JP6398415B2 - 電極材料の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電極材料の組成制御技術に関する。
真空インタラプタ（ＶＩ）等の電極に用いられる電極材料には、（１）遮断容量が大きいこと、（２）耐電圧性能が高いこと、（３）接触抵抗が低いこと、（４）耐溶着性が高いこと、（５）接点消耗量が低いこと、（６）裁断電流が低いこと、（７）加工性に優れること、（８）機械強度が高いこと、等の特性を満たすことが求められる。
銅（Ｃｕ）−クロム（Ｃｒ）電極は、遮断容量が大きく、耐電圧性能が高く、耐溶着性が高い等の特性を有し、真空インタラプタの接点材料として広く用いられている。Ｃｕ−Ｃｒ電極では、Ｃｒ粒子の粒径が細かい方が、遮断電流や接触抵抗の面において良好であるとの報告がある（例えば、非特許文献１）。
Ｃｕ−Ｃｒ電極材料の製造方法として、一般に固相焼結法と溶浸法の２通りが良く知られている（例えば、特許文献１−４）。固相焼結法は、導電性の良好なＣｕと耐アーク性に優れるＣｒとを一定の割合で混合し、その混合粉末を加圧成形してから、真空中等の非酸化雰囲気で焼結して焼結体を製造する。固相焼結法は、ＣｕとＣｒの組成を自由に選ぶことができる長所がある。
一方、溶浸法は、Ｃｒ粉末を加圧成形して（若しくは、成形せずに）、容器に充填し、真空中等の非酸化雰囲気でＣｕの融点以上に加熱することによりＣｒ粒子間の空隙にＣｕを溶浸して電極を製造する。溶浸法は、ＣｕとＣｒの組成比を自由に選ぶことができないが、固相焼結法よりもガス・空隙の少ない素材が得られ、機械強度が高いという長所がある。
近年、真空インタラプタの使用条件が厳しくなるとともにコンデンサ回路への真空インタラプタの適用拡大が進んでいる。コンデンサ回路では、通常の２〜３倍の電圧が電極間に印加されるため、電流遮断時や電流開閉時のアークによって接点表面が著しく損傷し再点弧が発生しやすくなると考えられる。そのため、従来のＣｕ−Ｃｒ電極より優れた耐電圧性能及び電流遮断性能を有する電極材料が求められている。
電流遮断性能や耐電圧性能等の電気的特性の良好なＣｕ−Ｃｒ系電極材料の製造方法として、基材であるＣｕ粉末に、電気的特性を向上させるＣｒ粉末と、Ｃｒ粒子を微細にする耐熱元素（モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等）粉末とを混合した後、混合粉末を型に挿入して加圧成形し焼結体とする電極の製造方法がある（例えば、特許文献１，２）。
具体的には、２００〜３００μｍの粒子サイズを有するＣｒを原料としたＣｕ−Ｃｒ系電極材料に耐熱元素を添加し、微細組織技術を通してＣｒを微細化する。つまり、Ｃｒと耐熱元素の合金化を促進させ、Ｃｕ基材組織内部に微細なＣｒ−Ｘ（Ｘは耐熱元素）粒子の析出を増加させている。その結果、直径２０〜６０μｍのＣｒ粒子が、その内部に耐熱元素を有する形態で、Ｃｕ基材組織内に均一に分散されることとなる。
また、複数種類の耐熱元素を固相拡散させ、複数種類の耐熱元素を含有する固溶体を形成し、この固溶体を粉砕した粉末と銅粉末とを混合し、加圧成形後に焼結する電極製造方法がある（例えば、特許文献４）。この製造方法では、微細組織技術を適用せずに、電極組織内にＣｒとＭｏ等の耐熱元素を含有させている。
RIEDER, F. u.a.、"The Influence of Composition and Cr Particle Size of Cu/Cr Contacts on Chopping Current, Contact Resistance, and Breakdown Voltage in Vacuum Interrupters"、IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology、Vol. 12、1989、273-283
