CN100388403C - 烧结合金制成的电触点及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种烧结而成的电触点，包含作为主要组分的重量比为15至30%的铬和作为余量的铜，0.05至0.5%的碲，100至3000ppm的氧，7.5至900ppm的铝，以及15至750ppm的硅。
Description
本发明要求享有序列号为No.2003-371369的日本专利申请的优先权，该日本专利申请于2003年10月31日提交，在此通过引用将其中的内容结合入本申请。
技术领域
本发明涉及一种新型电触点，一种制造这种触点的方法，一种用于真空断续器的电极，以及一种真空断路器。
背景技术
作为一种用于设置在真空断路器中的真空断续器的电极，在专利公告No.1和专利公告No.2中公开了一种烧结而成的铬-铜合金，这种合金通过如下步骤制造而成：对由作为耐热金属的铬与作为高导电性金属的铜形成的混合粉末进行压力模塑，随后通过在一个低于铜熔点的温度下对混合粉末进行烧结。还有，在专利公告No.3中，公开了一种电极材料，这种电极材料通过如下步骤制造而成：对由作为耐热金属的铬粉末、作为高导电性金属的铜粉末以及一种低熔点金属，比如铅、铋、碲和锑，形成的混合粉末进行压力模塑，在一个低于铜熔点的温度下对模塑后的粉末进行预烧结，并且利用铜对预烧结体进行渗透。但是，这些公告并未公开杂质的浓度。
(专利公告No.1)已公开的日本专利JP2002-245908
(专利公告No.2)已公开的日本专利JP(平)7-278703
(专利公告No.3)已公开的日本专利JP(平)9-274835
发明内容
对于设置在断路器中的真空断续器内的电极来说，必要条件是具有断续能力(interruption capability)、电压阻抗(voltage resistance)、焊接阻抗(welding resistance)等等。但是，难以利用在专利公告No.1和No.2中公开的材料来满足这些要求；由此，所述材料按照惯例和技术规格来进行选定，比如电容器。
为了获得适用于真空断路器的电极特性(in order to obtainelectrode characteristics for use of the vacuum circuit breaker)，一种第三元素被添加到铬-铜合金中；但是，难以满足所述断续性能、电压阻抗和焊接阻抗，并且难以对所添加元素的散布状况进行控制。由此，发现断续性能存在着明显波动。
本发明的目的在于提供一种带有优越断续性能、电压阻抗和焊接阻抗的电触点，一种制造这种电触点的方法、一种用于真空断续器的电极以及一种真空断路器。
按照本发明，提供一种电触点，由一种烧结合金制成，该烧结合金包含重量比为0.05至0.5％的碲，100至3000ppm的氧，7.5至900ppm的铝，以及15至750ppm的硅，其中，主要组分是重量比为15至30％的铬和作为余量的铜，其中该烧结合金由铬粉末、铜粉末及碲和铝构成，所述铬粉末包含50至2000ppm的氧、50至3000ppm的铝和100至2500ppm的硅。
按照本发明，提供一种制造电触点的方法，包括对混合粉末进行压制和模塑，和对模塑后的粉末进行烧结，其中所述混合粉末包括重量比为0.05至0.5％的碲粉末，以及作为主要组分的重量比为15至30％的铬和作为余量的铜粉末，其中铬粉末包含50至2000ppm的氧，50至3000ppm的铝，以及100至2500ppm的硅，所得到的烧结合金包含100至3000ppm的氧，7.5至900ppm的铝和15至750ppm的硅。
优选的是，本发明中的电触点包含重量比为15至30％的铬，和重量比为70至84.5％的铜，作为主要成分。本发明中的电触点必须包含1200ppm或者更少的氧，400ppm或者更少的铝，以及400ppm或者更少的硅。更为优选的是，这种电触点包含1000ppm或者更少的氧、300ppm或者更少的铝以及300ppm或者更少的硅。
