特許 6145285 電気接点材料およびその製造方法ならびに電気接点

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6145285

(24)【登録日】2017年5月19日

(45)【発行日】2017年6月7日

(54)【発明の名称】電気接点材料およびその製造方法ならびに電気接点

(51)【国際特許分類】

   C22C 27/04 20060101AFI20170529BHJP

   C22C 19/07 20060101ALI20170529BHJP

   C22C 19/03 20060101ALI20170529BHJP

   C22C 38/00 20060101ALI20170529BHJP

   B22F 7/00 20060101ALI20170529BHJP

   B22F 3/26 20060101ALI20170529BHJP

   C22C 1/10 20060101ALI20170529BHJP

   C22C 1/04 20060101ALI20170529BHJP

   B22F 3/11 20060101ALI20170529BHJP

   H01H 1/021 20060101ALI20170529BHJP

   H01H 1/025 20060101ALI20170529BHJP

   H01H 1/023 20060101ALI20170529BHJP

   H01H 11/04 20060101ALN20170529BHJP

【ＦＩ】

   C22C27/04

   C22C19/07 M

   C22C19/03 M

   C22C38/00 304

   B22F7/00 A

   B22F3/26 D

   C22C1/10 D

   C22C1/04 D

   B22F3/11 A

   H01H1/02 F

   H01H1/02 C

   H01H1/02 B

   !H01H11/04 D

【請求項の数】7

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2013-33082(P2013-33082)

(22)【出願日】2013年2月22日

(65)【公開番号】特開2013-224484(P2013-224484A)

(43)【公開日】2013年10月31日

【審査請求日】2015年10月15日

(31)【優先権主張番号】特願2012-64824(P2012-64824)

(32)【優先日】2012年3月22日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000229173

【氏名又は名称】日本タングステン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101683

【弁理士】

【氏名又は名称】奥田 誠司

(72)【発明者】

【氏名】白谷 正治

(72)【発明者】

【氏名】馬場 俊幸

(72)【発明者】

【氏名】山口 博文

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 寧記

(72)【発明者】

【氏名】案浦 康徳

【審査官】 本多 仁

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６３−０８３２４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３５８６２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５１−０８４４９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５１−０８４４９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５３−０４４４２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０６−５０７４４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ ２７／０４

Ｃ２２Ｃ １／０４−１／１０

Ｂ２２Ｆ １／００−８／００

Ｈ０１Ｈ １／００−１／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気接点に用いられ、下記（イ）（ロ）（ハ）の質量の和が総質量の９５質量％以上１００質量％以下を占める材料からなる電気接点材料であって、
（イ）：５〜５０質量部のＭ１
（ロ）：Ｍ２および鉄族金属元素を必ず含み、（イ）と合計して１００質量部のＭ２、鉄族金属および／またはＭ２と鉄族金属との合金
（ハ）：（イ）と（ロ）の合計質量１００質量部に対して０．０５〜８外部質量部のＭ３のホウ酸化物および／または前記Ｍ３のホウ酸化物の構成物、
ただし、
前記Ｍ１は、ＣｕまたはＡｇのいずれか１種または２種およびそれらの合金であり
前記Ｍ２は、ＷまたはＭｏのいずれか１種または２種およびそれらの合金であり、
前記Ｍ３は、Ｃａ、Ｓｒ、ＢａまたはＭｇのいずれか１種または２種以上の金属であり、
前記Ｍ３のホウ酸化物の構成物は、酸化ホウ素と、前記Ｍ３の酸化物および／または炭酸化物とを含む、電気接点材料。

【請求項2】

前記（ハ）のＭ３のホウ酸化物の一部または全部が分解しており、
酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_２、Ｂ_４Ｏ_３・２Ｈ_２Ｏ、Ｂ_４Ｏ_５のいずれか１種以上）と、
Ｍ３酸化物（Ｍ３_２Ｏ_３、Ｍ３Ｏ_２）および／またはＭ３の炭酸化物（Ｍ３ＣＯ_３）のいずれか１種または２種以上の形態と
で存在している、請求項１に記載の電気接点材料。

【請求項3】

鉄族金属の質量と、Ｍ２と鉄族金属との合金の質量との合計が、前記（イ）と前記（ロ）の合計質量１００質量部に対して、０．００５〜１質量部を占める請求項１または請求項２に記載の電気接点材料。

【請求項4】

前記（ハ）のホウ酸化物は、Ｍ３_ａＢ_ｂＯ_ｃと表すことができ、
ａ＝２、ｂ＝２、ｃ＝５
で示される第１のホウ酸化物と、
ａ＝１、ｂ＝２、ｃ＝４
で示される第２のホウ酸化物と
のいずれかまたは両方を含む、請求項１から請求項３のいずれかに記載の電気接点材料。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれかに記載の電気接点材料を用いて構成された電気接点。

【請求項6】

（イ）：５〜５０質量部のＭ１、を用意する工程と、
（ロ）：（イ）と合計して１００質量部のＭ２および鉄族金属、を用意する工程と、
（ハ）：（イ）と（ロ）の合計質量１００質量部に対して０．０５〜８外部質量部のＭ３のホウ酸化物および／または前記Ｍ３のホウ酸化物の構成物、を用意する工程と、
前記（ロ）と前記（ハ）とを用いてスケルトン合金を形成する工程と、
前記スケルトン合金に前記（イ）を溶浸させる工程とを包含し、
ただし、
前記Ｍ１は、ＣｕまたはＡｇのいずれか１種または２種およびそれらの合金であり、
前記Ｍ２は、ＷまたはＭｏのいずれか１種または２種およびそれらの合金であり、
前記Ｍ３は、Ｃａ、Ｓｒ、ＢａまたはＭｇのいずれか１種または２種以上の金属であり、
前記Ｍ３のホウ酸化物の構成物は、酸化ホウ素と、前記Ｍ３の酸化物および／または炭酸化物とを含んでいる、電気接点材料の製造方法。

