真空バルブ用接点材料、その製造方法および真空バルブ
【課題】接点材料の耐弧成分に組織としての方向性を持たせることにより、遮断特性と耐電圧特性の向上を図った真空バルブ用接点材料、その製造方法および真空バルブを提供する。
【解決手段】接点材料の断面組織に直交する２直線ｘ、ｙを通過させるとして、通電方向に垂直な直線ｘにおける前記境界部の通過回数Ｘと、通電方向に平行な直線ｙにおける前記境界部の通過回数Ｙとを比べた時、両者が１０％以上異なるようにしたことを構成上の特徴とする。
【解決手段】接点材料の断面組織に直交する２直線ｘ、ｙを通過させるとして、通電方向に垂直な直線ｘにおける前記境界部の通過回数Ｘと、通電方向に平行な直線ｙにおける前記境界部の通過回数Ｙとを比べた時、両者が１０％以上異なるようにしたことを構成上の特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空バルブ用接点材料に要求される特性の内、耐電圧性能と遮断性能を向上させた真空バルブ用接点材料、その製造方法および真空バルブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、真空遮断器等には高真空中でのアーク拡散性を利用して電流遮断を行う真空バルブが設置されている。この真空バルブは、対向する固定、可動の２つの接点を有しており、その接点材料は溶解法や焼結溶浸法によって作られている。
【０００３】
接点材料は、機械的衝撃、電気的衝撃、熱的衝撃を複合的に受ける過酷な環境下で長期間にわたって繰り返し使用されるため、様々な特性が要求される。特に、耐電圧特性、遮断特性、耐溶着特性に対する各性能で示される基本的な三要件を満たすことが求められている。また、電気抵抗（バルク抵抗と接触抵抗）と温度上昇が低く安定していることも重要な要件である。
【０００４】
上記の要件の中には相反するものがあるため、単一の金属種によって接点材料を製造しても、全ての要件を満足させることは非常に難しい。したがって、現在実用化されている真空バルブ用接点材料では、不足する特性を相互に補えるように２種以上の物質を組合せて製造しており、各特性のバランスをとりながらその用途に適した接点材料を実現している。
【０００５】
例えば、Ｃｕを主たる導電成分とし、これにＢｉ、ＴｅおよびＳｅのような耐溶着性改善成分が添加された接点材料は、低電圧領域での大電流遮断器に用いられている。また、Ａｇを主たる導電成分とし、これに高融点の耐弧成分であるＷＣを複合化したＡｇ−ＷＣ系の接点材料は、主に低サージ真空遮断器用の接点として利用されている。
【０００６】
さらには、導電成分であるＣｕに、ＣｒやＷのような高融点の耐弧成分を複合化したＣｕ−Ｗ系の接点材料やＣｕ−Ｃｒ系の接点材料等がある。このうち、Ｃｕ−Ｗ系の接点材料は、遮断特性こそあまり高くはないが、耐電圧特性が卓越しているので、高耐圧用開閉器に適している。
【０００７】
一方、Ｃｕ−Ｃｒ系の接点材料は優れた遮断特性を有しており、汎用、高耐圧用遮断器に好適である。Ｃｕ−Ｃｒ系の接点材料としては、Ｃｕ−２５ｗｔ％Ｃｒ接点材料やＣｕ−５０ｗｔ％Ｃｒ接点材料が最も一般的である。前者は通電特性に優れており、後者は耐電圧特性に優れているといった特徴がある。
【特許文献１】特開２００３−２２６９０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、電気機器の高性能化に対する要求は年々厳しくなっており、真空バルブ用の接点材料に関しても、その特性をいっそう向上させることが期待されている。中でも、基本的な要件となる遮断特性と耐電圧特性については、さらに伸ばすことが望まれていた。
【０００９】
上記特許文献１に記載された接点材料をはじめとして、耐弧成分粒子の均一化や微細化といったように、接点材料を構成する組織から方向性をなくすことを目指したものが多く提案されていた。つまり、従来の接点材料およびその製造技術では、接点材料を構成する組織の方向性については全く顧みられていなかった。そこで、本発明者らは、今までは考慮されていなかった接点材料における組織の方向性に着目し、組織に方向性を持たせることで、遮断特性および耐電圧特性を向上させることを課題とした。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みて提案されたものであり、その目的は、接点材料の耐弧成分に組織としての方向性を持たせることにより、遮断特性と耐電圧特性の向上を図った真空バルブ用接点材料、その製造方法および真空バルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、導電成分のマトリックス中に粒子状の少なくとも耐弧成分を有する真空バルブ用接点材料であって、接点材料の断面組織に直交する２直線を通過させるとして、前記２直線における前記導電成分／前記耐弧成分の境界部に対する通過回数が１０％以上異なることを特徴としている。
【００１２】
あるいは、接点材料の断面組織に直交する２直線を通過させるとして、前記２直線における前記耐弧成分上を通過する長さの総和が１０％以上異なることを特徴としたものである。
【００１３】
本発明の接点材料の製造方法としては、導電成分および耐弧成分の原料となる２種類の金属粉末を、所定の比率で混合する混合工程と、混合した２種類の前記金属粉末に圧力を加えて圧粉体を成形する加圧工程と、前記圧粉体を非酸化性雰囲気中で焼結する焼結工程を含んだ真空バルブ用接点材料の製造方法において、次のような特徴を有している。
【００１４】
すなわち、耐弧成分の原料として長粒径を有する金属粉末を用いることを特徴としたものである。あるいは、前記加圧工程および前記焼結工程を複数回繰り返すことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、真空バルブ用接点材料に組織としての方向性を持たせて、これを制御することができるため、遮断特性と耐電圧特性が大幅に向上し、真空バルブ用接点材料の信頼性・安定性を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態（実施形態）について、図面および表を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、各実施形態に包含される実施例、および実施例と電気特性を比較するための比較例を示している。各実施例または各比較例ごとに成分の種類や焼結工程の条件などは異なるが、同一の実施形態に包含される複数の実施例に関しては、その実施形態が持つ標準的な製造条件から特定の製造パラメータのみを変えるものとする。
【００１７】
（１）第１の実施形態
第１の実施形態は、Ｃｕを主成分とした導電成分のＣｕマトリックス１２中に、耐弧成分としてＣｒ粒子１３を複合化したＣｕ−５０ｗｔ％Ｃｒ接点材料である。図１は、第１の実施形態の組織を撮影した写真の模式図である。図２は第１の実施形態に係る接点材料が適用される真空バルブの断面図、図３は図２に示した真空バルブの電極部分の拡大断面図である。表１は第１の実施形態における具体的な実施例１および比較例１の製造条件、組織方向性の指標および電気試験結果を示した表である。
【００１８】
（１−１）接点材料の製造方法
発明者らは、接点材料中の耐弧成分の組織に方向性を持たせることで、遮断特性と耐電圧特性を向上させることができるといった知見を得た。そこで、この知見に基づき、本実施形態では、次のような焼結溶浸法によって接点材料を製造することで、耐弧成分であるＣｒ粒子１３の形状を制御し、組織としての方向性を持たせた。
【００１９】
まず、均一粒径のＣｕ粉末および長粒径を有するＣｒ粉末を所定量混合し（混合工程）、Ｃｒ粉末が相対密度５０％になるようにφ６０mmの金型で加圧成形して圧粉体を得る（加圧工程）。この時、Ｃｒ粉末として、均一粒径のものではなく、長粒径のものを用いることがポイントとなる。
【００２０】
ついで、この圧粉体を真空雰囲気中で１０００℃×１時間の条件で仮焼結してＣｒスケルトンとし、これを溶浸材であるＣｕブロックを載せ、真空雰囲気中、１１５０℃×１時間の条件で焼結する（焼結工程）。これにより、ほぼ円柱状のＣｕ−５０ｗｔ％Ｃｒ合金を複数枚得た。
【００２１】
以上のようにして得たものを第１の実施形態における実施例１とする。また、実施例１と電気特性を比較するための比較例１を製造する。比較例１は、Ｃｒ粉末として均一粒径のものを使う点だけが異なり、それ以外は上記実施例１と同一の工程を経て得たものである。
【００２２】
（１−２）真空バルブの構成
以上のようにして製造したＣｕ−５０ｗｔ％Ｃｒ合金を、所定の接点形状(φ５０ｍｍ，ｔ５ｍｍ)に加工し、接点として真空バルブに組み込む。ここで、真空バルブの構成について図３および図４を用いて説明する。すなわち、真空バルブ３には遮断室１が設けられている。遮断室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を介して設けた金属製の蓋体２ａ、２ｂとで真空気密に構成されている。
