觸點(diǎn)材料和使用它的開關(guān)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供觸點(diǎn)材料和使用它的開關(guān)，其能夠防止包括銅和鎢的復(fù)合材料的觸點(diǎn)材料由于在斷開時(shí)產(chǎn)生的電弧導(dǎo)致的龜甲狀的破裂，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命化，高效地進(jìn)行壽命管理。該觸點(diǎn)材料由Cu-W類復(fù)合材料形成，該Cu-W類復(fù)合材料包含25～70體積%的銅和30～75體積%的鎢，在使鎢的總量為100體積份時(shí)，顆粒徑為60～200μm的粗大鎢顆粒占25～100體積份。
【專利說明】觸點(diǎn)材料和使用它的開關(guān)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及在電氣設(shè)備或電路等電觸點(diǎn)中利用的觸點(diǎn)材料。上述觸點(diǎn)材料例如在 電路的開關(guān)、斷路器和開閉器等各種開閉設(shè)備中使用。

【背景技術(shù)】
[0002] 作為在送配電、受配電網(wǎng)等高壓大電流電路中使用的開關(guān)、斷路器和開閉器等所 具有的電觸點(diǎn)，提案了很多使用W和Cu的復(fù)合材料（以下也記載為"Cu-W材料")、W和Ag的 復(fù)合材料的電觸點(diǎn)等。
[0003] 在大電流用途的情況下，在開閉時(shí)在一對(duì)電觸點(diǎn)間產(chǎn)生電?。╝rc )。
[0004] 由于觸點(diǎn)的開閉而一度產(chǎn)生的電弧，需要時(shí)間才會(huì)消失。與電弧的兩端相接的觸 點(diǎn)的表面，在電弧消失之前都連續(xù)地承受高熱，因此隨著開閉而消耗。即使在消弧室內(nèi)充滿 例如SF6那樣的電弧容易消失的氣體，該現(xiàn)象也不能夠被充分解決。
[0005] 觸點(diǎn)材料必須是電和熱的良導(dǎo)體。此外，必須難以由于電弧而熔融、蒸發(fā)。難以使 用單一的原材料達(dá)成該條件。于是，在該用途中主要使用組合良導(dǎo)體的材料和高熔點(diǎn)、高沸 點(diǎn)的材料的Cu-w材料、Ag-w材料。有時(shí)也使用Mo、WC代替W。
[0006] 例如，上述Cu-W材料一般具有在具有開氣孔的W的骨架中填充有Cu的構(gòu)造。W、 Mo具有骨架構(gòu)造，由此即使熔點(diǎn)較低的Cu或Ag熔融，也能夠由相鄰的W或Mo顆粒保持著 維持骨架構(gòu)造的狀態(tài)。因此，W、Mo不會(huì)脫粒，消耗難以進(jìn)一步發(fā)展。此外，也能夠采用增加 W量，在W顆粒的間隙散布Cu的組織，此時(shí)W彼此的結(jié)合牢固，因此消耗也難以進(jìn)一步發(fā)展。
[0007] 此處所述的"消耗"中大致能夠分為兩種方式。以下，參照?qǐng)D2 (a)?（d)說明兩 個(gè)方式的"消耗"。另外，圖2 (a)是消耗了的觸點(diǎn)的立體圖，圖2 (b)?（d)是從圖2 (a) 所示的觀察角度8的方向看時(shí)的觸點(diǎn)的側(cè)視圖。
[0008] 第一種方式是如圖2 (d)所示，在與電弧接觸的觸點(diǎn)表面存在的W或Mo、Cu或Ag 被電弧熱加熱而熔融、蒸發(fā)，大致保持使用前的面形狀地逐漸消耗。在本說明書中下面也將 該消耗稱為"面消耗"。當(dāng)發(fā)生面消耗時(shí)，觸點(diǎn)的表面位置從使用前的觸點(diǎn)表面位置9大致 均勻地后退。
[0009] 第二種方式是如圖2 (a)、(b)、（c)所示，裂紋5從觸點(diǎn)表面向觸點(diǎn)內(nèi)部發(fā)展，當(dāng)進(jìn) 一步發(fā)展時(shí)，在內(nèi)部裂紋5與表面大致平行地發(fā)展，同時(shí)消耗不斷發(fā)展。在本說明書中下面 也將該消耗方式稱為"局部消耗"。當(dāng)發(fā)生多個(gè)局部消耗時(shí)，裂紋5彼此連接，在觸點(diǎn)表面產(chǎn) 生所謂的"龜甲狀"的網(wǎng)狀的裂紋(參照?qǐng)D4)。然后，由于該龜甲狀的裂紋成為分割狀態(tài)的 表面的一部分，由于電弧的沖擊而塊狀剝離（圖2 (c))，剝離、脫落的部分7從觸點(diǎn)1飛散。
[0010] 當(dāng)發(fā)生塊狀的剝離時(shí)，存在與觸點(diǎn)體積急劇減少的同時(shí)剝離的碎片留在觸點(diǎn)表面 的情況。觸點(diǎn)體積的減少相對(duì)來說使對(duì)觸點(diǎn)的負(fù)載增加。此外，存在于觸點(diǎn)表面的碎片容 易成為新的發(fā)弧點(diǎn)。進(jìn)一步，在剝離的部分與其周圍產(chǎn)生臺(tái)階差，這也會(huì)成為新的發(fā)弧點(diǎn)。 當(dāng)發(fā)弧點(diǎn)增加時(shí)，電弧難以消失，由電弧引起的消耗更進(jìn)一步發(fā)展。由于這些理由，"局部消 耗"在使用上非常地不希望出現(xiàn)。
