真空負荷開關觸頭材料及其製造方法
2023-06-05 01:32:36
專利名稱：真空負荷開關觸頭材料及其製造方法
技術領域：
本發明屬於真空開關觸頭材料領域。主要適用於真空負荷開關。
真空開關因其一系列優點而被廣泛地應用於各工業部門，已成為中高壓開關電器的主要發展方向。而對真空開關的觸頭材料的基本條件是要求耐熔焊特性好、耐電壓強度高、電流開斷能力大和低的截斷電流，以及低而穩定的溫升，即低而穩定的電阻與接觸電阻。
真空負荷開關包括真空斷路器、真空接觸器和真空負荷開關，不同類型的真空開關對觸頭材料有不同的要求。真空斷路器要求具有高的耐壓強度、大的短路電流開斷能力，但其操作次數較少。中國專利ZL90108738.6所述的銅鉻鐵真空觸頭材料非常適應這種要求；另外，真空接觸器則需頻繁操作，要求截流值低，耐電壓要求不高，無需開斷短路電流，為此常規的W-Cu-Al-Te和Cu-WC觸頭材料就能很好地適應其要求；而真空負荷開關短路電流大，操作也頻繁，對其觸頭材料，既要求具有良好的工作電流開斷能力，又要求具有一定的短路電流開斷能力，以及動熱穩定和低的截流值。常規的銅鉻系觸頭材料、WCuAlTe材料、Cu-WC材料均因抗電弧燒蝕性能差等，滿足不了使用要求。傳統的WCu材料中，銅含量較高，一般20～40％，這種材料中鎢顆粒不能形成連續骨架，在電弧作用下，銅的熔化飛濺嚴重，抗電弧燒蝕性能差，而且這類材料一般不經高溫處理，氣體含量高(達150PPm左右)，故不能用於真空負荷開關。(《高壓電器》Vol.29，NO.3，1993.P27-27；《Proc.XVth Int.Symp.ON DEIV》1992，P273-278)。
本發明的目的在於提供一種適用於真空負荷開關需要的觸頭材料，即真空負荷開關觸頭材料及其製造方法。該觸頭材料抗燒蝕性和抗熔焊性好，絕緣強度高，截流值低，氣體含量低，具有一定的開斷短路電流能力，能很好地滿足真空負荷開關的要求。
針對上述目的，本發明真空負荷開關觸頭材料由鎢滲銅合金製成。
鎢滲銅合金的化學成分(重量％)為W85～93％，銅或銅合金7～15％，其中銅合金的化學成分(重量％)為Cu90～99.9％，Bi、Te、Sb、Pb、Se、Sn中任一種或任兩種以上之和0.1～10％。
本發明鎢是一咱難熔金屬元素，具有良好的高溫性能，鎢粉經高溫燒結後鎢顆粒聯結成具有較高結合強度的鎢骨架(見附
圖1)，而少量的銅均勻分布於鎢骨架中(見附圖2)，從而保證觸頭具有良好的抗燒蝕、抗熔焊、耐高壓及低截流值等特性，能完全適應真空負荷開關的要求。
本發明真空負荷開關觸頭材料的製造方法，包括備料、壓製成形、鎢粉坯料預燒結、燒結和滲銅工序，現分述如下一、備料鎢、銅或銅合金原料均採用粉末狀，其中，鎢粉的粒度要求1～10μm，並按化學成分配比進行備料。
二、壓製成形壓製成形有兩種方法一是冷等靜壓成形；一是機械模壓成形，(1)冷等靜壓成形 將鎢粉裝入軟模套中，並放進冷等靜壓機中壓製成鎢粉坯料，其成形壓力為100～200MPa。
(2)機械模壓成形 將鎢粉在油壓機或機械壓力機的模具上壓製成鎢粉坯料，所施壓力為60～150MPa，採用機械模壓成形時，需在鎢粉中加入成形劑0.1～4.0(重量％)，其成形劑為酒精、丙酮、甘油、聚乙烯醇、油酸、石臘、橡膠、硬脂酸鹽中任一種。
