(57)【要約】      （修正有）【課題】耐アーク成分として適正な耐火性金属を用い、緻密化が可能な高い焼結性を維持しながら、低強度化による溶着引離し力の低減が可能で、気中での優れた摺動性を有する電気接点を提供する。【解決手段】電気接点１は、耐火性金属と高導電性金属と易酸化性金属を含み、前記耐火性金属がＣ，Ｍｏ，Ｗのいずれか１種であり、前記高導電性金属がＣｕであり、前記易酸化性金属は、Ｃｏ，Ｂｅ，Ｆｅ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｂ，Ｖ及びＮｂから選ばれる少なくとも１種である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐火性金属と高導電性金属と易酸化性金属を含み、前記耐火性金属がＣ，Ｍｏ，Ｗのいずれか１種であり、前記高導電性金属がＣｕであり、前記易酸化性金属はその酸化物生成自由エネルギーが前記耐火性金属および前記高導電性金属の酸化物生成自由エネルギーよりも低い元素であることを特徴とする電気接点。
【請求項２】
耐火性金属と高導電性金属と易酸化性金属を含み、前記耐火性金属がＣ，Ｍｏ，Ｗのいずれか１種であり、前記高導電性金属がＣｕであり、前記易酸化性金属はその酸化物の結晶構造が六方晶である元素であることを特徴とする電気接点。
【請求項３】
前記易酸化性金属は、Ｃｏ，Ｂｅ，Ｆｅ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｂ，Ｖ及びＮｂから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気接点。
【請求項４】
前記耐火性金属の含有量は１〜６０体積％、前記易酸化性金属の含有量は０.３〜６体積％であることを特徴とする請求項１〜３に記載の電気接点。
【請求項５】
請求項１〜４に記載の電気接点を向かい合わせに突き合わせて一対としてなる電力開閉器であって、突き合わせ接触の開閉によって、気中において電流を通電および遮断することを特徴とする電力開閉器。
【請求項６】
請求項５において、さらに、真空中で電流を通電および遮断する開閉機構を備えたことを特徴とする電力開閉器。
【請求項７】
請求項１〜４に記載の前記耐火性金属，高導電性金属，易酸化性金属それぞれの粉末を混合した後、加圧して相対密度６５％以上の成形体とし、前記成形体をＣｕの融点以下の温度に加熱して焼結することを特徴とする電気接点の製造方法。
【請求項８】
前記焼結した後に、大気中あるいは酸化性雰囲気中において、２００℃以上に加熱することを特徴とする請求項７に記載の電気接点の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気中において摺動接触し、電流を通電・遮断する電気接点と、それを用いた電力開閉器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力受配電系統の保護機器である各種遮断器や開閉器において、その電流開閉部は多くの場合、絶縁性やアークの拡散消滅性に優れ、電流遮断に有利な真空中に設けられる。そのため、真空雰囲気を維持するための真空容器などが必要で、構造や製造工程が複雑となる。
【０００３】
しかし、これらの機器には小型・軽量化，低価格化などが求められ、構造の簡素化が必要であり、雰囲気維持容器が不要で構造が単純な大気中での電流開閉が望まれる。また、機器の小型化には電気接点の開閉動作を行う操作機構部を小型化することが有効で、そのためには電気接点同士がジュール熱によって溶着した際の引離し力を小さくすることが必要である。さらに、電気接点間の接触には少なからず摺動（摩擦）が伴うので、電気接点は耐摩耗性に優れ、摺動による損耗が少ないことが望ましい。したがって電気接点には、気中において支障なく通電・遮断でき、溶着引離し力が小さく、耐摩耗性に優れることなどが求められる。
【０００４】