【００２３】
遮断室１内には、上下方向から導電棒４ａ、４ｂが挿入されている。導電棒４ａ、４ｂは端部が対向するように一直線上に配置されており、それぞれ電極６ａ、６ｂが取付けられている。上部の電極６ａを固定電極、下部の電極６ｂを可動電極とする。
【００２４】
可動電極６ｂ側の電極棒４ｂには、ベローズ７が取付けられており、遮断室１内を真空気密に保持しながら可動電極６ｂの軸方向の移動可能となるように構成されている。各電極６ａ、６ｂの対向面に本実施形態に係る接点５ａ、５ｂが設けられている。
【００２５】
また、ベローズ７上部にはベローズ７がアーク蒸気で覆われることを防ぐために金属製のアークシールド９が設けられている。さらに、電極６ａ、６ｂを覆うようにして金属製のアークシールド８が設けられている。これは電極６ａ、６ｂがアーク蒸気で覆われることを防止するためのものである。
【００２６】
さらに、可動電極６ｂは、図４に示したように導電棒４ｂにろう付け部１０ｂ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。また、接点５ｂは電極６ｂに対しろう付け層１１ｂによってろう付けで取付けられる。なお、図示しないが、固定電極側６ａも同様の構成を有している。
【００２７】
（１−３）接点材料の構成
図１は、実施例１においてＣｕ−５０ｗｔ％Ｃｒ合金の底面に垂直な面で切断した場合の模式図である。ここで、正方形の組織写真に各辺に平行な２直線ｘ、ｙを引き、接点材料の組織を断面から見てＣｕマトリックス１２とＣｒ粒子１３の境界部に前記２直線ｘ、ｙが通過させた場合に、各直線ｘ、ｙの通過回数Ｘ、Ｙ（前記直線と前記境界部との交点）を計測する。そして、この計測をそれぞれの方向で５回ずつ測定して平均値を算出し、両者の比をパーセンテージで求める（Ｙ／Ｘの１００倍）。本実施形態ではこの比を「組織の方向性指標」とする。
【００２８】
第１の実施形態においては、直線ｘにおける前記境界部の通過回数Ｘと、直線ｙにおける前記境界部の通過回数Ｙとを比べた時、両者が１０％以上異なるようにしたことを構成上の特徴としている。
【００２９】
より詳しくは、第１の実施形態に係る接点材料では、通電方向に対して平行である直線ｙにおける通過回数Ｙと、通電方向に対して垂直(接点の半径方向)である直線ｘにおける通過回数Ｘとを求めて両者を比べた場合に、境界部に対する通過回数の比率が、垂直な方向の通過回数Ｘを基準として、この通過回数Ｘよりも平行な方向の通過回数Ｙの方が１０％以上多いようになっている。これは、通電方向と垂直な方向に比べて、通電方向と平行な方向の方に、多くのＣｒ粒子１３が存在することを意味している。
【００３０】
図１に示した例では、図中の縦方向つまり通電方向に対して平行な方向に延びる直線ｙでは、境界部に対して合計７回の通過点（図１中の（１）〜（７））があり、図中の横方向つまり通電方向に対して垂直な方向に延びる直線ｘでは、境界部に対して合計５回の通過点（図１中のＩ〜Ｖ）があるといった計測結果である。このような計測をそれぞれの方向で５回ずつ測定して平均値を算出し、両者の比を求めたところ、実施例１では１１２％であった。
【００３１】
具体的には、通電方向に垂直な直線ｘ側の通過回数の計測を５回行った場合に、それぞれの計測結果が５回、６回、４回、５回、５回だったとすると、通過回数Ｘの平均値は５回となる。また、通電方向に平行な直線ｙ側の計測を５回行った場合に、それぞれの計測結果が７回、６回、５回、５回、７回だったとすると、通過回数Ｙの平均値は５．６回となる。この時の両者の比は、５．６：５となり、パーセンテージで表して１１２％となる。なお、比較例１において同様に測定して通過回数Ｘ、Ｙの比を算出したところ、１０５％であった（表１参照）。
【００３２】
【表１】
【００３３】
（１−４）接点材料の電気特性の評価方法
以上のような本実施形態に係る接点材料を真空バルブ３の接点５ａ、５ｂとして組み込んで、遮断試験と耐電圧試験を実施した。遮断試験は、5ｋＡから徐々に電流値を上げていく方法で最大遮断電流を測定した。
【００３４】
また、遮断試験後の接点について、耐電圧試験を実施した。耐電圧試験は、電極間隔を一定(約５ｍｍ)にして絶縁破壊電圧を１００回測定し、その平均値を算出した。ここでは、比較例１における測定結果を基準値とし、その他の測定結果は相対値で示した。
【００３５】
（１−５）作用効果
実施例１の電気特性の評価結果は、遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ１.０倍と１.１倍であり、耐電圧特性は比較例１よりも向上した（表１参照）。このような本実施形態によれば、Ｃｒ粒子１３の方向性を制御して、通電方向と平行な方向に、通電方向と垂直な方向よりも多くのＣｒ粒子１３を存在させることで、耐電圧性能の向上を図ることができ、優れた接点性能を有する真空バルブ３を得ることができた。
【００３６】
（２）第２の実施形態
第２の実施形態は、固相焼結法によって製造したＣｕ−５０ｗｔ％Ｃｒ接点材料であり、前記第１の実施形態における接点と同一の接点形状に加工して真空バルブに組み込んだものである。
【００３７】
図４は、第２の実施形態の組織を撮影した写真の模式図、表２は第２の実施形態における具体的な実施例２および比較例２に関して、その製造条件、組織方向性の指標および電気試験結果を示した表である。
【００３８】
（２−１）接点材料の製造方法
まず、均一粒径のＣｕ粉末およびＣｒ粉末を所定量混合し（混合工程）、重量比１：１となるようにφ６０mmの金型で７ｔ／ｃｍ２で加圧成形して圧粉体を得る（加圧工程）。ついで、この圧粉体を水素雰囲気中で１０００℃×５時間の条件で固相焼結する（焼結工程）。このような加圧工程と焼結工程を２回ずつ繰り返して実施し、ほぼ円柱状のＣｕ−５０ｗｔ％Ｃｒ合金を複数枚得た。
【００３９】
以上のようにして得たものを第２の実施形態における実施例２とする。また、これと電気特性を比較するための比較例２を製造する。比較例２は、加圧工程と焼結工程をそれぞれ１回だけ実施して製造した点が異なり、それ以外は上記実施例２と同一の工程を経て得たものとする。
【００４０】
（２−２）接点材料の構成
図４は、実施例２においてＣｕ−５０ｗｔ％Ｃｒ合金の底面に垂直な面で切断した場合の模式図である。ここで、正方形の組織写真に各辺に平行な２直線ｘ、ｙを引き、接点材料の断面組織においてＣｒ粒子１３の断面上に前記２直線ｘ、ｙが通過するとして、通過した線分の長さの総和Ａ、Ｂを、「組織の方向性指標」としている。
【００４１】
第２の実施形態においては、直線ｘにおけるＣｒ粒子１３上を通過する長さの総和Ｂと、直線ｙにおけるＣｒ粒子１３上を通過する長さの総和Ａとを比べた時、両者が１０％以上異なることを特徴としたものである。
【００４２】
つまり第２の実施形態に係る接点材料でも、通電方向に対して平行な方向と垂直な方向(接点の半径方向)に比べた場合、Ｃｒ粒子１３上を通過する長さの総和の比率が、垂直な方向の総和Ｂを基準として、この総和Ｂよりも平行な方向の総和Ａの方が１０％以上多いことを示している。これは前記第１の実施形態と同じく、通電方向と垂直な方向に比べて、通電方向と平行な方向の方に、多くのＣｒ粒子１３が存在することに他ならない。
【００４３】
図４では、通電方向と平行な直線ｙにおけるＣｒ粒子１３上を通過する長さの総和がＡ＝ａ１＋ａ２＋ａ３となり、通電方向に垂直な直線ｘにおけるＣｒ粒子１３上を通過する長さの総和がＢ＝ｂ１＋ｂ２＋ｂ３となる。この計測をそれぞれの方向で５回ずつ測定して平均値を算出し、両者の比を求めたところ、実施例２では１２０％であった。なお、比較例２において同様に算出したところ、両者の比は１０８％であった（表２参照）。
【００４４】
【表２】
【００４５】
（２−３）作用効果
以上のような実施例２および比較例２に係る接点材料を真空バルブ３の接点５ａ、５ｂとして組み込んで、前記第１の実施形態と同様の遮断試験と耐電圧試験を実施した。その結果、比較例２における遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ１.０倍と０.９倍であったのに対して、実施例２における遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ１.０倍と１.１倍であった（表２参照）。
【００４６】
このような第２の実施形態によれば、前記第１の実施形態と同じく、Ｃｒ粒子１３の方向性を制御して、通電方向と平行な方向に、通電方向と垂直な方向よりも多くのＣｒ粒子１３を存在させることで、耐電圧性能を高めることができ、接点性能の向上に寄与することができた。
【００４７】
（３）第３の実施形態
