JP6048966B2

JP6048966B2 - 真空バルブ用接点材料及びその製造方法

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Publication number: JP6048966B2
Application number: JP2013089999A
Authority: JP
Inventors: 荒木　健; 健荒木; 貴之見持; 越智　聡; 聡越智
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2033-04-23
Also published as: JP2014216074A

Description

本発明は、高耐圧性能を要求される真空バルブ用接点材料及びその製造方法に関するものである。

高耐圧向けの真空バルブ用接点では、高耐圧の性質を有するＣｒを、高導電体のＣｕに分散させたＣｕ−Ｃｒ系材料又は高導電体のＡｇに分散させたＡｇ−Ｃｒ系材料がよく用いられている。遮断性能を高めるために、遮断時のアーク継続を抑制する手法が検討されている。例えば、特許文献１には、Ｃｕ−Ｃｒ系材料において、５０〜２００ｐｐｍの炭素を全体に均一に分散させることにより、実質的な融点を高め、これにより遮断時のアークにより発生する金属蒸気の発生を抑制してアークを消滅しやすくすることが提案されている。

特開２００３−１８３７４９号公報

しかしながら、特許文献１の接点材料では、炭素濃度が５０〜２００ｐｐｍと低いため、耐電圧性能及び耐溶着性能が不十分であるという問題がある。仮に、特許文献１の接点材料において炭素を多量に含有させたとしても、Ｃｒ粉末表面の炭化Ｃｒの生成量が増加するため、ＣｕとＣｒとの濡れ性が低下し、溶浸が阻害され、密度が低下するという問題が生じる。その結果、耐電圧性能が低下することになる。

従って、本発明では、密度が高く且つ耐電圧性能に優れた真空バルブ用接点材料及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る真空バルブ用接点材料は、３３重量％以上６３重量％以下のＣｕ及び１重量％以上２１重量％以下のＮｉからなる母相中に３５重量％以上６５重量％以下のＣｒ粒子が分散し、且つ炭素濃度が０．１重量％以上５．９重量％以下である炭素拡散濃化層を接点表面に有することを特徴とするものである。

本発明に係る真空バルブ用接点材料の製造方法は、Ｃｒ粉末とＣｕ粉末とＮｉ粉末との混合物を加圧して圧粉体を形成する工程と、圧粉体を真空雰囲気中で焼結してスケルトンを形成する工程と、表面の材質が炭素である敷板の上にスケルトンを載せるとともにスケルトン上にＣｕ板を載せた後、真空雰囲気中で溶浸する工程とを備えることを特徴とするものである。

更に、本発明に係る真空バルブ用接点材料の製造方法は、Ｃｒ粉末とＣｕ粉末との混合物を加圧して圧粉体を形成する工程と、圧粉体を真空雰囲気中で焼結してスケルトンを形成する工程と、表面の材質が炭素である敷板の上にスケルトンを載せるとともにスケルトン上にＣｕ−Ｎｉ合金板を載せた後、真空雰囲気中で溶浸する工程とを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、密度が高く且つ耐電圧性能に優れた真空バルブ用接点材料を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る真空バルブ用接点材料を適用した真空バルブの一例を示す模式断面図である。本発明の実施の形態に係る真空バルブ用接点材料の組織構造を示す模式断面図である。本発明の実施の形態に係る真空バルブ用接点材料の製法において、Ｃｕの溶浸時に接点表面に炭素が拡散していく状況を示す模式図である。実施例１−２で得られた真空バルブ用接点材料の接点表面から深さ方向への炭素（Ｃ）濃度分布を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による真空バルブ用接点材料を適用した真空バルブの一例を示す模式断面図である。真空バルブ１は遮断室２を備えている。この遮断室２は、円筒状に形成された絶縁容器３とその両端に封止金具４ａ，４ｂにより固定された金属蓋５ａ、５ｂとで構成され、真空気密となっている。遮断室２内には、固定電極棒６と可動電極棒７とが対向するように取り付けられている。固定電極棒６及び可動電極棒７の端部には、固定電極８及び可動電極９がそれぞれロウ付により取り付けられ、それぞれの接触部には、固定接点１０及び可動接点１１がロウ付により取り付けられている。可動電極棒７には、ベローズ１２が取り付けられ、遮断室２の内部を真空気密に保持しながら可動電極９の軸方向の移動を可能にしている。ベローズ１２の上部には、金属製のベローズ用アークシールド１３が設けられ、ベローズ１２にアーク蒸気が付着することを防止している。また、固定電極８及び可動電極９を覆うように、遮断室２内に金属製の絶縁容器用アークシールド１４が設けられ、絶縁容器３がアーク蒸気で覆われることを防止している。