本発明は、従来のＣｕ−Ｃｒ電極より優れた耐電圧性能及び電流遮断性能を有する電極材料を提供することであり、特に従来の固溶体金型プレス成型では、得ることが困難であった微細な耐熱元素を有した電極材料を提供することを目的とする。
上記目的を達成する本発明の電極材料の一態様は、耐熱元素と粒径が４５μｍ以下のＣｒ粉末を混合し、加熱して得られる固溶体を粉砕して得た固溶体粉末と、Ｃｕ粉末と、を混合した混合粉末を成形して得られる成形体を焼結した電極材料であって、前記電極材料は、当該電極材料に対して重量比でＣｕを４０〜８０％、Ｃｒを２〜３０％、耐熱元素を１０〜５４％、含有し、前記耐熱元素の含有量は、重量比でＣｒの含有量より多いことを特徴としている。
また、上記目的を達成する本発明の電極材料の他の態様は、上記電極材料において、前記固溶体粉末は、該固溶体粉末のＸ線回折測定においてＣｒ元素に対応するピークが消失していることを特徴としている。
以上の発明によれば、電極材料の耐電圧性能及び電流遮断性能が向上する。
本発明の実施形態に係る電極材料について、図を参照して詳細に説明する。なお、実施形態の説明において、特に断りがない限り、平均粒子径（メディアン径ｄ５０）、粒径、及び体積相対粒子量は、レーザー回折式粒度分布測定装置（シーラス社：シーラス１０９０Ｌ）により測定された値を示す。
本発明は、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、耐熱元素（Ｍｏ等）を含有する電極材料において、Ｃｒと耐熱元素の固溶体を電極材料中に微細分散させた組織を有するよう組成制御する技術に関するものである。このように組成制御することで、遮断性能及び耐電圧性能に優れ、かつ量産性に優れた電極材料を得るものである。
特に、本発明の電極材料は、耐熱元素とＣｒの固溶体形成時に、耐熱元素とＣｒの重量比を、耐熱元素＞Ｃｒの割合で混合することで、工業的に実施が可能な条件で耐熱元素とＣｒの固溶体粉末を得ることができるものである。また、耐熱元素とＣｒの固溶体粉末のＸ線回折測定において、Ｃｒ元素のピークが実質上消失するまで耐熱元素とＣｒとを反応させることで、機械強度や加工性を損なうことなく電極材料の耐電圧性能及び電流遮断性能を向上させることができる。
Ｃｕ粉末は、例えば、市販の電解銅粉末を用いる。Ｃｕ粉末の形状は、必ずしも樹枝状である必要はなく、例えば、アトマイズ粉のような球状でも、不規則形状であってもよい。また、Ｃｕ粉末の粒径は、特に限定されるものではなく、焼結法に一般的に用いられる粒径のＣｕ粉末を用いればよい。Ｃｕは、電極材料に対して４０〜８０重量％含有させることで、耐電圧性能や電流遮断性能を損なうことなく、電極材料の接触抵抗を低減することができる。Ｃｕの含有率が８０％を超えると、電極材料の機械強度が低下するおそれがあり、Ｃｕの含有率が４０％未満とすると、電極材料の導電率が低下することによる電流遮断性能の低下のおそれがあるためである。なお、電極材料に対して添加されるＣｕ、Ｃｒ及び耐熱元素の合計は１００重量％を超えることはない。
