本发明涉及用于真空断续器(vacuuminterrupter，真空断路器)等的电极的电极材料和该电极材料的制造方法。
背景技术：
近年来，真空断续器用户的使用条件变得严格，并且真空断续器向电容器电路的应用扩展在不断进步。在电容器电路中，在电极之间施加正常电压的两倍或三倍的电压。因而，接点表面倾向于被电流断开和电流开闭时的电弧显著地损伤，并且倾向于发生电弧的再点燃。因此，对具有比常规的cu-cr电极材料优异的断开性能和耐电压性能的电极材料的需求不断增长。
例如，在专利文献1中，记载了电极材料的制备方法，其中，作为电特性例如电流断开性能和耐电压性能优异的cu-cr基电极材料，将用作基材的cu、用于改善电特性的cr和用于使cr颗粒更微细的耐热元素(mo、w、nb、ta、v、zr)的各粉末混合在一起，然后将混合粉末放入模具中，然后加压成形并且制造烧结体。具体地，将耐热元素例如mo、w、nb、ta、v或zr添加到cu-cr基电极材料中，该cu-cr基电极材料含有具有200-300μm的粒径的cr作为原料，并且通过微细组织技术使cr微细，加速cr元素与耐热元素的合金化过程，增加微细的cr-x(与耐热元素制成固溶体的cr)颗粒在cu基材组织内部的析出，并且使具有20-60μm的直径的cr颗粒以其内部具有耐热元素的形态均匀地分散在cu基材组织中。此外，在专利文献1中，记载了在用于真空断续器的电极材料中，为了改善电特性例如电流断开性能和耐电压性能，增加cu基电极材料中cu基材中的cr或耐热元素的含量并且在使cr等的粒径微细后进行均匀分散是重要的。
此外，在专利文献2中，没有通过微细组织技术，使通过将作为耐热元素的反应产物的单一固溶体粉碎而得到的粉末与cu粉末混合，并且对该混合粉末进行加压成形，然后烧结以制备在电极组织中含有cr和耐热元素的电极材料。
此外，在专利文献3中，使mo粉末与cr粉末的混合比成为mo:cr＝1:1至9:1，在混合重量上使mo等于或大于cr，并且将它们均匀地混合在一起，由此制备尽管mocr合金的复合组织的耐电弧组分含量高但具有微细组织的电极材料。这样的电极材料能够改善真空断续器的断开性能。此外，由于能够进一步增加电极材料的硬度，因此提及也能够改善真空断续器的耐电压性能和/或电容器的开闭性能。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-180150号公报
专利文献2：日本特开平4-334832号公报
专利文献3：日本特开2012-7203号公报
技术实现要素：
本发明人已对根据专利文献3的电极材料进行了进一步研究。结果已确认通过mo/cr混合比使电极材料具有28％iacs以上的导电率，从而断开性能良好。
但是，对于具有28％iacs以上的导电率的电极材料而言，硬度以及电极之间的接触电阻增大。在使用这样的电极材料制造真空断续器的情况下，必须增加用于进行电极的开闭操作的致动器的接触压力。结果，其增加致动器的成本，并且这在大量生产中成为了问题。
鉴于上述状况，本发明的目的在于提供有助于真空断续器的断开性能的改善和接触电阻的减小的技术。
根据用于实现上述目的的本发明的电极材料的一个方面，提供电极材料，其含有1重量份以上的耐热元素和1重量份的cr，电极材料的剩余部分为cu和不可避免的杂质。电极材料通过如下制备：将cr粉末与耐热元素和cr的固溶体粉末混合，该固溶体粉末在x射线衍射测定中不含与cr元素对应的峰，由此得到混合粉末；将混合粉末成型为成型的混合粉末；将成型的混合粉末烧结，由此得到烧结体；以及用cu渗透烧结体。
此外，根据用于实现上述目的的本发明的电极材料的另一个方面，在电极材料中，固溶体粉末的平均粒径小于30μm。
此外，根据用于实现上述目的的本发明的电极材料的另一个方面，在电极材料中，与固溶体粉末混合的cr粉末的平均粒径为10-80μm。
此外，根据用于实现上述目的的本发明的电极材料的另一个方面，在电极材料中，用cu进行渗透的烧结体中耐热元素与cr的重量比为1:1至6:1。