特許文献１には、緻密で電気的性能および摺動性に優れた気中電気接点が開示されている。これは、Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏ系の焼結体にＣｕを溶融含浸して緻密化することにより、通電性などの電気的性能を向上させるとともに、ＢＮ等の摺動性向上成分を添加して気中摺動性の改善を図ったものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１１１３１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電流開閉機器の接点材料は、一般に、耐火性金属と高導電性金属を含む複合材料からなる。ここで耐火性金属とは、耐アーク性や耐電圧性能を付与するための成分で、融点１８００℃以上の比較的高融点の金属である。また、高導電性金属とは、通電性を有するための成分で、室温での比抵抗が３μΩ・cm以下のＣｕに代表される良導体金属である。これらの成分を含む接点材料は、良好な通電性を維持するために欠陥なく健全な緻密体であることが必要である一方で、通電ジュール熱によって互いに溶着した際に容易に引離せることが求められ、そのためには低強度であることが望ましい。
【０００７】
さらに、気中での良好な摺動性や耐摩耗性の要求に対し、ＢＮ等の摺動性向上成分を添加した特許文献１の接点材料は、ＢＮ等の化合物を含むことにより焼結性が低下し、低コストの焼結製法のみでは緻密化が困難である。そのため、焼結後にＣｕを溶融含浸するが、これは製造コストの増大につながる。
【０００８】
本発明の目的は、耐アーク成分として適正な耐火性金属を用い、緻密化が可能な高い焼結性を維持しながら低強度化による溶着引離し力の低減が可能で、気中での優れた摺動性を有する電気接点を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電気接点は、耐火性金属と高導電性金属と易酸化性金属を含み、前記耐火性金属がＣ，Ｍｏ，Ｗのいずれか１種であり、前記高導電性金属がＣｕであり、前記易酸化性金属はその酸化物生成自由エネルギーが前記耐火性金属および前記高導電性金属の酸化物生成自由エネルギーよりも低い元素であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の電気接点は、耐火性金属と高導電性金属と易酸化性金属を含み、前記耐火性金属がＣ，Ｍｏ，Ｗのいずれか１種であり、前記高導電性金属がＣｕであり、前記易酸化性金属はその酸化物の結晶構造が六方晶である元素であることを特徴とする。
【００１１】
前記易酸化性金属は、Ｃｏ，Ｂｅ，Ｆｅ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｂ，Ｖ及びＮｂから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、耐アーク成分として適正な耐火性金属を用い、緻密化が可能な高い焼結性を維持しながら低強度化による溶着引離し力の低減が可能で、気中での優れた摺動性を有する電気接点を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第２実施例に関わる接点ロッドの構成を示す断面図。
【図２】本発明の第４実施例に関わる気中電流開閉部の構造を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明者らは、気中における優れた耐摩耗性（摺動性）の付与には、接点の摺動面の摩耗形態を「酸化摩耗」とすることが有効であるとの知見を得た。すなわち、気中摺動時の接点表面において、摩擦熱による温度上昇に伴う酸化層形成量が多いほど摩耗量（損耗量）は少なくなり、これは摩擦によって表面の酸化層のみが除去される「酸化摩耗」形態となるためである。反対に、接点表面の酸化層形成量が少ないと、摺動面での相手材との接触が直接的で、接点あるいは相手材の凝着や剥離，脱落等が生じやすく、これらにより摩耗形態は「凝着摩耗」や「アブレシブ摩耗」となり摩耗量が大きくなる。したがって、気中摺動時の接点表面は、摩擦熱による酸化層の形成が容易であることが望ましい。