耐熱元素は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ハフニウム（Ｈｆ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、ケイ素（Ｓｉ）、ロジウム（Ｒｈ）及びルテニウム（Ｒｕ）等の元素から選択される元素を単独若しくは組み合わせて用いることができる。特に、Ｃｒ粒子を微細化する効果が顕著であるＭｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒを用いることが好ましい。耐熱元素を粉末として用いる場合、耐熱元素粉末の平均粒子径を、例えば、２〜２０μｍ、より好ましくは２〜１０μｍにすることで、電極材料にＣｒを含有する粒子（耐熱元素とＣｒの固溶体を含む）を微細化して均一に分散させることができる。耐熱元素は、電極材料に対して１０〜５４重量％含有させることで、機械強度や加工性を損なうことなく、電極材料の耐電圧性能及び電流遮断性能を向上させることができる。
Ｃｒは、電極材料に対して２〜３０重量％含有させることで、機械強度や加工性を損なうことなく、電極材料の耐電圧性能及び電流遮断性能を向上させることができる。Ｃｒ粉末を用いる場合、Ｃｒ粉末の粒径を、例えば、−３２５メッシュ（粒径４５μｍ以下）とすることで、耐電圧性能及び電流遮断性能に優れた電極材料を得ることができ、また原料に用いたＣｒ粉末の粒径が小さいため、残留したＣｒ粒子は本焼結時にＭｏやＣｕにより微細化されて粒子径が十分小さくなり電極表面の接触抵抗は低くなる。また、電極材料中に微細化したＣｒを含有する粒子を分散させる点では、粒径が小さいＣｒ粉末を用いることが好ましいが、Ｃｒ粒子を細かくするほど電極材料に含有される不純物量が増加して電流遮断性能が低下する。Ｃｒ粒子の粒径を小さくすることによる電極材料の不純物の増加は、Ｃｒを微細に粉砕する際に回避できないものである。しかし、Ｃｒが酸化しない条件、例えば、不活性ガス中でＣｒを微細な粉末とすることができるのであれば、粒径が−３２５メッシュ未満のＣｒ粉末を用いてもよく、電極材料中に微細化したＣｒを含有する粒子を分散させる点では、粒径が小さいＣｒ粉末を用いることが好ましい。
本発明の実施形態に係る電極材料の製造方法について、図１のフローチャートを参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、耐熱元素としてＭｏを例示して説明するが、他の耐熱元素の粉末を用いた場合も同様である。
混合工程Ｓ１では、耐熱元素粉末（例えば、Ｍｏ粉末）とＣｒ粉末とを混合する。例えば、Ｃｒ粉末の粒径を、Ｍｏ粉末の粒径よりも大きく、かつ−３２５メッシュとすることで、量産性に優れた熱処理温度及び熱処理時間で、ＭｏＣｒ固溶体を形成することができる。また、混合粉末において、Ｍｏの重量がＣｒの重量よりも多く、より好ましくはＣｒの重量１に対してＭｏの重量が３以上、さらに好ましくはＣｒの重量１に対してＭｏの重量が７以上となるようにＭｏ粉末とＣｒ粉末とを混合することで、後の粉砕工程Ｓ３において、粉砕にかかる力が軽減され、より微細な粉末を得ることができる。
熱処理工程Ｓ２では、混合工程Ｓ１で得られたＭｏ粉末とＣｒ粉末の混合粉末を、Ｍｏ及びＣｒと反応しない容器（例えば、アルミナ容器）に充填して、非酸化性雰囲気（水素雰囲気や真空雰囲気等）にて所定の温度（例えば、１２００℃〜１５００℃）で熱処理を行う。熱処理を行うことで、ＭｏとＣｒが相互に固溶拡散したＭｏＣｒ固溶体が得られる。熱処理工程Ｓ２では、残存するＣｒ元素が存在しないように熱処理を行うことが好ましい。例えば、熱処理工程Ｓ２では、ＭｏＣｒ固溶体のＸ線解析におけるＣｒ元素ピーク（及びＭｏ元素ピーク）が消失するように、熱処理の温度と時間が選択される。
また、熱処理工程Ｓ２では、熱処理を行う前に混合粉末を加圧成形（プレス処理）しても良い。混合粉末を加圧成形することで、ＭｏとＣｒとの相互拡散が促進され熱処理時間を短くしたり、熱処理温度を低減したりすることができる。加圧成形時の圧力は、特に限定するものではないが、０．１ｔ／ｃｍ2以下とすることが好ましい。混合粉体の加圧成形時の圧力が非常に大きい場合、熱処理後の焼結体が硬くなり、後の粉砕工程Ｓ３での粉砕作業が困難となるおそれがある。
