CN1056464C - 真空负荷开关触头材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于真空开关触头材料领域。所述的触头材料适用于真空负荷开关。该触头材料由钨、铜或铜合金组成，具体化学成分的重量百分比为：W85～93%，铜或铜合金7～15%。该触头材料的制造方法包括备料、冷等静压成形或模压成形钨粉坯料，坯料经预烧结和烧结成为钨骨架，最后钨骨架渗铜或铜合金，即成为本发明真空负荷开关触头材料。

Description

真空负荷开关触头材料及其制造方法

本发明属于真空开关触头材料领域。主要适用于真空负荷开关。

真空开关因其一系列优点而被广泛地应用于各工业部门，已成为中高压开关电器的主要发展方向。而对真空开关的触头材料的基本条件是要求耐熔焊特性好、耐电压强度高、电流开断能力大和低的截断电流，以及低而稳定的温升，即低而稳定的电阻与接触电阻。

真空负荷开关包括真空断路器、真空接触器和真空负荷开关，不同类型的真空开关对触头材料有不同的要求。真空断路器要求具有高的耐压强度、大的短路电流开断能力，但其操作次数较少。中国专利ZL90108738.6所述的铜铬铁真空触头材料非常适应这种要求；另外，真空接触器则需频繁操作，要求截流值低，耐电压要求不高，无需开断短路电流，为此常规的W-Cu-Al-Te和Cu-WC触头材料就能很好地适应其要求；而真空负荷开关短路电流大，操作也频繁，对其触头材料，既要求具有良好的工作电流开断能力，又要求具有一定的短路电流开断能力，以及动热稳定和低的截流值。常规的铜铬系触头材料、WCuAlTe材料、Cu-WC材料均因抗电弧烧蚀性能差等，满足不了使用要求。传统的WCu材料中，铜含量较高，一般20～40％，这种材料中钨颗粒不能形成连续骨架，在电弧作用下，铜的熔化飞溅严重，抗电弧烧蚀性能差，而且这类材料一般不经高温处理，气体含量高(达150PPm左右)，故不能用于真空负荷开关。(《高压电器》Vol.29，NO.3，1993.P27-27；《Proc.XVthIn t.Symp.ON DEIV》1992，P273-278)。

本发明的目的在于提供一种适用于真空负荷开关需要的触头材料，即真空负荷开关触头材料及其制造方法。该触头材料抗烧蚀性和抗熔焊性好，绝缘强度高，截流值低，气体含量低，具有一定的开断短路电流能力，能很好地满足真空负荷开关的要求。针对上述目的，本发明真空负荷开关触头材料由钨渗铜合金制成。

钨渗铜合金化学成分的重量百分比为：

W85～93％，铜或铜合金7～15％，

其中铜合金化学成分的重量百分比为：

Cu90～99.9％，Bi、Te、Sb、Pb、Se、Sn中任一种或任两种以上之和0.1～10％。

本发明钨是一种难熔金属元素，具有良好的高温性能，钨粉经高温烧结后钨颗粒联结成具有较高结合强度的钨骨架(见附图1)，而少量的铜均匀分布于钨骨架中(见附图2)，从而保证触头具有良好的抗烧蚀、抗熔焊、耐高压及低截流值等特性，能完全适应真空负荷开关的要求。

