(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
５５〜７５ｗｔ％のＣｕと、２５〜４５ｗｔ％のＴｉＣあるいはＶＣの少なくともいずれか一方を含む炭化物と、５ｗｔ％以下のＣｒとを含む真空バルブ用接点材料の製造にあたり、前記ＴｉＣあるいはＶＣ粉末とＣｕ粉末を混合する混合工程、混合粉末を成形してＴｉＣあるいはＶＣを主成分とするスケルトン状の成形体を得る成形工程、この成形体に前記Ｃｕを主成分とするブロック状の溶融金属を溶浸する溶浸工程を含む一連の製造工程を経て製造する方法であって、前記ブロック状のＣｕ溶浸材の上にＣｒ粉末を介してＴｉＣあるいはＶＣを主成分とするスケルトン状の成形体を積層した後、Ｃｕの融点以上に昇温し、溶浸工程で溶融したブロック状のＣｕに粉末状のＣｒを溶解してＴｉＣあるいはＶＣを主成分とするスケルトン状の成形体に溶浸するようにして成り、前記Ｃｕ溶浸材の直径が前記ＴｉＣを主成分とするスケルトン状の成形体の直径の９０％以上とした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２】
５５〜７５ｗｔ％のＣｕと、２５〜４５ｗｔ％のＴｉＣあるいはＶＣの少なくともいずれか一方を含む炭化物と、５ｗｔ％以下のＣｒを含む真空バルブ用接点材料の製造にあたり、前記ＴｉＣあるいはＶＣ粉末とＣｕ粉末を混合する混合工程、混合粉末にバインダ材を添加するバインダ材添加工程、バインダ材を添加した混合粉末を成形してＴｉＣあるいはＶＣを主成分とするスケルトン状の成形体を得る成形工程、この成形体からバインダを取り除く脱バインダ工程、バインダ材を取り除いた成形体に前記Ｃｕを主成分とするブロック状の溶融金属を溶浸する溶浸工程を含む一連の製造工程で製造する方法であって、前記ブロック状のＣｕ溶浸材の上にＣｒ粉末を介してＴｉＣあるいはＶＣを主成分とするスケルトン状の成形体を積層した後、Ｃｕの融点以上に昇温し、溶浸工程で溶融したブロック状のＣｕに粉末状のＣｒを溶解してＴｉＣあるいはＶＣを主成分とするスケルトン状の成形体に溶浸するようにして成り、前記Ｃｕ溶浸材の直径が前記ＴｉＣを主成分とするスケルトン状の成形体の直径の９０％以上とした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３】
Ｃｕ溶浸材がＴｉＣあるいはＶＣを主成分とするスケルトン状の成形体の空隙を埋めるのに必要な体積以上であり、Ｃｒ粉末の重量がブロック状Ｃｕ溶浸材の重量の１〜５ｗｔ％の範囲である請求項１および２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４】
溶浸工程において、溶浸後の冷却時にＣｕの高くとも融点までは２０℃／ｍｉｎ以下の冷却速度で冷却する請求項１乃至３のいずれかに記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
【請求項５】
Ｃｒ粉末の平均粒径が３０〜３００μｍ以下である請求項１乃至４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６】
溶浸工程において、Ｃｕ溶浸体，Ｃｒ粉末およびＴｉＣあるいはＶＣを主成分とするスケルトン状の成形体の積層体を、酸化Ａｌを含むセラミックス上或いはアルミナ粉末を敷いたるつぼ上で溶解した請求項１乃至５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７】
酸化Ａｌを含むセラミックス材或いはアルミナおよびるつぼが溶浸工程の前に予め溶浸温度以上の温度で保持する熱処理を施されている請求項６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、良好な大電流遮断特性および低サージ性を有する真空バルブ用接点材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、真空バルブ用接点材料の製造方法は、溶解法と焼結法の２通りに分かれる。溶解法は主としてＣｕ等の比較的低融点の導電性金属を主体とした接点材料の製造方法であり、真空中で誘導溶解を行なういわゆる真空溶解法が一般的である。この方法では、Ｃｕ−ＢｉやＣｕ−Ｔｅ−Ｓｅといった接点が製造されている。また、近年では、アーク溶解法によるＣｕ−Ｃｒ接点の製造も行われている。