[0011] 在專利文獻(xiàn)1中公開了包括耐火金屬（C、Mo、W等)、高導(dǎo)電率金屬（Cu等）和不可 避免雜質(zhì)，規(guī)定耐火金屬的含有量，耐火金屬與高導(dǎo)電率金屬的界面的70%以上分離的電 觸點(diǎn)材料。此外，記載了耐火金屬的粒徑處于10?KMym的范圍。因?yàn)樯鲜龇蛛x，具有觸 點(diǎn)彼此的剝離時(shí)的力量變小的效果。
[0012] 在專利文獻(xiàn)2中公開了在Ag矩陣中具有粒徑不同的兩種WC顆粒的真空閥用觸點(diǎn) 材料。記載了 WC的平均粒徑適于采用大顆粒為6?12 i! m，小顆粒為0. 8?5. 0 i! m。
[0013] 在專利文獻(xiàn)3中公開了包含鎢、銅、金屬成分和X的電觸點(diǎn)材料。記載了鎢的含有 量?jī)?yōu)選為30?80體積％，其粒徑為200 ii m以下較好。
[0014] 在非專利文獻(xiàn)1中公開了，在使用SF6氣體等的氣體開關(guān)中，在0. 2kA (千安)的低 電流斷開中，W粒徑越小觸點(diǎn)的電弧消耗越小，同樣地在2. 5kA中，在10 ilm以下的粒徑時(shí) 在觸點(diǎn)表面產(chǎn)生裂紋(局部消耗)，此時(shí)鎢的顆粒徑為20 y m左右較好等。
[0015] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0016] 專利文獻(xiàn)
[0017] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開2010 - 061935號(hào)公報(bào)
[0018] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開2008 - 019481號(hào)公報(bào)
[0019] 專利文獻(xiàn)3 :日本特開2001 - 184963號(hào)公報(bào)
[0020] 非專利文獻(xiàn)
[0021] 非專利文獻(xiàn) 1 :T. IEE Japan, Vol. 116-B，No. 3, ' 96 "SF6 氣體中 Cu-W 觸點(diǎn)的負(fù)載 電流域中的電弧消耗特性"堀浩一(安川電機(jī)）等


【發(fā)明內(nèi)容】

[0022] 發(fā)明想要解決的技術(shù)問題
[0023] 在專利文獻(xiàn)1中記載了，使耐火金屬的顆粒徑為10?104 iim的范圍，控制固相燒 結(jié)后的冷卻速度，由此利用耐火金屬和高導(dǎo)電率金屬的熱膨脹差在兩者的界面產(chǎn)生殘留應(yīng) 力，使兩者的界面分離的方法。但是，上述界面的70%以上分離時(shí)，由于電弧產(chǎn)生時(shí)的熱沖 擊，裂紋從該分離部分發(fā)展，局部消耗容易發(fā)展。由此，多不適合用作氣體開關(guān)、斷開數(shù)kA 以上的電流的觸點(diǎn)材料。
[0024] 在專利文獻(xiàn)2中，表示了將小WC和大WC的顆粒分散在Ag中的固相燒結(jié)的Ag-WC 類觸點(diǎn)材料。小WC的顆粒徑為0. 6?5 y m，大WC為6?13 y m。用途是真空閥用觸點(diǎn)。此 時(shí)，因?yàn)樵谡婵罩惺褂?，所以選擇在真空中斷開電流低的Ag和WC的組合。此外，WC是陶瓷 質(zhì)，因此難以得到大顆粒徑的粉末。在氣體中使用時(shí)能夠使用廉價(jià)的Cu-W類觸點(diǎn)材料，不 需要使用高價(jià)的Ag-WC類觸點(diǎn)材料。
[0025] 在專利文獻(xiàn)3中記載了，作為高熔點(diǎn)金屬的W的顆粒徑為200 ii m以下，在Cu中析 出的金屬Cr的顆粒徑為100 iim以下。此外，在專利文獻(xiàn)3的第[0060]段落中進(jìn)行了使W 顆粒徑變化為2、10、20、100、180 iim時(shí)的消耗量試驗(yàn)，結(jié)果如文獻(xiàn)中圖8所記載的那樣，表 示了 W顆粒徑為10 時(shí)耐消耗性最優(yōu)異，越比此值大則消耗量越差的結(jié)果。這能夠考慮 是如專利文獻(xiàn)3的第[0035]段落所記載的那樣，為了斷開490A這樣的比較小的電流而產(chǎn) 生的現(xiàn)象。在非專利文獻(xiàn)1中也表示了，在斷開200A的電流時(shí)，W的顆粒徑越大則消耗越 大的結(jié)果。
[0026] 這樣，提供了用于防止包含鎢的觸點(diǎn)材料的消耗的各種方法，但是存在上述那樣 的極力減少"局部消耗"的發(fā)生的技術(shù)問題。此外，此時(shí)使得成為與現(xiàn)有技術(shù)中一直使用的 觸點(diǎn)相同程度的消耗量也是技術(shù)問題。
[0027] 在進(jìn)行比數(shù)kA更大的電流斷開時(shí)，局部消耗的發(fā)生比較顯著。由此，特別希望對(duì) 在數(shù)kA或比此更大的電流斷開中使用的觸點(diǎn)進(jìn)行改良。
[0028] 開關(guān)根據(jù)其絕緣介質(zhì)的不同而存在多個(gè)種類，最近多使用氣體開關(guān)和真空開關(guān)這 兩種。真空開關(guān)在原理上能夠容易地?cái)嚅_商電流。但是，其適用范圍最大為154kV以下，在 高壓、高容量化的觀點(diǎn)下不如氣體開關(guān)。這是因?yàn)?，為了達(dá)到高壓、高容量化需要大的消弧 室，但高真空的大消弧室難以實(shí)現(xiàn)。于是，在變電所等大電流斷開時(shí)，大部分使用氣體開關(guān)。
