真空バルブ用接点材料の製造方法
【課題】 優れた遮断性能と耐電圧特性を兼備した真空バルブ用接点材料の製造方法を提供する。
【解決手段】 真空バルブ用接点材料の製造方法を、平均粒径が２０〜２００μｍのＣｕ粉末、平均粒径が４０〜２００μｍのＣｒ粉末、および粉末全体の０．１〜２ｖｏｌ％の範囲で平均粒径が０．３〜１０μｍで融点がＣｕの融点より高いＷなどの補助成分の粉末を混合する第１の工程と、この第１の工程で得られた混合粉末をＣｕの溶融温度以上でかつ補助成分の融点以下の温度まで昇温して混合粉末の中のＣｕ粉末およびＣｒ粉末の一部または全てを耐熱容器中で溶解して溶解体を形成した後、溶解体を耐熱容器中で冷却するかまたは鋳型に一括充填して冷却する第２の工程と、この第２の工程を終えた溶解体を加工することにより複数の接点材料を取り出す第３の工程とから成るものとする。これにより、優れた遮断性能と耐電圧特性を兼備した真空バルブ用接点材料が得られる。
【解決手段】 真空バルブ用接点材料の製造方法を、平均粒径が２０〜２００μｍのＣｕ粉末、平均粒径が４０〜２００μｍのＣｒ粉末、および粉末全体の０．１〜２ｖｏｌ％の範囲で平均粒径が０．３〜１０μｍで融点がＣｕの融点より高いＷなどの補助成分の粉末を混合する第１の工程と、この第１の工程で得られた混合粉末をＣｕの溶融温度以上でかつ補助成分の融点以下の温度まで昇温して混合粉末の中のＣｕ粉末およびＣｒ粉末の一部または全てを耐熱容器中で溶解して溶解体を形成した後、溶解体を耐熱容器中で冷却するかまたは鋳型に一括充填して冷却する第２の工程と、この第２の工程を終えた溶解体を加工することにより複数の接点材料を取り出す第３の工程とから成るものとする。これにより、優れた遮断性能と耐電圧特性を兼備した真空バルブ用接点材料が得られる。
【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の製造方法に関わり、より具体的には、優れた大電流遮断特性と耐電圧特性を兼備した接点材料の製造方法に関わる。
【背景技術】
【０００２】
真空バルブ用接点は、大別すると、以下の４種類が存在する。
【０００３】
１） ＣｕＢｉ、ＣｕＴｅＳｅに代表される大電流遮断用接点
２） Ｃｕ−Ｗ等の高電圧用途に用いられる接点
３） Ａｇ−ＷＣ等の低サージ性を有する接点
４）Ｃｕ−Ｃｒ等の、ある程度の耐圧と大電流遮断特性を有する接点
このうちＣｕＣｒ接点の製造方法としては、一般に下記の３通りの方法が良く知られている。
【０００４】
１） 固相焼結法
通常、４０〜２００μｍ程度の平均粒径のＣｒ粒子とＣｕ粒子とを混合して成形したのち、Ｃｕの融点以下の温度にて焼結する方法で、場合によっては成形と焼結を複数回繰り返して製造する。Ｃｕ／Ｃｒ組成比を自由に選択できる利点がある。一方、ガス含有量は２）の溶浸法に比べ、多くなる可能性が高い。
【０００５】
２） 溶浸法
通常、４０〜２００μｍ程度の平均粒径のＣｒ粒子を容器に入れＣｕをＣｒ粒子の空隙に溶浸し、場合によってはＣｒ粒子を成形したのち、ＣｕをＣｒ成形体の空隙に溶浸する製造方法である。１）の固相焼結法より高密度な素材を得やすく、従って、ガス含有量も低減しやすいといった特徴を有する。
【０００６】
３） アーク溶解法
ＣｕとＣｒの原料をアーク加熱により急熱急冷し、微細組織を形成させる。機械的強度の大きい組織形態となり、耐電圧特性は優れる。
【０００７】
なお、このアーク溶解法の例としては、特許文献１に示されているものがある。
【特許文献１】特許第３３８２０００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＣｕＣｒ接点を構成するＣｕとＣｒは密度差が大きいため、溶解法での製造は急冷凝固が条件となり、アーク溶解法のような方法のみ可能であった。しかしながら、この方法では、製造コストの増大は不可避であり、工業的には困難である。また、Ｃｕのみを溶解する溶浸法では、予めＣｒ粒子が流動しないように、Ｃｒ含有量を十分高める必要があり、Ｃｕ／Ｃｒ組成比は、Ｃｕが２５〜６０％程度に限定されていた。一方、固相焼結では、この組成比を自由に選択できるが、組織中のＣｒ粒子の粒度は原料の粒度をそのまま反映したものとなり、一般的には粗いＣｒ粒子が分散された組織となるため、耐圧特性を向上する成分であるＣｒ量が少なくなると、耐圧上不十分であった。また、耐圧向上のため、微細なＣｒ粒子を原料とした場合には、ガス含有量が高まるため遮断特性が低下するため、固相焼結法においては、優れた遮断性能と耐電圧特性を兼備することには限界があった。
【０００９】
本発明は、従来のこのような点に鑑みて為されたもので、優れた遮断性能と耐電圧特性を兼備した真空バルブ用接点材料の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る真空バルブ用接点材料の製造方法は、平均粒径が２０〜２００μｍのＣｕ粉末、平均粒径が４０〜２００μｍのＣｒ粉末、および粉末全体の０．１〜２ｖｏｌ％の範囲で平均粒径が０．３〜１０μｍで融点がＣｕの融点より高い補助成分の粉末を混合する第１の工程と、この第１の工程で得られた混合粉末をＣｕの溶融温度以上でかつ補助成分の融点以下の温度まで昇温して混合粉末の中のＣｕ粉末およびＣｒ粉末の一部または全てを耐熱容器中で溶解して溶解体を形成した後、溶解体を耐熱容器中で冷却するかまたは鋳型に一括充填して冷却する第２の工程と、この第２の工程を終えた溶解体を加工することにより複数の接点材料を取り出す第３の工程とから成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、優れた遮断性能と耐電圧特性を兼備した真空バルブ用接点材料を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
発明が解決しようとする課題の項で述べたようなＣｕＣｒ接点の各製造方法の現状を鑑み、発明者らはまず、急冷凝固を伴なわず、かつ、Ｃｕ／Ｃｒ比を選ばずに固相焼結法で製造したＣｕＣｒ接点と同等の遮断特性を有するＣｕＣｒ系接点材料を製造することを目的として研究を重ねた結果、本発明の方法を見出すに至った。
【００１４】
また、この発明によって得られる接点材料の良品率を高めることを目的とした製造方法の改良を加え、その条件を見出した。
【００１５】
さらに発明者らは、この方法を用い、優れた遮断特性を有するＣｒ２５ｗｔ％付近のＣｕ／Ｃｒ組成比において、固相法ＣｕＣｒ接点では到底達成し得ない耐電圧特性を兼備したＣｕＣｒ系接点材料を製造することに成功した。
【００１６】
本発明の第１の実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法は、平均粒径が２０〜２００μｍのＣｕ粉末、平均粒径が４０〜２００μｍのＣｒ粉末、および粉末全体の０．１〜２ｖｏｌ％の範囲で平均粒径が０．３〜１０μｍで融点がＣｕの融点より高い補助成分の粉末を混合する第１の工程と、この第１の工程で得られた混合粉末をＣｕの溶融温度以上でかつ補助成分の融点以下の温度まで昇温して混合粉末の中のＣｕ粉末およびＣｒ粉末の一部または全てを耐熱容器中で溶解して溶解体を形成した後、溶解体を耐熱容器中で冷却するかまたは鋳型に一括充填して冷却する第２の工程と、この第２の工程を終えた溶解体を切削加工、または切断加工することにより複数の接点材料を取り出す第３の工程とから成ることを特徴とする。
【００１７】
この第１の実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法においては、混合粉末中の補助成分の微粒子は、混合粉末をＣｕの溶融温度以上に保持した際に、Ｃｕ液相とＣｒ固相の密度差に起因する両者の分離を抑制し、Ｃｒ粒子をＣｕ液相中に微細分散させる効果を有する。この効果は、Ｃｕ液相中に溶解したＣｒが補助成分粒子上に晶出することによるものである。
【００１８】
本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法において、補助成分は、純Ｃｕに１原子％添加した時の固有抵抗の純Ｃｕに対する増分が３μΩｃｍ／原子％以下となる成分を選択していることを特徴とする。
【００１９】
本発明では、Ｃｕ粒子を溶融させるため、このＣｕ液相に溶解することによってＣｕ相の固有抵抗を増大させる成分は補助成分として不適切である。すなわち、補助成分を、純Ｃｕに１原子％添加した時の固有抵抗の純Ｃｕに対する増分が３μΩｃｍ／原子％を越えると、導電性が著しく損なわれるために、遮断特性が低下する。
【００２０】
本発明の第３の実施形態は、第１または第２の実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法において、補助成分の密度が融点直上（１０８３℃）におけるＣｕの液相の密度（８．００ｇ／ｃｍ３）より大きいことを特徴とする。
【００２１】
本発明では、Ｃｕ液相に対して密度の小さいＣｒを補助成分上に晶出させるが、補助成分の密度が小さい場合、Ｃｒの晶出前に補助成分自体がＣｕ相と分離してしまう。これを防ぐには、Ｃｕ相に対して密度の大きい補助成分上に密度の小さいＣｒを晶出させる方法が有効である。