固定接点１０及び可動接点１１には、本実施の形態による真空バルブ用接点材料が使用されている。これらの真空バルブ用接点材料は、真空バルブ用接点材料の炭素拡散濃化層を有する表面が対向するように固定電極８及び可動電極９にそれぞれ取り付けられている。図２は、本実施の形態による真空バルブ用接点材料の組織構造を示す模式断面図である。図２に示されるように、本実施の形態による真空バルブ用接点材料は、Ｃｕ及びＮｉからなる母相２１中にＣｒ粒子２２が分散しており、接点表面近傍には、炭素２３の濃度が高められて炭素濃度が０．１重量％以上５．９重量％以下である炭素拡散濃化層２４が存在している。本実施の形態による真空バルブ用接点材料は、特許文献１による接点材料とは異なり、炭素２３が接点表面近傍に高濃度で存在しているので、高密度を維持しつつ高い耐電圧性を達成することができる。

母相２１を構成するＣｕは、真空バルブ用接点材料に対して、３３重量％以上６３重量％以下含まれることが必要であり、より高い耐電圧性能と遮断性能を得るという観点から、４５重量％以上６０重量％以下含まれることが好ましい。Ｃｕの含有量が３３重量％未満であると、遮断性能が低下し、一方、６３重量％を超えると、耐電圧性能が低下する。母相２１を構成するＮｉは、真空バルブ用接点材料に対して、１重量％以上２１重量％以下含まれることが必要であり、より高濃度の炭素拡散濃化層の形成とより高い遮断性能を得るという観点から、３重量％以上１１重量％以下含まれることが好ましい。Ｎｉの含有量が１重量％未満であると、炭素拡散濃化層の炭素濃度が低下し、一方、２１重量％を超えると、遮断性能が低下する。また、母相２１中に分散されたＣｒ粒子２２は、真空バルブ用接点材料に対して、３５重量％以上６５重量％以下含まれることが必要であり、より高い耐電圧性能と遮断性能を得るという観点から、４０重量％以上５５重量％以下含まれることが好ましい。Ｃｒの含有量が３５重量％未満であると、耐電圧性能が低下し、一方、６５重量％を超えると、遮断性能が低下する。

また、炭素拡散濃化層２４における炭素濃度が０．１重量％未満であると、十分な耐電圧性能が得られず、一方、５．９重量％を超える炭素濃度を達成するにはＮｉを多量に添加する必要があり、それにより遮断性能が低下する。炭素拡散濃化層２４における炭素濃度は、より高い耐電圧性能と遮断性能を得るという観点から、０．１５重量％以上３重量％以下含まれることが好ましい。この炭素拡散濃化層２４は、より優れた耐電圧性能を得る観点から、接点表面から少なくとも１００μｍの深さまで存在することが好ましく、接点表面から３００μｍの深さまで存在することがより好ましい。

本実施の形態による真空バルブ用接点材料の相対密度は、通常、理論密度の９９％以上を達成することができ、Ｃｒの含有量を調整することで理論密度の９９．５％以上も達成可能である。このように、本実施の形態による真空バルブ用接点材料は、相対密度が非常に高いので、内部の残留ガスが極めて少なく、遮断性能にばらつきを生じることがない。なお、相対密度は下式により求められる。
相対密度（％）＝（接点材料の測定密度／組成分析値から求めた接点材料の理論密度）×１００

