CN1045682C - 用于真空开关的触点材料 - Google Patents

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Abstract

一种用于真空管的触点材料，它包括：一类耐电弧成份，该耐电弧成分包含至少从一组金属中选择出来的一种金属，上述金属组有：铬、钛、锆、钒及钇。一类辅助成分，该辅助成分包含至少从一组金属中选择出来的一种金属，上述金属组有：钽、铌、钨及钼，以及一类导电成分，该导电成分包含至少从一组金属中选择出来的一种金属，上述金属组有铜及银。在上述触点材料中，耐电弧成分的含量按体积计为10%至70%，上述耐电弧成分与上述辅助成分的总含量按体积计不超过75%，其余为导电成分的含量。

Description

用于真空开关的触点材料
本发明涉及一种用于改进断路性能的真空开关用触点材料。
要求用于真空开关用触点材料的特性，除要求三种基本性能即，耐焊接性，承受电压的能力及电流断路性能外，还有重要的要求，即低的并稳定的温升及低的并稳定的触点电阻。但是，上述的要求中有些是相互对抗的，因此以单一的金属来满足所有的要求是不可能的。因此，在已使用的一些触点材料中，已开发有复合二种或更多元素的触点材料，以相互弥补彼此性能的缺陷而满足特定的应用；例如用于大电流，承受高电压并具有特殊的优良特性。但是，对于要求更为严格的性能，尚存在一些待解决的问题。
例如，通用断路开关及真空开关用触点材料，在真空开关最初发展时强调耐焊接性。因此在实践中以Cu为主要成分，添加阻止焊接成分如，Te或Bi，其含量按重量计不超过10％，(参见日本专利公布的实例(KoKoKu)Nos.Sho.41-12131,Sho.44-23751)。但是，随着不同的要求，如增加使用范围，小型化及减少真空断路开关及真空开关的价格，具有比传统Cu-Te或Cu-Bi的断路性能优良的触点逐渐为市场所需求。因此，具有比传统触点有较好断路性能的Cu-Cr触点最为流行。然而，在当前情况下，需要具有更佳断路能力的触点。
为什么Cu-Cr触点具有比Cu-Bi或Cu-Te触点优良的断路性能，其理由被认为是：耐电弧材料Cr具有收气作用，以及，由于Cr具有适当蒸气压和熔点，所以容易存在于等离子蒸气中，因此可有效发挥上述收气作用。
为此目的，发明者对具有比Cr大的收气作用并具有比Cr更适当的汽压及熔点的导电成分及耐电弧材料如：Ti,Zr,V或Y以烧结方法或熔化方法制成触点材料进行断路试验。在JEC4试验中反复接触闭合及接触断开获得比传统Cu-Cr触点有较好的性能，此处JEC为日本电技术委员会标准的缩写。但是在JEC5试验中，断路是在通过电流经过一定时间后形成，未获得好的效果，因为产生了熔接倾向。因此仅从上述概念中很难说能获得足够的断路性能，尚缺乏可靠性。
所以本发明的一个目的是提供用于具有优良断路性能的真空开关的触点材料。
本发明者推测为什么在上述JEC5试验中未获得好的断路性能，其原因在于上述Ti、Zr、V或Y等耐电弧成分与导电成分形成一种固溶体并形成金属化合物，因此大大降低触点材料的电传导性从而增加触点电阻，导致由焦耳热产生熔接。因此本发明者认为：当使用Ti,Zr,V或Y作为耐电弧成分时，假如触点材料的导电性能能提高到现行技术触点材料的导电性能，则其断路性能可以大大提高。
因此本发明者发明了这样一种触点材料，是将可一定程度地提高断路性能的Ti、Zr、V、Y中的至少一种用作为耐电弧材料，为了保持触点材料的导电性，在耐电弧材料的表面至少覆盖一种辅助成分，上述辅助成分包括Ta、Nb、W或Mo。
