JPS5916367B2 - シリコンカ−バイド複合電気接点材料とその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、シリコンカーバイド複合電気接点材料とその
製造方法に関するものである。

一般に電気接点材料（以下単に接点材料と称力としては
使用時の消耗が少ないこと、接触抵抗が少なくかつ安定
であること、耐溶着性に優れていることなどが要求され
る。

実際の接点材料としては下記の如きものが用℃・られて
おり、それぞれの特長ならびに欠点をもつて〜・る。銀
は最高の電気および熱伝導度をもち、容易に変形し種々
の形状の接点にすることができ、低接触抵抗を長時間保
持することができるが、一方銀の欠点は融点が９６０℃
で低く、硬さが小さく、かつ硫化皮膜を生じ易〜・こと
である。

これらの欠点は銅、カドミウム、ニツケル、マンガン、
パラジウムなどの元素を合金させることによつて少なく
することができる。また白金、パラジウム、金およびそ
れらの合金はアークによつて起こされる局部的な高温に
よる酸化に対して強く、長期間低接触抵抗を保持する特
徴がある。合金される元素は前記長所が失われな℃・よ
うにするため、他の白金属元素イリジウム、ルテシウム
、オスミウム、ロジウムなどが使用されるが、銀、金、
バラジウムも多く合金される。パラジウムは白金属中で
最も白金に近く、特に硫化に対して強（・ｏタングステ
ンは最高の融点をもち、「切」、「入」の間に融解した
り沸騰したりする心配がなく、アークに対して強い特徴
がある。

モリブデンは銀とタングステンの中間の聾性をもち、耐
摩耗性が要求される時に銀の代用として、また低接触抵
抗を要求される場合にはタングステンの代りとして用Ｌ
・られる。以上のほかに、Ａｇ系接点材料としてＡｆｌ
ｒ−Ｎｉ（Ｎｉ５ｆ！）以下）、Ａｇ−Ｃｄ；Ｃｕ系接
点材料としてＣｕ−Ｃｄ．．Ｃｕ−Ｂｅ（Ｂ５％以下）
、Ｃｕ−Ｐｂ，Ｃｕ−Ｂｉ，Ｃｕ−Ｓｎ（Ｓｎ＋８（Ｆ
６），Ｃｕ−Ｚｎ（Ｚｎ＋３５％）；Ａｕ系接点材料；
Ｐｔ系接点材料としてＰｔ−エｒ（そ（Ｆ．ｔＯ・〜７
０％）、Ｐｔ−０ｓ−１ｒ，．Ｐｔ−Ｒｈ，．Ｐｔ−Ｒ
ｈ；その他の接点材料としてＲｅ；など高（゛導電率と
溶解しにく（・接点材料として高導電度の銀あるＬ・は
銅と難容融耐アーク性の強℃゛タングステンある℃・は
炭化タングステンとをそれぞれ混合して両者の特徴を焼
結後も保有させたもの、ある（・は銀あるＬ・は銅にニ
ツケル、酸化カドミウム、黒鉛などを組合せたものが多
く使用され、焼結合金接点材料と称せられている。

接点材料は、使用電流、電圧などによつて前記の材料が
選択使用されて（・るわけであるが、電気良導性金属で
ある金、銀、銅などを主成分とする材料は耐摩耗性が少
なくて消耗により長期の寿命がなく、一方難融金属であ
る白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、オスミウ
ムあるいはこれらを主成分とする合金は耐摩耗性が大ぎ
く、二接触低抗も小さ（・が、価格が高（・欠点があり
、したがつてその用途が限られている。

また前述の如くタングステン、モリブデンも難溶融で低
接触抵抗を有するため各方面に用（・られているが、価
格が高い欠点がある。このため高電導率と溶解しにくい
焼結合金接点材料が近時開発されて℃・るが、タングス
テンあるいは炭化タングステンとを焼結したものは、炭
化タングステンの価格が高いことから難溶耐アーク性を
強化するため炭化タングステンの配合を増すほど高価と
なる欠点があり、また銀あるいは銅にニッケル、酸化カ
ドミウム、黒鉛などを組合せたものは銀あるいは銅単体
に比しては良好な耐摩耗性を有するためそれぞれの用途
に使用されるが、未だ十分な耐摩耗性を発揮するには至
つて（・な（・。