粉砕工程Ｓ３では、粉砕機（例えば、遊星ボールミル）を用いてＭｏＣｒ固溶体の粉砕を行い、ＭｏＣｒ固溶体を含有する粉末（以下、ＭｏＣｒ粉末と称する）を得る。粉砕工程Ｓ３の粉砕雰囲気は、非酸化性雰囲気が望ましいが、大気中において粉砕しても構わない。粉砕条件は、ＭｏＣｒ固溶体粒子が相互に結合している粒子（２次粒子）を粉砕する程度の粉砕条件でよい。なお、ＭｏＣｒ固溶体の粉砕は、粉砕時間を長くすればするほど、ＭｏＣｒ固溶体粒子の平均粒子径が小さくなる。したがって、例えば、ＭｏＣｒ粉末において、粒径３０μｍ以下の粒子（より好ましくは、粒径２０μｍ以下の粒子）の体積相対粒子量が５０％以上となるような粉砕条件を設定することで、ＭｏＣｒ粒子（ＭｏとＣｒが相互に固溶拡散した粒子）及びＣｕ組織が均一に分散した電極材料（すなわち、耐電圧性能に優れた電極材料）を得ることができる。
Ｃｕ粉末混合工程Ｓ４では、粉砕工程Ｓ３で得られたＭｏＣｒ粉末と、Ｃｕ粉末とを混合する。混合後、ＭｏＣｒ粉末とＣｕ粉末の混合粉末（以後、ＭｏＣｒ−Ｃｕ粉末とする）を加圧成形する。成形時の成形圧力は、例えば、焼結法で一般的に用いられる成形圧力（例えば、１〜４ｔ／ｃｍ2）である。
焼結工程Ｓ５では、成形されたＭｏＣｒ−Ｃｕ粉末の焼結を行い、本発明の実施形態に係る電極材料を得る。焼結は、非酸化性雰囲気中（例えば、水素雰囲気中や真空雰囲気中）で、Ｃｕの融点（１０８３℃）以下の温度で行う。
なお、本発明の実施形態に係る電極材料を用いて真空インタラプタを構成することができる。図２に示すように、本発明の実施形態に係る電極材料を有する真空インタラプタ１は、真空容器２と、固定電極３と、可動電極４と、主シールド１０を有する。
真空容器２は、絶縁筒５の両開口端部が、固定側端板６及び可動側端板７でそれぞれ封止されることで構成される。
固定電極３は、固定側端板６を貫通した状態で固定される。固定電極３の一端は、真空容器２内で、可動電極４の一端と対向するように固定されており、固定電極３の可動電極４と対向する端部には、本発明の実施形態に係る電極材料である電極接点材８が設けられる。
可動電極４は、可動側端板７に設けられる。可動電極４は、固定電極３と同軸上に設けられる。可動電極４は、図示省略の開閉手段により軸方向に移動させられ、固定電極３と可動電極４の開閉が行われる。可動電極４の固定電極３と対向する端部には、電極接点材８が設けられる。なお、可動電極４と可動側端板７との間には、ベローズ９が設けられ、真空容器２内を真空に保ったまま可動電極４を上下させ、固定電極３と可動電極４の開閉が行われる。
主シールド１０は、固定電極３の電極接点材８と可動電極４の電極接点材８との接触部を覆うように設けられ、固定電極３と可動電極４との間で発生するアークから絶縁筒５を保護する。
［実施例１］
具体的な実施例を挙げて、本発明の実施形態に係る電極材料について詳細に説明する。実施例１の電極材料は、図１に示すフローチャートにしたがって作製した電極材料である。
具体的な実施例を挙げて、本発明の実施形態に係る電極材料について詳細に説明する。実施例１の電極材料は、図１に示すフローチャートにしたがって作製した電極材料である。
Ｍｏ粉末は、粒径が０．８〜６μｍのものを用いた。このＭｏ粉末の平均粒子径をフィッシャー法により測定したところ３．３μｍであった。Ｃｒ粉末は、−３２５メッシュ（ふるい目開き４５μｍ）で分級した粉末、すなわち粒径が４５μｍ以下の粉末を用いた。Ｃｕ粉末は、市販の電解銅粉末を用いた。
実施例１の電極材料は、まずＭｏ粉末とＣｒ粉末を重量比率でＭｏ：Ｃｒ＝７：１の割合で混合し、Ｖ型混合器を用いて均一となるように十分に混合した。