第３の実施形態は、焼結温度に限定を加えたものであり、Ｃｕ−２５ｗｔ％Ｃｒ接点材料である。表３は第３の実施形態における具体的な実施例３、４および比較例３の製造条件、組織方向性の指標および電気試験結果を示した表である。
【００４８】
（３−１）接点材料の製造方法
第３の実施形態では、真空雰囲気中の焼結工程での焼結温度を、導電成分であるＣｕマトリックス１２の溶融温度１０８３℃を基準にして、これよりも２００℃低い温度を下限値とし、それ以上の温度で焼結工程を実施することを特徴としている。
【００４９】
第３の実施形態に含まれる実施例３、４では、焼結温度をそれぞれ９００℃、１２５０℃として、Ｃｕ−２５ｗｔ％Ｃｒ接点材料を製造した。すなわち、上記実施例１、２にて示した焼結温度１０００℃、１１５０℃よりも１００℃高い温度と１００℃低い温度を用いている。
【００５０】
なお、実施例３では固相焼結法を採用し、実施例４では液相焼結法を採用している。また、比較例３では、焼結温度８５０℃の固相焼結法で接点材料を製造した。比較例３の焼結温度は、第３の実施形態における製造条件として上げた焼結温度の下限値、Ｃｕマトリックス１２の溶融温度１０８３℃よりも２００℃低い温度である８８３℃を、さらに下回る温度である。
【００５１】
（３−２）接点材料の構成
第３の実施形態では、Ｃｒ粒子１３における組織の方向性の指標として、前記第１の実施形態と同じく、Ｃｕマトリックス１２とＣｒ粒子１３の境界部に対する２直線ｘ、ｙの通過回数Ｘ、Ｙの比（Ｙ／Ｘの１００倍）とする。この比を求めたところ、実施例３、４では１１５％、１３０％であった。また、比較例３において同様に２直線ｘ、ｙの通過回数Ｘ、Ｙの比（Ｙ／Ｘの１００倍）を算出したところ、両者の比は１１５％であった（表３参照）。
【００５２】
【表３】
【００５３】
（３−３）作用効果
第３の実施形態の作用効果は次の通りである。以上の実施例３、４および比較例３に係る接点材料を真空バルブ３の接点５ａ、５ｂとして組み込んで、前記第１の実施形態と同様の遮断試験と耐電圧試験を実施した結果を表３に示す。
【００５４】
すなわち、表３に示したように、比較例３では、２直線ｘ、ｙの通過回数Ｘ、Ｙの比が１１５％であるが、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ１.０倍と１.０倍であり、各特性に関して向上は見られなかった。これは焼結温度がＣｕマトリックス１２の融点温度よりも２００℃以上低いために、焼結が進まず、密度が低かった(相対密度８５％)からであると考えられる。
【００５５】
これに対して、実施例４は２直線ｘ、ｙの通過回数Ｘ、Ｙの比は１１５％と、比較例３と同じであったにも関わらず、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ１.１倍と１.１倍となり、両特性ともに比較例１よりも高めることができた。また、焼結温度を高くした実施例５では、遮断特性と耐電圧特性が比較例１のそれぞれ１.２倍と１.２倍となって、遮断特性および耐電圧特性がさらに向上した。
【００５６】
以上のように第３の実施形態によれば、Ｃｒ粒子１３の方向性の制御に加えて、Ｃｕマトリックス１２の溶融温度１０８３℃よりも２００℃低い温度を下限値とした温度で焼結工程を実施することによって、耐電圧性能および遮断性能を高めることが可能となった。
【００５７】
（４）第４の実施形態
（４−１）構成
第４の実施形態は、真空雰囲気中の固相焼結法により製造したＣｕ−２０ｗｔ％Ｃｒ接点材料であり、上記実施例２と同様に２回加圧と２回焼結で製造した後に、真空雰囲気中で３０分の熱処理を行い、熱処理温度をパラメータとしている。
【００５８】
第４の実施形態における特徴は、焼結工程後の熱処理工程において、その熱処理温度を限定した点にある。すなわち、導電成分であるＣｕマトリックス１２の溶融温度１０８３℃を基準にして、前記溶融温度よりも４００℃低い温度を下限値とし、前記溶融温度よりも２０℃低い温度を上限値とした温度で実施している。
【００５９】
表４は第５の実施形態における具体的な実施例５〜７および比較例４，５の製造条件、組織方向性の指標および電気試験結果を示した表である。実施例５〜７における熱処理温は、実施例５で１０５０℃（溶融温度よりマイナス３３℃）、実施例６では８５０℃（溶融温度よりマイナス２３３℃）、実施例７で７００℃（溶融温度よりマイナス３８３℃）である。
【００６０】
また、電気特性を比較するための比較例４、５は、熱処理温度が溶融温度１０８３℃の−４００℃〜−２０℃の範囲を超えたものであり、比較例４が１０７０℃（溶融温度よりマイナス１３℃）、比較例５は６５０℃（溶融温度よりマイナス４３３℃）である。この点以外は上記実施例５〜７と同一の工程を経て得たものとする。
【００６１】
なお、Ｃｒ粒子１３における組織の方向性の指標としては、前記第１の実施形態と同じく、Ｃｕマトリックス１２とＣｒ粒子１３の境界部に対する２直線ｘ、ｙの通過回数Ｘ、Ｙの比を用いている。この比を求めたところ、実施例６〜８ではそれぞれ１２２％、１２４％、１２３％であった。また、比較例４、５においても同様に２直線ｘ、ｙの通過回数Ｘ、Ｙの比を算出したところ、１２３％、１２４％であった（表４参照）。
【００６２】
【表４】
【００６３】
（４−２）作用効果
以上のような実施例５〜７および比較例４、５に係る接点材料を真空バルブ３の接点５ａ、５ｂとして組み込んで、前記第１の実施形態と同様の遮断試験と耐電圧試験を実施し、電気特性を評価したところ、遮断特性と耐電圧特性は、次の通りであった。
【００６４】
表４に示すように、実施例５〜７はいずれも比較例１のそれぞれ１.３倍と１.２倍であり、適切な温度による熱処理によって、前述した実施例１〜４の持つ特性値よりもさらに向上した。以上の実施例５〜７の結果から明らかなように、固相焼結工程後に適切な処理温度で熱処理を加えると、電気特性、特に遮断特性の向上が可能となる。この時の熱処理温度は、導電成分Ｃｕの融点（１０８３℃）を基準にして、−２０℃以下、−４００℃以上の時に特性向上が特に顕著となる。
【００６５】
これに対して、比較例４、５の遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ１.１倍と１.１倍ではあるものの、実施例１〜４の持つ特性を基準とすれば、いずれの特性も向上していない。すなわち、熱処理によって特性の向上が図られたとは言えない。これは熱処理温度が低すぎるか、高すぎたかであり、導電率の改善効果が小さかったからである。
【００６６】
（５）他の実施形態
なお、本発明は上記の実施形態および実施例に限定されるものではなく、以下のものも包含する。すなわち、前記実施例１〜７では、導電成分がＣｕ、耐弧成分がＣｒである接点材料の事例について述べたが、本発明の主旨はこれに限るものではなく、導電成分や耐弧成分、さらには補助的な成分など、適宜選択可能である。
【００６７】
具体的には、表５に示すような実施例８〜１７も包含する。表５は、実施例８〜１７の製造条件、組織方向性の指標および電気試験結果を示した表である。実施例８は、約１８００℃の溶解温度で真空溶解法によって製造したＣｕ−２０ｗｔ％Ｃｒ接点材料である。
【００６８】
【表５】
【００６９】
この実施例８におけるＣｒ粒子１３組織の方向性の指標としては、前記第２の実施形態と同じく、通電方向と平行な直線ｙにおけるＣｒ粒子１３上を通過する長さの総和Ａと、通電方向に垂直な直線ｘにおけるＣｒ粒子１３上を通過する長さの総和Ｂとの平均値の比（Ａ／Ｂの１００倍）を採用した。これを求めたところ、実施例８における両者の１２５％であった。
【００７０】
以上のような実施例８に係る接点材料を真空バルブ３の接点５ａ、５ｂとして組み込んで、前記第１の実施形態と同様の遮断試験と耐電圧試験を実施し、電気特性を評価したところ、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ１.２倍と１.２倍であった。すなわち、実施例８においては、耐電圧性能および遮断性能の向上を認めることができる。
【００７１】
実施例９〜１４ではいずれも、液相焼結法を用いており、真空雰囲気中で焼結温度は１１００℃である。また、実施例９〜１４におけるＣｒ粒子１３組織の方向性の指標としては、前記第１の実施形態と同じく、Ｃｕマトリックス１２とＣｒ粒子１３の境界部に対する２直線ｘ、ｙの通過回数Ｘ、Ｙの比（Ｙ／Ｘの１００倍）を用いている。
【００７２】
実施例９では、導電成分をＡｇ、耐弧成分をＷＣとして作製した。また、実施例１０では、導電成分をＡｇ+Ｃｕ、耐弧成分をＷＣとして作製した。各実施例８、９の通過回数Ｘ、Ｙの比は１２３％、１２８％であった。これらの実施例９、１０における電気特性を評価した結果、実施例９の遮断特性と耐電圧特性では通常のＡｇ−ＷＣ接点の、実施例１０の遮断特性と耐電圧特性では通常のＡｇ−ＷＣ接点の、それぞれ１.１倍と１.２倍であった。つまり、実施例９、１０においては、遮断特性と耐電圧特性はともに向上した。