【００１５】
また、電気接点材料の緻密化と低強度化の両立には、耐火性金属粒子と高導電性金属マトリックスの界面に物理的乖離を生じさせることが有効で、この界面乖離が生ずる耐火性金属と高導電性金属の組み合わせが、低強度化およびそれに伴う溶着引離し力の低減を可能にすることを見出した。
【００１６】
これらの知見を基に、本発明の電気接点は耐火性金属と高導電性金属と易酸化性金属を含み、耐火性金属はＣ，Ｍｏ，Ｗのいずれか１種、高導電性金属はＣｕ、易酸化性金属はその酸化物生成自由エネルギーが耐火性金属および高導電性金属の酸化物生成自由エネルギーよりも低い元素である。易酸化性金属の酸化物生成自由エネルギーが、耐火性金属および高導電性金属の酸化物生成自由エネルギーよりも低いことにより、摺動時の摩擦熱により接点表面に酸化層が容易に生成して摩耗形態が酸化摩耗となり、摩耗量を抑制することができる。また、Ｃ，Ｍｏ，ＷはいずれもＣｕとの反応や固溶がないため、耐火性金属がＣ，Ｍｏ，Ｗのいずれか１種で、高導電性金属がＣｕからなることにより、両者間における界面乖離が比較的容易に生じて界面強度が低下し、接点が溶着した際の引離し力を低減できる。
【００１７】
さらに、本発明の電気接点における易酸化性金属は、その酸化物の結晶構造が六方晶である元素である。酸化物の結晶構造が六方晶であると、結晶の六角平面層の層間せん断による自己潤滑効果により、接点表面の摩擦抵抗を軽減でき、摺動性が向上する。
【００１８】
本発明の電気接点における上記のいずれかの条件を満たす易酸化性金属はＣｏ，Ｂｅ，Ｆｅ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｂ，Ｖ，Ｎｂである。これらの１種または２種以上を易酸化性金属として用いることにより、摺動時の接点表面において摩擦熱による酸化層が容易に生成し、あるいは、六方晶の結晶構造をもつ酸化層が接点表面に生成し、上記の摩耗量低減や摺動性向上などの効果を発現できる。
【００１９】
本発明の電気接点において、耐火性金属の含有量は１〜６０体積％である。耐火性金属の含有量がこの範囲より少ないと、耐火性金属粒子と高導電性金属マトリックスとの界面乖離による低強度化効果が十分でなく、溶着引離し力の効果が不足し、この範囲より多いと、緻密化不十分や電気抵抗増大などによって耐溶着性や通電性能が低下する。なお、耐火性金属のＣ，Ｍｏ，Ｗはそれぞれ比重が異なるため、望ましい耐火性金属の含有量は元素によって異なり、Ｃは１.０〜４.０体積％、Ｍｏは８.０〜３２.０体積％、Ｗは１５.３〜６０.０体積％であることが好ましい。
【００２０】
また、本発明の電気接点において、易酸化性金属の含有量は０.３〜６体積％である。易酸化性金属の含有量がこの範囲より少ないと、接点表面の酸化層形成が不十分で摺動性の向上効果が得られず、この範囲より多いと、電気抵抗が大きな表面酸化層の厚さが過大となり、通電性能に支障をきたす。
【００２１】
本発明の電気接点の製造方法は、耐火性金属，高導電性金属，易酸化性金属それぞれの粉末を混合後、加圧して相対密度６５％以上の成形体とし、この成形体をＣｕの融点（１０８３℃）以下の温度に加熱して焼結するものである。この方法により、耐火性金属と高導電性金属および易酸化性金属が均一に混合した組織が得られ、耐火性金属と高導電性金属との界面に空隙を形成した乖離状態を得ることができ、溶着後の引離し力を大幅に低減することが可能となる。この界面における空隙は、焼結過程における冷却時に耐火性金属と高導電性金属との熱膨張差から生ずる収縮差によるものと考えられる。
【００２２】