成形劑是在備料時，加入鎢粉中的。加入成形劑的目的是為了提高鎢料坯料的成形性能。
(3)機械模壓成形鎢粉坯料預燒結機械模壓成形的鎢粉坯料的預燒結分兩個階段進行第一階段預燒結溫度400～800℃，時間2～6小時；
第二階段預燒結溫度1000～1300℃，時間0.5～3.0小時。
上述第一階段預燒結目的是為了充分脫除成形劑；第二階段預燒結的目的是為了進一步提高鎢粉坯料的強度。
經冷等靜壓成形的鎢粉坯料，無需進行預燒結，即可直接進行燒結。
(4)鎢粉坯料燒結將冷等靜壓成形的鎢粉坯料和經預燒結的機械模壓成形鎢粉坯料置於氫氣保護或真空的燒結爐中進行燒結，燒結溫度為1800～2400℃，燒結時間為1～5小時；鎢粉坯料經高溫氫氣保護或真空下燒結後，能有效地去除雜質，提高材料純度，降低了氣體含量，其氣體及夾雜含量較一般觸頭材料低5～10倍，總量小於10PPm。
另外，經高溫氫氣保護燒結，使鎢骨架的純度提高，保證熔滲的順利進行，使該觸頭材料更為均勻、緻密。
經燒結後鎢粉坯料即成為具有較高強度的鎢骨架。
(5)鎢骨架滲銅將鎢骨架放入滲銅爐中進行滲銅，滲銅溫度為1150～1300℃，滲銅時間0.5～3.5小時，滲銅過程在氫氣氣氛或真空下進行。
鎢骨架經滲銅或銅合金後即成為本發明真空負荷開關觸頭材料製品。該材料均勻性好，無孔洞，相對密度達99.0％以上，且耐強度高，抗燒蝕和抗熔焊性能好，截流值低、導電率高，如銅含量為10％時導電率大於20m/Ωmm2，特別適用於製作真空負荷開關觸頭。
與現有技術相比，本發明具有如下優點(1)抗燒蝕性和抗熔焊性好。由於本發明降低了現有鎢銅觸頭材料中的銅含量，使鎢顆粒形成連續的具有較高強度的鎢骨架，低熔點銅或銅合金相固定在鎢骨架的毛細管中，降低了電弧下的低熔點相的噴濺，大大地提高了觸頭的抗電腐蝕性能，從而保證觸頭的抗燒蝕、抗熔焊的特性。
(2)截流值低。由於鎢骨架形成網絡，阻止了小電流電弧下的能量損失，提高銅或銅合金相的蒸發量，在開斷小電流時能提供足夠的金屬蒸氣，維持電弧的穩定，降低截流值。所滲的銅合金中添加少量低熔點組元，有助於進一步降低截流值。
(3)耐壓強度高，接觸電阻小。本發明觸頭材料，硬度適中，布氏硬度HB為220～260，正好滿足了負荷開關的要求，適中的硬度值，既保證了耐壓的要求，又避免了硬度過高引起的彈跳及接觸電阻升高，大大提高了真空開關的額定工作電流及動熱穩定性。
(4)純度高，雜質含量低，有利於提高弧後絕緣，從而提高開斷能力及真空負荷開關管壽命。經高溫氫氣保護燒結，能有效地去除雜質和氣體，提高材料純度。
(5)均勻性好，無孔洞，相對密度達99.0％以上，有利於提高材料的綜合性能。
現結合附圖對本發明作進一步說明。
附圖1為本發明真空負荷開關觸頭材料中鎢骨架的形貌圖。
附圖2為本發明真空負荷開關觸頭材料的顯微組織圖。
附圖3為常規鎢銅觸頭材料的顯微組織圖。
由上述圖1、2中看出，本發明鎢骨架為強度較高的連續骨架，銅或銅合金均勻地分散於鎢骨架之中，這種組織狀態保證觸頭材料具有良好的抗燒蝕、抗熔焊性能及低的截流值。而附圖3的常規鎢銅觸頭材料的顯微組織呈不連續狀態，電弧作用下，銅的熔化飛濺嚴重，抗電弧燒蝕性差。
