CN108206100A - 用于电气装置的触点组件以及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电气装置的触点组件以及一种制作此类组件的方法，所述触点组件包括衬底和设置在所述衬底上的触点材料。所述触点材料包括复合材料，所述复合材料包括耐火材料和基质材料。所述基质材料具有比所述耐火材料更高的延展性。所述复合材料进一步包括芯部区和形成所述芯部区边界的外部区，所述芯部区的所述耐火材料的浓度比所述外部区的所述耐火材料的浓度更高。所述方法对共混原料应用冷喷涂以产生包括上文描述的所述复合材料的层。

Description

用于电气装置的触点组件以及其制作方法

技术领域

本发明大体上涉及电触点组件和其制作方法，更具体地说，本发明涉及制作用于电力开关、断路器、接触器和继电器等装置的电触点组件的方法。

背景技术

触点和触点组件在断路器领域中是众所周知的。用于促进和阻断电流的具有电触点的触点组件不仅在断路器中使用，还在其它电气装置中使用，例如旋转式双断断路器、接触器、继电器、开关和隔离开关。对于这些电气装置的应用包括但不限于公用事业、工业、商业、住宅和汽车工业。

触点组件的主要功能是为电触点提供载流子，其能够被致动以使所述触点与第二触点分离，由此实现促进和阻断电路中的电流。适合于所提及的应用的电触点通常包括银，用于携带大部分电流；并且在许多情况下包括耐火材料，例如钨、镍、钼或碳化钨，用于提供耐侵蚀性和耐冲击磨损性；或包括石墨从而在保持低电阻的同时提供触点焊接的阻力。

触点通常粘合到衬底，例如接触臂，所述接触臂通常是但不一定是铜或铜合金，以这种方式使得所述组件能耐受在主机装置操作期间经历的热、电和机械应力。触点故障通常至少在一定程度上是由于冲击造成的磨损和电弧造成的侵蚀。通常造成触点劣化的因素包括触点的配置或几何结构(不同层/厚度)、材料选择，以及可能在触点与其衬底之间的接口处形成空隙的处理(钎焊/焊接)缺陷，所述缺陷降低了从触点到衬底的热传递，并且独立地或另外，会导致触点与衬底分离。因此需要改进具有合适的耐磨损性和耐侵蚀性的触点组件的制造以及接合衬底与触点的高质量接口。

发明内容

提供本发明的实施例以满足这种以及其它需要。一个实施例是一种用于电气装置的触点组件。触点组件包括衬底和设置在衬底上的触点材料。触点材料包括复合材料，复合材料包括耐火材料和基质材料。基质材料具有比耐火材料更高的延展性。复合材料进一步包括芯部区和形成芯部区边界的外部区，芯部区的耐火材料的浓度比外部区的耐火材料的浓度更高。

可选的，耐火材料包括金属钨、碳化物、石墨或氮化物。

可选的，耐火材料包括钨。

可选的，基质材料具有至少3×10⁷西门子/米的电导率。

可选的，基质材料包括银、铜、金、铝，或包括前述金属中的一种或多种的组合。

可选的，复合材料的芯部区中存在浓度为至少30体积百分比的耐火材料。

可选的，复合材料的芯部区中存在浓度为至少35体积百分比的耐火材料。

可选的，外部区中存在浓度小于30体积百分比的耐火材料。

可选的，外部区包括浓度范围从20体积百分比到25体积百分比的耐火材料。

可选的，耐火材料包括钨并且基质材料包括银。

可选的，芯部区包括从35体积百分比到40体积百分比的钨和从60体积百分比到65体积百分比的银，并且其中外部区包括从20体积百分比到25体积百分比的钨和从75体积百分比到80体积百分比的银。

可选的，衬底包括铜。

另一实施例是一种制造用于电气装置的触点组件的方法。方法包括：将粉末原料轴向进料到冷喷涂沉积设备的气流中，其中原料包括带有耐火材料的第一粉末和带有基质材料的第二粉末，基质材料具有比耐火材料更高的延展性；以及将气流和夹带的原料通过喷嘴引导到衬底上，从而使原料以连续层设置在衬底上，其中夹带的原料保持基本上固态，并且其中层包括复合材料，复合材料具有芯部区和形成芯部区边界的外部区，芯部区的耐火材料的浓度比外部区的耐火材料的浓度更高。

可选的，通过喷嘴将气流加速到超声速。

可选的，原料包括浓度从约50重量百分比到约90重量百分比的耐火材料。

可选的，将气流加热到高达约800摄氏度的温度。

可选的，耐火材料包括钨金属并且基质材料包括银。

可选的，衬底包括接触臂或断路器刀片。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些以及其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中相同的标号表示相同的部分，其中：

