JPH0193018A - 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、真空バルブに係り、特に耐溶着特性を改良し
た真空バルブ用接点材料に関する。

（従来の技術） 真空バルブ用接点材料に要求される特性とじては、耐溶
着、耐電圧、遮断に対する各性能で示される基本三要件
と、この他に温度上昇、接触抵抗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、実用されている多くの接点材料においては。

不足する性能を相互に補えるような２種以上の元素を組
合せ、かつ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、それなりに優れた
特性を有するものが開発されているが、さらに強まる高
耐圧化および大電流化の要求を充分満足する真空バルブ
用接点材料は未だ得られていないのが実情である。

たとえば、大電流化を指向した接点材料としてＢｉのよ
うな溶着防止成分を５％以下の量で含有するＣｕ　−Ｂ
ｉ金合金知られている（特公昭４１−１２１３１号公報
）が、Ｃｕ母相に対するＢｉの溶解度が極めて低いため
、しばしば偏析を生じ、遮断後の表面荒れが大きく、加
工成形が困難である等の問題点を有している。

また、大電流化を指向した他の接点材料として。

Ｃｕ　−Ｔｅ合金も知られている（特公昭４４−２３７
５１号公報）。　この合金は、Ｃｕ　−Ｂｉ系合金が持
つ上記問題点を緩和してはいるが、Ｃｕ−Ｂ１系合金に
比較して雰囲気に対し、より敏感なため接触抵抗等の安
定性に欠ける。

さらに、これらＣｕ−Ｔｅ、　Ｃｕ−Ｂ１等の接点の共
通的特徴として、耐溶着性に優れているものの、耐電圧
特性が従来の中電圧クラスへの適用には充分であるとし
ても、これ以上高い電圧分野への応用に対しては、必ず
しも満足でないことが明らかとなってきた。

一方、Ｃｒを含有したＣｕ　−Ｃｒ合金が真空バルブ用
接点材料として、知られている。この接点合金は。

高温下でのＣｒとＣｕとの熱特性が好ましい状態で発揮
されるため、高耐圧大電流用として優れた特性を有して
いる。すなわち、Ｃｕ　−Ｃｒ合金は、高耐圧特性と、
大容量遮断とを両立させ得る接点として、多用されてい
る。

しかしながら、Ｃｕ−Ｃｒ合金は、遮断器用接点材料と
して一般に多用されている上記Ｂｉを５％程度以下添加
したＣｕ　−Ｂｉ接点と比較して、耐溶着特性が大幅に
劣っている。

溶着現象とは、接点同志の接触面に発生するジュール熱
によって接点材料が溶融し、その後凝固する場合と、開
閉の瞬間に発生するアーク放電により接点材料が気化し
、その後凝固する場合の２通りに於いて発生する。Ｃｕ
　−Ｃｒ合金に於ては、何れの場合も凝固する段階に於
いて、ＣｒとＣｕが１μｓ以下の微粒子となり、互に入
り乱れた状態で数μｍから数百μｓ程度の層を形成する
。一般に、組織の微細化は、材料の強度向上に寄与する
要因の一つであるり、この場合も例外ではない。しかし
て、この微細Ｃｕ−ＣｒＭの強度が、Ｃｕ　−Ｃｒ合金
のマトリクスの強度に優り、かつ、マトリクス強度が設
計された引外し力を超えた時に溶着が発生する。

従って、Ｃｕ−Ｃｒ材料を用いた真空バルブを駆動させ
る操作機構は、Ｃｕ−Ｂ１に比べ、引外し力を大きく設
計する必要があり、小型化や経済性の点で困難がある。

そこで、Ｃｕ−Ｃｒ合金に上記Ｂｉ、　Ｔｅなどの金属
を添加したＣｕ　−Ｃｒ　−Ｂｉ金合金どが知られてい
る。この合金によって耐溶着性は、著しく向上するが、
ベーキングやろう付けなどの加熱処理時の条件によって
蒸発するＢｉ量が異なるため、耐溶着性にばらつきが存
在している。

