JPH0351250B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の技術分野］ 本発明はCu−Cr系およびCu−Ti系合金を用い
た真空バルブ用接点材料の製造方法の改良に関す
る。 ［発明の技術的背景とその問題点］ 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、耐電圧、しや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つてい
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、単一の金属種によつて全て
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、かつ大電流用あるいは高電圧用等の
ように特定の用途に適した接点材料の開発が行な
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充分バルブ用接点材料
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−Bi合金が知られている（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、しばしば偏折を生じ、しや断
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44−23751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−Bi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−Bi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
とが明らかとなつてきた。 一方、高耐圧化を指向した接点材料として、
Cu（またはAg）等の高導電成分とCrとの焼結合
金が知られている。しかしながら、Cuは極めて
酸化しやすい金属であるため、粉末あるいは成形
体の管理が重要であることはいうまでもないが、
仮焼結、溶浸時の雰囲気の条件も材料特性を左右
する。例えば、仮焼結、溶浸時の温度や時間を充
分管理して得られたCu−Cr合金でも、接触抵抗
或いは温度上昇特性にばらつきや不安定性がある
のが実情であり、これらのばらつきをなくし安定
性のあるものが望まれている。 ［発明の目的］ 本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、
接触抵抗特性および温度上昇特性を安定させ得る
真空バルブ用接点材料の製造方法を提供すること
を目的とする。 ［発明の概要］ 本発明は、充分脱ガスされ、かつ表面が清浄化
された10〜90重量％のCr又は／及びTiよりなる
耐弧性材料と、残部がCu又は／及びAgよりなる
導電性材料とから形成される真空バルブ用材料を
焼結し溶浸材を溶浸する前工程と、この前工程で
処理された真空バルブ用材料を冷却し、かつこの
冷却過程中に前記真空バルブ用材料に対して冷却
過程の冷却温度区間800℃から400℃のうち所定温
度差間100℃を真空バルブ用材料の温度上昇特性
を改善させる冷却速度毎分0.6℃から６℃でもつ
て冷却する冷却工程とを有している。又、本発明
は前工程で処理された真空バルブ用材料を冷却
し、かつこの冷却過程中に真空バルブ用材料に対
して冷却過程の冷却温度区間800℃から400℃のう
ちいずれかの温度で真空バルブ用材料の導電率を
高くする少なくとも0.25時間だけ加熱保持する加
熱保持工程とを有している。 又、本発明は前工程で処理された真空バルブ用
材料を常温まで冷却する冷却工程と、この冷却工
程終了後にこの冷却での冷却温度区間800℃から
400℃のうちいずれかの温度で少なくとも0.25時
間真空バルブ用材料を再加熱する再加熱工程とを
有している。 さらに本発明は、前工程で処理された真空バル
ブ用材料をこの真空バルブ用材料の温度上昇特性
を改善させる冷却速度で冷却する冷却工程と、こ
の冷却工程終了後に真空バルブ用材料を冷却工程
での冷却温度区間における所定温度でもつて真空
バルブ用材料の導電率を高くする時間だけ加熱保
持する加熱保持工程と、この加熱保持工程終了後
に真空バルブ用材料を冷却工程での冷却温度区間
