JPS6340004B2

JPS6340004B2 -

Info

Publication number: JPS6340004B2
Application number: JP58088428A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Okumura; Eizo Naya; Mitsumasa Yorita; Yasushi Takeya
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1983-05-18
Filing date: 1983-05-18
Publication date: 1988-08-09
Also published as: EP0126347B1; EP0126347B2; DE3460548D1; JPS59214123A; US4540861A; EP0126347A1

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、電流しや断性能及び耐電圧性能に
優れた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
大きなしや断容量や高い耐電圧が要求されてい
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)接点消耗が少ないこと、(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
組み合せからなる材料についても同様に元素記号
で表示する）、Cu―Co，Cu―Cr，Cu―Co―Bi，
Cu―Cr―Bi，Cu―Beなどが使用されていた。

Cu―Biは電気伝導度に優れるCuとCuに対して
ほとんど固溶しない低融点金属（Bi）を固溶限
以上添加したもので、しや断性能と耐溶着性を期
待したものであるが、耐電圧性能はかなり劣る。
即ち、最も融点の高いものがCuであり、低融点
金属は当然負荷開閉時、大電流しや断時および開
極状態での高電圧印加時には蒸発、飛散が生じ耐
電圧の低下が見られ、かつ、しや断性能にも悪影
響を及ぼす。さらに、この材料を接点とした場合
には排気工程中の高温加熱により低融点金属の一
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し、真空しや断器の耐電
圧劣化の一因にもなり得る。従つて、この種の材
料はしや断電流が大きくなり、同時に高電圧を要
求されるしや断器用の接点としては不向きであ
る。

Cu―Co，Cu―Crなどのように真空耐電圧に優
れた金属（Co，Cr，Feなどを云う）とCuとの組
み合せからなる材料は当然耐電圧性能に優れ、か
つCuがある程度以上含まれていれば、しや断性
も非常に優れており、高電圧、大電流域ではよく
使用されているが、耐溶着性能にやや劣る。

Cu―Co―Bi，Cu―Cr―Biなどは上記の２種類
の中間的な性能を有するもので、耐電圧性能、し
や断性能も比較的優れ、Biなを含有しているた
め、耐溶着性も良く、広範に使用されているが、
低融点金属を含むため逆に使用可能な電流や電圧
に制限があるのは当然である。

また、上記の内、最もしや断性能のよい材料を
用いても急速に高まる高性能化の要求にこたえる
ためには十分でなく、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、それでもまだ、さらにきびしくなる高
電圧化、大電流化への要求に対しては従来の接点
材料では十分でなく、より優れた性能を持つ接点
材料が求められていた。

又、真空しや断器の小型化に対しても同様であ
る。

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
用接点材料を提供することを目的としている。

我々は従来品を上回るしや断性能、耐電圧性能
を持つ接点材料を見出すため、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、真空スイツチ管に組み込んで種々の実験を行
なつた。この結果、次のようなことがわかつた。
一般に真空耐電圧性能を有するとされるCoやFe
とCuを組み合せた材料において、CoやFeの含有
量を増せば耐電圧性能が向上する。しかし、Co
やFeの含有量の増加と共に、電気伝導度が著し
く低下し、しや断性能も低下する。従つて、Cu
とCoやFeの組み合せで材料を製造した場合、し
や断性能を重視する時はCoやFeを20〜30重量％
以下にしなければならず、耐圧性能は当然劣る。

我々の目的とするところは、しや断性能に優
れ、かつ高耐電圧性能を有する材料を得ることで
あるが、Cuを第１成分とし、第２成分として
Ta、第３の成分としてCoおよびFeのうちの少な
くとも１種を含有している接点材料が上記の目的
を十分満足することがわかつた。

この発明の真空しや断器用接点材料は、Cuを
第１の成分とし、第２の成分としてTaを60重量
％以下、第３の成分として、CoおよびFeの内の
少なくとも１種を50重量％以下で、かつ第２成分
と第３成分の合計が10重量％以上の範囲含有する
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、真空絶縁
容器１とこの真空絶縁容器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の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はこの発明の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―Co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Co粉をそれぞれ80重量％，20重量％で混
合、成形し焼結して得られたCu―Co合金である。