[0029] 作為真空開關(guān)的觸點(diǎn)材料除了上述AgWC材料之外，也多使用CuCr材料(鉻銅合 金)。在真空中斷開電流成為問題，但CuCr材料的斷開電流比Cu-W材料的斷開電流低，因 此能夠使用CuCr材料。另一方面，在氣體中使用的觸點(diǎn)材料不需要擔(dān)心斷開電流，使用包 含比Cr熔點(diǎn)高的W的Cu-W材料。
[0030] 本發(fā)明是鑒于上述課題而提出的，其目的在于提供例如在高壓大電流用途的氣體 開關(guān)中能夠適用的、局部消耗小的觸點(diǎn)材料和具有它的開關(guān)。
[0031] 用于解決技術(shù)問題的技術(shù)方案
[0032] 本發(fā)明的實(shí)施方式的觸點(diǎn)材料是由Cu-W類復(fù)合材料形成的觸點(diǎn)材料，該Cu-W類 復(fù)合材料包括25?70體積％的Cu和30?75體積％的W，在使所述W的總量為100體積 份時(shí)，顆粒徑為60?200 ii m的粗大鎢顆粒占25?100體積份。
[0033] 在一個(gè)實(shí)施方式中，除去上述粗大鎢顆粒的余下的W的平均顆粒徑處于0. 5? 25 u m的范圍內(nèi)。
[0034] 在一個(gè)實(shí)施方式中，上述粗大鎢顆粒占觸點(diǎn)材料整體的比例為20?60體積％。
[0035] 在一個(gè)實(shí)施方式中，相對(duì)于Cu和W的合計(jì)質(zhì)量100質(zhì)量％，鐵族金屬、硼、氧化硼、 硼化物、金屬硼氧化物中任一種或兩種以上的添加物被合計(jì)添加〇. 1?6外部質(zhì)量％。
[0036] 本發(fā)明的實(shí)施方式的氣體開關(guān)具有上述任一種觸點(diǎn)材料。
[0037] 本發(fā)明的實(shí)施方式的氣體開關(guān)具有在金屬座上接合有由上述任一種觸點(diǎn)材料形 成的觸點(diǎn)的觸點(diǎn)部件。
[0038] 在一個(gè)實(shí)施方式中，上述氣體開關(guān)具有能夠開閉的一對(duì)上述觸點(diǎn)材料，在閉合上 述一對(duì)觸點(diǎn)材料時(shí)流過1. 5?70kA的電流，通過打開上述一對(duì)觸點(diǎn)材料切斷上述電流。
[0039] 發(fā)明效果
[0040] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，能夠得到具有以下特性的觸點(diǎn)材料。
[0041] (1)在斷開比較大的電流時(shí)也能夠防止局部消耗，消耗以面消耗為中心進(jìn)行。因 此，沒有大組織從表面脫落，觸點(diǎn)壽命能夠根據(jù)斷開次數(shù)等容易地計(jì)算出來。因此，能夠降 低觸點(diǎn)的更換頻率，在運(yùn)用開關(guān)的方面是經(jīng)濟(jì)的。
[0042] (2)面消耗以與現(xiàn)有的觸點(diǎn)材料大致同等的速度進(jìn)行。
[0043] (3)特別是在使用SF6等消弧氣體的氣體開關(guān)用觸點(diǎn)中使用時(shí)，上述特性顯著體 現(xiàn)。這是使耐弧成分為Cr時(shí)完全不會(huì)得到的特性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0044] 圖1是觸點(diǎn)裝置的示意圖。
[0045] 圖2是觸點(diǎn)的龜甲狀破裂的示意圖。
[0046] 圖3是本發(fā)明的實(shí)施方式的鎢的粒度分布的一個(gè)例子。
[0047] 圖4是龜甲狀破裂的觸點(diǎn)的接觸面的照片。
[0048] 圖5是本發(fā)明的實(shí)施方式的觸點(diǎn)材料的組織照片的一個(gè)例子。
[0049] 圖6是本發(fā)明的實(shí)施方式的觸點(diǎn)材料的組織照片的一個(gè)例子。
[0050] 圖7是鎢顆粒徑測(cè)定圖。
[0051] 圖8是現(xiàn)有的觸點(diǎn)材料的組織照片的一個(gè)例子。
[0052] 圖9是總裂紋深度的測(cè)定方法的示意圖。
[0053] 圖10是使用后的本發(fā)明的實(shí)施例的觸點(diǎn)表面的照片。
[0054] 圖11是使用后的比較例的觸點(diǎn)表面的照片。
[0055] 附圖標(biāo)記說明
[0056] 1 觸點(diǎn)
[0057] 2金屬座
[0058] 3釬焊部
[0059] 5 裂紋
[0060] 7剝離、脫落的部分
[0061] 8觀察角度
[0062] 9使用前的觸點(diǎn)表面位置
[0063] 10觸點(diǎn)裝置

【具體實(shí)施方式】
[0064] 首先，說明本發(fā)明的實(shí)施方式的觸點(diǎn)材料的概要。
[0065] 通過使觸點(diǎn)材料為"Cu和W的復(fù)合材料，包含觸點(diǎn)材料整體的30?75體積％的 鎢，使上述鎢的總量100體積份中的25體積份以上為顆粒徑60?200 y m的粗大鎢顆粒"， 由此能夠得到不易發(fā)生局部消耗，不易發(fā)生龜甲狀的裂紋的觸點(diǎn)材料。
[0066] 該觸點(diǎn)材料適用于斷開1. 5?70kA左右的比較大的電流。如果要斷開比此小的 例如數(shù)十?數(shù)百A的電流，則作為鎢的顆粒也可以不使用粗大顆粒。在比較小的電流的斷 開中，龜甲狀的裂紋與鎢的顆粒徑無關(guān)地不易發(fā)生，倒不如存在顆粒徑越小，面消耗越少的 情況。
