(57)【要約】【課題】電極の製造で、シャンク部材とチップ部材の接合を埋設固着を行う際に、シャンク部材に鍛造や圧延を行うことなく、充分な強度を持たせることを目的とした。【解決手段】シャンク部材の材質をＡｇを３〜２０重量％含み残部がＣｕである合金とし、埋設固着を行うことによりチップ部材と一体化させることにより前記課題を解決した。  本発明の電極、特に抵抗溶接用電極、電力開閉器用電極、放電用電極の製造方法によれば、シャンク部材とチップ部材の接合強度が高い抵抗溶接用電極が低コストにて得ることができた。特に、従来の埋設固着法ではシャンク部材の硬度が低いためにその後に加工して硬化させる処理が必要であったが、本発明ではこの加工硬化を行わずに充分硬さのあるシャンク部材を得ることができるようになった。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電気伝導性材料からなるシャンク部材と、高融点で高硬度な材料からなるチップ部材とからなる電極において、高電気伝導性材料がＡｇを３〜２０重量％含み残部がＣｕである合金であり、チップ部材がシャンク部材に埋設固着にて接合されていることを特徴とする電極。  
【請求項２】
高電気伝導性材料からなるシャンク部材と、高融点で高硬度な材料からなるチップ部材とからなる電極において、
高電気伝導性材料がＡｇを３〜２０重量％と、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｂｅ、Ｆｅの１種または２種以上を合計で０．０１〜５重量％とを含み残部がＣｕである合金であり、
チップ部材がシャンク部材に埋設固着にて接合されていることを特徴とする電極。
【請求項３】
抵抗溶接用電極に用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電極。
【請求項４】
電力開閉器用電極に用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電極。
【請求項５】
放電用電極に用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電極。
【請求項６】
Ａｇを３〜２０重量％含み残部がＣｕである合金からなるシャンク部材に、高融点で高硬度な材料からなるチップ部材を、前記合金の融点以上の高温非酸化雰囲気中で埋設固着して得ることを特徴とする電極の製造方法。
【請求項７】
Ａｇを３〜２０重量％と、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｂｅ、Ｆｅのいずれか一種または２種以上を合計で０．０１〜５重量％とを含み、残部がＣｕである合金からなるシャンク部材に、高融点で高硬度な材料からなるチップ部材を、前記合金の融点以上の高温非酸化雰囲気中で埋設固着して得ることを特徴とする電極の製造方法。
【請求項８】
Ａｇを３〜２０重量％と、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｂｅ、Ｆｅのいずれか一種または２種以上を合計で０．０１〜５重量％とを含み、残部がＣｕである合金からなるシャンク部材に、高融点で高硬度な材料からなるチップ部材を、合金の融点以上の高温非酸化雰囲気中で埋設固着した後に、前記合金の融点以下の温度にて熱処理を行うことにより得ることを特徴とする電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高電気伝導性材料からなるシャンク部材と、高融点で高硬度な材料からなるチップ部材とからなる電極とその製造方法に関する。
【０００２】
また、前記電極が特にスポット溶接などの電気抵抗溶接用電極、電力開閉器に用いられる耐アーク電極、放電灯や放電加熱機器に用いられる耐アーク電極である電極、およびそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
抵抗溶接用電極は、一般にシャンク部材とチップ部材からなる。
【０００４】
シャンク部材には電力をロスしないための高導電性、非溶接部材料との圧力を加えた状態での接触を有すために硬さ、ヤング率などの諸特性が要求され、価格も安い材料が望まれる。そのために、一般にシャンク部材としては銅、銅合金が使用される。
