(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴｉＣを主成分とする成形体のＴｉＣ粒子の空隙にＣｕを主成分とする溶浸材の粒子を溶浸して製造されるＣｕ−ＴｉＣ系の真空バルブ用接点材料において、
密度ＲａのＴｉＣを主成分とする空隙率Ｘの成形体のＴｉＣ粒子の空隙に密度ＲｂのＣｕを主成分とする溶浸材の粒子が溶浸した状態について、
Ｒｔｈ＝Ｒａ・（１−Ｘ）＋Ｒｂ・Ｘ
により計算される理論密度Ｒｔｈに対して９８％以上の相対密度を有し、
前記ＴｉＣ粒子の表面にはＣｒ炭化物の層が形成されていることを特徴とする真空バルブ用接点材料。
【請求項２】
前記Ｃｒ炭化物は、厚さが０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の真空バルブ用接点材料。
【請求項３】
溶浸材を配置した側の面が接点表面となるように加工されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の真空バルブ用接点材料。
【請求項４】
ＴｉＣの含有量を３０〜４５ｗｔ％の範囲としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料。
【請求項５】
ＴｉＣを主成分とする粉末を成形体とする成形工程と、
この成形体の表面にＣｕを主成分とする溶浸材を配置し、成形体のＴｉＣ粒子の空隙に溶浸材の粒子を溶浸させ、ＴｉＣ粒子の表面にＣｒ炭化物の層を形成した溶浸体とする溶浸工程と、
この溶浸体の溶浸材を配置した側の面から所定の深さ分だけ接点材料を取り出す加工工程と、
を有することを特徴とする真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項６】
前記溶浸工程は、ＴｉＣ粒子の表面に厚さ０．５ｍｍ以上のＣｒ炭化物の層を形成することを特徴とする請求項５記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項７】
前記所定の深さは、０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項５又は６に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項８】
前記加工工程は、接点材料の溶浸材を配置した側の面が接点表面となるように加工する工程を有することを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項９】
前記溶浸工程は、溶浸直後に溶浸材の融点まで５℃／ｍｉｎ以下の冷却速度で冷却する工程を有することを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた低裁断特性と電流遮断特性とを兼ね備えた真空バルブ用接点材料とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空中でアークプラズマを拡散して電流を遮断する真空開閉機器には電流遮断特性および耐電圧特性といった基本的な特性に加えて、用途によっては、優れた低サージ特性を備えていることが望まれる。
【０００３】
特に、真空開閉機器をモータや変圧器等の機器に適用する場合には、これらの機器の絶縁破壊防止の観点から、発生するサージを抑制する必要がある。サージ抑制には、真空開閉機器をサージ抑制装置と併用する方法と、真空開閉機器自体のサージ発生レベルを低減する方法とがある。
【０００４】
真空開閉機器のサージ発生レベルの低減のためには、サージの主要因である電流裁断のレベルを低減する手法が用いられる。電流裁断のレベルを示す裁断電流値は、回路構成と真空開閉機器の遮断部用の真空バルブに用いられる接点材料とに依存する。回路構成の変更はできないとすると、裁断電流値は、実質上、接点材料によって決まる。
【０００５】
優れた遮断特性を備えたＣｕ−Ｃｒ系接点材料や耐電圧特性に優れたＣｕ−Ｗ系接点材料は、いずれも裁断電流値が十分低くないため、モータや変圧器等のように回路のサージインピーダンスの高い機器に適用する場合には、サージ抑制装置を併用して用いている。
【０００６】
