JPS6357896B2 - - Google Patents

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JPS6357896B2
JPS6357896B2 JP56147545A JP14754581A JPS6357896B2 JP S6357896 B2 JPS6357896 B2 JP S6357896B2 JP 56147545 A JP56147545 A JP 56147545A JP 14754581 A JP14754581 A JP 14754581A JP S6357896 B2 JPS6357896 B2 JP S6357896B2
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Japan
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melting point
oxide
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Takashi Yamanaka
Koichi Inagaki
Eizo Naya
Michinosuke Izumi
Mitsuhiro Okumura
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Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00Contacts
    • H01H1/02Contacts characterised by the material thereof
    • H01H1/0203Contacts characterised by the material thereof specially adapted for vacuum switches
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C32/00Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/001Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides
    • C22C32/0015Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides with only single oxides as main non-metallic constituents
    • C22C32/0021Matrix based on noble metals, Cu or alloys thereof

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、低サイダン電流でかつ、しや断性
能に優れた真空開閉器用接点に関するものであ
る。
従来、この種の接点として、銅−ビスマス
(Cu−Bi)、銅−鉛(Cu−Pb)、銅−アンチモン
(Cu−Sb)等の良導電性金属と低融点金属との組
合せ、あるいは銅−コバルト−ビスマス(Cu−
Co−Bi)、銅−タングステン−テルル(Cu−W
−Te)、銅−クローム−ビスマス(CuーCr−Bi)
等の、高融点金属を副成分として添加したもの等
があつた。又、銀−酸化バリウム(Ag−BaO)、
銅−酸化マグネシウム(Cu−MgO)、銀−酸化
トリウム(Ag−ThO2)あるいは銀−タングステ
ンカーバイト(Ag−WC)等の熱電子放射能が
良く、仕事函数の小さな高融点の金属酸化物や金
属炭化物を含有させるものがあつた。
なお、以下の説明で材料は元素記号を表わし、
含有率が問題となる場合は原則として元素記号の
あとに( )を付しwt%で表わされた数字を記
入することとする。
低融点金属を使用したものは、アーク発生時
に、それが多量に発生するため、電流の自然零点
を待たず電流がしや断される、いわゆるサイダン
電流置を相当低く抑えることが可能であつた。こ
のことは必然的に大電流しや断の際はその多量の
低融点金属蒸気が悪影響を及ぼし、しや断電流が
極めて低いものになる欠点を有していた。高融点
金属を添加したものは、この欠点を多少でも緩和
するため、母体金属の融点を高める目的を持つて
いたが、それ程効果的なものではなかつた。低融
点金属を15〜20%含有すればしや断電流は低い
が、1A以下の非常に低いサイダン電流をもつ接
点を得ることは、この従来法でも可能であつた。
しかしながら負荷電流を多数回開閉すると、その
サイダン電流値が徐々に上昇し、遂に1Aを越え
るという大きな欠点があつた。又、通常、これら
の接点はロー付によつて電極棒に取り付けられる
が、前述の如く低融点金属を15〜20%も含有する
と、それがロー材部に浸入し、その接合強度を著
しく低下さえるため、真空開閉器として機械的耐
久性に劣るなどの欠点を有していた。
又、これらの低融点金属を含有した接点を溶解
法や焼結法で製作する場合、主成分である銅の融
点とは大きな温度差があるため、製造過程で低融
点金属が多量に蒸発してしまうのが常であつた。
従つて予め低融点金属の添加量を多めにするなど
の工夫が為されていた。しかし溶解や焼結の温度
