(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｎおよびＩｎを合計で３〜１４質量％含み、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｂｉ、ＣｏおよびＦｅの群から選ばれた少なくとも１種を合計で１〜４質量％含み、残部がＡｇと不可避不純物からなる内部酸化性合金の片面に形成された内部酸化層と、前記内部酸化層に隣接した反対側の面に形成された未酸化層とよりなることを特徴とする電気接点。
【請求項２】
請求項１において、未酸化層が電気接点全体の断面比率で５０％以下であることを特徴とする電気接点。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の電気接点の未酸化層を接触子の台材に接合することによって構成したことを特徴とする開閉機器用接触子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブレーカやマグネットスイッチ等の開閉機器に用いることができる電気接点およびこの電気接点を用いた接触子に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネットスイッチ等の開閉機器において、機器の長寿命化を実現するためには、繰り返し電流遮断時におけるアークに対する電気接点自体の耐消耗性能を向上させ、長寿命化させることが一番の近道であり、電気接点自体の耐消耗性能の向上に関する様々な研究開発が行われている。
【０００３】
その中でも、Ａｇ−ＳｎＯ2−Ｉｎ2Ｏ3系のＡｇ酸化物系電気接点においては、マグネットスイッチやリレー等のように開閉による電流遮断頻度が高く、その使用条件から長寿命化が強く求められる場合、電気接点と接触子の台材の接合方法と、その接合状態の良否が電気接点自体の寿命に大きな影響を与えることが知られている。
【０００４】
このようなＡｇ酸化物系電気接点と台材との接合方法としては、電気接点材料の片面に純Ａｇの層を形成した電気接点とし、この純Ａｇ層と台材とを接合する方法が一般的に用いられている（例えば、特許文献１および特許文献２）。これは、電気接点材料を接触子の台材へ直接的に接合すると、電気接点材料自体が隣接する部材と溶着しにくいように作られているため、台材との接合界面において機械的強度が得られないためである。
【０００５】
また、電気接点を台材と接合する際、その接合状態が電気接点の使用時の寿命にも大きく関与することが知られている。接合状態が悪いと、繰り返し電流遮断時におけるアーク熱を電気接点から台材や接触子へ逃がすことが不十分となり、接点面の温度上昇を招くことによって開閉時の耐消耗性が低下し、電気接点の耐久性に悪影響を及ぼす。また、台材との接合強度が不足することによる電気接点の脱落を招く危険性もある。このように、接合の良し悪しが電気接点における寿命の長短や安全面での信頼性にもつながることから、最適な接合強度の管理が求められてきた。
【０００６】
さらに近年、マグネットスイッチやリレー等の開閉機器においては、機器の小型化が進むとともに、電気接点の形状自体を小さく設計する傾向にあり、電気接点の使用環境がより過酷となっている。このような現状から、Ａｇ−ＳｎＯ2−Ｉｎ2Ｏ3系のＡｇ酸化物系電気接点に対しては、従来以上の耐消耗性能の向上による長寿命化が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２４１５９６号公報
【特許文献２】特開２００８−１５２９７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
Ａｇ−ＳｎＯ2−Ｉｎ2Ｏ3系のＡｇ酸化物系電気接点材料は、Ａｇ−Ｓｎ−Ｉｎ系の内部酸化性合金に内部酸化処理を施すことで、耐消耗性能や耐溶着性能を担うＳｎＯ2やＩｎ2Ｏ3等の酸化物もしくは複合酸化物がＡｇマトリックス中に分散した内部酸化組織を有する電気接点材料となる。この電気接点材料の中央内部を微視的に観察してみると、内部酸化処理の終期において、材料中央部に酸化物が希薄で純Ａｇに近い層（酸化物希薄層）が形成された内部酸化組織となっている。しかし、開閉機器の実用において、繰り返し電流遮断時におけるアークによって電気接点材料が消耗し、酸化物希薄層が接点最表面に露出すると、耐溶着性能や耐消耗性能が一時的に低下して不安定となり、安全面での問題が全く無いとは言えない。
【０００９】