【００２２】
本発明の第４の実施形態は、第１乃至第３のいずれかの実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法において、前記補助成分がＷ，Ｍｏ，Ｔａまたはこれらの炭化物の少なくとも1種類から選択されることを特徴とする。第２または第３の実施形態の条件を満たす補助成分の具体例としては、これらの物質があげられる。
【００２３】
本発明の第５の実施形態は、第１乃至第４のいずれかの実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法において、第１の工程において配合すべきＣｕと補助成分とを計量し、補助成分微粒子全量とその０．２〜５．０倍の体積のＣｕ粒子とを混合して第１の混合粉末とし、第１の混合粉末に残りのＣｕを適宜加え、混合して、第２の混合粉末とし、第２の混合粉末にＣｒ粒子を適宜加え、混合して第３の混合粉末を得ることを特徴とする。
【００２４】
Ｃｕ粉末が溶融するまでの昇温過程において、補助成分がＣｒ粒子と接触している場合、補助成分はＣｒ表面に固着されてしまう。従って、溶融後、微細分散された状態の補助成分粒子上にＣｒを晶出させるには、この固着を可能な限り回避する必要がある。これには、混合時におけるＣｒと補助成分の接触を少なくすることが有効であり、上記手順による混合で、補助成分粒子をまずＣｕ粒子中に均質に分散することが肝要である。
【００２５】
本発明の第６の実施形態は、第１乃至第５のいずれかの実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法において、第１の工程におけるＣｕ粉末の混合粉末全体に占める割合が、６０〜８３ｖｏｌ％であることを特徴とする。
【００２６】
本実施形態によれば、遮断性能には優れるものの耐電圧特性が不十分であった固相焼結法によるＣｒ含有量２５ｗｔ％（２２ｖｏｌ％）付近の材料において、組織微細化の効果により、優れた耐電圧特性をも兼備させることが可能となる。
【００２７】
本発明の第７の実施形態は、第１乃至第６のいずれかの実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法において、第２の工程と第３の工程との間に、溶解体に対して圧縮、圧延、または鍛造の少なくとも１つの加工を行う工程を有することを特徴とする。
【００２８】
この加工により、溶解体に含まれる微細な欠陥がつぶされ、導電率が高められるため、優れた通電特性も兼備させることが可能となる。
【００２９】
本発明の第８の実施形態は、第１乃至第７のいずれかの実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法において、第２の工程と前記第３の工程との間に、前記溶解体を７００〜９００℃の範囲の温度で保持する工程を有することを特徴とする。
【００３０】
通電特性の改善は、このような熱処理によっても得ることができる。
【００３１】
本発明の第９の実施形態は、第１乃至第８のいずれかの実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法において、第１の工程と第２の工程との間に、混合粉末を５〜８ｔｏｎ／ｃｍ２の範囲の圧力で成形する工程を有することを特徴とする。
【００３２】
第１乃至第８のいずれかの実施形態の方法では、良好な電気特性が期待できる良品部が、溶解体全体の限られた部分にのみ形成される。しかしながらこの第９の実施形態のように、混合粉末をＣｕの溶融温度以上の温度まで上げる前に予め加圧しておくことによって、この良品部を大幅に拡大することが可能である。ただし、この加圧力を過大にした場合、成形体中に閉じ込められたガスがＣｕの溶解時に放出されるのを阻害するため遮断性能の低下につながる。
【００３３】
本発明の第１０の実施形態は、第９の実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法において、第２の工程において、昇温して溶解体を形成するとき、前記圧力で成形された圧粉成形体の中心線に垂直な２つの平行面で挟まれた領域の全体または一部をＣｕの溶融温度以上でかつ補助成分の融点以下の温度まで昇温し、前記領域を成形体の一端から他端に向かって移動させ、成形体中のＣｕ粉末の一部または全てが溶融した溶解体とすることを特徴とする。
【００３４】
このように、圧粉成形体を部分的に溶解凝固させることによっても広範囲なＣｕとＣｒの組成変動を抑制できるため、良品部の拡大は達成できる。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明の実施例を具体的に説明する。
【００３６】
＜供試真空バルブの構成＞
まず、本発明により製造される真空バルブ用接点材料が適用される供試真空バルブの構成について説明する。
【００３７】
図１は、供試真空バルブの構成例を説明するための断面図、図２は図１の電極部分の拡大断面図である。
【００３８】
図１において、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３ａ，３ｂを介して設けた金属製の蓋体４ａ，４ｂとで真空気密に構成されている。
【００３９】
遮断室１内には、導電棒５，６の対向する端部に取付けられた一対の電極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の導電棒６には、ベローズ９が取付けられ遮断室１内を真空気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上部には金属製のアークシールド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。また、電極７，８を覆うように、遮断室１内に金属製のアークシールド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。
【００４０】
さらに、電極８は、図２に拡大して示す如く、導電棒６にろう付け部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にろう付け１４によってろう付けで取付けられる。なお、接点１３ｂは、電極７にろう付けにより取付けられる。
【００４１】
＜接点材料の製造方法＞
本発明に係る真空バルブ用接点材料の製造方法における、接点材料の製造工程について説明する。
【００４２】
まず 、実施例１〜実施例２１と比較例１〜比較例１８の接点の製造工程について説明する。
【００４３】
［第１の工程］
はじめに所定粒径のＣｒ粉末、Ｃｕ粉末および補助成分粉末を下記のいずれかの手順で混合する。
【００４４】
Ａ：全ての粉末を一度に混ぜ、混合する。
【００４５】
Ｂ：Ｃｒ粉末および補助成分粉末を混合し、この混合粉末にＣｕ粉末を混合する。
【００４６】
Ｃ：補助成分粉末全量とこれと同量のＣｕ粉末とをまず混合し、この混合粉末と残りの Ｃｕ粉末とを混合した後、さらにＣｒ粉末を混合する。
【００４７】
Ｄ：補助成分粉末全量とこれと同量のＣｕ粉末とをまず混合し、この混合粉末と同量の Ｃｕ粉末をさらに加えて混合する。この動作を繰り返し、新たなＣｕ粉末を加えたそれぞれの時点において、残りのＣｕ粉末が混合粉末の量より少なくなった場合、この残りのＣｕ粉末もさらに加えて混合し、その後Ｃｒ粉末を混合して、混合工程を終了する。
【００４８】
Ｅ：Ｃｕ粉末とＣｒ粉末のみを混合する。
【００４９】
［第２の工程］
次いで、この混合粉末をφ６０ｍｍの溶解ルツボに入れ、真空中にて高周波誘導加熱によりＣｕの融点以上の温度にて溶解する（溶解方法Ａ）。そして溶解体をルツボ内で冷却する。
【００５０】
［第３の工程］
さらにルツボから溶解体を取りだし、φ４０ｍｍの接点を加工して取り出す。これらの実施例および比較例は以下に示す条件を標準の製造条件とし、これらの条件のいずれかをパラメータとして変化させた場合について調べたものである。
【００５１】
・原料粉末平均粒径：
Ｃｕ…１００μｍ
Ｃｒ…１００μｍ
補助成分…１μｍ
・ 補助成分…Ｗ
・原料粉末体積比：
Ｃｕ：Ｃｒ：補助成分＝７１．２：２８．３：０．５
実施例２２では、円柱状の溶解体をルツボから取り出した後、鍛造して角柱状にし、さらにこれを圧延することにより板状とした。
【００５２】
実施例２３〜２４および比較例１９〜２０では、溶解体をルツボから取り出した後、溶解体を真空中において６００〜１０００℃の範囲の温度で保持した。
【００５３】
実施例２５〜２６および比較例２１〜２２では、混合粉末をルツボに入れる前に、３〜１０ｔｏｎ／ｃｍ２の範囲の圧力で成形し、この成形体をルツボにセットした。
【００５４】