すなわち、上記の耐火性金属に比べてＣｕの熱膨張率が大きいため、冷却時にはＣｕが大きく収縮し、界面近傍のＣｕマトリックスには引張応力が生ずる。この状態で断面観察のために切断すると、応力が開放されて界面で乖離し、空隙が形成される。引張応力を印加した場合も同様に、破断によりＣｕマトリックスの応力が開放され、クラックが乖離した界面を進展し、空隙となる。このように、焼結過程において界面近傍のＣｕマトリックスに引張残留応力を生じさせることが有効で、そのための焼結過程における冷却速度は６〜３５℃／分とすることが望ましい。
【００２３】
また、上記の製法により、易酸化性金属が接点材料中に均一に存在するため、気中摺動の際に表面に酸化層を容易に形成することができ、前述の摺動性向上効果を効率よく発揮する。なお、この製法では、電気接点の最終形状を有する金型を用いることにより、ニアネット形状の成形体を得ることが可能で、焼結後の機械加工が不要となり、低コストで製造できる。
【００２４】
また、本発明の電気接点の製造方法は、焼結後に大気中あるいは酸化性雰囲気中において、２００℃以上の温度に加熱するものである。これにより、電気接点表面に酸化層が形成し、摺動初期における耐摩耗性を向上させることができる。加熱温度がこの温度よりも低いと、接点表面における酸化層形成量が不足し、十分な耐摩耗性向上効果が得られない。加熱温度がこの温度よりも高いと、酸化層が厚くなり、酸化層の亀裂や剥離が生じ易く、同様に十分な効果が得られない。
【００２５】
本発明に関わる電力開閉器は、本発明の電気接点を向かい合わせに突き合わせて一対として用い、その突き合わせ接触の開閉によって、気中において電流を通電および遮断する機能を有するものである。また、電流の通電・遮断は、本発明の電気接点と相手側導体部材との摺動を伴う、嵌め合わせ接触によっても可能である。これにより、優れた遮断性能や通電性能を有し、電気接点同士が溶着した際の引離し力が小さく、摺動接触部の耐摩耗性に優れ、小型で低価格の電力開閉機器が得られる。
【００２６】
なお、真空中で電流を通電および遮断する開閉機構を併せ持つことによって、事故電流等の大電流を真空中で、回路切換え時の小電流を気中で開閉し、電流容量によって開閉機構を使い分けることにより、高信頼性で低コストの電力開閉器が得られる。
【００２７】
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２８】
表１に示す組成の電気接点材料を作製し、電気的特性および気中摺動における摩耗率を測定した。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
電気接点材料の製造方法は、次のとおりである。
【００３１】
まず、原料は、高導電性金属が粒径６０μｍ以下のＣｕ粉末、耐火性金属がいずれも粒径６３μｍ以下のＭｏおよびＷ粉末、易酸化性金属がいずれも粒径５μｍのＮｂ，ＺｒおよびＦｅ粉末である。これらの原料粉末を表１の組成となるような配合比で、Ｖ型混合器により混合した。
【００３２】
次に、この混合粉末を、円盤形状の金型に充填し、油圧プレスにより２９４ＭＰａの圧力で加圧成形した。成形体の密度は、およそ７２％であった。これを約１０-2Ｐａの真空中で、１０６０℃×２時間加熱した後、約１３℃／分で冷却して電気接点材料を作製した。この際、比較材として表１に示すように、Ｃｕ粉末のみを用いた接点材料および易酸化性金属を含まない接点材料も同様の方法で作製した。なお、本実施例では真空中で焼結したが、焼結雰囲気は非酸化性の還元雰囲気や不活性ガス雰囲気でもよい。
【００３３】
得られた接点材料の電気的特性として、渦電流式導電率測定器を用いて導電率（通電性）を測定した結果を表１に併せて示す。
【００３４】
導電率は、Ｃｕのみからなる電気接点（Ｎo.１１）を基準とした相対値で示した。本発明に関わるＮo.１〜Ｎo.１０の電気接点は、いずれも導電率が０.６以上で、気中接点として適用し得る良好な通電性能を維持できている。比較例のＮo.1２〜１４でも比較的高い導電率を示すが、易酸化性金属の含有量が６体積％を超えると（Ｎo.１５）、導電率は０.６以下に低下する。
【００３５】