（発明が解決しようとする問題点） 上記したように、Ｃｕ又は／及びＡｇ　−Ｃｒ接点を具
備した真空バルブは、大容量遮断に対し耐溶着特性が充
分でない。

そこで１本発明の目的は、耐溶着特性の優れ接点の溶着
用外力を低減し、真空遮断器の信頼性の向上や小型化を
図っ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） 本発明は、成分組成が、Ｃｕ又は／及びＡｇよりなる高
導電材料とＣｕからなる耐弧材料で構成される接点材料
であって、マトリクス内部に微細な空隙を多数形成した
ことを特徴とするものである。

なお、実施態様は、次の通りである。

■　上記微細な空隙の最大寸法は、１００−以下で好ま
しくは５μＩ以下としたものである。

■　上記微細な空隙の占める体積は、全体積の０．５〜
２０ｖＯ℃％としたものである。

（作　用） 上記した手段のように、Ｃｕ　（又は／及びＡｇ）とＣ
ｒよりなる合金に於いて、ＣｒとＣｕ　（又は／及びＡ
ｇ）境界面、Ｃｒ粒子内またはＣｕ　（又は／及びＡｇ
）内部に微細な空隙を多数有するため、接点合金の強度
は、従来レベルより劣ることになる。しかし、接点の接
触面で発生するジュール熱又は／及び開閉時に発生する
アーク放電によりＣｕ及びＣｒの微細粒子が入り混じっ
た強固な溶着層が部分的に発生したとしても、上記した
ようにマトリクス内部の強度は低下しているため、溶着
層近傍のマトリクスから両接点間のはく雛が生じ溶着を
防止できる。

（実施例） 以下１本発明の詳細な説明するが、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。

第１図は、本発明に係る接点材料を適用する真空バルブ
の構成例を示すもので、同図に於いて、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、この両端に封止金具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。しかして、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。また、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、第２図に拡大して示すように。

導電棒６にろう封部１２によって固定されるか、または
、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で固着されている。

なお、第１図における１３ｂは固定接点である。

本発明の接点材料は、上記したような接点１３ａ。

１３ｂの双方、または何れか一方を構成するのに適した
ものである。

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。

本発明者らの研究によれば、Ｃｕ　−Ｃｒ接点材料の溶
着現象は、■接点同志の接触面に発生するジュール熱に
より接点材料が溶融し、その後凝固する場合、■遮断器
の開閉の瞬間に発生するアーク放電により接点材料が気
化し、その後凝固する場合の一方または相互作用によっ
て発生する。何れの場合も、凝固する段階に於いてＣｒ
とＣｕが１ｔＩＩＢ以下の微細粒子となり、互いに入り
乱れた状態で数ｐ程度の層を形成する。一般に、組織の
微細化は、材料の強度向上に寄与する要因の−っであり
、この場合も例外ではない。しかして、この微細なＣｕ
−Ｃｒ層の強度がＣｕ　−Ｃｒ合金のマトリクス強度に
優り、かつ、マトリクス強度が設計された引外し力を超
えたときに溶着が発生する。

本発明者らは、Ｃｕ　−Ｃｒ合金の耐溶着性の向上を図
るために、マトリクス内部に微細な空隙を多数形成する
ことにより、マトリクス強度を低下させることを見出し
た。

真空バルブ用接点材料に要求される特性としては、耐溶
着性の他に、耐電圧特性、遮断特性がある。

本発明者らの研究によれば、微細空空隙の寸法は、耐溶
着性、耐電圧特性に顕著な影響を与えることが判明した
。空隙寸法が１００声を超えたときは、耐溶着性の向上
は見られるもののそのばらつきが大きい。また、耐電圧
性のばらつきが大きく、好ましくない。一方、空隙寸法
を５ｔＩｍと小さくしたときは、耐溶着性も改善され、
かつ、その値にばらつきが少なく、耐電圧特性の低下も
全く見られない。したがって、本接点内に於ける空隙寸
法は、１１００ｕ以下が好ましくは５−以下が望ましい
。

また、本発明者らの研究によれば、微細空隙のマトリク
ス内部に占める体積％は、大き過ぎても小さ過ぎても好
ましくないことが判明した。

つまり、微細空隙は、真空バルブ用接点材料の耐溶着性
に対しては効力を発揮する。しかし１水接点材料の基本
的特性としては、耐溶着性の他に耐電圧特性、耐遮断性
が要求される。