における所定温度でもつて再加熱する再加熱工程
とを有している。 ［発明の実施例］ 以下、本発明に係る真空バルブ用接点材料の製
造方法について説明する。ここで実施例の具体的
な説明前に本発明にいたるまでの経緯について簡
単に説明する。以下の説明においては、便宜上
Cu又は／及びAgよりなる導電性材料と、Cr又
は／及びTiよりなる耐弧性材料とから形成され
た真空バルブ用材料をCu−Cr系として説明する。 研究によれば、Cu−Cr系接点材料の上記不安
定性は、Cu−Cr合金中の組成の変動、Cr粒
子の粒径、粒度分布、偏析の程度、合金中に存
在する空孔の程度に依存することが判明した。そ
して、これらの解決は原料Crの選択と焼結技術
の管理が有効であることを認めたが、より一層の
安定性の維持を向上させるためには上記、、
に加えて更に細かな焼結技術の管理が必要であ
ることが判つた。すなわち、上記特性の不安定性
はCu中にわずかに含まれるCrの量の差異と相関
性があることを見出した。つまり、Cu−Cr合金
中のCu部分に含まれるCrの量をＸ線微小分析法
による半定量法によつて推定すると前述特性が不
安定な値を示したCu−Cr合金では、一般に0.5〜
0.2wt％の範囲にばらついているのに対し後述す
る本発明技術により、安定して特性を示すCu−
Cr合金のそれは、0.2％以下代表値として0.1％以
下を示していた。この差異はCu−Cr合金の特に
焼結又は溶浸後の熱履歴に依存することを認める
と共に、この条件を細かく管理することにより
Cu−Cr合金の導電率の改良とそのばらつき幅の
縮小化に効果が大きいことを明らかにした。な
お、ここで言う焼結又は溶浸後の熱履歴とは、実
質的に接点自体が受ける冷却速度特性で代表して
表わすことができる。すなわち接点の大きさ、炉
の特性によつてばらついている冷却速度を所定条
件に管理することを指すものである。 本発明者らは、このような好ましくない前記特
性を軽減する方法として材料の導電率特性の改良
とそのばらつき幅の縮小化の効果の寄与が、その
軽減に有効であることを確認した。すなわちCu
−Cr接点合金の製造プロセスに於いて、Cu中へ
のCr又は／及びTiの浸入を極力少なくすること
が各接点間のばらつきを少なくするために好まし
いと判つた。 次に本発明の製造方法について具体的に説明す
る。 本発明に於いて使用する原料は、充分脱ガスさ
れかつ表面に清浄化されたCrおよびTi粉の両方
またはいずれか一方からなる耐弧性材料と、Cu
およびAgの両方またはいずれか一方からなる導
電性材料とから成る。なお、これらCr、Ti、Cu、
Agの他に接点用途に応じ10％程度以下のTe、
Bi、Sbなど耐溶着性材料、Ｗ、Mo、Ｖなどの耐
弧性材料を補助成分として添加してもよい。Cr、
Tiの粒径は、250μｍを越えると純Cu、Ag部同志
の接触の確率が高くなり溶着問題の点で好ましく
ないが、粒径の下限は、本発明方法の効果を発揮
させる上での粒径の下限は存在しなく、むしろ活
性度が増すなど取扱上で決定される。 また、接点合金を得る為の加熱条件はCu、Ag
の溶融点以下で完了する方式と、Cu、Agの溶融
点以上に加熱しこれを溶浸させる方式のいずれに
対してもその冷却過程又は冷却後に本発明方法に
よる条件を適用することによつてその効果を発揮
する。拡散速度の大きい後者の方式によつて得た
接点に対する寄与が大きい。 一方、スケルトンはCr、Tiのみよりなるスケ
ルトン及びCr、Tiにあらかじめ少量のCu、Agを
配合したスケルトンのいずれの場合であつても本
発明条件の適用による効果は同様に得られる。 なお、本発明における接触抵抗特性および温度
上昇特性は次のようにして求めている。接触抵抗
特性は、表面荒さを5μｍに仕上げた直径20mmの
フラツト電極と同じ表面荒さを持つ曲率半径
100Rの凸状電極とを対向させ、両電極を開閉機
構を持つ10^-5Torrの真空容器内に取付け３Kgの
荷重を与える。そして両電極間に10Aの交流を与
えたときの電位降下から接触抵抗を求める。な
お、接触抵抗値は測定回路を構成する配線材、開
閉器、測定器などの抵抗又は接触抵抗を回路定数
として含んだ値である。 一方、温度上昇特性は、上記と同じ電極条件の
電極を対向させ、10^-5Torrの真空容器のなかで
接触力30Kg、開離力20Kgで400Aの電流を20回開
閉後、固定側電極の側面にあらかじめ穿つてある
直径1.5mm、深さ４mm測定穴に熱電対を挿入し測