また、気中における摩耗率を、松原式摩耗試験法により測定した。摺動相手材は、一般的な通電部材である無酸素銅とした。摩耗試験片は固定片（１０×１０×３６mm）を得られた接点材料で、可動片（外径２５.６／内径２０×長さ１５mmのリング状）を無酸素銅で作製し、接点材料からなる固定片を大気中で２００℃×３０分間加熱した後、両者を荷重９８Ｎで接触させながら可動片を２００mm／秒で回転させ、摺動後の固定片（接点材料）の損耗体積を摺動距離で除して摩耗率を求めた。その結果を表１に示す。Ｃｕのみからなる電気接点（Ｎo.１１）は、試験開始後、わずかな摺動距離で試験片間の凝着が生じ、摩耗率は測定できなかった。易酸化性金属を含まない場合には、耐火性金属にＷ（Ｎo.１３）よりもＭｏ（Ｎo.１２）を用いたほうが摩耗率は大きくなる傾向である。
【００３６】
これらに対し、本発明に関わる電気接点は、耐火性金属がＭｏ（Ｎo.１〜５）およびＷ（Ｎo.６〜１０）いずれの場合にも摩耗率は小さくなり、易酸化性金属を含むことによって耐摩耗性が向上することが確認された。これは、接点材料が易酸化性金属を含むことで、摩擦熱によって脆性で高融点の表面酸化層が容易に生成し、相手材との凝着が生ずることなく酸化層のみが除去される酸化摩耗形態となるためである。この易酸化性金属はＮｂ，Ｚｒ，Ｆｅいずれでもよく（Ｎo.２〜４）、これ以外のＣｏ，Ｂｅ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｂ，Ｖ、あるいはこれらの２種以上でも同様の効果が得られる。また、易酸化性金属の含有量は０.３〜６体積％がよく（Ｎo.７〜９）、これよりも少ないと摩耗率抑制の効果が小さく（Ｎo.１４）、これよりも多いと摩耗率は小さくなるものの、前述のように導電率が不足する（Ｎo.１５）。
【００３７】
このように、本発明に関わる電気接点は、気中における接点として優れた電気的特性および耐摩耗性を有することが確認された。
【実施例２】
【００３８】
実施例１で作製した電気接点材料を用いて、通電ロッドと組み合わせた図１に示す接点ロッドを作製した。
【００３９】
図１において、１は電気接点、２は通電ロッドで、これらの組み合わせあるいは電気接点１のみで接点ロッド１００が構成される。接点ロッド１００の作製方法は次の通りである。
【００４０】
図１のａ）の場合、実施例１の方法で作製し、所望寸法に加工した電気接点１と、あらかじめ機械加工により作製した無酸素銅からなる通電ロッド２の間にろう材を載置し、これを８.２×１０-4Ｐａ以下の真空中で９７０℃×１０分間加熱して、両者を金相学的に一体化した。
【００４１】
図１のｂ）は、相手側通電部材との接触部にのみ電気接点１を設けた構造である。この場合、リング状に加工した電気接点１をａ）と同様にろう付けによって通電ロッド２と一体化することができるが、原料粉末をリング状に成形し、これと通電ロッド２を嵌め合わせた状態で加熱焼結することにより、電気接点１の焼結収縮を利用した焼き嵌めが可能で、ろう材を用いることなく両者を一体化できる。
【００４２】
図１のｃ）は、接点ロッド１００全体を電気接点１で構成した場合であるが、通電性やコストを考慮すると、接触部にのみ電気接点１を設けるａ）またはｂ）の構造が望ましい。いずれの場合にも、電気接点１を最終形状に成形し、焼結することで、機械加工などの後加工が不要で低コストの製作が可能となる。
【実施例３】
【００４３】
実施例１で作製した電気接点材料から、直径２０×厚さ２０mmの電気接点を機械加工により採取し、気中（大気中）における突き合わせ接触状態で通電した後の引離し力を測定した。測定には採取した電気接点１を通電ロッド２の先端にろう付けした接点ロッド１００（図１のａ）を用い、これを大気中で２００℃×３０分間加熱した後、一対の接点ロッド１００を突き合わせ接触・開離できる簡易的装置により、投入電圧×投入電流５０（ｋＶ・ｋＡ）を通電後、接点同士を引離すのに要する力（引離し力）を測定した。その結果を表１に併せて示す。
【００４４】