【０００３】
一方焼結法による製造方法は、このような比較的低融点の導電成分と高融点の耐弧成分とが同等程度の体積率で複合化された接点材料に用いられる。通常、高融点の耐弧成分を主体とした粉末を一定の相対密度となるように成形し焼結したスケルトン状の成形体に、低融点の導電性金属を溶浸するのが一般的である。この方法により、Ｃｕ−Ｗ，Ａｇ−ＷＣあるいはＣｕ−Ｃｒなどの接点材料が製造される。また、Ｃｕ−Ｃｒ接点は、固相焼結法によっても製造されている。
【０００４】
優れた大電流遮断特性と低サージ性を兼ね備えたＣｕ−ＴｉＣ−ＣｒあるいはＣｕ−ＶＣ−Ｃｒ接点材料に関して、例えば特開平１１−１６４５５号公報の記載によれば、図５に示したように、ＴｉＣあるいはＶＣを主体としたスケルトン状の成形体１の上にＣｕ−Ｃｒ合金溶浸材２を積層して溶浸する方法、およびＴｉＣあるいはＶＣを主体としたスケルトン状成形体中に粉末状のＣｒ粒子を添加してＣｕを溶浸する方法の２通りの方法が示されている。即ちスケルトン状成形体１上に溶浸材２を積層配置して炉内にセットして溶浸を行っていた。
【０００５】
尚、ＴｉＣあるいはＶＣを主体とする粉末は成形性が悪いことから、割型を用いた成形を行なうことが好ましい旨説明されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述したＴｉＣやＶＣは活性な粉末であるためスケルトンおよび溶浸材などの原料中のガス含有量が高いと溶浸が不十分となることから、接点材料の相対密度が低下し、遮断性能などの電気的特性に悪影響を与える。一方ＣｕとＴｉＣあるいはＶＣの溶浸性を高めるために添加されているＣｒが、ＴｉＣあるいはＶＣとＣｕの界面全体に行き渡ることが必要である。このため、従来はＣｕ−Ｃｒ合金溶浸材を真空溶解法により予め製造し、これを溶浸に用いていた。
【０００７】
しかしながらこの方法では、真空溶解による高純度のＣｕ−Ｃｒ合金の製造が必要となるため、製造コストが高価となる欠点があった。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みなされたもので、その目的は、従来の製造方法と同等以上の電気的特性を有する製造コストを抑制できるＣｕ−ＴｉＣ−ＣｒあるいはＣｕ−ＶＣ−Ｃｒのような真空バルブ用接点材料を製造する方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の発明では、５５〜７５ｗｔ％のＣｕと、２５〜４５ｗｔ％のＴｉＣあるいはＶＣの少なくともいずれか一方を含む炭化物と、５ｗｔ％以下のＣｒとを含む真空バルブ用接点材料の製造にあたり、前記ＴｉＣあるいはＶＣ粉末とＣｕ粉末を混合する混合工程、混合粉末を成形してＴｉＣあるいはＶＣを主成分とするスケルトン状の成形体を得る成形工程、この成形体に前記Ｃｕを主成分とするブロック状の溶融金属を溶浸する溶浸工程を含む一連の製造工程を経て製造する方法であって、前記ブロック状のＣｕ溶浸材の上にＣｒ粉末を介してＴｉＣあるいはＶＣを主成分とするスケルトン状の成形体を積層した後、Ｃｕの融点以上に昇温し、溶浸工程で溶融したブロック状のＣｕに粉末状のＣｒを溶解してＴｉＣあるいはＶＣを主成分とするスケルトン状の成形体に溶浸するようにして成り、前記Ｃｕ溶浸材の直径が前記ＴｉＣを主成分とするスケルトン状の成形体の直径の９０％以上とした。この方法によれば、溶浸工程においてブロック状のＣｕ溶浸体が溶融すると同時にＣｒ粉末を溶解し、ＴｉＣあるいはＶＣを主成分とするスケルトンへの溶浸を促進する。また、比較的比重の重いＣｕを下側に配置したので、溶解したＣｕが重力により移動してしまうことがなく、スケルトン状成形体中に確実に取り込むことができる。そしてポアの少ない健全な接点材料の素材とすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図４を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１および図２は本発明の夫々異なる実施の形態を示すもので、ＴｉＣあるいはＶＣを主成分とするスケルトン成形体の直径に対するＣｕ溶浸材の直径の比を変えたものである。
