JPS6336089B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、大電流しや断特性に優れ、かつ高
耐圧性能を有する真空しや断器用接点材料に関す
るものである。

真空しや断器は、その無保守，無公害性，優れ
たしや断性能等の利点を持つため、適用範囲が急
速に拡大して来ている。また、それに伴い、より
高耐圧化，大電流しや断化の要求がきびしくなつ
て来ている。一方、真空しや断器の性能は真空容
器内の接点材料によつて決定される要素がきわめ
て大である。

真空しや断器用接点材料の満足すべき特性とし
て、(1)しや断容量が大きいこと、(2)耐電圧が高い
こと、(3)接触抵抗が小さいこと、(4)溶着力が小さ
いこと、(5)接点消耗量が小さいこと、(6)さい断電
流値が小さいこと、(7)加工性が良いこと、(8)十分
な機械的強度を有すること、等がある。

実際の接点材料では、これらの特性を全て満足
させることは、かなり困難であつて、一般には用
途に応じて特に重要な特性を満足させ、他の特性
をある程度犠牲にした材料を使用しているのが実
状である。

従来、この種の接点材料として銅―ビスマス
（以下Cu―Biと表示する。他の元素および元素の
組み合せからなる合金についても同様に元素記号
で表示する。）、Cu―Cr―Bi，Cu―Co―Bi，Cu
―Cr等が使用されていた。しかし、Cu―Bi等の
低融点金属を含有する合金接点では排気工程中の
高温加熱により、その一部が接点内から拡散、蒸
発し、真空容器内の金属シールドや絶縁容器に付
着する。これが真空しや断器の耐電圧を劣化させ
る大きな因子のひとつになつている。また、負荷
開閉や大電流しや断時にも低融点金属の蒸発，飛
散が生じて耐電圧の劣化，しや断性能の低下が見
られる。上記の欠点を除くために真空耐電圧に優
れたCr，Coなどを添加したCu―Cr―Biなどにお
いても、低融点金属による上記の欠点は根本的に
解決されず、高電圧，大電流には対応できない。
一方、Cu―Crなどのように真空耐電圧に優れた
金属（Cr，Coなど）と電気伝導度に優れたCuと
の組み合せからなる材料は耐溶着性能に関しては
低融点金属を含有する接点材料に比較して、やや
劣るが、しや断性能や耐電圧性能が優れているた
め、高電圧，大電流域ではよく使用されている。
さらに、Cu―Cr合金などにおいても、しや断性
能には限界があるために、接点の形状を工夫し、
接点部の電流経路を操作することで、磁場を発生
させ、この力で大電流アークを強制駆動して、し
や断性能を上げる努力がなされていた。

しかし、高電圧化，大電流化への要求はさらに
きびしく、従来の接点材料では要求性能を十分満
足させることが困難となつている。又、真空しや
断器の小型化に対しても同様に従来の接点性能で
は十分でなく、より優れた性能を持つ接点材料が
求められていた。

この発明は上記のような従来のものの欠点を除
去するためになされたもので、大電流しや断特性
に優れ、かつ高耐電圧性能を有する真空しや断器
用接点材料を提供することを目的としている。

我々はCuに種々の金属，合金，金属間化合物
を添加した接点材料を試作し、真空しや断器に組
み込んで種々の実験を行なつた。この結果、Cu，
Cr，及びTaが、各々単体金属，三者もしくは二
者の合金、三者もしくは二者の金属間化合物、又
はそれらの複合体として分布している接点材料は
非常にしや断性能が優れていることがわかつた。
この発明による真空しや断器用接点材料は、Cu
を含有すると共に、他の成分としてCrが35重量
％以下及びTaが50重量％以下で、CrとTaの合計
が10重量％以上の範囲含有する、Cu，Cr及びTa
が、各々単体金属、三者もしくは二者の合金，三
者もしくは二者の金属間化合物、又はそれらの複
合体として分布していることを特徴としている。