【請求項7】

前記（ハ）を用意する工程は、
前記Ｍ３のホウ酸化物の構成物として、前記酸化ホウ素の粉末と、前記Ｍ３の酸化物または炭酸化物の粉末とを用意する工程と、
前記酸化ホウ素の粉末と、前記Ｍ３の酸化物または炭酸化物の粉末とを混合し、熱処理する工程と
を包含する、請求項６に記載の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気機器や電気回路等の電気接点に利用される電気接点材料およびその製造方法、ならびに、それを用いた電気接点に関する。電気接点は、電気回路の遮断器、断路器および開閉器等の各種開閉機器において使用されてよい。

【背景技術】

【0002】

送配電や受配電網などの高圧大電流回路に使用する遮断器、断路器および開閉器等に用いる電気接点として、ＷとＣｕの複合材料や、ＷとＡｇの複合材料を用いた電気接点などが提案されている。

【0003】

大電流の開閉時には、開閉する二つの電気接点間にアーク（電弧）が生じる。

【0004】

接点の開閉により生じたアークが消弧するまでには、時間がかかる。このため、アークの両端に位置する接点部分は、消弧までの間、連続的に高熱にさらされる。この現象は、装置内をアークが消失しやすい雰囲気（例えばＳＦ₆ガス中）で満たしても、容易には解決されない。

【0005】

接点材料は、良導体であることが好ましい。加えて、電気接点は、アークによって溶融・蒸発しにくい材料が用いられることが好ましい。しかし、単一素材を用いての前記問題の解決は難しい。そこで、良導体と高融点・高沸点の材料とを組み合わせたＣｕ−Ｗ材料や、Ａｇ−Ｗ材料がその用途に主に用いられている。

【0006】

例えば、Ｃｕ−Ｗ材料は、Ｃｕマトリックス中にＷが分散している構造ではなく、連続した開気孔を有するＷのスケルトン中にＣｕが充填された構造を有する場合がある。この構造において、ＷはもちろんＣｕも連続している。ＷやＭｏがスケルトン構造を有していれば、融点の低いＣｕやＡｇが溶融しても、ＷやＭｏが脱粒しない（隣り合うＷやＭｏ粒子で保持された状態で残る）ので、接点材料の消耗は進行しにくい。これに対して、ＷやＭｏが、ＣｕやＡｇ中に分散した構造であれば、融点の低いＣｕやＡｇが溶融した際に、粒子状態のＷやＭｏが脱粒して接点材料の消耗が進行しやすい。

【0007】

このように、電気接点の開閉によって生じるアークは、電気接点を大きく蒸発・消耗させることがあるので、寿命が十分でないという問題がある。

【0008】

そこで、多くの先行文献において、Ｃｕ−Ｗ材料を基本的な材料とした電気接点材料が示されている。このような電気接点材料は、Ｃｕ−Ｗ材料に、様々な物質を添加することによって得られる。

【0009】

特許文献１には、Ｗ基またはＷＣ基合金、希土類元素または希土類酸化物などからなる耐アーク性導電材料が開示されている。特に希土類酸化物を含有した電気接点材料では、接点消耗量が大幅に低下することが記載されている。また、希土類酸化物の添加は、Ｗ基材料中のＡｇとの濡れ性を悪化させ、気孔を発生しやすくさせる。そこで、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕをさらに添加することによって、気孔を減少することが開示されている。

【0010】

特許文献２には、Ｗ、Ｍｏからなる第１成分と、銀（Ａｇ）または銅（Ｃｕ）からなる第２成分と、ホウ化ストロンチウムやホウ化ランタンなどのホウ化物からなる第３成分とを含む電気接点材料が開示されている。また、前記電気接点材料の第２成分に、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒのいずれかを添加することによって、電気接点材料の特性を向上させ得ることが記載されている。

【0011】

上記の組成を有する材料を用いて電気接点を作製すれば、電気接点の消耗量、耐溶着性、および、接触抵抗を改善することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開昭６３−０８３２４２号公報

【特許文献2】特開２００２−２９４３８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

しかし、本発明者の検討の結果、従来の電気接点では、電気接点の開閉により発生するアークによって消耗が進み易い場合があることがわかった。

【0014】

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、良好な電気伝導性を維持しながら高い耐アーク特性を発揮できる電気接点を提供することをその目的とする。また、電気接点の開閉により発生するアークに対して、消耗がより抑制される電気接点材料を提供することをその目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明の実施形態による電気接点材料は、次の（イ）（ロ）（ハ）の質量の和が総質量の９５質量％以上１００質量％以下を占める材料からなる電気接点材料である。（イ）：５〜５０質量部のＭ１、（ロ）：Ｍ２および鉄族金属元素を必ず含み、（イ）と合計して１００質量部のＭ２、鉄族金属および／またはＭ２と鉄族金属との合金、（ハ）：（イ）と（ロ）の合計質量１００質量部に対して０．０５〜８外部質量部のＭ３のホウ酸化物および／または前記Ｍ３のホウ酸化物の構成物。ただし、前記Ｍ１は、ＣｕまたはＡｇのいずれか１種または２種およびそれらの合金であり、前記Ｍ２は、ＷまたはＭｏのいずれか１種または２種およびそれらの合金であり、前記Ｍ３は、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、希土類金属のいずれか１種または２種以上の金属であり、前記Ｍ３のホウ酸化物の構成物は、酸化ホウ素と、前記Ｍ３の酸化物および／または炭酸化物とを含む。

【0016】

ある実施形態において、前記（ハ）のＭ３のホウ酸化物の一部または全部が分解しており、酸化ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₂、Ｂ₄Ｏ₃・２Ｈ₂Ｏ、Ｂ₄Ｏ₅のいずれか１種以上）と、Ｍ３酸化物（Ｍ３₂Ｏ₃、Ｍ３Ｏ₂）および／またはＭ３の炭酸化物（Ｍ３ＣＯ₃）のいずれか１種または２種以上の形態とで、存在している。

