(57)【要約】【課題】接合力等の機械的性質の優れた電気接点材料または電極材料材料を提供する。【解決手段】粉末材料を出発原料として摩擦焼結接合方法により製作されたことを特徴とする電気接点材料または電極材料。【選択図】　選択図なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末材料を出発原料として摩擦焼結接合方法により製作されたことを特徴とする電気接点材料または電極材料。
【請求項２】
前記粉末材料が、銅或いは銀のいずれかと、タングステン、タングステン炭化物、グラファイト、ニッケル及び金属酸化物から選ばれる少なくとも１つとからなることを特徴とする請求項１記載の電気接点材料または電極材料。
【請求項３】
摩擦焼結接合された接合境界面に、銅、銀、ニッケル、鉄系の１種類又は２種類以上から成る中間層を配置したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電気接点材料または電極材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気接点材料または放電加工用、抵抗溶接用等の電極材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電流を開閉する遮断器、開閉器等の電気機器における電気接点、放電加工におけるアーク放電のための放電加工用電極、或いは抵抗溶接用の電極等は、優れた耐アーク性及び耐磨耗性を得るために電気伝導性の良い銅や銀とタングステン等の高融点を組み合わせた材料が使用されている。
通常、これらの材料は、粉体原料を混合、成形し、かかる後、所定の温度で水素中等の雰囲気下で焼結させる粉末冶金法で得られるが、材料が高価なために、そのまま単体で用いられることはほとんど無く、多くの場合、銅、真鍮、鉄系などの台金に接合して使用される。接合方法としては、一般的に抵抗ロウ付け、炉中ロウ付け、トーチロウ付けが用いられている。
【０００３】
また、別の方法として、例えば、予めタングステンの多孔質焼結体を製作した後、溶融した銅の溶侵と同時に銅台金部まで形成させる溶侵法がある。
しかしながら、前記したような方法で製作した電気接点材料等には、次のような問題があった。ロウ付け及び溶侵法のいずれにおいても、先ず粉体を焼結させた後、接合もしくは溶侵させるために、工程が非常に複雑で加工のための時間を要し、且つ得られた製品も、例えばロウ付けの場合は接合強さなど品質のバラツキガ大きい、全体に熱が付与されるために台金の変質が生じ易い、その上、熟練度を要する等の問題があった。また、溶侵法においては、鋳造のために結晶粒の粗大化が生じ、強度等の機械的性質が低下するという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、強度等機械的性質の優れた電気接点材料または電極材料の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、鋭意検討を重ねた結果、粉体材料に対して相対運動する台金を圧接することにより摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により粉体材料を塑性状態にし、かかる後、加圧により粉体材料の焼結とその焼結体の台金への接合を同時に行う摩擦焼結接合方法により、強度等機械的性質の優れた電気接点材料及び電極材料を提供しうることを見出し、本発明を完成した。
【０００６】
すなわち、本発明は、次の通りである。
（１）粉末材料を出発原料として摩擦焼結接合方法により製作されたことを特徴とする電気接点材料または電極材料。
（２）前記粉末材料が、銅或いは銀のいずれかと、タングステン、タングステン炭化物、グラファイト、ニッケル及び金属酸化物から選ばれる少なくとも１つとからなることを特徴とする（１）記載の電気接点材料または電極材料。
（３）摩擦焼結接合された接合境界面に銅、銀、ニッケル、鉄系の１種類又は２種類以上から成る中間層を配置したことを特徴とする（１）または（２）記載の電気接点材料または電極材料。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、特にその好ましい態様を中心に、詳細に説明する。