以下、この発明の一実施例を図について説明す
る。

第１図は真空スイツチ管の構造図で、１真空絶
縁容器、前記真空絶縁容器１の両端を閉塞する端
板２および３とにより形成された容器内部に電極
４および５が、それぞれ電極棒６および７の一端
に、お互いが対向するように配置されている。前
記電極７は、ベローズ８を介して前記端板３に気
密を損うことなく軸方向の動作が可能なように接
合されている。シールド９および１０がアークに
より発生する蒸気で汚染されることがないよう、
それぞれ前記真空絶縁容器１内面および前記ベロ
ーズ８を覆つている。電極４および５の構成を第
２図に示す。電極５はその背面で電極棒７にろう
材５１を介挿してろう付されている。前記電極
４，５はこの発明に係るCu―Cr―Ta系接点材料
から成つている。

第３図は比較例として従来のCu―Cr合金接点
材料の倍率が100の金属組織写真を示す。これは
Cu粉とCr粉をそれぞれ75重量％，25重量％で混
合、成形して焼結して得られたCu―Cr合金であ
る。

第４図はこの発明の一実施例としてCu―Cr―
Ta合金接点材料の倍率が100の金属組織写真を示
す。これはCu粉とCr粉の配合を各々75重量％，
25重量％とした混合粉末にTaを10重量％加えた
ものを混合、成形、焼結して得られたCu―Cr―
Ta合金である。なお、焼結は1100℃程度で行な
い、CrおよびTaの一部が反応してCr₂Taを形成
する条件とした。

第５図はこの発明の他の実施例としてCu―Cr
―Ta合金をCrとTaが合金あるいは金属間化合物
を形成し難い程度の比較的低温で焼結した場合の
倍率が100の金属組織写真を示す。これは、第４
図に示した実施例と同一の配合比からなるCu―
Cr―Ta混合粉末を成形、焼結して得られる合金
である。第４図の合金はCu中にCr，Ta，Cr₂Ta
が均一微細に分布していることがわかる。また、
第５図の合金はCu中にCr，Taが主として単体金
属で分布し、Cr₂Taはほとんど見られない。

以下に種々の測定あるいは試験を行なつた結果
について説明する。

まず、我々の実験の結果から、Cu，Crの二元
合金からなる接点合金ではCr量が20〜30重量％
の範囲で各種の性能が非常に優れていることを確
認しているので、第６図〜第９図における接点材
料中のCuとCrの重量比を常に一定（75：25）と
し、これに添加するTa量を種々変化させた場合
の合金の諸特性の変化について示す。

第６図は合金中のCuとCrの重量比率を75：25
に固定したものに添加したTa量と電気伝導度の
関係を示したものであり、Ta量の増加とともに
電気伝導度が低下しているが、合金中のCuとCr
の重量比率を75：25に固定した場合、Ta量は目
的により使用可能であるが、特に30重量％程度ま
でが望ましい。

なお、第６図の縦軸はCu―25Crの電気伝導度
を１とした場合の比率、横軸はTa添加量を示す。

第７図は合金中のCuとCrの重量比率を75：25
に固定したものに添加したTa量と接触抵抗の関
係を示したもので、電気伝導度と同様の傾向を示
す。なお、第７図の縦軸は、従来品ａのCu―25
重量％Cr合金の値を１とした比率を示す。

第８図は合金中のCuとCrの重量比率を75：25
に固定したものに添加したTa量としや断容量の
関係を示しており、Taを添加したものは従来品
（Cu―25重量％Cr合金）に比較して著しくしや断
性能が上昇していることがわかる。

なお、第８図の縦軸は従来品ａのCu―25重量
％Cr合金の値を１とした比率を示す。第８図か
ら明らかなようにTa添加量の増加とともに、し
や断容量は増加し、10重量％Taでは従来品の1.7
倍に達し、Taが15重量％程度でピークを示し、
それ以上Taを加えると逆にしや断容量の低下が
生じる。即ち、TaとCrが共存して、その相互作
用により、しや断性能を上昇させるが、ある程度
以上TaとCrを増加させると合金中において、良
導電性のCuが減少して合金の電気伝導度や熱伝
導度が低下し、アークによる熱入力をすみやかに
放散することが困難になり、逆にしや断性能を悪
くさせるためである。