【００７３】
実施例１１〜１４では、導電成分をＣｕとし、耐弧成分をそれぞれ、Ｗ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｃｒ+Ｗ(接点全体に占めるＷは４ｗｔ％になるように調整)として、接点材料を製造したものである。実施例１１〜１４における前記通過回数Ｘ、Ｙの比はそれぞれ１２７％、１２９％、１２７％、１２８％であった。これらの実施例１１〜１４の電気特性を評価した結果、遮断特性は、実施例１１〜１４全てにおいて、同一耐弧成分を持つ通常の接点の１.２倍、耐電圧特性は１.２倍であって、両特性ともに向上した。
【００７４】
さらには、前記実施例１〜１５では、導電成分と耐弧成分で構成される接点材料の事例について述べたが、本発明の主旨はこれに限るものではない。すなわち、実施例１５〜１７では、補助成分としてそれぞれＢｉ，Ｔｅ，Ｔｅ+Ｓｂとし、実施例１と同様に液相焼結法の１種である焼結溶浸法で、接点材料を製造したものである（水素雰囲気中で焼結温度は１２００℃）。
【００７５】
実施例１５〜１７におけるＣｒ粒子１３組織の方向性の指標としては、前記第１の実施形態と同じく、Ｃｕマトリックス１２とＣｒ粒子１３の境界部に対する２直線ｘ、ｙの通過回数Ｘ、Ｙの比を用いている。実施例１５〜１７の通過回数Ｘ、Ｙの比はそれぞれ１２２％、１２４％、１２３％であった。
【００７６】
これらの実施例１５〜１７の電気特性を評価した結果、遮断特性は、実施例１５〜１７は全てについて、１種類の原料耐弧粉末しかし使用していない通常の焼結溶浸法で製造した時の同一耐弧成分を持つ通常の接点の１.２倍であり、耐電圧特性は１.１倍となって、遮断特性と耐電圧特性を向上させることが可能である。
【００７７】
なお、導電成分については、上記の実施形態では、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｇ+Ｃｕでの記載しかないが、ＣｕまたはＡｇを主成分とするならば、同様の効果が得られる。また、耐弧成分についても、上記の実施形態では、Ｃｒ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｏ，ＷＣ，Ｃｒ+Ｗでの記載しかないが、Ｃｒ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｍｏ及びこれらの炭化物の内の少なくとも１つを耐弧成分として使用しても、同様の効果が得られる。さらに補助成分についても、上記の実施形態では、Ｂｉ，Ｔｅ，Ｔｅ+Ｓｂとした場合のみ記載しているが、Ｂｉ，Ｔｅ，Ｓｂの内の少なくとも１つを補助成分としても、同様の効果が得られる。
【００７８】
また、製造条件に関しても適宜変更可能であり、焼結法における加圧工程および焼結工程の実施回数の選択や、溶解法における冷却速度（凝固速度）の制御などが有効である。なお、接点材料の断面組織に通過させる２直線に関しては、両者が直交していればよく、真空バルブの通電方向に垂直な直線と、通電方向に平行な直線に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の第１の実施形態の断面組織を撮影した写真の模式図。
【図２】第１の実施形態に係る接点材料が適用される真空バルブの断面図。
【図３】図２に示した真空バルブの電極部分の拡大断面図。
【図４】本発明の第２の実施形態の断面組織を撮影した写真の模式図。
【符号の説明】
【００８０】
１…遮断室
２…絶縁容器
３…真空バルブ
４ａ、４ｂ…導電棒
５ａ、５ｂ…接点
６ａ…固定電極
６ｂ…可動電極
７…ベローズ
８、９…アークシールド
１２…Ｃｕマトリックス
１３…Ｃｒ粒子
Ａ…通電方向に平行な直線ｙにおけるＣｒ粒子１３上を通過する長さの総和
Ｂ…通電方向に垂直な直線ｘにおけるＣｒ粒子１３上を通過する長さの総和
Ｘ…通電方向に垂直な直線ｘにおける境界部の通過回数
Ｙ…通電方向に平行な直線ｙにおける境界部の通過回数
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空バルブ用接点材料に要求される特性の内、耐電圧性能と遮断性能を向上させた真空バルブ用接点材料、その製造方法および真空バルブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、真空遮断器等には高真空中でのアーク拡散性を利用して電流遮断を行う真空バルブが設置されている。この真空バルブは、対向する固定、可動の２つの接点を有しており、その接点材料は溶解法や焼結溶浸法によって作られている。
【０００３】
接点材料は、機械的衝撃、電気的衝撃、熱的衝撃を複合的に受ける過酷な環境下で長期間にわたって繰り返し使用されるため、様々な特性が要求される。特に、耐電圧特性、遮断特性、耐溶着特性に対する各性能で示される基本的な三要件を満たすことが求められている。また、電気抵抗（バルク抵抗と接触抵抗）と温度上昇が低く安定していることも重要な要件である。
【０００４】
上記の要件の中には相反するものがあるため、単一の金属種によって接点材料を製造しても、全ての要件を満足させることは非常に難しい。したがって、現在実用化されている真空バルブ用接点材料では、不足する特性を相互に補えるように２種以上の物質を組合せて製造しており、各特性のバランスをとりながらその用途に適した接点材料を実現している。
【０００５】
例えば、Ｃｕを主たる導電成分とし、これにＢｉ、ＴｅおよびＳｅのような耐溶着性改善成分が添加された接点材料は、低電圧領域での大電流遮断器に用いられている。また、Ａｇを主たる導電成分とし、これに高融点の耐弧成分であるＷＣを複合化したＡｇ−ＷＣ系の接点材料は、主に低サージ真空遮断器用の接点として利用されている。
【０００６】
さらには、導電成分であるＣｕに、ＣｒやＷのような高融点の耐弧成分を複合化したＣｕ−Ｗ系の接点材料やＣｕ−Ｃｒ系の接点材料等がある。このうち、Ｃｕ−Ｗ系の接点材料は、遮断特性こそあまり高くはないが、耐電圧特性が卓越しているので、高耐圧用開閉器に適している。
【０００７】
一方、Ｃｕ−Ｃｒ系の接点材料は優れた遮断特性を有しており、汎用、高耐圧用遮断器に好適である。Ｃｕ−Ｃｒ系の接点材料としては、Ｃｕ−２５ｗｔ％Ｃｒ接点材料やＣｕ−５０ｗｔ％Ｃｒ接点材料が最も一般的である。前者は通電特性に優れており、後者は耐電圧特性に優れているといった特徴がある。
【特許文献１】特開２００３−２２６９０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、電気機器の高性能化に対する要求は年々厳しくなっており、真空バルブ用の接点材料に関しても、その特性をいっそう向上させることが期待されている。中でも、基本的な要件となる遮断特性と耐電圧特性については、さらに伸ばすことが望まれていた。
【０００９】
上記特許文献１に記載された接点材料をはじめとして、耐弧成分粒子の均一化や微細化といったように、接点材料を構成する組織から方向性をなくすことを目指したものが多く提案されていた。つまり、従来の接点材料およびその製造技術では、接点材料を構成する組織の方向性については全く顧みられていなかった。そこで、本発明者らは、今までは考慮されていなかった接点材料における組織の方向性に着目し、組織に方向性を持たせることで、遮断特性および耐電圧特性を向上させることを課題とした。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みて提案されたものであり、その目的は、接点材料の耐弧成分に組織としての方向性を持たせることにより、遮断特性と耐電圧特性の向上を図った真空バルブ用接点材料、その製造方法および真空バルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、導電成分のマトリックス中に粒子状の少なくとも耐弧成分を有する真空バルブ用接点材料であって、接点材料の断面組織に直交する２直線を通過させるとして、前記２直線における前記導電成分／前記耐弧成分の境界部に対する通過回数が１０％以上異なることを特徴としている。
【００１２】
あるいは、接点材料の断面組織に直交する２直線を通過させるとして、前記２直線における前記耐弧成分上を通過する長さの総和が１０％以上異なることを特徴としたものである。
【００１３】
本発明の接点材料の製造方法としては、導電成分および耐弧成分の原料となる２種類の金属粉末を、所定の比率で混合する混合工程と、混合した２種類の前記金属粉末に圧力を加えて圧粉体を成形する加圧工程と、前記圧粉体を非酸化性雰囲気中で焼結する焼結工程を含んだ真空バルブ用接点材料の製造方法において、次のような特徴を有している。
【００１４】