さらに近年、省Ａｇ化による材料価格低減と耐消耗性の向上の観点から、Ａｇ酸化物系電気接点材料中のＡｇ量を減らす代わりに酸化物量を増やす傾向にあるが、一方で酸化物量が増加すると内部酸化前後における体積の膨張率の差が大きくなり、内部酸化前後で電気接点材料の形状が崩れる傾向が強くなっている。これは、片面に純Ａｇ層を形成した内部酸化性合金に内部酸化処理を行った場合においても、同様の傾向にある。この傾向によって、電気接点を台材とろう付け接合する際に、電気接点の接合面における平坦度が不安定となる為、電気接点を接触子へ完全な水平に固定することが困難になりつつある。接合方法としては、ろう付けの他にも炉中拡散なども用いられる。しかし、この手法においても、不活性雰囲気下の熱処理炉中で電気接点と台材との接合面の固相拡散を用いて接合される為、さらに精密で平坦な接合面が要求される。電気接点が接触子へ水平に固定されていないと、開閉機器使用時のアークによる消耗形態に偏りが生じる為、電気接点が均一に消耗せず、結果として電気接点の寿命が短命となる問題がある。
【００１０】
一方、片面に純Ａｇ層を形成した電気接点において、開閉器機器における開閉回数を重ねていくと、電気接点材料と純Ａｇ層との接合界面が剥離の起点となる場合がある。剥離が生じた場合、電気接点材料が脱落する危険性があるのは無論のこと、アーク熱を台材や接触子へ逃がすことが不十分となり、接点面の温度上昇を招いて開閉時の耐消耗性が低下し、電気接点の消耗の増加（以下、剥離消耗という）につながってしまう問題もある。
【００１１】
そこで本発明は、酸化物希薄層が無く、接合面が平坦であり、かつ剥離消耗を低減させることによって伴う、従来以上の耐消耗性能向上による長寿命化を可能とし、且つ安価な電気接点とこれを用いた接触子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】
【００１２】
本発明による電気接点の構造は、特殊な内部酸化処理を行うことで作製可能となる。従来の内部酸化処理は、高温高酸素分圧下においてＡｇ―Ｓｎ−Ｉｎ系の内部酸化性合金中に含有された溶質元素であるＳｎやＩｎ等が、内部酸化性合金の表層からＡｇ中に浸透して吸蔵される酸素と結びつくことにより、Ａｇマトリックス中にＳｎＯ2やＩｎ2Ｏ3等の酸化物として析出するという過程をとる。このとき、溶質元素であるＳｎやＩｎ等は、内部酸化性合金の内部から外側の表層へと向かって拡散する現象が生じる。
【００１３】
この溶質元素が拡散する現象は、内部酸化性合金の表面から内部に向かって析出した酸化物で形成された内部酸化組織を有する内部酸化層と、時間経過により酸化物の析出が起きていない未酸化層との間で溶質元素の濃度に差が生じ、この濃度勾配を埋めるために、未酸化層から表層へ溶質元素が拡散する現象である。このため、内部酸化処理の終期においては、材料中央部では拡散する溶質元素が不足する為、酸化物が希薄な酸化物希薄層が形成される。
【００１４】
そこで本発明は、この内部酸化処理において、同一組成の内部酸化性合金の片面のみに内部酸化層を形成し、内部酸化性合金のもう一方の面からは酸素の浸透を阻害することで、その阻害面の直下に未酸化層を形成することを特徴とする。
【００１５】
すなわち、本発明の構造は、同一組成の内部酸化性合金の片面のみに内部酸化層を形成し、且つもう一方の面に未酸化層を有する構造の電気接点とした。このような構造の電気接点とすることで、酸化物希薄層が材料内部中央に形成されず、さらに未酸化層が接触子の台材との接合の役割を担うことができる。また、内部酸化層と未酸化層の間には実質的な接合界面が存在せず、接合界面を起点に剥離消耗が生じる危険性が無い。
【００１６】
ここで、本発明における未酸化層の定義とは、内部酸化性合金において内部酸化層とは別の層で酸化物が析出していない層のことであり、内部酸化層が形成された面の反対側の面に位置する未酸化の層で、電気接点の断面比率で好ましくは５０％以下の範囲のことをいう。ここでいう断面比率とは、未酸化層の層厚を電気接点の総厚で除し、百分率（％）で示した値である。
【００１７】
電気接点の厚みや開閉機器の使用環境にもよるが、酸化物を含まない未酸化層自体は耐消耗特性をほぼ有していないが故に、未酸化層の断面比率が５０％を超えると、内部酸化層の断面比率が減少することによる電気接点の耐久性低下が懸念される。また、従来技術である酸化物希薄層を形成した電気接点における酸化物希薄層の高さ位置と比較して、耐消耗性の無い未酸化層の高さ位置との高低差が少なくなる点で、本発明の安定した耐消耗性が得られるという有利な効果が低減するためである。なお、台材との接合の役割を担う未酸化層は、開閉機器の種別により求められる接合強度を満たす最低限の断面比率を有していれば、断面比率の下限値に特に制限は無い。
【００１８】