実施例２７では、第２の工程において、粉末全体を一度に溶解せず、図3のように、圧粉成形体の中心線に垂直な２つの平行面で挟まれた領域を誘導加熱してＣｕの溶融温度以上でかつ補助成分の融点以下の温度まで昇温してＣｕ粉末のみを溶融させ、この領域を成形体の一端から他端に向かって移動させることにより成形体中のＣｕ粉末を順次溶融させ溶解体とした（溶解方法Ｂ）。すなわち、図３に示すように、圧粉成形された成形体１５をルツボ（耐熱容器）２０に入れ、成形体１５の中心線２１に垂直な２つの平行面１８で挟まれた領域を誘導溶解コイル１７により誘導加熱してＣｕの溶融温度以上でかつ補助成分の融点以下の温度まで昇温してＣｕ粉末のみを溶融させて溶融層１６とし、この平行面１８で挟まれ、誘導溶解コイル１７により誘導加熱する領域を成形体の一端から他端に向かって移動させることにより成形体中のＣｕ粉末を順次溶融させ溶解体とした。なお、平行面１８で挟まれ、誘導溶解コイル１７により誘導加熱する領域を移動させるには、誘導溶解コイル１７を移動させてもよいし、成形体１５を収容したルツボ（耐熱容器）２０を移動させてもよい。
【００５５】
＜評価方法および評価条件＞
次に、本発明の実施例および比較例を説明するデータを得た評価方法、および評価条件について説明する。
【００５６】
（材料特性評価）
（１）相対密度
アルキメデス法により密度を測定して組成比から真密度を求めて相対密度に換算した。結果は、比較例１の値を１．００として相対比較し、０．９５以上を合格とした。
【００５７】
（２）硬さのばらつき
ロックウエル硬さを測定し、実施例１の値を１．００として相対比較し、２．００未満を合格とした。
【００５８】
（電気特性評価）
（１）遮断特性
遮断試験をＪＥＣ規格の５号試験により行い、これにより遮断特性を評価した。
【００５９】
（２）耐電圧特性
進み小電流試験における再点弧発生確率にて評価した。電流は５００Ａであり、回復電圧は１２．５ｋＶである。試験回数は２０００回である。実施例１７の再点弧発生確率を１．０とした場合の相対値を示し、この相対値が１．２以下のものを合格とした。
【００６０】
（３）通電特性
渦電流測定により導電率を評価し、実施例１の測定との相対値で表示し、大電流通電領域で使用される開閉機器への適用を考慮して、この値が１．１以上を合格とした。
【００６１】
（量産性評価）
（１） 良品率
溶解体のうち、材料特性評価項目（１），（２）および電気特性評価項目（１）の全てを満足できる領域の割合を調べた。評価する接点径ｒを一定とし、溶解体の径を変化させて作成し、上記条件を満足できる溶解体径の下限値Ｒを求め、（ｒ／Ｒ）２により算出した。量産性という観点から、良品率として０．９以上を合格とした。
【００６２】
＜実施例および比較例＞
次に、各接点の製造条件とその問題点およびこれらに対応する材料的特性および電気的特性データを、図４〜図７を参照しながら考察する。
【００６３】
まず、実施例１〜１９および比較例１〜１５では、製造した材料の健全性の評価項目である、材料の相対密度および硬さのばらつきについて調べ、これと併せて、ＣｕＣｒ接点の具備すべき基本的特性である遮断性能について評価した。
【００６４】
（実施例１〜２および比較例１〜２）
前記標準製造条件のＣｒ：補助成分の比を２８．８：０〜２４．８：４．０まで変化させ特性評価を行った。補助成分量が０．１〜２ｖｏｌ％の範囲にある実施例１および実施例２は比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性も合格しているが、補助成分を含まない比較例１では、ＣｒがＣｕと分離した状態となってしまっているため、硬さのばらつき（特に異なる接点の間のばらつき）が大きく、遮断性能も不合格となっている。また、補助成分量が４ｖｏｌ％と多い比較例２では、補助成分の局部加熱による遮断性能の低下により、遮断特性は不合格となっている。
【００６５】
（実施例３〜５および比較例３〜４）
前記標準製造条件のＣｕ粉末の平均粒径を１０〜４００μｍの範囲で変化させ特性評価を行った。Ｃｕ粉末の平均粒径が２０〜２００μｍの範囲にある実施例３〜５はいずれも比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性も合格しているが、Ｃｕの平均粒径が１０μｍの比較例３では、接点材料の含有ガス量が高すぎるため、遮断特性が不合格となっている。また、Ｃｕの平均粒径が４００μｍと大きい比較例４は、接点材料中に欠陥が分散した状態となっているため導電率が低く、遮断特性が不十分である。
【００６６】
（実施例６〜８および比較例５〜６）
前記標準製造条件のＣｒ粉末の平均粒径を２０〜４００μｍの範囲で変化させ特性評価を行った。Ｃｒ粉末の平均粒径が４０〜２００μｍの範囲にある実施例６〜８はいずれも比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性も合格しているが、Ｃｒの平均粒径が２０μｍの比較例５では、接点材料の含有ガス量が高すぎるため、遮断特性が不合格となっている。また、Ｃｒの平均粒径が４００μｍと大きい比較例６は、接点材料中に欠陥が分散した状態となっているため導電率が低く、遮断特性が不十分である。
【００６７】
（実施例９〜１１および比較例７〜８）
前記標準製造条件の補助成分粉末の平均粒径を０．１〜１０μｍの範囲で変化させ特性評価を行った。補助成分粉末の平均粒径が０．３〜３μｍの範囲にある実施例９〜１１はいずれも比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性も合格しているが、補助成分の平均粒径が０．１μｍの比較例７では、補助成分粒子が凝集し、かえって大きな複合粒子となってしまうため、Ｃｒの分散が不十分となり、かつガス含有量も多くなるため、遮断特性が不合格となっている。また、補助成分の平均粒径が１０μｍと大きい比較例８は、ＣｒとＣｕの分離が顕著であるため、接点材料組織が不均質となり遮断特性が不十分である。
【００６８】
（実施例１２および比較例９）
前記標準製造条件の補助成分としてＡｇおよびＷを用いて接点を製造し、特性評価を行った。補助成分がＷである実施例１２は比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性も合格しているが、補助成分としてＡｇを使用した比較例９では、ＡｇがＣｕ中に完全に溶解してしまうためＣｒの微細分散が起こらず、ＣｒとＣｕの分離が顕著となるため材料組織が不均質となり、遮断特性が不合格となっている。
【００６９】
（実施例１３〜１４および比較例１０）
前記標準製造条件の補助成分としてＮｂ，ＭｏおよびＷＣを用いて接点を製造し、特性評価を行った。補助成分がそれぞれＭｏ、ＷＣである実施例１３〜１４はいずれも比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性も合格しているが、補助成分としてＮｂを使用した比較例１０では、ＣｕへのＮｂの固溶による導電率の低下の影響により、遮断特性が不合格となっている。
【００７０】
（実施例１５および比較例１１）
前記標準製造条件の補助成分としてＴｉＣおよびＴａを用いて接点を製造し、特性評価を行った。補助成分がＴａである実施例１５は比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性も合格しているが、補助成分としてＴｉＣを使用した比較例１１では、密度の小さいＴｉＣがＣｕ液相上に浮上してしまうため、Ｃｒの微細分散が起こらず、ＣｒとＣｕの分離が顕著となるため材料組織が不均質となり、遮断特性が不合格となっている。
【００７１】
（実施例１６〜１７および比較例１２〜１３）
前記標準製造条件と粉末の混合手順をＡ〜Ｄで変えて、特性評価を行った。手順ＣおよびＤを用いた実施例１６および実施例１７は比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性も合格しているが、手順ＡおよびＢを用いた比較例１２および比較例１３では、補助成分のＷがＣｒ粒子表面に固着してしまうため、Ｃｒの微細分散が起こらず、ＣｒとＣｕの分離が顕著となるため材料組織が不均質となり、遮断特性が不合格となっている。
【００７２】
（実施例１８〜１９および比較例１４〜１５）
粉末混合手順ＤのＣｕ粉末とＷ粉末の初回混合におけるＷ粉末体積に対するＣｕ粉末体積の比を０．１から１０の範囲で変えて、特性評価を行った。Ｗ粉末体積に対するＣｕ粉末体積の比が０．２〜５の範囲にある実施例１８および実施例１９は比較的硬度のばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性も合格しているが、この体積比が０．１の比較例１４および１０の比較例１５では、補助成分のＷとＣｕとの分散が不十分なため一部のＷ粒子がＣｒ粒子に固着してしまうため、Ｃｒの微細分散が不十分となり、遮断特性が不合格となっている。
【００７３】
以上の実施例では、遮断特性で特性の良否を判断しているが、ＣｕＣｒ接点は、高電圧領域で使用される開閉機器にもしばしば適用される。そこで以下の実施例では、耐電圧特性も同時に満足するための条件について評価した。
【００７４】