混合後、Ｍｏ粉末とＣｒ粉末の混合粉末をアルミナ容器内に移し、真空加熱炉にて１２５０℃で３時間熱処理を行った。焼結後の真空加熱炉の真空度は、３．５×１０-3Ｐａであった。なお、熱処理温度で所定時間維持した後の真空度が５×１０-3Ｐａ以下であれば、得られた固溶体を用いて作製した電極材料中の酸素含有量が少なくなり、電極材料の電流遮断性能を損なうことがない。
冷却後、真空加熱炉からＭｏＣｒ固溶体を取り出し、遊星ボールミルを用いて１０分間粉砕を行い、ＭｏＣｒ粉末を得た。粉砕後のＭｏＣｒ粉末の平均粒子径をレーザー回折式粒度分布測定により測定したところ、１０μｍ以下であった。粉砕後、ＭｏＣｒ粉末のＸ線回折（ＸＲＤ）測定を行った。測定結果を図３に示す。図３に示すように、実施例１の電極材料に係るＭｏＣｒ粉末において、Ｍｏ（１１０）に対応するピークとＣｒ（１１０）に対応するピークが消失しており、Ｃｒ原料粉末はＭｏＣｒ粉末中に存在していないと考えられる。なお、図３の図には、実施例１の電極材料に係るＭｏＣｒ粉末のＸ線回折測定結果だけでなく、ＭｏとＣｒの混合比率（重量比）を変化させて、実施例１の電極材料と同じ方法により作製されたＭｏＣｒ粉末のＸ線回折測定結果も示している。
図４は、ＭｏとＣｒの混合比率（重量比）を変化させて、実施例１の電極材料と同じ方法により作製されたＭｏＣｒ粉末のＸ線回折測定結果を示す図である。図３及び図４から明らかなように、Ｍｏの重量に対するＣｒの重量が増加すればするほど、Ｃｒ元素に対応するピークの値が大きくなっている。つまり、混合粉末において、Ｍｏの重量に対してＣｒの重量が多い場合、熱処理工程Ｓ２の熱処理後に残存するＣｒ元素の量が多くなるものと考えられる。したがって、ＭｏとＣｒとを重量比率で、Ｍｏ＞ＣｒとなるようにＭｏとＣｒとを混合することで、熱処理工程Ｓ２の熱処理後に、Ｃｒ元素に対応するピークがほぼ消失しているＭｏＣｒ固溶体を得ることができる。
また、ＭｏＣｒ粉末のＸ線回折測定の結果に基づいて、実施例１の電極材料に係るＭｏＣｒ粉末、Ｍｏ粉末及びＣｒ粉末の結晶定数を求めた。ＭｏＣｒ粉末（Ｍｏ：Ｃｒ＝７：１）の格子定数ａは、０．３１０７ｎｍであった。また、Ｍｏ粉末の格子定数ａ（Ｍｏ）は０．３１５１ｎｍであり、Ｃｒ粉末の格子定数ａ（Ｃｒ）は、０．２８９０ｎｍであった。
次に、Ｃｕ粉末とＭｏＣｒ粉末とを、重量比率でＣｕ：ＭｏＣｒ＝４：１の割合で均一に混合し、プレス金型成形にて成形体を作製し、１０７０℃−２時間非酸化性雰囲気中で焼結して実施例１の電極材料を作製した。
図５は、実施例１の電極材料の断面顕微鏡写真である。図５において比較的白く見える領域（白色部分）がＭｏとＣｒが固溶体化した合金組織であり、比較的黒く見える部分（灰色部分）がＣｕ組織である。つまり、実施例１の電極材料では、２５μｍ以下の微細な合金組織（白色部分）がＣｕ相に均一に微細化して分散している。
［比較例１］
比較例１の電極材料は、Ｃｕ粉末とＣｒ粉末とを混合し、得られた混合粉末をプレス金型成形にて成形後に焼結したものである。
比較例１の電極材料は、Ｃｕ粉末とＣｒ粉末とを混合し、得られた混合粉末をプレス金型成形にて成形後に焼結したものである。
Ｃｕ粉末とＣｒ粉末を重量比率でＣｕ：Ｃｒ＝４：１の割合で混合し、Ｖ型混合器を用いて均一になるまで十分に混合した。Ｃｕ粉末は、実施例１と同じものを用いた。Ｃｒ粉末は、粒径８０μｍ以下（８０μｍの目のふるいで分級したもの）を使用した。混合後、Ｃｕ粉末とＣｒ粉末の混合粉末をプレス圧４ｔ／ｃｍ2でプレス金型成形して成形体を作製し、この成形体を１０７０℃−２時間非酸化性雰囲気中で焼結して、比較例１の電極材料を作製した。