优选的是，根据本发明的电触点必须呈圆盘形式，具有一个形成在圆心处的中心孔，和多个贯通该圆盘的狭长沟槽，其中，呈平整螺旋桨形式的圆盘由所述狭长沟槽分割开。还有，本发明涉及一种制造所述电触点的方法，其包括对混合粉末进行压力模塑，和对模塑件进行烧结，其中所述混合粉末包含作为主要成分的铬和铜以及重量比为0.05至0.5％的碲。优选的是，铬粉末包含2000ppm或者更少的氧，3000ppm或者更少的铝，以及2500ppm或者更少的硅。
优选的是，所述粉末包含重量比为15至30％的铬，重量比为70至84.5％的铜，以及重量比为0.05至0.5％的碲，其中铬-铜合金粉末或者铬粉末的颗粒尺寸为104微米或者更小，而铜粉末的颗粒尺寸为61微米或者更小，并且用于对所述混合粉末进行模塑的压力为120至500Mpa，烧结温度是一个在压力为20至60pa的氩气气氛下低于铜熔点的温度。
用在本发明中的铬必须包含氧、铝和硅，它们的量均低于氧、铝和硅的所述特定量；比如利用铝热剂方法制备纯的铬材料。由此，发现这种铬材料中包含非常微量的氧、铝和硅；还发现用于真空断续器的电极满足了所需的断续性能、电压阻抗和焊接阻抗，并且利用重量比为0.05至0.5％的碲的协作作用，性能的波动很小。
以50至3000ppm的量包含在铬中的氧在发生电流中断时被释放掉，其加速了电弧的行进速度，来使得易于进行中断。由于所述电极包含有前述量的铝和硅，所以在发生中断时产生的诸如氧气这样的气体会被吸收掉，由此保持这种电极在中续之后能够正常工作(keep the electrodesound after the interruption)。
设定电触点中的优选组分的原因如下所述。这种电触点包含重量比为15至30％的铬，和作为补充物的铜，尤其是重量比为70至84.5％的铜；如果铬的重量比低于15％，那么断续能力和焊接阻抗会略微降低，并且如果铬的重量比高于30％，那么导电能力将会下降。
当电极中包含100至3000ppm的氧、7.5至900ppm的铝以及15至750ppm的硅时，利用在发生中断时释放出的氧，电弧速度被加速，使得易于进行中断，并且在中断之后诸如氧这样的气体被铝和硅所吸收，由此保持一个所需的断续阻抗(a desired interruption resistance)。因此，氧、铝和硅在前述范围内相互协作，从而带来优越的性能。
如果电极中包含重量比为0.05至0.5％的碲，那么可以防止电极之间发生焊接。碲可以至少被包含在固定电极和可移动电极中之一内，以便获得令人满意的焊接阻抗。如果碲的重量比低于0.05％，那么结果将无法令人满意；如果碲的量过高，那么碲会在发生中断时蒸发掉，由此降低绝缘阻抗(the insulation resistance)。
如前所述，电触点最好通过烧结制造而成。在这种方法中，铬的颗粒尺寸为104微米或者更小，并且铜的颗粒尺寸为61微米或者更小。当使用具有所述颗粒尺寸的粉末时，可以获得一种具有一种铬和铜均匀地散布于其中的电触点，从而使得性能的波动很小。
在本发明中的烧结方法内，混合粉末被模塑成一个螺旋桨形状，在其中心处具有一个中心孔，并且该模塑件由狭缝分割开。模塑压力为120至500MPa，以获得65至75％的密度。如果压力低于所述压力，那么模塑件会发生破碎；如果密度大于所述密度，那么模塑件会趋于粘结在模具上，由此缩短模具的寿命并且降低触点的生产率。
烧结气氛最好是压力为20至60Pa的氩气气氛。烧结温度低于铜的熔点。当烧结操作在压力为20至60Pa的气态气氛下进行时，铜上的表面氧化物薄膜被去除，并且防止了铜发生蒸发，由此生产出一种致密的电触点。烧结温度低于铜的熔点，最好为1050至1070℃，从而获得带有精确轮廓的电触点，来避免进行事后加工并且降低生产成本。用于真空断续器的电极包括作为电触点的前述圆盘和一个连接在该圆盘上的电极杆(an electrode rod)。
在中心处具有中空孔的所述圆盘的表面用于产生电弧，所述电极杆被插入在所述中心孔内并且被固定起来。位于电弧发生侧的电极杆表面最好具有一个凹槽，该凹槽低于电弧发生表面。如果圆盘的强度不足，可以在该圆盘构件与电极杆之间设置补强元件。所述电极杆具有一个连接在所述圆盘构件上的部分，该部分的直径最好小于连接在外部导线上的那部分的直径。