【0017】

ある実施形態において、鉄族金属の質量と、Ｍ２と鉄族金属との合金の質量との合計が、前記（イ）と前記（ロ）の合計質量１００質量部に対して、０．００５〜１質量部を占める。

【0018】

ある実施形態において、前記（ハ）のホウ酸化物は、Ｍ３_aＢ_bＯ_cと表すことができ、ａ＝２、ｂ＝２、ｃ＝５で示される第１のホウ酸化物と、ａ＝１、ｂ＝２、ｃ＝４で示される第２のホウ酸化物とのいずれかまたは両方を含む。

【0019】

本発明の実施形態による電気接点は、上記のいずれかの電気接点材料を用いて構成された電気接点である。

【0020】

本発明の実施形態による電気接点材料の製造方法は、（イ）：５〜５０質量部のＭ１、を用意する工程と、（ロ）：（イ）と合計して１００質量部のＭ２および鉄族金属、を用意する工程と、（ハ）：（イ）と（ロ）の合計質量１００質量部に対して０．０５〜８外部質量部のＭ３のホウ酸化物および／または前記Ｍ３のホウ酸化物の構成物、を用意する工程とを包含する。ただし、前記Ｍ１は、ＣｕまたはＡｇのいずれか１種または２種およびそれらの合金であり、前記Ｍ２は、ＷまたはＭｏのいずれか１種または２種およびそれらの合金であり、前記Ｍ３は、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、希土類金属のいずれか１種または２種以上の金属であり、前記Ｍ３のホウ酸化物の構成物は、酸化ホウ素と、前記Ｍ３の酸化物および／または炭酸化物とを含む。また、前記（ロ）と前記（ハ）とを用いてスケルトン合金を形成する工程と、前記スケルトン合金に前記（イ）を溶浸させる工程と、を包含する。

【0021】

ある実施形態において、前記（ハ）を用意する工程は、前記Ｍ３のホウ酸化物の構成物として、前記酸化ホウ素の粉末と、前記Ｍ３の酸化物または炭酸化物の粉末とを用意する工程と、前記酸化ホウ素の粉末と、前記Ｍ３の酸化物または炭酸化物の粉末とを混合し、熱処理する工程とを包含する。

【発明の効果】

【0022】

本発明の実施形態によれば、主として大電流を遮断する遮断器、断路器および開閉器等の各種開閉機器の接点として好適に用いられる電気接点材料を得ることができる。本発明の実施形態による電気接点材料を用いて作製される電気接点は、従来の電気接点に対して、遮断器等の開閉による消耗が比較的少なく、寿命が比較的長い。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の電気接点材料の組織の模式図である。

【図2】開閉器の模式図である。

【図3】電気接点の消耗の模式図である。（ａ）は使用前の図を示し、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は使用後の図を示す。

【図4】電気接点消耗のメカニズム（従来の電気接点）を説明するための図である。

【図5】電気接点消耗のメカニズム（本発明の実施形態の電気接点）を説明するための図である。

【図6】本発明の開閉器の一形態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

本発明の実施形態によれば、Ｍ１−Ｍ２の接点材料の基本構成（一例としてＣｕ−Ｗが挙げられる）に加えて、鉄族金属（およびＭ２と鉄族金属の合金）と、Ｍ３のホウ酸化物とを含む電気接点材料が提供される。

【0025】

ここで、Ｍ１は、ＣｕまたはＡｇのいずれか１種または２種およびそれらの合金を指す。Ｍ２は、ＷまたはＭｏのいずれか１種または２種およびそれらの合金を指す。Ｍ３は、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、希土類金属のいずれか１種または２種以上の金属を指す。また、前記鉄族金属とは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか１種または２種以上の金属を指す。

【0026】

上記のＭ３のホウ酸化物（例えば、ＳｒＢ₂Ｏ₄）は、その一部または全部が分解された状態で、接点材料中に存在していてもよい。また、上記のＭ３のホウ酸化物は、これに代替可能な複数の材料から構成されていても良い。本明細書では、これらの材料を「Ｍ３のホウ酸化物の構成物」と呼ぶことがある。「Ｍ３のホウ酸化物の構成物」は、Ｍ３の酸化物（例えば、ＳｒＯ₂）および／または炭酸化物（例えば、ＳｒＣＯ₃）と、酸化ホウ素（例えば、Ｂ₂Ｏ₃）とを含む。本発明の実施形態による接点材料は、「Ｍ３のホウ酸化物」および「Ｍ３のホウ酸化物の構成物」のいずれかのみを含んでいても良いし、もちろん、両方を含んでいても良い。ただし、典型的には、Ｍ３のホウ酸化物を含む。

【0027】

以下、電気接点を有する開閉器を閉状態から開状態に変化させる過程について、主に図２〜図５を用いて説明する。

【0028】

図２は、開閉器と、この開閉器を内蔵する密閉容器５とを含む遮断器１０の模式図である。図２の上方において、先端に電気接点１を有する第１接点（遮断器部材）１Ａが示されている。また、図２の下方において、同じく電気接点１を有する第２接点１Ｂが示されている。第１接点１Ａおよび第２接点１Ｂは、密閉容器５の中に収容されている。また、密封容器５は、ＳＦ₆ガス４によって満たされている。

【0029】

第１接点１Ａおよび第２接点１Ｂは、それぞれ、先端でアークの開閉を行なう電気接点１、電気接点１を保持する良導体であるシャンク２、シャンク２と密閉容器外の回路を電気的に接続するリード３を有する。

【0030】

この開閉器にて大電流を遮断する（すなわち、接点を閉状態から開状態にする）と、第１接点１Ａと第２接点１Ｂとの間にアークが発生する。アークの発生状態は直接の観察が難しい。そのために、発生時の詳細な挙動は不明である。しかし、その挙動は、使用後の第１接点１Ａおよび第２接点１Ｂを観察することによって、推定することができる。

【0031】

図３（ａ）は、使用前の接点の模式図（断面図）を示す。また、図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、使用後の接点の模式図（断面図）を示す。