図６は、比較例１の電極材料の断面を示す顕微鏡写真である。図６より、比較例１の電極材料では、Ｃｕ相にＣｒ粒子が点在していることがわかる。
［比較例２］
比較例２の電極材料は、Ｍｏ粉末とＣｒ粉末の混合比が異なること以外は、実施例１の電極材料と同じ方法で作製した電極材料である。
比較例２の電極材料は、Ｍｏ粉末とＣｒ粉末の混合比が異なること以外は、実施例１の電極材料と同じ方法で作製した電極材料である。
具体的に説明すると、Ｍｏ粉末とＣｒ粉末を重量比率でＭｏ：Ｃｒ＝１：４の割合で混合し、Ｖ型混合器を用いて均一となるように十分に混合した。
混合後、Ｍｏ粉末とＣｒ粉末の混合粉末をアルミナ容器内に移し、真空加熱炉にて１２５０℃で３時間混合粉末の熱処理を行った。１２５０℃で３時間焼結後の真空加熱炉の真空度は、３．５×１０-3Ｐａであった。
冷却後、真空加熱炉からＭｏＣｒ固溶体を取り出し、遊星ボールミルを用いて１０分間粉砕を行い、ＭｏＣｒ粉末を得た。粉砕後のＭｏＣｒ粉末の平均粒子径をレーザー回折式粒度分布測定により測定したところ、４０μｍ程度であった。
また、ＭｏＣｒ粉末のＸ線回折測定を行った結果を図４に示す。図４に示すように、比較例２の電極材料に係るＭｏＣｒ粉末のＸ線回折測定では、Ｃｒ元素に対応するピークが存在していることが確認された。
次に、Ｃｕ粉末とＭｏＣｒ粉末とを、重量比率で、Ｃｕ：ＭｏＣｒ＝４：１として均一に混合し、プレス金型成形にて成形体を作製し、１０７０℃−２時間非酸化性雰囲気中で焼結して比較例２の電極材料を作製した。比較例２の電極材料は、Ｃｒリッチなため、硬度が硬くなり粉砕にかかるエネルギーが高く、量産性に影響を及ぼすことがわかった。
表１に、実施例１及び比較例１，２の電極材料処理条件及び電極特性を示す。
表１に示すように、実施例１の電極材料は、従来の焼結法では困難であった耐アーク成分の微細化が実現できる。
また、実施例１と比較例２とを比較すると、比較例２では粉砕性が困難となっている。これは、仮焼結時に、Ｃｒ同士が焼結することに起因するものと考えられる。また、実施例１の電極材料では、粉砕後の平均粒子径が１０μｍであるのに対して、比較例２の電極材料では、粉砕後の平均粒子径が４０μｍとなっている。これは、比較例２では、ＭｏとＣｒの混合粉末において、Ｃｒ粉末の重量がＭｏ粉末の重量より多いため、Ｃｒ粒子の拡散量が少なくなり、残存するＣｒ元素の量が多いためと考えられる。そして、残存するＣｒ元素の量が多くなることにより、比較例２の電極材料では、電極表面の接触抵抗が高くなるものと考えられる。また、Ｃｒ粉末とＣｕ粉末の混合性が悪いため、Ｃｒ粒子を微細にしたとしても、電極組織内のＣｒの分散性は低くなるものと考えられる。なお、比較例２において、原料のＣｒ粉末の粒径をできるだけ小さく（例えば、１０μｍ以下）とすることで、電極材料に分散されるＣｒ粒子の粒径を小さくすることが考えられるが、Ｃｒ粉末の粒径を小さくすると、電極材料の酸素含有量が増加し、電極材料の電流遮断性能が低下するおそれがある。
［比較例３］
比較例３の電極材料は、粒径が８０μｍ以下のＣｒ粉末（８０μｍの目のふるいで分級したＣｒ粉末）を用いて作製した電極材料である。なお、Ｍｏ粉末やＣｕ粉末は、実施例１の電極材料と同じものを用いた。
比較例３の電極材料は、粒径が８０μｍ以下のＣｒ粉末（８０μｍの目のふるいで分級したＣｒ粉末）を用いて作製した電極材料である。なお、Ｍｏ粉末やＣｕ粉末は、実施例１の電極材料と同じものを用いた。
具体的に説明すると、Ｍｏ粉末とＣｒ粉末を重量比率でＭｏ：Ｃｒ＝９：１の割合で混合し、Ｖ型混合器を用いて均一となるように十分に混合した。
混合後、Ｍｏ粉末とＣｒ粉末の混合粉末をアルミナ容器内に移し、真空加熱炉にて１１５０℃で６時間混合粉末の熱処理を行った。１１５０℃で６時間焼結後の真空加熱炉の真空度は、３．５×１０-3Ｐａであった。
