材料の事例について述べたが、本発明の主旨はこれに限るものではない。

実施例１１では、導電成分をＡｇ、耐弧成分をＷＣ、第３成分をＦｅとしたＡｇ−２０ＷＣ−１Ｆｅ接点を、液相焼結法で作製し、遮断特性と耐電圧特性を評価した結果、遮断特性と耐電圧特性は、第３成分を添加していない通常の液相焼結法で製造した時のＡｇ−ＷＣ接点の、それぞれ１.３倍と１.２倍であった。

実施例１２では、導電成分をＡｇ＋Ｃｕ、耐弧成分をＷＣ、第３成分をＣｏとしたＡｇ／Ｃｕ−６０ＷＣ−１Ｃｏ接点を、液相焼結法で作製し、遮断特性と耐電圧特性を評価した結果、遮断特性と耐電圧特性は、第３成分を添加していない通常の液相焼結法で製造した時のＡｇ−ＷＣ接点の、それぞれ１.２倍と１.２倍であった。

実施例１３〜１６では、導電成分をＣｕとし、耐弧成分をそれぞれ、Ｗ，Ｎｂ，ＷＣ，Ｃｒ＋Ｗとし、第３成分をそれぞれ、Ｓｂ（１ｗｔ％），Ａｌ_２Ｏ_３（１ｗｔ％），ＷＢ（２ｗｔ％），ＴｉＮ（２ｗｔ％）として、液相焼結により接点材料を製造して電気特性を評価した結果、遮断特性は、実施例１３〜１６全て、第３成分を添加していない通常の液相焼結で製造した時の接点の１.２倍であり、耐電圧特性は１.１倍であった。

なお、第３成分が５ｗｔ％を越えると、遮断特性、耐電圧特性の少なくとも一方が悪化する。

（実施例１７〜１９）
前記比較例１〜４と実施例１〜１６では、導電成分、耐弧成分、第３成分で構成される接点材料の事例について述べたが、本発明の主旨はこれに限るものではない。

実施例１７〜１９では、補助成分をそれぞれＢｉ（０．１ｗｔ％），Ｔｅ（５ｗｔ％），Ｔｅ+Ｓｅ（４ｗｔ％）とし、実施例３と同様に液相焼結法の１種である焼結溶浸法で、接点材料を製造して電気特性を評価した結果、遮断特性は、実施例１７〜１９全て、第３成分を添加していない通常の焼結溶浸法で製造した時の接点の１.２倍であり、耐電圧特性は１.１倍であった。

なお、補助成分が５ｗｔ％を越えると、遮断特性、耐電圧特性の少なくとも一方が悪化する。

以上の結果が示すように、本発明によって真空バルブ用接点材料の遮断特性と耐電圧特性を向上させることが可能となる。

（他の実施例）
なお、導電成分については、上記の実施例では、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｇ+Ｃｕでの記載しかないが、ＣｕまたはＡｇを主成分とするならば、例えば微量のＣｒ，Ｓｎ等を含有しても同様の効果が得られる。

また耐弧成分については、上記の実施例では、Ｃｒ，Ｗ，Ｎｂ，ＷＣ，Ｃｒ＋Ｗでの記載しかないが、Ｃｒ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｍｏ及びこれらの炭化物の内の少なくとも１つを耐弧成分として使用しても、同様の効果が得られる。

さらに第３成分については、上記の実施例では、Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｓｂ，ＷＣ，ＷＢ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＴｉＮでの記載しかないが、Ｗ，Ｍｏ,Ｃｒ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｂ及びこれらの炭化物、硼化物、酸化物、窒化物の内の少なくとも１種類を第３成分として使用しても、同様の効果が得られる。

補助成分についても、上記の実施例では、Ｂｉ，Ｔｅ，Ｔｅ＋Ｓｅとした場合のみ記載しているが、Ｂｉ，Ｔｅ，Ｓｅの内の少なくとも１つを補助成分としても、同様の効果が得られる。

本発明の一実施形態に係る真空バルブ用接点材料の代表的な製造プロセスを示した図。 本発明の真空バルブ用接点材料が適用される真空バルブの一例を示す断面図。 図２の要部拡大断面図。 本発明の各実施例および比較例の製造条件および評価結果を示す表図。

符号の説明

１…遮断室
２…絶縁容器
３ａ，３ｂ…封着金具
４ａ，４ｂ…蓋体
５，６…導電棒
７…固定電極
８…可動電極
９…ベローズ
１０，１１…アークシールド
１２，１４…ロウ付け部
１３ａ…可動側接点
１３ｂ…固定側接点

Claims (10)

1. 少なくとも導電成分と耐弧成分と第３成分とで構成される真空バルブ用接点材料であって、前記第３成分の原料粉末として、前記耐弧成分の原料粉末の平均粒子径の３倍以下の平均粒子径を有するものが使用され、液相焼結により製造されたことを特徴とする真空バルブ用接点材料。
2. 前記第３成分の原料粉末は、導電成分にほとんど固溶せず、その平均粒子径は、耐弧成分の原料粉末の平均粒子径の１／１０以下であり、さらに微細な第３成分の近傍に耐弧成分が存在することを特徴とする請求項１に記載の真空バルブ用接点材料。
3. 前記真空バルブ用接点材料は非酸化性雰囲気中の焼結法で製造されたものであり、その焼結温度は、前記導電成分の溶融温度を基準にして、＋２０℃以上、＋２００℃以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の真空バルブ用接点材料。
4. 前記真空バルブ用接点材料は液相焼結後に非酸化性雰囲気中での熱処理が実施されたものであり、その熱処理温度は、前記導電成分の溶融温度を基準にして、−２０℃以下、−４００℃以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料。
5. 前記導電成分は、少なくともＣｕまたはＡｇのどちらか一方を主成分とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料。
6. 前記耐弧成分は、Ｃｒ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｍｏ及びこれらの炭化物の内の少なくとも１種類を含有したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料。
7. 前記第３成分は、Ｗ，Ｍｏ,Ｃｒ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｂ及びこれらの炭化物、硼化物、酸化物、窒化物の内の少なくとも１種類を含有したことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料。
8. 前記接点材料の第３成分の含有率の合計量が５ｗｔ％以下であることを特徴とする特許請求項７記載の真空バルブ用接点材料。
9. 前記真空バルブ用接点材料は補助成分を含有し、前記補助成分は、Ｂｉ，Ｔｅ，Ｓｅの内の少なくとも１種類を含有していることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料。
10. 前記補助成分の含有率の合計量が５ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項９に記載の真空バルブ用接点材料。
    
    

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