【0032】

使用後においては、図３（ｂ）に示すように、接点が均一に消耗されることが好ましいが、実際には、図３（ｃ）および（ｄ）に示すように、接点部分はアークによって全体に均一に消耗するとは限らない。図３（ｃ）および（ｄ）に示す例では、対向する接点との距離が近い電気接点１の一部が極端に消耗している一方で、対向する接点との同等の距離や形状の部分でも、ほとんど消耗していない部分が存在する。消耗が激しい場合、図３（ｄ）に示すように、電気接点において、消耗部分６がシャンク２にまで達したり、多数のクラック７が生じることもある。このような消耗の不均衡が起る理由を、図４（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。

【0033】

図４（ａ）〜（ｄ）は、電気接点材料として、Ｃｕ−Ｗの複合材料を用いた場合における、接点の表面近傍を示す断面図である。接点が開き、隙間が生じた瞬間からアーク１２が発生し始める（図４（ａ））。このとき、仕事関数の低い部分において最初にアークが発生しやすい。各組成の仕事関数は、低い順に、Ａｇ、Ｃｕ（Ｍ１）＜Ｍｏ、Ｗ（Ｍ２）であるので、最初のアークはＣｕやＡｇから生じやすい。また、接点は一般に表面に凹凸がないように滑らかな面として仕上げ加工されている。そのために、電気接点表面部１１における最初のアークの発生箇所はランダムである。

【0034】

発生したアーク１２により、ＣｕやＡｇおよびその周りの箇所において、融点の低い材料は高温となることで蒸発し、融点の高いＷやＭｏの一部のみが残存する（図４（ｂ））。このとき、電気接点表面部１１において、消耗した部分６が存在する。電気接点の表面は、アーク発生前と比較して荒れている。そして、そこには主としてＷやＭｏからなる凹凸表面が形成される。

【0035】

その次に発生するアークの発生点は、仕事関数が低い部分と、面が粗く先端が突出した部分のいずれかから選択される。

【0036】

最初のアーク発生の際には、前述のように接点表面は滑らかに仕上げられた表面であるので、アークの発生箇所はランダムである。しかし、電気接点表面は、一旦、最初のアークが起った後には、最初のアークにより蒸発消耗が起っているために、面に凹凸が生じている。電気接点表面の凹凸のうちの凸の部分において、次回のアークが極めて発生しやすい。これは、建物への落雷が、突出した避雷針に落ちる現象と同様である。アークの発生は、それ以前のアーク発生で蒸発・消耗した箇所から生じやすくなる（図４（ｃ））。そのために、電気接点は局所的な消耗がますます進行しやすくなる（図４（ｄ））。接点の寿命（使用回数やアークの発生回数）は、局所的な消耗が生じた結果、より低下しやすい。

【0037】

この現象を回避するには、凸部が発生した際にも、その次に発生するアークをその凸部以外の別の箇所に発生させればよい。そのためには、より仕事関数の低い箇所（典型的には、極端に仕事関数の低い箇所）を表面に多数設ければよい。図５（ａ）〜（ｄ）に、Ｃｕ−Ｗの複合材料中に仕事関数の低い粒子１３が分散された構造の材料を示す。このような構造とすることで、最初にアーク１２が発生した後（図５（ａ）および（ｂ））、次のアーク１２は、電気接点の表面に多数設けられた仕事関数の低い部分から発生する（図５（ｃ）および（ｄ））。よって、電気接点の表面全体に満遍なくアークの発生、蒸発・消耗が起り、長寿命となる。

【0038】

発明者らは、より仕事関数の低い物質として、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、希土類金属のいずれか１種または２種以上の金属のホウ酸化物を選択した。また、それらのホウ酸化物の一部または全部が、酸化ホウ素およびＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、希土類金属の酸化物または炭酸化物のいずれか１種または２種以上に分解しており、上述したホウ酸化物の構成物の形態を為していても良いことを発見した。

【0039】

ホウ酸化物の仕事関数は測定が困難であり、その数値自体を得ることは困難である。しかしながら、それらの仕事関数は、後述の実施例から推測できるように、従来技術に開示されているホウ素、ホウ酸、酸化物などよりも低いと推定される。

【0040】

電気接点材料を、（イ）５〜５０質量部のＭ１（Ａｇ、Ｃｕ）と、（ロ）５０〜９５質量部（＝（イ）と合計して１００質量部）のＭ２、鉄族金属、および／または、Ｍ２と鉄族金属の合金とを含むように構成した理由は、融点が高くアークによる蒸発・消耗が起りにくい（ロ）を５０〜９５質量部とすることで、アークにより広範囲が一度に消耗しないという特長を得るためである。また、（ロ）は融点が高いために、開閉時に対向する接点と溶着を起こさない。もし（ロ）が５０質量部未満であれば、比較的低融点金属である（イ）の量が増える。そのために、電気接点はアークによる消耗が激しくなり、さらに、対向する接点と溶着しやすくなる。逆に（ロ）が９５質量部を超える組成は、導電性が落ち、耐衝撃性が低下することからやはり望ましくない。

【0041】

なお、Ｍ２の量が例えば７５〜９５質量部と高い場合は、電気接点材料の焼結性および溶浸性が低下し、製造が困難となることがある。そこで、（ロ）に鉄族金属を追加することによって、この低下した焼結性および溶浸性を補うことができる。すなわち、組成に鉄族金属を加えることにより、Ｍ２のスケルトン構造の製造がより容易になる。

【0042】

鉄族金属の一部または全部は、Ｍ２金属と合金化して焼結性をより高める効果を示す。その一方で、鉄族金属および鉄族金属とＭ２との合金は、その電気伝導性が低い。そのため、鉄族金属および／または鉄族金属とＭ２との合金を一定量以上添加すると、接点の電気的特長に悪影響を及ぼすおそれがある。前記の利点が十分に現れ、かつ、電気的特性が低下しない範囲は、原料段階で例えば０．００５〜１質量部程度である。