本発明の内部酸化処理中において、材料の片面からはＡｇマトリックス中に酸化物が析出して内部酸化層が形成されることによる体積増加の膨張力が生じるが、内部酸化層の反対側の面には適度な延性と機械的強度を有する未酸化層が存在する為、未酸化層がこの膨張力を相殺し、結果として電気接点の形状を崩すこと無く内部酸化処理が完了する。これにより、台材との接合面に用いる未酸化層の平坦度が水平なものとなる。
【００１９】
さらに、従来の純Ａｇ層を形成した電気接点に比べて、接合面に用いる未酸化層のＡｇ含有量が少ないため、高価なＡｇの使用量削減による安価な電気接点が提供可能となる。
【００２０】
本発明の技術的思想を適用したＡｇ―Ｓｎ−Ｉｎ系の内部酸化性合金における各構成元素の添加量としては、ＳｎおよびＩｎを合計で３〜１４質量％含み、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｂｉ、ＣｏおよびＦｅの群から選ばれた少なくとも１種を合計で１〜４質量％含み、残部（Ｂａｌａｎｃｅ)がＡｇと不可避不純物からなる合金が好ましい。
【００２１】
ここでＳｎおよびＩｎを合計で３〜１４質量％とした理由は、３質量％未満だと酸化物が不足することによって耐消耗性が不足し、さらに純Ａｇへ近くなるために未酸化層の機械的強度が不足して内部酸化層の膨張力を相殺できなくなるためである。１４質量％を超えると析出する酸化物が過多となり凝集することよって接触抵抗が増加し、電気接点の特性として好ましくないためである。また、酸化物過多による内部酸化処理中の体積増加の膨張力を未酸化層が相殺しきれなくなる傾向が生じ始めるためである。
【００２２】
Ｚｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｂｉ、ＣｏおよびＦｅの群から選ばれた少なくとも１種を合計で１〜４質量％とした理由は、１質量％未満だと内部酸化組織を微細化する効果に乏しく、さらに未酸化層の機械的強度が不足して内部酸化層の膨張力を相殺できなくなるためである。４質量％を超えると表層に酸化被膜を生じさせ、均一な内部酸化組織の形成を阻害するためである。
【発明の効果】
【００２３】
本願発明は、特定の添加元素と特定の組成からなる内部酸化性合金において、材料の片面表層に内部酸化層と、内部酸化層に隣接するもう一方の片面に未酸化層を有する構造とする電気接点とした。このような構成としたことより、内部酸化層と未酸化層の間には実質的な接合界面が無いが故に剥離消耗の危険性が無く、酸化物希薄層が材料内部中央に形成されないが故に安定した耐酸化消耗性能が得られる。また、従来の純Ａｇ層に比べてＡｇ含有量の少ない未酸化層が接触子の台材との接合面の役割を担うことができるが故に安価な電気接点材料が提供可能となる。さらに、未酸化層が電気接点材料の形状崩れを抑制して接合面の平坦度を保って台材と水平で強固な接合をすることが可能となるが故に、電気接点の安定した消耗による長寿命化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による電気接点の断面を示す説明図
【図２】従来技術による電気接点の断面を示す説明図
【図３】本発明による電気接点および接触子の断面を示す説明図
【符号の説明】
【００２５】
１  内部酸化層
２  未酸化層
３  酸化物希薄層
４  純Ａｇ層
５  接触子の台材
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施例および従来例を表１に示し、これらの電気接点の加工工程を説明する。なお、本発明の実施形態は、下記の実施例に限定されるものではなく、目的とする電気接点の寸法や特性により適宜調整することができるものである。
【実施例】
【００２７】
ＳｎおよびＩｎを合計で３〜１４質量％含み、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｂｉ、ＣｏおよびＦｅの群から選ばれた少なくとも１種を合計で１〜４質量％含み、残部（Ｂａｌａｎｃｅ)がＡｇと不可避不純物からなる内部酸化性合金になるよう配合と溶解法によりインゴットを得た。その後、面削、圧延、焼鈍および断裁を繰り返して板厚１．５ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍの内部酸化性合金板を作製した。この一面のみに無水酸化ホウ素を塗布する工程と、アルゴン雰囲気下にて４７５℃で熱処理を行う工程を複数繰り返すことで、無水酸化ホウ素の塗布面に厚い酸化被膜を形成後、内部酸化処理を行った。ここで、一面のみに酸化被膜を形成する理由としては、酸化被膜を形成することで内部酸化処理時における酸素の吸蔵を阻害し、酸化被膜直下に未酸化層を形成させるためである。
【００２８】
