CN101460640A - 制造真空开关的铜铬触点的方法及其开关触点 - Google Patents

Abstract

由于在铜－铬相图中的混合间隙，必要时通过快速过冷却在高温下熔融的合金可以产生均质合金。因此，为了进一步加工成触点而产生高的费用。根据本发明，如下地制造用于真空开关的铜－铬触点，即，在浇铸或喷射方法之后接着用快速冷却来产生薄的铜－铬片而作为触点的原材料。通过在制造中的合适的过程控制可以在带(50)中垂直于带方向调整浓度分布，因为铬尤其以Cr微粒或微滴(Cr)的形式在表面扩散。

Description

制造真空开关的铜铬触点的方法及其开关触点

技术领域

本发明涉及一种用于制造真空开关的铜铬触点的方法。此外本发明还涉及这样制造的开关触点。

背景技术

用于能量供应和分配的真空开关管需要由抗电弧(lichtbogenresistent)材料组成的电气开关触点，该材料能承受局部超过5MW/cm²的高温负载，不会释放气态的或其它有害的污染物并且可以特别经济地制造。

大多数情况下为真空开关管中的开关触点采用含铜的材料，其主要部分是包含铜(Cu)和铬(Cr)的混合物，其中，一般铬份额在20％(质量百分比)和50％(质量百分比)之间。在真空开关技术中采用的特殊触点形状(按键触点或圆盘触点、螺旋触点、罐形触点、或轴向磁场触点)要求必须对触点区域进行机械加工，因此需要至少2至3mm的材料厚度。

为了制造包含铜(Cu)和铬(Cr)的材料而引入相图。这例如在M.Hansen和K.Anderko的手册“Constitution of Binary Alloys”，McGraw-Hill Book Company，Inc.(1958)的第524页公知。Cu-Cr相图具有一些热力学的特性，特别是共晶(Eutektikum)和偏共晶(Monotektikum)，对此下面还将讨论。

因为两种金属铜(Cu)和铬(Cr)在其密度上明显不同，所以不可能直接制造均质的熔炼材料，因为重金属组分(Cu)会沉积。因此通常对最高品质的触点材料才采用所谓的再熔炼材料。

根据EP0115292B1可以如下地制造再熔炼材料：将由CuCr组成的粗预烧结的圆柱体利用电弧在惰性气氛中再次熔炼为高密度的均质精细颗粒材料。接着，从由此得到的圆柱形毛坯中锯下圆盘，随后再次对该圆盘进行切削加工，以得到触点的合适的最终轮廓、槽和/或表面。特别是由于必须去除切削成形中产生的毛刺而使得这样制造的触点成本很高。

由于铬含量较高，因而CuCr材料仅适合于对冲压轮廓成形而言最简单的触点形状。在对硬材料的切削加工处理中，高的刀具磨损以及相应高的刀具成本是不可避免的。

其它用于铜-铬开关触点的制造方法，如制造接近最终轮廓形状的致密烧结毛坯，通常同样还需要一个带有以上描述的缺陷的切削后处理。此外在烧结材料中由于制造技术的原因，粒度分布向明显较大的粒度偏移，这导致与再熔炼材料相比更不利的开关和烧损特性。

在DE3829250A1中和DE3842919A1中描述了特殊烧结冶炼地制造的铜铬触点材料。

因此，对于CuCr开关触点质量的高要求，考虑在靠近表面的范围内细化粒度的进一步的处理步骤。例如提供一种通过采用激光或电弧进行的再熔炼。

发明内容

从上面的现有技术出发，本发明要解决的技术问题是，提供一种铜铬触点的简化制造方法。此外实现用该新方法制造的合适的开关触点。

按照本发明，上述技术问题是通过根据权利要求1所述的制造方法解决的。本发明制造方法的进一步扩展在从属权利要求中给出。用本发明方法制造的用于真空开关的具有特殊形成的触点表层(Kontaktauflage)的开关触点是权利要求9至13的内容。

本发明的方法基于通过快速凝固到薄的(典型地为1至2mm厚的)带或片对CuCr熔融物进行的处理，其中，可以通过熔融物的冷却率有针对性地调整与片表面垂直的Cr浓度分布。在此利用无定形金属的制造技术，在该技术中通过快速凝固将该金属转换到热力学不平衡。这样的无定形金属也被称为金属玻璃。

快速凝固金属的技术由现有技术充分公知，为此参照DE69418938T2、DE3528891C2和DE3617608C2。用这些方法制造带有最精细的高熔度组分的沉淀的所谓无定形金属，其中，这样组分例如可以是铬。不过，具有作为基质的铜和作为高熔度组分的铬的铜-铬系统对于快速凝固技术而言并不是公知的。