この耐電圧特性は、接点材料の空隙率に著しい関係のあ
ることが判明した。全体の傾向として空隙率の増加は、
耐電圧特性の低下をもたらす。そして、その耐電圧特性
の低下は、空隙率２０％を超えた時点から著しいものと
なり、空隙率３０％では全く使用不可の状態となる。

また、０．５％以下の体積空隙率では、クラックの起点
が少ないため、耐溶着性の向上が見られない。

以上の研究結果から、体積空隙率は、０．５〜２０％が
望ましい。

次に、この接点材料の製造方法の一例について説明する
。所定粒径のＣｒを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−５０”Ｃ以下の水素
雰囲竺または真空度が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Ｃｕ又は／及びＡ
ｇを例えば１０５０℃Ｘ　１時間で溶浸し、Ｃｕ又は／
及びＡｇ−Ｃｒ合金を得る。溶浸は、主として真空中で
行うが、水製中でも行ない得る。

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、Ａｇ又は／及びＣｕの蒸発が激・　しく、
その成分量の制御が困難となる。しかし、炉の性能、ま
たは−度に熱処理する材料の量、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Ｃｕ又は
／及びＡｇ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’Ｃ以上
の温度の選択はＣｕ又は／及びＡｇ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、原料または成形体の脱ガス
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１００
０℃を、Ｃｕの場合には１１００℃を必要とする。

この後、型プレスにて据込加工し、内部に微細空隙を形
成する。プレス圧力５Ｔｏｎ／ａ（程度で５０％程度の
据込比を得る。ここで、据込比とは、プレス前高さに対
するプレスによる素材高さの変形量である。

上記したような工程で製造された材料は、材料内部に所
定寸法の微細空隙を多数有するため、接点間に溶着を招
いそもその近傍の微細空間の連続的結合により、接点と
しての溶着を防止できると考えられる。

従って、本発明の接点材料は、耐溶着性に優れたもので
、真空バルブ用接点材料として最適である。

以下に、本発明の接点、材料を評価したときの条件、方
法を説明する。

藍１笠血 外径２５ｎｎ＋φの一対の円板状試料に外径２５ｍ＋＋
φ先端が１０ＯＲの球面をなす加圧ロッドを対向させ。

１００ｋｇｆ（７）荷重を加え１０−’ｎｍＨｇ（７）
真空中におイテ５０Ｈｚ、　２０ＫＡの電流を２０ミリ
秒間通電し、その時の試料−ロッド間の引外しに必要な
力を測定し耐溶着性の判断をした。なお、評価は、比較
例２に示した空隙率０％のＣｕ　−Ｃｒ合金の溶着用外
し力を１．００としたときの相対的な値で比較した。表
には上記接点数３個の測定値におけるばらつき幅を示す
。

耐電圧特性 各接点合金についてパフ研摩により鏡面仕上したＮｉ針
を陽極とし、同様に鏡面仕上した各試料を陰極とし１両
極間のギャップを０．５ｎｏとし、１１０−６ｎｎＨの
真空において徐々に電圧を上げ、スパークを発生したと
きの電圧値を測定し、静耐圧値を求めた。表に示す測定
データは、３回の繰返しテストを行なった時のばらつき
値を含め、空隙率Ｏ％のＣｕ−Ｃｒ合金の静耐圧値を１
．００としたときの相対的な値で示した。

次に、上記のように製造された各接点材料について検討
し、その最良値を求める。

例１〜５、比較例３ 空隙寸法に対する耐溶着性、耐電圧特性を調査するため
に、平均粒径の異なるＣｒ粉を用意する。

空隙寸法は、使用するＣｒ粒径によりある程度決定され
る。平均粒径２５ｔｕＭのＣｒ粉末を成形・焼結し、Ｃ
ｕを溶浸させ、その後プレスによる加圧で空隙率５％を
目標に接点材料を製作した（実施例１）。