【００１１】
夫々ブロック状のＣｕ溶浸材３の上にＣｒ粉末４およびＴｉＣあるいはＶＣを主成分とするスケルトン状の成形体５を順次積層して配置している。図２ではＣｕ溶浸材３の直径とスケルトン成形体５の直径が同一、図２では／ＴｉＣスケルトン成形体５の直径に対するＣｕ溶浸材３の直径の比を１１０％としたものである。
【００１２】
以下の実施例および比較例では、Ｃｕ−ＴｉＣ−Ｃｒの真空バルブ用接点材料の製造を例にとって示す。
【００１３】
（試料の製造方法）
図３に示す実施例１〜２０および比較例１〜１５は、２５〜４５ｗｔ％のＴｉＣ粉末とＣｕ粉末を混合する混合工程、混合粉末を成形してスケルトン状成形体を作る成形工程、この成形体に、５５〜７５ｗｔ％のブロック状のＣｕを主成分とする溶融金属を溶浸する溶浸工程からなる一連の製造工程で製造した。まず、平均粒径が１．５μｍ程度のＴｉＣ粉末を用意し、これと平均粒径４５μｍ程度のＣｕ粉末を重量比２：１から３：１の割合で混合する。この混合粉末を３〜４トン程度の成形圧力で直径５２．５ｍｍ、厚さ７ｍｍの大きさにスケルトン状の成形体を成形した後、炉内に前述した溶浸材とスケルトン状の成形体および５ｗｔ％以下のＣｒ粉末を積層して配置し、１２００℃まで昇温することより、Ｃｕの溶浸材を溶融すると同時に、この溶融Ｃｕ相にＣｒ粉末を溶解しＴｉＣ−Ｃｕ混合粉のスケルトン状の成形体に溶浸した。比較のため従来のＣｕ−Ｃｒ合金を溶浸材として溶浸する方法についても行なった。
【００１４】
（相対密度評価）
相対密度の異なる組織的に均質な接点素材の相対密度を測定し、走査電子顕微鏡による組織写真で調べたポアの量と同じ素材をアルキメデス法による密度測定結果と組成分析結果から計算される相対密度との相関性を予め調べておくことにより、局部的な相対密度を接点の径方向の組織写真から調べた。十分な遮断特性を得るには、最低でも９７％以上の相対密度が必要である。接点の相対密度は中央部で高く外周部に向かうに従って低くなる傾向にあるが、接点素材の外周部５％程度は加工により除去され、遮断性能には影響しないので、接点素材の中央側９５％の領域で、９７％以上の相対密度を有していれば、所望の遮断性能が期待できる。
【００１５】
（遮断特性評価）
前記の方法で製造した接点素材（溶浸体）から外周部を直径の５％程度切削で落とし、直径５０ｍｍの接点を加工して取り出し、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なった。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、比較例１の遮断電流値を１として相対値で示した。
【００１６】
（実施例１および比較例１）
比較例１では、本発明と比較するため、図５のような従来の製造方法における溶浸工程での部材配置で製造した。即ち溶浸材２はＣｕ−1ｗｔ％Ｃｒ合金であるので溶融により、Ｃｒがスケルトンを形成するＴｉＣ粒子表面と反応しながらスケルトン内部へと溶浸してゆく。この方法において製造した比較例１の遮断電流値を１とし、１以上を合格、１未満を不合格とした。
【００１７】
本発明の実施例１では、溶浸工程での部材配置は図１に見られるように、無酸素銅からなるＣｕ溶浸体３を一番下に置き、その上にＣｒ粉末４を介してＴｉＣを主成分とするスケルトン状成形体５を配置している。Ｃｕの融点以上に昇温させて溶融した無酸素銅はＣｒ粉末を溶解しながらＴｉＣを主成分とする成形体に溶浸されてゆく。溶浸工程においてブロック状のＣｕが溶融すると同時にＣｒ粉末を溶解し、スケルトン状成形体への溶浸が促進される。そして比較的比重の重いＣｕを下に置いたので、溶解したＣｕが重力により移動してしまうことがなく、スケルトン状成形体中に確実に取り込むことができる。またＣｕ溶浸体の直径がスケルトン状成形体の直径の９０％以上であることから、両者が９０％以上の面積で隣接配置されることとなり、成形体の中央側９０％以上をポアの少ない健全な接点材料の素材とすることができる。更にＣｒ粉末をＣｕ溶浸体と成形体の対向面間に均一に配置することによって、Ｃｕが溶解して成形体に溶浸してゆく際に、効率よくＣｒを溶解することができ、ポアの少ない接点材料素材を得ることができる．