本发明真空负荷开关触头材料的制造方法，包括备料、压制成形、钨粉坯料预烧结、烧结和渗铜工序，现分述如下：

一、备料

钨、铜或铜合金原料均采用粉末状，其中，钨粉的粒度要求1～10μm，并按化学成分配比进行备料。

二、压制成形

压制成形有两种方法：一是冷等静压成形；一是机械模压成形，

(1)冷等静压成形  将钨粉装入软模套中，并放进冷等静压机中压制成钨粉坯料，其成形压力为100～200MPa。

(2)机械模压成形  将钨粉在油压机或机械压力机的模具上压制成钨粉坯料，所施压力为60～150MPa，

采用机械模压成形时，需在钨粉中加入成形剂，所加成形剂的重量百分比为0.1～4.0％，其成形剂为酒精、丙酮、甘油、聚乙烯醇、油酸、石腊、橡胶、硬脂酸盐中任一种。

成形剂是在备料时，加入钨粉中的。加入成形剂的目的是为了提高钨料坯料的成形性能。

(3)机械模压成形的钨粉坯料预烧结

机械模压成形的钨粉坯料需经预烧结，预烧结分两个阶段进行：

第一阶段预烧结：温度400～800℃，时间2～6小时；

第二阶段预烧结：温度1000～1300℃，时间0.5～3.0小时。

上述第一阶段预烧结目的是为了充分脱除成形剂；第二阶段预烧结的目的是为了进一步提高钨粉坯料的强度。

经冷等静压成形的钨粉坯料，无需进行预烧结，即可直接进行烧结。

(4)钨粉坯料烧结

将冷等静压成形的钨粉坯料和经预烧结的机械模压成形的钨粉坯料置于氢气保护的或真空的烧结炉中进行烧结，烧结温度为1800～2400℃，烧结时间为1～5小时；

钨粉坯料经高温氢气保护或真空下烧结后，能有效地去除杂质，提高材料纯度，降低了气体含量，其气体及夹杂含量较一般触头材料低5～10倍，总量小于10PPm。

另外，经高温氢气保护烧结，使钨骨架的纯度提高，保证熔渗的顺利进行，使该触头材料更为均匀、致密。

经烧结后钨粉坯料即成为具有较高强度的钨骨架。

(5)钨骨架渗铜

将钨骨架放入渗铜炉中进行渗铜或铜合金，渗铜温度为1150～1300℃，渗铜时间0.5～3.5小时，渗铜过程在氢气气氛或真空下进行。

钨骨架经渗铜或铜合金后即成为本发明真空负荷开关触头材料制品。该材料均匀性好，无孔洞，相对密度达99.0％以上，且耐强度高，抗烧蚀和抗熔焊性能好，截流值低，导电率高，如铜含量为10％时导电率大于20m/mm2，特别适用于制作真空负荷开关触头。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)抗烧蚀性和抗熔焊性好。由于本发明降低了现有钨铜触头材料中的铜含量，使钨颗粒形成连续的具有较高强度的钨骨架，低熔点铜或铜合金相固定在钨骨架的毛细管中，降低了电弧下的低熔点相的喷溅，大大地提高了触头的抗电腐蚀性能，从而保证触头的抗烧蚀、抗熔焊的特性。

(2)截流值低。由于钨骨架形成网络，阻止了小电流电弧下的能量损失，提高铜或铜合金相的蒸发量，在开断小电流时能提供足够的金属蒸气，维持电弧的稳定，降低截流值。所渗的铜合金中添加少量低熔点组元，有助于进一步降低截流值。

(3)耐压强度高，接触电阻小。本发明触头材料，硬度适中，布氏硬度HB为220～260，正好满足了负荷开关的要求，适中的硬度值，既保证了耐压的要求，又避免了硬度过高引起的弹跳及接触电阻升高，大大提高了真空开关的额定工作电流及动热稳定性。

(4)纯度高，杂质含量低，有利于提高弧后绝缘，从而提高开断能力及真空负荷开关管寿命。经高温氢气保护烧结，能有效地去除杂质和气体，提高材料纯度。

(5)均匀性好，无孔洞，相对密度达99.0％以上，有利于提高材料的综合性能。

现结合附图对本发明作进一步说明。

附图1为本发明真空负荷开关触头材料中钨骨架的形貌图。

附图2为本发明真空负荷开关触头材料的显微组织图。

附图3为常规钨铜触头材料的显微组织图。

由上述图1、2中看出，本发明钨骨架为强度较高的连续骨架，铜或铜合金均匀地分散于钨骨架之中，这种组织状态保证触头材料具有良好的抗烧蚀、抗熔焊性能及低的截流值。而附图3的常规钨铜触头材料的显微组织呈不连续状态，电弧作用下，铜的熔化飞溅严重，抗电弧烧蚀性差。

实施例

根据本发明所述的真空负荷开关触头材料的化学成分和制造方法，制备了五批触头材料，五批材料经备料后，经冷等静压成形或模压成形。五批材料的化学成分如表1所示。其粒度和成形条件如表2所示。冷等静压成形的钨粉坯料直接进行烧结和渗铜；对于模压成形的钨粉坯料则需经第一、第二阶段的预烧结后，再进行烧结和渗铜。表3列出了预烧结、烧结、渗铜的工艺条件。