在本发明中，铬(Cr)优选由于密度差而以自然的方式积聚在表面上并且所产生的密度分布在凝固时被“冻结”。

通过用相应地成型的冲压工具的冲压可以获得期望的触点形状。优选仅需要在与触点支承的连接位置的区域(即，在焊接区域)内对开关触点进行后处理，以便产生此处必要的公差和表面质量。

可以将这样制造的成本低廉的冲压触点作为触点表层与承载触点的结构相连(例如通过高温钎焊)，以获得所需的机械强度。

作为替换，也可以用上面描述的方法制造数毫米厚的较厚的片，在该片中仅在离表面若干个1/10mm处存在精细扩散的Cr。由于可以通过成本低廉的原材料铜而直接产生的更高的材料强度，在此可以只在单个工作步骤中产生一个也可施加机械负荷的触头，其中，由于铜的有利的材料特性而同样可以将冲压技术用于成形。这产生特别低成本的用于真空开关触点的触点盘。

所描述方法的主要优点在于一方面通过省去切削处理(锯、车削、铣削)以及通过有针对性地调整由于电工技术原因所必需的材料厚度而可以节约材料。另一方面通过明显减少的铬需求而获得较大的经济性，因为只有在触点表面区域内才使用昂贵的组分铬。此外，由于冲压过程而得到更短的制造时间和更小的运行成本，因为代替车削、铣削，冲压更容易实现自动化。

本发明在电工技术方面的关键优势在于，一方面通过自然调整靠近表面的细粒结构，但是另一方面也通过由至触点底面的正的Cu梯度而改善的导热，来获得显著改善的开关特性。

附图说明

下面结合实施例的描述给出本发明的其它细节和优点。在此特别参阅按照装置的附图。其中：

图1示出了铬(Cr)-铜(Cu)相图，

图2示出了具有20％铬份额(CuCr20)的铜-铬材料的微观图，

图3示出了用于根据制造无定形金属的方式制造薄材料带的装置，

图4示出了通过一个用根据图3的装置制造的Cu-Cr带的断面微观图，

图5示出了具有从其中冲压出的触点盘的合金带的俯视图，以及

图6示出了具有开槽的触点罐和图5所示触点盘的真空开关触点。

具体实施方式

图1以如下方式示出了铬-铜相图，在左边画出100％铬含量以及在右边画出100％铜含量。众所周知，铬具有相对高的熔点，即1550℃。与之相对的是，铜具有相对低的熔点，即1083℃。在1075℃的温度时在铜含量为98.2时形成共晶体。在铜的熔点以下存在一个对铬的窄的溶解范围。此外在700℃以下的固态铜和铬互相不可溶。

此外，铬-铜相图还具有在液态的混合间隙(Mischungslücke)的特性，其中形成偏共晶：在1470℃的偏共晶温度以上，在大约6％的铜和58％的铜之间的范围内出现两种不同的相互不可混合的CuCr熔融物直到大约2000℃的温度。

对于在固态下均质的铜-铬材料的实际制造而言后者意味着，必须首先产生超过2000℃的均质熔融物，然后快速冷却该熔融物，以便获得均质状态(“冻结”)。这点例如可以通过根据EP0115292B1的电弧再熔炼来实现。

图2示出了用电弧再熔炼方法产生的铜-铬材料的微观图。在图2中，附图标记21具体表示铜基质，铬微粒22被沉淀在该铜基质中。在预先给出的铬份额情况下总体上产生铬微粒22在铜基质21中最大程度地各向同性的大小和浓度分布。

在图3中示出了如通常用于制造无定形金属膜(“过冷却的玻璃”)公知的装置。在图2中附图标记31具体表示一个可以围绕垂直于纸平面的轴线I旋转的铜轮，32表示具有用于铜轮31的冷却浴的熔池，而33表示用于CuCr熔融物的储料容器。电加热装置和其它调节技术装置在图3中没有示出。

通过将温度T>2000℃的均质熔融物从储料容器33中喷射到旋转的轮子31上而在其表面上沉淀出相同组成的CuCr-材料，其中，可以通过以定义的冷却率dT/dt冷却和凝固所述熔融物来规定特殊的参数。

特别是在凝固过程的最佳冷却率下，与在制造金属玻璃的情况下采用的过程控制相反，这样地控制，使得所产生的CuCr层在所产生的金属带的厚度上是不均匀的，而是使所沉淀出的铬形成这样的浓度下降，即，较轻的铬优选地在带的上表面积累。这可以如下地简化：使底面首先凝固，但却使所产生的带(片)的上部区域较长时间地保持液态，并且使由此沉淀出的Cr微粒由于其在较重的液态铜中的浮力而向上侧迁移，并在上侧发生铬的浓缩。

由此，根据铜轮31的圆周速度产生具有与熔融物相当的铜浓度和铬浓度的预定厚度的薄的带50或者片。带50的宽度通过铜滚筒31的横向延伸规定。在相应地设计尺寸的情况下也可以产生较大宽度的片。

