電極材料的製作方法

2023-12-09 15:22:36

專利名稱：電極材料的製作方法
技術領域：
本發明一般說來涉及一種裝配在真空斷路器內的電極材料。具體地說，本發明涉及這樣一種由銀(Ag)和(Cr)組成的材料，它具有低的接觸電阻和優良的斷開能力。
通常使用銅(Cu)-鉍(Bi)合金作為真空斷路器的電極材料。這種由Cu-Bi製成的電極材料一般含有小於作為基質金屬Cu重量的1%的Bi，以提高材料的接合耐力。Cu-Bi合金具有適於電極的低接觸電阻，使其能提供大電流。然而該材料在其耐電壓和斷開能力方面具有一定的問題。
在其中的Cr粒子分散在Cu基質中的銅(Cu)-鉻(Cr)合金也被用於上述用途的材料，這是由於其相對於Cu-Bi合金而言具有優良的耐電壓和斷開能力。但是該合金的接觸電阻相對高於Cu-Bi合金的接觸電阻，特別在電流被斷開時，接觸電阻顯著增高。
此外，含銀(Ag)電極材料在本技術領域內也是公知的，但其斷開能力差於Cu-Cr合金或Cu-Bi合金的斷開能力。因而含銀材料的應用僅限於作為Ag-WC合金而被用於不頻繁承受切斷電流的開關中。
現在根據真空斷路器的改進，為了製造能提供大電流量的電極，越來越需要這樣的電極材料，它具有低的接觸電阻，並相對於由Cu-Bi合金組成的材料而言具有優良的耐電壓和斷開能力。
因而本發明的首要目的就是提供一種裝配在真空斷路器內的電極材料，它具有低的接觸電阻和優良的耐電壓性，以及高斷開能力。
為了達到上述目的和其它目的，製造電極的方法由以下步驟組成以一種含量比例混合銀(Ag)粉和鉻(Cr)粉，使得Ag粉構成基質而Cr粉分散於其中，將混合粉末壓製成壓塊，以Ag熔點附近的溫度燒結該壓塊，並將燒結件的密度調節為至少90%。
在混合粉末中，可含Ag粉50-95%(重量)，可含Cr粉5-50%(重量)。
被混合的Cr粉顆粒尺寸可小於150μm，更佳為小於60μm。
燒結溫度可在800-950℃之間確定。
由下文作出的詳細敘述和本發明優選實施例的附圖將能更充分地理解本發明。但是，這些附圖並不意味著試圖將本發明限制成特定的實施例，而僅供說明和理解本發明。
各附圖中

圖1是顯示電極結構的示意的橫剖面圖;
圖2是表示Ag-Cr和Cu-Cr電極的Cr含量和接觸電阻之間關係的曲線;
圖3是表示Ag-Cr和Cu-Cr電極的斷開頻率和接觸電阻之間關係的曲線;
圖4是顯示80%(重量)Ag-20%(重量)Cr的電極在斷流後橫截面金屬組織的照片;
圖5是顯示80%(重量)Cu-20%(重量)Cr的電極在斷流後橫截面金屬組織的照片;
圖6是表示電極的Cr含量和斷路電流之間關係的曲線;
圖7是顯示含100μm顆粒尺寸的Ag-Cr電極在燒結後橫截面金屬組織的照片;
圖8是顯示含60μm顆粒尺寸Cr的Ag-Cr電極在燒結後橫截面金屬組織的照片;
圖9是顯示含10μm顆粒尺寸Cr的Ag-Cr電極在燒結後橫截面金屬組織的照片;
圖10是表示含不同顆粒尺寸Cr的電極的Cr含量和接合力之間關係的曲線;
圖11是表示電極的Cr顆粒尺寸和斷開能力之間關係的曲線;
圖12是顯示含10μm顆粒尺寸Cr的Ag-Cr電極在斷流後橫截面金屬組織的照片;
圖13是顯示含100μm顆粒尺寸Cr的Ag-Cr電極在斷流後橫截面金屬組織的照片;而圖14是Cu-20%Cr(重量)電極在斷流後對電極基體和電極表面之間進行金屬組織比較的照片。