一方、Ａｇ−ＷＣ系接点材料は、優れた低裁断特性、すなわち低サージ特性を備えるが、遮断性能はＣｕ−Ｃｒ系接点材料ほど高くない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
低騒音でかつ遮断媒体にＳＦ６のような環境に影響を及ぼす物質を使用しない真空開閉機器の最大の利点は環境との調和性にある。しかしながら、前述したようにＣｕ−Ｃｒ系接点材料を用いてサージ保護のためにサージ抑制装置を使用した場合、一般にサージ抑制装置には可燃性の油が含まれているため、その利点が損なわれてしまうという問題がある。
【０００８】
Ａｇ−ＷＣ系接点材料は、このような観点から開発された接点材料であり、低サージ特性を備えていることから、小容量の真空開閉機器に幅広く用いられている。しかしながら、大容量化が困難であるため適用範囲が限定される。また、遮断性能がＣｕ−Ｃｒ系接点材料よりも劣るという問題もある。
【０００９】
また、近年、低裁断特性に優れたＣｕ−ＴｉＣ系接点材料が開発されたが、電流遮断特性の安定化を図ることが困難であるという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低裁断特性を備えたＣｕ−ＴｉＣ系接点材料について電流遮断特性を向上させた真空バルブ用接点材料を提供することにある。
【００１１】
本発明の別の目的は、上記真空バルブ用接点材料の製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る真空バルブ用接点材料は、ＴｉＣを主成分とする成形体のＴｉＣ粒子の空隙にＣｕを主成分とする溶浸材の粒子を溶浸して製造されるＣｕ−ＴｉＣ系の真空バルブ用接点材料において、密度ＲａのＴｉＣを主成分とする空隙率Ｘの成形体のＴｉＣ粒子の空隙に密度ＲｂのＣｕを主成分とする溶浸材の粒子が溶浸した状態について、Ｒｔｈ＝Ｒａ・（１−Ｘ）＋Ｒｂ・Ｘにより計算される理論密度Ｒｔｈに対して９８％以上の相対密度を有することを特徴とする。
【００１４】
ＴｉＣは活性な金属Ｔｉをわずかに含んでおり、ＴｉＣ粒子の表面の金属Ｔｉは酸素を吸着または酸素と結合する。このような酸素の吸着や結合が著しい部分はＣｕとの濡れ性が十分に得られない。十分な電流遮断特性を得るためには、このような欠陥を十分に低減する必要がある。
【００１５】
本発明にあっては、上記の式による理論密度Ｒｔｈに対して９８％以上の密度を有する真空バルブ用接点材料としたことで、この欠陥が十分少なくなり、良好な電流遮断特性が得られるようにしている。
【００１６】
このような高密度のＣｕ−ＴｉＣ系接点材料を得るためには、ＴｉＣ粒子の表面にＣｒ炭化物が形成された溶浸体から取り出すことが望ましい。Ｃｒ炭化物は、Ｃｕとの濡れ性がＴｉＣよりも良好であるので、十分な電流遮断特性を得ることができる。
【００１７】
このＴｉＣ粒子の表面上のＣｒ炭化物の厚さは、０．５ｍｍ以上であることが望ましい。
【００１８】
また、溶浸材を配置した側の面が接点表面となるように加工した場合、電流遮断特性に影響の最も大きい接点表面の密度を高めることができる。
【００１９】
また、望ましくは、ＴｉＣの含有量を３０〜４５ｗｔ％（重量％）の範囲とすることにより、ＴｉＣの熱電子放出量とＣｕのイオン生成量とのバランスをアークの安定維持に適切な範囲とすることができ、接点材料の電流遮断特性を最適化することができる。
【００２０】
本発明に係る真空バルブ用接点材料の製造方法は、ＴｉＣを主成分とする粉末を成形体とする成形工程と、この成形体の表面にＣｕを主成分とする溶浸材を配置し、成形体のＴｉＣ粒子の空隙に溶浸材の粒子を溶浸させ、ＴｉＣ粒子の表面にＣｒ炭化物を形成した溶浸体とする溶浸工程と、この溶浸体の溶浸材を配置した側の面から所定の深さ分だけ接点材料を取り出す加工工程と、を有することを特徴とする。
【００２１】
本発明にあっては、溶浸工程により、少なくとも成形体の溶浸材を配置した側の表面近傍にあるＴｉＣ粒子の表面にはＣｒ炭化物が形成され、溶浸材が成形体の内部へ浸入し易くなり、加工工程で、このように形成された溶浸体の溶浸材を配置した側の面から所定の深さ分だけ接点材料を取り出すようにしたことで、高密度の接点材料が得られるようにしている。