【0043】

（ハ）の添加の効果、種類選定についての理由は前述した。その量としては（イ）（ロ）の質量の合計を１００質量部として、０．０５〜８外部質量部がよい。（ハ）の量がこの範囲であれば、アーク発生時点で数多くの（ハ）粒子が接点表面に露出しており、そこがアーク発生の基点となりやすい。（ハ）の量が０．０５外部質量部未満であると、接点表面に十分な数が常に露出せず、添加の効果は限られる。また、ホウ酸化物は一般に焼結や溶浸を阻害する働きがある。そのために、（ハ）が８外部質量部を超えると、十分に緻密な電気接点材料を得るのは困難である。電気接点材料が緻密でなく、表面や内部に気孔を有していると、その周辺がアークの発生点になりやすく、均一な消耗を阻害する。このことを防止することが、前記（ロ）に鉄族金属を加える目的の一つでもある。鉄族金属を含有させることによって、ホウ酸化物による焼結や溶浸の阻害を抑える効果が期待できる。

【0044】

図１は、本発明の実施形態による電気接点用材料の組織を示す模式図である。（イ）、（ロ）はそれぞれに連続した構造を有している（模式図では切れているように見えるが、３次元組織ではそれぞれ連続している）。また、（ロ）のスケルトン構造の隙間を（イ）が埋める構造を有している。さらに（イ）（ロ）の粒界部や、（イ）の粒子内を中心に（ハ）が分散した構造を有している。

【0045】

（ハ）は、一部または全部が分解して、酸化ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₂、Ｂ₄Ｏ₃・２Ｈ₂Ｏ、Ｂ₄Ｏ₅）およびＭ３の酸化物（Ｍ３₂Ｏ₃、Ｍ３Ｏ₂）や炭酸化物（Ｍ３ＣＯ₃）の状態で存在していてもよい。

【0046】

前述のように、（ハ）のホウ酸化物は、ホウ酸化物そのままの形態で電気接点材料中に分散していることが、仕事関数の点からは最も望ましい。しかしながら、焼成や溶浸の工程中や、整形加工時の過熱などによって、その一部または全部が分解して酸化ホウ素およびＭ３酸化物、Ｍ３炭酸化物に分解する場合がある。

【0047】

分解により生成された酸化ホウ素およびＭ３酸化物（またはＭ３炭酸化物）は、Ｍ３ホウ酸化物ほどではないが、両方が一定量存在することにより、効果が得られる十分な程度に仕事関数を低くすることが可能である。したがって、Ｍ３酸化物、Ｍ３炭酸化物あるいは酸化ホウ素など（Ｍ３ホウ酸化物の構成物）を所定の量だけ含む場合も本発明の範囲内である。なお、Ｍ３ホウ酸化物の構成物は、Ｍ３ホウ酸化物の分解により生成されたものに限られず、原料として添加された酸化ホウ素およびＭ３酸化物（またはＭ３炭酸化物）であってもよい。

【0048】

Ｍ３のホウ酸化物は、一般に「Ｍ３_aＢ_bＯ_c」の形で表されるが、入手の容易性や化学的安定性の面から、前記式で「ａ＝２、ｂ＝２、ｃ＝５」「ａ＝１、ｂ＝２、ｃ＝４」のいずれか１種または両方を含むことが望ましい。前者としては例えばＳｒ₂Ｂ₂Ｏ₅が挙げられ、後者としては例えばＳｒＢ₂Ｏ₄が挙げられる。

【0049】

以上に示した組成を持つ電気接点材料を電気接点として用いれば、電気特性の劣化を防止しながら、寿命を向上させることができるので、好適である。

【0050】

本発明の実施形態による電気接点材料および電気接点は、例えば、以下に説明する工程にて得ることができる。

【0051】

（１）Ｍ２スケルトン製造
Ｍ２スケルトンは、Ｍ２であるＷまたはＭｏの粉末に、鉄族金属粉末とホウ酸化物粉末を混合したものから作製することができる。すなわち、Ｃｕ、Ａｇ以外の電気接点材料の成分は、Ｍ２スケルトンを製造する段階で添加してよい。

【0052】

Ｗ粉末、Ｍｏ粉末としては、平均粒子径が、０．１〜１００μｍ程度で純度が９９％以上のものを選定することが好ましい。

【0053】

なお、本明細書において、「平均粒子径」は、レーザー解析法により求められる、ｄ５０平均粒子径（累積５０％のメジアン径）を意味する。

【0054】

鉄族金属は、凝集が起らないように、できるだけ粒子径の細かいものを選定することが好ましい。使用に好適なものは平均粒子径が２００μｍ以下のものであるが、１００μｍ以下がより望ましい。

【0055】

この混合工程よりも前に、所望のホウ酸化物粉末を準備するが、ホウ酸化物粉末としては、例えば、市販されている粉末を用いることができる。

【0056】

あるいは、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａや希土類金属の酸化物および／または炭酸化物と、炭化ホウ素や炭酸ホウ素などのホウ素を有する物質とを混合し、酸化雰囲気中で熱処理を行なうことによって、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、希土類金属のホウ酸化物を得ることもできる。この際の酸素濃度や熱処理温度によって、形態の違う（前記ａ、ｂ、ｃの数が異なる）ホウ酸化物が得られる。また、得られたホウ酸化物を酸化雰囲気などの非還元雰囲気中、アトライターなどで粉砕することにより、より粒子径の小さいホウ酸化物粉末を得ることもできる。

【0057】

得られたホウ酸化物粉末と、Ｍ２粉末および鉄族金属粉末と混合する。混合にはアトライターやブレンダー、ヘンシェルミキサー、ボールミル、らいかい機などを用いることができる。この混合に際し、Ｗ粉末やＭｏ粉末は酸化しやすいので、メタノール雰囲気などの非酸化雰囲気中での処理を行うことが望ましい。鉄族金属粉末とホウ酸化物粉末とが均一に混合されるように十分に混合することが好ましい。