定したものである。尚、温度値は周囲温度約25℃
を含んだものであり、かつ電極を取りつけるホル
ダーの熱容量の影響も含んだ比較値である。数値
は、試料数３個の最大と最小を示したものであ
る。 次に本発明の第１の実施例について第１表を参
照して説明する。

【表】 まず、本発明の製造方法を適用する前工程とし
て、平均125μｍのCrを２トン／cm²の圧力で成型
して得られた成型体をカーボン容器に収納し真空
中1000℃１時間で仮焼結を行なう。この仮焼結体
の下側にCuからなる溶浸材を配置し、この後、
真空1200℃、１時間で行なう溶浸工程に移す。次
に溶浸工程終了後、接点合金素材を1200℃より冷
却する。 さて、この冷却工程では、冷却温度区間800℃
から400℃のうち所定温度差間100℃を冷却速度毎
分0.6℃から６℃でもつて冷却し、Cu−Crの温度
上昇特性を改善させる。この方法で冷却した結果
を他の条件で冷却した結果とを比較してみると、
比較例１、２に示すように、冷却温度区間1200℃
より800℃間を3.5℃／分で冷却後700℃より500℃
の間を冷却速度80℃／分〜24℃／分で冷却する
と、後述する条件で測定した温度上昇特性が100
℃近傍に上昇（特性が悪くなる）しているのに対
し、本発明のように冷却速度６℃／分〜0.6℃／
分で冷却（効果例１、２）すると、温度上昇特性
は80℃近傍かそれ以下で前者より低い（好まし
い）ことが分る。この傾向は冷却温度区間1200℃
より800℃間の冷却速度が著しく速い40℃／分と
しても同じ状態を示す（効果例３、４、５）。更
に1200℃より800℃に冷却し、それ以降の冷却が
700℃〜500℃間（効果例６）でも有効な傾向を示
すことから、冷却温度区間800℃から400℃間を任
意に選んだ100℃の温度差間を通過する冷却速度
に依存していることを示している。また接触抵抗
特性も60μΩ近傍のグループ（効果例１〜６）と
70μΩ以上のグループ（比較例１、２）に区分さ
れ温度上昇抵抗と対応している。なお、冷却速度
が0.6℃／分より遅い場合には生産性が劣る。 約５％に相当するCuを予め74μｍのTi粉に配合
し2.5トン／cm²で成形体を得て、真空中1100℃、
２時間の仮焼結して得たスケルトンの上部にCu
を配置し真空中1250℃、１時間で溶浸作業を行
う。溶浸工程終了後の冷却工程における700℃か
ら500℃までの温度区間を特に3.5℃／分（効果例
６）の冷却速度で冷却したとき同区域を24℃／分
（比較例３）の冷却速度で冷却して得たCu−Ti素
材と比較して導電率が1.35〜1.47倍向上したもの
が得た。 次に本発明の第２の実施例について第２表を参
照して説明する。

【表】 この方法は、冷却温度区間800℃から400℃にお
ける所定温度でもつて真空バルブ用材料の導電率
を高くする時間すなわち少なくとも0.25時間だけ
加熱保持するものである。具体的には、平均粒径
74μｍのCrをカーボン容器に自然充填し、水素中
900℃、１時間で仮焼結を行う。この仮焼結体の
上側に0.1％のBiを含有するCuからなる溶浸材を
配置した後、真空中1150℃、１時間で行う溶浸工
程に移す。次に溶浸工程の終つた接点合金素材を
1150℃より各保持温度まで13.3℃／分の速度で冷
却する。 さて、この冷却の後、所定の時間保持した各接
点片の温度上昇特性および接触抵抗特性を求め
た。これは本発明の方法が最良であることを示す
ためである。比較例４に示すように保持温度が
1000℃の場合、Cu中へのCrの固溶量が多く導電
率が20〜25％IACS程度であるのに対し効果例７、
８、９に示すように保持温度が800℃、600℃、
400℃ではCu中へのCrの固溶量の減少が主因とな
つて導電率が30％IACS近傍又はそれ以上に向上
する。また、効果例10、11に示すように保持温度
を700℃に一定として保持時間の影響を考察する
と効果例10、11のように、１〜0.25時間では30％
IACS近傍又はそれ以上の導電率を示しているの
に対して比較例５に示すように保持時間0.1時間
ではCu中へのCrの固溶状態が未だ維持されてい
ることにより導電率30％IACS以下である。温度
上昇特性も導電率の差異と対応し80℃以下のグル
ープ（効果例７〜11）と90℃以上のグループ（比
較例４、５）に区分される。また、接触抵抗特性
も同様に60μΩ以下のグループ（効果例７〜11）