（実施例２０〜２１および比較例１６〜１７）
前記標準製造条件のＣｕ：Ｃｒ比を４９．９：４９．６〜８８．５：１１．０まで変化させ特性評価を行った。Ｃｕ量が６０〜８３ｖｏｌ％の範囲にある実施例２０および実施例２１は比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性、耐電圧特性がともに合格しているが、Ｃｕ量が４９．６ｖｏｌ％と少ない比較例１６では、Ｃｒ量が多く熱伝導率が低いため遮断性能が不合格となっている。また、Ｃｕ量が８８．５ｖｏｌ％と多い比較例１７では、Ｃｒ分散粒子が少なく、また、補助成分粒子のＷの表面の一部が晶出したＣｒに覆われていない状態となるため、耐電圧特性が不合格となっている。
【００７５】
また、ＣｕＣｒ接点は、大電流通電領域で使用される開閉機器にも適用されるので、以下の実施例では、遮断特性に加えて通電特性も同時に満足するための諸条件について評価した。
【００７６】
（実施例２２および比較例１８）
前記標準製造条件の第２の工程と第３の工程の間に溶解体の鍛造、圧延工程を入れた場合と入れない場合の両者の特性評価を行った。鍛造圧延工程が追加された実施例２２ではいずれも比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性、通電特性がともに合格しているが、この工程を追加しない比較例１８では、内蔵する欠陥が熱伝導を低減するため、通電特性が不合格となっている。
【００７７】
（実施例２３〜２４および比較例１９〜２０）
前記標準製造条件の第２の工程と第３の工程の間に溶解体の熱処理工程を入れ、熱処理温度を変化させて特性評価を行った。熱処理温度が７００〜９００℃の範囲にある実施例２３および実施例２４ではいずれも比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性、通電特性がともに合格しているが、熱処理温度が６００℃と低い比較例１９では、Ｃｕ相中に固溶しているＣｒの析出が不十分であるため、通電特性が不合格となっている。また、熱処理温度が１０００℃と高い比較例２０では、熱処理中にＣｕ相中のＣｒの固溶量が増大してしまうため、通電特性が不合格となっている。
【００７８】
以上の実施例では、φ６０ｍｍの溶解体からφ４０ｍｍの接点を取りだして評価したが、量産性を考慮するには、この使用していない部分についても評価する必要がある。そこで溶解体のうち、材料特性評価項目（１），（２）および電気特性評価項目（１）の全てを満足できる領域の割合を調べた。評価する接点径ｒを一定とし、溶解体の径を変化させて作成し、上記条件を満足できる溶解体径の下限値Ｒを求め、良品率を（ｒ／Ｒ）２により算出した。
【００７９】
（実施例２５〜２６および比較例２１〜２２）
前記標準製造条件の第１の工程と第２の工程の間に混合粉末の成形工程を入れ、成形圧力を変化させて特性評価を行った。成形圧力が５〜８ｔｏｎ／ｃｍ２の範囲にある実施例２５および実施例２６では、良品率が９０％以上と合格しているが、成形圧力が３ｔｏｎ／ｃｍ２と低い比較例２１では、Ｃｕ粉末粒子初期にＣｒ粒子の移動が発生するため、通電特性が不合格となっている。また、成形圧力が１０ｔｏｎ／ｃｍ２と高い比較例２２では、Ｃｕ粉末の溶融時に粉末中のガスが完全に抜けきらないため、遮断特性が不合格となっている。
【００８０】
（実施例２７および比較例２３）
第２の工程において粉末全体を一度に溶解する比較例２３と、粉末全体を一度に溶解せず、圧粉成形体の中心線に垂直な２つの平行面で挟まれた領域を誘導加熱してＣｕの溶融温度以上でかつ補助成分の融点以下の温度まで昇温してＣｕ粉末のみを溶融させ、この領域を成形体の一端から他端に向かって移動させることにより成形体中のＣｕ粉末を順次溶融させ溶解体とした実施例２７とを比較評価した。粉末を順次溶解した実施例２７では、良品率が９０％以上と合格しているが、粉末を一度に溶解した比較例２３では、Ｃｕ粉末の溶融時に粉末中のガスが完全に抜けきらない部分があるため、良品率が低下している。
【００８１】
（他の実施例）
上記の実施例で示した補助成分の他、補助成分としてＭｏ２Ｃ，ＴａＣを用いた場合でも、同様の効果が得られている。
【００８２】
（実施例の効果）
以上のように、本発明の実施例では補助成分の作用により溶融ＣｕとＣｒ粒子が分離することなく存在し、かつ、微細なＣｒ粒子を原料から導入されたＣｒ粒子間に微細に分散した接点材料の製造方法の提供を可能とした。また本発明の実施例によって、Ｃｒ量を適切な範囲とすることにより、従来の固相焼結法で製造された接点材料では実現不可能であった、優れた遮断性能と耐電圧性能を兼備した接点材料の提供を可能とした。また、この基本的な製造方法に鍛造・圧延等の工程や熱処理工程を付与することにより、通電特性も兼備することができた。さらに、溶解前の粉末を成形することや溶解を部分的かつ連続的に実施することにより、量産に適した良品率の高い製造方法が提供できた。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明により製造される真空バルブ用接点材料が適用される真空バルブの一例を示す断面図。
【図２】図１の要部拡大断面図。
【図３】本発明の実施例２７を説明するための、成形体を収容したルツボの断面図。
【図４】実施例１〜１５、および比較例１〜１１の製造条件（一部）を示す表図。
【図５】実施例１〜１５、および比較例１〜１１の製造条件（残部）および評価結果を示す表図。
【図６】実施例１６〜２７、および比較例１２〜２３の製造条件（一部）を示す表図。
【図７】実施例１６〜２７、および比較例１２〜２３の製造条件（残部）および評価結果を示す表図。
【符号の説明】
【００８４】
１…遮断室
２…絶縁容器
３ａ，３ｂ…封止金具
４ａ，４ｂ…蓋体
５，６…導電棒
７，８…電極
９…ベローズ
１２…ろう付け部
１０，１１…アークシールド
１３ａ，１３ｂ…接点
１４…ろう付け層
１５…成形体
１６…溶融層
１７…誘導溶解コイル
１８…成形体中心線に平行な２面
２０…ルツボ（耐熱容器）
２１…成形体中心線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空バルブ用接点材料の製造方法に関わり、より具体的には、優れた大電流遮断特性と耐電圧特性を兼備した接点材料の製造方法に関わる。
【背景技術】
【０００２】
真空バルブ用接点は、大別すると、以下の４種類が存在する。
【０００３】
１） ＣｕＢｉ、ＣｕＴｅＳｅに代表される大電流遮断用接点
２） Ｃｕ−Ｗ等の高電圧用途に用いられる接点
３） Ａｇ−ＷＣ等の低サージ性を有する接点
４）Ｃｕ−Ｃｒ等の、ある程度の耐圧と大電流遮断特性を有する接点
このうちＣｕＣｒ接点の製造方法としては、一般に下記の３通りの方法が良く知られている。
【０００４】
１） 固相焼結法
通常、４０〜２００μｍ程度の平均粒径のＣｒ粒子とＣｕ粒子とを混合して成形したのち、Ｃｕの融点以下の温度にて焼結する方法で、場合によっては成形と焼結を複数回繰り返して製造する。Ｃｕ／Ｃｒ組成比を自由に選択できる利点がある。一方、ガス含有量は２）の溶浸法に比べ、多くなる可能性が高い。
【０００５】
２） 溶浸法
通常、４０〜２００μｍ程度の平均粒径のＣｒ粒子を容器に入れＣｕをＣｒ粒子の空隙に溶浸し、場合によってはＣｒ粒子を成形したのち、ＣｕをＣｒ成形体の空隙に溶浸する製造方法である。１）の固相焼結法より高密度な素材を得やすく、従って、ガス含有量も低減しやすいといった特徴を有する。
【０００６】
３） アーク溶解法
ＣｕとＣｒの原料をアーク加熱により急熱急冷し、微細組織を形成させる。機械的強度の大きい組織形態となり、耐電圧特性は優れる。
【０００７】
なお、このアーク溶解法の例としては、特許文献１に示されているものがある。
【特許文献１】特許第３３８２０００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＣｕＣｒ接点を構成するＣｕとＣｒは密度差が大きいため、溶解法での製造は急冷凝固が条件となり、アーク溶解法のような方法のみ可能であった。しかしながら、この方法では、製造コストの増大は不可避であり、工業的には困難である。また、Ｃｕのみを溶解する溶浸法では、予めＣｒ粒子が流動しないように、Ｃｒ含有量を十分高める必要があり、Ｃｕ／Ｃｒ組成比は、Ｃｕが２５〜６０％程度に限定されていた。一方、固相焼結では、この組成比を自由に選択できるが、組織中のＣｒ粒子の粒度は原料の粒度をそのまま反映したものとなり、一般的には粗いＣｒ粒子が分散された組織となるため、耐圧特性を向上する成分であるＣｒ量が少なくなると、耐圧上不十分であった。また、耐圧向上のため、微細なＣｒ粒子を原料とした場合には、ガス含有量が高まるため遮断特性が低下するため、固相焼結法においては、優れた遮断性能と耐電圧特性を兼備することには限界があった。
【０００９】