内部酸化処理の条件としては、内部酸化性合金の組成や開閉機器に求められる特性によって、最適な温度や圧力を選択することが好ましいが、ここでは各実施例との比較評価のために内部酸化処理条件を温度８００℃、酸素分圧１ＭＰａで統一し、未酸化層の断面比率が１０％となるよう処理時間を調整した。
【００２９】
内部酸化処理後、板全周縁部を断裁し、研削加工とバレル研磨を施すことで酸化被膜を除去し、この板からプレス打ち抜き加工により、１０ｍｍ角の四角形状へ打ち抜くことで、材料の片面表層に内部酸化層と、内部酸化層に隣接するもう一方の片面に未酸化層を有する図１に示す構造の電気接点とした（実施例８〜１４）。
【００３０】
このようにして得られた複数の電気接点を、無酸素Ｃｕからなる台材と炉中拡散による接合をしてマグネットスイッチ用の可動接触子と固定接触子を作製した（図３）。炉中拡散の条件としては、窒素雰囲気中で７５０℃×２０ｍｉｎとした。
【００３１】
なお、炉中拡散による接合後における可動接触子と固定接触子において、電気接点が各接触子へ水平に固定されていないものは皆無であった。
【００３２】
また、本発明と組成範囲が異なる内部酸化性合金とした以外は、上記と同様の加工工程にて電気接点を作製して各接触子へ接合した結果、接合面の平坦度が損なわれることによって、電気接点が各接触子へ水平に固定されていないものは複数あった（実施例１〜７）。
【００３３】
従来例
実施例と同様の内部酸化性合金になるように配合と溶解法によりインゴットを得た後、面削、圧延、焼鈍および断裁を施して所望の板とした。この板の片面に、純Ａｇの板を熱間圧延クラッドによって複合し、得られた複合材料を圧延し、板厚１．５ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍの内部酸化性合金板を作製した。これに内部酸化処理を施し、板全周縁部の断裁とバレル研磨後、さらにプレス打ち抜き加工により１０ｍｍ角の四角形状へ打ち抜きすることで、材料の片面表層に内部酸化層と、内部酸化層の内部中央部に酸化物希薄層を有し、内部酸化層に隣接するもう一方の片面に純Ａｇ層を有する図２に示す構造の電気接点とした（従来例１〜８）。
【００３４】
内部酸化処理の条件としては、内部酸化性合金の内部に未酸化層無きよう処理時間を調整し、完全な内部酸化を行った。また、実施例との比較評価のために、内部酸化処理時の温度や酸素分圧は実施例と同一条件の温度８００℃、酸素分圧１ＭＰａとし、純Ａｇ層の厚みを実施例における未酸化層の断面比率１０％と同一とした。
【００３５】
このようにして得られた複数の電気接点を、無酸素Ｃｕからなる台材と炉中拡散による接合をしてマグネットスイッチ用の可動接触子と固定接触子を作製した。炉中拡散の条件としては、窒素雰囲気中で７５０℃×２０ｍｉｎとした。
【００３６】
なお、炉中拡散による接合後における可動接触子と固定接触子において、接合面の平坦度が損なわれることによって、電気接点が各接触子へ水平に固定されていないものは複数あった。
【００３７】
本発明と従来技術との比較評価方法
実施例および従来例における内部酸化性合金の組成を表1に記載する。また、実施例または従来例の内部酸化処理前後において、接触子の台材との接合面に用いる未酸化層または純Ａｇ層の平坦度を調査した。平坦度の調査方法としては、従来例または実施例における内部酸化処理前の内部酸化性合金板を定盤上に載置し、内部酸化性合金板の四隅にスペーサを挿入して接合面と定盤面との間の空隙を測定した。さらに、内部酸化処理後においても、同様に同じ箇所の空隙を測定した。内部酸化処理前後における空隙に差異が無かったもの、すなわち接合面の平坦度に変化が無かったものをＡ、変化があったものをＢと評価し、表１に併記する。
【００３８】
各接触子へ水平に固定されていないものを除く、電気接点（実施例１〜１４および従来例１〜８）を接合した可動接触子および固定接触子の各１０個を市販の定格８０Ａのマグネットスイッチに各々組み込み、ＡＣ３級試験（ＪＩＳ  Ｃ  ８２０１−３およびＪＩＳ  Ｃ  ８２０１−４−１による）にて１００万回開閉後の消耗量平均値(ｍｇ)を表１に併記する。消耗量平均値（ｍｇ）は、電気接点を接合した接触子におけるＡＣ３級試験前重量を試験後重量で引いた重量差の１０個あたりの平均値であり、この値を用いて耐消耗性を評価した。また同試験終了後の剥離消耗の有無を調査した。
【００３９】
その結果、本発明は酸化物希薄層や剥離消耗が無く、従来技術より耐消耗性に優れることが確認された。
【００４０】
【表１】
0006753022.tif 000002
【図１】
0006753022.tif 000003
【図２】
0006753022.tif 000004
【図３】
0006753022.tif 000005