本願発明における摩擦焼結接合の最も好ましい方法としては、接合時に高速回転運動を用いることである。具体的には、高速回転する円柱形状の台金を粉体材料に加圧接触させることで摩擦熱を発生させ、粉体材料の加熱を行う方法である。
尚、所定の温度による塑性状態及び到達までの時間は、粉体材料と台金の境界面に相対的変位を与える回転数と粉体材料に対する加圧力を制御することにより得られる。速やかに所定温度に到達させ、且つ、熱の放冷を抑えた効率の良い加熱を行うためには相対的変位が１ｍｍ以上、より具体的には、１ｃｍ以上の直径を有する場合、回転数が毎分５０回転以上で、且つ加圧力が２０ＭＰａ以上であることが好ましい。
【０００８】
また、相対的な高速度運動を得るための別法としては、高速度の往復運動が利用できる。この場合、装置の機構としてやや複雑になるものの、基本的な技術設計は高速回転運動と同じである。
台金として用いる材質は、通常、電気接点材料及び電極材料に用いられている銅、真鍮または鉄系が好ましいが、他の材質でもかまわない。一方、粉体材料を保持する容器としては、粉体材料を優先的に加熱し、他部への放熱を抑えるために、粉体材料より熱伝導の小さい材料が好ましい。
この方法により粉体材料を加熱、塑性状態にした後、均一な加圧力による粉体材料の焼結及び台金との接合を得るためには、高速度運動を停止させた状態で第２の圧力を負荷させることが好ましいが、この場合、第２の圧力は第１の圧力に対して同等、もしくはそれ以上の圧力を用いることが好ましい。
【０００９】
本願発明における電気接点材料及び電極材料に用いられる出発原料の粉体材料としては、基本的に電気伝導性の良い銅、或いは銀と電気伝導性と耐熱、耐磨耗性等の優れた機械的性質を兼ね備えたタングステン、タングステン炭化物、グラファイト、ニッケル及び金属酸化物等との混合粉体材料が挙げられる。好ましい粉体材料の組み合わせは、銅−タングステン系、銀−タングステン系、銀−炭化タングステン系、銀−グラファイト系、銀−ニッケル系、銀−金属酸化物系であるが、他の粉体材料による混合粉体材料、或いは特性改良のための添加剤を付与したものを用いてもかまわない。そのうち、最も好ましい材料は銅−タングステン系材料である。また、それらの配合組成は、目的とした硬さ、密度等の機械的性質及び電気抵抗、電気伝導度等の電気的性質を得るために適宜、選択される。
【００１０】
更に、本願発明においては、同種混合粉体材料の配合組成比を変えた配置、或いは異なった粉体材料を原料とする中間層として配置することが出来る。このことは、接合境界面の接合に伴う応力の緩和、或いは熱膨張係数の違いによって生じる熱応力の緩和、又は傾斜的機能等が得られることから好ましい。
より具体的には、例えば、銅−タングステンと銅台金との接合境界面に銅からなる中間層の配置、或いは銀−タングステンと銅台金との接合境界面に銀粉体材料、もしくは銀と銅の混合物よりなる中間層を配置することは、接合強度の向上、応力の緩和等の点から好ましい。
【００１１】
以下に本願発明の実施態様を図１によって説明する。
図１は、本願発明を成しえるための一実施態様を示す摩擦焼結接合方法の円形用竪型装置断面図で、上部が高速回転する構造である。電気接点材料、或いは電極材料等としての粉体材料１は、粉体材料装填容器下部４と粉体材料装填容器側部５で構成された空間に装填される。尚、この時に粉体材料１は、予備加圧によって予め装填密度を上げておいても良い。
【００１２】
係る後、上部高速回転加圧用チャック部３により固定された台金２によって、所定の加圧、回転数による摩擦熱が粉体材料１に負荷される。目的の温度及び塑性状態が得られた時点で、上部高速回転加圧用チャック部３の回転を停止し、所定の圧力により加圧成形することで粉体材料１の焼結と台金２への接合が同時に行われる。この後、電気接点材料、或いは電極材料等は型より離型される。尚、更なる構造としては、前記では静止状態の下部静止用チャック部６で説明したが、下部静止用チャック部６を回転及び加圧が可能な構造としても良い。加工場雰囲気制御装置７は、大気中では酸化される粉体材料１などを用いた場合、その対策として真空、或いは所定のガスを常圧又は加圧雰囲気に制御するものである。