在本發明中，被認為是促進電極接觸電阻減小的銀粉，在形成Ag-Cr電極當中以可變組份而使用。使用粉末冶金法作為製造電極的方法，即壓制金屬粉末並使之成型，然後燒結。使用粉末冶金的方法來作為能降低製造費用的方法，在本技術領域中已是公知的(參見日本特許第一次公開(未批准)No.53-149676)。
實施例1顆粒尺寸小於150μm的鉻(Cr)粉和顆粒尺寸小於80μm的Ag粉，按照表1所列的各種比例混合。將該混合粉末填入模具並以3.5噸/釐米2的壓力壓制。然後在真空條件下(5×10-5乇)，以Ag熔點附近的溫度950℃加熱燒結所得的壓塊2小時，結果得到製造電極的坯料。所得每個坯料的密度也列於表1。作為對照，使用與上述類似的方法製備20%Cr-80%Cu。表1列出了每個壓塊在用作電極時的電導率及其相對密度。
表1
根據對每個坯料進行的顯微照片觀察，Cr粒子均勻分散在Ag基質中。
將坯料製成電極，然後將其裝配進真空斷路器中，以測量該電極的接觸電阻(參見圖1，其中標號1表示電極，而標號2表示導線)。圖2示出了每個電極的接觸電阻，並示出了Cu-Cr電極的接觸電阻作為對照。在該圖中繪出了在達20KA的斷流過程中接觸電阻的最大值。與Cu-Cr電極的接觸電阻相比較，Ag-Cr電極的接觸電阻有效地被減小。
圖3示出了80%(重量)Ag-20%(重量)Cr電極的斷開頻率和接觸電阻之間，以及80%(重量)Cu-20%(重量)Cr電極的斷開頻率和接觸電阻之間的關係。斷路試驗在該圖橫軸所示的條件下進行。參看圖3，80%(重量)Ag-20%(重量)Cr的電極顯示出比對照例(即80%(重量)Cu-20%(重量)Cr的電極)明顯低的接觸電阻，即使在電流反覆被切斷的情況下也是如此。
圖4示出了80%(重量)Ag-20%(重量)Cr的電極在斷流後的金屬組織，而圖5示出了80%(重量)Cu-20%(重量)Cr的電極在同樣情況下的金屬組織。二者均為顯微照片。如圖5所示，該Cu-Cr電極的表面被熔融層A所覆蓋，熔融層A具有這樣的金屬組織，其中均勻分散的Cr粒子的顆粒尺寸小於0.5μm。這看來是由於當電極被斷流能量熔融時形成的含Cu和Cr的均勻液相立即冷卻所生成的。所以由於Cr的均勻分散使電極表面顯示出良好的硬度。這引起電極的接觸電阻增加。另一方面如圖4所示，Ag-Cr電極儘管鄰近其表面顯示有熔融層A，但沒有表明Cr粒子明顯分散的層。Cr粒子和Ag基質不均勻地分布。因而Ag-Cr電極接觸電阻的增加量減小。
因此，Ag-Cr合金被優選用於低接觸電阻的電極。此外，根據表1和圖2及圖3，優選的混合比例是50-95%(重量)含量的Ag和5-50%(重量)含量的Cr。
實施例2顆粒尺寸小於80μm的Ag粉和顆粒尺寸小於150μm的Cr粉以表2所列的各種含量比例混合。
然後將混合粉末填充到模具裡，以3.5噸/釐米2的壓力壓制，結果得到85mm直徑的壓塊。按照與上述實施例1類似的條件用類似的方法將所得的壓塊製成電極的坯料。每個坯料的導電率和相對密度也列於表2中。
表2 然後將每個坯料製成80mm直徑的螺旋形電極，並將其裝配進真空斷路器中，以測量其斷流能力。結果示於圖6(由100μm標明的曲線)。儘管反覆進行斷流，Ag-Cr電極的接觸電阻與Cu-Cr電極相比較還是顯示出較小的增長。圖7是顯示本實施例電極金屬組織的顯微照片。