根据本发明的真空断续器在一个真空容器中包括一对固定电极和可移动电极，其中至少一个电极采用了前述电触点。还有，根据本发明的真空断路器包括一个前述的真空断续器、被连接在各个固定电极和可移动电极上的导线端子、以及一个用于操作所述可移动电极的操作装置。
根据本发明，可以提供带有优选性能的电触点，包括断续性能、绝缘阻抗和焊接阻抗，一种制造这种触点的方法，一种利用这种触点的真空断续器以及一种真空断路器。
附图说明
图1是一个用于根据本发明的真空断续器的电极的横剖视图。
图2是一个根据本发明的真空断续器的横剖视图。
图3是一个根据本发明的真空断路器的横剖视图。
具体实施方式
在下文中，将参照示例对用于实施本发明的优选实施例进行阐述；本发明并不局限于这些示例。
(示例1)
图1示出了一个用于本发明中的真空断续器的电极的横剖视图。(a)是电触点的平面视图，而(b)是沿着(a)中线A-A的横剖视图。如图1中所示，电触点1由一个螺旋桨状圆盘构件制成，其具有多个螺旋沟槽2和一个中心孔5C，其中螺旋沟槽2用于通过向电弧施加驱动力而防止电弧发生停滞。用于这种真空断续器的电极包括电触点1、一个由不锈钢制成的非磁性补强构件3、电极杆4以及一种焊接材料5。补强构件3按需设置；如果电触点的强度足够，那么可以省去该补强构件3。
制造所述电触点的方法如下所述。使用颗粒尺寸不大于63微米的铝热铬粉末或者电解铬粉末，和颗粒尺寸不大于60微米的电解铜粉末。铝热铬粉末中包含680ppm的氧、700ppm的铝、以及800pppm的硅。电解铬粉末中包含4800ppm的氧、26ppm的铝、以及12ppm的硅。如表1中所示，电触点1在铬的重量比范围为10至40％并且补充物为铜的条件下具有各种组分变化。此外，制备包含有重量比为0.03至1.0％的碲的材料。对烧结后的合金中的氧、铝、硅的量进行测定。
首先，铬粉末和铜粉末被混合起来，获得预定的组合物。接着，将混合后的粉末填充在一个模具中，用于成形具有螺旋沟槽2和中心孔50的电触点。在一个400MPa的压力下对所述粉末进行压力模塑。所制得模塑件的相对密度为71％左右。所制得模塑件在氩气气氛下在低于铜熔点的1050℃温度下持续120分钟进行烧结，来生产出所述电触点。
所制得触点的相时密度为94至97％左右。制造用于真空断续器的电极的方法如下所述。电极杆为不含氧的铜，并且补强构件3为SUS304。补强构件3被预先加工成所需的形状。电极杆4上的突起部分被插入到烧结而成的电触点的中心孔50内，并且接着于焊接材料5插入到补强构件3的中心孔内。焊接材5被设置在电触点1与补强构件3之间。组装起来的组件被在8.2×10-4Pa的压力下在970℃的温度下持续10分钟进行加热，来生产出图1中所示出的电极。这种电极是一种用于额定电压为12千伏、额定电流为600安并且额定中断电流为25千安的真空断续器的电极。如果圆盘构件的强度足够，可以省去所述补强构件。
图2示出了一个根据本发明的真空断续器的横剖视图。在该示例中，所述用于真空断续器的电触点被用来制造一个真空断续器。这种真空断续器的技术规格是：额定电压为12千伏，额定电流为600安，并且额定的中断电流为25千安。如图2中所示，在示例1中制备的用于真空断续器的电极，由一个固定电极侧的电极触点1a、可移动电极侧的电极触点1b、补强构件3a和3b、固定电极侧的电极杆4a以及可移动电极侧的电极杆4b构成。这些构件分别构成了固定电极6a和可移动电极6b。
可移动电极6b借助于一个可移动侧屏蔽物8被焊接在一个可移动电极支架12上，所述屏蔽物8用于防止在发生中断时金属蒸汽发生散射。这些构件借助于固定电极侧板9a、可移动电极侧板9b以及一个绝缘圆筒13被以很高的真空度气密性地焊接起来。固定电极6a和可移动支架12上的螺钉与外部导线连接起来。在此存在有屏蔽物7，用于防止在发生中断时金属蒸汽等在绝缘圆筒13中发生散射。在此还存在有一个导向件11，用于支撑可移动电极侧板9b与可移动电极侧支架12之间的滑动部分。