【０００５】
チップ部材には高温強度、耐熱性および導電性が求められる。これらを満たす材料としてはＷ、ＭｏおよびＷ、ＷＣなどのスケルトン中にＣｕ、Ａｇ、Ａｌなどの高電気伝導材料を含浸させた複合材料などが用いられている。
【０００６】
抵抗溶接用電極を製造する際は一般にあらかじめシャンク部材とチップ部材を製造しておき、両者を一体とするために、両者をろう付けするのが一般的な製造方法である。
【０００７】
ところが、ろう付けによる接合は、接合が完全でなく両者およびろう材の間に隙間が生じるために電気導電性、熱伝導性が劣り、抵抗溶接用電極として使用する際に寿命面や性能面で充分でなかった。
【０００８】
これを解決するために、本出願人は特許文献１に示すように両者を同時に炉に投入し、埋設固着することにより、接合部材に欠陥の残らない接合方法を発明した。この発明により、充分な接合強度を得ることができるようになった。
【０００９】
しかしながら前記方法は、シャンク部材の材料が一度融点以上に加熱され、そのままゆっくり冷却されるために粗大粒子となるために非常に柔らかく、変形しやすく、形状によっては使用ができなかった。特に薄い板状のシャンク部材についてはそのままで使用できないために、鍛造や圧延により加工硬化させ使用していた。
【００１０】
そのために鍛造や圧延の費用がかさみ、また、加工による変形を考慮して製造する必要があるために設計が複雑になったり、変形が望むとおりに得られずに不良が生じていた。
【００１１】
以上は抵抗溶接用電極の製造に関する問題点を述べたが、製造方法や電極の形態が同じである電力開閉器用電極や、放電用電極についても同様にシャンクの加工硬化が必要であるという問題があった。
【００１２】
【特許文献１】特開平０８−１３２２５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は高電気伝導性材料からなるシャンク部材と、高融点で高硬度な材料からなるチップ部材とからなる電極を、製造費用が低い方法にて得ることを目的とした。また、その際の電極の強度を十分確保することを課題とした。
【００１４】
さらに電極、特に抵抗溶接電極、電力開閉器用電極および放電用電極について、シャンク部材とチップ部材の接合を埋設固着を行う際に、シャンク部材に鍛造や圧延を行うことなく、製造費用が低い方法で充分な強度を持たせることを課題とした。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の電極は、高電気伝導性材料からなるシャンク部材と高融点で高硬度な材料からなるチップ部材からなる電極であり、高電気伝導性材料がＡｇを３〜２０重量％含み残部がＣｕである合金であり、シャンク部材とチップ部材は埋設固着にて接合されていることを特徴とするものである。また、同様の電極にて高電気伝導性材料がＡｇを３〜２０重量％と、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｂｅ、Ｆｅの１種または２種以上を合計で０．０１〜５重量％とを含み残部がＣｕである合金であることを特徴とするものである。
【００１６】
この電極は特に抵抗溶接用電極、電力開閉器用電極および放電用電極に好適する。高電気伝導材料をＡｇを３〜２０重量％含み残部がＣｕである合金とすることにより、合金の固溶強化が起きる。そのために後処理として鍛造や圧延などの加工硬化を必要としない。この際のＣｕ−Ａｇ合金中のＡｇの量は３〜２０重量％の必要がある。Ａｇの量が３重量％未満であれば、充分な固溶強化は得られずに、充分な硬さが得られないために鍛造や圧延の必要が生じる。また、Ａｇの量が２０％より多ければ部材の一部に冷却時にポアが生じ、機械的性質が著しく低下し、また、Ａｇ量が増え材料費が上がるためやはり適当でない。また、前記合金にＺｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｂｅ、Ｆｅの１種または２種以上を合計で０．０１〜５重量％を添加することにより、硬さや機械的強度などをさらに向上させることができる。これらは０．０１％以下の添加では充分な効果が得られず、５重量％より多く添加すれば導電性など他の特性が低下することになり望ましくない。