本発明は、従来知られて℃・る接点材料がその個有特性
上使用条件に一応適合する分野にお（・て使用されては
いるが、さらに長期の使用に耐え、かつ安価な材料を提
供することを目的とするものであり、さらに使用される
条件から従来例えば白金、パラジウム、イリジウム、ル
テシウム、ロジウムその他高価な接点材料の使用を余儀
なくされていた分野に対し、安価で充分使用に耐える新
規な接点材料を提供することを他の目的とするものであ
る。本発明は、前記諸目的を達成するため、主として超
微細結晶粒子のシリコンカーバイドからなる粉ある℃・
は超微細詰晶粒子シリコンカーバイドからなる繊維を従
来用いられている接点材料に複合させた新規な複合接点
材料を提供しようとするものである。

次に本発明を詳細に説明する。

本発明にお（・て有利に使用することのできるシリコン
カーバイド繊維は、本発明者らが先に特許出願した特願
５０−５０５２９号、特公昭５７一５３８９１号公報、
同−５２４７１号、特開昭５１−１３０３２４号公報、
同−５２４７２号、特公昭５７−５３８９２号公報、同
−５８０３３号、特開昭５１−１４９９２５号公報、同
一５８０３４号、特開昭５１−１４９９２６号公報、同
−７０３０２号、特公昭５７−５３８９３号公報、同−
JモV２１９号、特公昭５７−５６５６６号公報発明によ
り製造することができる。

すなわち炭素とケイ素を主な骨格成分とする有機ケイ素
高分子化合物よりなる紡糸を酸化性雰囲気中で低温加熱
した後、６００〜１０００℃の温度範囲内で予備加熱し
、さらに真空中、ある（・は不活性ガス、ＣＯガス、水
素ガスのうちから選ばれる〜・づれか１種または２種以
上の雰囲気中で１０００〜２０００℃の温度範囲内で高
温焼成してなるシリコンカーバイド繊維である。また本
発明において有利に使用することのできるシリコンカー
バイド粉は、前記炭素とケイ素を主な骨格成分とする有
機ケイ素高分子化合物を６００〜１０００℃の温度範囲
内で予備加熱し、さらに真空中、ある（・は不活性ガス
、ＣＯガス、水素ガスのうちから選ばれる℃・づれか１
種または２種以上の雰囲気中で１０００〜２０００℃の
温度範囲内で高温焼成してなる焼結塊を適当な手段で微
粉砕してなるシリコンカーバイドの粉末である。

本発明にお（・て、本発明の接点材料の製造に当り、シ
リコンカーバイド粉あるいは繊維を複合させる際に１０
００℃以上に該粉ある℃゛は繊維が加熱される機会があ
る場合には、必ずしも高温焼成したシリコンカーバイド
粉あるいは繊維を使用しなくても良く、かかる場合には
予備加熱したシリコンカーバイド中間体粉ある繊維を使
用し、複合させるため１０００℃以上の加熱により前記
中間体をＳｉＣ微細結晶からなる粉ある℃・は繊維とな
すことができるので有利である。

特にシリコンカーバイド高温焼成体よりシリコンカーバ
イド予備焼成中間体は極めて微粉砕し易（・ので、有利
に使用することができる。

本発明にお℃・て有利に使用することのできる前記シリ
コンカーバイド繊維は下記第１表に示す如き性状を有す
るものである。

前記シリコンカーバイド粉および繊維を構成する結晶粒
子の粒径はこれを製造する際の高温焼成温度によつて異
なり、この温度が１１００℃のときの平均粒径は約２０
λ，１２００℃のときは約３０λ、１５００℃のときは
約８０λと焼成温度が高くなるに伴れ、その平均粒径は
大きくなるが従来知られたＳｉＣを構成する結晶粒より
比較を絶するほど超微粒である。

