(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒径が５〜１００μｍのＣｕからなる導電成分粉末と、粒径が０．３〜３μｍのＴｉＣからなる耐弧成分粉末とを混合する混合工程、混合された粉末をスケルトン状の成形体に成形する成形工程、前記成形体に混入されたパラフィンを蒸発させる脱パラフィン工程、および前記成形体へ前記導電成分を１１００〜１２００℃で溶浸させる溶浸工程の順序で、前記導電成分が４０〜５５ｖｏｌ％と、前記耐弧成分が４５〜６０ｖｏｌ％とで構成される接点材料を製造する真空バルブ接点材料の製造方法において、前記混合工程で、前記耐弧成分粉末に前記導電成分粉末を１６〜４３ｖｏｌ％配合し、さらにこの混合された粉末に対して前記パラフィンを５〜３０ｖｏｌ％添加することを特徴とする真空バルブ接点材料の製造方法。
【請求項２】
前記脱パラフィン工程は、３００〜５００℃の窒素中で１０分以上保持することを特徴とする請求項１に記載の真空バルブ接点材料の製造方法。
【請求項３】
前記脱パラフィン工程は、３００℃以上でかつ前記導電成分の融点以下の温度において、水素中で１０分以上保持するとともに、真空雰囲気中で９００℃以上かつ前記導電成分の融点温度以下で３０分以上保持して脱水素することを特徴とする請求項１に記載の真空バルブ接点材料の製造方法。
【請求項４】
前記脱パラフィン工程は、沸点が５０〜２００℃の炭水化物系洗浄液に前記成形体を浸漬し、４０℃以上かつ前記洗浄液の沸点以下の温度で保持するとともに、パラフィン濃度の低い前記洗浄液を１回以上入れ替えることを特徴とする請求項１に記載の真空バルブ接点材料の製造方法。
【請求項５】
前記混合工程において、０．１ｗｔ％以下のＣｏ、または０．１ｗｔ％以下のＦｅ、または０．３ｗｔ％以下のＮｉ、または３ｗｔ％以下のＣｒを添加することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の真空バルブ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、低裁断特性、大電流遮断特性および大電流通電特性を兼備し、かつ安価な真空バルブ接点材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空中でのアーク拡散性を利用して高真空中で電流遮断を行わせる真空バルブの大電流遮断特性は、一般に接点材料と電極構造によって決まる。接点材料は、その用途に応じて多種多様なものがあるが、大電流遮断特性に優れた接点材料としては、Ｃｕ−Ｃｒ接点が最も広く用いられている。一方、低サージ性と、ある程度の大電流遮断特性を兼備する真空バルブ用では、Ａｇ−ＷＣ系の接点材料が一般的である。近年、Ｃｕ−ＴｉＣといった優れた遮断特性と低サージ性を兼備する接点材料が発明（特願平９―１６９０３９号）されている。
【０００３】
これらの焼桔系接点材料は、一般に固相焼結法あるいは仮焼結溶浸法のいずれかの方法で製造される。固相焼結法の場合は、導電成分と耐弧成分の粉末の混合、粉末の成形、および成形体の焼結の各工程を経て接点形状に加工される。また、仮焼結溶浸法の場合には、耐弧成分粉末を主成分とする粉末の成形、成形体の仮焼結、および焼結体への導電成分の溶浸の工程を経て接点形状に加工される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
低サージ性と大電流遮断特性を兼備するＣｕ−ＴｉＣおよびこれに類するＣｕ−ＶＣはＴｉＣやＶＣ粉耐弧成分粉末をＣｕ粉と混合し成形されるが、接点などの円盤状の成形体の成形に通常用いられる抜き型を金型として成形した場合、成形する混合粉中のＴｉＣ粉末の割合が高いと、金型から抜き出す際に成形体にクラックを生じやすい。このようなクラックを防止するために、前述の特願平９―１６９０３９号では、成形後金型が分割できる割型を用いて成形しているが、この方法では量産は非常に困難である。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、優れた大電流遮断特性、裁断特性、大電流通電特性を兼備し、かつ安価な真空バルブ用接点材料の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【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記載の真空バルブ接点材料の製造方法は、粒径が５〜１００μｍのＣｕからなる導電成分粉末と、粒径が０．