の多少の変動で、その含有量がバラツキ安定した
品質を得るのが困難であつた。
一方、熱電子放射能が良く、小さい仕事函数の
金属酸化物や金属炭化物を使用したものは、それ
自身から多量の電子が供給されるため、低いサイ
ダン電流を得ることが可能であつた。
しかしながら、電子を放出し易いこれらの材質
は、この熱伝導率が極めて低いという特性とあい
まつて、大電流しや断がほとんど不可能という致
命的な欠点を有していた。又、これらの金属酸化
物は通常、非常に硬いものであり、加工性に欠け
るものであつた。
更にこれらの熱電子放射能に優れ仕事函数の低
い金属酸化物は、一般的に2000℃以上の融点の高
融点材料で、かつ金属とのぬれ性の悪いものであ
るため、負荷電流の開閉の都度、これらの粉塵が
発生し、耐電圧性能を劣下させる欠点があつた。
以上要約すると、低融点金属を使用したもの
は、しや断電流が小さく、多数回の負荷電流開閉
でサイダン電流値が徐々に上昇する欠点があり、
ロー付性や機械的強度に劣るものであつた。又、
熱電子放射能の良い仕事函数の低い金属酸化物を
使用したものはしや断電流が低く、加工性に欠
け、耐電圧性能が劣るという欠点を有していた。
この発明は上記のような従来のものの欠点を除
去するためになされたもので、良導電性金属と、
それよりは融点が低い、低融点金属の酸化物と
を、非酸化性雰囲気で溶解ないし焼結することに
より、低いサイダン電流で、かつその長期安定性
に優れ、しや断電流も高い、ロー付性、機械的強
度の優れた真空開閉器用接点を提供することを目
的としている。
従来の低融点金属を含有した接点の金属組織写
真を第4図に示す。これはCu(60)−Cr(25)−Bi
(15)をそれぞれ投入混合し、成形した後、1000
℃で2時間焼結したものである。黒色で示される
円形状のBiの凝結したかたまりが粗く分散し、
それらのお互いは不連続に分布している。灰色を
呈したCr粒と白色のCu粒とが接するところに、
前記したBiの凝結したかたまりが存在している。
混合時には比較的微細に均一に分散していたBi
が1000℃の高温度により溶融して流動し、凝結し
てこれらのかたまりを作る。Biの融点は273℃で
あるが、焼結時の昇温中、この温度付近では成形
体がまた収縮焼結を始めていないため、その隙間
を容易に溶融Biが流動し、収縮が開始する700〜
800℃では既にかたまりを形成しており、1000℃
に達してその形状は一層丸味を帯びて焼結を完了
する。
この従来のCu(60)−Cr(25)−Bi(15)は初期の
サイダン電流値は0.7A程度と低いが、600Aを
10000回開閉するとその後は1.5Aサイダン電流に
上昇する。又、しや断性能もφ36の電極径で
11KVrAr.m.s.程度であつた。しや断電流の上限
を決めているのは前述したBiのかたまりがアー
クに晒され、大量に蒸発することによる。又、サ
イダン電流が上昇するのは、負荷電流開閉によ
り、このBiが選択的に蒸発し、接点表面から
徐々になくなつていくためである。しかもこれら
のBiのかたまりが不連続に分布しているため肉
厚方向深部から、新たなBiが溶出するいわゆる
補給現象が伴なわないためである。即ち、Bi凝
結したかたまりとなり、しかも不連続に分布して
いることが、全ての欠点を惹起している。
又、このBiのかたまりが発生する原因は、主
成分とBiとの融点の差が余りにも大きいためで
もある、そこで発明者らはBiの融点より、比較
的高い融点を示すTe(450℃)Sb(631℃)(この場
合、カツコ内の数字は融点を示す)等を使用し
て、これらの挙動を調査したが、溶融流動性によ
る凝結、選択的飛散によるしや断電流の低下や、
サイダン電流の上昇傾向等の欠点を除去するに至
らなかつた。
次に発明者らは、低融点の金属酸化物に着目し
た、即ち凝結完了時点では、酸素が除去された形
で、低融点金属のみ接点内に残れば、酸化物とし
て融点が高くなつた分、溶融流動性が抑制できる
可能性がある。酸化物の解離は、材質の選択と非
酸化性雰囲気で溶解ないし焼結することで達成で
きる。それでは一実施例について以下に説明す
る。
主成分としての電解銅粉末と副成分としてのク
ロム粉末、添加物としてのBi2O3をそれぞれCu
(60)−Cu(25)−Bi2O3(15)を重量の割合で混合
し、加圧成形した後、1000℃で2時間、真空炉な
いし高純度水素炉等の非酸化性雰囲気で焼結し
た。その結果得られた焼結体の金属組織写真を第
5図に示す。微細で均一なBi層が連続した網目
状に分布している。凝結したBiのかたまりはほ
とんど見られず、多数のBi粒が主成分である銅
にめり込んだ形で存在している。これらは、
Bu2O3の融点が817℃であることから得られた特
長である。即ち焼結時の昇温過程でBi2O3は817
℃近くまで溶解せずに、混合時の微細で均一な分
布を維持している。そしてこの温度では、既に成
形体の収縮焼結は開始しており、Bi2O3粉末を取
り込むようにして収縮していく。817℃を越える
と、Bi2O3は溶解し始めるが、溶融Biより、その
動作は強く拘束されているため、凝結してかたま
りを作ることはない。
溶融したBi2O3は、更に高い温度になるにつれ
解離エネルギーを与えられ、純Biに転化してい
く。近接する銅やクロムの存在と非酸化性雰囲気
はこの酸素解離を容易なものとする。焼結完了時