第９図は同様にTa添加量と耐電圧性能の関係
を示すものである。図から明らかなようにTa量
が５重量％以下では従来品ａ（Cu―25重量％Cr合
金）と差がわずかであるが、添加量が増加すれ
ば、Ta添加量の増加とともに耐電圧性能の上昇
が見られる。一般的にはCrとTaの合計の重量％
が増加すれば、耐電圧性能が向上する傾向にあ
る。

次に合金中のTa量を30重量％に固定したもの
のCuに対するCrの重量比率を変化させた場合の
合金の特性の変化について示す。

第１０図はCuに対するCrの重量比率と電気伝
導度の関係を示す。

次に合金中のTa添加量を０，１，３，５，７，
10，15，30，40，50，60重量％で各々固定とし、
各合金でのCuに対するCrの重量比率を変化させ
た場合のしや断性能とCr重量比率の関係につい
て、第１１図に示す。なお、縦軸は従来品ａ（Cu
―25重量％Cr合金）の値を１とした比率を示し、
横軸はCuに対するCrの重量比率を示す。図から
わかるように、従来品ａのCu―Cr二元合金では
Cr量が20〜30重量％の範囲にしや断容量のピー
クがあり、Ta量を１〜15重量％に固定した場合
も同様の傾向がある。また、Ta量を15重量％に
固定した場合には、Crの重量比率がCuに対して
10重量％程度（接点材料全体に対しては8.5重量
％）からCuに対して25重量％程度（接点材料全
体に対しては21.3重量％）まで著しいしや断性能
の上昇が見られる。一方、Ta量を30重量％に固
定した場合にはしや断容量のピークはCrの重量
比率が10〜20重量％（接点材料全体に対しては７
〜14重量％）の範囲にあり、そのピーク値はTa
量が15重量％の合金よりやや劣る。

第１２図はCuとTaの二元合金において、Ta量
と電気伝導度の関係を示し、第１３図はCuとCr
の二元合金においてCr量と電気伝導度の関係を
示す。両図からTa，Crの各々が増加するに従い
電気伝導度が低下し、Taでは50重量％程度で、
またCrでは40重量％で一般にしや断用接点とし
て要求される電気伝導度の限界に達し、それ以上
Ta，Crを増加させると通電，しや断などから実
用上悪影響を及ぼす。また、第１１図から明らか
なように、Taと共存する場合は接点材料全体に
対してCr量が35重量％以下の範囲でしや断性能
の改善が見られ、それ以上Cr量を増加しても効
果が得られない。一方、Taに関しては、Crとの
共存によつて少量の添加でもしや断性能の改善が
見られ、Ta量が50重量％以下で実用的である。
なお、Ta量は50重量％以上でも、しや断性能か
らみて有効な範囲があると思われるが、まず、製
造上、通常の焼結法では得難いこと、次に第１２
図から明らかなように50重量％Ta以上では電気
伝導度が低く、接触抵抗なども上昇し、特殊用途
以外のしや断器には実用化が難しい。

さらに、第１１図から、従来品に比較して、し
や断性能が著しく（1.5倍を超える）向上する範
囲として、Ta量が５〜30重量％、Cr量がCuに対
して８〜33重量％、すなわち接点材料全体に対し
て８×0.7≒５〜33×0.9≒30重量％が望ましい。

さらに、第１１図から接点材料全体に対する
CrとTaの合計が10重量％以上で効果があり、そ
れより少なくなるとしや断性能は向上しなかつ
た。さらに、第１１図から逆に接点材料全体に対
するCrとTaの合計がだんだん多くなると製造が
困難になり、65重量％以上になると製造方法にも
よるが充分なしや断性能が期待できなくなる。

なお、前記第６図〜第１１図の実験例ではCr
とTaからなる金属間化合物、即ち、Cr₂Taを形
成しており、Cu中にCr，TaおよびCr₂Taが均一
微細に分布した合金の諸特性について示したが、
焼結温度を低くし、Cu，Cr，Taがほとんど単体
として分布している合金においても、ほぼ同様の
傾向を示し、従来のCu―25重量％Cr合金に比較
して著しく大きなしや断性能を有する。しかし、
同一の配合で混合，成形，焼結されたCu―Cr―
Ta合金ではCr，Taの金属間化合物を形成してい
るものの方がしや断性能に優れていることがわか
つた。