３〜３μｍのＴｉＣからなる耐弧成分粉末とを混合する混合工程、混合された粉末をスケルトン状の成形体に成形する成形工程、前記成形体に混入されたパラフィンを蒸発させる脱パラフィン工程、および前記成形体へ前記導電成分を１１００〜１２００℃で溶浸させる溶浸工程の順序で、前記導電成分が４０〜５５ｖｏｌ％と、前記耐弧成分が４５〜６０ｖｏｌ％とで構成される接点材料を製造する真空バルブ接点材料の製造方法において、前記混合工程で、前記耐弧成分粉末に前記導電成分粉末を１６〜４３ｖｏｌ％配合し、さらにこの混合された粉末に対して前記パラフィンを５〜３０ｖｏｌ％添加することを特徴とする。
【０００７】
このパラフィンの添加によりＴｉＣ粉の成形性が改善され、成形体にクラックが生じなくなり、安定した製造が可能となる。
【０００８】
成形体中のＣｕ粉の粉末が細かいほど成形体の空隙を低減でき、溶浸されるＣｕ量が低減され、接点のＣｕ量を少なくできるが、これを１００μｍ以下とすることで、Ｃｕ量を所定の裁断特性を確保するための上限値以下とすることができる。
【０００９】
混合工程で添加したパラフィンは、その後の工程で除去する必要があるが、通常脱パラフィンは炉の保全上から１気圧にて行われる。この処理を水素雰囲気で行うとＴｉ炭化物の一部がＴｉ水素化物に換わるため接点中に水素が含有され、遮断性能に重大な悪影響を及ぼす。
【００１０】
そこで請求項２記載の真空バルブ接点材料の製造方法は、前記脱パラフィン工程は、３００〜５００℃の窒素中で１０分以上保持することを特徴とする。
【００１１】
また、水素中で脱パラフィンし、接点の水素含有量が高まっても、その後の工程でこの水素を除去することも可能である。請求項３記載の真空バルブ接点材料の製造方法は、前記脱パラフィン工程は、３００℃以上でかつ前記導電成分の融点以下の温度において、水素中で１０分以上保持するとともに、真空雰囲気中で９００℃以上かつ前記導電成分の融点温度以下で３０分以上保持して脱水素することを特徴とする。
【００１２】
パラフィン除去の方法には、上記のような熱的な方法の他に、化学的な方法もある。請求項４記載の真空バルブ接点材料の製造方法は、前記脱パラフィン工程は、沸点が５０〜２００℃の炭水化物系洗浄液に前記成形体を浸漬し、４０℃以上かつ前記洗浄液の沸点以下の温度で保持することを特徴とする。
【００１３】
沸点が５０〜２００℃の炭化水素系洗浄液、例えばｎ―ヘキサンのパラフィン抽出速度は、ヘキサン中のパラフィン濃度に依存するので、抽出速度を高めるには、パラフィン濃度が低くなるように留意することが肝要である。
【００１４】
そこで更に、脱パラフィン工程において、浸漬する洗浄液をパラフィン濃度の低い液に１回以上入れ替えることを特徴とする。
【００１５】
前述のようにＣｕ粒径を微細化することによりＣｕが溶浸される空隙量を低減することが可能であるが、焼結により空隙量を抑制することも可能である。焼結により成形体を収縮させるには、焼結助材の添加が必要であるが、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒといった焼結助材はいずれもＣｕに固溶しＣｕの導電性を低下させて通電性能に悪影響を及ぼすため、添加は必要最小限にとどめなければならない。
【００１６】
そこで請求項５記載の真空バルブ接点材料の製造方法は、混合工程において、０．１ｗｔ％以下のＣｏ、または０．１ｗｔ％以下のＦｅ、または０．３ｗｔ％以下のＮｉ、または３ｗｔ％以下のＣｒを添加することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の図において、同符号は同一の部分または対応部分を示す。
まず、図１および図２を用いて、本発明の実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法が適用される真空バルブの構成例を説明する。
【００２２】