为实现上述及其他目的，本发明的供真空开关用的触点材料中包括：一类耐电弧成分，该成分中至少包含一种从一组金属中所选择出来的金属，该金属组为：铬、钛、锆、钒、钇；一类辅助成分，该辅助成分中至少包含一种从一组金属中所选择出来的金属，该金属组为：钽、铌、钨、钼及一类导电成分，该导电成分中至少包含一种从一组金属中选择出来的金属，该组金属为铜及银。在触点材料中按体积计算耐电弧成分的含量为10％-70％，耐电弧成分与辅助成分的含量总和按体积计算不超过75％，其余含量为导电成分。
按照本发明的一方面，供真空开关用的触点材料包含有多种复合粉末，每种复合粉末包含有辅助成分，及用辅助成分覆盖的耐电弧成分，以及导电成分，其中至少包含由铜及银组成的一组金属中的一种。在触点材料中耐电弧成分中至少包含由一金属组中选择出来的一种金属，该金属组包含：铬、钛、锆、钒及钇，以及辅助成分中至少包含由一金属组中选择出来的一种金属，该金属组包含：钽、铌、钨及钼。
其作用详述于后，特别是Ti、Zr、V、Y及Cr具有适宜的熔点及汽压并有收气作用；因此它们可以作为耐电弧材料以提高断路能力。但是这些耐电弧材料与导电成分铜或银，明显地形成固溶体或各种金属化合物。因此，假如只是将导电成分及耐电弧成分简单地熔化，则在耐电弧成分与导电成分之间，形成金属化合物，从而作为触点导电基体的导电成分的α相部分将大大地减少。
此外，因为耐电弧成分在一定程度上在导电成分α相内熔化，因此触点材料的导电性下降。由于上述二原因触点材料不能获得充分的导电性。另外，即使是按烧结方法进行制造，即先将耐电弧成分粉末与导电成分粉末混合并成型及烧结时，由于形成熔点低于导电成分的金属化合物相。因此烧结必须在低温下进行，例如900K(开氏温标)，由于低温烧结不能获得作为触点材料在使用中所需的足够硬度。按照此观点，要求使耐电弧成分及辅助成分在一定程度上熔合为合金。
由于上述理由，阻止在耐电弧成分与导电成分之间产生反应是有利的。本发明者发现：用不与导电成分产生反应的辅助成分来覆盖耐电弧材料的表面即可阻止耐电弧成分与导电成分产生反应。即，用不与导电成分Cu或Ag产生反应的辅助成分如W或Mc来覆盖耐电弧材料的表面，然后，与导电成分形成复合物，这样可防止在电弧成分与导电成分之间的反应。从而可以使触点材料在使用中获得适当导电性能。因此，有助于提高断路性能。
参阅以下详述并结合附图，将易于了解并对本发明及其优点进行全面正确的评价。其中：
图1为一真空开关的横剖视图，该真空开关使用了本发明的真空开关触点材料；
图2为图1所示真空开关的电极部分的放大横剖视图。
结合附图对本发明实施方案叙述于下：图1为真空开关的横剖面视图，图2为图1真空开关电极部分的放大视图。
图1中由绝缘容器2，组成断路室1，绝缘材料形成基本上为筒形的绝缘容器2，在该容器两端有金属盖4a、4b，并有密封件3a、3b位于容器与盖之间，断路室1内处于真空状态。
断路室1中有一对装在导电杆5及6的二端面上的电极7及8。如当下电极8为可移动电极时则7为固定电极。一波纹管9装在上述电极8的导电杆6的外围，因此当断路室1中处于真空密闭状态时，电极8可以轴向移动。有一金属电弧罩10装在波纹管9的顶部用以避免电弧汽覆盖波纹管9。一金属电弧罩11装在断路室1内用以盖着电极7及8，以避免绝缘容器2被电弧汽所覆盖。