すなわち、耐弧成分の原料として長粒径を有する金属粉末を用いることを特徴としたものである。あるいは、前記加圧工程および前記焼結工程を複数回繰り返すことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、真空バルブ用接点材料に組織としての方向性を持たせて、これを制御することができるため、遮断特性と耐電圧特性が大幅に向上し、真空バルブ用接点材料の信頼性・安定性を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態（実施形態）について、図面および表を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、各実施形態に包含される実施例、および実施例と電気特性を比較するための比較例を示している。各実施例または各比較例ごとに成分の種類や焼結工程の条件などは異なるが、同一の実施形態に包含される複数の実施例に関しては、その実施形態が持つ標準的な製造条件から特定の製造パラメータのみを変えるものとする。
【００１７】
（１）第１の実施形態
第１の実施形態は、Ｃｕを主成分とした導電成分のＣｕマトリックス１２中に、耐弧成分としてＣｒ粒子１３を複合化したＣｕ−５０ｗｔ％Ｃｒ接点材料である。図１は、第１の実施形態の組織を撮影した写真の模式図である。図２は第１の実施形態に係る接点材料が適用される真空バルブの断面図、図３は図２に示した真空バルブの電極部分の拡大断面図である。表１は第１の実施形態における具体的な実施例１および比較例１の製造条件、組織方向性の指標および電気試験結果を示した表である。
【００１８】
（１−１）接点材料の製造方法
発明者らは、接点材料中の耐弧成分の組織に方向性を持たせることで、遮断特性と耐電圧特性を向上させることができるといった知見を得た。そこで、この知見に基づき、本実施形態では、次のような焼結溶浸法によって接点材料を製造することで、耐弧成分であるＣｒ粒子１３の形状を制御し、組織としての方向性を持たせた。
【００１９】
まず、均一粒径のＣｕ粉末および長粒径を有するＣｒ粉末を所定量混合し（混合工程）、Ｃｒ粉末が相対密度５０％になるようにφ６０mmの金型で加圧成形して圧粉体を得る（加圧工程）。この時、Ｃｒ粉末として、均一粒径のものではなく、長粒径のものを用いることがポイントとなる。
【００２０】
ついで、この圧粉体を真空雰囲気中で１０００℃×１時間の条件で仮焼結してＣｒスケルトンとし、これを溶浸材であるＣｕブロックを載せ、真空雰囲気中、１１５０℃×１時間の条件で焼結する（焼結工程）。これにより、ほぼ円柱状のＣｕ−５０ｗｔ％Ｃｒ合金を複数枚得た。
【００２１】
以上のようにして得たものを第１の実施形態における実施例１とする。また、実施例１と電気特性を比較するための比較例１を製造する。比較例１は、Ｃｒ粉末として均一粒径のものを使う点だけが異なり、それ以外は上記実施例１と同一の工程を経て得たものである。
【００２２】
（１−２）真空バルブの構成
以上のようにして製造したＣｕ−５０ｗｔ％Ｃｒ合金を、所定の接点形状(φ５０ｍｍ，ｔ５ｍｍ)に加工し、接点として真空バルブに組み込む。ここで、真空バルブの構成について図３および図４を用いて説明する。すなわち、真空バルブ３には遮断室１が設けられている。遮断室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を介して設けた金属製の蓋体２ａ、２ｂとで真空気密に構成されている。
【００２３】
遮断室１内には、上下方向から導電棒４ａ、４ｂが挿入されている。導電棒４ａ、４ｂは端部が対向するように一直線上に配置されており、それぞれ電極６ａ、６ｂが取付けられている。上部の電極６ａを固定電極、下部の電極６ｂを可動電極とする。
【００２４】
可動電極６ｂ側の電極棒４ｂには、ベローズ７が取付けられており、遮断室１内を真空気密に保持しながら可動電極６ｂの軸方向の移動可能となるように構成されている。各電極６ａ、６ｂの対向面に本実施形態に係る接点５ａ、５ｂが設けられている。
【００２５】
また、ベローズ７上部にはベローズ７がアーク蒸気で覆われることを防ぐために金属製のアークシールド９が設けられている。さらに、電極６ａ、６ｂを覆うようにして金属製のアークシールド８が設けられている。これは電極６ａ、６ｂがアーク蒸気で覆われることを防止するためのものである。
【００２６】
さらに、可動電極６ｂは、図４に示したように導電棒４ｂにろう付け部１０ｂ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。また、接点５ｂは電極６ｂに対しろう付け層１１ｂによってろう付けで取付けられる。なお、図示しないが、固定電極側６ａも同様の構成を有している。
【００２７】
（１−３）接点材料の構成
図１は、実施例１においてＣｕ−５０ｗｔ％Ｃｒ合金の底面に垂直な面で切断した場合の模式図である。ここで、正方形の組織写真に各辺に平行な２直線ｘ、ｙを引き、接点材料の組織を断面から見てＣｕマトリックス１２とＣｒ粒子１３の境界部に前記２直線ｘ、ｙが通過させた場合に、各直線ｘ、ｙの通過回数Ｘ、Ｙ（前記直線と前記境界部との交点）を計測する。そして、この計測をそれぞれの方向で５回ずつ測定して平均値を算出し、両者の比をパーセンテージで求める（Ｙ／Ｘの１００倍）。本実施形態ではこの比を「組織の方向性指標」とする。
【００２８】
第１の実施形態においては、直線ｘにおける前記境界部の通過回数Ｘと、直線ｙにおける前記境界部の通過回数Ｙとを比べた時、両者が１０％以上異なるようにしたことを構成上の特徴としている。
【００２９】
より詳しくは、第１の実施形態に係る接点材料では、通電方向に対して平行である直線ｙにおける通過回数Ｙと、通電方向に対して垂直(接点の半径方向)である直線ｘにおける通過回数Ｘとを求めて両者を比べた場合に、境界部に対する通過回数の比率が、垂直な方向の通過回数Ｘを基準として、この通過回数Ｘよりも平行な方向の通過回数Ｙの方が１０％以上多いようになっている。これは、通電方向と垂直な方向に比べて、通電方向と平行な方向の方に、多くのＣｒ粒子１３が存在することを意味している。
【００３０】
図１に示した例では、図中の縦方向つまり通電方向に対して平行な方向に延びる直線ｙでは、境界部に対して合計７回の通過点（図１中の（１）〜（７））があり、図中の横方向つまり通電方向に対して垂直な方向に延びる直線ｘでは、境界部に対して合計５回の通過点（図１中のＩ〜Ｖ）があるといった計測結果である。このような計測をそれぞれの方向で５回ずつ測定して平均値を算出し、両者の比を求めたところ、実施例１では１１２％であった。
【００３１】
具体的には、通電方向に垂直な直線ｘ側の通過回数の計測を５回行った場合に、それぞれの計測結果が５回、６回、４回、５回、５回だったとすると、通過回数Ｘの平均値は５回となる。また、通電方向に平行な直線ｙ側の計測を５回行った場合に、それぞれの計測結果が７回、６回、５回、５回、７回だったとすると、通過回数Ｙの平均値は５．６回となる。この時の両者の比は、５．６：５となり、パーセンテージで表して１１２％となる。なお、比較例１において同様に測定して通過回数Ｘ、Ｙの比を算出したところ、１０５％であった（表１参照）。
【００３２】
【表１】
【００３３】
（１−４）接点材料の電気特性の評価方法
以上のような本実施形態に係る接点材料を真空バルブ３の接点５ａ、５ｂとして組み込んで、遮断試験と耐電圧試験を実施した。遮断試験は、5ｋＡから徐々に電流値を上げていく方法で最大遮断電流を測定した。
【００３４】
また、遮断試験後の接点について、耐電圧試験を実施した。耐電圧試験は、電極間隔を一定(約５ｍｍ)にして絶縁破壊電圧を１００回測定し、その平均値を算出した。ここでは、比較例１における測定結果を基準値とし、その他の測定結果は相対値で示した。
【００３５】
（１−５）作用効果
実施例１の電気特性の評価結果は、遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ１.０倍と１.１倍であり、耐電圧特性は比較例１よりも向上した（表１参照）。このような本実施形態によれば、Ｃｒ粒子１３の方向性を制御して、通電方向と平行な方向に、通電方向と垂直な方向よりも多くのＣｒ粒子１３を存在させることで、耐電圧性能の向上を図ることができ、優れた接点性能を有する真空バルブ３を得ることができた。
【００３６】
（２）第２の実施形態
第２の実施形態は、固相焼結法によって製造したＣｕ−５０ｗｔ％Ｃｒ接点材料であり、前記第１の実施形態における接点と同一の接点形状に加工して真空バルブに組み込んだものである。
【００３７】
図４は、第２の実施形態の組織を撮影した写真の模式図、表２は第２の実施形態における具体的な実施例２および比較例２に関して、その製造条件、組織方向性の指標および電気試験結果を示した表である。
【００３８】
（２−１）接点材料の製造方法