此外，根据用于实现上述目的的本发明的电极材料的制造方法的一个方面，提供电极材料的制造方法，电极材料含有1重量份以上的耐热元素和1重量份的cr，电极材料的剩余部分为cu和不可避免的杂质。在该方法中，将耐热元素粉末与含有比电极材料中含有的cr的重量少的重量的cr的cr粉末混合，由此得到混合粉末；将混合粉末烧结以制备含有耐热元素和cr的固溶体的烧结体，以致在x射线衍射测定中与cr元素对应的峰消失；将含有耐热元素和cr的固溶体的烧结体粉碎，由此得到固溶体粉末；将固溶体粉末与cr粉末混合，cr粉末含有通过从电极材料中含有的cr的重量中减去与耐热元素粉末混合的cr粉末中含有的cr的重量而得到的重量的cr；将通过混合得到的固溶体粉末和cr粉末的混合粉末成型，然后烧结；以及用cu渗透通过烧结得到的烧结体。
此外，根据用于实现上述目的的本发明的真空断续器的一个方面，固定电极或可动电极配备有包含上述电极材料的电极接点(electrodecontact，电极触点)。
附图说明
[图1]为根据本发明的实施方式的电极材料制造方法的流程图；
[图2]为示出具有根据本发明的实施方式的电极材料的真空断续器的示意截面图；
[图3]为根据比较例1的电极材料制造方法的流程图；
[图4]为根据实施例2的电极材料的截面显微照片；
[图5]为根据实施例3的电极材料的截面显微照片；和
[图6]为根据比较例1的电极材料的截面显微照片。
具体实施方式
参照附图对根据本发明的实施方式的电极材料和电极材料制造方法以及根据本发明的实施方式的真空断续器进行详细说明。在实施方式的说明中，除非另有说明，否则平均粒径是指通过激光衍射型粒径分布测定装置(cilas公司；cilas1090l)确定的值。此外，在限定粉末的粒径的上限(或下限)的情况下，其是指通过具有粒径的上限值(或下限值)的开口的筛子筛分的粉末。
本发明是涉及cu-cr-耐热元素(mo、w、v等)电极材料的组成控制技术的发明。通过将耐热元素和cr的固溶体粉末与cr粉末混合，固溶体粉末在x射线衍射测定中预先不含与cr元素对应的峰，然后用cu渗透得到的混合粉末的烧结体，与常规的电极(cu-cr-耐热元素电极)相比，其改善耐电压性能、断开性能和真空断续器(或电容器)开闭性能。根据本发明的电极材料，能够用低压力开闭真空断续器。
作为耐热元素，能够单独地或组合地使用选自元素例如钼(mo)、钨(w)、钽(ta)、铌(nb)、钒(v)、锆(zr)、铍(be)、铪(hf)、铱(ir)、铂(pt)、钛(ti)、硅(si)、铑(rf)和钌(ru)中的元素。特别地，优选使用使cr颗粒微细化的效果显著的mo、w、ta、nb、v或zr。将耐热元素添加到电极材料中以致耐热元素与cr的重量比成为1以上。在将耐热元素作为粉末使用的情况下，通过将耐热元素粉末的平均粒径调节至例如2-20μm、更优选2-10μm，能够使含cr颗粒(含有耐热元素和cr的固溶体)微细化并且使它们均匀地分散在电极材料中。
将铬(cr)添加到电极材料中以致耐热元素与cr的重量比成为1以上。在使用cr粉末的情况下，通过将cr粉末的粒径调节到例如-48目(小于300μm的粒径)、更优选-100目(小于150μm的粒径)、进一步优选-325目(小于45μm的粒径)，从而能够得到耐电压性能和电流断开性能优异的电极材料。这是因为通过增大cr粉末的平均粒径，导电率可能不必要地增大，如果导电率超过40％iacs，则存在降低电极材料的耐电压性能的危险。
使铜(cu)渗透进入通过烧结耐热元素和cr(含有耐热元素和cr的固溶体)而制备的烧结体。通过渗透步骤来确定电极材料中含有的cu的量。因此，添加到电极材料中的耐热元素、cr和cu的总重量％绝不超过100重量％。
参照图1的流程对根据本发明的实施方式的电极材料制造方法进行详细说明。通过示出mo作为耐热元素的实例来进行实施方式的说明，但在使用其他耐热元素粉末的情况下也是类似的。