遮断特性評価の結果、遮断電流値は比較例１を上回る１．２となっていることがわかる。
【００１８】
（実施例２〜４および比較例２）
異なる酸素含有量のＣｕ溶浸材を準備し、これらを溶浸時に実施例１と同じ配置でセットし、溶浸体を作製した。酸素含有量が１００ｐｐｍ以下の実施例２〜４は比較例１と同等あるいはそれ以上の遮断性能を示しているが、酸素含有量が２００ｐｐｍの比較例２では、遮断性能が０．６と劣っている。
【００１９】
（実施例５および比較例３〜４）
溶浸時の部材の積層順を変えて溶浸を実施した。下からＴｉＣスケルトン状成形体／Ｃｕ溶浸材／Ｃｒ粉末の順で積層した比較例３では、溶浸時に溶融したＣｕ溶浸材がＴｉＣスケルトン状成形体から脱落し、溶浸が不十分となるため、十分な遮断性能が得られていない。また、下からＴｉＣスケルトン状成形体／Ｃｒ粉末／Ｃｕ溶浸材の順で積層した比較例４では、ＴｉＣスケルトン状成形体とＣｕ溶浸材の間に存在するＣｒ粉末が障壁となりＣｕ溶浸材が容易に脱落してしまうため、さらに溶浸が不十分となり、遮断性能が低い。一方、下からＣｕ溶浸材／Ｃｒ粉末／ＴｉＣスケルトン状成形体の順で積層した実施例５では、比重の重いＣｕを最下層としているので脱落が起こらず、ＴｉＣを主成分とするスケルトン状成形体がＣｒを溶解したＣｕ溶融体に吸い込まれるように溶浸が進み、相対密度の高い溶浸体が形成できる。このため遮断性能は比較例１より優れている。
【００２０】
（実施例６〜８および比較例５）
ＴｉＣを主成分とするスケルトン状成形体の直径に対するＣｕ溶浸材の直径の比を変えて溶浸を行なった。溶浸材をスケルトン状成形体の９０％以上の大きさとした実施例６〜８では、溶浸素材の中央側９５％以上の領域が相対密度９７％以上であり、比較例１と同等あるいはそれ以上の遮断性能が得られている。これに対して、溶浸材がスケルトン状成形体の８０％の比較例５では、相対密度が９７％以上の領域が９０％程度であるため加工後の接点端部の相対密度が低いため、十分な遮断性能が得られていない。
【００２１】
（実施例９〜１１および比較例６〜７）
Ｃｕ溶浸材とＴｉＣを主成分とする  スケルトン状成形体の間に挟むＣｒ粉末の量を変えて溶浸を行なった。Ｃｒ量がＣｕ溶浸材の１〜５ｗｔ％の範囲にある実施例９〜１１では十分な相対密度に達し、遮断性能も比較例１と同等あるいはそれ以上である。これに対して、Ｃｒ量が溶浸材の０．５ｗｔ％の比較例６ではＣｒがＴｉＣ粒子表面に行き渡らず、十分な相対密度が得られない。一方、Ｃｒ量が７ｗｔ％の比較例７では、溶浸時にＣｒが障壁となり相対密度が不十分となるため、やはり遮断特性も不十分である。このことから、Ｃｕはスケルトン状成形体の空隙を埋めるのに必要な体積以上であり、Ｃｒ粉末の重量はＣｕ溶浸材の重量の１〜５ｗｔ％の範囲であることが好ましい。成形体表面に作用し、Ｃｕとの濡れ性を改善するのに必要なＣｒ量が得られ、ポアの少ない接点素材を形成できる。
【００２２】
（実施例１２〜１４および比較例８〜９）
Ｃｕ溶浸材とＴｉＣを主成分とするスケルトン状成形体の間に挟むＣｒ粉末の粒径を変えて溶浸を行なった。Ｃｒ粒径が３０〜３００μｍの範囲にある実施例１２〜１４では十分な相対密度に達し、遮断性能も比較例１と同等あるいはそれ以上である。これに対して、Ｃｒ粒径が２０μｍの比較例８ではＣｒ表面の吸着酸素の影響で酸素含有量が高くなり、十分な相対密度が得られない。一方、Ｃｒ粒径が５００μｍの比較例９では、ＣｒがＣｕに十分溶解できず相対密度が低く、遮断特性が低い。
【００２３】
（実施例１５および比較例１０）
溶浸に用いるムライトベース材の熱処理の有無を比較した。ムライト材を予め溶浸温度以上の１２００℃で熱処理した実施例１５では、十分な遮断性能が得られているが、ムライト材の熱処理を行なわなかった比較例１０では、溶浸時にムライト材から放出された酸素によりＴｉＣが酸化されるため溶浸が不完全となり、遮断特性が低い。
【００２４】
（実施例１６および比較例１１〜１２）