まず、均一粒径のＣｕ粉末およびＣｒ粉末を所定量混合し（混合工程）、重量比１：１となるようにφ６０mmの金型で７ｔ／ｃｍ２で加圧成形して圧粉体を得る（加圧工程）。ついで、この圧粉体を水素雰囲気中で１０００℃×５時間の条件で固相焼結する（焼結工程）。このような加圧工程と焼結工程を２回ずつ繰り返して実施し、ほぼ円柱状のＣｕ−５０ｗｔ％Ｃｒ合金を複数枚得た。
【００３９】
以上のようにして得たものを第２の実施形態における実施例２とする。また、これと電気特性を比較するための比較例２を製造する。比較例２は、加圧工程と焼結工程をそれぞれ１回だけ実施して製造した点が異なり、それ以外は上記実施例２と同一の工程を経て得たものとする。
【００４０】
（２−２）接点材料の構成
図４は、実施例２においてＣｕ−５０ｗｔ％Ｃｒ合金の底面に垂直な面で切断した場合の模式図である。ここで、正方形の組織写真に各辺に平行な２直線ｘ、ｙを引き、接点材料の断面組織においてＣｒ粒子１３の断面上に前記２直線ｘ、ｙが通過するとして、通過した線分の長さの総和Ａ、Ｂを、「組織の方向性指標」としている。
【００４１】
第２の実施形態においては、直線ｘにおけるＣｒ粒子１３上を通過する長さの総和Ｂと、直線ｙにおけるＣｒ粒子１３上を通過する長さの総和Ａとを比べた時、両者が１０％以上異なることを特徴としたものである。
【００４２】
つまり第２の実施形態に係る接点材料でも、通電方向に対して平行な方向と垂直な方向(接点の半径方向)に比べた場合、Ｃｒ粒子１３上を通過する長さの総和の比率が、垂直な方向の総和Ｂを基準として、この総和Ｂよりも平行な方向の総和Ａの方が１０％以上多いことを示している。これは前記第１の実施形態と同じく、通電方向と垂直な方向に比べて、通電方向と平行な方向の方に、多くのＣｒ粒子１３が存在することに他ならない。
【００４３】
図４では、通電方向と平行な直線ｙにおけるＣｒ粒子１３上を通過する長さの総和がＡ＝ａ１＋ａ２＋ａ３となり、通電方向に垂直な直線ｘにおけるＣｒ粒子１３上を通過する長さの総和がＢ＝ｂ１＋ｂ２＋ｂ３となる。この計測をそれぞれの方向で５回ずつ測定して平均値を算出し、両者の比を求めたところ、実施例２では１２０％であった。なお、比較例２において同様に算出したところ、両者の比は１０８％であった（表２参照）。
【００４４】
【表２】
【００４５】
（２−３）作用効果
以上のような実施例２および比較例２に係る接点材料を真空バルブ３の接点５ａ、５ｂとして組み込んで、前記第１の実施形態と同様の遮断試験と耐電圧試験を実施した。その結果、比較例２における遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ１.０倍と０.９倍であったのに対して、実施例２における遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ１.０倍と１.１倍であった（表２参照）。
【００４６】
このような第２の実施形態によれば、前記第１の実施形態と同じく、Ｃｒ粒子１３の方向性を制御して、通電方向と平行な方向に、通電方向と垂直な方向よりも多くのＣｒ粒子１３を存在させることで、耐電圧性能を高めることができ、接点性能の向上に寄与することができた。
【００４７】
（３）第３の実施形態
第３の実施形態は、焼結温度に限定を加えたものであり、Ｃｕ−２５ｗｔ％Ｃｒ接点材料である。表３は第３の実施形態における具体的な実施例３、４および比較例３の製造条件、組織方向性の指標および電気試験結果を示した表である。
【００４８】
（３−１）接点材料の製造方法
第３の実施形態では、真空雰囲気中の焼結工程での焼結温度を、導電成分であるＣｕマトリックス１２の溶融温度１０８３℃を基準にして、これよりも２００℃低い温度を下限値とし、それ以上の温度で焼結工程を実施することを特徴としている。
【００４９】
第３の実施形態に含まれる実施例３、４では、焼結温度をそれぞれ９００℃、１２５０℃として、Ｃｕ−２５ｗｔ％Ｃｒ接点材料を製造した。すなわち、上記実施例１、２にて示した焼結温度１０００℃、１１５０℃よりも１００℃高い温度と１００℃低い温度を用いている。
【００５０】
なお、実施例３では固相焼結法を採用し、実施例４では液相焼結法を採用している。また、比較例３では、焼結温度８５０℃の固相焼結法で接点材料を製造した。比較例３の焼結温度は、第３の実施形態における製造条件として上げた焼結温度の下限値、Ｃｕマトリックス１２の溶融温度１０８３℃よりも２００℃低い温度である８８３℃を、さらに下回る温度である。
【００５１】
（３−２）接点材料の構成
第３の実施形態では、Ｃｒ粒子１３における組織の方向性の指標として、前記第１の実施形態と同じく、Ｃｕマトリックス１２とＣｒ粒子１３の境界部に対する２直線ｘ、ｙの通過回数Ｘ、Ｙの比（Ｙ／Ｘの１００倍）とする。この比を求めたところ、実施例３、４では１１５％、１３０％であった。また、比較例３において同様に２直線ｘ、ｙの通過回数Ｘ、Ｙの比（Ｙ／Ｘの１００倍）を算出したところ、両者の比は１１５％であった（表３参照）。
【００５２】
【表３】
【００５３】
（３−３）作用効果
第３の実施形態の作用効果は次の通りである。以上の実施例３、４および比較例３に係る接点材料を真空バルブ３の接点５ａ、５ｂとして組み込んで、前記第１の実施形態と同様の遮断試験と耐電圧試験を実施した結果を表３に示す。
【００５４】
すなわち、表３に示したように、比較例３では、２直線ｘ、ｙの通過回数Ｘ、Ｙの比が１１５％であるが、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ１.０倍と１.０倍であり、各特性に関して向上は見られなかった。これは焼結温度がＣｕマトリックス１２の融点温度よりも２００℃以上低いために、焼結が進まず、密度が低かった(相対密度８５％)からであると考えられる。
【００５５】
これに対して、実施例４は２直線ｘ、ｙの通過回数Ｘ、Ｙの比は１１５％と、比較例３と同じであったにも関わらず、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ１.１倍と１.１倍となり、両特性ともに比較例１よりも高めることができた。また、焼結温度を高くした実施例５では、遮断特性と耐電圧特性が比較例１のそれぞれ１.２倍と１.２倍となって、遮断特性および耐電圧特性がさらに向上した。
【００５６】
以上のように第３の実施形態によれば、Ｃｒ粒子１３の方向性の制御に加えて、Ｃｕマトリックス１２の溶融温度１０８３℃よりも２００℃低い温度を下限値とした温度で焼結工程を実施することによって、耐電圧性能および遮断性能を高めることが可能となった。
【００５７】
（４）第４の実施形態
（４−１）構成
第４の実施形態は、真空雰囲気中の固相焼結法により製造したＣｕ−２０ｗｔ％Ｃｒ接点材料であり、上記実施例２と同様に２回加圧と２回焼結で製造した後に、真空雰囲気中で３０分の熱処理を行い、熱処理温度をパラメータとしている。
【００５８】
第４の実施形態における特徴は、焼結工程後の熱処理工程において、その熱処理温度を限定した点にある。すなわち、導電成分であるＣｕマトリックス１２の溶融温度１０８３℃を基準にして、前記溶融温度よりも４００℃低い温度を下限値とし、前記溶融温度よりも２０℃低い温度を上限値とした温度で実施している。
【００５９】
表４は第５の実施形態における具体的な実施例５〜７および比較例４，５の製造条件、組織方向性の指標および電気試験結果を示した表である。実施例５〜７における熱処理温は、実施例５で１０５０℃（溶融温度よりマイナス３３℃）、実施例６では８５０℃（溶融温度よりマイナス２３３℃）、実施例７で７００℃（溶融温度よりマイナス３８３℃）である。
【００６０】
また、電気特性を比較するための比較例４、５は、熱処理温度が溶融温度１０８３℃の−４００℃〜−２０℃の範囲を超えたものであり、比較例４が１０７０℃（溶融温度よりマイナス１３℃）、比較例５は６５０℃（溶融温度よりマイナス４３３℃）である。この点以外は上記実施例５〜７と同一の工程を経て得たものとする。
【００６１】
なお、Ｃｒ粒子１３における組織の方向性の指標としては、前記第１の実施形態と同じく、Ｃｕマトリックス１２とＣｒ粒子１３の境界部に対する２直線ｘ、ｙの通過回数Ｘ、Ｙの比を用いている。この比を求めたところ、実施例６〜８ではそれぞれ１２２％、１２４％、１２３％であった。また、比較例４、５においても同様に２直線ｘ、ｙの通過回数Ｘ、Ｙの比を算出したところ、１２３％、１２４％であった（表４参照）。
【００６２】
【表４】
【００６３】
（４−２）作用効果
以上のような実施例５〜７および比較例４、５に係る接点材料を真空バルブ３の接点５ａ、５ｂとして組み込んで、前記第１の実施形態と同様の遮断試験と耐電圧試験を実施し、電気特性を評価したところ、遮断特性と耐電圧特性は、次の通りであった。
【００６４】