と70μΩ以上のグループ（比較例４、５）に区分
された。保持温度が400℃より低い場合には一層
の長い保持時間を要するため得策でない。又、第
２表に示すCu−Ti合金においてほぼ同じCu含有
量の接点（効果例12）、（比較例６）のように保持
時間の差異で導電率、温度上昇特性、接触抵抗特
性に差がみられ、Cu−Ti合金においても本発明
効果が奏せられる。 次に本発明の第３の実施例について第３表を参
照して説明する。

【表】 この方法は、真空バルブ用材料の冷却過程終了
後冷却温度区間400℃から800℃までのうちいずれ
かの再加熱温度で少なくとも0.25時間再加熱する
ものである。具体的に説明すると、平均粒径44μ
ｍのCu粉の上部にCu塊を設置し一体としてカー
ボン容器に収納し、真空中950℃、３時間の仮焼
結後、冷却せず引続き真空中125℃に昇温し１時
間の溶浸作業を行う。次に常温まで24℃／分の平
均冷却速度で冷却し接点素材を得る。 この接点素材を常温から第３表に示すように各
所定の保持温度まで再加熱したところ再加熱温度
400℃以上800℃の間での再加熱によつて、再加熱
前の導電率が26.0〜30.9％IACS程度であつたも
のがCuからのCrの析出によつて40％IACS近傍に
増加した（効果例16〜18）。しかしさらに再加熱
温度を900、1000℃に増加すると、若干の増加は
示すものの導電率は30％IACS近傍に止まつた
（比較例８〜９）。なお、比較例10に示すように再
加熱温度が200℃ではCu中からのCrの移動が未だ
十分行なわれず本実験加熱時間内では効果が認め
られなかつた。以上のことは前述したようにCu
中のCrの存在量とよく対応している。温度上昇
特性は、70℃近傍又はそれ以下のグループに分別
され、それぞれ導電率の挙動と対応している。ま
た、接触抵抗特性も同様に50μΩ近傍のグループ
（効果例16〜18）と60μΩ近傍又はそれ以上のグ
ループ（比較例８〜10）に分別され、夫々導電率
の挙動と対応している。再加熱中の保持時間は効
果例13〜15に示すように0.25時間以上ならば37％
IACS以上の導電率で70℃近傍又はそれ以上の温
度上昇特性さらに50μΩ以下の接触抵抗特性を維
持するのに対し、比較例７のように保持時間0.1
時間では十分な前記特性が得られない。 又、Cu−Ti合金に於て第３表に示すように同
じCu−Ti接点を用い再加熱処理時の保持温度が
700℃（効果例19）と1000℃（比較例11）では前
者の方が同表のように諸特性が優れ、本発明の効
果が認められた。 以上から冷却終了後の再加熱処理によつて特性
の改善が可能であるが、その温度は400℃〜800℃
の間で、かつその保持時間は0.25時間以上を要す
ることが判明した。 次に本発明の第４の実施例について第４表を参
照して説明する。

【表】 この製造方法は、溶浸工程終了後の真空バルブ
用材料に対して加熱保持工程および再加熱工程を
加えたものである。すなわち、149μｍCr粉と同
一径のCu粉を95：５の割合で混合したものを1.5
トン／cm²で成型した真空中1150℃で仮焼結を行な
い、この後アルミナボートに0.1％のSbを含有し
たCu合金塊と共に挿入し真空中1200℃で溶浸を
行う。この溶浸終了後1200℃から800℃までを24
℃／分で冷却後、冷却温度区間800℃〜600℃の間
を効果例３のように冷却速度3.5℃／分により更
に600℃まで冷却する。この冷却のとき効果例７
に示したように保持温度600℃を用いて作製した
ところ、効果例20に示すように安定した諸特性が
得られた。この後、上記の試料を冷却後500℃で
再加熱したが同様に安定した特性が得られた（実
施例21）。以上の結果から溶浸工程終了後の冷却
速度を所定条件に調節した上で、更に加熱保持工
程および再加熱処理工程を重畳させることは、特
性の一層の向上・安定に有効であつた。 以上説明したように本発明の実施例においては
冷却温度区間800℃から400℃のうち所定温度差間
100℃を冷却速度毎分0.6℃でもつて冷却する冷却
手段、冷却温度区間800℃から400℃のうちいずれ
かの温度で少なくとも0.25時間だけ加熱保持する
加熱保持手段および冷却温度区間400℃から800℃
のうちいずれかの温度で少なくとも0.25時間だけ
再加熱を行なう再加熱手段とを有し、これら各手
段のうちいずれか１手段または組合わせて製造を
行なうので、Cu−Cr合金の温度上昇特性および