図１において、１は遮断室であり、遮断室１は、絶縁材料によりほぼ円筒状に形成された絶縁容器２と、その両端に封止金属３ａ、３ｂを介して設けた金属製の蓋体４ａ、４ｂとで真空気密に構成されている。遮断室１内には、電極棒５、６の対向する端部に取り付けられた電極７、８が配設され、図面上部の電極７は固定電極、下部の電極８は可動電極となっている。可動電極８と電極棒６との間にはベローズ９が取り付けられ、遮断室１内を気密に保持しながら、電極棒６を軸方向に移動可能としている。
【００２３】
ベローズ９の上部には、金属製のアークシールド１０が設けられ、アーク生成物の蒸着膜等がベローズ９に付着するのを防止している。また、遮断室１内には、固定電極７および可動電極８を覆うように、アークシールド１１が設けられ、アーク生成物の蒸着膜等が絶縁容器２に付着するのを防止している。電極７、８の接触部には、接点１３ａ、１３ｂとして、本発明により製造される接点材料が配設されている。
【００２４】
図２に示すように、可動電極８は電極棒６に、ロウ付け部１２においてロウ付けされることにより接続されている。（あるいはかしめにより接続されていてもよい）。また、接点１３ｂは可動電極８にロウ付け部１４においてロウ付けされている。
【００２５】
次に本発明の実施形態に係る真空バルブ用接点材料の製造方法を順に説明する。
表１から表６を用いて本発明の実施例を説明する。
【００２６】
表１から表３には各実施例および比較例の製造方法と製造時のクラックの有無について示す。
平均粒径１．５μｍのＴｉＣと平均粒径４０μｍのＣｕとを体積比８４対１６の混合比で混ぜ、混合粉にパラフィンを１５ｖｏｌ％添加して（混合工程）、抜き出し側ともう一方の側の内径比が１．１の抜き型を用い、４ｔｏｎで成形し（成形工程）、窒素中で３００℃において２時間の脱パラフィン処理を１回行なった（脱パラフィン工程）後、真空雰囲気において、１１５０℃で３０分間の熱処理で成形体の空隙の１．０５倍の体積のＣｕを溶かして溶浸する（溶浸工程）製造プロセスを本実施例の基本プロセスとする。
【００２７】
なお、成形に使用する金型は、その断面を図３に示すように、金型の内径比が、即ち抜き出し側の内径Ｄａともう一方の側の内径Ｄｂとの比（Ｄａ／Ｄｂ）を１．１とし、金型内部の成形体が接する部分の高さＨａの８０〜１００％の部分Ｈｂで、金型の軸方向に内径が連続的に変化するように構成するのがよい。また、基本プロセスでは、溶浸工程での熱処理温度を１１５０℃としたが、１１００〜１２００℃の範囲でよい。溶浸材量とは、溶浸材の体積Ｖａと成形体の空隙体積Ｖｂの比（Ｖａ／Ｖｂ）のことである。
【００２８】
この基本プロセスの製造パラメータを変化させて、クラックの生成の有無を調べ、クラックが生じなかったものについては、さらに、材料組成、導電率、ガス含有量を調べ、前述の方法に従い、遮断特性および裁断特性を評価した。パラフィンを添加したものについては、脱パラフィン工程後のパラフィン除去率についても調べた。
【００２９】
表４から表６に示す各実施例で製造した接点材料の材料的特性および電気的特性のデータを得た方法および評価条件について述べる。本発明の製造方法で製造される接点材料は、大電流遮断特性、裁断特性および大電流通電特性の兼備を目的としているので、これらのうち大電流遮断特性、裁断特性を下記に示す電気的特性評価により行なった。また、通電特性については接点材料の導電率を渦電流測定法式の導電率計により測定し評価した。
【００３０】
１）大電流遮断特性：遮断試験をＪＥＣ規格の５号試験により行い、これにより遮断特性を評価し、合格、不合格を表４から表６に示した。
２）電流裁断特性：各接点を取り付けて１０−５Ｐａ以下に排気した組み立て式バルブを作成し、この装置を０．８ｍ／秒の開極速度で開極させ小電流を遮断したときの裁断電流値を測定した。遮断電流値は２０Ａ（実効値）、５０Ｈｚとした。開極位相はランダムに行い、５００回遮断したときの裁断電流値を電極数３組につき測定し、その最大値を表４から表６に示した。なお、数値は実施例１の裁断電流の最大値を１．０としたときの相対値で示した。
【００３１】
【表１】
0003859393.tif 000002
【００３２】
【表２】
0003859393.tif 000003
【００３３】
【表３】
0003859393.tif 000004
【００３４】
【表４】
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【００３５】
【表５】
0003859393.tif 000006
【００３６】
【表６】