在mo-cr混合步骤s1中，将耐热元素粉末(例如mo粉末)与cr粉末混合。将mo粉末与cr粉末混合在一起以致将cr完全固溶。例如，以mo:cr＝7:1至9:1的重量比将mo粉末与cr粉末混合在一起。这是因为在通过将mo粉末与cr粉末的混合粉末烧结而制备的mocr固溶体中在使用mo与cr的重量比约为6以下的mo粉末与cr粉末的混合粉末的情况下，cr倾向于残留在mocr固溶体中。
在初步烧结步骤s2中，将mo粉末与cr粉末的混合粉末放入不与mo和cr反应的容器(例如氧化铝容器)中，然后在非氧化性气氛(氢气氛、真空气氛等)中在预定温度(例如，1250℃-1500℃)下进行初步烧结。通过进行初步烧结，能够得到其中mo和cr彼此固溶扩散的mocr固溶体。在初步烧结步骤s2中，进行mo粉末与cr粉末的混合粉末的烧结以得到mo和cr的固溶体，在x射线衍射测定中固溶体不含与cr元素对应的峰(即，使cr完全固溶的固溶体)。
在粉碎步骤s3中，通过球磨机等将由初步烧结步骤s2得到的mocr固溶体粉碎以得到含有mocr固溶体的mocr粉末。将mocr固溶体粉碎以致例如平均粒径变为小于30μm、更优选10-30μm(不包括30μm)。可在作为粉碎气氛的空气中进行粉碎步骤s3，但期望在非氧化性气氛中进行粉碎。
在mocr-cr混合步骤s4中，将通过粉碎步骤s3得到的mocr粉末与cr粉末混合。该cr粉末可以是mo-cr混合步骤s1中使用的cr粉末或者另外制备的其他cr粉末。例如，将具有10-80μm的平均粒径的cr粉末与mocr粉末混合。
在加压成形步骤s5中，进行mocr粉末与cr粉末的混合粉末的成型。通过在例如1-4t/cm2的压力下加压成形来进行mocr粉末与cr粉末的混合粉末的成型。
在主烧结步骤s6中，进行由加压成形步骤s5得到的成形体(mocr-cr成形体)的主烧结以得到mocr-cr烧结体(mocr-cr骨架)。例如通过在真空气氛中在1150℃下将mocr-cr成形体烧结2小时来进行主烧结。主烧结步骤s6是通过cr粉末的变形以及其与mocr粉末的粘附来得到致密的mocr-cr烧结体的步骤。期望在接下来的渗透步骤s7的温度条件下，例如，在1150℃以上的温度下进行mocr-cr成形体的烧结。如果在低于渗透温度的温度下进行烧结，则在cu渗透时新产生mocr-cr烧结体中含有的气体并且残留在cu渗透体中，由此对耐电压性能和电流断开性能产生损害。因此，通过将主烧结步骤s6的烧结温度调节至比cu渗透时高且比cr的熔点低的温度，优选在1100-1500℃的范围内，mocr颗粒(cr颗粒)变得更为致密并且mocr颗粒(cr颗粒)的脱气充分地进行。
在cu渗透步骤s7中，用cu渗透mocr-cr烧结体。例如，通过将cu板材放置在mocr-cr烧结体上，然后将其在非氧化性气氛中在cu的熔点以上的温度下保持预定时间(例如，1150℃和2小时)，从而进行cu渗透。
通过使用根据本发明的实施方式的电极材料，能够构成真空断续器。如图2中所示那样，具有根据本发明的实施方式的电极材料的真空断续器1具有真空容器2、固定电极3、可动电极4和主屏障(mainshield)10。
通过用固定侧端板6和可动侧端板7分别将绝缘套筒5的两个开口端部密封来形成真空容器2。
将固定电极3在其穿过固定侧端板6的状态下固定。将固定侧电极3的一端在真空容器2中固定以与可动电极4的一端相对。用作为根据本发明的实施方式的电极材料的电极接点材料8形成与可动电极相对的固定电极3的端部。
在可动侧端板7处设置可动电极4。设置可动电极4以与固定电极3同轴。通过图中没有示出的开/闭手段使可动电极4在轴向上移动，由此进行固定电极3与可动电极4之间的开或闭。用电极接点材料8形成与固定电极3相对的可动电极4的端部。在可动电极4与可动侧端板7之间设置波纹管9。因此，在保持真空容器2内部的真空的同时，使可动电极4在竖直方向上移动以进行固定电极3与可动电极4之间的开/闭。
设置主屏障10以将固定电极3的电极接点材料8与可动电极4的电极接点材料8之间的接触部覆盖，由此保护绝缘套筒5免受在固定电极3与可动电极4之间产生的电弧。