實施例根據本發明所述的真空負荷開關觸頭材料的化學成分和製造方法，製備了五批觸頭材料，五批材料經備料後，經冷等靜壓成形或模壓成形。五批材料的化學成分如表1所示。其粒度和成形條件如表2所示。冷等靜壓成形的鎢粉坯料直接進行燒結和滲銅；對於模壓成形的鎢粉坯料則需經第一、第二階段的預燒結後，再進行燒結和滲銅。表3列出了預燒結、燒結、滲銅的工藝條件。
滲銅後，即成為本發明真空負荷開關觸頭材料產品。並對最終的觸頭材料產品進行了性能檢測，其結果列入表4。由表4看出，本發明觸頭材料密度和導電率高，硬度適中，氧氣及氫氣含量低。表1 實施例觸頭材料的化學成分
表2 實施例鎢粉粒度、成形條件及成形件尺寸
表3實施例觸頭材料預燒結、燒結及滲銅工藝參數
注預燒結、燒結均在氫氣保護下進行。表4 實施例觸頭材料的性能測試結果
權利要求
1.一種真空負荷開關觸頭材料，由鎢滲銅合金製成，其特徵在於鎢滲銅合金的化學成分(重量％)為W 85～93％，銅或銅合金7～15％，其中銅合金的化學成分(重量％)為Cu90～99.9％，Bi、Te、Sb、Pb、Se、Sn中任一種或任兩種以上之和0.1～10％。
2.一種權利要求1所述的真空負荷開關觸頭材料的製造方法，其特徵在於該方法包括如下工序(1)備料鎢、銅或銅合金原料均採用粉末狀，其中，鎢粉的粒度要求1～10μm，並按化學成分配比進行備料；(2)壓製成形壓製成形有兩種方法一是冷等靜壓成形；一是機械模壓成形，冷等靜壓成形 將鎢粉裝入軟模套中，並放進冷等靜壓機中壓製成鎢粉坯料，其成形壓力為100～200MPa。機械模壓成形 將鎢粉在油壓機或機械壓力機的模具上壓製成鎢粉坯料，所施壓力為60～150MPa，採用機械模壓成形時，需在鎢粉中加入成形劑0.1～4.0(重量％)，其成形劑為酒精、丙酮、甘油、聚乙烯醇、油酸、石臘、橡膠、硬脂酸鹽中任一種。(3)機械模壓成形鎢粉坯料預燒結機械模壓成形鎢粉坯料的預燒結分兩個階段進行第一階段預燒結溫度400～800℃，時間2～6小時；第二階段預燒結溫度1000～1300℃，時間0.5～3.0小時。(4)鎢粉坯料燒結將冷等靜壓成形的鎢粉坯料和經預燒結的機械模壓成形鎢粉坯料置於氫氣保護或真空下的燒結爐中進行燒結，燒結溫度為1800～2400℃，燒結時間為1～5小時；(5)鎢骨架滲銅將鎢骨架放入滲銅爐中進行滲銅，滲銅溫度為1150～1300℃，滲銅時間0.5～3.5小時，滲銅過程在氫氣氣氛或真空下進行。
全文摘要
本發明屬於真空開關觸頭材料領域。所述的觸頭材料適用於真空負荷開關。該觸頭材料由鎢、銅或銅合金組成，具體化學成分(重量％)為W85～93％，銅或銅合金7～15％。該觸頭材料的製造方法包括備料、冷等靜壓和模壓成型鎢粉坯料，坯料經預燒結、燒結成為鎢骨架，最後鎢骨架滲銅或銅合金，即成為本發明觸頭材料。該材料具有優異的抗燒蝕和抗熔焊性能，截流值低，接觸電阻小，使用壽命長。
文檔編號H01H1/02GK1167992SQ9711171
公開日1997年12月17日 申請日期1997年5月5日 優先權日1997年5月5日
發明者周武平, 呂大銘, 凌賢野, 唐安清, 汪鵬 申請人:冶金工業部鋼鐵研究總院