0003859393.tif 000007
【００３７】
［実施例１〜６および比較例１〜９］
基本プロセスのＣｕ配合量を１６〜４３ｖｏｌ％の範囲で、またパラフィン添加量を０〜５０ｖｏｌ％の範囲でそれぞれ変化させて調べた（表１および表４参照）。
【００３８】
パラフィン無添加の比較例１、４、７および添加量が３ｖｏｌ％の比較例２、５、８では、成形体にクラックが生じたが、添加量が５〜３０ｖｏｌ％の実施例１〜６ではクラックが全く発生せず、製造後の導電率も良好で、遮断性能および通電性能も良好である。
【００３９】
しかし、パラフィン添加量が５０ｖｏｌ％の比較例３、６、９では、Ｃｕ量が５５ｖｏｌ％を超えてしまい、裁断特性が不十分となっている。これは、成形体中において脱パラフィン前にパラフィン占有していた領域にＣｕが溶浸されるため、パラフィン量が過剰になるとＣｕ量が増大してしまうためである。
【００４０】
［実施例７〜８および比較例１０〜１１］
基本プロセスのＴｉＣ粒径を０．２〜５μｍの範囲で変化させて調べた（表１および表４参照）。
【００４１】
ＴｉＣ粒径が０．２μｍの比較例１０では、成形体にクラックが生じたが、ＴｉＣ粒径が０．３〜３μｍの実施例７〜８ではクラックが全く発生せず、製造後の導電率も良好で、遮断性能および通電性能も良好である。しかし、ＴｉＣ粒径が５μｍの比較例１１では、遮断特性が不十分となっている。
【００４２】
［実施例９〜１０および比較例１２］
基本プロセスのＣｕ粒径を５〜１５０μｍの範囲で変化させて調べた（表１および表４参照）。
【００４３】
Ｃｕ粒径が１５０μｍの比較例１２では、成形体にクラックが生じたが、Ｃｕ粒径が１００μｍ以下の実施例９〜１０ではクラックが全く発生せず、製造後の導電率も良好で、遮断性能および通電性能も良好である。
【００４４】
［実施例１１〜１２および比較例１３〜１８］
基本プロセスの脱パラフィン雰囲気を窒素の他水素について試み、脱パラフィン処理温度を２００〜６００℃の範囲で変化させて調べた（表２および表５参照）。
【００４５】
脱パラフィン温度が２００℃の比較例１３および１５では、いずれもパラフィン除去が不十分なため、その後の工程が実施不可能となった。
脱パラフィンの雰囲気が窒素で温度が３００〜５００℃の実施例１１および１２では、良好な材料が製造でき、遮断特性、裁断特性、および通電特性も良好であるが、同様に窒素雰囲気で６００℃で処理した比較例１４では、材料中の酸素含有量が高くなり、遮断特性が不合格となっている。これは、窒素中に含まれる酸素による酸化が起こったためである。
【００４６】
水素雰囲気で処理した比較例１６〜１８の材料は、いずれも水素含有量が高く、遮断特性が不合格となってしまっている。
［実施例１３〜１６および比較例１９〜２０］
基本プロセスの脱パラフィン雰囲気を水素とし、脱パラフィン処理温度後、８００〜１０００℃の範囲で、０．２〜１．０時間脱水素処理を真空中で行なって調べた（表２および表５参照）。
【００４７】
脱水素温度が８００℃、１時間の比較例１９および１０００℃、０．２時間の比較例２０では、いずれも水素除去が不十分で、遮断特性が不合格となったが、９００℃以上の温度で０．５時間以上処理した実施例１３〜１６では、水素含有量の十分低い良好な材料が製造でき、遮断特性、裁断特性および通電特性も良好である。
【００４８】
［実施例１７〜１８および比較例２１〜２２］
基本プロセスの脱パラフィン雰囲気を水素とし、脱パラフィン処理温度を２００〜１１００℃の範囲で行なった後、１０００℃で１．０時間脱水素処理を真空中で行なって調べた（表２および表５参照）。
【００４９】
脱パラフィン温度が２００℃の比較例２１では、パラフィン除去が不十分なため、その後の工程が実施不可能となったが、３００℃以上で導電成分の融点である１０８３℃以下の温度範囲で処理した実施例１７〜１８では、水素含有量の十分低い良好な材料が製造でき、遮断特性、裁断特性および通電特性も良好である。一方脱パラフィン温度が１１００℃の比較例２２は、水素除去が不十分なため、遮断特性が不十分であったが、これは、導電成分の融点を超えた温度で処理したため、パラフィン中の水素が溶融した導電成分に溶解してしまったことによる。
【００５０】
［実施例１９〜２２および比較例２３〜２４］
基本プロセスの脱パラフィンを、３０〜６８℃のｎ―ヘキサン中で行なった。また、ｎ―ヘキサンをパラフィン濃度の低い液に取り替える回数についても最大２回まで試み調べた（表２および表５参照）。