第４図はこの発明の一実施例としてCu―Co―
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，Co粉，Ta粉を各々73重量％，
20重量％，７重量％で混合、成形し焼結して得ら
れたCu―Co―Ta合金である。なお、焼結はCo
およびTaの一部が反応してCo₂Taを形成する条
件とした。第４図の合金はCu中にCo，Ta，
Co₂Taなどが均一微細に分布していることがわか
る。

以下に種々の試験を行なつた結果について説明
する。

まず、我々の実験結果からCuとCoの２元から
なる合金中で、しや断容量が大きく、その他の特
性も比較的良好なものとして、Cu―20重量％Co
合金を従来例として用いた。

第５図は合金中のCo量を０，５，20，30，40，
50重量％に各々固定した場合の添加したTa量と
しや断容量の関係を示す。なお、縦軸は従来例
（Cu―20重量％Co合金）のしや断容量を１とした
比率を任意スケールで示し、横軸は添加したTa
量を示す。また、図中、実線はほとんどばらつき
のない値を示し、破線はばらつきがあつたことを
示す。図から次のようなことがわかる。

まず、Co量を０にした場合、即ち、Cu―Ta2
元合金でも従来品（Cu―20重量％Co合金）のし
や断容量を上回る領域がある。しかし、その値は
従来品に対して、著しく上回るほどではない。
Ta量は60重量％以下が望ましい。

次にCoとTaが共存する場合は著しい、しや断
容量の増大が見られる。特にCo量が20重量％の
とき、Ta量を15重量％とした合金は他の比率配
合した合金に比べても高いしや断容量を示す。ま
た、各Co量で各々、ピークを持ち、CoとTaの適
正な配合比率が存在する。

さらに、Co量を50重量％に固定した場合はTa
を10重量％以下とすれば、従来品のしや断性能を
上回ることは可能であるがその値はあまり高くな
く、確実なしや断性能を期待するためにはCo量
を50重量％以下にするのが望ましい。

従来のCu―Co2元合金のしや断性能が、Co量
が20重量％程度のときに優れ、以後Co量の増加
と共にしや断性能が低下するのはこの合金のしや
断性能を電気伝導度の高いマトリツクスのCuに
頼つており、Coが耐電圧などしや断以外の特性
だけに寄与していたためである。

このことに対し、CoとTaが共存する場合は、
この２元素が複雑な相互作用を示して、著しく、
しや断性能を向上させており、従来品より電気伝
導度の低いCu―Co―Ta合金でも従来品をはるか
に上回るしや断性能を示していることは、Cu―
Co―Ta系の合金のしや断性能が単にCuの電気伝
導性、熱伝導性のみに頼つているのではないと考
えられる。

しかし、この発明の接点材料についても、Co
とTaの合計量が必要以上増加すると、しや断性
能を低下させることになる。

これは、CoとTaの共存によつて得られる効果
に対して、相対的にCu量が減少することによつ
て生じる電気伝導度、熱伝導度の低下がアークに
よる熱入力をすみやかに放散する作用をさまたげ
る効果が非常に大きくなつて、逆にしや断性能を
悪くさせるためであると思われる。また、この発
明の実施例では、通常の焼結法を用いているた
め、CoとTaの合計が60重量％を越えると焼結性
が悪くなり、しや断性能の低下にも影響を与える
ので、CoとTaの合計は60重量％以下が望まし
い。逆に合計が10重量％以下ではほとんどしや断
性能向上に効果がない。

第６図は合金中のCo量を０，５，20，50重量
％に各々固定した場合の添加したTa量と耐電圧
性能の関係を示す。なお、縦軸は従来品（Cu―
20重量％Co合金）の耐電圧の値を１とした任意
スケールを示し、横軸は添加したTa量を示す。
図中実線は、ほとんどばらつきのない値を示し、
破線はばらつきがあつたことを示す。

第６図からわかるようにCoとTaの共存で著し
く耐電圧性能が向上している。例えばCoを20重
量％と固定した場合、少量Taを共存させるだけ
で従来Co量を50重量％以上も添加し、しや断性
能を犠性にしていたときの耐電圧性能を十分なし
や断性能を満足させながら得られる。