图1是具有在本发明的一些实施例中形成的结构的层的示意性截面图；以及

图2是根据本发明的一些实施例的制品的示意性截面图；以及

图3是根据本发明的一些实施例的装置的示意图。

具体实施方式

如本文在整个说明书和权利要求书中所使用的估计性措辞可适用于修饰任何数量表示，所述数量表示可以在不引起其相关的基本功能的改变的情况下以可允许的方式变化。因此，通过“大约”和“基本上”等术语修饰的值将不限于指定的精确值。在一些情况下，近似语言可以对应于用于测量所述值的仪器的精度。此处以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制可以组合和/或互换；除非上下文或措辞另外指示，否则此类范围确定包括其中含有的所有子范围。

除非上下文另有明确规定，否则在以下说明书和权利要求书中的单数形式“一”和“所述”包括多个指示物。如本说明书中所使用，除非上下文另有明确规定，否则术语“或”并不意味着排他的，而是指存在的参考部件中的至少一个，且包括其中可存在参考部件的组合的情况。

如本说明书中所使用，术语“可以”和“可以是”指示一组情形内的发生可能性；指定属性、特性或功能的拥有；和/或通过表达与认定的动词相关联的能力、技能或可能性中的一或多个来认定另一动词。因此，“可以”和“可以是”的使用指示修改后的术语明显适当、有能力或适合于所指示能力、功能或用途，同时考虑在一些情况下修改后的术语可能有时不适当、不能或不合适。

在本发明的一个实施例中，一种制造用于电气装置的触点组件的方法包括冷喷涂沉积工艺，以将粉末混合物直接喷涂到衬底上，例如，含铜衬底，如接触臂或断路器刀片(stab blade)。所得触点材料是致密的，能很好地粘合到衬底，并且展示出具有吸引力的测试结果。此外，用于沉积材料的技术能形成具有唯一且有利结构的沉积。所述方法相对于现有的包括粉末压制和钎焊步骤的制造工艺可以在改进产出并减少制造成本的同时保持质量。

在冷喷涂沉积工艺中，将粉末原料颗粒与气体混合，并且随后将气体和颗粒加速成超声速喷流，而气体和颗粒维持在足够低的温度下以防止颗粒的熔化和不当氧化。典型冷喷涂方法使用冷喷涂沉积设备，通常是喷枪，其接收高压气体，例如氦气、氮气或空气，并接收原料材料，例如金属、耐火金属、合金或呈粉末形式的复合材料。粉末颗粒在高压下引入到喷枪中的气流中并且从喷嘴排出。颗粒在气流中加速到可以达至超声速的高速。气流可以加热。通常，将气体加热到低于颗粒的熔点以最大限度地减少沉积材料的飞行中(in-flight)氧化和相变。由于相对低的沉积温度和非常高的速度，因此冷喷涂工艺提供了沉积粘附力良好、冶金粘合、致密、坚硬且耐磨损的涂层的可能性，所述涂层的纯度主要取决于所使用的原料粉末的纯度。

根据本发明的一个实施例，一种制造用于电气装置的触点组件的方法包括将粉末原料轴向进料到冷喷涂沉积设备的气流中。如本说明书中所使用，“轴向进料”意指在基本上平行于气流流动的方向上将粉末原料引入到气流中。轴向进料可以相对于径向进料减少粉末当在气流内行进时按大小和/或密度分离的倾向，其中在基本上垂直于流动方向的方向上从气流外围进料粉末。以此方式减少原料粉末分离的倾向可以提供更高质量的沉积。

气流具有指示冷喷涂工艺的特性。例如，气流可能包括冷喷涂处理中常用的一种或多种气体，例如氦气、氮气或空气。用于产生气流的气体压力通常在1.5兆帕以上，例如在2兆帕以上。在一些实施例中，所述压力至少是3兆帕。气流速度以及因此气流中夹带的原料的速度倾向于随着压力增大而提高，由于需要较高的原料速度来促进颗粒在沉积时的粘合，因此在本发明的实施例中通常需要高压。对于此工艺的典型速度可以大于每秒500米，并且在一些实施例中，高达约每秒1000米。

选择处理参数以提供具有本发明中所描述的特性的致密的、粘附力良好的沉积。举例来说，设置从喷枪到衬底的距离以允许夹带的原料加速到所需速度范围和(在一些情况下)温度，从而允许在颗粒冲击衬底后出现所希望程度的变形，由此增强粘附力、附着力和沉积密度。在一些实施例中，此距离至少是约10mm。在某些实施例中，所述距离高达约50mm。在特定实施例中，所述距离在10mm到约50mm的范围内。喷枪通常包括加热器，设置所述加热器对气流加热，使得在冲击时原料颗粒的温度可以在所希望的范围内。气体温度的选择部分地取决于颗粒的性质、所使用的气体的类型、气流速度，以及在冲击之前颗粒在气流中耗费的时间。如先前所提及，可能需要颗粒的一定量的加热来促进冲击后的塑性变形，但是通常限制所述加热量以避免原料中非所需程度的氧化，并且在原料在气体流动的时间期间维持基本上固态。这里的“基本上固态”意指原料主要地保持固态，但是附带量的颗粒熔化，例如少数细颗粒，如果不会不利地影响沉积的属性则是可以接受的。在一些实施例中，气体温度至少是300摄氏度。在一些实施例中，气体温度高达800摄氏度。