点では、混合時の微細で均一な分布を維持した純
Biの網目が完成し、少量のBi2O3が残留する。こ
の現象はCu−Cr−Bi2O3の相当広範囲の配合比で
も同一傾向を示すがBi2O3が30wt%を越えると、
焼結が不能となり、残留Bi2O3が増加する。
次にこの発明品の性能を従来品との比較におい
て詳述する。
第1図はCuとCrにBiを添加した従来品とCuと
CrにBi2O3を添加した本発明品とにおいて、Crを
25wt%に固定し、Bi及びBi2O3を2〜20%の範囲
で添加量を変化させ、残部を銅とした各種試作品
のサイダン電流特性を示す。φ36の電極として真
空開閉器に組込み600Aを1000回開閉した後、
20Apeakの交流電流が流れる抵抗回路をしや断
した時のサイダン電流値の平均値を縦軸に示し、
添加量を横軸に示した。
少量の添加量では、Biを添加したものが少し
低い値を示す。これは前述のBiの凝結したかた
まりが多少寄与しており、1000回程度の開閉で
は、未だ蒸発し切つていないためである。添加量
が15wt%を越えると、この関係は逆転する。こ
れはアークスポツトの径よりBiの凝結したかた
まりの間隔が広いため、その中間部でアークが消
減するチヤンスがあり、サイダン電流の平均値を
押し上げるためである。Bi2O3を添加したものは
微細で均一な分布の為この現象が少なく平均値が
低い。
又、添加量が15wt%程度からやゝ飽和する傾
向を示しており、20wt%以上添加しても、サイ
ダン電流低減効果は低いことを物語つている。
次に、同じく添加量の違いにより、しや断電流
がどう推移するかを第2図に示す。φ36の電極で
7.2KV回路で、しや断可能であつた電流の上限値
を示す。Biを添加したものは添加量と共に急激
にしや断性能が劣下する。これは凝結したBiの
かたまりが大電流アークに晒された時、大量に蒸
発する結果そのしや断性能を低下せしめる。
Bi2O3を添加した場合は、Biのかたまりが存在せ
ず、微細で均一に分布しているため、蒸発が軽減
され、その低下傾向を抑制する。20wt%の添加
量では、Biを添加したものに対し、Bi2O3を添加
したものは120%強しや断性能が優れている。
第3図には、Cu(60)−Cr(25)−Bi(15)の配合
比の従来品とCu(60)−Cr(25)−Bi2O3(15)の配
合比の本発明品の、多数回の負荷電流開閉によ
る、サイダン電流の変化を示している。
Bi添加したものは、Bi2O3を添加のものに比ら
べ初期はほぼ同一の値を示すが、負荷電流の開閉
と共にそのサイダン電流値は上昇していく。4000
回開閉後、既に1Aを越え、10000回後ではほぼ
1.5Aに達する。一方Bi2O3添加のものは、やゝ上
昇するが、緩慢なカーブを辿り、10000回後にお
いても0.88Aにとどまつている。これは、微細に
均一に分散しかつ連続的な分布のBi層を有する
Bi2O3添加の本発明品では、接点表面のいたる所
にBiが存在すると共に、肉厚方向に連続したBi
層がアークスポツトにより表面が温度上昇した際
新らたに溶出してBiの補給を続けるためである。
第6図、第7図は、Cr量を変化させた時のBi又
はBi2O3添加量としや断電流の関係、第8図、第
9図は600A負荷開閉によるさい断電流値の変化
を示す。いずれも、BiよりもBi2O3を添加する方
が、しや断性能が良好であり、さい断電流値が安
定して低いという結果が得られている。
また、上記実施例ではCuとCrとBi2O3の組合わ
せについて説明したが、低融点金属酸化物として
Tl2R3、SbO3、TeOを用いても良く、Crに代つ
てW、Mo、Co、Feでも同様の効果を期待するこ
とが出来る。又、第10図、第12図、第14図
は、各々、Tl又はTl2O3,Sb又はSbO2,Te又は
TeO2の添加量の違いによる、しや断電流の推移
を示す。第11図、第13図、第15図は、
各々、Tl又はTl2O3,Sb又はSbO2,Te又は
TeO3を添加した場合の600A負荷開閉によるさい
断電流の変化を示す。
いずれも、低融点金属酸化物として添加する方
が、優れた特性を示している。第16図、第18
図、第20図、第22図は、Crの代わりに耐弧
性金属であるCo、Fe、W、Moを用いた場合の、
Bi又は、Bi2O3の添加量の違いによるしや断電流
の推移を示す。第17図、第19図、第21図、
第23図は、各々の耐弧性金属を用いた場合の
600A負荷開閉によるさい断電流の変化を示す。
しや断性能は、耐弧性金属の種類に大きく依存し
ているが、いづれも低融点金属酸化物として添加
する方が、優れた特性を示している。Bi2O3
5wt%、Bi2Te3を3wt%添加してCu(67)−Cr(25)
−Bi2O3(5)−Bi2Te3(3)の組合わせにすれば、Biを
8wt%添加するよりもサイダン電流の安定性が図
れかつ、しや断性能が優れていることも見出して
いる。
又、焼結後に於いても少量残留するBi2O3によ
つて大電流しや断時に酸素ガスが発生して多少悪
影響を及ぼすことが予想されるため、Cu(57)−
Cr(25))−Bi2O3(15)−TiTe2(3)なる組合わせの
接点を試験したところ、アークによつて解した活
性なTiが、同時に分解した酸素ガスを有効に吸
着しつゝ電極空間から拡散していくためそのしや
断性能は更に数%向上した。