本発明は、従来のこのような点に鑑みて為されたもので、優れた遮断性能と耐電圧特性を兼備した真空バルブ用接点材料の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る真空バルブ用接点材料の製造方法は、平均粒径が２０〜２００μｍのＣｕ粉末、平均粒径が４０〜２００μｍのＣｒ粉末、および粉末全体の０．１〜２ｖｏｌ％の範囲で平均粒径が０．３〜１０μｍで融点がＣｕの融点より高い補助成分の粉末を混合する第１の工程と、この第１の工程で得られた混合粉末をＣｕの溶融温度以上でかつ補助成分の融点以下の温度まで昇温して混合粉末の中のＣｕ粉末およびＣｒ粉末の一部または全てを耐熱容器中で溶解して溶解体を形成した後、溶解体を耐熱容器中で冷却するかまたは鋳型に一括充填して冷却する第２の工程と、この第２の工程を終えた溶解体を加工することにより複数の接点材料を取り出す第３の工程とから成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、優れた遮断性能と耐電圧特性を兼備した真空バルブ用接点材料を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
発明が解決しようとする課題の項で述べたようなＣｕＣｒ接点の各製造方法の現状を鑑み、発明者らはまず、急冷凝固を伴なわず、かつ、Ｃｕ／Ｃｒ比を選ばずに固相焼結法で製造したＣｕＣｒ接点と同等の遮断特性を有するＣｕＣｒ系接点材料を製造することを目的として研究を重ねた結果、本発明の方法を見出すに至った。
【００１４】
また、この発明によって得られる接点材料の良品率を高めることを目的とした製造方法の改良を加え、その条件を見出した。
【００１５】
さらに発明者らは、この方法を用い、優れた遮断特性を有するＣｒ２５ｗｔ％付近のＣｕ／Ｃｒ組成比において、固相法ＣｕＣｒ接点では到底達成し得ない耐電圧特性を兼備したＣｕＣｒ系接点材料を製造することに成功した。
【００１６】
本発明の第１の実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法は、平均粒径が２０〜２００μｍのＣｕ粉末、平均粒径が４０〜２００μｍのＣｒ粉末、および粉末全体の０．１〜２ｖｏｌ％の範囲で平均粒径が０．３〜１０μｍで融点がＣｕの融点より高い補助成分の粉末を混合する第１の工程と、この第１の工程で得られた混合粉末をＣｕの溶融温度以上でかつ補助成分の融点以下の温度まで昇温して混合粉末の中のＣｕ粉末およびＣｒ粉末の一部または全てを耐熱容器中で溶解して溶解体を形成した後、溶解体を耐熱容器中で冷却するかまたは鋳型に一括充填して冷却する第２の工程と、この第２の工程を終えた溶解体を切削加工、または切断加工することにより複数の接点材料を取り出す第３の工程とから成ることを特徴とする。
【００１７】
この第１の実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法においては、混合粉末中の補助成分の微粒子は、混合粉末をＣｕの溶融温度以上に保持した際に、Ｃｕ液相とＣｒ固相の密度差に起因する両者の分離を抑制し、Ｃｒ粒子をＣｕ液相中に微細分散させる効果を有する。この効果は、Ｃｕ液相中に溶解したＣｒが補助成分粒子上に晶出することによるものである。
【００１８】
本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法において、補助成分は、純Ｃｕに１原子％添加した時の固有抵抗の純Ｃｕに対する増分が３μΩｃｍ／原子％以下となる成分を選択していることを特徴とする。
【００１９】
本発明では、Ｃｕ粒子を溶融させるため、このＣｕ液相に溶解することによってＣｕ相の固有抵抗を増大させる成分は補助成分として不適切である。すなわち、補助成分を、純Ｃｕに１原子％添加した時の固有抵抗の純Ｃｕに対する増分が３μΩｃｍ／原子％を越えると、導電性が著しく損なわれるために、遮断特性が低下する。
【００２０】
本発明の第３の実施形態は、第１または第２の実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法において、補助成分の密度が融点直上（１０８３℃）におけるＣｕの液相の密度（８．００ｇ／ｃｍ３）より大きいことを特徴とする。
【００２１】
本発明では、Ｃｕ液相に対して密度の小さいＣｒを補助成分上に晶出させるが、補助成分の密度が小さい場合、Ｃｒの晶出前に補助成分自体がＣｕ相と分離してしまう。これを防ぐには、Ｃｕ相に対して密度の大きい補助成分上に密度の小さいＣｒを晶出させる方法が有効である。
【００２２】
本発明の第４の実施形態は、第１乃至第３のいずれかの実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法において、前記補助成分がＷ，Ｍｏ，Ｔａまたはこれらの炭化物の少なくとも1種類から選択されることを特徴とする。第２または第３の実施形態の条件を満たす補助成分の具体例としては、これらの物質があげられる。
【００２３】
本発明の第５の実施形態は、第１乃至第４のいずれかの実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法において、第１の工程において配合すべきＣｕと補助成分とを計量し、補助成分微粒子全量とその０．２〜５．０倍の体積のＣｕ粒子とを混合して第１の混合粉末とし、第１の混合粉末に残りのＣｕを適宜加え、混合して、第２の混合粉末とし、第２の混合粉末にＣｒ粒子を適宜加え、混合して第３の混合粉末を得ることを特徴とする。
【００２４】
Ｃｕ粉末が溶融するまでの昇温過程において、補助成分がＣｒ粒子と接触している場合、補助成分はＣｒ表面に固着されてしまう。従って、溶融後、微細分散された状態の補助成分粒子上にＣｒを晶出させるには、この固着を可能な限り回避する必要がある。これには、混合時におけるＣｒと補助成分の接触を少なくすることが有効であり、上記手順による混合で、補助成分粒子をまずＣｕ粒子中に均質に分散することが肝要である。
【００２５】
本発明の第６の実施形態は、第１乃至第５のいずれかの実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法において、第１の工程におけるＣｕ粉末の混合粉末全体に占める割合が、６０〜８３ｖｏｌ％であることを特徴とする。
【００２６】
本実施形態によれば、遮断性能には優れるものの耐電圧特性が不十分であった固相焼結法によるＣｒ含有量２５ｗｔ％（２２ｖｏｌ％）付近の材料において、組織微細化の効果により、優れた耐電圧特性をも兼備させることが可能となる。
【００２７】
本発明の第７の実施形態は、第１乃至第６のいずれかの実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法において、第２の工程と第３の工程との間に、溶解体に対して圧縮、圧延、または鍛造の少なくとも１つの加工を行う工程を有することを特徴とする。
【００２８】
この加工により、溶解体に含まれる微細な欠陥がつぶされ、導電率が高められるため、優れた通電特性も兼備させることが可能となる。
【００２９】
本発明の第８の実施形態は、第１乃至第７のいずれかの実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法において、第２の工程と前記第３の工程との間に、前記溶解体を７００〜９００℃の範囲の温度で保持する工程を有することを特徴とする。
【００３０】
通電特性の改善は、このような熱処理によっても得ることができる。
【００３１】
本発明の第９の実施形態は、第１乃至第８のいずれかの実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法において、第１の工程と第２の工程との間に、混合粉末を５〜８ｔｏｎ／ｃｍ２の範囲の圧力で成形する工程を有することを特徴とする。
【００３２】
第１乃至第８のいずれかの実施形態の方法では、良好な電気特性が期待できる良品部が、溶解体全体の限られた部分にのみ形成される。しかしながらこの第９の実施形態のように、混合粉末をＣｕの溶融温度以上の温度まで上げる前に予め加圧しておくことによって、この良品部を大幅に拡大することが可能である。ただし、この加圧力を過大にした場合、成形体中に閉じ込められたガスがＣｕの溶解時に放出されるのを阻害するため遮断性能の低下につながる。
【００３３】
本発明の第１０の実施形態は、第９の実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法において、第２の工程において、昇温して溶解体を形成するとき、前記圧力で成形された圧粉成形体の中心線に垂直な２つの平行面で挟まれた領域の全体または一部をＣｕの溶融温度以上でかつ補助成分の融点以下の温度まで昇温し、前記領域を成形体の一端から他端に向かって移動させ、成形体中のＣｕ粉末の一部または全てが溶融した溶解体とすることを特徴とする。
【００３４】
このように、圧粉成形体を部分的に溶解凝固させることによっても広範囲なＣｕとＣｒの組成変動を抑制できるため、良品部の拡大は達成できる。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明の実施例を具体的に説明する。
