(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅−クロム系接点素材の製造方法において、
基材として用いられる銅（Ｃｕ）と、接点素材の電気的特性を向上させる２００〜３００μｍの粒子サイズを有するクロム（Ｃｒ）及び基材内のクロム粒子を微細にするＭｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒから選択された少なくともいずれか一種である耐熱元素のそれぞれの粉末が混合された混合粉末を得る段階と；
前記混合粉末を型に装入した後、加圧成形して成形体を得る段階と；
前記成形体を９５０〜１０７５℃の温度で１次焼結した後、冷却過程を行わずに、直ちに１１００〜１８５０℃で０．５〜２０時間、後熱処理する段階とを含み、
直径２０〜６０μｍのクロム粒子を、その内部に前記耐熱元素を有する形態で前記Ｃｕ基材組織内に均一に分散させることを特徴とする真空開閉器用銅−クロム系接点素材の組織制御方法。
【請求項２】
前記銅、クロム、耐熱元素の合金組成範囲が、重量比でＣｕ  ２０〜８０％、Ｃｒ  １０〜８０％、Ｍｏ  ０．００１〜８０％、Ｗ  ０．００１〜８０％、Ｔａ  ０．００１〜８０％、Ｎｂ  ０．００１〜８０％、Ｖ  ０．００１〜８０％であることを特徴とする請求項１に記載の真空開閉器用銅−クロム系接点素材の組織制御方法。
【請求項３】
請求項１の方法により製造されたことを特徴とする真空開閉器用銅−クロム系接点素材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空開閉器用銅−クロム系接点素材の組織制御方法及びその方法により製造された接点素材に係り、より詳しくはＣｕ−Ｃｒ系接点材料に耐熱性元素を添加することにより大電流遮断特性と絶縁破壊電圧特性の優れた真空開閉器用Ｃｕ−Ｃｒ系接点素材を製造するための真空開閉器用銅−クロム系接点素材の組織制御方法及びその方法により製造された接点素材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、真空開閉器は遮断性能と絶縁特性が優れているだけでなく、寿命が長く、補修の必要性が無いため維持費が低廉であり、構造が比較的に単純なため装置のサイズを縮小することができ、環境親和的で外部環境の影響を受けないという利点のため、各種の配電設備、産業用動力設備、国防／教育／科学研究用中電圧真空遮断機に広く用いられている。このように多用途に用いられている真空開閉器の性能は電流遮断の際に接点表面に発生するアーク特性により決定され、アーク特性は接点材料の特性により決定される。
【０００３】
従って、接点材料は真空開閉器の性能を決定する最も重要な因子からの一つである (Paul G. Slade: The Vacuum Interrupter Contact, IEEE Transaction on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, Vol. CHMT-7 (1984) pp.25)。
【０００４】
真空開閉器の接点素材としてその機能をまともに遂行するために、接点材料は次の互いに相反する数々の特性を満足しなければならない。接点材料として要求される主要特性には、（１）遮断容量が大きいこと、（２）絶縁電圧が高いこと、（３）接触抵抗が低いこと、（４）耐溶着特性が優れていること、（５）接点の消耗量（摩耗量）が少ないこと、（６）さい断電流値が低いこと、（７）加工性が優れていること、（８）十分な機械的強度を有することなどである (Furushawa et al. US Patent 5,853,083(1998); T.Seki, T.Okutomo, A. Yamamoto, T.Kusano, Conatact Materials for Vacuum Valve and Method of Manufacturing the Same, United State patent 5,882,488(1999); E.Naya, M.Okumura, Canatact for Vacuum Interrupter, United State patent 4,870,231(1989); F.Heitzinger, H.Kippenberg, Karl E.Saeger, and Karl-heinz Schroder, Contact Materials for Vacuum Switching Devices, IEEE Transations on Plasma Science, Vol.21, NO.5 (1993) pp.447)。