如图2所示，电极8以钎焊部分12固定在导电杆6上，或者以挤缝方法压配合。一触点13a以钎焊部分14固定在电极8上，电极7也采用基本相同的结构。
以下，将介绍按照本发明制造触点材料的方法的实例。制造触点材料的方法可广义地分类为：渗入法，在该法中将导电成分熔化后流入由耐电弧粉末等形成的骨架，以及烧结法，在该法中按规定比例混合各种粉末然后通过成型，烧结。
在上述两种方法中，本发明都使用一种以辅助成分覆盖耐电弧粉末的复合粉末。覆盖方法例如可采用PVD或CVD等任何方法，但是就真空部件的观点而言，PVD是值得考虑的，因为可减少含气量。此处的PVD及CVD分别为物理蒸气沉积及化学蒸气沉积的缩写。
就渗入法而论，本发明的特点包括：在一定条件下例如在真空环境下烧结复合粉末以制造骨架，以及在一定条件下如真空环境下将导电成分渗入上述骨架而制成触点。就烧结法而论，其特点为：用上述的复合粉末同导电粉末按照规定的配比混合成混合粉末成型后，然后在一定条件下，例如在真空下烧结而制成触点。按上述方法生产的触点，经观察其横剖面组织，可见到在耐电弧成分及辅助成分之间有合金相。
接下来，用后述的具体实例对评价方法及评价条件进行说明。
(1)导电性
以命名为“西格马试验器”(Sigma tester)的导电性表对各实例进行测量。
(2)断路测试按上述观点对本发明的触点与现行技术的触点进行比较。将直径为30mm厚为5mm的圆板状触点片安装在一可拆卸型真空开关内进行试验，恢复电压定在7.2KV，断路电流逐渐增加直到不再形成断路。以相对值表示断路能力，以传统的Cu-Cr触点的断路能力定为1.0。为了固定触点，仅使用烘焙加热(450℃,30分钟)。未用钎焊材料也未伴随加热。
在下面表2至表4中的制造中，使用了以辅助成分覆盖耐电弧成分表面的复合粉末。
表1〕
比较实例1比较实例2比较实例3比较实例4 化学成分(体积％) 导电性能 断路能力 备注Cr=50％标准触点熔化方法熔化方法烧结方法未获得成功
Ti W Cu (％IACS) 试验4 试验5
0404040 0055 其余其余其余其余 30＜8＜8…… 1.01.01.1…… 1.00.60.7……
〔表2〕
实施例1实施例2实施例3比较实例5       化学成分(体积％) 导电性能 断路能力 备注高接触电阻
Ti W Cu (％IACS) 试验4 试验5
40404040 2103040 其余其余其余其余 40352515 1.21.21.21.1 1.21.21.20.9
〔表3〕
比较实例6实施例4实施例5实施例6实施例7比较实例7       化学成分(体积％) 导电性能 断路能力 备注断路能力不足高接触电阻
V Ta Cu (％IACS) 试验4 试验5
51025507090 555555 其余其余其余其余其余其余 605040352510 0.81.11.21.21.21.1 0.81.11.21.21.20.9
〔表4〕
化学成分(体积％) 导电性能 断路能力
Zr Y Mo Nb Cu Ag (％IACS) 试验4 试验5
实施例8实施例9 4530 020 55 50 30其余 150 3030 1.01.2 1.01.2
比较实例1至4(见表1)
作为断路试验提供相对比较标准的Cu-Cr触点是用将Cu渗入到Cr的骨架的渗入法而制造成的(比较实例1)。为了阐明与本发明的区别，40Ti-Cu触点及40Ti-5W-Cu触点是在真空熔化炉中制造的(比较实例2及3)。此外，曾试图以烧结方法制造触点材料，该方法是首先混合Ti粉末、W粉末及Cu粉末然后成型烧结。但是，当烧结温度高于750℃时，由于Ti剧烈地熔入Cu而不能保持成型体的原型。另外当烧结温度较低时，则不能保持材料的强度。因此这些触点的试验制造未获得成功(比较实例4)。