【0058】

ここで、（イ）（ロ）（ハ）以外の成分を故意に添加する場合は、前記ホウ酸化物の添加と同様の手順にて行なうことができる。すなわち、Ｍ２スケルトンの製造の際に粉末状態で添加する。添加できる成分は、例えば、酸化物やホウ化物、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａなどの金属である。これらの成分は付加的に含まれていても良いが、基本的に電気接点の性能を向上させる働きはないために、本説明では（イ）（ロ）（ハ）以外の成分を故意に添加する場合の説明は以後省略する。

【0059】

得られた混合粉末を、必要に応じて成形用バインダーを加えた上で、５〜１５０ＭＰａ程度で金型プレスまたは冷間静水圧プレス成形し、Ｈ₂雰囲気などの還元性の雰囲気にて９００〜１６００℃程度に加熱する。接触したＭ２の粒子同士がネッキングを開始した状態に至っていれば十分である。この時点で、Ｍ２粒子間の気孔は連続状態にあり、またハンドリングに十分な強度を持っている。こうしてＭ２のスケルトンが得られる。

【0060】

添加された鉄族金属は、ＷやＭｏとの合金を形成し、Ｍ２粒子のネッキングを助ける。これによって、緻密化を進め、スケルトン強度を増すことができる。一方、ホウ酸化物は、Ｍ２との濡れ性が極めて低く、Ｍ２粒子の軟化やネッキングを妨げる。このため、ホウ酸化物を添加すると、崩れやすく、ハンドリング性に問題があるＭ２スケルトンが生成されやすかった。このため、本発明の実施形態では、前述のように鉄族金属を添加することによって、ホウ酸化物を添加していても、ハンドリングやその後の製造処理に十分な強度のＭ２スケルトンが得られるようにしている。

【0061】

（２）Ｍ１のＭ２への溶浸
（１）で得られたＭ２スケルトンに、Ｍ１であるＣｕ、Ａｇを溶浸する。

【0062】

Ｍ１：Ｃｕ、Ａｇの場合、Ｍ２スケルトンの連続気孔の径がある程度小さければ、Ｍ１の融点以上の温度では毛細管現象により溶浸を行なうことができる。

【0063】

溶浸は、セラミックスやカーボンなどの耐熱容器を用いて、溶浸に十分な量のＭ１の中にＭ２スケルトンを埋設し、その状態でＨ₂雰囲気などの還元雰囲気にてＣｕの融点である１０８４℃やＡｇの融点である９６２℃以上に加熱することによって行われてよい。毛細管現象によりＭ２スケルトンにＭ１が十分溶浸されれば、材料は完成する。このように、Ｍ１が溶融した状態でＭ２スケルトンと接する状態に設置することによって溶浸を行うことができる。

【0064】

得られた材料を所望の電気接点形状に加工することにより、本発明の電気接点材料を得ることができる。

【0065】

また、この材料から溶浸余剰のＭ１を取り除き、必要に応じて所望の形状に加工し、さらに必要に応じて台金金属と接合することにより本発明の電気接点を得ることができる。

【0066】

以下、本発明の電気接点材料の実施例を説明する。

【実施例】

【0067】

（実施例１）
Ｗスケルトンを作製する原料として、平均粒子径が約４μｍのＷの粉末と、平均粒子径が約１μｍのＣｏおよびＳｒのホウ酸化物の粉末を準備した。Ｓｒホウ酸化物としては、平均粒子径が約５μｍの市販のＳｒＢ₂Ｏ₄（ホウ酸ストロンチウム）粉末を使用した。

【0068】

これらの粉末を、ヘンシェルミキサーにて３０分間混合し、混合粉末を得た。

【0069】

次に、混合粉末に対して５０ＭＰａの圧力にて金型プレスを行い、直方体の成形体を得た。

【0070】

酸化物耐熱容器に成形体が十分収まる凹状部の部位を設け、その中に成形体を設置し、Ｈ₂雰囲気１１５０℃にて６０分間焼結を行ない、理論密度比で約６５％のスケルトン（気孔が約３５％）を得た。

【0071】

このスケルトン上に、溶浸に十分な量の板状のＣｕを設置し、この状態でＨ₂雰囲気、１１００℃にて２０分間溶浸を行い、本発明の実施例の電気接点材料を得た。

【0072】

得られた電気接点材料において、（イ）のＣｕが２０．０質量部を占め、（ロ）のＷが７９．９質量部、Ｃｏが０．１質量部を占め、（イ）と（ロ）の合計で１００質量部であった。これに加えて、（ハ）として１．０外部質量部のＳｒＢ₂Ｏ₄が含まれていた。（ロ）については、ＣｏとＷが一部合金化していた。

【0073】

得られた材料から溶浸しきれなかった余分なＣｕを取り除いて直方体状とし、さらにフライス盤にて切削加工を行なうことによって、図３（ａ）に示すような直方体の一つの面の４角部の周りが滑らかな孤の形状となるように面取りされた電気接点が得られた。

【0074】

次に、電気接点１を、銅のシャンク２に鋳包み固着(internal chill casting)して、シャンク２の先端に接合した。その後にシャンク２を鍛造にて硬化処理した。

【0075】

以上の手順にて、試料１として、本発明の実施例の電気接点を有する遮断器部材を得た。この遮断器部材の２つを、図２に示すように電気接点部を対向させて、電気の正極および負極をリード３を介してそれぞれの端点につないだ。両遮断器部材を高圧のＳＦ₆ガス４が封入された密閉容器中５に固定して、遮断器をつないだ状態（電流が流れる状態）とした。印加した電流は２５００アンペア、電圧は２３０ボルトである。対向した面に対する垂直方向において規定される電気接点の厚さは５ｍｍである。この試料を試料１とする。