【０００５】
真空開閉器用Ｃｕ−Ｃｒ接点材料の開発及び製造に対する研究は、１９７０年代以前までは米国と英国により主導されていたが、８０年代以降ヨーロッパと日本などの国家でも本格的な研究が遂行され、現在は全世界的に広く用いられている。特に、１９８０年までは遮断機製造企業のうち Westinghouse, English Electric, Siemens, Mitsubishi など四つの会社だけがＣｕ−Ｃｒ系接点素材を商業用真空遮断機に用いたが、１９８０年代以降Ｃｕ−Ｃｒ系合金の特性が画期的に向上されるに連れて１９９０年代から市販されている殆どの商業用中電圧／大電流遮断機にはＣｕ−Ｃｒ系接点材料が用いられている (Paul E. Slade, IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology-Part A, Vol 17, No.1 (1994) pp.96)。
【０００６】
最近は、接点材料の使用条件が更に厳しくなり、その使用範囲が既存の遮断回路から原子炉回路と蓄電回路領域まで拡張されるに従って、既存のＣｕ−Ｃｒ系接点材料より優れた電流遮断特性と絶縁電圧特性を有するＣｕ−Ｃｒ系接点材料に対する需要が増加している。即ち、蓄電回路の場合、一般回路より電圧が２倍以上高く、より優れた耐電圧特性を要する突入電流 (inrush current) が通過する回路では、アークの再点弧が深刻な問題としてなってきている。このような問題点を解決するためにはＣｕ−Ｃｒ系接点材料の電流遮断特性と絶縁電圧特性を向上させる必要がある。
【０００７】
Ｃｕ−Ｃｒ系接点材料の特性を向上させるためにはＭｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｚｒなどの耐熱金属含量を増加させ内部組織を均一化し、Ｃｒ粒子のサイズを微細化させる必要がある。
【０００８】
既存の接点製造方法では、Ｃｒ粒子サイズの微細なＣｕ−Ｃｒ系接点材料を得るために、粒子サイズが約４０μｍのクロム（Ｃｒ）粉末を原料として用いていた (T.Seki, T.Okutomo, A.Yamamoto, T.Kusano: Conatact Materials for Vacuum Valve and Method of Manufacturing the Same, United State patent 5,882,488(1999))。
【０００９】
しかし、微細なＣｒ粉末はＣｕ−Ｃｒ系接点材料の製造原価を増加させる欠点となるだけでなく、微細なＣｒ粉末表面に緻密なＣｒ酸化物が形成されて酸素の濃度が高くなる欠点もある。従って、粗大なＣｒ原料粉末から、Ｃｕ基材内に粒子サイズの微細なＣｒ粒子が分散されているＣｕ−Ｃｒ系接点材料を製造するためには、合金元素添加による組織制御技術の開発が必要とされる。
【００１０】
即ち、Ｃｕ−Ｃｒ接点材料にＭｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒなどの元素が添加されるかクロム粒子が微細化されることにより真空遮断機の電流遮断特性と絶縁破壊電圧特性が向上するという事実に基づき、Ｃｕ−Ｃｒ接点材料製造にクロム粒子サイズが約４０μｍの微細なクロム粉末が用いられている。しかし、サイズが微細なＣｒ粉末を原料として用いるのはＣｕ−Ｃｒ接点材料の製造工程を複雑にし製造単価を高める欠点がある。
【００１１】
