专利名称：真空断路器用电极材料的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于真空断路器电极材料的Cu(铜)合金的制造方法。
众所周知，真空断路器是由设置于真空容器中的可动、固定电极控制电流的开关。作为该电极材料要求其具有很多特性，例如，要求其具有(1)分断电流大，(2)截断电流小，(3)电极间的绝缘击穿电压大，(4)难熔焊，(5)通电中的发热少等特性。有关这些真空断路器的电极材料，以往已研究和开发了许多合金。至今已实用的合金有Cu-Bi(铋)、Cu-Te(碲)等的熔铸合金，或Cu-W(钨)、Cu-Mo(钼)等的烧结合金。然而，作为兼具有上述各种良好特性的材料，目前正广泛使用的是含有20～70％(质量)Cr(铬)的Cu-Cr合金。又，由于作为真空断路器电极材料所要求的上述各种特性，该些特性除了金属成份以外，也受其所含有的氧等气体、微量杂质、或受金属组织的细微均匀性的影响。所以，上述Cu-Cr合金的原材料使用了高纯度的金属材料，且所述熔化及烧结系在真空中或在氢及氩气等的保护气体中进行。
Cr在Cu熔点(约1083℃)附近的温度下几乎不熔化于Cu。因此，以往的Cu-Cr合金主要是用以Cr金属粉末为原料的粉末冶金法制造。例如，可使用将Cu粉末和Cr粉末的混合体成形、烧结的烧结法；或是使用如下的熔液浸渗法(melting-infiltrating method)在Cr粉末中混合少量的Cu粉末，将该混合物成形、烧结，作成多孔体，再使其浸含熔融了的Cu。此时，由上述二种方法所制得的Cu-Cr合金组织为在其Cu基体材料中分散有Cr粒子的组织。由于分散的Cr粒子大部分的粒径与原料粉粒粒径大致相同，在加热过程中，Cr溶入Cu中，而在冷却过程中，Cr在Cu中析出，所以也可以获得只有少量的含有细微Cr粒子的合金。
在上述以往的Cu-Cr合金的制造过程中，原料Cr粉末是使用铝钎料法(如，Alumino-Thermit Process，order im Deutschen，Alumino ThermischHergestelltin Cr Methode)或电解法作成Cr锭，再将该Cr锭通过机械粉碎成金属粉末。众所周知，Cr为易氧化金属，所以，在粉碎过程中，Cr粉末的表面为强力的氧化膜所覆盖。另外，由于其与Cu粉末的混合是在球磨机或V型搅拌机中进行，所述的操作也使Cr粉末表面氧化。该氧化膜受热稳定，在通常的烧结温度的加热下也不会分解或还原。因此，粉末冶金法所制造的Cu-Cr合金存在的问题是其含氧量较多。另外，由于氧化膜的存在1在烧结法中Cu与Cr的熔合受到阻碍；而在熔液浸渗法中则有这样的问题发生Cu的未溶渗部分，易在组织内生成空隙等的缺陷。这些问题成为降低分断电流及绝缘击穿电压的原因。
再有，在以往的Cu-Cr合金的制造方法中，Cr粉粒的粒径取决于原料粉末的大小，但要制造微细的Cr粉末，在其制造上也有极限。另外，对Cr粉末作微细加工，则易导致其表面积及相应的氧含量增加。为此，要在以往的Cu-Cr合金中细化其Cu基体材料中的Cr粒子是很困难的。其粒子平均粒径的限度为150μm左右。Cr粒子的微细程度特别是对截断电流产生影响。如果，Cr的分散粒子粒径粗大，则产生截断电流也增大的问题。此外，Cr粒子的分散均匀性也对截断电流产生影响。如Cr粒子的分散不均匀，则截断电流值的离散性也大。然而，如果为了达到均匀分散目的，而延长球磨机中的混合时间，则也可能因此而发生原料粉末的氧化严重。
作为解决烧结法及熔液浸渗法中出现的问题，在特开平4-71970号公报上公开了一种以电弧或激光熔化、制造Cu-Cr合金的方法。
上述方法系将例如Cr粉末和Cu粉末混合，经压缩、成形、烧结，作成柱状坯料。将该坯料作为弧电极，以电弧放热从其一端缓慢熔解，并顺序渐次凝固于水冷铸模中。在该公报中，除了电弧以外，也公开了利用激光及高频等离子体制造Cu-Cr合金的方法。由此方法，可以得到其中Cr粒子微细均匀、分散的合金。不过，由于该方法使用了Cr粉末，因而，无法相应地满足降低氧含量的要求。上述方法系一种从被熔化坯料的一端一点一点熔化的渐次熔化、渐次凝固法。要将整块铸锭作成含有规定成份的Cr-Cu合金，必须将被熔化铸锭中的Cr和Cu作成尽可能小的粒子，使其在整块铸锭中混合成为均匀的成份。为此，无法避免粉末原料的使用及其混合工序，而这是含氧量增加的原因。