なお、本実施の形態による真空バルブ用接点材料には、原料粉末に含まれる微量の不可避の不純物（Ａｇ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃ（最大で０．０５重量％程度）、Ｐ、Ｏ、Ｎ、Ｈなど）も含有されている。

上述したような組織構造を有する本実施の形態による真空バルブ用接点材料は、Ｃｒ粉末とＣｕ粉末とＮｉ粉末との混合物を加圧して圧粉体を形成する工程、圧粉体を真空雰囲気中で焼結してスケルトンを形成する工程、及び表面の材質が炭素である敷板の上にスケルトンを載せるとともにスケルトン上にＣｕ板を載せた後、真空雰囲気中で溶浸する工程を経て製造することができる。図３は、本実施の形態による真空バルブ用接点材料の製法において、Ｃｕの溶浸時に接点表面に炭素が拡散していく状況を示す模式図である。図３に示すように、スケルトン２５上に載置されたＣｕ板２６が溶融されてスケルトン２５に浸透して溶浸体が形成される際、炭素２３と反応しやすいＣｕ−Ｎｉ融液が、表面の材質が炭素である敷板２７に接触することで、敷板２７表面の炭素２３がＣｕ−Ｎｉ融液中へ拡散し、接点表面近傍に炭素２３が濃化された層が形成される。また、炭素２３が溶融されたＣｕへ直接拡散するため、ＣｕとＣｒ粒子との濡れ性が低下することがなく、密度が低下することがない。

また、本実施の形態による真空バルブ用接点材料は、上記製造工程において、Ｃｒ粉末とＣｕ粉末とＮｉ粉末との混合物の代わりにＣｒ粉末とＣｕ粉末との混合物を用い、且つＣｕ板の代わりにＣｕ−Ｎｉ合金板を用いることでも製造することができる。後者の製法は、前者の製法と比べて、Ｃｕ−Ｎｉ融液中へ炭素を拡散させやすいという特長がある。

原料粉末混合物から圧粉体を形成する際の圧力は、特に限定されるものではないが、通常、１０ＭＰａ以上１５０ＭＰａ以下である。スケルトンを形成する際の焼結は、通常、１１００℃以上１３００℃以下で０．５時間以上１０時間以下行えばよい。また、Ｃｕの溶浸は、１１００℃以上１３００℃以下で０．５時間以上５時間以下行うのが適当である。

本実施の形態による真空バルブ用接点材料の製造に使用するＣｒ粉末の平均粒径は、特に限定されるものではないが、スケルトン形成という観点から、平均粒径が２０μｍ以上１２５μｍ以下のものを使用することが好ましい。Ｃｕ粉末の平均粒径は、特に限定されるものではないが、微細分散という観点から、平均粒径が１μｍ以上５０μｍ以下のものを使用することが好ましい。また、Ｎｉ粉末の平均粒径は、特に限定されるものではないが、微細分散という観点から、平均粒径が１μｍ以上５０μｍ以下のものを使用することが好ましい。
更に、原料粉末混合物におけるＣｒ粉末、Ｃｕ粉末及びＮｉ粉末の配合量は、得られる真空バルブ用接点材料中のＣｒ含有量、Ｃｕ含有量及びＮｉ含有量が上述した重量割合となるように適宜調整すればよい。

次に、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。なお、実施例１−１、実施例２−１及び実施例３−１〜３−７は、参考例とする。