以下叙述制造这些样品的详细条件。
比较实例1的条件
平均粒度为100μm的Cr粉放入碳坩锅内在真空度为10-3pa(帕)的状态下加热1200℃烧结1小时形成骨架。一无氧铜块放在骨架上并在真空度为10-3pa(帕)的状态下加热1150℃，保温0.5小时进行熔化，使铜渗入Cr的骨架获得触点材料的样品。
比较实例2的条件
在真空高频感应熔化炉内，铜在氧化铝坩锅内熔化，然后引氩进入至压力为150Torr(托)并按规定值加入钛。在钛熔化后生成的熔体在规定的坩锅内熔炼为触点材料的样品，该触点材料为40Ti-Cu。
比较实例3的条件
在真空高频感应熔化炉内，铜在氧化铝坩锅内熔化，然后引氩进入至压力为150Torr(托)并按规定值加入钛。在搅拌混合后再加入钨。将合成的熔体在规定的坩锅内熔炼成触点材料的样品，该触点材料为40Ti-5W-Cu。
比较实例4的条件
钛粉、钨粉及钢粉，其平均粒度分别为100,3及40μm，按8∶1∶11的比例混合，然后将此混合物在每平方公分为8公吨的压力下模压以形成模压体。当此模压体在真空度为10-3pa(帕)，温度为850℃的条件下烧结一小时，钛被剧烈地熔入铜时，使上述模压体不能保持其原始形状。
在加热750℃保温一小时的条件下，其结果仍相同。
因此评价是对上述比较实例1至3进行。
比较实例1的Cu-Cr触点的导电性为30％IACS。此处所指的IACS为国际退火铜标准的缩写。为了给随后的各比较实例及各实施例提供比较标准，将上述触点的断路能力设定为1.0。
可是，以现行技术熔化方法所生产的比较实例2及3，由于钛熔入铜相并形成Cu-Ti型金属化合物，故未获得好的导电性能。
另外，在比较实例2及3的断路试验中，虽然在No.4试验中与Cu-Cr触点获得同等的值。但在No.5试验中，由于出现熔化，所以性能不及Cu-Cr触点。
实施例1至3及比较实例5(见表2)
Ti-W-Cu触点是将Cu渗入骨架而制成，上述骨架由W涂覆在Ti粉的复合粉制成，钛含量常保持在40％。涂覆Ti粉的W含量分别为2、10、30及40％(对应于实施例1、2及3以及比较实例5)。
以下介绍上述各试样制造的详细条件。
实施例1的条件
用具有平均粒数为3μm的钨粉以机械方式涂覆在平均粒度为100μm的钛粉上形成复合粉。经分析上述复合粉的成分约为5体积％W-Ti。将此复合粉放入氧化铝坩锅在真空度为10-3pa(帕)，温度为1150℃的条件下烧结一小时形成骨架。在真空度为10-3pa(帕)，温度为1150℃，时间为0.5小时的条件下将无氧铜渗入上述骨架，从而获得触点材料的样品。
实施例2的条件
使用与实施例1相同的粉，但复合粉的钨涂覆层较厚。因此按照对复合粉的分析所获得的复合粉的成分为10体积％W-Ti。其余的条件与实施例1同，然后获得触点材料的试样。
实施例3的条件
使用与实施例2相同的粉，其成分为10体积％W-Ti。再一次在复合粉中加入钨粉，因此Ti-W的比例为4∶3，然后混合。在成型压为每平方公分2公吨的压力下将混合粉进行模压。从而获得模压体。接下来的烧结与渗入条件与实施例1及2相同，然后获得触点材料的试样。
比较实例5的条件