在可移动侧屏蔽物8与可移动侧板9b之间设置有一个波纹管10，由此使得可移动侧支架12在保持该真空断续器中的真空度的同时上、下移动，从而使得固定电极6a与可移动电极6b之间发生接触和断开接触。
在本示例中，利用示例2中的真空断续器制造出一种真空断路器。图3示出了这种真空断路器的示意图，包括真空断续器14和一个操作机构。
这种真空断路器示出了位于所述真空断续器前方的操作机构和三个用于支撑三相联合类型的真空断续器14(the vacuum interrupter ofthe three phase united type)的环氧树脂圆筒15，这些圆筒15位于所述真空断续器的后侧。真空断续器14借助于一个操作杆16进行工作。当该真空断续器被闭合时，电流流过上方端子17、电触点1a和1b、集电器18以及下方端子19。电极之间的接触力由设置在所述操作杆上的接触弹簧20保持。由于短路电流产生的电磁推动力由一个支撑杠杆21和一个推进器22提供。
当真空断续器处于分离线圈27自由工作的状态时(when the vacuuminterrupter is in the sate where the separation coil 27 is free)，该分离线圈27受到激发来使得推进器22与分离杠杆28脱离锁合，由此使得主杠杆26发生旋转。最终，电极被分离开。
当所述真空断路器处于打开状态时，在电极被分离开之后，在复位弹簧29的作用下恢复联结，并且推进器22与分离杠杆28发生配合。当闭合线圈30在这种状态下受到激发时，电路闭合。数字31是一个抽真空缸体(an evacuation cylinder)。
(示例2)
在该示例中，对在示例1中制备的用于真空断续器的电极进行断续测试，来评估断续性能。这种断续测试通过下述方式来进行：将在示例1中制备的电极安装在一个真空断续器中，该真空断续器的额定电压为12千伏、额定电流为600安、额定中断电流为25千安，并且被组装在图3中示出的真空断路器内。表1示出了断续测试的结果。在No.1至No.11中，使用了铝热铬粉末，而在No.12至No.13中，使用了电解铬粉末。
在表1中，A代表中断电流，B代表绝缘阻抗，而C代表焊接阻抗。断续能力是指将被所述触点中断的最大电流值。绝缘阻抗是指间隔开6毫米的触点不会放电的最大电压。焊接阻抗是指对于具有额定值(25千安)的电流来说，闭合触点能够在不发生焊接或者粘结的条件下被分离开的最长时间。
表1
所述性能以相对于材料No.2(20％铬-80％铜)的值的相对值进行描述，其中材料No.2的值为1。下面对利用铝热铬粉末的电触点No.1至No.11进行描述。
在15％铬-铜(No.1)中，由于作为耐热金属的铬的重量比仅占15％，所以断续性能、绝缘阻抗和焊接阻抗会略微降低；但是，这些性能仍旧能够满足实际应用。如果重量比为0.05至0.5％的碲被添加到20％铬-铜(No.3和No.4)，那么尽管绝缘阻抗会略微降低，但是焊接阻抗会增大。所添加的碲阻碍了烧结进程，来降低电触点的强度，由此降低焊接起来的触点的分离力。从实际应用的观点来看，绝缘阻抗的这种降低程度不会产生任何问题。
在25％铬-铜(No.5)中，随着铬的量增加，绝缘阻抗会增大，并且对电弧的辨别得以改善(distinguishing of arc was improved)，来略微提高断续性能。在30％铬-铜(No.6)中，导电性能下降，而断续性能略微下降；但是，从实际应用的观点来看，这种下降程度不会带有任何问题。还有，在10％铬-铜(No.7)中，断续性能略微下降，而电弧趋于保持，同时趋于降低焊接电阻，因为铬的量很小。在40％铬-铜(No.8)中，烧结性能不太理想，因为铬的量过高；由于氧过多，所以断续性能下降。