表４に示すように、実施例５〜７はいずれも比較例１のそれぞれ１.３倍と１.２倍であり、適切な温度による熱処理によって、前述した実施例１〜４の持つ特性値よりもさらに向上した。以上の実施例５〜７の結果から明らかなように、固相焼結工程後に適切な処理温度で熱処理を加えると、電気特性、特に遮断特性の向上が可能となる。この時の熱処理温度は、導電成分Ｃｕの融点（１０８３℃）を基準にして、−２０℃以下、−４００℃以上の時に特性向上が特に顕著となる。
【００６５】
これに対して、比較例４、５の遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ１.１倍と１.１倍ではあるものの、実施例１〜４の持つ特性を基準とすれば、いずれの特性も向上していない。すなわち、熱処理によって特性の向上が図られたとは言えない。これは熱処理温度が低すぎるか、高すぎたかであり、導電率の改善効果が小さかったからである。
【００６６】
（５）他の実施形態
なお、本発明は上記の実施形態および実施例に限定されるものではなく、以下のものも包含する。すなわち、前記実施例１〜７では、導電成分がＣｕ、耐弧成分がＣｒである接点材料の事例について述べたが、本発明の主旨はこれに限るものではなく、導電成分や耐弧成分、さらには補助的な成分など、適宜選択可能である。
【００６７】
具体的には、表５に示すような実施例８〜１７も包含する。表５は、実施例８〜１７の製造条件、組織方向性の指標および電気試験結果を示した表である。実施例８は、約１８００℃の溶解温度で真空溶解法によって製造したＣｕ−２０ｗｔ％Ｃｒ接点材料である。
【００６８】
【表５】
【００６９】
この実施例８におけるＣｒ粒子１３組織の方向性の指標としては、前記第２の実施形態と同じく、通電方向と平行な直線ｙにおけるＣｒ粒子１３上を通過する長さの総和Ａと、通電方向に垂直な直線ｘにおけるＣｒ粒子１３上を通過する長さの総和Ｂとの平均値の比（Ａ／Ｂの１００倍）を採用した。これを求めたところ、実施例８における両者の１２５％であった。
【００７０】
以上のような実施例８に係る接点材料を真空バルブ３の接点５ａ、５ｂとして組み込んで、前記第１の実施形態と同様の遮断試験と耐電圧試験を実施し、電気特性を評価したところ、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ１.２倍と１.２倍であった。すなわち、実施例８においては、耐電圧性能および遮断性能の向上を認めることができる。
【００７１】
実施例９〜１４ではいずれも、液相焼結法を用いており、真空雰囲気中で焼結温度は１１００℃である。また、実施例９〜１４におけるＣｒ粒子１３組織の方向性の指標としては、前記第１の実施形態と同じく、Ｃｕマトリックス１２とＣｒ粒子１３の境界部に対する２直線ｘ、ｙの通過回数Ｘ、Ｙの比（Ｙ／Ｘの１００倍）を用いている。
【００７２】
実施例９では、導電成分をＡｇ、耐弧成分をＷＣとして作製した。また、実施例１０では、導電成分をＡｇ+Ｃｕ、耐弧成分をＷＣとして作製した。各実施例８、９の通過回数Ｘ、Ｙの比は１２３％、１２８％であった。これらの実施例９、１０における電気特性を評価した結果、実施例９の遮断特性と耐電圧特性では通常のＡｇ−ＷＣ接点の、実施例１０の遮断特性と耐電圧特性では通常のＡｇ−ＷＣ接点の、それぞれ１.１倍と１.２倍であった。つまり、実施例９、１０においては、遮断特性と耐電圧特性はともに向上した。
【００７３】
実施例１１〜１４では、導電成分をＣｕとし、耐弧成分をそれぞれ、Ｗ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｃｒ+Ｗ(接点全体に占めるＷは４ｗｔ％になるように調整)として、接点材料を製造したものである。実施例１１〜１４における前記通過回数Ｘ、Ｙの比はそれぞれ１２７％、１２９％、１２７％、１２８％であった。これらの実施例１１〜１４の電気特性を評価した結果、遮断特性は、実施例１１〜１４全てにおいて、同一耐弧成分を持つ通常の接点の１.２倍、耐電圧特性は１.２倍であって、両特性ともに向上した。
【００７４】
さらには、前記実施例１〜１５では、導電成分と耐弧成分で構成される接点材料の事例について述べたが、本発明の主旨はこれに限るものではない。すなわち、実施例１５〜１７では、補助成分としてそれぞれＢｉ，Ｔｅ，Ｔｅ+Ｓｂとし、実施例１と同様に液相焼結法の１種である焼結溶浸法で、接点材料を製造したものである（水素雰囲気中で焼結温度は１２００℃）。
【００７５】
実施例１５〜１７におけるＣｒ粒子１３組織の方向性の指標としては、前記第１の実施形態と同じく、Ｃｕマトリックス１２とＣｒ粒子１３の境界部に対する２直線ｘ、ｙの通過回数Ｘ、Ｙの比を用いている。実施例１５〜１７の通過回数Ｘ、Ｙの比はそれぞれ１２２％、１２４％、１２３％であった。
【００７６】
これらの実施例１５〜１７の電気特性を評価した結果、遮断特性は、実施例１５〜１７は全てについて、１種類の原料耐弧粉末しかし使用していない通常の焼結溶浸法で製造した時の同一耐弧成分を持つ通常の接点の１.２倍であり、耐電圧特性は１.１倍となって、遮断特性と耐電圧特性を向上させることが可能である。
【００７７】
なお、導電成分については、上記の実施形態では、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｇ+Ｃｕでの記載しかないが、ＣｕまたはＡｇを主成分とするならば、同様の効果が得られる。また、耐弧成分についても、上記の実施形態では、Ｃｒ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｏ，ＷＣ，Ｃｒ+Ｗでの記載しかないが、Ｃｒ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｍｏ及びこれらの炭化物の内の少なくとも１つを耐弧成分として使用しても、同様の効果が得られる。さらに補助成分についても、上記の実施形態では、Ｂｉ，Ｔｅ，Ｔｅ+Ｓｂとした場合のみ記載しているが、Ｂｉ，Ｔｅ，Ｓｂの内の少なくとも１つを補助成分としても、同様の効果が得られる。
【００７８】
また、製造条件に関しても適宜変更可能であり、焼結法における加圧工程および焼結工程の実施回数の選択や、溶解法における冷却速度（凝固速度）の制御などが有効である。なお、接点材料の断面組織に通過させる２直線に関しては、両者が直交していればよく、真空バルブの通電方向に垂直な直線と、通電方向に平行な直線に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の第１の実施形態の断面組織を撮影した写真の模式図。
【図２】第１の実施形態に係る接点材料が適用される真空バルブの断面図。
【図３】図２に示した真空バルブの電極部分の拡大断面図。
【図４】本発明の第２の実施形態の断面組織を撮影した写真の模式図。
【符号の説明】
【００８０】
１…遮断室
２…絶縁容器
３…真空バルブ
４ａ、４ｂ…導電棒
５ａ、５ｂ…接点
６ａ…固定電極
６ｂ…可動電極
７…ベローズ
８、９…アークシールド
１２…Ｃｕマトリックス
１３…Ｃｒ粒子
Ａ…通電方向に平行な直線ｙにおけるＣｒ粒子１３上を通過する長さの総和
Ｂ…通電方向に垂直な直線ｘにおけるＣｒ粒子１３上を通過する長さの総和
Ｘ…通電方向に垂直な直線ｘにおける境界部の通過回数
Ｙ…通電方向に平行な直線ｙにおける境界部の通過回数
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電成分のマトリックス中に少なくとも粒子状の耐弧成分を有する真空バルブ用接点材料であって、
接点材料の断面組織に直交する２直線を通過させるとして、前記２直線における前記導電成分／前記耐弧成分の境界部に対する通過回数が１０％以上異なることを特徴とする真空バルブ用接点材料。
【請求項２】
導電成分のマトリックス中に少なくとも粒子状の前記耐弧成分を有する真空バルブ用接点材料であって、
接点材料の断面組織に直交する２直線を通過させるとして、前記２直線における前記耐弧成分上を通過する長さの総和が１０％以上異なることを特徴とする真空バルブ用接点材料。
【請求項３】
前記導電成分は、少なくともＣｕまたはＡｇのどちらか一方を主成分とすることを特徴とする請求項１または２に記載の真空バルブ用接点材料。
【請求項４】
前記耐弧成分は、Ｃｒ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｍｏ及びこれらの炭化物の内の少なくとも１種類を含有した成分であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の真空バルブ用接点材料。
【請求項５】
前記耐弧成分は少なくとも２種類以上の成分を含有し、量が少ない方の前記耐弧成分の含有率の合計量が５ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項４に記載の真空バルブ用接点材料。