以上のようにこの発明によれば低融点金属酸化
物を添加剤として使用して非酸化性雰囲気で製作
することにより、微細に均一に分散して、連続的
な網目状の低融点金属の分布となるため、低いサ
イダン電流を維持しつゝ大電流しや断性能を有す
る真空開閉器用接点を得ることができる。又、低
融点金属が凝集してかたまり状となる欠点が除外
された為、接点を電極棒へロー付する場合も、従
来品より機械的強度の低下の少ないものが得られ
る効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は、従来法によるCuとCrにBiを添加し
て製作した接点と本発明法によるCuとCrにBi2O3
を添加して製作した接点において、Crを25wt%
に固定し、Bi及びBi2O3を2〜20wt%の範囲に添
加量を変化させた時のサイダン電流平均値の変化
の違いを示す特性図、第2図は同じく、添加量に
よるしや断可能電流上限値の変化の違いを示す特
性図、第3図は、同じく、Biを15wt%添加した
ものとBi2O3を15wt%添加したものの、負荷電流
開閉後によるサイダン電流平均値の変化の違いを
示す特性図、第4図は従来法により製作したCu
(60)−Cr(25)−Bi(15)の配合比の接点の金属組
織写真、第5図は本発明による接点の金属顕微鏡
写真、第6図及び第7図はCr量を変化させたと
きのBi又はBi2O3添加量としや断電流の関係を示
す特性図、第8図及び第9図は600A負荷開閉に
よるさい断電流値の変化を示す特性図、第10
図、第12図及び第14図は各々Tl又はTl2O3
Sb又はSbO2,Te又はTeO2の添加量の違いによ
るしや断電流の推移を示す特性図、第11図、第
13図及び第15図は各々Tl又はTl2O3,Sb又は
SbO2,Te又はTeO2を添加した場合の600A負荷
開閉によるさい断電流の変化を示す特性図、第1
6図、第18図、第20図及び第22図はCrの
代りに耐弧性金属であるCo、Fe、W、Moを用い
た場合の、Bi又はBi2O3の添加量の違いによるし
や断電流の推移を示す特性図、第17図、第19
図、第21図、第23図は各々の耐弧性金属を用
いた場合の600A負荷開閉によるさい断電流の変
化を示す特性図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 真空容器内で互いに接離可能な対向する一対
    の電極を有する真空開閉器において、その電極
    を、銅(Cu)、銀(Ag)からなる電気良導電性
    金属を主成分とし、主添加物として前記主成分の
    融点より低い融点を有する酸化ビスマス
    (Bi2O3)、酸化タリウム(Tl2O3)、酸化アンチモ
    ン(SbO3)、酸化テルル(TeO2)のうちの金属
    酸化物を少なくとも一種類添加して、真空または
    還元あるいは非酸化性雰囲気で溶解ないし焼結し
    て製作することを特徴とする真空開閉器用接点。 2 真空容器内で互いに接離可能に対向する一対
    の電極を有する真空開閉器において、その電極
    を、銅、銀からなる電気良導電性金属を主成分と
    し、副成分として前記主成分より高い融点を有す
    るクローム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングス
    テン(W)、鉄(Fe)、コバルト(Co)のうち少
    なくとも一種類の耐弧性金属を含み、主添加物と
    して前記主成分の融点より低い融点を有する酸化
    ビスマス(Bi2O3)、酸化タリウム(Tl2O3)、酸
    化アンチモン(SbO3)、酸化テルル(TeO2)か
    らなる金属酸化物を少なくとも一種類添加して、
    真空又は還元あるいは非酸化性雰囲気で溶解ない
    し焼結して製作することを特徴とする真空開閉器
    用接点。 3 低融点金属ないしその合金あるいは金属間化
    合物を副添加物として添加したことを特徴とする
    特許請求の範囲第1項又は第2項記載の真空開閉
    器用接点。 4 チタン(Ti)ないしその合金あるいは金属
    間化合物を更に補助添加材として添加したことを
    特徴とする特許請求の範囲第1項、題2項、又は
    第3項記載の真空開閉器用接点。
JP56147545A 1981-09-16 1981-09-16 真空開閉器用接点 Granted JPS5848323A (ja)

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JP56147545A JPS5848323A (ja) 1981-09-16 1981-09-16 真空開閉器用接点
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Publication Number Publication Date
JPS5848323A JPS5848323A (ja) 1983-03-22
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GB (1) GB2106141B (ja)

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