在本发明中，碲被添加到铬-铜合金中，来提高焊接阻抗。当碲的添加量为0.03％重量比时(No.9)，与包含重量比为0.05％的碲的铬-铜(No.3)相比，焊接阻抗的改善效果略微较差。另一方面，如果碲的重量比大于0.5％，在铬-铜(No.11)中的重量比为0.7％并且在铬-铜(No.10)中的重量比为1.0％，那么绝缘阻抗和断续性能会随着氧的增加而下降，并且碲的蒸发量会增大。因此，碲的重量比必须为0.05至0.5％。对于利用了电解铬粉末的No.12和No.13来说，断续性能和绝缘阻抗的相对值为0.90或者更低，同时焊接阻抗较高。在添加了碲的情况下，断续性能和绝缘阻抗进一步降低。
铬的量与断续性能、绝缘阻抗以及焊接阻抗之间的关系为，当铬的重量比为15％时，通过利用铝热铬粉末所获得的电触点显现出了较高的绝缘阻抗和焊接阻抗，比如相对值为0.95或者更高。当铬的重量比为10至30％时，断续性能为0.95或者更高。但是，利用电解铬粉末的电触点显现出了较低的焊接阻抗和绝缘阻抗，比如0.86或者更低，同时断续性能为1.0或者更高。
碲的量与焊接阻抗之间的关系使得利用铝热铬粉末和电解铬粉末的电触点显现出了较高的焊接阻抗，比如相对值为1.0或者更高。
碲的量与断续性能和绝缘阻抗之间的关系为，当使用铝热铬粉末时，通过添加碲，直至重量比达到0.5％，根本不会对断续性能产生任何影响。当添加的量为0.7％重量比或者更高时，断续性能变为0.95；利用电解铬粉末的触点进一步降低至0.85或者更低。
直至碲的重量比达到0.5％，利用铝热铬粉末的电触点显现出了相对值为0.95或者更高的绝缘阻抗。利用电解铬粉末的电触点显现出了0.85或者更低的绝缘阻抗。
如前所述，用于真空断续器的电触点，如果包含特定量的氧、铝、硅，并且还包含重量比为15至30％的铬和重量比为0.05至0.5％的碲，那么将显现出优越的性能，包括断续性能、绝缘阻抗和焊接阻抗。这种电触点可以满足所有所述性能。断续性能的波动很小，从而可以获得具有很高的性能、可靠性和安全性的真空断续器和真空断路器。
总之，根据本发明的电触点满足了下述要求：断续能力(A)是对于真空断续器来说最为重要的性能，并且必须等于或者高于由铜和铬构成的对比样品(No.2)的断续能力；绝缘阻抗(B)必须至少是对比样品No.1的绝缘阻抗的95％；并且作为本发明改进目标的焊接阻抗必须尽可能地高。从这个观点来看，仅有样品No.3和No.4满足前述条件。
Claims (8)
1.一种电触点，由一种烧结合金制成，该烧结合金包含重量比为0.05至0.5％的碲，100至3000ppm的氧，7.5至900ppm的铝，以及15至750ppm的硅，其中，主要组分是重量比为15至30％的铬和作为余量的铜，其中该烧结合金由铬粉末、铜粉末及碲和铝构成，所述铬粉末包含50至2000ppm的氧、50至3000ppm的铝和100至2500ppm的硅。
2.根据权利要求1中所述的电触点，其特征在于：铜的重量比为70至84.5％。
3.根据权利要求1中所述的电触点，其特征在于：所述烧结合金中氧的量为400至1200ppm，铝的量为50至400ppm，而硅的量为50至400ppm。
4.一种制造电触点的方法，包括对混合粉末进行压制和模塑，和对模塑后的粉末进行烧结，其中所述混合粉末包括重量比为0.05至0.5％的碲粉末，以及作为主要组分的重量比为15至30％的铬和作为余量的铜粉末，其中铬粉末包含50至2000ppm的氧，50至3000ppm的铝，以及100至2500ppm的硅，所得到的烧结合金包含100至3000ppm的氧，7.5至900ppm的铝和15至750ppm的硅。
5.根据权利要求4中所述制造电触点的方法，其特征在于：铜的重量比为70至84.5％。
6.根据权利要求4中所述制造电触点的方法，其特征在于：铬的颗粒尺寸为104微米或者更小，并且铜的颗粒尺寸为61微米或者更小。
7.根据权利要求4中所述制造电触点的方法，其特征在于：模塑压力为120至500MPa。
8.根据权利要求7中所述制造电触点的方法，其特征在于：烧结操作在压力为20至60Pa的氩气气氛中以一个不高于铜熔点的温度进行。
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