溶浸にカーボンるつぼを用い、この中にアルミナのしき粉をしいて、これらの熱処理の有無を比較した。カーボンるつぼおよびアルミナのしき粉を予め溶浸温度以上の１２００℃で熱処理した実施例１６では、十分な遮断性能が得られているが、カーボンるつぼとアルミナのしき粉を熱処理していない比較例１１は溶浸時にるつぼとしき粉から放出された酸素によりＴｉＣが酸化されるため溶浸が不完全となり、遮断特性が低い。また、熱処理されたカーボンるつぼにアルミナしき粉を敷かずに溶浸を行なった比較例１２では、Ｃｒを溶解したＣｕ溶浸材がカーボンるつぼと反応し、溶浸が不十分となり、遮断特性も不十分となっている。このことから酸化Ａｌを含むセラミックス上で溶解することによって，溶浸時に生成されるＣｕ−Ｃｒ合金溶融体がＣｕ−Ｃｒ合金と強固に反応するカーボンやアルミナ等で構成されるるつぼ等の炉材に接触しないので炉材を損傷することもない。またセラミックス材を予め熱処理しておくことにより酸化Ａｌを含むセラミックス材が脱ガスされ、溶浸時に高い真空度が維持でき、成形体表面の酸化を抑制できポアの少ない接点材料素材を提供できる。
【００２５】
（実施例１７〜１８および比較例１３〜１４）
溶浸温度から冷却時に５℃／ｍｉｎで徐冷する場合と、徐冷しない場合を比較した。徐冷する場合には、徐冷区間の下限温度についても比較した。５℃／ｍｉｎでＣｕの融点である１０８３℃以下まで徐冷した実施例１７では、高い相対密度と十分な遮断特性が得られているが、徐冷を行なわなかった比較例１３と徐冷を１１００℃までとした比較例１４では溶浸が不完全であり、遮断特性が低い。
【００２６】
（実施例１９〜２０および比較例１５）
溶浸温度から冷却時に１０５０℃まで徐冷し、この際の冷却速度を変えて比較した。冷却速度が２０℃／ｍｉｎ以下の実施例１９〜２０では、良好な遮断特性が得られているが、冷却速度が３０℃／ｍｉｎの場合は、相対密度が低く、遮断特性も不十分である。
【００２７】
以上の実施例および比較例は、 ＴｉＣ粉末とＣｕ粉末を混合する混合工程、混合粉末を成形してスケルトン状成形体を作る成形工程、この成形体にＣｕを主成分とする溶融金属を溶浸する溶浸工程からなる一連の製造工程で製造されているが、 ＴｉＣあるいはＶＣ粉末とＣｕ粉末を混合する混合工程、混合粉末にバインダ材を添加するバインダ材添加工程、バインダ材を添加した混合粉末を成形する成形工程、成形体からバインダを取り除く脱バインダ工程、バインダ材を取り除いた成形体にＣｕを主成分とする溶融金属を溶浸する溶浸工程からなる一連の製造工程で製造した図４に示した実施例２１〜４０および比較例１６〜３０でも同様の結果が得られている。これらの実施例および比較例では、バインダ材としてパラフィンを用い、ＴｉＣ粉末とＣｕ粉末を混合する工程の後、この混合粉末にパラフィンを添加して約９０℃においてパラフィンを溶融しながら混合した。また脱パラフィン工程は、成形工程の後、水素雰囲気下で４００℃にて行っている。
【００２８】
なお、本発明の製造方法による接点材料の低サージ性および通電特性は、従来方法により製造されたものと同等で良好である。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、溶浸工程において部材を下からＣｕ溶浸材／Ｃｒ粉末／ＴｉＣあるいはＶＣを主成分とするスケルトン状成形体の順で積層して溶浸工程を行わせることにより、Ｃｕ―Ｃｒ合金溶浸材を用いることなく相対密度が十分高く、遮断性能に優れた接点材料を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における溶浸工程における各部材の積層状態を示す図。
【図２】本発明の他の実施例における溶浸工程における各部材の積層状態を示す図。
【図３】実施例および比較例の製造条件、材料特性、遮断特性を示す図。
【図４】他の実施例および比較例の製造条件、材料特性、遮断特性を示す図。
【図５】比較例１に示した従来の溶浸工程における各部材の積層状態を示す図。
【符号の説明】
１、 ＴｉＣあるいはＶＣを主成分とするスケルトン状成形体
２、 Ｃｕ−１ｗｔ％Ｃｒ合金溶浸材
３、 Ｃｕ溶浸材
４、 Ｃｒ粉末
５、 ＴｉＣあるいはＶＣを主成分とするスケルトン状成形体
【図１】
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【図２】
0003853568.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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