實施例3顆粒尺寸小於80μm的Ag粉和顆粒尺寸小於60μm的Cr粉，
按照表3所列的各種含量比例混合。
表3 然後將混合粉末填充到模具中，以3.5噸/cm2的壓力壓制，得到直徑為85mm的壓塊。在與上述實施例1類似的條件下，用類似的方法將所得壓塊製成電極坯料。每個坯料的電導率和相對密度也列於表3。
然後在與上述實施例2類似的條件下，用類似的方法製作電極。結果示於圖6(圖60μm標明的曲線)。儘管反覆進行斷流，Ag-Cr電極的接觸電阻與Cu-Cr電極的接觸電阻相比較還是顯示出較小的增長。圖8是顯示本實施例電極金屬組織的顯微照片。
實施例4將顆粒尺寸小於80μm的Ag粉和顆粒尺寸小於10μm的Cr粉，按照表4所列的各種含量比例混合。
表4 然後將混合粉末填充到模具中，用3.5噸/釐米2的壓力壓制，結果得到直徑為85mm的壓塊。在與上述實施例1類似的條件下，用類似的方法將所得的壓塊製成電極坯料。每個坯料的導電率和相對密度也列於表4中。
然後在與上述實施例2類似的條件下，用類似的方法製造電極。結果示於圖6(圖10μm標明的曲線)。儘管反覆進行斷流，Ag-Cr電極的接觸電阻與Cu-Cr電極相比較還是顯示出較小的增長。圖9是顯示本實施例電極金屬組織的顯微照片。
圖10顯示上述三個實施例電極的接合力和其Cr含量之間的關係。Cu-Cr電極的接合力作為對照而被示出。
根據上述各實施例，Ag-Cr電極在斷流後顯示出較小的接觸電阻的增長。此外，電極的接觸電阻不取決於其中所含Cr顆粒的尺寸，但按照Cr含量的提高而增長。然而電極的接觸電阻不因電流的斷開而增加。進一步說，Ag-Cr電極與Cu-Cr制的電極相比較，顯示出優良的接合能力。
一般說來，具有較小Cr顆粒尺寸的電極的斷流能力優於具有較大Cr顆粒尺寸的電極。如果Cr粒子尺寸變得較大，那末在Cr和Ag粒子接觸點處產生的電弧趨於被捕獲在Cr粒子中，結果阻止了平衡地電弧轉移。另一方面，如果Cr粒子尺寸變得較小，則由於電弧不被捕獲在Cr粒子中，電弧可被迅速轉移。這就允許反覆進行電流的斷開。圖11示出了電極斷流能力和其Cr粒子尺寸之間的關係。參照圖11和先前已參照過的圖10，優選小於60μm的Cr粒子尺寸以保持電極的斷開能力。
圖12和13是顯示實施例4和2所得電極在斷流後橫截面金屬組織的顯微照片。參照這兩幅圖，當Cr粒子尺寸較大時，金屬組織變得不均勻，因而Cr和Ag粒子的接觸部份減小。這引起Ag的部份蒸發或材料從電極表面剝落，造成表面不規則。而另一方面，如果Cr粒子尺寸較小，則不會發生任何上述的不利情況，因而鄰近電極表面的金屬組織在斷流後變得均勻。
圖14示出了作為圖11示出的具有小Cr顆粒尺寸Ag-Cr電極對照例子Cu-Cr電極的金屬組織。它顯示出了鄰近該Cu-Cr電極表面的熔融層，其中顆粒尺寸小於0.5μm的Cr粒子分散在該熔融層中。當電極被斷流的能量熔融時形成液相，Cr和Cu粒子均勻分散於其中。鄰近電極表面所顯示的熔融層看來是該液相經迅速冷卻而形成的。因而電極的硬度由於Cr粒子的均勻分散而增加，結果引起電極的接觸電阻增高。
根據實施例2至4，優選的是將5-50%(重量)顆粒尺寸小於60μm的Cr粉和50-95%(重量)的銀粉混合，用作真空斷路器的電極材料。該混合粉末被壓制，在Ag熔點附近的溫度下燒結。製件的密度較佳地調節為至少90%。