[实施例1]
作为实施例1的电极材料，根据图1的流程制备电极材料。实施例1的电极材料是以mo:cr＝1:1的重量比含有mo和cr的电极材料。
在制备实施例1的电极材料中，将具有10μm以下的平均粒径的mo粉末用作mo粉末。此外，作为cr粉末，在mo-cr混合步骤s1中使用了具有63μm以下的平均粒径的cr粉末，并且在mocr-cr混合步骤s4中使用了具有39μm的平均粒径的cr粉末。
首先，以mo:cr＝9:1的重量比将mo粉末与cr粉末混合在一起(步骤s1)。将得到的混合粉末在1250℃下烧结3小时，由此得到其中cr完全固溶的mocr固溶体(步骤s2)。通过球磨机将得到的mocr固溶体粉碎为mocr粉末(步骤s3)。mocr粉末的平均粒径为20μm。
接下来，将mocr粉末与cr粉末均匀地混合在一起以致mo:cr的重量比成为1:1(步骤s4)。在4t/cm2下对得到的混合粉末进行加压成形(步骤s5)。将得到的成形体在1100-1200℃的温度下保持1-2小时以进行主烧结(步骤s6)。
将cu薄板设置在得到的mocr-cr烧结体上，然后将其在1100-1200℃的温度下保持1-2小时，由此通过液相烧结用cu渗透mocr-cr烧结体(步骤s7)。
如表1中所示，测定实施例1的电极材料的导电率时，其为28％iacs。此外，测定实施例1的电极材料表面的维氏硬度时，其为380。
[表1]
[实施例2]
实施例2的电极材料是以mo:cr＝3:1的重量比含有mo和cr的电极材料。即，实施例2的电极材料是通过与实施例1的电极材料相同的方法制备的电极材料，不同之处在于在mocr-cr混合步骤s4中将mocr粉末与cr粉末混合在一起，由此实现mo:cr＝3:1的重量比。
如表1中所示，实施例2的电极材料的导电率为35％iacs，并且实施例2的电极材料表面的维氏硬度为293。
[实施例3]
实施例3的电极材料是通过与实施例2的电极材料相同的方法制备的电极材料，不同之处在于在mocr-cr混合步骤s4中与mocr粉末混合的cr粉末的平均粒径不同。实施例3的电极材料是通过将mocr粉末(平均粒径：20μm)与cr粉末(平均粒径：64μm)混合在一起来制备的电极材料。
如表1中所示，实施例3的电极材料的导电率为35％iacs，并且实施例3的电极材料表面的维氏硬度为284。
[比较例1]
比较例1的电极材料是根据图3中所示的流程制备的电极材料。在比较例1中，通过使用具有10μm以下的平均粒径的mo粉末和具有64μm的平均粒径的cr粉末来制备电极材料。
首先，以mo:cr＝1:1的重量比将mo粉末和铝热(thermite)cr粉末混合在一起(步骤t1)。以4t/cm2对得到的混合粉末进行加压成形，并且在1100-1200℃的温度下将得到的成形体保持1-2小时以实现主烧结(步骤t2)。
将cu薄板设置在通过步骤t2得到的烧结体上，并且在1100-1200℃的温度下将其保持1-2小时以通过液相烧结用cu渗透烧结体(步骤t3)。
如表1中所示，比较例1的电极材料的导电率为22％iacs，并且电极材料表面的维氏硬度为524。
[比较例2]
比较例2的电极材料是通过与比较例1的电极材料相同的方法制备的电极材料，不同之处在于改变了mo粉末与cr粉末的混合比。在比较例2中，通过以mo:cr＝3:1的重量比将mo粉末与cr粉末混合来制备电极材料。
如表1中所示，比较例2的电极材料的导电率为30％iacs，并且电极材料表面的维氏硬度为321。
[比较例3]
比较例3的电极材料是通过与比较例1的电极材料相同的方法制备的电极材料，不同之处在于改变了mo粉末与cr粉末的混合比。在比较例3中，通过以mo:cr＝9:1的重量比将mo粉末与cr粉末混合来制备电极材料。
如表1中所示，比较例3的电极材料的导电率为32％iacs，并且电极材料表面的维氏硬度为253。