〔例１〕
Ｃｒ粉末を目空き径４５μｍのふるいに通して、平均粒径２０μｍとし、これに平均粒径１μｍのＣｕ粉末と平均粒径１μｍのＮｉ粉末を所定量添加して撹拌混合した後、内径９０ｍｍの金型内に充填して１００ＭＰａで加圧し、外径９０ｍｍの圧粉体を形成した。得られた圧粉体を真空雰囲気中、１１００℃で２時間の焼結を行って所定の気孔率を有するＣｒを主体とするスケルトンを作製した。得られたＣｒスケルトンをカーボンの敷板上に載せた後、Ｃｒスケルトン上に外径７５ｍｍのＣｕ板を載せ、真空雰囲気中、１１５０℃で１時間の加熱を行い、Ｃｕ板を溶かしてスケルトン内部に浸透させ、表１に示す組成を有する外径９０ｍｍ×板厚１０ｍｍのＣｕ−Ｃｒ−Ｎｉ接点材料を得た（実施例１−１〜１−５及び比較例１−１）。
また、比較のため、Ｎｉ粉末を加えずに同様のプロセスで外径９０ｍｍ×板厚１０ｍｍのＣｕ−Ｃｒ接点材料（比較例１−２）を得た。

作製した接点材料について、接点表面の炭素濃度、接点の密度及び接点の耐電圧性能を評価した。接点表面の炭素濃度測定はＥＤＳ（ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により電子線の加速電圧１５ｋＶ、照射電流１０ｎＡの条件で実施した。密度評価では、板厚方向の中央部から外径８０×板厚５．５ｍｍの円板を切り出してアルキメデス法を用いて密度を測定し、相対密度を求めた。また、耐電圧性能評価では、板厚方向の中央部から外径２０ｍｍ×板厚５．５ｍｍの円板を切り出して真空バルブに組み付けて接点間距離２ｍｍの条件でインパルス電圧を徐々に上げながら破壊電圧を計測し、電圧印加回数の増加に伴う破壊電圧の増大プロファイルを計測して、その飽和値から耐電圧性能を評価した。なお、破壊電圧の計測の前にはＡＣ１００ｋＶの電圧コンディショニングを行った。また、耐電圧性能の評価後に遮断試験を実施した。試験条件は、遮断電流１８ｋＡｒｍｓ、遮断電流位相角３０〜１５０ｄｅｇｒｅｅ、再起電圧２０．６ｋＶｐｅａｋ（０．４ｋＶ／ｓ）とした。評価結果を表１に示す。

表１の実施例１−１〜１−５から分かるように、本発明の接点材料では副成分としてＮｉが含まれているため、接点表面で高い炭素濃度が得られる。これは、Ｃｒスケルトンに溶融Ｃｕが浸透して溶浸体が形成される際、接点の底面では溶融Ｃｕ−Ｎｉ融液が敷板のカーボン板と接触することでカーボン板表面のＣがＣｕ−Ｎｉ融液中へ拡散していくためと考えられる。実施例１−２の接点材料の接点表面から深さ方向の炭素（Ｃ）濃度分布のＥＰＭＡ分析結果を図４に示す。図４から、接点表面から０．５ｍｍ程度の深さまで炭素拡散濃化層が存在していることがわかる。他の実施例でも同様の状態が確認されており、炭素拡散濃化層が接点表面に存在することから、これらの実施例における破壊電圧の飽和値が１５５〜１７５ｋＶの高い値を示し、高い耐電圧性能が得られた。相対密度についても表面にのみ炭素が局在化しているので全体の密度が低下することはなく、いずれも９９％以上の高い値が得られている。ただし、実施例１−５に示すように、２０重量％のＮｉを添加しても接点表面の炭素濃度は実施例１−４の１０重量％に比べてほとんど増加することなく、逆に、過剰なＮｉの影響で遮断試験にて遮断不良が生じ、遮断性能が悪化する結果となった。一方、比較例１−１及び１−２に見られるように、Ｎｉ成分が入っていないもしくはＮｉ成分が０．５重量％と少ない場合は、溶浸時にカーボン板表面から炭素がほとんど溶浸体内部へ拡散することがなく、接点表面の炭素濃度が低くなってしまう。その結果、破壊電圧の飽和値が低く、耐電圧性能が低いものとなった。