前記の如くの欠点を克服するためには、粗大なＣｒ粉末を原料として用いながらも微細なＣｒ粒子を有するＣｕ−Ｃｒ系接点材料を製造するための組織制御技術が必要とされる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は前記の如くの従来の技術の問題点を勘案し案出されたものとして、その目的は欠陥の無い健全な組織を有せしめることにより遮断性能と絶縁特性の優れた真空開閉器用Ｃｕ−Ｃｒ系接点材料を製造することができる真空開閉器用銅−クロム系接点素材の組織制御方法及びその方法により製造された接点素材を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る真空開閉器用銅−クロム系接点素材の組織制御方法は、基材として用いられる銅（Ｃｕ）と、接点素材の電気的特性を向上させる２００〜３００μｍの粒子サイズを有するクロム（Ｃｒ）及び基材内のクロム粒子を微細にするＭｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒから選択された少なくともいずれか一種である耐熱元素のそれぞれの粉末が混合された混合粉末を得る段階と；前記混合粉末を型に装入した後、加圧成形して成形体を得る段階と；前記成形体を９５０〜１０７５℃の温度で１次焼結した後、冷却過程を行わずに、直ちに１１００〜１８５０℃で０．５〜２０時間、後熱処理する段階とを含み、直径２０〜６０μｍのクロム粒子を、その内部に前記耐熱元素を有する形態で前記Ｃｕ基材組織内に均一に分散させることを特徴とする。
本発明は、Ｃｕ−Ｃｒ系接点材料の特性を向上させるためにＷ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒなどの耐熱金属を添加し、微細組織制御技術を通してクロム粒子を微細化し、クロム原子と添加元素（Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒなど）の合金化を促進させ銅基材組織内部に微細なＣｒ−Ｘ（Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒなど添加元素を固溶しているクロム）粒子の析出を増進させた。
【００１４】
本発明により製造されたＣｕ−Ｃｒ接点材料は、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒなどの添加元素効果、クロム粒子の微細化効果、クロムと添加元素の合金化効果などが重畳されている。従って、本発明のＣｕ−Ｃｒ接点材料は既存のＣｕ−Ｃｒ接点材料より優れた大電流遮断特性と耐電圧特性を示すものである。
【００１５】
本発明のＣｕ−Ｃｒ接点材料は、焼結法、溶浸法、高温加圧法などにより製造することができ、前記合金元素の添加目的は二つある。
【００１６】
一つ目はＭｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒなどのような元素を添加しＣｕ−Ｃｒ接点材料の遮断特性と絶縁電圧特性を向上させるためのものであり、二つ目は添加元素を用いてＣｕ基材内に存在するＣｒ粒子サイズを微細化させるためのものである。
【００１７】
本発明では、次の如くの製造工程及び組織制御技術を通して直径４０〜６０μｍのＣｒ粒子が分散されたＣｕ−Ｃｒ材料を製造した。Ｃｕ−Ｃｒ接点材料の製造に用いた原料粉末の粒子の直径は、それぞれＣｒ  ２００〜３００μｍ、Ｍｏ４μｍ、Ｗ  ４μｍ、Ｔａ  ４５μｍ、Ｎｂ  ４５μｍ、Ｖ  ５０μｍであった。
【００１８】
本発明のＣｕ−Ｃｒ接点材料の化学組成範囲（重量比）は次のとおりである。
【００１９】
Ｃｕ  ２０〜８０％、Ｃｒ  １０〜８０％、Ｍｏ  ０．００１〜８０％、Ｗ  ０．００１〜８０％、Ｔａ  ０．００１〜８０％、Ｎｂ  ０．００１〜８０％、Ｖ  ０．００１〜８０％。
【００２０】
前記の如くの組成により接点材料製造が可能な工法には、溶浸法、焼結法、加圧成形法などがある。
【００２１】