【0076】

この状態で、密閉容器中の遮断基部材の操作機構を作動させることにより、電流の遮断および開閉を１０回繰り返す試験を行った。

【0077】

試験後に通電を止め、ＳＦ₆ガスを排気した後に、遮断器部材を取り出し、接点部分の調査を行なった。

【0078】

外観を観察したところ、図３（ｂ）に示すように、開閉した電気接点１同士の対向する面の全面において、なだらかな消耗が発生していた。測定の結果、電気接点１の消耗量は２．６３ｍｍ³であった。

【0079】

また、試料２の実施例は、試料１と他の条件は同じで、（ハ）がＳｒＢ₂Ｏ₄、Ｂ₂Ｏ₃およびＳｒＯ₂を含むように構成されている実施例である。ＳｒＢ₂Ｏ₄は市販されているが、純度が高いものは高価である。そこで、安価であるＢ₂Ｏ₃およびＳｒＯ₂の粉末を購入し、両者を混合した状態で酸化雰囲気にて熱処理して同等のものを得ることを考えた。熱処理後に得られた粉末は、完全なＳｒＢ₂Ｏ₄となっておらずに、分析の結果Ｂ₂Ｏ₃およびＳｒＯ₂がそれぞれ１０質量％ずつ残る混合物であった。試料２は、この混合物を市販のＳｒＢ₂Ｏ₄の代りに用いた試料である。

【0080】

この試料２についても試料１と同様の試験を行ったが、接点の表面において全面的になだらかな消耗が起っており、消耗量は２．６６ｍｍ³であった。

【0081】

（実施例２）
次に、下記の表１〜３に示すように、電気接点材料のみを変更して、実施例１と同様の試験を行った。試料３〜５０は本発明の実施例にかかる試料、比較試料１０１〜１３２は本発明の範囲外の比較試料である。（ロ）については、Ｍ２と鉄族金属との一部または全部が合金化しているが、どのような形態で最終的に存在するかは観察するのが困難であるために、原料投入時点での質量分率を記載した。最終生成物としては、Ｍ２（単体）、鉄族金属、Ｍ２と鉄族金属の合金、のいずれかの形態で（ロ）としての相を形成している。

【0082】

また、Ｍ１と鉄族金属との間で若干の反応が起こり、例えばＣｕ−Ｃｏの合金を作ることがわかっているが、（イ）（ロ）の界面を中心に限られた領域でのみ合金化すると考えられるために、最終生成物のこれらの合金の形態については考慮していない。

【0083】

それぞれの試料について、まずは比較試料から説明する。

【0084】

表３に示す比較試料１０１は、従来から多用されているＣｕ−Ｗのみからなる電気接点材料である。比較試料１０１は、Ｗスケルトン中にＣｕが充填された構造を持つ。

【0085】

比較試料１１１〜１１４は、Ｃｕ−Ｗにホウ化物（例えば、ホウ化ストロンチウム）や希土類金属酸化物を加えることによって作製された従来の電気接点材料である。

【0086】

また、比較試料１１５、１１６は、Ｃｕ−Ｗに、鉄族金属と、Ｙ、Ｌａの酸化物とを加えた、またはさらに鉄族金属を加えた電気接点材料である。

【0087】

次に本発明の実施例について説明する。

【0088】

試料３〜７は、試料１の（イ）であるＣｕと、（ロ）であるＷ（またはＭｏ）との配合比をそれぞれ変更したものである。また、試料８は、試料５のＣｕに替えてＡｇを用いた例である。なお、比較試料１０２は、（イ）（ロ）の質量比が本発明の範囲外である。試料６は、Ｍ２としてＭｏを用いた例である。

【0089】

試料２１〜試料２６は、（イ）（ロ）について優れた性能を示した試料５において、（ハ）の分量（外部質量部）を様々に変更した試料である。なお、本発明の範囲外の（ハ）の分量とした比較試料は、比較試料１３１、１３２とした。

【0090】

表２に示す試料３１〜試料３４は、（ハ）として最も優れた性能を示した試料２３をもとに、（ハ）の種類を変えて試験を行った。また、（ロ）に含まれる鉄族金属（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）の種類を適宜選択している。

【0091】

試料４１〜試料４４は、試料２３で用いたＳｒＢ₂Ｏ₄の一部または全部を、ＳｒＯ₂と、Ｂ₂Ｏ₃またはＳｒＣＯ₃とで置換した試料とした。なお、試料４１では、（ハ）のうち１０質量％ずつのＳｒＯ₂およびＢ₂Ｏ₃で置換し、試料４２ではそれぞれ２５質量％ずつのＳｒＯ₂およびＢ₂Ｏ₃で置換し、試料４３では全てのＳｒＢ₂Ｏ₄を５０質量％ずつのＳｒＯ₂およびＢ₂Ｏ₃で置換した。試料４４では、全てのＳｒＢ₂Ｏ₄を５０質量％ずつのＢ₂Ｏ₃とＳｒＣＯ₃で置換した。なお、ホウ酸化物以外の成分は、表２〜３中の「その他」の欄に記載した。

【0092】

試料４５〜４９は、試料３１の組成中の（ロ）に含まれる鉄族金属の量や種類を変更した試料である。試料３１の（ロ）は、Ｗ６９．９質量部＋Ｃｏ０．１質量部であるが、この組成をＷを６９．０〜６９．９９５質量部の範囲で変化させ、鉄族金属を０．００５〜１．０質量部の範囲で変化させた。なお、試料４８は、鉄族金属としてＮｉを用いた例であり、試料４８は、鉄族金属としてＣｏとＮｉとの両方を用いた例である。また、試料５０は、Ｗ６８．０質量部＋Ｃｏ２．０質量部の例である。

【0093】

【表1】

【0094】

【表2】

【0095】

【表3】

【0096】

電極材消耗量の評価は、電気接点部分を３次元形状測定器で測定することによって行った。使用前の体積から使用後の体積の値を引き、消耗量（ｍｍ³）を求めた。

【0097】

また、全体的に均一に消耗しているかどうかの評価を併せて行なった。この評価は、図３（ｃ）、（ｄ）に示すような局所的な消耗が起っているかを目視にて判断することによって行った。局所的に消耗した試料にはＸを、図３（ｂ）のように接点が対向した面が均一に消耗している試料にはＡを付与した。結果を表４〜表６に示す。