[0067] 在比較小的電流的斷開和比較大的電流的斷開中，觸點(diǎn)材料的消耗的方式不同。 比較小的電流的斷開時(shí)大部分是面消耗，比較大的電流的斷開時(shí)與面消耗一同也發(fā)生局部 消耗。這兩者的消耗方式的不同是由于斷開時(shí)的電弧能量的大小引起的。在比較小的電流 的斷開中，發(fā)生的電弧小，其能量也小。此時(shí)，大部分的電弧能量用于使觸點(diǎn)材料的表面熔 融(面消耗)。另一方面，在比較大的電流的斷開中發(fā)生的電弧能量大，相應(yīng)地電弧發(fā)生時(shí)的 熱沖擊也顯著變大。由于這樣的電弧，觸點(diǎn)材料表面熔融，觸點(diǎn)材料不耐受熱沖擊，從觸點(diǎn) 表面向內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。
[0068]由此，在斷開比較小的電流的觸點(diǎn)材料中，面消耗決定其壽命，面消耗量越小的材 料壽命越長(zhǎng)，能夠穩(wěn)定地使用。
[0069] 另一方面，在斷開比較大的電流時(shí)，與面消耗一同也必須考慮局部消耗。其中，更 重要的是局部消耗。局部消耗導(dǎo)致使用中的觸點(diǎn)的剝離、脫落的可能性高，只能夠進(jìn)行考慮 了它們的壽命設(shè)定。因此，為了安全地使用，不得不在很短的期間內(nèi)進(jìn)行更換。局部消耗如 圖2 (a)?圖2 (c)中表示的示意圖所示，初期與觸點(diǎn)的表面垂直地發(fā)展。從裂紋發(fā)展了 的狀態(tài)（b)起，裂紋進(jìn)一步發(fā)展時(shí)，產(chǎn)生與觸點(diǎn)表面平行的裂紋，如（c)所示，觸點(diǎn)的一部分 脫落、剝離，觸點(diǎn)表面的凹凸成為新的電弧的發(fā)生點(diǎn)。電弧的發(fā)生點(diǎn)增加時(shí)斷開需要時(shí)間， 消耗進(jìn)一步發(fā)展。因此，觸點(diǎn)的壽命變得極短。此外，因?yàn)槊撀?、剝離是突然發(fā)生的，所以觸 點(diǎn)的壽命預(yù)測(cè)也很困難。
[0070] 如果能夠得到觸點(diǎn)的剝離、脫落的問題極少、即向觸點(diǎn)的厚度方向的裂紋不易發(fā) 生的材質(zhì)，則能夠得到能夠使更換的頻率遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的觸點(diǎn)材料，開關(guān)的運(yùn)用費(fèi)用方面優(yōu) 異的觸點(diǎn)材料。
[0071] 觸點(diǎn)材料為Cu-w材料時(shí)，裂紋繞過強(qiáng)度比較高的W，主要在Cu中發(fā)展。因此，在觸 點(diǎn)材料中僅存在微小的W顆粒時(shí)，即使裂紋一邊繞行一邊發(fā)展，在宏觀上看也成為大致直 線的裂紋。另一方面，當(dāng)在觸點(diǎn)材料中存在粗大的W顆粒時(shí)，在宏觀上看大幅地交錯(cuò)繞行地 發(fā)展。
[0072] 熱沖擊相同時(shí)，產(chǎn)生的裂紋的長(zhǎng)度與W的顆粒徑無關(guān)而相同。因此，從觸點(diǎn)表面 到裂紋前端的距離(裂紋深度)，在存在粗大W顆粒時(shí)，與只存在微小的W顆粒的情況相比更 小。其結(jié)果為，包括含有粗大的W顆粒的Cu-W材料的觸點(diǎn)材料與不是這樣形成的觸點(diǎn)材料 相比，局部消耗較少，適于斷開比較大的電流。
[0073] 根據(jù)以上所敘述的理由，為了斷開比較大的電流，觸點(diǎn)材料適于具有粗大的鎢顆 粒。更具體地說，相對(duì)于鎢的總體積100體積份至少含有25體積份的顆粒徑為60?200 i! m (60 y m以上200 y m以下）的粗大的鎢顆粒即可。此時(shí)"徑"在圖7所示的球狀的顆粒中使 用其直徑，在非球狀的顆粒中使用顆粒中最長(zhǎng)的方向的長(zhǎng)度和與其垂直的最大長(zhǎng)度的平均 值作為代替。
[0074] 使粗大鎢顆粒的徑為60?200 的理由是，需要使W為粗大顆粒，其徑低于 60 ii m時(shí)裂紋發(fā)展的深度與60?200 ii m的顆粒的情況相比較，防礙裂紋向深度方向發(fā)展的 功能不能夠充分發(fā)揮。例如，與1 U m或4 y m的微小的鶴顆粒進(jìn)行比較，40?60 y m左右 的顆粒雖然能夠確認(rèn)有利于使裂紋一定程度變淺，但并不像60?200 y m的顆粒那樣顯著。 另外，作為裂紋抑制的效果更好的粗大顆粒的尺寸，更優(yōu)選為80 以上。
[0075] 此外，以200 為上限的理由是，當(dāng)超過200 后，所說明的"成形工序"中的 擠壓性顯著變差，成為不適合工業(yè)生產(chǎn)的材料。由通常的設(shè)備進(jìn)行擠壓工序的上限大約為 200i!m。此外，其理由也在于后述的"熔滲法"也不能夠使用，生產(chǎn)工序被限制。另外，粗大 鎢顆粒的顆粒徑從能夠?qū)挿秶剡x擇制造工序的觀點(diǎn)出發(fā)，更優(yōu)選為175 y m以下。
[0076] 使該粒徑的顆粒的下限為25體積份是因?yàn)?，如果為這之下的含有量，則粗大顆粒 的存在容易發(fā)生偏移，從而產(chǎn)生不能夠防止裂紋的發(fā)展的危險(xiǎn)性。粗大鎢顆粒更優(yōu)選含有 30體積份以上。