【００１７】
また、本発明の方法は、製造の総合費用を削減することができ、また、得られた抵抗溶接用電極、電力開閉器用電極および放電用電極はシャンク部材とチップ部材の接合が強固であり、シャンク部材の強度が充分であることからこれら電極として充分な性能を有する。
【００１８】
さらに、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｂｅ、Ｆｅの加えられた電極に、必要に応じて埋設固着後に固溶化処理、時効処理に代表される、合金融点以下の温度にて行う熱処理を加えることにより、高温硬さなどの機械的強度や導電性を処理前よりも向上させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の電極、特に抵抗溶接用電極、電力開閉器用電極および放電用電極の製造方法によれば、シャンク部材とチップ部材の接合強度が高い電極が低コストにて得ることができた。特に、従来の埋設固着法ではシャンク部材の硬度が低いためにその後に鍛造などの機械加工にて硬化させる処理が必要であったが、本発明ではこの処理を行わずに充分硬さのあるシャンク部材を得ることができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の電極は以下の方法にて得ることができる。
【００２１】
チップ部材はＷ、Ｍｏ、Ｗ−Ｃｕ複合材料などから作製する。Ｗ、Ｍｏ、ＷＣなどは通電焼結などの粉末冶金法により得ることができる。得られたＷ、Ｍｏを抵抗溶接電極用のチップ部材として求められる形状に切断機や研削盤などなどで加工することにより、チップ部材を得ることができる。
次に、図１に示すようにシャンク部材の材料としてＣｕとＡｇを、Ａｇを３〜２０重量％含み残部がＣｕである合金となる割合で粒状、棒状または板状の材料１と、前記チップ部材２を電極成型用のカーボン型３の中および上部材に載置して炉に投入する。チップ部材２はカーボン型３中でＣｕおよびＡｇが液体になった際にチップ部材の一部材が液体に埋設するように固定する。Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｂｅ、Ｆｅを加える場合は、所要量を前記液体中に含まれるようにここまでの行程にて添加を行っておく。炉内で融点以上まで昇温されたときに、ＣｕおよびＡｇは液体状態でカーボン型に沿った形となる。その際の炉の雰囲気は真空雰囲気、不活性ガス雰囲気などの非酸化性雰囲気で行う。
【００２２】
また、その際の温度は銅の融点より高い１０８３℃以上で行う。炉は非酸化雰囲気を実現できるものであれば雰囲気連続炉、プッシャー炉、バッチ炉などいずれの炉でも使用できる。また、カーボンに限らずに高温に耐えられ充分安価な材料も同様に使用できる。また、前記ＣｕとＡｇは安価な棒状や板状である方が望ましいが、形状を限定するものではない。
【００２３】
冷却後に図２に示すようにチップ部材とシャンク部材とを一体とすることができる。シャンク部材はＣｕとＡｇの合金であり、面積割合でほぼ１００％の接合率でチップ部材と接合されている。これに機械加工、電気加工などを加えて所望の形状にすることにより電極を得ることができる。
また、必要に応じて、この後に固溶化処理や時効処理などの熱処理を行うことにより、さらに硬さや機械的強度などの諸特性を向上させることも可能である。
以上の方法により本発明の電極を得ることができる。抵抗溶接用や電力開閉器用電極、放電用電極も形状を必要に応じて定めることで前記方法にて得ることができる。
【００２４】
以下実施例にて、より詳細に説明を加える。
【実施例１】
【００２５】
シャンク部材の材質としてＣｕ−５重量％Ａｇを、チップ部材の材質としてＷを選択し、埋設固着にて両者を接合して抵抗溶接用電極を得た実施例を示す。チップはＷをφ５ｍｍ、長さ１０ｍｍの円筒形に研削したものを使用した。カーボンのモールドは図３に示すような駒状の凹部材１１を有すものを用いた。空洞底にあたる部材分１２がチップ用の穴である。このカーボン治具の底にあたる部材分１２にチップ２をはめ込んだ。次に、シャンクの材料となるＣｕとＡｇの板状の材料を両者が重量比で９５：５となるように秤量し、凹部材１１内に投入した。