【0098】

【表4】

【0099】

【表5】

【0100】

【表6】

【0101】

試料３〜試料７および比較試料１０２の結果は、大電流を遮断するには、（イ）（ロ）の比として、（イ）Ｃｕが５〜５０質量部、（ロ）Ｗが５０〜９０質量部が良好であること示している。比較試料１０２は、溶着や銅製のシャンク部分までの消耗やクラックの到達はなかったが、試料１、２と比較すると消耗が大きかった。比較試料１０２よりも（イ）を増やすと、さらに消耗量が増え、使用が難しいことは明白であった。

【0102】

消耗やクラックの発生において、特に優れていたのは（イ）が３０質量部、（ロ）が７０質量部の試料であった。

【0103】

試料３は、（ロ）であるＷの質量割合が最も多い試料であるが、試験後の表面には多くのクラックが観察された。Ｗは融点が高い一方で、脆い金属であり、延性が低い。脆いＷの割合が高い組成であると、Ｗからなるスケルトンの構造が緊密で変形しにくい構造となる。そのスケルトン中にＣｕを溶浸しても延性の向上はできない。そのために、アークの衝撃でスケルトンにクラックが発生しやすく、また発生したクラックが伝播しやすい。結果として、これよりもＷの質量割合を高くした組成では、アークによりクラックが発生しやすく、そのクラックから電気接点が欠損しやすくなり、使用に耐えにくいと判断できる。

【0104】

試料８は、試料５のＣｕに代えてＡｇを用いた例である。Ｍ１としてＡｇを使用した試料の方が、同じくＣｕを使用した試料と比較してさらに消耗は少なかった。

【0105】

比較試料１０１は、ＣｕとＷのみからなる、従来の電気接点材料である。

【0106】

試料２１〜試料２６および比較試料１３１、１３２は、（イ）（ロ）について優れた特性を示した試料５の比率を採用するとともに、（ハ）の分量（外部質量部）を様々に変更したものである。

【0107】

（ハ）の配合割合を変えて試験した試料２１〜試料２６および比較試料１３１、１３２について、最も消耗が小さい試料は（ハ）であるＳｒＢ₂Ｏ₄が１．０外部質量部の試料２３であった。最も（ハ）の量が少ない比較試料１３１では、添加の効果がほとんど見られず、比較試料１０１とほぼ同様の消耗であった。

【0108】

（ハ）の添加量を０．０５外部質量部とした試料２１からは添加の効果が明確に見られ、アークによる消耗は電気接点が対向する面ほぼ全部に亘りなだらかに起っていた。この効果は、１．０外部質量部まで、添加量の増加とともにその特性を示すが、８質量部を超えた比較試料１３２については、焼結性が著しく劣化しており、製造が困難であった。

【0109】

試料３１〜試料３４は、（ハ）として特に優れた性能を示した試料２３をもとに、（ハ）の種類を変えた試験を行った。（ハ）として用いたホウ酸化物は、それぞれ、ＬａＢＯ₃、ＢａＢ₂Ｏ₄、Ｍｇ₃（ＢＯ₃）₂、ＣａＢ₂Ｏ₄である。

【0110】

これらはいずれも添加することにより、Ｃｕ−Ｗ材料や従来の技術よりも顕著な電気接点の消耗を低く抑えることができ、クラックの発生も同じく改善されている。

【0111】

試料４１〜４４は、（ハ）のホウ酸化物の一部または全部を、酸化ホウ素と、Ｍ３酸化物（Ｍ３₂Ｏ₃、Ｍ３Ｏ₂）またはＭ３の炭酸化物（Ｍ３ＣＯ₃）のいずれかに置換した試料である。いずれの試料も（ハ）がホウ酸化物である場合とほぼ同様の消耗であり、優れた特性を示した。

【0112】

試料４５〜４９および試料５０は、（ロ）の総量は変えずに、（ロ）に含まれる鉄族金属の量や種類を変更した試料である。試験結果から、鉄族金属の量が（イ）（ロ）の合計１００質量部に対して０．００５〜１．０質量部の範囲で特に良好であることが確認された。この範囲内であれば、焼結や溶浸が特に良好であった。また、アークによって蒸発しやすい鉄族金属の量が好適であるので、より鉄族金属の量が多い場合（試料５０）に比べて、アークに対する電極接点の消耗を、より十分に少なくすることができた。なお、Ｍ２と鉄族金属との合金が形成される場合には、鉄族金属の量と、Ｍ２と鉄族金属との合金の量との合計が、（イ）（ロ）の合計１００質量部において０．００５〜１．０質量部の範囲内に設定されていることが好ましい。

【0113】

（実施例３）
実施例２に示した試料４１の電気接点材料を、図６に示すような棒材とカップ材の形状の組合せから構成される、アークが多点から発生する構造の電気接点１に使用した。

【0114】

実施例３の遮断器１０においても、密閉容器５内に配置される電気接点１およびシャンク２の形状などは異なっているが、図２に示した遮断器１０と同様に、電気接点材料の消耗を好適に制御することができた。なお、図６に示す遮断器１０では、断面Ｕ字型（いわゆる、チューリップ型）の遮断器部材（図の右側）には、電極を押し引きする機構８が接続されている。

【0115】

このような形態を有する遮断器においても、本発明の実施形態による電気接点１は好適に利用される。

【産業上の利用可能性】

【0116】

本発明の実施形態による電気接点材料は、例えば、電気回路の遮断器、断路器および開閉器等の各種開閉機器において好適に利用される。

【符号の説明】

【0117】

１ 電気接点
２ シャンク
３ リード
４ ＳＦ₆ガス
５ 密閉容器
６ 電気接点の消耗した部分
７ クラック
８ 押し引き機構
１０ 遮断器
１１ 電気接点表面部
１２ アーク
１３ 仕事関数の低い粒子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】