CN1044529C - 真空管触点材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种真空管接点材料，包括一种防弧成份，其包含选自于由钽、铌、钨和钼组成的元素族中的至少一种；和一种辅助成份，其包含选自于由铬、钛、钇、锆、钴和钒组成的元素族中的至少一种。接点材料进一步包括一种导电成份，其包含选自于由铜和银组成的族中的至少一种。防弧成份的体积量从25%至75%。防弧成份以及辅助成份的总量不超过体积的75%。其余为导电成份的量。

Description

真空管触点材料及其制造方法

本发明涉及真空管触点材料及其制造方法。

真空管触点材料需具有的最重要特性有三个：抗焊接特性、耐压能力和电流遮断特性。对其更重要的要求是其应表现出低而稳定的温升和低而稳定的触点电阻。但是，由于它们中有些要求是相互矛盾的，因此用单纯一种金属不能满足所有这些要求。因此，为实际应用而开发的许多种触点材料由两种或多种元素的混合物组成，以便互补它们的性能缺陷并与特殊用途相适应，如用于大电流或具有高耐压能力。可是，性能要求已变得愈加苛刻，并且现在的情况是这些材料在某些方面不能令人满意。最近明显的趋势是这些材料的使用扩展到电容电路。因此触点材料的相应发展和改进是一项急迫的任务。

为了应付这种情况，以往已经使用了由作为导电成份的铜和钨、钼、钽或铌混合而组成的触点材料，钨、钼、钽或铌是高熔点材料，一般说来提供了优良的耐压能力。

这种铜-钨或类似的触点材料能够用于要求有一定程度耐压性能的场合。但是，在更严重的耐高压区和发生中击电流的电路中，这些触点材料易发生再触发问题。原因是由于导电成份没有足够地湿润防弧材料，从而使防弧材料的颗粒与导电成份之间没有足够的粘附强度。

特别是既使电极是开路状态，也会出现再触发问题，因为防弧材料的颗粒充电并从触点表面放电，还因为气体从由于湿润不足而在触点内部产生的微孔中逸出。另外，由于电路闭合时产生的射频电流等而发生局部焊接时，因为前述的防弧材料和导电成份间的界面薄弱并且存在局部微孔，因此电极分离时会发生向触点表面的转移(transfer)。这导致电场集中等，从而可能导致再触发。这种再触发导致电路系统误动作，如导致切断电源。特别在电容电路中，施加的电压是普通电路电压的两倍，因此，触点的耐压特性特别是抑制再触发问题尤为突出。

如上所述，发生再触发的原因是防弧材料与导电成份湿润不足而使防弧材料的颗粒和导电成份间的粘附强度不够。因此，有必要通过利用增加界面强度和减少内部微孔来降低再触发的发生频率。

因此，本发明的一个目的是提供一种真空管触点材料，从而降低再触发的发生频率。

本发明的另一目的是提供一种真空管触点材料的制造方法，以此降低再触发的发生频率。

为了实现上述目的，本发明的本质是，在防弧成份和导电成份中添加包括至少由铬、钛、钇、锆、钴及钒中的一种所组成的辅助成份，以便提高防弧成份和导电成份的粘附强度。

通过提供一种包括防弧成份和辅助成份的真空管触点材料，能够实现本发明的这些目的和其他目的，这种防弧成份具有选自于由钽、铌、钨和钼组成的元素族中的至少一种；而这种辅助成份则具有选自由铬、钛、钇、锆、钴和钒组成的元素族中的至少一种。触点材料还包括选自于由铜和银组成的元素族中的至少一种的导电成份。防弧成份的体积含量为25％至75％。防弧成份和辅助成份的总量的体积含量不多于75％。其余部分含量是导电成份的含量。

通过提供一种包括用防弧成份和辅助成份制造骨架的步骤的触点材料的制造方法，能够进一步实现本发明的这些目的和其他目的。该方法还包括用渗透材料渗透骨架的步骤，以便得到触点材料。

通过提供一种包括用防弧成份、辅助成份和导电成份制造骨架的步骤的触点材料的制造方法，能够更进一步实现本发明的这些目的和其他目的。该方法还包括用渗透材料渗透骨架的步骤，以便得到触点材料。

通过提供一种包括用防弧成份制造骨架的步骤和用渗透材料渗透骨架以便得到触点材料的步骤的触点材料制造方法，也能够实现本发明的这些目的和其他目的。渗透材料包括加有辅助成份的导电成份。