【００２６】
この状態でプッシャー炉に投入し、最高温度１１２０℃で加熱を行い、炉内で冷却後に表面の機械加工を加えることにより、図４に示すような駒状のチップ部材とシャンク部材が一体になったものを得た。これに機械加工や電気加工を加えることにより所望の電極形状を有す抵抗溶接用電極を得た。
【００２７】
以上の方法にて得られた抵抗溶接用電極について電気抵抗（μΩ）、熱伝導率、シャンク部材の硬さ（ロックウェルＦスケール）を測定した。電気抵抗については、図５に示すように、加圧状態にて得られた抵抗溶接用電極に通電して測定する電圧降下法にて測定を行った。この際の条件は電流値が４０Ａ、加圧力が６０ｋｇｆであり、チップの径は５ｍｍであった。また、熱伝導率は長さ方向でチップ部材とシャンク部材で２等分される円筒形状に試料を加工して測定を行った。
【００２８】
実験の結果、試料はシャンク部材とチップ部材の密着性に優れているために、熱伝導率、電気伝導率が共に高い値を示した。そのため、電気的なロスはなく、熱の拡散もよく、抵抗溶接用電極として優れていた。また、その際の製造費用も加工硬化の必要性がないために削減することができた。この試料を試料Ｎｏ．１とする。
【００２９】
次に、Ａｇの量を変え同様の実験を行った。Ａｇの量をそれぞれ２％、３％、１０％、２０％、２５％と変えた試料を試料Ｎｏ．１２、試料Ｎｏ．２、試料Ｎｏ．３、試料Ｎｏ．４、試料Ｎｏ．１０３として前記実験と同様の実験を行った。また、シャンク部材の材料としてＣｕ−ＡｇではなくＣｕをそのまま用いたものを試料Ｎｏ．１０１としてやはり同様の実験を行った。
【００３０】
その結果、Ａｇ量が本発明の範囲内である試料Ｎｏ．２、試料Ｎｏ．３、試料Ｎｏ．４は試料Ｎｏ．１と同様に良好な値を示した。しかしながら、試料Ｎｏ．１０１の試料は鍛造処理を行っていないためにシャンク部材が変形しやすく使用できなかった。試料Ｎｏ．１０２の試料はＡｇが少なかったために充分に硬化せずに容易に変形が起こった。また、試料Ｎｏ．１０３の試料は樹枝状結晶が成長しており機械的性質（硬度および剛性）が低下しており、またＡｇ量の多い部材分と少ない部材分にムラが生じるためにシャンク部材の一部にポアが多く、電極中で特に硬度の低い部材が見られた。さらにＡｇ量が多いためにコスト高であった。
【００３１】
次に試料Ｎｏ．５、試料Ｎｏ．１０および試料Ｎｏ．１１に示すようにチップ部材材料をＷからＭｏおよびＷ−Ｃｕ複合材料に変更して同様の実験を行った。その結果、物性値やコストなど試料Ｎｏ．１とほぼ同様の結果を示した。
【００３２】
さらに、ＣｕとＡｇに加えてＺｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｂｅ、Ｆｅを添加した試料で同様の実験を行った結果を試料Ｎｏ．６〜試料Ｎｏ．９に示す。Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｂｅ、Ｆｅを加えてない試料Ｎｏ．１と比較して硬さの向上が見られた。
【００３３】
これに対して従来の製造方法であるろう付け法による接合方法（試料Ｎｏ．１０４）およびシャンク部の材料をＣｕとして埋設固着後に鍛造処理する方法（試料Ｎｏ．１０５）の２種類の方法を試験した。ろう付けによる接合はシャンク部材とチップ部材の密着性が悪く、その部材分の電気抵抗が部分的に大きくなり、また、その部材分の熱伝導が低下していた。そのために、使用時に局部材的な発熱が起こりやすく、電力ロスも大きかった。  また、シャンク部材の材料をＣｕとして埋設固着後に鍛造処理する方法は特性は問題なかったが、製造費用がかさんだ。
【００３４】
以上の実施例および比較例の条件および結果を表１および表２にまとめる。
【００３５】
【表１】
2004291092.tif 000002
【００３６】
※表１内で＊印の試料は本発明の範囲外の比較試料である。
※表１内で（１）の試料は「Ｃｕ−５Ａｇ−０．５Ｔｉ−１Ｎｉ」を、（２）は「Ｃｕ−５Ａｇ−０．２Ｎｉ−０．３Ｂｅ−０．１５Ｆｅ」をそれぞれ示す。
【００３７】
【表２】
2004291092.tif 000003
【００３８】