以上から本実施例では、表面に炭素拡散濃化層を有する高密度な接点材料が得られるため、耐電圧性能に優れた接点材料を得ることができる。

〔例２〕
Ｃｒ粉末を目空き径１２５μｍと４５μｍのふるいに通して、平均粒径７５μｍとし、これに平均粒径１０μｍのＣｕ粉末を所定量添加して撹拌混合した後、内径９０ｍｍの金型内に充填して１００ＭＰａで加圧し、外径９０ｍｍの圧粉体を形成した。得られた圧粉体を真空雰囲気中、１１００℃で２時間の焼結を行って所定の気孔率を有するＣｒを主体とするスケルトンを作製した。得られたＣｒスケルトンをカーボンの敷板上に載せた後、Ｃｒスケルトン上に所定量のＮｉを含む外径７５ｍｍのＣｕ−Ｎｉ合金板を載せ、真空雰囲気中、１１５０℃で１時間の加熱を行い、Ｃｕ−Ｎｉ合金板を溶かしてスケルトン内部に浸透させ、表２に示す組成を有する外径９０ｍｍ×板厚１０ｍｍのＣｕ−Ｃｒ−Ｎｉ接点材料（実施例２−１〜２−５）を得た。

作製した接点材料について、接点表面の炭素濃度、接点の密度及び接点の耐電圧性能を評価した。接点表面の炭素濃度測定はＥＤＳ（ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により電子線の加速電圧１５ｋＶ、照射電流１０ｎＡの条件で実施した。密度評価では、板厚方向の中央部から外径８０×板厚５．５ｍｍの円板を切り出してアルキメデス法を用いて密度を測定し、相対密度を求めた。また、耐電圧性能評価では、板厚方向の中央部から外径２０ｍｍ×板厚５．５ｍｍの円板を切り出して真空バルブに組み付けて接点間距離２ｍｍの条件でインパルス電圧を徐々に上げながら破壊電圧を計測し、電圧印加回数の増加に伴う破壊電圧の増大プロファイルを計測して、その飽和値から耐電圧性能を評価した。なお、破壊電圧の計測の前にはＡＣ１００ｋＶの電圧コンディショニングを行った。また、耐電圧性能の評価後に遮断試験を実施した。試験条件は、遮断電流１８ｋＡｒｍｓ、遮断電流位相角３０〜１５０ｄｅｇｒｅｅ、再起電圧２０．６ｋＶｐｅａｋ（０．４ｋＶ／ｓ）とした。評価結果を表２に示す。

表２の実施例２−１〜２−５から分かるように、本発明の接点材料では副成分としてＮｉが含まれているため、接点表面で高い炭素濃度が得られる。これは、Ｃｒスケルトンに溶融Ｃｕが浸透して溶浸体が形成される際、接点の底面では溶融Ｃｕ−Ｎｉ融液が敷板のカーボン板と接触することでカーボン板表面の炭素がＣｕ−Ｎｉ融液中へ拡散していくためと考えられる。これらの実施例における破壊電圧の飽和値は１５８〜１７５ｋＶの高い値を示し、高い耐電圧性能が得られた。相対密度についても表面にのみ炭素が局在化しているので全体の密度が低下することはなく、いずれも９９％以上の高い値が得られている。ただし、実施例２−５に示すように２１重量％のＮｉを添加しても接点表面の炭素濃度は実施例２−４の１１重量％に比べてほとんど増加することなく、逆に、過剰なＮｉの影響で遮断試験にて遮断不良が生じ、遮断性能が悪化する結果となった。