另外，为改善Cr-Cu合金的耐熔焊性或降低截断电流，也可使其含有Te、Bi、Sb、Zn等。因这些元素的蒸汽压高，为减少蒸发损失，应注意避免不必要地提高熔化时的温度。又，仅是Cr-Cu合金的场合，不必要地提高熔化温度也会使Cu或Cr蒸发，导致熔化炉的污染，故不宜使用。在用电弧及激光熔化时，必然使温度升高至数千度，其温度控制困难。
本发明的课题在于制造一种真空断路器用的Cu-Cr合金电极材料，所述合金电极材料的氧含量小，很少金相结构上的缺陷，且其Cr粒子细微、均匀地分散于Cu基质中。
本发明系将Cu材料和Cr材料按所定的比率混合，对该混合材料加热，直至其全部熔化，作成二种元素均匀互熔的熔融金属，接着，急冷该熔融金属，使Cr成细微状析出于Cu基体材料中，由此制得真空断路器用电极材料。不必要使用Cr粉末及在熔化之前对Cr和Cu的均匀混合。根据所述制造方法，Cr在加热工序中和Cu溶合，成为成份均匀的熔融金属，接着，溶入Cu中的Cr在冷却工序中呈微细的球状及树枝状析出。由于Cr一旦溶入Cu中之后，即因冷却而析出，所以，可以使Cr粒子粒径不受原料Cr材料的尺寸所左右，提高冷却速度，由此，可将Cr粒的粒径细化至任意的水平。另外，也不会发生因表面氧化膜而产生的Cu和Cr的熔合降低及因Cr未析出于Cu而产生的缺陷组织的问题。
在制造通常所使用的含有20～70％(质量)Cr的Cu合金的场合，用于熔化Cu材料和Cr材料，使其成为成份均匀的熔融金属的加热温度为约1800～2000℃左右；而在制造Cr含量较高的Cu-Cr合金的场合，所述温度最高可提高至2500℃左右。在这样的高温下加热，Cu的蒸发显著，也出现由于坩埚污染熔融金属的倾向。为减少上述现象，理想的是，应尽可能提高加热速度，使熔融金属与坩埚的接触时间缩短。更好的是，使用可使合金与坩埚非接触加热式的悬浮熔化法(levitation熔化法)。
作为加热方法，最好是采用通过其输出调节可控制温度的、且同时又可作电磁搅拌的高频加热。采用该电磁搅拌作用，可以促进熔融金属中成份的均匀，同时，可望排除从坩埚中混入的陶瓷等异物。
混合的Cu材料或Cr材料皆可作成粒子以至块状的材料。为减少其氧含量，可将Cr材料的粒径增大，而减少其整体的表面积。其粒径较好的是在1mm以上。又，由于冷却速度影响析出的Cr粒子粒径，所以，为得到微细的组织，有必要急冷。但是，将熔融金属浇注于水冷型铜铸模中，可藉此将Cr粒子微细化至如下面所述的粒径20～30μm的粒径。
以下，就附图作一说明。
图1所示为根据本发明的方法制造的电极材料的金相组织结构照片。
图2所示为根据以往的烧结法制造的电极材料的金相组织照片。
图3所示为用于本发明实验的悬浮熔化装置结构的立体纵向剖视图。
图中，1为坩埚，2为扇形片状物，3为绝缘材料，4为冷却水通道，5为出炉口，6为出液管口部，7为下感应线圈，8为上感应线圈，9为熔融金属。
以下，参照附图，就使用悬浮熔化装置制造电极材料的实验例作一说明。
首先，在图3中，坩埚1系由导电性能优良的材料(纯铜)制成的扇形片状物2夹有绝缘材料3，并沿坩埚的外圆周方向层叠而成。各个扇形片状物2利用来自于设于坩埚内部、位于图中未示的冷却水槽的冷却水流过设于其内部的冷却水通道4进行冷却。在坩埚1的底部形成有(熔融金属液)出炉口5，在出炉口5下方与出炉口5连接设置有出液管口部6。在坩埚1的外侧，分别设置有下感应线圈7和上感应线圈8。
将原料9倒入坩埚1。对下感应线圈7和上感应线圈8供给高频电流，在原料9内产生涡流，原料9因该焦耳热而被加热、熔化。与此同时，在所提供的电流与涡流之间产生电磁斥力。再有，在扇形片状物2内也产生涡流，在该涡流和原料9内的涡流之间也产生电磁斥力。其结果，原料(熔融金属)9在下感应线圈7的作用下，从坩埚底部被浮起，又在上感应线圈8的作用下，被挤向坩埚中心，保持离开坩埚1的壁面的悬浮状态。坩埚1内的原料(熔融金属)9藉由切断流经上、下感应线圈7、8的电流，通过出液管口部6，从出炉口5由重力下落而流出。另外，悬浮熔化装置整体安装在图中未示的密闭容器内，密闭容器内充有保护气体。