【００２２】
上記のような組織的特徴を有する接点材料を製造する方法としては、Ｃｕを主成分とする溶浸材にＣｒ粒子を含ませておくことが最も有効である。このような製造方法により、溶浸工程で溶浸材に含まれるＣｒとＴｉＣ中の未結合のＣとが反応し、ＴｉＣ粒子の表面にＣｒ炭化物が形成されることとなる。
【００２３】
一方、成形体を構成する粉末にＣｒ粒子を含ませておくことにより、溶浸時に成形体から溶解したＣｒとＴｉＣ中の未結合のＣとが反応し、ＴｉＣ粒子の表面にＣｒ炭化物が形成されることとなる。
【００２４】
また、成形体を構成する粉末にＣｕ粒子を含ませておくことにより、このＣｕ粒子を含む粉末が溶浸時に溶解し、Ｃｕを主成分とする溶浸材の成形体へ浸入が容易になるので、溶浸性を高めることができる。
【００２５】
また、ＴｉＣ粒子の表面に厚さ０．５ｍｍ以上のＣｒ炭化物を形成することが望ましく、接点材料を取り出すときの所定の深さは０．５ｍｍ以上であることが望ましい。
【００２６】
また、接点材料の溶浸材を配置した側の面が真空バルブにセットしたときの接点表面となるように加工することにより、電流遮断特性に影響の最も大きい接点表面の密度を高めることができる。
【００２７】
ところで、ＴｉＣ粒子の表面における未結合Ｔｉによるガスの吸着も溶浸するＣｕとＴｉＣ粒子の濡れ性を阻害する要因となる。
【００２８】
そこで、溶浸直前に溶浸温度で脱ガス処理を行うことにより、ガスの吸着を防止するようにする。
【００２９】
また、溶浸直後に溶浸材の融点まで５℃／ｍｉｎ以下の冷却速度で冷却することにより、ＴｉＣ粒子の表面のＣｒ炭化物の生成に要する時間を長くすることが可能となり、Ｃｒ炭化物をより均一化して形成することができる。
【００３０】
このような組織の接点材料を用いた真空バルブ、および上記製造方法により製造された接点材料を用いた真空バルブは、遮断時のガス放出が極めて少なく、安定して高い電流遮断特性を得ることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００３２】
図１は、一実施の形態における複数のＣｕ−ＴｉＣ系接点材料について製造条件をまとめた表を示す図である。同図において、実施例１〜９は、本発明を適用したＣｕ−ＴｉＣ系接点材料であり、比較例１〜６は、実施例との特性比較のために用意した従来のＣｕ−ＴｉＣ接点材料である。
【００３３】
製造条件は、ＴｉＣ粒子をＣｒ粒子または／およびＣｕ粒子と混合することによりＴｉＣを主成分とする粉末にする混合工程の条件と、混合した粉末を金属製の型に入れ圧力をかけて成形体とする成形工程の条件と、成形体の表面に溶浸材を配置し溶浸材の融点（ここでは１１５０℃）にて焼結することにより、成形体のＴｉＣ粒子の空隙に溶浸材の粒子を溶浸して溶浸体とする溶浸工程の条件と、溶浸体の溶浸材を配置した面の接点表面に対する向きを定めて加工する加工工程の条件とからなる。実施例１〜９、比較例１〜６は、それぞれこの一連の製造工程により製造した。
【００３４】
混合工程では、実施例４にのみ粉末組成にＴｉＣ、Ｃｕの他にＣｒを含めることとし、他の実施例、比較例にはＣｒを含めないこととした。
【００３５】
溶浸工程では、実施例１、実施例２、比較例３にのみ溶浸材の組成にＣｒを含めることとし、他の実施例、比較例にはＣｒを含めないこととした。また、比較例３のみ溶浸直前の脱ガス処理を行わないこととした。さらに、溶浸後に溶浸材の融点（１０５０℃）まで冷却するときの冷却速度について、比較例４では１０℃／ｍｉｎ、実施例７、実施例８、比較例６では１℃／ｍｉｎ、その他の実施例、比較例で５℃／ｍｉｎとした。
【００３６】
図２は、各Ｃｕ−ＴｉＣ系接点材料について図１の製造条件により製造された溶浸体の状態および電気特性を示す図である。
【００３７】
溶浸体の状態の項目は、材料の組成とＴｉＣ粒子表面に形成されたＣｒ炭化物の層の厚さ（ｍｍ）と密度とからなり、電気特性は、電流遮断特性と電流裁断特性とからなる。
【００３８】
材料の理論密度Ｒｔｈ（ｇ／ｃｍ３）は、密度ＲａのＴｉＣを主成分とする空隙率Ｘの成形体のＴｉＣ粒子の空隙に密度ＲｂのＣｕを主成分とする溶浸材の粒子が完全に溶浸した状態について、
Ｒｔｈ＝Ｒａ・（１−Ｘ）＋Ｒｂ・Ｘ