〔例３〕
Ｃｒ粉末を目空き径１８０μｍと７５μｍのふるいに通して、平均粒径１２５μｍとし、これに平均粒径５０μｍのＣｕ粉末と平均粒径５０μｍのＮｉ粉末を所定量添加して撹拌混合した後、内径９０ｍｍの金型内に充填して１００ＭＰａで加圧し、外径９０ｍｍの圧粉体を形成した。得られた圧粉体を真空雰囲気中、１１００℃で２時間の焼結を行って所定の気孔率を有するＣｒを主体とするスケルトンを作製した。得られたＣｒスケルトンをカーボンの敷板上に載せた後、Ｃｒスケルトン上に外径７５ｍｍのＣｕ板を載せ、真空雰囲気中、１１５０℃で１時間の加熱を行い、該Ｃｕ板を溶かして該スケルトン内部に浸透させ、表３に示す組成を有する外径９０ｍｍ×板厚１０ｍｍのＣｕ−Ｃｒ−Ｎｉ接点材料（実施例３−１〜３−７及び比較例３−１）を得た。

作製した接点材料について、接点表面の炭素濃度、接点の密度及び接点の耐電圧性能を評価した。接点表面の炭素濃度測定はＥＤＳ（ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により電子線の加速電圧１５ｋＶ、照射電流１０ｎＡの条件で実施した。密度評価では、板厚方向の中央部から外径８０×板厚５．５ｍｍの円板を切り出してアルキメデス法を用いて密度を測定し、相対密度を求めた。また、耐電圧性能評価では、板厚方向の中央部から外径２０ｍｍ×板厚５．５ｍｍの円板を切り出して真空バルブに組み付けて接点間距離２ｍｍの条件でインパルス電圧を徐々に上げながら破壊電圧を計測し、電圧印加回数の増加に伴う破壊電圧の増大プロファイルを計測して、その飽和値から耐電圧性能を評価した。なお、破壊電圧の計測の前にはＡＣ１００ｋＶの電圧コンディショニングを行った。評価結果を表３に示す。

表３の実施例３−１〜３−７から分かるように、接点材料中のＣｒ組成が３５〜６５重量％では、９９％以上の相対密度が得られた。一方、比較例３−１に見られるように、Ｃｒ組成が３０重量％になると、接点内部にポアが発生し、９９％以上の高い密度が得られなくなった。耐電圧性能については、表３の破壊電圧の飽和値に示すように、実施例３−１〜３−７で１５４〜１７１ｋＶの高い値を示し、密度が向上するにつれて耐電圧性能が向上する傾向が見られた。相対密度はＣｒ組成の増加に伴って上昇していることから、Ｃｒ含有量の増加によりＣｒスケルトンの気孔サイズが減少し、溶浸時の溶融Ｃｕの毛細管作用が強くなって溶浸性が向上していることが推測され、これにより内部の欠陥が減少して破壊電圧が向上したことが考えられる。一方、密度の低い比較例３−１では破壊電圧は１２０ｋＶと低い値であった。

以上から本実施例では、Ｃｒ組成が３５〜６５重量％の範囲において内部にポアのほとんどなく、表面に炭素拡散濃化層を有する接点材料が得られるため、耐電圧性能に優れた接点材料を得ることができる。

１真空バルブ、２遮断室、３絶縁容器、４ａ、４ｂ封止金具、５ａ、５ｂ金属蓋、６固定電極棒、７可動電極棒、８固定電極、９可動電極、１０固定接点、１１可動接点、１２ベローズ、１３ベローズ用アークシールド、１４絶縁容器用アークシールド、２１Ｃｕ及びＮｉからなる母相、２２Ｃｒ粒子、２３炭素、２４炭素拡散濃化層、２５スケルトン、２６Ｃｕ板、２７表面の材質が炭素である敷板。

Claims

３３重量％以上６３重量％以下のＣｕ及び３重量％以上２１重量％以下のＮｉからなる母相中に３５重量％以上６５重量％以下のＣｒ粒子が分散し、且つ炭素濃度が０．１重量％以上５．９重量％以下である炭素拡散濃化層を接点表面に有することを特徴とする真空バルブ用接点材料。
前記炭素拡散濃化層は、接点表面から少なくとも１００μｍの深さまで存在す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。
相対密度が理論密度の９９％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空バルブ用接点材料。