【請求項６】
前記接点材料の補助成分として、Ｂｉ，Ｔｅ，Ｓｂの内の少なくとも１種類を含有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の真空バルブ用接点材料。
【請求項７】
前記補助成分の含有率の合計量が５ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項６に記載の真空バルブ用接点材料。
【請求項８】
前記直交する２直線は、一方が前記真空バルブの通電方向に垂直な直線、他方が前記通電方向に平行な直線であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の真空バルブ用接点材料。
【請求項９】
導電成分のマトリックス中に少なくとも粒子状の前記耐弧成分を有する真空バルブ用接点材料の製造方法であって、
前記耐弧成分の原料として長粒径を有する金属粉末を用いたことを特徴とする真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項１０】
導電成分および耐弧成分の原料となる２種類の金属粉末を、所定の比率で混合する混合工程と、混合した２種類の前記金属粉末に圧力を加えて圧粉体を成形する加圧工程と、前記圧粉体を非酸化性雰囲気中で焼結する焼結工程を含んだ真空バルブ用接点材料の製造方法において、
前記加圧工程および前記焼結工程を複数回繰り返して行うことを特徴とする真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項１１】
導電成分および耐弧成分の原料となる２種類の金属粉末を、所定の比率で混合する混合工程と、混合した２種類の前記金属粉末に圧力を加えて圧粉体を成形する加圧工程と、前記圧粉体を非酸化性雰囲気中で焼結する焼結工程を含んだ真空バルブ用接点材料の製造方法において、
前記焼結工程は、その焼結温度を、前記導電成分の溶融温度を基準にして、前記溶融温度よりも２００℃低い温度を下限値とし、それ以上の温度で実施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。
【請求項１２】
導電成分および耐弧成分の原料となる２種類の金属粉末を、所定の比率で混合する混合工程と、混合した２種類の前記金属粉末に圧力を加えて圧粉体を成形する加圧工程と、前記圧粉体を非酸化性雰囲気中で焼結する焼結工程を含んだ真空バルブ用接点材料の製造方法において、
前記焼結工程後に非酸化性雰囲気中で加熱処理を行う熱処理工程を含み、
前記熱処理工程は、その熱処理温度を、前記導電成分の溶融温度を基準にして、前記溶融温度よりも４００℃低い温度を下限値とし、前記溶融温度よりも２０℃低い温度を上限値とした温度で実施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。
【請求項１３】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の真空バルブ用接点材料からなる接点を備えたことを特徴とする真空バルブ。
【請求項１】
導電成分のマトリックス中に少なくとも粒子状の耐弧成分を有する真空バルブ用接点材料であって、
接点材料の断面組織に直交する２直線を通過させるとして、前記２直線における前記導電成分／前記耐弧成分の境界部に対する通過回数が１０％以上異なることを特徴とする真空バルブ用接点材料。
【請求項２】
導電成分のマトリックス中に少なくとも粒子状の前記耐弧成分を有する真空バルブ用接点材料であって、
接点材料の断面組織に直交する２直線を通過させるとして、前記２直線における前記耐弧成分上を通過する長さの総和が１０％以上異なることを特徴とする真空バルブ用接点材料。
【請求項３】
前記導電成分は、少なくともＣｕまたはＡｇのどちらか一方を主成分とすることを特徴とする請求項１または２に記載の真空バルブ用接点材料。
【請求項４】
前記耐弧成分は、Ｃｒ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｍｏ及びこれらの炭化物の内の少なくとも１種類を含有した成分であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の真空バルブ用接点材料。
【請求項５】
前記耐弧成分は少なくとも２種類以上の成分を含有し、量が少ない方の前記耐弧成分の含有率の合計量が５ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項４に記載の真空バルブ用接点材料。
【請求項６】
前記接点材料の補助成分として、Ｂｉ，Ｔｅ，Ｓｂの内の少なくとも１種類を含有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の真空バルブ用接点材料。
【請求項７】
前記補助成分の含有率の合計量が５ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項６に記載の真空バルブ用接点材料。
【請求項８】
前記直交する２直線は、一方が前記真空バルブの通電方向に垂直な直線、他方が前記通電方向に平行な直線であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の真空バルブ用接点材料。
【請求項９】
導電成分のマトリックス中に少なくとも粒子状の前記耐弧成分を有する真空バルブ用接点材料の製造方法であって、
前記耐弧成分の原料として長粒径を有する金属粉末を用いたことを特徴とする真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項１０】
導電成分および耐弧成分の原料となる２種類の金属粉末を、所定の比率で混合する混合工程と、混合した２種類の前記金属粉末に圧力を加えて圧粉体を成形する加圧工程と、前記圧粉体を非酸化性雰囲気中で焼結する焼結工程を含んだ真空バルブ用接点材料の製造方法において、
前記加圧工程および前記焼結工程を複数回繰り返して行うことを特徴とする真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項１１】
導電成分および耐弧成分の原料となる２種類の金属粉末を、所定の比率で混合する混合工程と、混合した２種類の前記金属粉末に圧力を加えて圧粉体を成形する加圧工程と、前記圧粉体を非酸化性雰囲気中で焼結する焼結工程を含んだ真空バルブ用接点材料の製造方法において、
前記焼結工程は、その焼結温度を、前記導電成分の溶融温度を基準にして、前記溶融温度よりも２００℃低い温度を下限値とし、それ以上の温度で実施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。
【請求項１２】
導電成分および耐弧成分の原料となる２種類の金属粉末を、所定の比率で混合する混合工程と、混合した２種類の前記金属粉末に圧力を加えて圧粉体を成形する加圧工程と、前記圧粉体を非酸化性雰囲気中で焼結する焼結工程を含んだ真空バルブ用接点材料の製造方法において、
前記焼結工程後に非酸化性雰囲気中で加熱処理を行う熱処理工程を含み、
前記熱処理工程は、その熱処理温度を、前記導電成分の溶融温度を基準にして、前記溶融温度よりも４００℃低い温度を下限値とし、前記溶融温度よりも２０℃低い温度を上限値とした温度で実施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。
【請求項１３】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の真空バルブ用接点材料からなる接点を備えたことを特徴とする真空バルブ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−１２３０５３（Ｐ２００７−１２３０５３Ａ）
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１３５２６（Ｐ２００５−３１３５２６）
【出願日】平成１７年１０月２７日（２００５．１０．２７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５９５０１９５９９）芝府エンジニアリング株式会社 (40)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月２７日（２００５．１０．２７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５９５０１９５９９）芝府エンジニアリング株式会社 (40)
【Ｆターム（参考）】
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