また、Ｃｒ粉末平均粒径４５．９０．１０５．２０５．
３５０μｓについても、同様の工程で接点材料を製作し
た（実施例２〜５、比較例３）。

これらの特性を表に示す。

合金中の高導電材料Ｃｕの量や空隙体積％がほぼ同等で
あるにもかかわらず、耐溶着性、耐電圧特性に著しい差
が生じてきた。

つまり、形成される空隙寸法は、上記したように使用す
るＣｒ粉末寸法によっである程度は決定されるが、その
空隙寸法の違いにより耐溶着性、酎電圧特性が大きく左
右される。

空隙寸法が１００．以下の場合（実施例１〜５）には、
空隙のないＣｕ−Ｃｒ接点材料（比較例２）に比べて、
耐溶着性は、０．３〜０．７と向上し、そのばらつきも
小さく、かつ耐電圧特性も従来のものに比較して０．８
〜１．０と若干の低下はあるものの、実用上の問題はな
い。一方、空隙寸法が１３５ｔｍ以下の場合（比較例３
）には、耐溶着性の向上はみられるものの、そのばらつ
き幅が大きく、かつ耐電圧特性のばらつきも大きいので
、信頼性の面で実用上に問題がある。また、空隙寸法が
５μｍ以下の小さい場合（実施例１）には、耐溶着性の
向上に加えてそのばらつきも小さく、耐電圧特性も従来
のもの（比較例２）と同等である。

従って、空隙寸法は、１００μｓ以下、好ましくは５−
以下が望ましい。

−例４，６〜７．比較例４〜６ 接点の空隙率に対する耐溶着性、耐電圧特性を調査する
ために、Ｃｒ粒径、一定、空隙寸法一定、かつＣｕ／Ｃ
ｒ一定のもとで、空隙体積％が０．３〜３１．０％とな
る様に上記と同様な方法で接点素材を製作した（比較例
４〜６、実施例４，６〜７）。

表から分かるように、空隙体積％の増加に伴い耐溶着性
は向上する。空隙体積％が０．３％の場合には、耐溶着
性、耐電圧特性とも従来のもの（比較例２）と大差はな
い。空隙体積％が０．７．４．５゜１８．５％の場合に
は、空隙体積％の増加に伴い耐溶着性が向上し、ばらつ
きも少ない。耐電圧特性も従来のものに比べて０．８〜
１．１と実用上問題ないと言える。一方、空隙体積が２
３．５．３１．０の場合（比較例５，６）には、耐溶着
性に関しては、前述の場合より良好であるが、耐電圧特
性が異常に低下し、そのばらつきも大きくなって使用上
有害となる。

従って、接点材料の空隙体積％は、特性上重要なパラメ
ータであり、　その範囲は０．５〜２０体積％が望まし
い。

去ｍ−亀 高導電材料としてＣｕの場合について示したが、Ａｇの
場合（実施例８）やＡｇ　−Ｃｕ合金の場合（実施例９
）でも、耐溶着性が従来のもの（比較例２）に比べて改
善が見られる。

以下余白 〔発明の効果〕 本発明は、上記した実施例の結果からも理解されるよう
に、耐溶着特性が著しく向上している点できわめて優れ
ており、真空遮断器の信頼性の向上や小型化に大きく功
献するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用される真空バルブの断面図、第２
図はその接点部の拡大断面図である。 １・・・遮断室　　　　　　２・・・絶縁容器５．６・
・・導電体　　　　　７，８・・・電極１３ａ、１３ｂ
＝−接点 （８７３３）代理人弁理士　猪　股　祥　晃（ほか１名
）第１図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）成分組成がＣｕ又は／及びＡｇよりなる高導電材
   料と耐弧材料であるＣｒから構成される接点材料であっ
   て、マトリクス内部に微細な空隙を多数形成したことを
   特徴とする真空バルブ用接点材料。
2. （２）微細な空隙の寸法を１００μｍ以下とした特許請
   求の範囲第１項記載の真空バルブ用接点材料。
3. （３）微細な空隙の占める体積は全体積の０．５〜２０
   Ｖｏｌ％とした特許請求の範囲第１項または第２項記載
   の真空バルブ用接点材料。