また、図示しないが、上記合金にBi，Te，
Sb，Tl，Pb，Se，Ce及びCaの低融点金属、そ
れらの合金、並びにそれらの金属間化合物のうち
少なくとも１種以上を20重量％以下添加した低さ
い断真空しや断器用接点においても、前記実験例
と同様にしや断性能や耐電圧性能を上昇させる効
果があることを確認している。

なお、低融点金属、それらの合金、並びにそれ
らの金属間化合物のうち少なくとも１種以上を20
重量％以上添加した場合には著しく、しや断性能
が低下した。又、低融点金属がCeあるいはCaの
場合は、若干特性が落ちた。

以上のように、この発明によれば、銅を含有す
ると共に、他の成分としてクロムが35重量％以下
及びタンタルが50重量％以下で、クロムとタンタ
ルの合計が10重量％以上の範囲含有することを特
徴とするものであるので、しや断性能に優れ、か
つ、高耐電圧性能を有する真空しや断器用接点材
料が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を適用する真空ス
イツチ管の構造を示す断面図、第２図はその第１
図の電極部分の拡大断面図である。第３図は焼結
法により製造した従来のCu―25重量％Cr接点合
金の100倍の金属組織写真、第４図は高温で焼結
したこの発明の一実施例によるCu―25重量％Cr
の母合金にTaを10重量％添加した接点合金の100
倍の金属組織写真、第５図はこの発明の他の実施
例による低温で焼結した第４図と同様の配合を持
つ接点合金の100倍の金属組織写真、第６図はこ
の発明の接点材料におけるCuに対するCrの重量
比率を75：25に固定した合金に対してTa添加量
を変化させた時の電気伝導度の変化を示す特性
図、第７図はこの発明の接点材料におけるCuに
対するCrの重量比率を75：25に固定した合金に
対してTa添加量を変化させた時の接触抵抗の変
化を示す特性図、第８図はこの発明の接点材料に
おけるCuに対するCrの重量比率を75：25に固定
した合金に対してTa添加量を変化させた時のし
や断容量の変化を示す特性図、第９図はこの発明
の接点材料におけるCuに対するCrの重量比率を
75：25に固定した合金に対してTa添加量を変化
させた時の耐電圧性能の変化を示す特性図、第１
０図はこの発明の接点材料における合金中のTa
量を30重量％に固定した場合のCuに対するCrの
重量比率を変化させた時の電気伝導度の変化を示
す特性図、第１１図はこの発明の接点材料におけ
るTa量を０，１，３，５，７，10，15，30，40，
50，60重量％に各々固定した場合のCuに対する
Crの重量比率を変化させた合金のしや断容量の
変化を示す特性図、第１２図は参考に示し、Cu
―Ta二元合金においてTa量と電気伝導度の関係
を示す特性図、第１３図は参考に示し、Cu―Cr
二元合金においてCr量と電気伝導度の関係を示
す特性図である。 １…真空絶縁容器、２，３…端板、４，５…電
極、６，７…電極棒、８…ベローズ、９，１０…
シールド、５１…ろう材、なお、図中同一符号は
各々同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 銅を含有すると共に、他の成分としてクロム
   が35重量％以下及びタンタルが50重量％以下で、
   クロムとタンタルの合計が10重量％以上の範囲含
   有することを特徴とする真空しや断器用接点材
   料。 ２ クロムとタンタルの合計が65重量％以下の範
   囲含有する特許請求の範囲第１項記載の真空しや
   断器用接点材料。 ３ クロムが５〜30重量％、及びタンタルが５〜
   30重量％の範囲にあることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の真空しや断器用接点材料。 ４ 銅、クロム、及びタンタルが、各々単体金
   属、三者もしくは二者の合金、三者もしくは二者
   の金属間化合物、又はそれらの複合体として分布
   していることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   ないし第３項のいずれかに記載の真空しや断器用
   接点材料。 ５ ビスマス、テルル、アンチモン、タリウム、
   鉛、セレン、セリウム及びカルシウムの低融点金
   属、それらの合金、並びにそれらの金属間化合物
   のうち少なくとも１種以上を20重量％以下含有し
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項な
   いし第４項のいずれかに記載の真空しや断器用接
   点材料。