通过提供一种包括混合防弧成份、辅助成份和导电成份的粉末以便形成混合的触点材料粉末的步骤的触点材料制造方法，还能再进一步实现本发明的这些目的和其它目的。该方法还包括成形混和触点材料粉末以便形成模压体的步骤和烧结模压体以便得到触点材料的步骤。

以下专门描述把辅助成份加到防弧成份和导电成份中使触点材料中的防弧成份和导电成份间的粘结增强的原因。就传统的触点材料而论，其中使用了像钨之类的防弧材料，由于防弧材料完全不能与像铜之类的导电成份形成固溶体或与之起反应，因此获得的接触强度不足。至于本发明的触点材料，加有与防弧材料起反应并且也与导电成分起反应的辅助成份。结果，防弧成份和导电成份被更紧密地粘结，因此能够防止再触发，因为减少了防弧颗粒表面的放电、焊接发生时明显不均匀的产生及触点内部的微孔。

结合附图并参考下面详细的描述能更好地理解本发明，由此将容易地全面理解本发明和许多的附属优点。其中：

图1是使用按照本发明的真空管触点材料的真空管的剖视图；

图2是图1所示的真空管的电极部分的放大剖视图。

以下将参照附图描述本发明的实施例。图1是真空管的剖视图。图2是图1表示的真空管的电极部分的较大比例的视图。

在图1中，电路断开室1由绝缘容器2构成，绝缘容器2实际上通过绝缘材料和装在两端的金属盖4a、4b形成在圆筒上，通过插入密封附件3a和3b，该室保持真空。

电路断开室1内，布置有一对安装在导电棒5和6面对着的端部上的电极7和8。例如，上部电极7是固定电极，而下部电极8是可移动电极。波纹管9装到电极8的导电棒6上，因此电极8能进行轴向移动，并同时保持电路断开室1内的真空密闭性。一个金属的电弧罩10装在波纹管9的顶部，以便防止波纹管9被电弧气覆盖。在电路断开室1内装有一个金属的电弧罩11，以便遮住电极7和8防止绝缘容器2被电弧气覆盖。

如图2所示，电极8通过钎焊部分12固定到导电棒6上，或利用嵌塞压装。触点13a通过钎焊部分14安装在电极8上。电极7基本上采用了相同的结构。

接下来，将描述按照本发明的触点材料的制造方法的例子。触点材料的制造方法大致地能分为渗透法(其中导电成份被熔化并允许流入由防弧粉末等形成的骨架中)和烧结法(其中粉末按规定的比例混合、模压和烧结)。

与现有技术方法比较，按照本发明的制造方法具有以下特点。具体地说，就渗透方法而论，特点为：通过比如说在真空中烧结由防弧粉末和第三种元素粉末(辅助成份粉末)组成的混合粉末来制造骨架，并在比如说真空中把导电成份渗入该骨架，从而制造触点材料。还能够把已加入第三种元素的导电成份渗入只由防弧粉末制造的骨架内来制造触点材料。就烧结法而论，特点为：在比如说真空中烧结由防弧粉末、导电粉末和第三种元素粉末按规定的量掺合的混合粉末来制造触点材料。在渗透和烧结两种方法中，通过使用把第三种元素涂到防弧成份粉末的表面而得到的复合粉末，或者通过使用防弧元素和第三种元素的合金粉末来制造触点。

接下来，将解释评价方法和评价条件，从而得到将要描述的具体实例。考虑到上述的内容，我们曾根据再触发的发生频率来比较按照本发明制造的触点材料和传统制造的触点材料。直径为30mm、厚度为5mm的盘形触点材料样品被装到可拆型真空管内。然后，测量是这样实现的，即通过用可拆型真空管断开60KV×500A电路2000次来测量再触发发生频率。该结果表示为再触发发生的百分率。为了安装触点，只进行了烘烤加热(450℃×30分钟)。没有使用钎焊材料，也没有进行伴随钎焊材料的加热。

                                     表    1

	化学成分(体积％)			再触发发生的百分率	制造方法	备  注
							铌	铬	铜
	比较例1例1例2例3比较例2	2525252525	01255065							其余其余其余其余其余	1-2％0.8％0.5％0.5％0.8％	烧结烧结渗透渗透渗透	接触电阻大

                                           表    2

	化学成分(体积％)			再触发发生百分率	制造方法	备注
							钽	钛	铜
	比较例3例4例5例6比较例4	1525507090	11111							其余其余其余其余其余	0.8％0.8％0.5％0.5％0.8％	烧结烧结渗透渗透渗透	断开能力不足接触电阻大

                          表    3

	化学成分(体积％)							再触发发生的百分率	制造方法
										钨	钼	钇	锆	钴	铜	银
	例7例8	5025	025	01	01	50	30其余										150	0.8％0.5％	渗透渗透