一方例えばシリコンカーバイド繊維の引張強度は焼成温
度が高いと減少する。これらの関係を第１図、第２図に
示す。本発明にお（・て複合されるシリコンカーバイド
繊維の直径は２０〜１００μが好適であり、これを単繊
維として、ある（・は撚繊維として使用することができ
る。シリコンカーバイド粉も好適には３００メツシユ以
下の微粉を用〜・ることは有利である。本発明の主とし
てシリコンカーバイド粉あるＬ・は繊維は純粋のＳｉＣ
のみから１なるものを使用することができるが、またＳ
ｉＣのほかに約２０％以下の遊離炭素を含有するシリコ
ンカーバイド粉ある℃・は繊維をも有利に使用すること
ができる。

かかる遊離炭素を含むシリコンカーバイド粉あるＬ・は
繊維は本発明者等が発明した前記出願の発明にお（・て
最終焼成工程の雰囲気を非酸化性に近か付けることによ
つて自由に炭素含有量を調整することができる。本発明
において、含Ｃシリコンカーバイドを基地金属に複合さ
せる場合、例えば基地金属がＣと化合して炭化物を形成
する元素であるときには、含Ｃシリコンカーバイド中の
遊離Ｃと基地金属とが接触界面にお℃・て炭化物を形成
して強固に結合するため、かかる接点材料を用（・ると
、耐摩耗性耐アーク性が増加し、また含Ｃシリコンカー
バイドはＣの含有量が多い程電導性が良くなる点にお（
゛ては接触抵抗が小さくなり有利である。

しかし反面Ｃを多く含有するシリコンカーバイドは耐酸
化性、耐圧縮性が低下するのでＣの含有量は２０％以下
が有利である。次に本発明の接点材料の構成について述
べる。

本発明の接点材料は、従来使用されている前記接点材料
を構成する元素単体、ある（・はそれらの合金、ある℃
・は元素の混合焼結体を基地とし、この基地に基地］０
０体積部に対し、０．５〜３０体積部の前記超微細結晶
粒シリコンカーバイドからなる粉または繊維を分散ある
（・は埋設してなる接点材料である。次に先ずシリコン
カーバイド繊維を複合させた接点材料につ（・て、その
構成ならびに製造方法を説明する。

シリコンカーバイド繊維の集積体の間隙に従来用（・ら
れて（・る接点材料の溶湯を注入充填して本発明の接点
材料を製造することができる。

なおこの場合前述したようにシリコンカーバイド繊維と
して、１０００℃以上に焼成した繊維でこなくて、８０
０℃前後に予備焼成した繊維を用Ｌ・ることができる。

しかしこの場合には注入される溶湯温度は１０００℃以
上であることが好ましく注入作業中に前記予備焼成繊維
は１０００℃以上に焼成されて完全なＳｉＣ微細結晶と
なる。本発明にお℃・て、前記シリコンカーバイド繊維
あるＬ・はその予備焼成繊維の表面を予め注入される溶
湯と同種金属あるいは合金、または従来の接点材料たる
基地の特性を損わな〜・異種金属ある（・は合金をもつ
て被覆することができる。この被覆４によつて溶湯を注
入した場合起り得ることのあるＳｉＣの分解を防止する
ことができる点にお（・て有利である。なお前記被覆は
塗布、蒸着、鍍金その他適当な方法で行うことができる
。しかしながら前記被覆はＳｉＣを分解せず、かつ特に
シリコンカーバイド繊維中の遊離炭素と注入金属との間
に炭化物を形成させようとする場合には行うに及ばな（
・。なお前記シリコンカーバイド繊維の集積体は、単繊
維、編組繊維を所定方向に並列ある℃・は縦横に集積さ
せたもの、もしくは無方向性の乱集積させたものなども
それぞれまたは組合せて使用することができる。