【００３６】
＜供試真空バルブの構成＞
まず、本発明により製造される真空バルブ用接点材料が適用される供試真空バルブの構成について説明する。
【００３７】
図１は、供試真空バルブの構成例を説明するための断面図、図２は図１の電極部分の拡大断面図である。
【００３８】
図１において、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３ａ，３ｂを介して設けた金属製の蓋体４ａ，４ｂとで真空気密に構成されている。
【００３９】
遮断室１内には、導電棒５，６の対向する端部に取付けられた一対の電極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の導電棒６には、ベローズ９が取付けられ遮断室１内を真空気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上部には金属製のアークシールド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。また、電極７，８を覆うように、遮断室１内に金属製のアークシールド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。
【００４０】
さらに、電極８は、図２に拡大して示す如く、導電棒６にろう付け部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にろう付け１４によってろう付けで取付けられる。なお、接点１３ｂは、電極７にろう付けにより取付けられる。
【００４１】
＜接点材料の製造方法＞
本発明に係る真空バルブ用接点材料の製造方法における、接点材料の製造工程について説明する。
【００４２】
まず 、実施例１〜実施例２１と比較例１〜比較例１８の接点の製造工程について説明する。
【００４３】
［第１の工程］
はじめに所定粒径のＣｒ粉末、Ｃｕ粉末および補助成分粉末を下記のいずれかの手順で混合する。
【００４４】
Ａ：全ての粉末を一度に混ぜ、混合する。
【００４５】
Ｂ：Ｃｒ粉末および補助成分粉末を混合し、この混合粉末にＣｕ粉末を混合する。
【００４６】
Ｃ：補助成分粉末全量とこれと同量のＣｕ粉末とをまず混合し、この混合粉末と残りの Ｃｕ粉末とを混合した後、さらにＣｒ粉末を混合する。
【００４７】
Ｄ：補助成分粉末全量とこれと同量のＣｕ粉末とをまず混合し、この混合粉末と同量の Ｃｕ粉末をさらに加えて混合する。この動作を繰り返し、新たなＣｕ粉末を加えたそれぞれの時点において、残りのＣｕ粉末が混合粉末の量より少なくなった場合、この残りのＣｕ粉末もさらに加えて混合し、その後Ｃｒ粉末を混合して、混合工程を終了する。
【００４８】
Ｅ：Ｃｕ粉末とＣｒ粉末のみを混合する。
【００４９】
［第２の工程］
次いで、この混合粉末をφ６０ｍｍの溶解ルツボに入れ、真空中にて高周波誘導加熱によりＣｕの融点以上の温度にて溶解する（溶解方法Ａ）。そして溶解体をルツボ内で冷却する。
【００５０】
［第３の工程］
さらにルツボから溶解体を取りだし、φ４０ｍｍの接点を加工して取り出す。これらの実施例および比較例は以下に示す条件を標準の製造条件とし、これらの条件のいずれかをパラメータとして変化させた場合について調べたものである。
【００５１】
・原料粉末平均粒径：
Ｃｕ…１００μｍ
Ｃｒ…１００μｍ
補助成分…１μｍ
・ 補助成分…Ｗ
・原料粉末体積比：
Ｃｕ：Ｃｒ：補助成分＝７１．２：２８．３：０．５
実施例２２では、円柱状の溶解体をルツボから取り出した後、鍛造して角柱状にし、さらにこれを圧延することにより板状とした。
【００５２】
実施例２３〜２４および比較例１９〜２０では、溶解体をルツボから取り出した後、溶解体を真空中において６００〜１０００℃の範囲の温度で保持した。
【００５３】
実施例２５〜２６および比較例２１〜２２では、混合粉末をルツボに入れる前に、３〜１０ｔｏｎ／ｃｍ２の範囲の圧力で成形し、この成形体をルツボにセットした。
【００５４】
実施例２７では、第２の工程において、粉末全体を一度に溶解せず、図3のように、圧粉成形体の中心線に垂直な２つの平行面で挟まれた領域を誘導加熱してＣｕの溶融温度以上でかつ補助成分の融点以下の温度まで昇温してＣｕ粉末のみを溶融させ、この領域を成形体の一端から他端に向かって移動させることにより成形体中のＣｕ粉末を順次溶融させ溶解体とした（溶解方法Ｂ）。すなわち、図３に示すように、圧粉成形された成形体１５をルツボ（耐熱容器）２０に入れ、成形体１５の中心線２１に垂直な２つの平行面１８で挟まれた領域を誘導溶解コイル１７により誘導加熱してＣｕの溶融温度以上でかつ補助成分の融点以下の温度まで昇温してＣｕ粉末のみを溶融させて溶融層１６とし、この平行面１８で挟まれ、誘導溶解コイル１７により誘導加熱する領域を成形体の一端から他端に向かって移動させることにより成形体中のＣｕ粉末を順次溶融させ溶解体とした。なお、平行面１８で挟まれ、誘導溶解コイル１７により誘導加熱する領域を移動させるには、誘導溶解コイル１７を移動させてもよいし、成形体１５を収容したルツボ（耐熱容器）２０を移動させてもよい。
【００５５】
＜評価方法および評価条件＞
次に、本発明の実施例および比較例を説明するデータを得た評価方法、および評価条件について説明する。
【００５６】
（材料特性評価）
（１）相対密度
アルキメデス法により密度を測定して組成比から真密度を求めて相対密度に換算した。結果は、比較例１の値を１．００として相対比較し、０．９５以上を合格とした。
【００５７】
（２）硬さのばらつき
ロックウエル硬さを測定し、実施例１の値を１．００として相対比較し、２．００未満を合格とした。
【００５８】
（電気特性評価）
（１）遮断特性
遮断試験をＪＥＣ規格の５号試験により行い、これにより遮断特性を評価した。
【００５９】
（２）耐電圧特性
進み小電流試験における再点弧発生確率にて評価した。電流は５００Ａであり、回復電圧は１２．５ｋＶである。試験回数は２０００回である。実施例１７の再点弧発生確率を１．０とした場合の相対値を示し、この相対値が１．２以下のものを合格とした。
【００６０】
（３）通電特性
渦電流測定により導電率を評価し、実施例１の測定との相対値で表示し、大電流通電領域で使用される開閉機器への適用を考慮して、この値が１．１以上を合格とした。
【００６１】
（量産性評価）
（１） 良品率
溶解体のうち、材料特性評価項目（１），（２）および電気特性評価項目（１）の全てを満足できる領域の割合を調べた。評価する接点径ｒを一定とし、溶解体の径を変化させて作成し、上記条件を満足できる溶解体径の下限値Ｒを求め、（ｒ／Ｒ）２により算出した。量産性という観点から、良品率として０．９以上を合格とした。
【００６２】
＜実施例および比較例＞
次に、各接点の製造条件とその問題点およびこれらに対応する材料的特性および電気的特性データを、図４〜図７を参照しながら考察する。
【００６３】
まず、実施例１〜１９および比較例１〜１５では、製造した材料の健全性の評価項目である、材料の相対密度および硬さのばらつきについて調べ、これと併せて、ＣｕＣｒ接点の具備すべき基本的特性である遮断性能について評価した。
【００６４】
（実施例１〜２および比較例１〜２）
前記標準製造条件のＣｒ：補助成分の比を２８．８：０〜２４．８：４．０まで変化させ特性評価を行った。補助成分量が０．１〜２ｖｏｌ％の範囲にある実施例１および実施例２は比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性も合格しているが、補助成分を含まない比較例１では、ＣｒがＣｕと分離した状態となってしまっているため、硬さのばらつき（特に異なる接点の間のばらつき）が大きく、遮断性能も不合格となっている。また、補助成分量が４ｖｏｌ％と多い比較例２では、補助成分の局部加熱による遮断性能の低下により、遮断特性は不合格となっている。
【００６５】
（実施例３〜５および比較例３〜４）
前記標準製造条件のＣｕ粉末の平均粒径を１０〜４００μｍの範囲で変化させ特性評価を行った。Ｃｕ粉末の平均粒径が２０〜２００μｍの範囲にある実施例３〜５はいずれも比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性も合格しているが、Ｃｕの平均粒径が１０μｍの比較例３では、接点材料の含有ガス量が高すぎるため、遮断特性が不合格となっている。また、Ｃｕの平均粒径が４００μｍと大きい比較例４は、接点材料中に欠陥が分散した状態となっているため導電率が低く、遮断特性が不十分である。
【００６６】
（実施例６〜８および比較例５〜６）