※表２内で＊印の試料は本発明の範囲外の比較試料である。
【実施例２】
【００３９】
抵抗溶接用電極に関する実施例を示す。
実施例１中の試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．１１の電極を溶接装置に実装し、スズメッキを施した銅と、被覆導線を直流電流１００００アンペア、１ショットあたり１秒、電極加圧力２５０ｋｇにてスポット溶接を行った。本発明の抵抗溶接用電極は硬度が高く、熱伝導率が高く、チップ部材とシャンク部材の接合も強固なために被溶接部材は品質が安定しており、また電極は長寿命であった。さらに、製造コストも下げることができた。
【実施例３】
【００４０】
電力開閉器用電極に関する実施例を示す。
【００４１】
実施例１中の試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．１１において、チップ部材の材質をＣｕ−Ｗ複合合金とした図６に示す棒状のシャンク部材の先端にチップを有する形状の電極を作製した。これらの電極を電力開閉装置に実装し、電圧ＡＣ２３０Ｖ、電流を波高値３０００アンペアにて電流遮断試験を行った。本発明の電力開閉器用電極は、チップ部材とシャンク部材の接合部の熱伝導率が高く、また接合強度も強固なために電極は長寿命であった。さらに、製造コストも下げることができた。
【実施例４】
【００４２】
放電用電極に関する実施例を示す。
【００４３】
実施例１中の試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．１１の電極を図７に示すようにツバを有す棒状のシャンク部材の先端にチップ部材を有する形状で製造し、放電装置に実装し、アルゴン気流中で３０ボルト、２００アンペアにて放電実験を行った。本発明の放電用電極は硬度が高く、熱伝導率が高く、チップ部材とシャンク部材の接合も強固なために放電が安定しており、また電極は長寿命であった。さらに、製造コストも下げることができた。
【実施例５】
【００４４】
埋設固着後に熱処理を行った実施例を示す。
【００４５】
実施例１中の試料Ｎｏ．６〜試料Ｎｏ．９の電極について、埋設固着後に固溶化処理および時効処理を行った。固溶化処理は１０００℃に１時間保持した状態から水冷をすることにより、時効処理は固溶化処理の後に４７５℃に１時間処理した後に大気中にて冷却することによって行った。
【００４６】
その結果、行っていない試料と比較して熱伝導率、電気抵抗率、シャンク硬さが向上する効果が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の電極は、下記用途に使用できる。
抵抗溶接用電極、電力開閉器用電極、放電灯用電極、放電加工用電極、放電加熱機器用耐アーク電極。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の抵抗溶接用電極（埋設固着前）の一模式図を示す
【図２】本発明の抵抗溶接用電極（埋設固着中）の一模式図を示す
【図３】本発明の抵抗溶接用電極製造方法（埋設固着法）の一断面図を示す
【図４】本発明の抵抗溶接用電極の断面図を示す
【図５】電気抵抗値の測定装置の模式図を示す
【図６】本発明の電力用開閉器電極の模式図を示す
【図７】本発明の放電用電極の模式図を示す
【符号の説明】
【００４９】
１    ＣｕおよびＡｇの材料
２    チップ部材
３    埋設固着法に用いるカーボン治具
４    液体状態のＣｕおよびＡｇ
１１    カーボン治具の凹部材
１２    チップ部材用の穴
３１    本発明の抵抗溶接用電極
３２    電圧降下測定用オシロスコープ
３３    加圧、導電用治具（上部材）
３４    加圧、導電用治具（下部材）  
３５    測定点
４１    シャンク部材
【図１】
2004291092.tif 000004
【図２】
2004291092.tif 000005
【図３】
2004291092.tif 000006
【図４】
2004291092.tif 000007
【図５】
2004291092.tif 000008
【図６】
2004291092.tif 000009
【図７】
2004291092.tif 000010