冷却後、真空加熱炉からＭｏＣｒ固溶体を取り出し、遊星ボールミルを用いて１０分間粉砕を行い、ＭｏＣｒ粉末を得た。粉砕後のＭｏＣｒ粉末の平均粒子径をレーザー回折式粒度分布測定により測定したところ、１０μｍ程度であった。
また、ＭｏＣｒ粉末のＸ線回折測定を行った結果、比較例３の電極材料に係るＭｏＣｒ粉末のＸ線回折測定では、Ｃｒ元素に対応するピークが存在していることが確認された。
次に、Ｃｕ粉末とＭｏＣｒ粉末とを、重量比率で、Ｃｕ：ＭｏＣｒ＝４：１として均一に混合し、プレス金型成形にて成形体を作製し、１０７０℃−２時間非酸化性雰囲気中で焼結して比較例３の電極材料を作製した。比較例３の電極材料は、Ｍｏリッチなため、充填率が８５％以下と低くなり、ロウ付け性に影響を及ぼし、ＶＩの電極材料としては適用できないことがわかった。
比較例３の電極材料は、Ｃｒ粉末と混合されるＭｏ粉末の重量が多いにもかかわらず、得られたＭｏＣｒ固溶体粉末において、残存Ｃｒ粒が確認された。つまり、Ｍｏ粉末と混合されるＣｒ粉末の粒子径が大きい場合（例えば、８０μｍ）、Ｃｒ粉末に混合するＭｏ粉末の重量を多くしても、残留Ｃｒ元素が少ないＭｏＣｒ粉末を得ることができないおそれがある。なお、比較例３の電極材料は、実施例や他の比較例とＭｏ粉末とＣｒ粉末の混合粉末の焼結温度が異なっているが、実施例や他の比較例と同様の焼結条件（１２５０℃−３ｈ）で焼結した場合もＣｒピーク確認されており、Ｃｒ粒子が残存していた。
以上のような、本発明の実施形態に係る電極材料によれば、ＭｏＣｒ固溶体を形成するＭｏ粉末とＣｒ粉末の含有量（重量比）を、Ｍｏ＞Ｃｒとすることで、電極組織内におけるＭｏＣｒ固溶体粒子を微細かつ均一に分散させることができる。その結果、電極材料の電流遮断性能や耐電圧性能等の電気的特性が向上する。また、高導電成分相であるＣｕ部と、耐アーク成分であるＭｏＣｒ合金相の両相が均一に微細分散された構造となっているので、電極表面の接触抵抗が低下する。
すなわち、電極材料に対する耐熱元素の含有量を多くすることで、耐電圧性能及び電流遮断性能に優れた電極材料を得ることができる。Ｍｏの重量をＣｒの重量よりも多くすることで、残留Ｃｒ元素が少ないＭｏＣｒ粉末を得られるだけでなく、ＭｏＣｒ固溶体形成時におけるＣｒ粒子同士の焼結反応を抑制し、ＭｏＣｒ固溶体の粉砕が容易となり、より小さい力でＭｏＣｒ固溶体を粉砕することができる。
また、Ｃｒ粉末の粒径を４５μｍ以下とすることで、熱処理により、完全に（実質的に）Ｃｒ粒子をＭｏに固溶させることができる。例えば、Ｘ線回折測定において、Ｃｒ元素に対応するピークが実質上消失しているＭｏＣｒ粉末（すなわち、Ｃｒ元素が残留していないＭｏＣｒ粉末）を得ることができる。その結果、微細な粒径を有するＭｏＣｒ固溶体粒子が電極表面に分散された組織を有する電極材料を得ることができる。なお、Ｃｒ粉末の粒径を４５μｍ以下とすることで、熱処理によりＣｒ粒子が残留したとしても、本焼結工程（焼結工程Ｓ５）時に、ＭｏやＣｕによりＣｒ粒子はさらに微細化されるので、電極表面の接触抵抗の増加を抑制することができる。これに対して、Ｃｒ粉末の粒径が４５μｍより大きい場合、Ｍｏ粉末とＣｒ粉末の含有量が、Ｍｏ＞Ｃｒであったとしても、Ｃｒ粒子がＭｏに完全に固溶せず、Ｃｒ元素として残留することとなる。このように粒径の大きなＣｒ粒子が電極表面に存在することで、電極同士の接触抵抗が高くなるおそれがある。よって、残留するＣｒ元素が無くなるまで熱処理を行うことや、電極径を大きくすることで電極同士の接触抵抗を低減しなくてはならなくなる。