                           表    4

	化学成分(体积％)	制造方法	再触发的百分率
				例9例10例11例12	45铌-5铬-铜45铌-1铬-铜20铌-20铬-铜25铌-3铬-铜	烧结烧结烧结烧结	0.5％0.5％0.5％0.5％

在表1至表3的制造过程中，使用单独一种金属粉末。渗透法的骨架仅由防弧粉末和辅助成份粉末制造。无氧铜和真空熔化的银/铜合金用作渗透材料。例1-3，比较例1-2(参照表1)

通过把防弧材料的含铌量固定为体积的25％而添加的辅助成份铬的量为体积的0％、1％、25％、50％和65％(分别为比较例1、例2、例3和比较例2)，来制造触点。使用的原材料粉末由铌粉末和铬粉末的混合物组成。比较例1和例1用烧结法制造。更详细地说，通过在混合和模压铌粉末、铬粉末和铜粉末后在规定的温度下烧结来进行制造，以便准备被试的样品。制造这些样品的详细条件被描述为条件1。例1和比较例1的条件1

提供平均颗粒尺寸分别为100、50和30微米的铌粉末、铬粉末和铜粉末。这些粉末在球磨机中混合12小时。所得的混合粉未用8公吨/平方厘米的模压压力进行模压，模压后得到的模压体在1.0×10^-2Pa的真空中在1050℃的温度下烧结3小时，以便得到触点材料的样品。

例2和3及比较例2用渗透法制造。更详细地说是利用混合、成形和烧结铌粉末和铬粉末制造骨架。其次，把无氧铜渗入骨果来准备样品。制造这些样品的详细条件被描述为条件2。例2和3及比较例2的条件2

提供平均颗粒尺寸分别为100和50微米的铌粉末和铬粉末。这些粉末在球磨机中混合12小时。所得到的混合粉末用分别对应于例2、例3和比较例2的模压压力0.5公吨/平方厘米，2公吨/平方厘米和5公吨/平方厘米进行模压。模压后得到的模压体在1.0×10^-2Pa的真空中在1200℃的温度下烧结1小时以便得到骨架。在1.0×10^-2Pa的真空中在1130℃的温度下把无氧铜掺入骨架0.5小时，就可得到触点材料的样品。

在加工这些样品并把它们安装到可拆型真空管内后，测量再触发发生的概率。如表1所示，结果是：就比较例1中没有加入铬而言，再触发发生的概率为1-2％；而在例1、2和3中加入的铬为1％、25％和50％，概率为0.5-0.8％，表示性能改善。就比较例2而论，加入了65％的铬，再触发发生的概率也改善为0.8％。但是该比较例2在实际使用中是有问题的，因为由于缺乏导电成份具有很大的接触电阻。为了比较，还试图利用渗透法不加铬来制造铌-铜触点材料。可是，由于表面氧化效应，渗透或许不能实现。例4-6、比较例3-4(见表2)

通过使加入的辅助成份钛的体积固定为1％，而防弧成份的含钽体积15％、25％、50％、70％和90％(分别对应于比较例3、例4、5和6及比较例4)来制造触点材料。在比较例3和例4的情况下，制造触点材料的方法是烧结法。制造这些样品的详细条件被描述为条件3。例4和比较例3的条件3

提供平均颗粒尺寸分别为100、50和30微米的钽粉末、钛粉末和铜粉末。以下的工艺与条件1的相同。

例5和例6及比较例4，采用的是渗透法。制造这些样品的详细条件被描述为条件4。例5和6及比较例4的条件4

提供平均颗粒尺寸分别为100和50微米的钽粉末和钛粉末。这些粉末在球磨机中混合12小时。对例5、例6和比较例4分别用每平方厘米0.5、2和5公吨的模压压力模压所得到的混合粉末。以下的工艺与条件2的相同。

就所有的样品而论，可看到再触发概率方面的改善，这一概率为0.5-0.8％。但是，就比较例3而论，其中的含钽量为15％，电路断开能力被大大地降低；就比较例4而论，其中的钽含量是90％，就象在以上提到的比较例2中，触点电阻大到该样品不能装入实际真空管的程度。例7-8(见表3)

在表1中描述了使用铌-铬-铜糸的实例，在表2中描述了使用钽-钛-铜系的实例。但是，通过使用钨和钼代替铌和钽作为防弧材料，以及通过使用钇、锆、钴或钒代替铬和钛作为辅助成份，同样能够降低再触发概率。还能够用银代替铜作为导电成份。在例7中，用渗透法制造的触点由体积百分比为50％的钨、5％的钴、30％的铜和15％的银组成。在例8中，用渗透法制造的触点由25％的钨、25％的钼、1％的钇、1％的锆和其余为铜组成。制造这些样品的详细条件被描述为条件5。例7和8的条件5