により計算される理論値である。
【００３９】
材料の実測密度（ｇ／ｃｍ３）は、アルキメデス法により測定して調べた測定値であり、相対密度は、理論密度に対する実測密度の相対値（％）である。
【００４０】
電流遮断特性は、前述の製造工程により製造された溶浸体の溶浸材を配置した側の面から所定の深さで直径５０ｍｍの接点材料を切取加工等によって取り出し、図３に示す真空バルブに組み込み、合成遮断試験により遮断特性評価を行って得た。評価方法は、低電流値（５ｋＡ）から徐々に遮断電流値を増大させ、最初に遮断に失敗した電流値を遮断電流値とした。図２の電流遮断特性では、実施例１の遮断電流値を１とした相対値で示し、１以上を良好と判断した。
【００４１】
電流裁断特性は、上記と同様に図３に示す真空バルブを用いて評価を行った。評価方法は、電流値２０Ａを遮断する際の電流の落差（裁断電流）をデジタルオシロスコープを用いて５００回繰返し測定し、裁断電流の最大値を評価結果とした。図２の電流裁断特性では、予め測定しておいたＡｇ−ＷＣ系接点材料の裁断特性と同等の結果となった実施例９の裁断電流の最大値を１とした相対値で示し、１以下を良好と判断した。
【００４２】
なお、図３は、Ｃｕ−ＴｉＣ系接点材料が適用される真空バルブの構成を示す断面図であり、図４は、その接点部分および電極部分の拡大断面図である。１は遮断室、２は絶縁容器、３ａ，３ｂは封止金具、４ａ，４ｂは蓋体、５，６は導電棒、７，８は電極、９はベローズ、１０，１１はアークシールド、１３ａ，１３ｂはＣｕ−ＴｉＣ系接点材料である。接点材料１３ａ，１３ｂは、所定の間隔を挟んで対向して配置され、それぞれ電極８，７を介して導電棒６，５の先端に設けられる。
【００４３】
次に、各実施例、各比較例について検討した結果を説明する。
【００４４】
（実施例１，２および比較例１）前述した溶浸工程により、図５に示すように、成形体のＴｉＣ粒子２１ａ〜２１ｃの空隙にＣｕを主成分とする溶浸材の粒子２２が溶浸したときのＴｉＣ粒子２１ａ〜２１ｃの表面にはＣｒ炭化物２３が形成される。このＣｒ炭化物の層の厚さをパラメータとして、相対密度および電気特性を評価した。図１の溶浸材組成に示すように、ＴｉＣ粒子表面のＣｒ炭化物は溶浸材にＣｒを含くませておくことにより生成した。また、加工工程の条件に示すように、接点材料の向きは、いずれも溶浸体の溶浸材を配置した側の面が接点表面となるように加工した。
【００４５】
図２に示すように、Ｃｒ炭化物の層の厚さは、実施例１が０．５ｍｍ、実施例２が２．０ｍｍ、比較例１が０である。層の厚さが０．５ｍｍ以上の実施例１，２では、ともに９８％以上の相対密度が得られ、電流遮断特性はともに１．０以上、電流裁断特性はともに０．９といずれも良好であった。これに対し、層のない比較例１では、相対密度が９２％と低く、電流遮断特性も０．３と不十分であった。
【００４６】
（実施例３および比較例２）溶浸体から切取加工等によって取り出した接点材料を真空バルブに組み込んだときの接点材料の接点表面に対する向きを変えて相対密度および電気特性を評価した。図１の加工工程の条件に示すように、実施例３は、溶浸時に溶浸材を配置した側の溶浸体の面、すなわち溶浸材の浸入側の面が接点表面となるようにしたものであり、比較例２は、溶浸材を配置した側の溶浸体の面が接点裏面となるようにしたものである。ここで、接点表面とは、図３に示すように接点材料１３ａ，１３ｂが対向する面のことをいう。
【００４７】
図２に示すように、実施例３では、相対密度が９９％と高く、電流遮断特性は１．１、電流裁断特性は０．９といずれも十分である。これに対し、比較例２では、相対密度が９７％と低く、電流遮断特性も０．７と不十分であった。
【００４８】
（実施例４）ＴｉＣ粒子表面のＣｒ炭化物は、図１の実施例４に示すように混合粉末組成にＣｒ粒子を含ませておくことによっても生成することができる。このときのＣｒ炭化物の層の厚さは、図２に示すように７ｍｍと非常に厚くなり、相対密度が９８％と高く、電流遮断特性は１．０、電流裁断特性は０．９といずれも良好であった。
【００４９】
（実施例５および比較例３）溶浸直前の溶浸温度での脱ガス処理の有無と相対密度および電気特性との相関性を調べた。図１の溶浸工程の条件に示すように、実施例５は脱ガス処理を行い、比較例３は脱ガス処理を行わなかったものである。