１．溶浸法：Ｃｒ粉末と合金元素粉末又はＣｒと合金元素粉末に少量のＣｕ粉末が混合された粉末をＶ字形混合器（Ｖ−ｍｉｘｅｒ）又は低速ボールミル（ｂａｌｌ  ｍｉｌｌ）を用いて均一に混合した後、６００〜１０７０℃の温度にて１次焼結し多孔質の焼結体を得た（予備焼結）。
【００２２】
Ｃｒ−合金元素又はＣｒ−合金元素−Ｃｕ予備焼結体の上に純粋Ｃｕ板を積層した後、温度をＣｕの融点（１０８３℃）より高い１１００〜１８００℃まで加熱し、液相のＣｕが予備焼結体内の気孔を埋め健全なＣｕ−Ｃｒ−合金元素焼結体が製造されるようにした（溶浸工程）。
【００２３】
溶浸の際、雰囲気は真空及び水素を用いた。溶浸の際、真空又は水素雰囲気以外にアルゴン及び窒素のような不活性ガス雰囲気の使用も可能である（溶浸後、Ｃｒ粒子が微細化され合金元素成分が固溶されるよう長時間維持した場合には粒子微細化のための下記の後熱処理工程は省略することができる）。
【００２４】
２．焼結法：所定の組成に適したＣｕ、Ｃｒ、合金元素粉末をそれぞれ秤量した後、Ｖ字形混合器又は低速ボールミルを用いて均一に混合した。混合粉末を型に装入した後、８８ＭＰａ以上に加圧しＣｕ−Ｃｒ−合金元素成形体を製造した。製造された成形体は固相焼結、又は固相焼結領域にて１次焼結した後、焼結温度を液相焼結領域に上昇させ２次焼結する固相／液相２段焼結工程により最終焼結した。最終焼結後に後熱処理を行った。
【００２５】
３．加圧成形法（プレッシング法）：所定の組成に適したＣｕ、Ｃｒ、合金元素粉末をそれぞれ秤量した後、Ｖ字形混合器又は低速ボールミルを用いて均一に混合した。混合粉末を型に装入した後、高温プレスを用いて加圧焼結した。加圧焼結の際、温度６００〜１０７０℃、圧力１〜５００ＭＰａの範囲で処理した。
【００２６】
４．後熱処理工程：前記の如くの三つの方法により健全な焼結組織を有するＣｕ−Ｃｒ−合金元素焼結体を得るのに長い焼結時間は必要としない。しかし、添加元素（合金元素）によりＣｒ粒子が溶解された後、Ｃｒ−合金元素の固溶体として再析出させるためには焼結後に維持時間がさらに必要となり得る。特に、Ｃｕ−Ｃｒ−合金元素焼結体が均質な組織を有するためには高温（焼結温度）で長時間の維持が必要とされる。
【００２７】
Ｃｕ−Ｃｒ−合金元素焼結体の後熱処理温度は１０８３〜１８００℃の範囲であり、維持時間の長さは維持温度により異なる。即ち、１１００℃では２０時間が必要であったが、１８００℃では１時間でも十分であった。
【００２８】
後熱処理工程の雰囲気は真空又は水素雰囲気を用いた。真空又は水素雰囲気以外に窒素、アルゴンのような不活性雰囲気の使用も可能である。
【００２９】
微細組織制御、即ち後熱処理工程により微細なＣｒ粒子がＣｕ基材内に均一に分散されている健全な組織のＣｕ−Ｃｒ−合金元素焼結体が得られた。Ｃｒ粒子の微細化程度及びＣｒ粒子内固溶合金元素原子の分布（濃度勾配）は、後熱処理温度及び維持時間により異なる。添加元素分布の勾配の無いＣｒ−合金元素の完全固溶体を得るためには高い焼結温度と長時間の維持時間が必要である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
次の実施例は本発明の内容及び特徴を明確に示すであろう。
【００３１】
１．実施例１
Ｃｕ、Ｃｒ、耐熱元素（Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒなど）の粉末を均一に混ぜた混合粉末を型に装入した後、１．７５ｔｏｎ／ｃｍ2以上の圧力で加圧し直径が２５ｍｍのＣｕ−（１５〜７５）％Ｃｒ−１０％耐熱元素の成形体を製造した。
【００３２】
相対密度７５％以上の成形体を単相焼結［固相焼結（９５０〜１０７５℃）］又は固相／液相２段焼結し健全なＣｕ−Ｃｒ−耐熱元素焼結体が得られた。
【００３３】
焼結時間は０．５〜２０時間であり、焼結雰囲気は真空又は水素雰囲気を用いた。Ｃｕ−Ｃｒ−耐熱元素焼結体内部に存在するＣｒ粒子を微細化するために図１に示した熱処理曲線のように、１１００℃で２０時間、１８００℃で１時間維持した。真空焼結の際の真空度は５×１０-5ｔｏｒｒ以上であり、水素雰囲気焼結の際の水素ガスの純度は９９．９％以上であった。