ここで、引離し力は、Ｃｕのみからなる電気接点（Ｎo.１１）を基準とした相対値で示した。易酸化性金属を含まない場合には、耐火性金属にＷ（Ｎo.１３）よりもＭｏ（Ｎo.１２）を用いたほうが引離し力は小さくなる。これらのＮo.１３，Ｎo.１２に対して、耐火性金属のＭｏ（Ｎo.２〜４）およびＷ（Ｎo.７〜９）の含有量がそれぞれ同じ場合はいずれも摩耗率はより小さくなる。これは、易酸化性金属を含むことによって表面酸化層が生成しやすくなり、溶着が生じにくくなったためと考えられる。
【００４５】
また、この効果は易酸化性金属の含有量が０.３〜６体積％の場合に発現され（Ｎo.７〜９）、これよりも少ないと引離し力低減の効果がなく（Ｎo.１４）、これよりも多いと導電率の低下および酸化層の生成過多により接触抵抗が増大し、引離し力はわずかながら増加する（Ｎo.１５）。この易酸化性金属はＮｂ，Ｚｒ，Ｆｅいずれでもよく（Ｎo.２〜４）、これ以外のＣｏ，Ｂｅ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｂ，Ｖ、あるいはこれらの２種以上でも同様の効果が得られる。なお、耐火性金属がＭｏ（Ｎo.１，Ｎo.５）およびＷ（Ｎo.６，Ｎo.１０）いずれの場合にも、硬質・高融点の耐火性金属が少ないほどＣｕマトリックスを介した溶着が生じ易く、引離し力は大きくなるが、実用上は支障のない範囲である。
【００４６】
以上のように、本発明に関わる電気接点は、気中における接点として優れた耐溶着性を有することが確認された。
【実施例４】
【００４７】
実施例２で作製した接点ロッドを用い、気中で電流を通電・遮断する図２の電流開閉部を作製した。
【００４８】
図２において１は電気接点、２は通電ロッドで、これらで構成される接点ロッド１００は、電気接点１を通電ロッド２の両端にろう付けしたもので、それを大気中で２００℃×３０分間加熱したものである。３は投入電極、４は断路電極、５は接地電極でいずれも無酸素銅製であり、電気接点１と良好な接触状態が得られる内径を有する。また、接地電極５はアースに接続されている。
【００４９】
これらの投入電極３，断路電極４，接地電極５はセラミック製の絶縁筒６により電気的に絶縁された状態で接続されている。７は主回路導体で、一方は投入電極３および断路電極４に接続され、もう一方は電力開閉器本体へ接続されるものである。９は操作ロッドで、８の電気絶縁性の絶縁接続継手により接点ロッド１００の一端に接続され、もう一方を別に設ける操作機構によって動作させ、接点ロッド１００を駆動するものである。投入電極３，断路電極４および絶縁筒６で囲まれた空間は、粉じん等が侵入しない程度の半密閉空間１０で、雰囲気は大気である。以上により、気中電流開閉部２００が構成される。なお、投入電極３，断路電極４，接地電極５それぞれの内径側には、電気接点１との良好な接触状態を得るためにばね状の接触子（図示無し）を設けてもよい。
【００５０】
図２のａ）の状態では、投入電極３と断路電極４の間が接点ロッド１００で電気的に接続された状態であり、主回路導体７を介して電力開閉器本体へ電流が流れる状態にあり、電力開閉器本体における開閉動作によって投入状態あるいは切状態とすることができる。ｂ）の状態では、断路電極４と接地電極５の間が接点ロッド１００で接続された状態であり、電力開閉器本体における開閉動作によって断路状態あるいは接地状態とすることができる。接点ロッド１００の操作によるこれらの電流切換えは、気中において投入電極３，断路電極４および接地電極５との摺動を伴いながら行われるが、本発明に関わる電気接点１を用いれば、摺動部の耐摩耗性に優れ、溶着を生ずることなく切換えが可能となる。
【符号の説明】
【００５１】
１  電気接点
２  通電ロッド
３  投入電極
４  断路電極
５  接地電極
６  絶縁筒
７  主回路導体
８  絶縁接続継手
９  操作ロッド
１０  反密閉空間
１００  接点ロッド
２００  気中電流開閉部
【図１】
2011171023.tif 000004
【図２】
2011171023.tif 000005