次にシリコンカーバイド粉を基地接点材料に複合させた
本発明の複合接点材料とその製造方法につ（・て説明す
る。

この場合には前記繊維を複合させた場合と異なり、基地
に均一に分散させる操作を行うことが好ましい。

このため溶湯中に前記粉を添加後溶湯が凝固するまでの
間、外力によつて絶えず攪拌することが望ましく、この
外力としては例えば機械的攪拌、電気誘導攪拌等を用い
ることは有利である。本発明にお（・て、基地金属ある
（・は合金粉末をシリコンカーバイド粉ある℃・は繊維
と複合焼結させて本発明の複合接点材料となすことがで
きる。この場合使用されるシリコンカーバイドの粉ある
（゛は繊維は１０００℃以上に高温焼成したもののほか
、６００〜１０００℃位の温度範囲で予備焼成したもの
を用℃・、最終的高温焼成を例えばホツトブレスと同時
に施すことができる。なお本発明で用（・るシリコンカ
ーバイド粉はその粒度は好しくは３００メツシユ以下が
よ（・ので、かかる微粉となすためには、前述したよう
に高温焼成品を粉砕して微粉とするより、予備焼成品を
粉砕して微粉とする方が容易である。本発明の焼結複合
接点材料にお（・て、その焼結温度は基地金属あるいは
合金粉末が焼結する温度以上を必要とする。

本発明のシリコンカーバイド粉を複合させた接点材料を
、基地接点材料の粉末と超微細ＳｌＣ結晶粒子からなる
粉末とを液状有機ケイ素高分子化合物を主成分とする結
合剤と共に均一に混合した後成形、加圧焼結しで製造す
ることができる。

またシリコンカーバイド繊維集積体の間隙を基地接点材
料粉末をもつて充填成形した後、液状有機ケイ素高分子
化合物を含浸させた後加圧焼結して製造することができ
る。前記製造に用（・られる液状有機ケイ素高分子化合
物としては、ＣとＳｉを主な骨格成分とする有機ケイ素
高分子化合物を非酸化性雰囲気で１０００℃以上に焼成
した場合主としてＳｉＣを生成するものであれば有利で
あり、もし粘度が高く含浸が困難でありある（・は含浸
時間がかかる場合には適当な溶媒に溶解させて用℃・る
ことができる。

またこの含浸工程を減圧下およびまたは高圧下で行なう
と含浸液を内部まで短時間に滲透させることができるの
で有利である。本発明の接点材料にお（・て、複合させ
たシリコンカーバイド粉ある（゛は繊維の体積比は基地
材料金属体積１００部に対し、０６５〜３０部の範囲内
とすることが必要である。

０．５部より少な℃・と複合させた効果がなく、３０部
を超えると、接点抵抗が大きくなり過ぎるので、０．５
〜３０部の範囲内にする必要がある。

次に本発明を実施例について説明する。

実施例１ −２００メツシユの銀およびタングステン（約１．５μ
）粉末を２：３の割合に均一混合し約１２Ｘ３０Ｔｆｍ
の金型内に入れ、つ（・で該混合粉中に直径２０μ程度
のシリコンカーバイド繊維を網目状に体積率で０．５′
１６（ロ）、２％八 １０％（ニ）および３０％（ホ）
となるよう埋込み約１０ｔ／Ｃｄのプレン圧で成形し、
厚さ数？の圧粉体を作つた比較のためシリコンカーバイ
ド繊維を複合させない圧粉体（イ）も作つた。

これら圧粉体を水素気流中で８５０℃１Ｈｒ加熱保持し
て焼結し、得られた焼結合金の密度、電気抵抗を測定し
たのちさらに所定の試片を切り出しＡＳＴＭ，（１９５
２）に準する強電流接点試験法により寿命試験を行つた
。