在实验中，将平均直径为1～5mm的Cr粒子和将直径5mm的无氧铜园棒切断成约5mm长的铜片，按质量比3∶7(Cr为3)的比例混合放入坩埚1中，其整体处于氩气氛围中，进行悬浮熔化。在Cr材料和Cu材料完全熔化之后，切断感应线圈7、8的电源，将熔融金属9浇注入设于出液管口部6下方的、图中未示的水冷型铜铸模中。
如上所制得的70％Cu-30％Cr合金的金相组织结构示于图1的照片中。另外，作为比较例，将平均粒径为150μm的Cr粒子和直径为200μm及其以下的电解铜粉施以加热温度1000℃下的烧结法，制造的70％Cu-30％Cr合金的金属组织结构示于图2的照片中。图1及图2的放大倍率皆为70倍。从比较图1及图2可明白地，本发明的Cr粒子(图1中显示的分散的粒子)比起比较例(图2中显示的分散的粒子)来，其Cr粒子显著微细化(在试验例中粒径约为20～30μm)，且作均匀分散。另外，用熔融气体分析法进行测量合金的氧含量，比较例为900～1100ppm，相比之下，本发明的为150～250ppm，较少。
又，在上述实施方式中，是将熔融金属9浇注入水冷型铜铸模中，但在由于坩埚1因被水冷而处于堵塞出炉口5的状态下，切断上下感应线圈7、8的电源，使熔融金属9仅在坩埚1内冷却，既使如此，也能析出相应的微细化Cr。另外，加热最好是使用悬浮熔化装置，也可在通常的石墨或陶瓷制坩埚中进行高频加热。
根据本发明，将Cr熔化于Cu中之后，使之急冷，析出，由此，可使所述合金比起以烧结法和熔液浸渗法所制造的合金来，其Cr粒子可作极其细微的分散，同时，可以防止因原料粉末的氧化膜而产生金相组织缺陷。另外，因为析出的Cr的微细化程度可以不受熔化之前的Cr材料粒径的影响，所以，可以在不妨碍熔化操作的范围内，尽量增大Cr材料的直径，减少Cr材料的整个表面积，最大限度地抑止起因于Cr材料表面氧化膜的合金的氧含量。
再有，由于在本发明中可使用高频加热等作为加热源，合金制作过程中可控制温度，所以，可以根据不同的Cu含量、有无Bi、Te等的添加成份的情况下，在不同的温度下进行熔化，从而能够在工业上制得品质稳定的电极材料。
其结果，在将本发明的电极材料用于真空断路器时，可以特别获得增大的分断电流和绝缘击穿电压、及降低截断电流，同时，使小型、高可靠性的真空断路器的制造容易。
权利要求
1.一种真空断路器用电极材料的制造方法，其特征在于，将Cu材料和Cr材料按所定的比率混合，对该混合材料加热，直至其全部熔化，作成二种元素均匀互熔的熔融金属，接着，急冷该熔融金属，使Cr成微细状析出于Cu基体材料中。
2.如权利要求1所述的真空断路器用电极材料的制造方法，其特征在于，使用悬浮熔化法熔融所混合的材料。
3.如权利要求1所述的真空断路器用电极材料的制造方法，其特征在于，将所述的Cr材料作成直径1mm以上的粒状及块状。
4.如权利要求2所述的真空断路器用电极材料的制造方法，其特征在于，将所述的Cr材料作成直径1mm以上的粒状及块状。
5.如权利要求1～4之任一项所述的真空断路器用电极材料的制造方法，其特征在于，将熔融金属浇注入水冷型铜铸模中后，急冷。
全文摘要
本发明系将Cu和Cr材料按所定比率混合,用悬浮熔化装置对该混合材料加热,直至其全部熔化,急冷生成的熔融金属,使Cr成细微状析出于Cu基体材料中。因是使Cr溶入Cu之后再急冷析出Cr,所以比起烧结法及熔液浸渗法来,其合金中的Cr分散粒子更加细微化,也不会因表面氧化膜而使Cu和Cr的熔合减弱及产生Cu的未溶渗部分。由此可以得到本发明的均匀的微细合金组织,同时,防止如空隙缺陷组织的产生。
文档编号H01H1/02GK1194449SQ9810513
公开日1998年9月30日 申请日期1998年3月24日 优先权日1997年3月24日
发明者筱原久次, 岩井弘美, 筱仓恒树, 武达男, 潮崎克郎, 古泽正幸, 柴田和郎, 畠山俊一 申请人:富士电机株式会社