接触抵抗特性を向上させ、かつ安定性をも向上さ
せることができる。この結果、真空バルブ用接点
材料として要求される特性を全て満足することが
でき最良の接点材料を得ることができる。 なお、本発明は上記実施例に限定されるもので
はない。例えばCuの一部または全部をAgに換え
ても上記実施例と同一の効果を奏することができ
る。 以上説明したように本発明の実施例によれば
Cu−Cr合金の温度上昇特性および接触抵抗特性
を向上させ、かつ安定性をも向上させることがで
きる。この結果、真空バルブ用接点材料としての
要求される特性を全て満足することができ最良の
接点材料を得ることができる。 なお、本発明は上記実施例に限定されるもので
はない。例えばCuの一部または全部をAgに換え
ても上記実施例と同一の効果を奏することができ
る。 又、本発明の効果はCu（Ag）とCr（Ti）との比
率が極めて広範囲の合金に対して奏することが判
明された。これに対して真空バルブ用接点材料の
他の特徴、例えばしや断性能の面から90％以上の
Cr（Ti）、耐溶着性の面から90％以上のCu（Ag）
の合金は避けるのが良い。 ［発明の効果］ 以上詳記したように本発明によれば、接触抵抗
特性および温度上昇特性を安定させ得る真空バル
ブ用接点材料の製造方法を提供できる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 充分脱ガスされ、かつ表面が清浄化された10
   〜90重量％のCr又は／及びTiよりなる耐弧性材
   料と、残部がCu又は／及びAgよりなる導電性材
   料とから形成される真空バルブ用材料を焼結し溶
   浸材を溶浸する前工程と、この前工程で処理され
   た前記真空バルブ用材料を冷却し、かつこの冷却
   過程中に前記真空バルブ用材料に対して前記冷却
   過程の冷却温度区間800℃から400℃のうち、所定
   温度差間100℃を前記真空バルブ用材料の温度上
   昇特性を改善させる冷却速度毎分0.6℃から６℃
   でもつて低下する冷却工程とを有することを特徴
   とする真空バルブ用接点材料の製造方法。 ２ 充分脱ガスされ、かつ表面が清浄化された10
   〜90重量％のCr又は／及びTiよりなる耐弧性材
   料と、残部がCu又は／及びAgよりなる導電性材
   料とから形成される真空バルブ用材料を焼結し溶
   浸材を溶浸する前工程と、この前工程で処理され
   た前記真空バルブ用材料を冷却し、かつこの冷却
   過程中に前記真空バルブ用材料に対して前記冷却
   過程の冷却温度区間800℃から400℃のうち、いず
   れかの温度で前記真空バルブ用材料の導電率を高
   くする少なくとも0.25時間だけ加熱保持する加熱
   保持工程とを有することを特徴とする真空バルブ
   用接点材料の製造方法。 ３ 充分脱ガスされ、かつ表面が清浄化された10
   〜90重量％のCr又は／及びTiよりなる耐弧性材
   料と、残部がCu又は／及びAgよりなる導電性材
   料とから形成される真空バルブ用材料を焼結し溶
   浸材を溶浸する前工程と、この前工程で処理され
   た前記真空バルブ用材料を常温まで冷却する冷却
   工程と、この冷却工程終了後にこの冷却での冷却
   温度区間800℃から400℃のうち、いずれかの温度
   で少なくとも0.25時間前記真空バルブ用材料を再
   加熱する再加熱工程とを有することを特徴とする
   真空バルブ用接点材料の製造方法。 ４ 充分脱ガスされ、かつ表面が清浄化された10
   〜90重量％のCr又は／及びTiよりなる耐弧性材
   料と、残部がCu又は／及びAgよりなる導電性材
   料とから形成される真空バルブ用材料を焼結し溶
   浸材を溶浸する前工程と、この前工程で処理され
   た前記真空バルブ用材料をこの真空バルブ用材料
   の温度上昇特性を改善させる冷却速度で冷却する
   冷却工程と、この冷却工程終了後に前記真空バル
   ブ用材料を前記冷却工程での冷却温度区間におけ
   る所定温度でもつて前記真空バルブ用材料の導電
   率を高くする時間だけ加熱保持する加熱保持工程
   と、この加熱保持工程終了後に前記真空バルブ用
   材料を前記冷却工程での冷却温度区間における所
   定温度でもつて再加熱する再加熱工程とを有する
   ことを特徴とする真空バルブ用接点材料の製造方
   法。