条件は６０Ａ，油中での電流の断続回数に対する消耗度
により表わした０それら試験結果を第２表および第３図
に示す。第３図より明かな通り（イ）に比べ（ロ），（
ハ），（ニ）とシリコンカーバイド繊維の混入を増すに
つれて約２万回以上の定常域での消耗量は減する。しか
し（ニ）に対し３０（ｆ）混入した（ホ）の寿命はあま
り向上せず逆に第２表のごとく電気伝導度がかなり減す
るためこの種重負荷遮断用の接点材料としては好ましく
な℃・ことが判った。実施例２ ２００メツシユの銅およびタングステン粉末を約３：７
の割合に均一混合し、実施例１と同じ要領でシリコンカ
ーバイド繊維をＯ（Ｆ６（へ）、０．５（Ｆ６（城 １
０％（１）および３０％（り）均一に埋設した焼結合金
を作つた。

た〜し（８）としてアルミナ被覆したシリコンカーバイ
ド繊維を用い（１０％混入）また焼結にあたり９００℃
で１Ｈｒ保持したのちさらに銅の融点の直上１１００℃
で４０分保持する二段焼結法（真空中≦１０−４ｍＨＶ
）によつた。実施例１と同じ密度、電気抵抗および寿命
試験を行つた。結果をそれぞれ第３表および第４図に示
す。第４図よりＡｔ／Ｗ系とほぼ同じような消耗量レベ
ルにあり（電気伝導度が低い）、（へ）に比ベシリコン
カーバイド繊維を混入するにつれ漸次寿命が伸びる。

（ホ）と（り）でも差が残つて℃・るが第３表より電気
伝導度はかなり低下することが判つた。またＳｉＣ−Ｃ
ｕ系が焼結過程および接点として使用中のアークによる
昇温時の反応を防ぐためアルミナ被覆処理したシリコン
カーバイド繊錐を用℃・た（ロ）は相当する混入率（１
０％）の（ホ）と比べ電気抵抗を変化させることなく第
４図のごとく寿命値を大巾に向上できることが判つた。
以上の実施例におけるシリコンカーバイド繊維の複合化
状態の顕微鏡写真を第５図に示した。

この系の金属（合金に対しては基地との反応が比較的少
く、金属セラミツクスによる−繊維の被覆を必ずしも必
要としな〜゛ことが判つた。実施例３ １００メツシユの銅粉にポリカルボシランをキシレンで
溶かしたもの約１０Ｗｔ％を混ぜ練りあわせたのち十分
に乾燥し、実施例１と同じ要領で約１０ｔ／ｃ−のプレ
ス圧で成形し厚さ数？の圧粉体を作つた。

これを真空中で１０１０℃まで徐徐に昇温（１００Ｃｐ
ｅｒ１Ｈｒ）し、約１Ｈｒ焼結した。この焼結体（ホ）
、それをさらに１度ポリカルボシラン溶液中に浸漬し、
再焼結（３σ保持）したものウ〜比較のため（ホ）と同
じ条件で焼結したポリカルボシラン無添加のもの（ニ）
につ（・て実施例１と同じ密度、電気抵抗および寿命試
験を行つた。その結果を第４表および第６図に示す。第
６図のごとく銅母地のシリコンカーバイド成分による強
化により（イ），Ｅ７）とも消耗量が減り、特に繊維の
場合と異り初期の消耗量レベルはかなり低くなる。

また（ホ），Ｅ７）を比べると同じ電気伝導度のままυ
）の方ｔ）祷命が伸び溶浸処理の効果が明かである。本
発明の実施に当つて使用される従来の接点材料のうち下
記第５表の如き成分組成のものを好適に使用できる。