前記標準製造条件のＣｒ粉末の平均粒径を２０〜４００μｍの範囲で変化させ特性評価を行った。Ｃｒ粉末の平均粒径が４０〜２００μｍの範囲にある実施例６〜８はいずれも比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性も合格しているが、Ｃｒの平均粒径が２０μｍの比較例５では、接点材料の含有ガス量が高すぎるため、遮断特性が不合格となっている。また、Ｃｒの平均粒径が４００μｍと大きい比較例６は、接点材料中に欠陥が分散した状態となっているため導電率が低く、遮断特性が不十分である。
【００６７】
（実施例９〜１１および比較例７〜８）
前記標準製造条件の補助成分粉末の平均粒径を０．１〜１０μｍの範囲で変化させ特性評価を行った。補助成分粉末の平均粒径が０．３〜３μｍの範囲にある実施例９〜１１はいずれも比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性も合格しているが、補助成分の平均粒径が０．１μｍの比較例７では、補助成分粒子が凝集し、かえって大きな複合粒子となってしまうため、Ｃｒの分散が不十分となり、かつガス含有量も多くなるため、遮断特性が不合格となっている。また、補助成分の平均粒径が１０μｍと大きい比較例８は、ＣｒとＣｕの分離が顕著であるため、接点材料組織が不均質となり遮断特性が不十分である。
【００６８】
（実施例１２および比較例９）
前記標準製造条件の補助成分としてＡｇおよびＷを用いて接点を製造し、特性評価を行った。補助成分がＷである実施例１２は比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性も合格しているが、補助成分としてＡｇを使用した比較例９では、ＡｇがＣｕ中に完全に溶解してしまうためＣｒの微細分散が起こらず、ＣｒとＣｕの分離が顕著となるため材料組織が不均質となり、遮断特性が不合格となっている。
【００６９】
（実施例１３〜１４および比較例１０）
前記標準製造条件の補助成分としてＮｂ，ＭｏおよびＷＣを用いて接点を製造し、特性評価を行った。補助成分がそれぞれＭｏ、ＷＣである実施例１３〜１４はいずれも比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性も合格しているが、補助成分としてＮｂを使用した比較例１０では、ＣｕへのＮｂの固溶による導電率の低下の影響により、遮断特性が不合格となっている。
【００７０】
（実施例１５および比較例１１）
前記標準製造条件の補助成分としてＴｉＣおよびＴａを用いて接点を製造し、特性評価を行った。補助成分がＴａである実施例１５は比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性も合格しているが、補助成分としてＴｉＣを使用した比較例１１では、密度の小さいＴｉＣがＣｕ液相上に浮上してしまうため、Ｃｒの微細分散が起こらず、ＣｒとＣｕの分離が顕著となるため材料組織が不均質となり、遮断特性が不合格となっている。
【００７１】
（実施例１６〜１７および比較例１２〜１３）
前記標準製造条件と粉末の混合手順をＡ〜Ｄで変えて、特性評価を行った。手順ＣおよびＤを用いた実施例１６および実施例１７は比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性も合格しているが、手順ＡおよびＢを用いた比較例１２および比較例１３では、補助成分のＷがＣｒ粒子表面に固着してしまうため、Ｃｒの微細分散が起こらず、ＣｒとＣｕの分離が顕著となるため材料組織が不均質となり、遮断特性が不合格となっている。
【００７２】
（実施例１８〜１９および比較例１４〜１５）
粉末混合手順ＤのＣｕ粉末とＷ粉末の初回混合におけるＷ粉末体積に対するＣｕ粉末体積の比を０．１から１０の範囲で変えて、特性評価を行った。Ｗ粉末体積に対するＣｕ粉末体積の比が０．２〜５の範囲にある実施例１８および実施例１９は比較的硬度のばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性も合格しているが、この体積比が０．１の比較例１４および１０の比較例１５では、補助成分のＷとＣｕとの分散が不十分なため一部のＷ粒子がＣｒ粒子に固着してしまうため、Ｃｒの微細分散が不十分となり、遮断特性が不合格となっている。
【００７３】
以上の実施例では、遮断特性で特性の良否を判断しているが、ＣｕＣｒ接点は、高電圧領域で使用される開閉機器にもしばしば適用される。そこで以下の実施例では、耐電圧特性も同時に満足するための条件について評価した。
【００７４】
（実施例２０〜２１および比較例１６〜１７）
前記標準製造条件のＣｕ：Ｃｒ比を４９．９：４９．６〜８８．５：１１．０まで変化させ特性評価を行った。Ｃｕ量が６０〜８３ｖｏｌ％の範囲にある実施例２０および実施例２１は比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性、耐電圧特性がともに合格しているが、Ｃｕ量が４９．６ｖｏｌ％と少ない比較例１６では、Ｃｒ量が多く熱伝導率が低いため遮断性能が不合格となっている。また、Ｃｕ量が８８．５ｖｏｌ％と多い比較例１７では、Ｃｒ分散粒子が少なく、また、補助成分粒子のＷの表面の一部が晶出したＣｒに覆われていない状態となるため、耐電圧特性が不合格となっている。
【００７５】
また、ＣｕＣｒ接点は、大電流通電領域で使用される開閉機器にも適用されるので、以下の実施例では、遮断特性に加えて通電特性も同時に満足するための諸条件について評価した。
【００７６】
（実施例２２および比較例１８）
前記標準製造条件の第２の工程と第３の工程の間に溶解体の鍛造、圧延工程を入れた場合と入れない場合の両者の特性評価を行った。鍛造圧延工程が追加された実施例２２ではいずれも比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性、通電特性がともに合格しているが、この工程を追加しない比較例１８では、内蔵する欠陥が熱伝導を低減するため、通電特性が不合格となっている。
【００７７】
（実施例２３〜２４および比較例１９〜２０）
前記標準製造条件の第２の工程と第３の工程の間に溶解体の熱処理工程を入れ、熱処理温度を変化させて特性評価を行った。熱処理温度が７００〜９００℃の範囲にある実施例２３および実施例２４ではいずれも比較的ばらつきの少ない接点が得られ、遮断特性、通電特性がともに合格しているが、熱処理温度が６００℃と低い比較例１９では、Ｃｕ相中に固溶しているＣｒの析出が不十分であるため、通電特性が不合格となっている。また、熱処理温度が１０００℃と高い比較例２０では、熱処理中にＣｕ相中のＣｒの固溶量が増大してしまうため、通電特性が不合格となっている。
【００７８】
以上の実施例では、φ６０ｍｍの溶解体からφ４０ｍｍの接点を取りだして評価したが、量産性を考慮するには、この使用していない部分についても評価する必要がある。そこで溶解体のうち、材料特性評価項目（１），（２）および電気特性評価項目（１）の全てを満足できる領域の割合を調べた。評価する接点径ｒを一定とし、溶解体の径を変化させて作成し、上記条件を満足できる溶解体径の下限値Ｒを求め、良品率を（ｒ／Ｒ）２により算出した。
【００７９】
（実施例２５〜２６および比較例２１〜２２）
前記標準製造条件の第１の工程と第２の工程の間に混合粉末の成形工程を入れ、成形圧力を変化させて特性評価を行った。成形圧力が５〜８ｔｏｎ／ｃｍ２の範囲にある実施例２５および実施例２６では、良品率が９０％以上と合格しているが、成形圧力が３ｔｏｎ／ｃｍ２と低い比較例２１では、Ｃｕ粉末粒子初期にＣｒ粒子の移動が発生するため、通電特性が不合格となっている。また、成形圧力が１０ｔｏｎ／ｃｍ２と高い比較例２２では、Ｃｕ粉末の溶融時に粉末中のガスが完全に抜けきらないため、遮断特性が不合格となっている。
【００８０】
（実施例２７および比較例２３）
第２の工程において粉末全体を一度に溶解する比較例２３と、粉末全体を一度に溶解せず、圧粉成形体の中心線に垂直な２つの平行面で挟まれた領域を誘導加熱してＣｕの溶融温度以上でかつ補助成分の融点以下の温度まで昇温してＣｕ粉末のみを溶融させ、この領域を成形体の一端から他端に向かって移動させることにより成形体中のＣｕ粉末を順次溶融させ溶解体とした実施例２７とを比較評価した。粉末を順次溶解した実施例２７では、良品率が９０％以上と合格しているが、粉末を一度に溶解した比較例２３では、Ｃｕ粉末の溶融時に粉末中のガスが完全に抜けきらない部分があるため、良品率が低下している。
【００８１】
（他の実施例）
上記の実施例で示した補助成分の他、補助成分としてＭｏ２Ｃ，ＴａＣを用いた場合でも、同様の効果が得られている。
【００８２】
（実施例の効果）
以上のように、本発明の実施例では補助成分の作用により溶融ＣｕとＣｒ粒子が分離することなく存在し、かつ、微細なＣｒ粒子を原料から導入されたＣｒ粒子間に微細に分散した接点材料の製造方法の提供を可能とした。また本発明の実施例によって、Ｃｒ量を適切な範囲とすることにより、従来の固相焼結法で製造された接点材料では実現不可能であった、優れた遮断性能と耐電圧性能を兼備した接点材料の提供を可能とした。また、この基本的な製造方法に鍛造・圧延等の工程や熱処理工程を付与することにより、通電特性も兼備することができた。さらに、溶解前の粉末を成形することや溶解を部分的かつ連続的に実施することにより、量産に適した良品率の高い製造方法が提供できた。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明により製造される真空バルブ用接点材料が適用される真空バルブの一例を示す断面図。