使用与实施例2相同的粉，其成分为10体积％W-Ti。再一次在复合粉中加入钨粉，因此Ti-W的比例为4∶4，然后混合。在成型压为每平方公分3公吨的压力下将混合粉进行模压。从而获得模压体。接下来的烧结及渗入条件与实例3相同，然后获得触点材料的试样。
当W含量增加时导电性能倾向于降低。在No.4试验中，在所有情况下，断路性能均超过Cu-Cr触点10-20％，但是在No.5试验中，在比较实例5的情况下，产生由焦耳热引起的熔接，其中辅助组成物的含量是超过需要量了，其结果是证明了其性能比不上Cu-Cr触点。
实施例4至7及比较实例6、7(见表3)
在制成的触点中涂覆元素Ta含量固定在5％时，使耐电弧粉V的添加量变化。V的添加量分别为5、10、25、70及90％(比较实例6，实施例4、5、6、7及比较实例7)。V添加量为5、10及25％的触点由烧结法制成。其余的由渗入法制成。
制造上述试样的详细条件，将叙述于下。
比较实例6的条件
以平均粒度为3μm的钽粉以机械方式涂覆在平均粒度为100μm的钒粉上作成复合粉。上述复合粉与平均粒度为40μm的铜粉按体积比例为1∶9混合。在成型压力为每平方公分8公吨的压力下将混合粉模压成模压体。然后在真空度为10-3pa(帕)，温度为950℃的条件下将上述模压体进行烧结1小时而形成触点材料的样品。
实施例4及5的条件
除了V∶Ta的体积比以外其他条件与比较实例6的条件相同，上述体积比随复合粉涂覆层的厚度而进行调整。
实施例6的条件
以平均粒度为3μm的钽粉用机械方式涂覆在平均粒度为100μm的钒粉上而制成复合粉，V∶Ta的体积比随复合粉涂覆层厚度进行调整。
上述复合粉放入氧化铝坩锅内，在真空度为10-3pa(帕)，温度为1200℃的条件下进行1小时烧结形成骨架。在真空度为10-3pa(帕)，温度为1150℃，时间为0.5小时等条件下，以无氧铜渗入骨架而获得触点材料的样品。
实施例7的条件
使用与实例6相同的复合粉。使复合粉在压力为每平方公分1公吨的成型压下形成模压体。然后在真空度为10-3Pa(帕)，温度为1200℃，时间为1小时的条件下烧结模压体而制成骨架。在真空度为10-3Pa(帕)，温度为1150℃，时间为0.5小时的条件下，将无氧铜渗入骨架而完成触点材料的样品。
比较实例7的条件
除了模压力为每平方公分2公吨外其余条件与实例7同。
如表2所示，随着耐电弧成分增加导电性能下降。在试验4及5中比较实例6的V加入量很少仅占5％，其断路性能不及Cu-Cr触点的断路性能。
实施例4、5、6及7的触点中，V的加入量分别为10、25、50及70％，均显示出比Cu-Cr触点具有较好的断路性能。比较实例7的V加入量为90％，在试验4中其断路性能比Cu-Cr触点好，但在试验5中，由于产生熔接，与Cu-Cr触点比较就得不到较好的断路性能。
从上述实施例1至7及比较实例5至7，可以看出加入至少10体积％的耐电弧成分是必需的，以及保持耐电弧成分及辅助成分的总含量低于75％是重要的。
实施例8至9(见表4)
在表2及表3中分别表示了以Ti-W-Cu成分及以V-Ta-Cu成分为例的情形。但是如不是用Ti或V，而是用Zr、V作耐电弧材料，以及不是用W或Ta，而是用Mo或Nb作辅助成分，以及用Ag代替Cu作导电成分，则断路性能也同样可以获得改善。
即，实例8是45Zr-5Mo-30Cu-15Ag的触点，而实例9是30Zr-20Y-5Mo-Cu的触点，它们都是用渗入法制造的；以辅助材料覆盖耐电弧材料的表面。
以下叙述上述试样制造的详细条件。
实施例8的条件