該電極材料壓塊的燒結溫度優選地是在800-950℃之間的範圍內確定，這正是Ag熔點附近的溫度。當溫度不超過800℃時，不能促進壓塊的燒結。另一方面，當溫度超過950℃時，則趨於引起電極的部份熔融或其表面的變形(例如氣泡)。
電極的密度要求大於90%，這是因為當它不超過90%時，電極的電導率降低。此外也表明其燒結不足。這會造成電極強度變差。
因而，由於規定了Ag粉和Cr粉的比例，燒結溫度，以及電極的密度，便能夠獲得比使用Cu-Cr電極時具有更低接觸電阻的真空斷路器，其電極的接觸電阻即使反覆進行斷流也不增高。
此外，本發明的電極顯示出優於Ag-WC電極的良好的斷開能力，以及比Cu-Cr電極低的接觸電阻。
另外，本發明的電極顯示出良好的接合能力，被裝配到斷路器中的斷路件尺寸可以減小，這是因為可以減小施加在其上的脫扣力。因此，雖然使用公知的較貴的金屬Ag製作電極，但還是能以較低的成本提供斷路件。
進一步說，當斷路器由Cu-Cr電極構成時，主要的導體一般在斷流器中佔據大的空間，另外需要有良好的熱輻射性能的散熱片，這些造成斷路器尺寸的增大和製造費用的增加。但是當斷路器由本發明的電極材料構成時，這些問題均可得到解決。
雖然為了有助於更好地理解本發明而依據較佳實施方案對本發明加以了敘述，但應當了解的是，本發明可以在不脫離其原則的情況下以各種方式加以實施。因而本發明應被理解成為包括所有可能的實施方案和對給出的實施方案的改進，這些實施方案可在不脫離所附權利要求中所述的本發明原則的情況下加以實施。
權利要求
1.一種製造電極的方法，包括下列步驟以一種含量比例混合銀(Ag)粉和鉻(Cr)粉，使得Ag粉形成基質而Cr粉分散於其中，將上述混合粉末壓製成壓塊，以Ag熔點附近的溫度燒結上述壓塊，以及調節燒結件的密度為至少90%。
2.權利要求1所述的方法，其中在混合粉末中所述Ag粉含量為50-95%(重量)，而所述Cr粉含量為5-50%(重量)。
3.權利要求1所述的方法，其中所述被混合的Cr粉的顆粒尺寸小於150μm。
4.權利要求1所述的方法，其中所述被混合的Cr粉的顆粒尺寸小於60μm。
5.權利要求1所述的方法，其中所述溫度在800-900℃之間被確定。
6.一種製造電極的方法，包括下列步驟將50-90%(重量)的銀(Ag)粉和5-50%(重量)的鉻(Cr)粉相混合，將上述混合粉末壓製成壓塊，以Ag熔點附近的溫度燒結上述壓塊，以及調整燒結件的密度為至少90%。
7.權利要求6所述的方法，其中所述被混合的Cr粉小於150μm。
8.權利要求6所述的方法，其中所述被混合的Cr粉小於60μm。
全文摘要
一種製造裝配在真空斷路器中的電極的方法，由下列步驟組成以一種含量比例混合銀(Ag)粉和鉻(Cr)粉，使得Ag粉構成基質，而Cr粉分散於其中，所確定的優選混合比例為含有50—90％(重量)的Ag粉和5—50％(重量)的Cr粉，將該混合粉末壓製成壓塊，以Ag熔點附近的溫度燒結該壓塊，並調節燒結件的密度為至少90％。被混合的Cr的顆粒尺寸被確定為小於150μm，更佳為小於60μm。燒結溫度可在800—950℃之間確定。
文檔編號H01H1/02GK1101455SQ94105230
公開日1995年4月12日 申請日期1994年4月28日 優先權日1993年4月30日
發明者吉岡信行, 野田泰司, 深井利真, 鈴木伸尚 申請人:株式會社明電舍