【００５１】
脱パラフィン温度が３０℃で１回液を変えた比較例２３および脱パラフィン温度が６８℃で液を変えなかった比較例２４では、いずれもパラフィン除去が不十分なため、その後の工程が実施不能となった。ｎ―ヘキサンの温度が４０〜６８℃で一度以上液を入れ替えた実施例１９〜２２では、良好な材料が製造でき、遮断特性、裁断特性および通電特性も良好である。
【００５２】
［実施例２３〜３０および比較例２５〜２８］
基本プロセスの混合工程において、ＴｉＣとＣｕの混合粉末に焼結助材であるＣｏ、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｒをそれぞれ微量添加して脱パラフィン後、１１５０℃において真空雰囲気で２時間焼結した（表３および表６参照）。
【００５３】
Ｃｏ、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｒがそれぞれ０．１ｗｔ％、０．１ｗｔ％、０．３ｗｔ％および３ｗｔ％より多い比較例２５〜２８では、いずれも材料の導電率が２０ＩＡＣＳ％以下で不良である。一方これらの限界値より低い実施例２３〜３０では、良好な材料が製造でき、遮断特性、裁断特性および通電特性も許容範囲内である。
【００５４】
［実施例３１〜３２および比較例２９〜３０］
基本プロセスの混合工程において、成形体の空隙に溶浸する溶浸材の量を空隙の体積の９０〜１２０ｖｏｌ％の範囲で変化させて調べた（表３および表６参照）。
【００５５】
溶浸材量が空隙の体積の９０ｖｏｌ％の比較例２９では、材料内部に空孔が多いため材料中の酸素含有量が極めて多く、また導電率も低いため遮断特性が不合格となっている。
【００５６】
溶浸材料が空隙の１００〜１１０ｖｏｌ％の実施例３１〜３２では、内部に空孔の少なくクラックの無い良好な材料が製造でき、遮断特性、裁断特性および通電特性も良好である。
【００５７】
一方溶浸材量が空隙の体積の１２０ｖｏｌ％の比較例３０では、材料内部にクラックが見られ不良である。これは、余剰の溶浸材が凝固する際の収縮でクラックを形成したものと考えられる。
【００５８】
［実施例３３〜３５および比較例３１］
基本プロセス工程において、抜き出し側ともう一方の側の内径比（Ｄａ／Ｄｂ）が１．０〜２．０の抜き型を用い、パラフィン無添加で成形して調べた（表３および表６参照）。
【００５９】
内径比が１．０の比較例３１では、成形にクラックが発生し、成形不能であったが、内径比が１．１以上の実施例３３〜３５では、クラックの無い良好な材料が製造でき、遮断特性、裁断特性および通電特性も良好である。
【００６０】
［他の実施例］
以上の実施例では、Ｃｕ−ＴｉＣ接点の製造方法について述べてきたが、Ｃｕ−ＶＣ接点についても同様に、本発明の製造方法は有効である。
【００６１】
また、上記実施例では、脱パラフィンに用いる炭化水素系洗浄液にｎ―ヘキサンを用いたが、沸点が５０℃以上の他の第一石油類あるいは第二石油類の炭化水素系洗浄剤、例えば、石油ナフサ、ナフテン系炭化水素、またはその混合物を用いても同様な効果が得られることは明白である。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、真空バルブ接点材料の製造方法によれば、耐弧成分粉末と導電成分粉末との混合工程で、耐弧成分粉末に導電成分粉末を１６〜４３ｖｏｌ％配合し、さらにこの混合された粉末に対してパラフィンを５〜３０ｖｏｌ％添加しているので、成形体にクラックを生ずることなく安価で量産に適し、大電流遮断特性、裁断特性、大電流通電特性を兼備した接点材料の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態に係る真空バルブ接点材料の製造方法が適用される真空バルブの一例を示す縦断面図。
【図２】図１に示す真空バルブの接点部の拡大断面図。
【図３】本発明の実施形態における成形工程で使用する金型の断面図。
【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…接点
【図１】
0003859393.tif 000008
【図２】
0003859393.tif 000009
【図３】
0003859393.tif 000010