一方、Co量が少ない場合、十分な耐電圧性能
を得るためにはTa量を多くしなければならず、
Co量は５重量％以上が望ましい。また、CoとTa
の合計量は耐圧性能からみて10重量％以上が望ま
しい。

第５図と第６図の総合的な性能から見ると、
Coは５〜30重量％、Taは５〜30重量％の範囲で
最も効果的にしや断性能、耐電圧性能を向上す
る。

また、接触抵抗を測定した他の実験から、Co
とTaの合計が40重量％以下の範囲含有する場合
が最も接触抵抗が低く安定して、実用上有利であ
つた。

なお、前記第５図，第６図の実験例ではCoと
Taからなる金属間化合物、即ちCo₂Taを形成し
ており、Cu中にCo，TaおよびCo₂Ta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
温度を低くするなど、して、Cu，Co，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―20重量％Co合
金に比較して著しく大きなしや断性能を有する。
これは合金中でCo₂Taなどを形成していなくとも
アーク発生中にCo，Taが相互作用を生ずるため
である。しかし、同一の配合で混合、成形、焼結
されたCu―Co―Ta合金ではCo，Taの金属間化
合物を形成しているもののほうがしや断性能に優
れていることがわかつた。また、この発明の一実
施例の接点材料の合金の製造方法としては溶解鋳
造によることも可能でほぼ同様の効果があること
を確認している。

また図示しないが、Coの全部または一部をFe
で置きかえてもほぼ同様の効果があつた。これは
FeがCoと同様Fe₂Taを形成することからもTaと
共存して相互作用によりしや断性能向上に効果的
である。

また、上記合金にTi，ZrおよびAlのうちの少
なくとも１種を５重量％以下添加した合金は添加
しない合金に比較して、しや断性能を上昇させる
効果があつた。これはTi，ZrおよびAlが上記合
金中に存在し、しや断性能に効果的な成分を形成
するためである。５重量％を越えると、Cuマト
リツクスとの反応が進み過ぎ、電気伝導度を著し
く低下させるためにしや断性能や接触抵抗を悪化
させた。

また、Bi，Te，Sb，Tl，Pb，Se，Ce及びCa
の内の少なくとも一つの低融点金属、その合金、
金属間化合物並びにその酸化物のうち少なくとも
１種を20重量％以下添加した低さい断真空しや断
器用接点材料においても、前記実施例と同様にし
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、合金、金属間化合物、並び
にその酸化物のうち少なくとも１種を20重量％以
上添加した場合は著しく、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、銅を第１の
成分とし、第２成分としてタンタルを60重量％以
下、第３成分として、コバルトおよび鉄の少なく
とも１種を50重量％以下で、かつ第２成分と第３
成分の合計が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図は一般的な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、第３図は焼結法により製造した従来のCu
―20重量％Co接点合金の100倍の金属組織写真、
第４図は比較的高温で焼結したこの発明の一実施
例のCu―20重量％Co―７重量％Ta接点材料の
100倍の金属組織写真、第５図はこの発明の実施
例の接点材料におけるCo量を０，５，20，30，
40，50重量％に各々固定した場合の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６図はこの発明の実施例の接点材料における
Co量を０，５，20，50重量％に各々固定した場
合のTa添加量を変化させた時の耐電圧の変化を
示す特性図である。１は真空絶縁容器、２，３は端板、４，５は電
極、６，７は電極棒、８はベローズ、９，１０は
シールド、５１はろう材である。

Claims

【特許請求の範囲】１銅を第１の成分とし、第２の成分としてタン
タルを60重量％以下、第３の成分としてコバルト
及び鉄のうちの少なくとも１種を50重量％以下
で、かつ第２の成分と第３の成分の合計が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第２の成分と第３の成分の合計が60重量％以
下で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。３第２の成分が５〜30重量％、及び第３の成分
が５〜30重量％の範囲で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第２の成分と第３の成分の合計が40重量％以
下で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。５チタン、ジルコニウムおよびアルミニウムの
うちの少なくとも１種を５重量％以下含有するこ
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。６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内の少な
くとも一つの低融点金属、その合金、金属間化合
物、並びにその酸化物のうちの少なくとも１種を
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５項のいずれかに記載
の真空しや断器用接点材料。