ＣＰ５のｗ〉９９．５のものの比重は１９以上その他の
欄の物質は不純物もあるが、特に添加物も含んで（・る
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、有機ケイ素高分子化合物よりシリコンカーバ
イド繊維を製造する場合の高温焼成温度と繊維を構成す
るＳｉＣ結晶粒子の大きさとの関係を示す図、第２図は
第１図の繊維を構成するＳｉＣ結晶粒子の大きさと引張
強度との関係を示す図、第３図はＡｙ−Ｗ系接点材料粉
末にＳｉＣ粉末を種々の割合で混合して得られた焼結合
金の接点試験法による断続回数と接点材料消耗量との関
係を示す図、第４図はＣｕ−Ｗ系接点材料粉末にＳｉＣ
繊維を種々の割合で混合して得られた焼結合金の接点試
験法による断続回数と接点材料消耗量との関係を示す図
、第５図は実施例２で得られた本発明の１つの接点材料
のマトリツクスとシリコンカーバイド繊維の複合化状態
を示す顕微鏡写真、第６図は実施例３でそれぞれ得られ
た焼結体の接点試験法による断続回数と接点材料消耗量
との関係を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 体積比で従来の電気接点材料１００部に対し超微細
   結晶粒子よりなり主としてＣとＳｉを骨格成分とする有
   機ケイ素高分子化合物を焼成して得られるシリコンカー
   バイドを０．５〜３０部複合させてなる超微細シリコン
   カーバイド複合電気接点材料。 ２ 超微細結晶粒子よりなり主としてＣとＳｉを骨格成
   分とする有機ケイ素高分子化合物を焼成して得られるシ
   リコンカーバイドが粉末である特許請求の範囲１項記載
   の超微細シリコンカーバイド複合電気接点材料。 ３ 超微細結晶粒子よりなり主としてＣとＳｉを骨格成
   分とする有機ケイ素高分子化合物を焼成して得られるシ
   リコンカーバイドが繊維である特許請求の範囲１項記載
   の超微細シリコンカーバイド複合電気接点材料。 ４ 超微細結晶粒子よりなり主としてＣとＳｉを骨格成
   分とする有機ケイ素高分子化合物を焼成して得られるシ
   リコンカーバイド粉が３０％以下の遊離炭素を含有して
   いる特許請求の範囲２項記載の超微細シリコンカーバイ
   ド複合電気接点材料。 ５ 超微細結晶粒子よりなり主としてＣとＳｉを骨格成
   分とする有機ケイ素高分子化合物を焼成して得られるシ
   リコンカーバイド繊維が３０％以下の遊離炭素を含有し
   ている特許請求の範囲３項記載の超微細シリコンカーバ
   イド複合電気接点材料。 ６ 超微細結晶粒子よりなり主としてＣとＳｉを骨格成
   分とする有機ケイ素高分子化合物を焼成して得られるシ
   リコンカーバイド粉を従来の電気接点材料の溶湯中に分
   散させ、凝固させてなる超微細シリコンカーバイド複合
   電気接点材料の製造方法。 ７ 超微細結晶粒子よりなり主としてＣとＳｉを骨格成
   分とする有機ケイ素高分子化合物を焼成して得られるシ
   リコンカーバイド繊維集積体の間隙を従来の電気接点材
   料の溶湯をもつて充填することを特徴とする超微細シリ
   コンカーバイド複合電気接点材料の製造方法。 ８ 超微細結晶粒子よりなり主としてＣとＳｉを骨格成
   分とする有機ケイ素高分子化合物を焼成して得られるシ
   リコンカーバイド粉と従来の電気接点材料粉末を混合し
   て焼結するシリコンカーバイド複合電気接点材料の製造
   方法。 ９ 超微細結晶粒子よりなり主としてＣとＳｉを骨格成
   分とする有機ケイ素高分子化合物を焼成して得られるシ
   リコンカーバイド粉と従来の電気接点材料粉末との混合
   物に液状有機ケイ素高分子化合物を結合剤として均一に
   混合し焼結するシリコンカーバイド複合電気接点材料の
   製造方法。 １０ 超微細結晶粒子よりなり主としてＣとＳｉを骨格
   成分とする有機ケイ素高分子化合物を焼成して得られる
   シリコンカーバイド繊維集積体の間隙を従来の電気接点
   材料粉末をもつて充填し、成形焼結するシリコンカーバ
   イド複合電気接点材料の製造方法。 １１ 超微細結晶粒子よりなり主としてＣとＳｉを骨格
   成分とする有機ケイ素高分子化合物を焼成して得られる
   シリコンカーバイド繊維集積体の間隙を従来の電気接点
   材料粉末をもつて充填成形した後液状有機ケイ素高分子
   化合物を含浸させた後加圧焼結するシリコンカーバイド
   複合電気接点材料の製造方法。