真空断路器用电极材料的制造方法技术

本发明专利技术系将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专利技术的均匀的微细合金组织，同时，防止如空隙缺陷组织的产生。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。本专利技术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。本专利技术系将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。附图说明图1所示为根据本专利技术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所示为用于本专利技术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为熔融本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
JP 1997-3-24 088817/971.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：富士电机株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]