平均粒度为3μm的钼粉及铌粉以机械方法涂覆在平均粒度为100μm锆粉上形成复合粉。将此复合粉放入氧化铝坩锅内，在真空度为10-3pa(帕)，温度为1200℃，时间为1小时的条件下烧结形成骨架。将Cu∶Ag的比例为2∶1的Cu-Ag合金在真空度为10-3pa(帕)，温度为1000℃，时间为0.5小时的条件下渗入骨架形成触点材料的样品。
实施例9的条件
平均粒度为3μm的钼粉以机械方法涂覆在平均粒度为100μm的锆粉及钇粉上形成复合粉。接下来的烧结与渗入条件与实施例6相同，最后获得触点材料的样品。
已发现这些触点与现行技术制造的Cu-Cr触点相比其导电性及断路能力均处于同等水平，或高于后者。
已发现Cr可作为本发明耐电弧成分的一种，虽然在上述各实例中未明确使用。
上述各实例的结果清楚地表明，断路能力的改善不仅可通过上述各实施例中的成分，而且通过使用Cr、Ti、Zr、V及Y元素中的至少一种作为耐电弧材料，及使用Ta、Nb、W及Mo元素中的至少一种元素作为辅助成分，以及使用Cu及Ag元素中至少一种元素作为导电成分。
如上所述，按照本发明可以获得具有优越断路性能的真空开关触点材料。
显然，按照上述技术可能对本发明进行许多修改和变动。因此，在所附权利要求的范围内，用上述文中以外的方式实施本发明是显而易见的。

Claims (10)

1．一种用于真空开关的触点材料，包含：
一类耐电弧成分，它至少包含从一组金属中选择出来的一种金属，该组金属包括有：铬、钛、锆、钒及钇；
一类辅助成分，它至少包含从一组金属中选择出来的一种金属，该组金属包括有：钽、铌、钨及钼；及
一类导电成分，它至少包含从一组金属中选出来的一种金属，该组金属包括有：铜及银；
其特征在于：
上述耐电弧成分的含量，以体积计为10％至70％；
上述耐电弧成分与上述辅助成分的总量，以体积计不大于75％；以及
其余为上述导电成分的含量。
2．按照权利要求1中所述用于真空开关的触点材料，其特征在于：上述辅助成分围绕在上述耐电弧成分周围。
3．按照权利要求1中所述用于真空开关的触点材料，其特征在于：在上述触点材料中上述耐电弧成分及上述辅助成分有它们的合金部分。
4．按照权利要求3中所述用于真空开关的触点材料，其特征在于：在上述触点材料的晶界处上述耐电弧成分及上述辅助成分有它们的合金部分。
5．按照权利要求2所述用于真空开关的触点材料，其特征在于：在上述触点材料中，上述耐电弧成分及上述辅助成分有它们的合金部分。
6．按照权利要求5所述用于真空开关的触点材料，其特征在于：在上述触点材料的晶界处上述耐电弧成分及上述辅助成分有它们的合金部分。
7．一种用于真空开关的触点材料，其特征在于：包含有复合粉，每种复合粉均包含有辅助成分及由上述辅助成分复盖的耐电弧成分；及
导电成分，它至少包含有由铜、银组成的一组金属中的一种金属；
上述耐电弧成分包含铬、钛、锆、钒、钇等组成的一组金属中的至少一种金属；及
上述辅助成分，包含由钽、铌、钨及钼等组成的一组金属中的至少一种金属。
8．按照权利要求7所述用于真空开关的触点材料，其特征在于：上述耐电弧成分的含量按体积计为10％至70％。
9．按照权利要求7所述用于真空开关的触点材料，其特征在于：上述耐电弧成分与上述辅助成分的总含量按体积计不超过75％。
10．按照权利要求8所述用于真空开关的触点材料，其特征在于：上述耐电弧成分与上述辅助成分的总含量按体积计不超过75％。
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