对例7提供平均颗粒尺寸分别为3、5、30和30微米的钨粉末、钴粉末、铜粉末和银粉末。对例8提供平均颗粒尺寸分别为3、3、30、30和30微米的钨粉末、钼粉末、钇粉末、铬粉末和铜粉末。以下的工艺与条件2中的例2的工艺相同。由于这两种触点提供0.8％和0.5％的低再触发概率，所以这两种触点都是有用的。

从以上实例的研究结果可以看出，不仅可以用实例的混和物，而且还可以把钽、铌、钼或钨作防弧材料，把铬、钛、钇、锆、钴或钒用作辅助成份及把铜或银用作导电成份来降低再触发的频率。例9-12(见表4)

接下来，将研究制造方法。例9是通过按9∶1的比例掺合和混合铌粉末和铬粉末制造骨架，然后再把无氧铜掺入该骨架的例子。在例10中，制造的骨架仅由铌粉末组成，然后再把预先准备的2％铬-铜合金渗入该骨架。在例11中，通过混合和烧结铌/铬合金粉末与铜粉末准备骨架，然后再进一步把无氧铜掺入骨架。在例12中，通过把铬涂到铌粉末的表面上，然后与铜粉末混合并模压，随后再烧结来制造触点。

制造这些样品的详细条件被描述为条件6、7、8、和9。例9的条件6

提供平均颗粒尺寸分别为100和50微米的铌粉末和铬粉末。铌粉末和铬粉末按体积为9∶1的比例混和，然后再在球磨机中掺和12小时。所得到的混合粉末用每平方厘米0.5公吨的模压力模压。所得到的模压体在1.0×10^-2Pa的真空中，在1200℃的温度下烧结3小时而得到骨架。在1.0×10^-2Pa的真空中，在1130℃的温度下把无氧铜掺入骨架就可得到触点材料的样品。例10的条件7

用每平方厘米0.5公吨的模压力模压平均颗粒尺寸为100微米的铌粉末。所得到的模压体在1.0×10^-2Pa的真空中，在1200℃的温度下烧结3小时得到骨架。事先在1.0×10^-2Pa的真空中熔化铬和铜来准备2％铬-铜合金。在1.0×10^-2Pa的真空中，在1130℃的温度下，把2％铬-铜合金渗入骨架就可得到触点材料的样品。例11的条件8

把50wt％Nb-Cr合金压碎成具有平均颗粒尺寸为100微米的合金粉末。该合金粉末和平均颗粒尺寸为30微米的铜粉末在球磨机中掺合12小时。所得到的混合粉末用每平方厘米3公吨的模压力模压。所得到的模压体在1.0×10^-2Pa的真空中，在1200℃的温度下烧结得到骨架。在1.0×10^-2Pa的真空中，在1130℃的温度下把无氧铜渗入骨架0.5小时就可得到触点材料的样品。例12的条件9

把铬涂到平均颗粒尺寸为100微米的铌粉末上形成复合粉末，其中铌和铬的体积比为9∶1。复合粉末和平均颗粒尺寸为30微米的铜粉末在球磨机中掺合12小时。所得到的混合粉末用每平方厘米8公吨的模压力模压。所得到的模压体在1.0×10^-2Pa的真空中，在1050℃的温度下烧结3小时就可得到触点材料的样品。

在每一种情况下，这些触点的再触发概率为0.5-0.8％，即得到了良好的结果。

用光学显微镜和电子显微镜观察用这些不同的方法制造的触点材料的横截面结构时，发现在所有的情形下，防弧材料的边缘趋向于被辅助成份包围，证明辅助成份起粘结防弧材料和导电成份的作用。具体地说，这一趋势在用渗透法制造的触点材料中非常明显。能够推断这一结果反映在这一事实中：在用烧结法制造触点材料的情况下，再触发发生的概率大约为0.8％；而用渗透法制造的触点材料概率为0.5％。用烧结法制造触点材料来抑制再触发的发生时，因此希望烧结温度尽可能地接近熔点。但是既使用烧结法制造的触点材料也足以降低再触发的概率。

同样，对导电成份构成的导电成份基材(matrix)进行横截面结构检查时，发现在许多地方辅助成份在导电成份基材内已熔化或沉淀，导致辅助成份和导电成份间的牢固粘结。还发现在由渗透法生产的触点材料中，这一现象特别引人注意。