[0077] 粗大顆粒的含有量的上限是使鎢中的全部（100體積份)為60?200 ii m的粗大的 鎢顆粒。使100體積份為粗大顆粒的觸點(diǎn)能夠完全不出現(xiàn)問題地進(jìn)行使用，顯示局部消耗 較少的優(yōu)異特性。但是，有時(shí)不能夠通過Cu-W材料的最價(jià)廉的制造方法即后述的"熔滲法" 進(jìn)行制造。熔滲法是先制造具有連續(xù)的開氣孔的高熔點(diǎn)金屬（該情況下為W)的骨架材料， 然后在該氣孔內(nèi)利用毛細(xì)管現(xiàn)象熔滲低熔點(diǎn)金屬（該情況下為Cu)的方法。能夠使溫度在 低熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)以上，高熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)以下，在該溫度中兩者不反應(yīng)(或反應(yīng)很?。┑?情況下進(jìn)行。為了利用該毛細(xì)管現(xiàn)象，必須使鎢的顆粒彼此的間隙充分小，但如上所述僅由 粗大的鎢顆粒構(gòu)成鎢骨架時(shí)不會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)管現(xiàn)象。因此，利用熔滲法的制造不易進(jìn)行，必須 進(jìn)行例如密封容器HIP (熱靜水壓擠壓）等更高費(fèi)用的處理。因此，粗大鎢顆粒的含有量在 工業(yè)上更優(yōu)選為80體積份以下。
[0078] 粗大的鎢顆粒如上所述，如果占鎢的25體積份以上則對(duì)于局部消耗是有效的。因 此，只要含有25體積份以上的粗大鎢顆粒，則余下的75體積份能夠使用顆粒徑更小的鎢作 為代替。當(dāng)該較小的鎢顆粒位于粗大的鎢顆粒的間隙時(shí)，相鄰的鎢顆粒彼此的距離變小，熔 滲時(shí)的Cu的毛細(xì)管現(xiàn)象變得容易發(fā)生。小的鎢顆粒的顆粒徑只要是能夠產(chǎn)生Cu的毛細(xì)管 現(xiàn)象的程度則沒有特別限制，但越微小的顆粒，則越能夠容易地以較少的量產(chǎn)生毛細(xì)管現(xiàn) 象。此外，更小的鎢顆粒不僅在熔滲時(shí)，在擠壓成形時(shí)也有利于容易地固結(jié)粉末，在制造上 是有利的。實(shí)際上容易得到的更小的鎢的顆粒徑為〇. 5?25 y m左右。由此，在使用粗大的 鎢顆粒和顆粒徑較小的鎢顆粒時(shí)，鎢整體的粒度分布如圖3所示至少具有兩個(gè)明確的峰。
[0079] 圖5表示包含上述粗大鎢顆粒的觸點(diǎn)材料的典型的組織照片。該照片是由堿進(jìn)行 蝕刻后的組織照片。具有灰色的較深的背景部分為Cu，其中分散有顏色接近白色的粗大W 顆粒和同樣顏色接近白色的更小的W顆粒的組織。該組織是使W的總量100體積份中75 體積份為60?200 y m的粗大顆粒，使余下的25體積份為平均顆粒徑為2 y m的小顆粒，由 熔滲法得到的。另外，作為與該組織的比較，將一般常使用的觸點(diǎn)材料的組織以同樣的比例 尺在圖8中表示。這是平均顆粒徑為4 ii m的鎢和Cu的復(fù)合材料。
[0080] 此外，粗大鎢顆粒的優(yōu)選含量也可以作為相對(duì)于觸點(diǎn)材料整體的體積比率的方式 進(jìn)行規(guī)定。特別優(yōu)選的范圍是60?200 i! m的粗大的鎢顆粒相對(duì)于觸點(diǎn)材料的整體占20? 60體積％的范圍。當(dāng)W較少時(shí)，基于要斷開的電流的大小，存在局部消耗增加的可能性，但 是如果使60?200 ii m的W相對(duì)于觸點(diǎn)材料占20體積％以上，則對(duì)于常用的大電流能夠使 局部消耗極為小。此外，當(dāng)超過60體積％時(shí)，在熔滲工序中可能產(chǎn)生未熔滲部分，因此在工 業(yè)上特別優(yōu)異的是上述范圍。
[0081] 本發(fā)明的實(shí)施方式的觸點(diǎn)材料也能夠應(yīng)用于真空開關(guān)，但特別適于用作氣體開關(guān) 的觸點(diǎn)材料。在氣體開關(guān)中難以使用CuCr等低熔點(diǎn)的觸點(diǎn)，多使用包含熔點(diǎn)高的W的材料。 因此，適于使用以包含Cu和W的方式構(gòu)成的本發(fā)明的實(shí)施方式的觸點(diǎn)材料。
[0082] 以上所說明的電觸點(diǎn)材料和電觸點(diǎn)例如能夠通過以下的工序得到。
[0083] 作為原材料，準(zhǔn)備粉末狀(顆粒狀）的鎢和無關(guān)形狀的Cu材料。
[0084] 在使該鎢的總量為100體積份時(shí)，使顆粒徑為60?200 ii m的粗大鎢顆粒為25? 100體積份。余下的〇?75體積份的鎢顆粒為上述范圍外的更小的顆粒，例如平均顆粒徑 為0. 5?25 iim左右的顆粒。
[0085] 另外，因?yàn)閃和Cu不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以準(zhǔn)備的鎢粉末的粒度分布在經(jīng)由后述說 明的擠壓工序、熱處理工序等制作出的觸點(diǎn)材料(例如參照?qǐng)D5和圖6)中作為鎢顆粒的粒 徑分布被保持。由此，使用如上所述包含25?100體積份的60?200 ii m的鎢的鎢粉末制 造出的觸點(diǎn)材料可以包含25?100體積份的60?200 ii m的尺寸的粗大鎢顆粒。但是，在 制造中鎢可能與Fe或Co等稍有反應(yīng)，因此觸點(diǎn)材料中的顆粒尺寸的分布與粉末狀態(tài)時(shí)相 比稍有變動(dòng)。