渗铜后，即成为本发明真空负荷开关触头材料产品。并对最终的触头材料产品进行了性能检测，其结果列入表4。由表4看出，本发明触头材料密度和导电率高，硬度适中，氧气及氢气含量低。

表1  实施例触头材料的化学成分

批号	化  学  成  分(重量％)
									W	Cu	Bi	Te	Sb	Pb	Se	Sn
	1	85.0	14.8	0.2
1									89.6	10.4
	1	87.2	12.5		0.5			0.3
1									89.5	9.5			0.9
	1	88.0	11.1		0.3		0.2										0.4

表2  实施例钨粉粒度、成形条件及成形件尺寸

批号	成形方法	钨粉粒度μm	坯    料		成形剂种类及含量(重量％)	成形压力MPa
							形状	尺寸mm
			1	冷等静压					7.8	园棒状	φ30×300		200
2	冷等静压	4.3			片状	φ30×7.5		100
			3	模压					5.0	片状	φ27×6.0	石蜡0.5％	70
4	模压	6.5			片状	φ34×7.5	甘油1％	120
			5	模压					2.8	片状	φ36×7.0	硬脂酸锌2％	100

表3实施例触头材料预烧结、烧结及渗铜工艺参数

批号	预  烧  结				烧  结		渗  铜
										第一阶段		第二阶段		温度℃	时间小时	温度℃	时间小时	气氛
	温度℃	时间小时	温度℃	时间小时
					1					2250	3.5	1300	1.0						氢气
2														1950	4.0	1250	2.0	真空
					3	600	3.0	1150	1.5	2000	3.5	1200	2.5						氢气
4	450	2.0	1200	2.0										2100	4.0	1320	2.0	氢气
					5	700	4.0	1100	1.0	1850	3.0	1280	3.0						真空

注：预烧结、烧结均在氢气保护下进行。

表4  实施例触头材料的性能测试结果

批号	密度g/cm3	相对密度％	导电率μS/m	硬度HB	气体含量PPm
							氧	氮
					1	16.30			99.5	25.0	228	11	1
2	17.13	99.4	21.0	240			10	1
					3	16.68			99.1	20.0	236	12	2
4	17.30	99.3	18.0	259			13	3
					5	17.08			99.6	17.0	250	10	2

Claims (2)

1、一种真空负荷开关触头材料，由钨渗铜合金制成，其特征在于钨渗铜合金化学成分的重量百分比为：

W85～93％，铜或铜合金7～15％，

其中铜合金化学成分的重量百分比为：

Cu90～99.9％；Bi、Te、Sb、Pb、Se、Sn中任一种或任两种以上之和为0.1～10％。

2、一种权利要求1所述的真空负荷开关触头材料的制造方法，其特征在于该方法包括如下工序：

a.备料

钨、铜或铜合金原料均采用粉末状，其中，钨粉的粒度要求1～10μm，并按化学成分配比进行备料；

b.压制成形

压制成形有两种方法：一是冷等静压成形；一是机械模压成形，

冷等静压成形  将钨粉装入软模套中，并放进冷等静压机中压制成钨粉坯料，其成形压力为100～200MPa；

机械模压成形  将钨粉在油压机或机械压力机的模具上压制成钨粉坯料，所施压力为60～150MPa；

采用机械模压成形时，需在钨粉中加入成形剂，所加成形剂的重量百分比为0.1～4.0％，其成形剂为酒精、丙酮、甘油、聚乙烯醇、油酸、石腊、橡胶、硬脂酸盐中任一种；

c.机械模压成形钨粉坯料预烧结

机械模压成形钨粉坯料需经预烧结，预烧结分两个阶段进行：

第一阶段预烧结：温度400～800℃，时间2～6小时；

第二阶段预烧结：温度1000～1300℃，时间0.5～3.0小时；

d.钨粉坯料烧结

将冷等静压成形的钨粉坯料和经预烧结的机械模压成形钨粉坯料置于氢气保护或真空下的烧结炉中进行烧结，烧结温度为1800～2400℃，烧结时间为1～5小时；

e.钨骨架渗铜

将钨骨架放入渗铜炉中进行渗铜或铜合金，渗铜温度为1150～1300℃，渗铜时间0.5～3.5小时，渗铜过程在氢气气氛或真空下进行。

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