【００５０】
図２に示すように、実施例５では、相対密度が９９％と高く、電流遮断特性、電流裁断特性も十分である。これに対し、比較例３では、相対密度が９７％と低く、電流遮断特性も０．７と不十分であった。
【００５１】
（実施例６，７および比較例４）溶浸直後に、溶浸体を溶浸材の融点（ここでは１０５０℃）まで冷却するときの冷却速度をパラメータとして、相対密度および電気特性との相関関係を調べた。図１の溶浸工程の条件に示すように、実施例６は冷却速度を５℃／ｍｉｎとし、実施例７は１℃／ｍｉｎ、比較例４は１０℃／ｍｉｎとした。
【００５２】
図２に示すように、実施例６，７では、相対密度がともに９９％と高く、電流遮断特性はともに１．１、電流裁断特性はともに０．９といずれも十分な電気特性が得られた。これに対し、比較例４では、相対密度が９５％と低く、電流遮断特性も０．５と不十分であった。
【００５３】
上記各実施例１〜７は、図２の組成の欄に示すようにいずれもＴｉＣ含有量がほぼ４０ｗｔ％（重量％）程度の接点材料であるので、電流裁断特性の指標はいずれも０．９となり、Ａｇ−ＷＣ系接点材料よりも若干優れていることが分かる。次に、接点材料のＣｕ／ＴｉＣ比を変化させた場合について説明する。
【００５４】
（実施例８，９および比較例５，６）成形工程での成形圧力の制御により接点材料のＣｕ／ＴｉＣ比を変化させ、相対密度および電気特性との相関関係を調べた。図２の組成の欄に示すように、実施例８のＴｉＣ含有量は４４．５ｗｔ％、実施例９のＴｉＣ含有量は２９．７ｗｔ％といずれもほぼ３０〜４５ｗｔ％の範囲とし、比較例５では５０ｗｔ％、比較例６では２６．３ｗｔ％とした。
【００５５】
実施例８，９は、ともに相対密度が９９％と高く、電流裁断特性はともに１．０以下でありＡｇ−ＷＣと同様またはそれ以上に優れていることが分かる。一方、これらに対してＴｉＣ含有量を多くした比較例５、ＴｉＣ含有量を少なくした比較例６は、いずれも電流裁断特性が１．０をはるかに超えており劣っている。これは、ＴｉＣの熱電子放出量とＣｕのイオン生成量とのバランスが適切な範囲にないためである。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る真空バルブ用接点材料は、密度ＲａのＴｉＣを主成分とする空隙率Ｘの成形体のＴｉＣ粒子の空隙に密度ＲｂのＣｕを主成分とする溶浸材の粒子が溶浸した状態について、Ｒｔｈ＝Ｒａ・（１−Ｘ）＋Ｒｂ・Ｘの式による理論密度Ｒｔｈに対して９８％以上の密度を有する真空バルブ用接点材料としたことで、良好な電流遮断特性を得ることができる。
【００５７】
また、本発明に係る真空バルブ用接点材料の製造方法によれば、Ｃｕを主成分とする溶浸材にＣｒ粒子を含ませておくか、あるいは成形体を構成する粉末にＣｒ粒子を含ませておくことにより、成形体の表面に溶浸材を配置して溶浸させたときにＴｉＣ粒子の表面にＣｒ炭化物が形成され、溶浸体の溶浸材を配置した側の面から所定の深さ分だけ接点材料を取り出すようにしたことで、高密度の接点材料を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態における複数のＣｕ−ＴｉＣ系接点材料についての製造条件をまとめた表を示す図である。
【図２】各Ｃｕ−ＴｉＣ系接点材料についての溶浸体状態および電気特性を示す図である。
【図３】Ｃｕ−ＴｉＣ系接点材料が適用される真空バルブの構成を示す断面図である。
【図４】上記真空バルブの接点部分および電極部分の拡大断面図である。
【図５】ＴｉＣ粒子表面にＣｒ炭化物が形成されている状態を示す図である。
【符号の説明】
１  遮断室
２  絶縁容器
３ａ，３ｂ  封止金具
４ａ，４ｂ  蓋体
５，６  導電棒
７，８  電極
９  ベローズ
１０，１１  アークシールド
１３ａ，１３ｂ  Ｃｕ−ＴｉＣ系接点材料
【図１】
0004174187.tif 000002
【図２】
0004174187.tif 000003
【図３】
0004174187.tif 000004
【図４】
0004174187.tif 000005
【図５】
0004174187.tif 000006