[0086] 在Cu和鎢之外添加添加物時(shí)，可以將堿土類金屬的硼氧化物這樣的以降低功函 數(shù)為目的的添加物、Co、Ni、Fe等以提高觸點(diǎn)材料的機(jī)械強(qiáng)度為目的的添加物，相對(duì)于鎢和 Cu的合計(jì)質(zhì)量，在該合計(jì)質(zhì)量之外添加0. 1?6外部質(zhì)量％以下。這些添加物并非必須添 力口，因此添加物量也可能為0外部質(zhì)量％。
[0087] 首先，混合全部的鎢的粉末使之成為均質(zhì)的狀態(tài)。特別是在混合顆粒徑不同的粉 末時(shí)，以使兩者充分混合的方式進(jìn)行混合。在混合中使用的裝置能夠適用球磨機(jī)、干式攪拌 機(jī)、磨碎機(jī)、研磨攪拌機(jī)等，但使用公知的各種混合裝置即可。在添加鎢之外的上述添加物 時(shí)，在該階段進(jìn)行添加。此外，也可以在該階段添加少量的Cu粉末(添加量從后述的骨架體 的鎢體積中除去相應(yīng)的量)。
[0088] 如果需要，則對(duì)得到的均質(zhì)的粉末添加相對(duì)于W的質(zhì)量的0. 5?4質(zhì)量％左右的 成形用有機(jī)粘合劑，利用擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓成形。擠壓可以使用單軸式上下型擠壓機(jī)，也可以 使用CIP (靜水壓擠壓機(jī)）裝置、干式橡膠擠壓機(jī)。擠壓成形所需要的壓力為50?300MPa 左右。這樣得到鎢的擠壓體。
[0089] 接著，將擠壓體投入非氧化氣氛的熱處理爐，得到骨架體。骨架體是鎢顆粒彼此稍 有網(wǎng)狀連接的狀態(tài)，沒有達(dá)到致密化，是具有連續(xù)的開氣孔的狀態(tài)。使得非氧化氣氛是為了 防止鎢的氧化。此時(shí)的處理溫度優(yōu)選為800?1200°C左右。另外，在擠壓成形前加入有機(jī) 粘合劑的情況下，在該工序中可以同時(shí)進(jìn)行脫粘合劑處理。
[0090] 接著，在爐中將Cu熔滲在骨架體中。在爐中升溫至熔點(diǎn)以上的Cu為液體，利用毛 細(xì)管現(xiàn)象熔滲在骨架體中。此時(shí)也在非氧化氣氛中進(jìn)行處理。溫度優(yōu)選為比Cu的熔點(diǎn)高 的1100?1300°C左右。通過該熔滲處理，能夠得到在鎢骨架體中的氣孔中填充有Cu的觸 點(diǎn)用復(fù)合材料。
[0091] 以上表示了使用熔滲法的制造方法，但毛細(xì)管現(xiàn)象在鎢顆粒的間隙過大時(shí)難以產(chǎn) 生。在使鎢的顆粒徑全部為60?200 y m的情況下，不易產(chǎn)生毛細(xì)管現(xiàn)象，存在產(chǎn)生未熔滲 部的可能性。
[0092] 此時(shí)，也能夠不利用毛細(xì)管現(xiàn)象，采用以壓力使Cu浸透至鎢骨架體內(nèi)的方法。例 如，可以以Cu的熔點(diǎn)以上的溫度，由密封容器HIP (熱靜水壓擠壓）等方法制造。
[0093] 以上敘述了制作鎢的骨架體而熔滲Cu的方法，但也可以采用預(yù)先混合Cu和鎢的 粉末而得到燒結(jié)體的方法。此時(shí)，對(duì)混合后的粉末以50?300MPa程度進(jìn)行擠壓成形而得 到擠壓體，將擠壓體在氮等非氧化氣氛中加熱至1000?1400°C左右而制造得到。
[0094] 如果需要，對(duì)由以上工序得到的觸點(diǎn)用復(fù)合材料進(jìn)行通過切削、電加工等的精加 工，完成觸點(diǎn)。
[0095] 觸點(diǎn)多與金屬座一體化地使用。金屬座選自熱傳導(dǎo)率高、有一定機(jī)械強(qiáng)度的廉價(jià) 的銅或銅合金、鐵或鐵合金等而被使用。金屬座與觸點(diǎn)的接合可以通過釬焊法、摩擦壓接 法、內(nèi)澆鑄等來進(jìn)行。
[0096] 圖5、圖6表示得到的觸點(diǎn)的典型的截面組織。在圖6中表示根據(jù)鎢的分級(jí)，大部 分為60?200 ii m的粗大鎢顆粒的組織。在圖5中表示能夠容易地進(jìn)行熔滲，鎢顆粒中75 體積份為60?200 y m的粗大顆粒的組織。余下的25體積份的鎢顆粒包含沒有特別進(jìn)行 分級(jí)的平均顆粒徑為3 ii m左右的由鎢粉末形成的較小的鎢顆粒。
[0097] 組織照片的白色的較大部分是60?200 ii m的粗大的鎢顆粒，較小的白色的部分 是平均顆粒徑為3 y m左右的鎢顆粒，背景的深灰色的部分是Cu。另外，圖6是沒有進(jìn)行蝕 刻處理的照片，因此顏色上沒有明確的差異，但是粒狀的部分是鎢，背景是Cu。
[0098] 準(zhǔn)備一對(duì)該觸點(diǎn)，設(shè)置在通電通路中，將氣氛密封在SF6、N2等氣體氣氛中，得到觸 點(diǎn)裝置。圖1表示本發(fā)明的實(shí)施方式的觸點(diǎn)裝置10的示意圖。在觸點(diǎn)裝置10中，各觸點(diǎn) 1利用釬焊部3固定于金屬座2。
