JPH0653907B2 - 真空バルブ用接点材料 - Google Patents

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、特に電流さい断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断現
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_Ｓは回路のサージインピーダンスＺ_Ｏと、電
流さい断値Ｉ_Ｃの積、すなわちＶ_Ｓ＝２Ｚ_ＯＩ_Ｃで表わ
される。従って、異常サージ電圧Ｖ_Ｓを低くするために
は電流さい断値Ｉ_Ｃ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
流さい断特性を発揮している。

また、前記電流さい断特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重量％としたもの（特公昭
３５−１４９４号公報）は、その適度な蒸気圧特性を有
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、結晶粒界に編析して存在する結果、合金自体を
脆化し、低い溶着引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
たため真空バルブには一層の安定した電流さい断特性を
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−Ｂｉ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、この結果電流さい断特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の持つさい断特性を改良した合金（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−Ｂｉ接点合金においては、Ｂｉ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、電流さい断特性の安定性
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、Ｂｉ、Ｐｂ、
Ｔｅ、Ｓｅ、Ｓｂの少なくとも１種を０．１〜１０重量
％含有することもできる。

（発明の具体的説明） 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はしゃ断室を示し、このしゃ断室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とで真空密に構成されている。しかして前
記しゃ断室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
ゃ断室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。又、前記電極
７，８を覆うようにしゃ断室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にろう付部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。

電流さい断特性の改善には、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。前記電流さい断現象は、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断現象が緩和できることが判明
した。Ｃｕ−Ｂｉ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
付け作業時に、Ｂｉの溶融による移動、凝集の結果、電
流さい断特性を維持すべき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−Ｂｉ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断現象の緩
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、電流さい断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−Ｂｉ合金及びＡｇ−ＷＣ合金（Ａ
ｇ−耐火材料系）の２つの考察結果は、電流さい断特性
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上で、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、電流さい断特性の安定
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、ＷＣ，Ｃｏ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、ほと
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
断特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断現象
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特
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−Ｗ
Ｃ−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、前記さい断現象とは逆に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、電流さい断現象の緩和と、大電流しゃ断特
性との両立は本来的に困難であり、本発明に於いては電
流さい断特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Ｃｏ_３Ｗ_３Ｃ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、４０〜６０ｗｔ％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
さい断特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重量％であり、さらの好ま
しくは５〜１５重量％である。

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、
電流さい断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、電流さい断特性以外にしゃ断特性及び接点抵抗の安
定性を加味すると、Ａｇの含有量は、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、所定粒系のＡ
ｇ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−５０℃以下の水素雰
囲気或いは真空度が、１×１０^-3Torr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Ｔｅ、Ｂｉ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，Ｃｏ，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、低電流さい断特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）より電流さい断特性は向上するが
特にＣｕ−Ｂｉ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 平均粒系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／cm
²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−Ｃｏ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素材（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）たとき、同合金中のＷ
Ｃ，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Ｃ
ｏＷＣ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特性を示している。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０．５〜１０
μｍであっても電流さい断特性は実施例−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Ｃｏ量を略々８〜９ｗｔ％の場合（実施例
−４）、１５ｗｔ％の場合（実施例−２）、３０ｗｔ％
の場合（実施例−３）に於ても、合金中の全Ｃｏ量に対
する純Ｃｏ量の比率が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特性が
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。Ｃ
ｏ量が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Ｃｏ量の略々９
０％以上が純Ｃｏであることは、Ｘ線回析によってその
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。

これらのしゃ断特性の相対値も第１表に併記した。第１
表のように、電流さい断特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ＣｏＷ相を形成しているもので、３．６ＫＶ×１６
ＫＡ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７．２ＫＶ×２０ＫＡのしゃ断
責務に対しても（４号責務Ｏ−ＣＯ−ＣＯ及び５号責務
Ｏ−Ｏ−Ｏ）合格している。しかし電流さい断特性の高
性能化を優先、重視する製品に適用する要求に応ずるた
め、電流さい断特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表に示したしゃ断特性に於いて３．６ＫＶ×１６ＫＡ
より上のランクで７．２ＫＶ×２０ＫＡでしゃ断特性を
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特性を確保させる
観点から電流さい断特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てあ
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２０mmＲで接
触圧力は１０kgである。

しゃ断評価：直径７５mm、厚さ５mm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−１６ＫＶ
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、電流さい断特性の
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……しゃ断室、２……絶縁容器、５，６……導電棒、
１３ａ，１３ｂ……接点。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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。