また、耐熱元素（Ｍｏ等）の平均粒子径の大きさは、耐熱元素とＣｒの固溶体粉末の粒子径の大きさを決定する一つの要因となり得る。すなわち、Ｃｒ粒子が耐熱元素粒子によって微細化され、拡散機構によって耐熱元素粒子にＣｒが拡散して耐熱元素とＣｒとが固溶体組織を形成することから、耐熱元素の粒径は、熱処理によって大きくなる。また、仮焼結によって大きくなる度合いは、Ｃｒの混合割合にも依存する。そのため、耐熱元素粉末の平均粒子径を、例えば、２〜２０μｍ、より好ましくは、２〜１０μｍとすることで、耐電圧性能及び電流遮断性能に優れた電極材料を形成するための耐熱元素とＣｒの固溶体粉末を得ることができる。
また、本発明の実施形態に係る電極材料を、例えば、真空インタラプタ（ＶＩ）の固定電極及び可動電極の少なくとも一方に設けることで、真空インタラプタの電極接点の耐電圧性能を向上させることができる。電極接点の耐電圧性能が向上すると、従来の真空インタラプタよりも固定電極と可動電極との間のギャップ長を短くでき、かつ固定電極並びに可動電極と主シールドとの間のギャップを狭めることができるため、真空インタラプタの構造を小さくすることが可能となる。その結果、真空インタラプタを小型化することができる。また、真空インタラプタを小型化することで、真空インタラプタの製造コストが低減する。
なお、本発明の実施形態の説明は、特定の望ましい実施例を例として説明したが、本発明は、実施例に限定されるものではなく、発明の特徴を損なわない範囲で、適宜設計変更が可能であり、設計変更された形態も本発明の技術範囲に属する。
例えば、本発明の実施形態の説明において、熱処理工程Ｓ２における熱処理温度は、１２５０℃−３時間の条件であるが、熱処理工程Ｓ２における熱処理温度は、１２５０℃以上かつＣｒの融点以下、より好ましくは１２５０℃〜１５００℃の範囲で行うことで、ＭｏとＣｒの相互拡散が充分に進行し、かつその後の粉砕機を用いたＭｏＣｒ固溶体の粉砕が比較的容易に行え、さらには耐電圧性能及び電流遮断性能に優れた電極材料を製造することができる。また、熱処理時間は、熱処理温度によって異なるものであり、例えば、１２５０℃では３時間の熱処理を行っているが、１５００℃では、０．５時間の熱処理で十分である。
また、ＭｏＣｒ粉末は、実施形態に記載されている製造方法により製造されたものに限定されず、公知の製造方法（例えば、ジェットミル法、アトマイズ法）で製造されたＭｏＣｒ粉末を用いてもよい。
また、本発明の電極材料は、耐熱元素、Ｃｒ、Ｃｕのみを構成要素としたものに限定されるものではなく、電極材料の特性を向上させる元素を添加してもよい。例えば、Ｔｅを添加することにより電極材料の耐溶着性を向上することができる。
１…真空インタラプタ
２…真空容器
３…固定電極
４…可動電極
５…絶縁筒
６…固定側端板
７…可動側端板
８…電極接点材（電極材料）
９…ベローズ
１０…主シールド
２…真空容器
３…固定電極
４…可動電極
５…絶縁筒
６…固定側端板
７…可動側端板
８…電極接点材（電極材料）
９…ベローズ
１０…主シールド
Claims (1)
- 耐熱元素と粒径が４５μｍ以下のＣｒ粉末を混合し、加熱して得られる固溶体を粉砕して得た固溶体粉末と、Ｃｕ粉末と、を混合した混合粉末を成形して得られる成形体を焼結した電極材料の製造方法であって、
前記電極材料は、当該電極材料に対して重量比で
Ｃｕを４０〜８０％、
Ｃｒを２〜３０％、
耐熱元素を１０〜５４％、含有し、
前記耐熱元素の含有量は、重量比でＣｒの含有量より多く、
前記固溶体粉末は、該固溶体粉末のＸ線回折測定においてＣｒ元素に対応するピークが消失している
ことを特徴とする電極材料の製造方法。
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