【図２】図１の要部拡大断面図。
【図３】本発明の実施例２７を説明するための、成形体を収容したルツボの断面図。
【図４】実施例１〜１５、および比較例１〜１１の製造条件（一部）を示す表図。
【図５】実施例１〜１５、および比較例１〜１１の製造条件（残部）および評価結果を示す表図。
【図６】実施例１６〜２７、および比較例１２〜２３の製造条件（一部）を示す表図。
【図７】実施例１６〜２７、および比較例１２〜２３の製造条件（残部）および評価結果を示す表図。
【符号の説明】
【００８４】
１…遮断室
２…絶縁容器
３ａ，３ｂ…封止金具
４ａ，４ｂ…蓋体
５，６…導電棒
７，８…電極
９…ベローズ
１２…ろう付け部
１０，１１…アークシールド
１３ａ，１３ｂ…接点
１４…ろう付け層
１５…成形体
１６…溶融層
１７…誘導溶解コイル
１８…成形体中心線に平行な２面
２０…ルツボ（耐熱容器）
２１…成形体中心線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒径が２０〜２００μｍのＣｕ粉末、平均粒径が４０〜２００μｍのＣｒ粉末、および粉末全体の０．１〜２ｖｏｌ％の範囲で平均粒径が０．３〜１０μｍで融点がＣｕの融点より高い補助成分の粉末を混合する第１の工程と、この第１の工程で得られた混合粉末をＣｕの溶融温度以上でかつ補助成分の融点以下の温度まで昇温して混合粉末の中のＣｕ粉末およびＣｒ粉末の一部または全てを耐熱容器中で溶解して溶解体を形成した後、前記溶解体を耐熱容器中で冷却するかまたは鋳型に一括充填して冷却する第２の工程と、この第２の工程を終えた前記溶解体を加工することにより複数の接点材料を取り出す第３の工程とから成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２】
前記補助成分は、純Ｃｕに１原子％添加した時の固有抵抗の純Ｃｕに対する増分が３μΩｃｍ／原子％以下となる成分を選択していることを特徴とする請求項１に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項３】
前記補助成分の密度が融点直上におけるＣｕの液相の密度より大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項４】
前記補助成分がＷ，Ｍｏ，Ｔａまたはこれらの炭化物の少なくとも1種類から選択されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項５】
前記第１の工程において配合すべきＣｕと補助成分とを計量し、補助成分微粒子全量とその０．２〜５．０倍の体積のＣｕ粒子とを混合して第１の混合粉末とし、前記第１の混合粉末に残りのＣｕを適宜加え、混合して、第２の混合粉末とし、前記第２の混合粉末にＣｒ粒子を適宜加え、混合して第３の混合粉末を得ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項６】
前記第１の工程におけるＣｕ粉末の混合粉末全体に占める割合が、６０〜８３ｖｏｌ％であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項７】
前記第２の工程と前記第３の工程との間に、前記溶解体に対して圧縮、圧延、鍛造の少なくとも１つの加工を行う工程を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項８】
前記第２の工程と前記第３の工程との間に、前記溶解体を７００〜９００℃の範囲の温度で保持する工程を有することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項９】
前記第１の工程と前記第２の工程との間に、前記混合粉末を５〜８ｔｏｎ／ｃｍ２の範囲の圧力で成形する工程を有することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項１０】
前記第２の工程において、昇温して溶解体を形成するとき、前記圧力で成形された圧粉成形体の中心線に垂直な２つの平行面で挟まれた領域の全体または一部をＣｕの溶融温度以上でかつ補助成分の融点以下の温度まで昇温し、前記領域を成形体の一端から他端に向かって移動させ、成形体中のＣｕ粉末の一部または全てが溶融した溶解体とすることを特徴とする請求項９に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項１】
平均粒径が２０〜２００μｍのＣｕ粉末、平均粒径が４０〜２００μｍのＣｒ粉末、および粉末全体の０．１〜２ｖｏｌ％の範囲で平均粒径が０．３〜１０μｍで融点がＣｕの融点より高い補助成分の粉末を混合する第１の工程と、この第１の工程で得られた混合粉末をＣｕの溶融温度以上でかつ補助成分の融点以下の温度まで昇温して混合粉末の中のＣｕ粉末およびＣｒ粉末の一部または全てを耐熱容器中で溶解して溶解体を形成した後、前記溶解体を耐熱容器中で冷却するかまたは鋳型に一括充填して冷却する第２の工程と、この第２の工程を終えた前記溶解体を加工することにより複数の接点材料を取り出す第３の工程とから成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２】
前記補助成分は、純Ｃｕに１原子％添加した時の固有抵抗の純Ｃｕに対する増分が３μΩｃｍ／原子％以下となる成分を選択していることを特徴とする請求項１に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項３】
前記補助成分の密度が融点直上におけるＣｕの液相の密度より大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項４】
前記補助成分がＷ，Ｍｏ，Ｔａまたはこれらの炭化物の少なくとも1種類から選択されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項５】
前記第１の工程において配合すべきＣｕと補助成分とを計量し、補助成分微粒子全量とその０．２〜５．０倍の体積のＣｕ粒子とを混合して第１の混合粉末とし、前記第１の混合粉末に残りのＣｕを適宜加え、混合して、第２の混合粉末とし、前記第２の混合粉末にＣｒ粒子を適宜加え、混合して第３の混合粉末を得ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項６】
前記第１の工程におけるＣｕ粉末の混合粉末全体に占める割合が、６０〜８３ｖｏｌ％であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項７】
前記第２の工程と前記第３の工程との間に、前記溶解体に対して圧縮、圧延、鍛造の少なくとも１つの加工を行う工程を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項８】
前記第２の工程と前記第３の工程との間に、前記溶解体を７００〜９００℃の範囲の温度で保持する工程を有することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項９】
前記第１の工程と前記第２の工程との間に、前記混合粉末を５〜８ｔｏｎ／ｃｍ２の範囲の圧力で成形する工程を有することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項１０】
前記第２の工程において、昇温して溶解体を形成するとき、前記圧力で成形された圧粉成形体の中心線に垂直な２つの平行面で挟まれた領域の全体または一部をＣｕの溶融温度以上でかつ補助成分の融点以下の温度まで昇温し、前記領域を成形体の一端から他端に向かって移動させ、成形体中のＣｕ粉末の一部または全てが溶融した溶解体とすることを特徴とする請求項９に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−２４４７６（Ｐ２００６−２４４７６Ａ）
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２０２２８４（Ｐ２００４−２０２２８４）
【出願日】平成１６年７月８日（２００４．７．８）
【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１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月８日（２００４．７．８）
【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）】
[ Back to top ]