如表1中所示，实施例1的电极材料与比较例1的电极材料(通过常规的渗透法制备的电极材料)为具有相同的mo:cr含量比的电极材料。但是，与比较例1的电极材料相比，实施例1的电极材料的导电率改善并且维氏硬度降低。同样地，实施例3的电极材料与比较例2的电极材料为具有相同的mo:cr含量比的电极材料。但是，与比较例2的电极材料相比，实施例3的电极材料的导电率改善并且维氏硬度降低。在比较例1的电极与实施例1的电极之间，添加到mocr粉末中的cr粉末的粒径不同。但是，由实施例2的电极材料与实施例3的电极材料之间的比较可知，认为由添加到mocr粉末中的cr颗粒的粒径没有导致导电率和维氏硬度的显著变化。因此，即使在实施例1的电极材料中将添加到mocr粉末中的cr的平均粒径调节至64μm，认为与比较例1的电极材料相比，导电率也优异并且成为具有低硬度的电极材料。
此外，通过显微镜观察了实施例2和3以及比较例2的截面。如图4中所示，实施例2的电极材料是其中通过cu渗透到mocr致密部位中而使微细的cu相均匀地分布在整个电极材料中的电极材料。同样地，如图5中所示，实施例3的电极材料也是其中微细的cu相均匀地分布在整个电极材料中的电极材料。与其相比，如图6中所示，比较例1的电极材料是散布有渗透到由cr的微细化而产生的空隙中的较大的cu相(取决于cr粒径的cu相)的电极材料。
即，在实施例1至实施例3的电极材料中，通过使与已通过将mocr固溶体粉末和cr粉末的混合粉末烧结而制备的烧结体具有良好润湿性的cu渗透到烧结体的间隙中，从而与使cu渗透到通过简单地烧结mo粉末和cr粉末的混合粉末而制备的烧结体中的情形相比，使mocr的烧结母材中cu相取决于cr粒径的cu相形成部位减少。通过以这种方式使cu渗透到电极材料中的mocr致密部位，认为确保给定量的cu并且也能够减小电极材料的硬度。认为特别是在成为以致将作为原料的耐热元素粉末与cr全部混合的情况下cr残存的耐热元素粉末与cr粉末的混合比(例如，耐热元素:cr＝1:1至6:1的重量比，更优选地，耐热元素:cr＝1:1至3:1的重量比)的电极材料中能够改善导电率并且减小电极材料表面硬度。
根据上述的本发明的电极材料的制造方法，在含有1重量份以上的耐热元素和1重量份的cr的电极材料中，该电极材料的剩余部分为cu和不可避免的杂质，通过将通过预先使耐热元素和cr固溶以防止cr残存而制备的固溶体粉末和cr粉末的混合粉末加压成形并且通过使cu渗透到通过烧结由加压成形得到的成形体而制备的烧结体中，从而能够得到导电率优异并且维氏硬度降低的电极材料。本发明的电极材料由于其高导电率，因此断开性能令人满意，并且优选用于具有高电压和大容量的真空断续器。
此外，根据本发明的电极材料和电极材料制造方法，通过使微细的cu相在整个电极材料中均匀地分布，从而能够抑制电极材料中的导电率的变化。
此外，根据本发明的电极材料和电极材料制造方法，能够在没有增加mo量的情况下改善电极材料的导电率并且降低电极材料的硬度。将比较例1-3的电极材料比较时，通过增加电极材料中的mo含量比例，能够改善电极材料的导电率并且降低电极材料的硬度。但是，在含有cu、cr和耐热元素的电极材料中，存在如下倾向：通过减少耐热元素的量，其在成本和耐电压性能方面变得有利。因此，根据本发明的电极材料和电极材料制造方法，能够以低成本制造导电率和耐电压性能优异并且硬度低的电极材料。
此外，通过使用本发明的电极材料作为真空断续器的固定电极和可动电极中的至少一个电极的电极接点材料，从而能够改善真空断续器的耐电压性能和断开性能以及电容器的开闭性能。
此外，通过使用硬度低的电极材料作为电极接点部件，从而使真空断续器的电极之间的接触电阻减小。因此，变得不必增加用于驱动可动电极的致动器的接触压力。因而，能够使用价格低的致动器。即，能够减少真空断续器的成本。
以上通过示出本发明的优选的方式从而进行了实施方式的解释，但本发明的电极材料和电极材料制造方法并不限于这些实施方式。在不损害本发明的特征的范围内能够适当地改变设计，并且具有改变的设计的实施方式也属于本发明的技术范围。