从这样制造的带50或者片中几乎可以冲压出任意的触点形状，该触点形状借助公知的方法(例如通过高温钎焊)安装到预定的触点支承上。

通过对铜轮31上的熔融物的冷却的特殊边界条件，可以在CuCr-带50中垂直于带方向地呈现各向异性的铬浓度分布。

给出的制造方法的特别优势在于，在冷却过程中根据其组分比重规定组成部分的离析。这意味着，较轻的组成部分(在这一情况下是铬微粒或者微滴)向表面扩散。

图4示出这样的带形触点材料的微观图。在此在垂直于图3中的带50方向上进行磨削。

在图4中用51具体表示铜基质并且用52表示其中存在的铬微粒。此时可以看出铬微粒的垂直于带50表面的各向异性的浓度分布。在带50表面产生高的铬浓度和铬微粒精细扩散的分布。相反，在带50的底面呈现低的铬浓度。由此在总体上强烈地积极影响垂直于触点表面的导热性，从而产生相对于现有技术下的均质触点有所改进的开关特性，特别是在较高开关能力的意义上。

最后特别简化了触点表层在通常由铜制成的触点支承上的连接。对真空开关中铜-铬触点的特定的应用来说，在此铬份额具有特别的意义。此时铬份额集中在触点表层的表面。

总的来说，由此对真空开关的开关触点的耐烧损性和其它开关特性产生显著的优点。特别是在该制造方法中还仅在这样的范围中提供开关特性所需的铬，即，在该范围内，也即在面向触点间隙的触点表面区域内受物理条件限制地需要铬。由此除了可实现铬的较高细粒度，还可以以显著减少的铬总量工作，这相对于常规的制造方法产生了明显的成本优势。

在图5所示俯视图中50表示图3中的合金带，其例如具有2mm的厚度。可以用未详细示出的工具从带50中冲压出具有例如四个径向槽口61至64的圆盘60。在此重要的是，仅仅需要唯一一个相应设计的工具，并且尤其是无需后续的切削处理。因此，相对现有技术实现了制造成本的进一步降低。

图6示出用作真空开关设备中的径向场触点或轴向场触点的完整的真空开关触点100。真空开关触点100由用于导引电流的触点螺栓110和在罐壁内具有槽口121至124的触点罐120组成。通过高温钎焊将图5所示触点盘60固定在触点罐120的上边缘，也就是将槽口61至64连接在触点罐120的罐壁中的槽口121至124上。

通过触点罐120中的槽口121至124，电流在槽口121至124之间形成的区域内被引导。在此形成磁场，该磁场影响在开关时形成的电弧。

图6所示两个罐形触点分别形成用于真空开关的完整触点装置。根据槽口在触点罐中是沿相同还是相反的方向走向，总体上产生一个沿触点装置的径向或轴向走向的磁场，该磁场影响开关特性。

由此可以成本低廉地制造具有交替的径向或轴向磁场的真空开关触点。垂直于开关平面取向的铬浓度梯度用于在最佳开关特性的情况下实现最小的触点烧损。

Claims (13)

1.一种由铜和铬制成的、用作真空开关的开关触点的触点的制造方法，其中，通过将CuCr熔炼材料快速冷却到室温而在非热力学平衡下设置预定的铬浓度，该方法具有以下步骤：

-借助浇铸方法用快速冷却产生由铜和铬制成的带或薄片作为所述开关触点的原材料，

-从所述带或片中冲压出触点表层，以及

-将所述冲压件固定在触点支承上。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述带或片具有1至2mm的厚度。

3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，为了制造所述带或片将预定浓度的高温液态铜-铬喷射或浇注到旋转的滚筒上，其中，为所述滚筒配设有冷却装置，以冷却所述液态的金属合金。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，按照定义设置冷却率。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的制造方法，其特征在于，根据所述按照定义设置的冷却率有针对性地调整垂直于带表面/片表面的预定的铬浓度分布。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，铬由于铬和铜的密度差而在所述带或片的表面积聚。

7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，通过高温钎焊将冲压件固定在所述触点支承上。

8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，通过所述冲压件在所述触点支承上形成触点表层。

9.一种由铜和铬制成的用于真空开关的开关触点，其中，在一触点表层中预先规定铬含量，其特征在于，在该触点表层中富含铬的微粒向着表面定向。

10.根据权利要求9所述的开关触点，其特征在于，在所述触点表层中铬精细扩散地沉淀在所述片的表面附近。

11.根据权利要求9所述的开关触点，其特征在于，在所述触点表层(60)中的所述铜-铬区域有若干个1/10mm的厚度。

12.根据权利要求11所述的开关触点，其特征在于，所述触点表层(60)安放在触点罐(120)上。

13.根据权利要求12所述的开关触点，其特征在于，所述触点表层(60)和所述触点罐(120)是开槽的。

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