【００３４】
図２、図３は実施例１により製造されたＣｕ−Ｃｒ−耐熱元素系接点材料の代表的な組織写真である。合金元素の元素が添加されたＣｕ−Ｃｒ−耐熱元素接点材料内のクロム粒子のサイズは、図４に示す従来のＣｕ−Ｃｒ接点材料内のクロム粒子のサイズよりずっと微細であった。
【００３５】
２．参照例
Ｃｕ、Ｃｒ、耐熱元素（Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒなど）の粉末を均一に混ぜた混合粉末を型に装入した後、０．２〜４ｔｏｎ／ｃｍ2以上の圧力で加圧し直径が２５ｍｍのＣｕ−（１５〜７５）％Ｃｒ−（１〜５０）％耐熱元素成形体を製造した。そして、図１に示した熱処理曲線のように、製造された成形体を６００〜１０５０℃の温度で０．５〜１０時間１次予備焼結を実施し多孔質の焼結体を製造した後、該多孔質の予備焼結体上に純粋Ｃｕ板を載せて加熱し、Ｃｕの融点以上の温度（１１００〜１８００℃）で０．５〜２０時間維持しＣｕ融液が多孔質のＣｕ−（１５〜７５）％Ｃｒ−（１〜５０）％耐熱元素予備焼結体内部へと十分に溶浸されるようにした。
【００３６】
Ｃｕ−Ｃｒ−耐熱元素焼結体内部のＣｒ粒子を微細化させるために１１００℃で２０時間又は１８００℃で１時間維持した。真空溶浸の際、真空度は５×１０-5ｔｏｒｒ以上であり、水素雰囲気下での溶浸の際の水素ガスの純度は９９．９％以上であった。
【００３７】
３．参照例
Ｃｕ、Ｃｒ、耐熱元素（Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒなど）の粉末を均一に混ぜた混合粉末を直径２５ｍｍの型に装入し、型の温度を６００〜１０５０℃の範囲に維持した後、１〜５００ＭＰａの圧力で加圧成形し健全なＣｕ−Ｃｒ−耐熱元素接点材料を製造した。Ｃｒ粒子を微細化させるために前記実施例１のような方法で熱処理した。
【００３８】
３．実施例３
Ｃｕ、Ｃｒ、耐熱元素（Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒなど）の粉末を均一に混ぜた混合粉末を直径２５ｍｍの型に装入し、型の温度を６００〜１０５０℃の範囲に維持した後、１〜５００ＭＰａの圧力で加圧成形し健全なＣｕ−Ｃｒ−耐熱元素接点材料を製造した。Ｃｒ粒子を微細化させるために前記実施例１のような方法で熱処理した。
【００３９】
【発明の効果】
前記の如く成された本発明は、Ｃｕ−Ｃｒ−耐熱元素（耐熱元素＝Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒなど）接点材料において、Ｃｒ粒子の直径は、最初に用いた粒子サイズ２００〜３００μｍから２０〜６０μｍ程度へと減少した。又、微細なＣｒ粒子は相当量の耐熱元素の元素を固溶していた。Ｃｕ−Ｃｒ系接点材料でＣｒ粒子の微細化及びＣｒ粒子内部へのＭｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒなど耐熱金属元素の固溶によりＣｕ−Ｃｒ系合金の電流遮断特性を向上させ、絶縁破壊電圧の増大が可能となる。
【００４０】
以上において、本発明を特定の望ましい実施例を例として挙げ図示し説明したが、本発明は前記の実施例に限定されず本発明の精神を逸脱しない範囲内にて当該発明の属する技術分野において通常の知識を有する者により様々な変形と修正が可能であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＣｕ−Ｃｒ系接点材料を製造するための焼結工程の熱処理曲線。
【図２】本発明により製造されたＣｕ−２５％Ｃｒ−１０％Ｗ接点材料の組織写真。
【図３】本発明により製造されたＣｕ−２５％Ｃｒ−５％Ｍｏ接点材料の組織写真。
【図４】従来のＣｕ−２５％Ｃｒ接点材料の組織写真。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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