[0099] 在觸點(diǎn)裝置10中，在一對(duì)觸點(diǎn)1接觸的狀態(tài)（閉合狀態(tài)）下流過較大的電流。之 后，通過機(jī)械地牽拉一對(duì)觸點(diǎn)1，斷開電流。
[0100] 此處所述的"比較大的電流"根據(jù)觸點(diǎn)裝置的大小等的不同而變化。在斷開大電 流時(shí)通常需要體積較大的觸點(diǎn)，但大致為1.5?70kA (千安）左右。在斷開該電流時(shí)，在一 般的觸點(diǎn)中與面消耗一同發(fā)生較大的局部消耗的現(xiàn)象。
[0101] 與此相對(duì)，在含有上述粗大鎢顆粒的觸點(diǎn)中，面消耗量與具有一般的鎢顆粒徑的 Cu-W類復(fù)合材料觸點(diǎn)為同等程度，但局部消耗不易發(fā)生，自表面的裂紋的發(fā)展深度也較淺， 不易發(fā)生龜甲狀的破裂。另外，此處所說的"一般的鎢顆粒徑"可以假設(shè)使用對(duì)于面消耗的 消耗率較低的〇. 5?10 y m左右的鎢顆粒的情況。
[0102] 另外，作為本發(fā)明的實(shí)施方式的氣體開關(guān)，能夠利用任意的公知的結(jié)構(gòu)(例如日本 特開2010 - 097745號(hào)公報(bào)記載的結(jié)構(gòu)）。在氣體開關(guān)中，包含上述粗大鎢顆粒的觸點(diǎn)能夠 用作構(gòu)成為能夠開閉的一對(duì)觸點(diǎn)對(duì)(例如可動(dòng)觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)）。
[0103] 此外，氣體開關(guān)是可以斷開大電流的結(jié)構(gòu)，可以是一對(duì)觸點(diǎn)對(duì)在閉合狀態(tài)(接觸的 狀態(tài))下能夠流過1. 5?70kA的電流的結(jié)構(gòu)。在斷開時(shí)能夠使一方的觸點(diǎn)機(jī)械移動(dòng)而使其 成為打開的狀態(tài)，從而斷開電流。另外，氣體開關(guān)可以是在斷開時(shí)能夠?qū)τ|點(diǎn)的連接部附近 供給SF6氣體、不活潑性氣體的結(jié)構(gòu)。氣體開關(guān)可以在變電所等大型設(shè)施中使用，例如可以 具有與日本特開2001 - 006468號(hào)公報(bào)中記載的構(gòu)造同樣的構(gòu)造。此時(shí)，包含上述粗大鎢顆 粒的觸點(diǎn)材料適用于筒狀觸點(diǎn)和與其能夠嵌合的棒狀觸點(diǎn)(有時(shí)將此稱為"喇叭型觸點(diǎn)")。
[0104] (實(shí)施例）
[0105] (觸點(diǎn)的制造）
[0106] 準(zhǔn)備純Cu板和鎢粉末。鎢粉末總量100體積份，其中60體積份是顆粒徑為60? 200 y m的粗大的鎢顆粒，余部是20體積份的具有平均顆粒徑為4 y m的顆粒徑的粉末和20 體積份的具有平均顆粒徑為1 U m的顆粒徑的粉末。
[0107] 將鎢粉末投入亨舍爾混合機(jī)，混合2小時(shí)直至成為足夠均質(zhì)的粉末，得到混合粉 末。
[0108] 將混合粉末投入單軸式擠壓模具，以200MPa的壓強(qiáng)擠壓成形為長(zhǎng)方體，得到擠壓 體。
[0109] 將擠壓體在氫氣氛中升溫至1000°C，得到鎢顆粒彼此成為初始的斷面收縮狀態(tài)的 骨架體。骨架體的密度與鎢的致密體相比較為40%，具有60體積％的氣孔。
[0110] 接著，在得到的鎢骨架體上載置與其大致相同體積的純CU板，在氫氣氛中以高于 作為Cu的熔點(diǎn)的1080°C的1150°C進(jìn)行熔滲。到達(dá)熔點(diǎn)成為液體狀態(tài)的Cu通過毛細(xì)管現(xiàn) 象浸透至鎢的骨架體中的氣孔。
[0111] 在熔滲后，通過機(jī)械加工除去沒有完全熔滲的剩下的Cu，得到長(zhǎng)方體的熔滲體。熔 滲體具有在40體積％的鎢骨架體中熔滲有60體積％的Cu的構(gòu)造。另外，確認(rèn)熔滲體中的 Cu的體積比率與骨架體中的氣孔的體積比率同等。
[0112] 將通過以上工序得到的熔滲體釬焊于Cu的金屬座，得到圖1的示意圖中表示的一 對(duì)(兩個(gè)）觸點(diǎn)裝置。圖1的觸點(diǎn)裝置通過面向圖面的上下運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行斷開、通電。
[0113] 使得到的觸點(diǎn)裝置為試樣No. 6。
[0114] (試驗(yàn)）
[0115] 使試樣No. 6的一對(duì)觸點(diǎn)裝置的觸點(diǎn)部分相對(duì)，作為電源的正極和負(fù)極，經(jīng)由導(dǎo)線 制作出電路。
[0116] 將一對(duì)觸點(diǎn)裝置部分密閉于筒狀的容器，使內(nèi)部氣氛為SF6。
[0117] 作為連接了一對(duì)觸點(diǎn)的狀態(tài)(流動(dòng)電流的狀態(tài))采用施加5kA (千安）的電流，230V (伏）的電壓的狀態(tài)，在密閉容器內(nèi)使一對(duì)觸點(diǎn)裝置機(jī)械地移動(dòng)，使其距離變大，進(jìn)行電流斷 開的操作。反復(fù)進(jìn)行10次以上的斷開操作。
[0118] (評(píng)價(jià)）