从以上实例的检查结果看出，显然用按照本发明的制造方法，类似的结果不仅能在本实例中得到而且还可利用这些实例的部分结合得到。

如上所述，用本发明能够得到真空管的触点材料及其制造方法，并且由于辅助成份使防弧成份和导电成份间的粘结强度增加，因此具有高的可靠性，并由此降低再触发的概率。

此外，本发明的真空管触点材料尤其适用于用作真空开关，真空断路器，真空触点的触点材料。

显然，从以上的讲授中可以看出，本发明的许多改进和变化是可能的。因此，在所附的权利要求书范围内，可以实施本发明，而不限于此处特别描述的内容。

Claims (17)

1．一种真空管接点材料，包括：

一种防弧成份，其包含选自由钽、铌、钨和钼组成的元素族中的至少一种；

一种辅助成份，其包含选自于由铬、钛、钇、锆、钴和钒组成的元素族中的至少一种和

一种导电成份，其包含选自于由铜和银组成的元素族中的至少一种，

其特征在于：

所述防弧成份的体积量为25％至75％，

所述防弧成份与所述辅助成份的总体积量不超过75％，以及

所述导电成份的量为其余部分。

2．根据权利要求1所述的真空管接点材料，其中

所述辅助成份围着所述防弧成份的边缘形成，并且，

所述导电成份以导电成份基材的形式被包含。

3．根据权利要求1所述的真空管接点材料，其中

所述防弧成份和所述辅助成份形成合金，并且

所述的导电成份以导电成份基材的形式被包含。

4．根据权利要求2或3所述的真空管接点材料，其中：所述的辅助成份在所述导电成份基材内熔化。

5．根据权利要求2或3所述的真空管接点材料，其中所述辅助成份沉积在所述的导电成份基材内。

6．一种根据权利要求1所述的接点材料的制造方法，包括的步骤为：

用所述防弧成份和所述的辅助成份制造一个骨架，

并把渗透材料渗入所述的骨架中以得到所述的接点材料。

7．一种根据权利要求1所述的接点材料的制造方法，包括的步骤为：

用所述的防弧成份、所述的辅助成份和所述的导电成份制造一个骨架，

把渗透材料渗入所述的骨架中以得到所述的接点材料。

8．根据权利要求6或7所述的接点材料的制造方法，其中：所述的渗透材料包括所述的导电成份。

9．根据权利要求6或7所述的接点材料的制造方法，其中：所述的渗透材料包括加有所述辅助成份的所述导电成份。

10．根据权利要求6或7所述的接点材料的制造方法，其中：在制造所述骨架的步骤中，所述防弧成份的粉末和所述辅助成份的粉末被混合形成混合粉末，并且所述骨架用所述混合粉末制造。

11．根据权利要求6或7所述的接点材料的制造方法，其中：在所述骨架的制造步骤中，准备出由所述辅助成份包围着的所述防弧成份的复合粉末，并且用所述复合粉末制造所述骨架。

12．根据权利要求6或7所述的接点材料的制造方法，其中：在所述骨架的制造步骤中，准备出所述防弧成份和所述辅助成份的合金粉末，并用所述合金粉末制造所述骨架。

13．根据权利要求1所述的接点材料的制造方法，包括的步骤为：

用所述的防弧成份制造骨架；

把渗透材料渗入所述的骨架得到所述的接点材料；

所述的渗透材料包括加有所述辅助成份的所述导电成份。

14．根据权利要求1所述的接点材料的制造方法，包括的步骤为：

混合所述防弧成份，所述辅助成份和所述导电成份的粉末，以形成混合的接点材料粉末；

模压所述的混和接点材料粉末以形成模压体；

烧结所述的模压体以得到所述的触点材料。

15．根据权利要求14所述的接点材料的制造方法，其中：在混合的步骤中，所述防弧成份的所述粉末和所述辅助成份的所述粉末被掺合以形成混合粉末，并且所述的混合粉末和所述导电成份的所述粉末被掺合以形成所述的混合接点材料粉末。

16．根据权利要求14所述的接点材料的制造方法，其中：在混合的步骤中，准备出由所述辅助成份包围着的所述防弧成份的复合粉末，并且所述的复合粉末和所述的导电成份的所述粉末被掺合以形成所述的混合接点材料粉末。

17．根据权利要求14所述的接点材料的制造方法，其中：在混合的步骤中，准备出所述防弧成份和所述辅助成份的合金粉末，并掺合所述的合金粉末和所述导电成份的所述粉末以形成所述的混合的接点材料粉末。

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