【００１３】
本願発明における作用は、運動エネルギーを直接的に熱エネルギーに変換して、粉体材料を加熱、塑性状態にさせることで粒子間の変形、原子拡散を促し、その結果、粉体材料の焼結及び台金と粉体材料の境界面においては、相対的な運動による表面酸化層等の除去、破壊による新生面の発生等が生じ、効果的な接合が同時に行われているものと推察される。
以下、本願発明の実施例を説明する。
【００１４】
【実施例１】
内径３０ｍｍ、深さ２０ｍｍの粉体材料装填容器に、平均粒径２０〜３０μｍの電解銅粉と純度９９．９ｗｔ％以上、平均粒径１μｍのタングステン粉末を容積比で１対１に混合した混合粉体材料を装填した。この混合粉体材料を鋼製の外径２９．８ｍｍ、長さ５０ｍｍの円柱状台金で、回転数１５００回転／分、加圧６０ＭＰａの条件下で加圧摩擦を約３秒間実施した。その後、回転を停止させ、更に１６０ＭＰａの条件による圧力を８秒間負荷し、摩擦焼結接合を実施した。加工に要した時間は、粉体装填作業もいれて約３分間であった。得られた電気接点材料に関して光学顕微鏡による組織観察を行った結果、粒子間に著しい空孔及び結晶粒の異常成長等は認められず、ほぼ１００％真密度に近い焼結体であった。また、鋼製台金と焼結体の接合境界面を目視及び光学顕微鏡により観察を行った結果、台金の接合境界面近傍が一部再結晶化された状態で、明らかに均一な接合を呈していることが確認された。
更に、同条件下による試みを５回実施したが、いずれも同様な結果が得られ、品質のバラツキが小さいことが確認された。
【００１５】
【実施例２】
内径３０ｍｍ、深さ２０ｍｍの粉体材料装填容器に、平均粒径２０〜３０μｍの電解銅粉と純度９９．９ｗｔ％以上、平均粒径１μｍのタングステン粉末を容積比で１対１に混合した混合粉体材料を厚さ１５ｍｍで装填し、更にその上に、平均粒径２０〜３０μｍの電解銅粉を厚さ２ｍｍで装填した。この２層から成る混合粉体材料を鋼製の外径２９．８ｍｍ、長さ５０ｍｍの円柱状台金で、回転数１５００回転／分、加圧６０ＭＰａの条件下で加圧摩擦を約３秒間実施した。その後、回転を停止させ、更に１６０ＭＰａの条件による圧力を８秒間負荷し、摩擦焼結接合を実施した。加工に要した時間は、粉体装填作業もいれて約３分間であった。得られた電気接点材料に関して光学顕微鏡による組織観察を行った結果、双方の粉体材料に著しい空孔及び結晶粒の異常成長等は認められず、ほぼ１００％真密度に近い焼結体であった。また、鋼製台金と焼結体の接合境界面を目視及び光学顕微鏡により観察を行った結果、明らかに均一な接合を呈していることが確認された。
【００１６】
【発明の効果】
本願発明により、著しい空孔や結晶粒の異常成長等のない燒結体が得られ、台金と焼結体の接合境界面も均一で、機械的性質、電気的性質の優れた電気接点材料または電極材料を提供することが可能になった。
また、本願発明は、運動エネルギーを直接的に熱エネルギーに変換する摩擦焼結接合方法を用いるために、エネルギーの集中性が良く、エネルギー効率が高い。よって得られる電気接点材料または電極材料は、焼結と接合を同時に行う短時間加工が可能であり、ひいては台金の好ましくない熱変質等を抑制できる。
また、加工条件である圧力、回転数等を設定することにより、接合力等に対する品質のばらつきが小さく、安定した電気的性能を呈することが出来る。更には、加工に対する熟練度を要しない等の効果がある。
本願発明は、他の用途にも展開の可能性を有する産業上有益な発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に用いる摩擦焼結接合方法の一実施態様を示す竪型装置の断面図で、上部のみが回転する構造である。上部高速回転加圧用チャック部の回転により装着された台金が高速回転し、粉体材料を加圧摩擦により加熱し、かかる後、二次加圧により焼結を行うことで緻密な焼結及び接合が得られる。
【符号の説明】
１：出発原料としての粉体材料
２：台金
３：上部高速回転加圧用チャック部
４：粉体材料装填容器下部
５：粉体材料装填容器側部
６：下部静止用チャック部
７：加工場雰囲気制御装置（真空、又はガス常圧、加圧雰囲気）
【図１】
2004031028.tif 000002