[0119] 卸下進(jìn)行了上述斷開試驗(yàn)的觸點(diǎn)裝置，根據(jù)試驗(yàn)前和試驗(yàn)后的質(zhì)量減少值和試樣 的比重計(jì)算出體積消耗率。值是一對(duì)觸點(diǎn)的體積消耗率的平均值。試樣由于Cu、鎢的蒸發(fā) 等質(zhì)量減少，體積消耗率為1. 5%。
[0120] 接著，面向圖面地沿縱方向（截面方向）在中心部將一對(duì)觸點(diǎn)部分切斷，求出其截 面的總裂紋深度。"總裂紋深度"是指如圖9表示的概念圖所示，將從觸點(diǎn)表面向垂直方向 進(jìn)入的多個(gè)裂紋的長(zhǎng)度相加的值。例如，進(jìn)入了 Cl、C2和C3這三個(gè)裂紋，在各個(gè)裂紋的深 度為L(zhǎng)I、L2和L3的情況下，計(jì)算出"總裂紋深度=LI + L2 + L3"。值是兩個(gè)觸點(diǎn)的各個(gè) 裂紋深度的合計(jì)值。根據(jù)該值的大小，判斷上述局部消耗的程度。在試樣No.6中，總裂紋 深度為〇.55mm。在后面敘述評(píng)價(jià)的詳細(xì)內(nèi)容。
[0121] (試樣）
[0122] 試樣的說明（1)
[0123] 接著，將用于比較的試樣No.6、Cu和鎢的體積比不同的試樣通過同樣的制作方法 以表1所示的組成制作出來。將它們作為試樣No. 2?11和比較試樣No. *101、*109。關(guān)于 鎢中的粗大鎢顆粒（60?200 ii m的顆粒)所占的比例，試樣No. 2?8和比較試樣No. *101、 *109與試樣No. 6同樣為60體積份，試樣No. 10為75體積份，試樣No. 11為90體積份。
[0124] 此外，作為在鎢總量中僅含有低于10體積份的粗大鎢顆?；驇缀醪缓写执箧u 顆粒的比較試樣，以同樣的方式制作出比較試樣No. *112?*114。比較試樣No. *112? *114是完全不含有60?200 ii m的顆粒或幾乎不含有60?200 ii m的顆粒，使用更小的顆 粒徑的鎢粉末的比較例。比較試樣No. *112使用沒有特別進(jìn)行分級(jí)處理的平均顆粒徑為 1. 5 y m的鎢粉末，同樣，比較試樣No. *113是使用10 y m的平均顆粒徑的粉末的比較例。比 較試樣No. *114也同樣使用平均顆粒徑為40 ii m的粉末，但因?yàn)槠骄w粒徑為40 ii m較大， 所以發(fā)現(xiàn)其顆粒的一部分為60 y m以上。但是，利用粒度測(cè)定器，確認(rèn)60 y m以上的顆粒低 于10體積％。
[0125] 對(duì)于以上所述的試樣No. 2?11的試樣和比較試樣No. *101、*109、*112?*114， 進(jìn)行與上述試樣No. 6同樣的試驗(yàn)和評(píng)價(jià)。將各自的組成表示在表1中，將評(píng)價(jià)結(jié)果表示在 表6中。在全部的表中記載的"其它的W"表示的是60?200 iim以外的鎢顆粒。
[0126]表 1

【權(quán)利要求】
1. 一種觸點(diǎn)材料，其特征在于： 由Cu-W類復(fù)合材料形成，該Cu-W類復(fù)合材料包括25?70體積％的Cu和30?75體 積％的W， 在使所述W的總量為100體積份時(shí)，顆粒徑為60?200 ii m的粗大鎢顆粒占25?100 體積份。
2. 如權(quán)利要求1所述的觸點(diǎn)材料，其特征在于： 除去所述粗大鎢顆粒的余下的W的平均顆粒徑處于0. 5?25 y m的范圍內(nèi)。
3. 如權(quán)利要求1所述的觸點(diǎn)材料，其特征在于： 所述粗大鎢顆粒占觸點(diǎn)材料整體的比例為20?60體積％。
4. 如權(quán)利要求2所述的觸點(diǎn)材料，其特征在于： 所述粗大鎢顆粒占觸點(diǎn)材料整體的比例為20?60體積％。
5. 如權(quán)利要求1?4中任一項(xiàng)所述的觸點(diǎn)材料，其特征在于： 相對(duì)于Cu和W的合計(jì)質(zhì)量100質(zhì)量％，鐵族金屬、硼、氧化硼、硼化物、金屬硼氧化物中 任一種或兩種以上的添加物被合計(jì)添加〇. 1?6外部質(zhì)量％。
6. -種氣體開關(guān)，其特征在于： 具有權(quán)利要求1?4中任一項(xiàng)所述的觸點(diǎn)材料。
7. 如權(quán)利要求6所述的氣體開關(guān)，其特征在于： 具有能夠開閉的一對(duì)所述觸點(diǎn)材料，在閉合所述一對(duì)觸點(diǎn)材料時(shí)流過1. 5?70kA的電 流，通過打開所述一對(duì)觸點(diǎn)材料切斷所述電流。
8. -種開關(guān)，其特征在于： 具有觸點(diǎn)部件，該觸點(diǎn)部件在金屬件上接合有由權(quán)利要求1?4中任一項(xiàng)所述的觸點(diǎn) 材料形成的觸點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】H01H1/021GK104517740SQ201410054239
【公開日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2014年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月28日
【發(fā)明者】馬場(chǎng)俊幸, 三島彰, 松尾繁, 宮崎寧記, 尾家百代, 案浦康德, 藤田貴弘 申請(qǐng)人:日本鎢合金株式會(huì)社