原料材料的选择反映沉积具有适合于提供高质量电触点组件的电力和机械属性的材料的要求。当然，触点组件的电力和机械属性的具体要求可以取决于应用而改变；例如触点的电导率可以在本发明的范围内的各种应用之间改变超过一定数量级。通常，原料包括第一组分和第二组分，第一组分包括提供耐磨损性和耐侵蚀性的耐火材料，第二组分包括具有比耐火材料更高的延展性的材料。合适的耐火材料的实例包括但不限于金属钨、碳化物(例如碳化钨)、石墨或碳的其它形式，或氮化物。第二组分中包括的材料(在本说明书中称为“基质材料”)通常相对于耐火材料提供高电导率，并且其相对高的延展性允许此基质材料提供沉积的大量粘附和粘结强度。在一些实施例中，基质材料具有至少3×10⁷西门子/米的电导率，以确保沉积中的高等级电导率。合适的基质材料的实例包括但不限于银、铜、金、铝，或包括前述金属中的一种或多种的组合。已在测试中呈现出良好结果的实例原料包括作为耐火材料的钨并且进一步包括作为基质材料的银。

可以若干不同形式中的任何形式提供原料。例如，在一个实施例中，以混合物进料原料，也就是说，以包括耐火材料的第一粉末和包括基质材料的第二粉末的混合物将原料引入到气流。举例来说，钨粉可以机械地与银粉共混以形成共混原料，接着可例如通过使用单个送粉器将所述共混原料进料到气流而在本说明书中描述的方法中使用所述共混原料。替代地，可以将原料的各个组分分别进料到气流。在这些实施例中，所述组分可以在处于气流中的时间期间充分互混，从而提供所得沉积中所希望程度的组分均匀性。举例来说，可以使用第一送粉器将包括钨的第一粉末进料到气流，并且可以使用第二送粉器将包括银的第二粉末进料到气流。在又一替代方案中，粉末可以具有核心/外形结构，其中原料的一种组分在颗粒的核心处而另一组分设置在所述核心上，例如作为围绕核心的外形或作为凝聚在核心周围的一组更小颗粒。举例来说，原料可以包括多个颗粒，颗粒包括核心/外形结构，其中在典型颗粒中，钨处于核心且包括银的外形设置在核心之上。

粉末颗粒可以具有允许高效沉积的任何形状。由气体雾化形成的球形颗粒是一个实例，但是非球形粉末，例如由化学还原法或通过机械粉碎形成的那些粉末，也可以适用。可以选择用作原料的粉末颗粒的大小以提供所得沉积的期望属性，在冷喷涂工艺的任何应用中都是如此。通常，颗粒直径小于100微米。在一些实施例中，中值粒径小于50微米。第一粉末和第二粉末无需具有相似大小。举例来说，在一些实施例中，第一粉末具有小于约15微米的中值粒径，而第二粉末具有小于约40微米的中值粒径。在特定实施例中，控制第一粉末的大小分布以减少或最大限度地减少非常大的耐火颗粒(例如，直径大于中值粒径两倍的颗粒)的数目，这些非常大的耐火颗粒可能给形成和/或维持基质材料在沉积中有力粘合带来困难。

选择耐火材料和基质材料的相对比例以提供所得沉积的所希望结构和属性。这些比例将部分地取决于所选材料的性质以及用以产生沉积的沉积参数。例如，在一些实施例中，耐火材料构成进料到气流的原料的至少50重量百分比(如先前所描述，或者作为混合物或者分开进料)。在耐火材料包括具有高原子量的材料(例如钨)的情况下，第一粉末的质量百分率甚至可以更高，例如至少60％。然而，随着耐火材料的比例提高，沉积效率可能降低，因为更软的基质材料(例如银)的量变得不足以有效地将耐火材料粘合在沉积内。在一些实施例中，原料包括低于90重量百分比的耐火材料，并且在具体实施例中，原料包括低于80重量百分比的耐火材料。取决于应用，原料的耐火内含物甚至可以更少，例如原料包括低于50重量百分比的耐火材料，例如低于20重量百分比。

将气流和夹带的原料通过喷嘴引导到衬底上，从而将原料以连续层设置在衬底之上。喷嘴可以具有符合冷喷涂工艺的任何合适的配置，以在衬底上提供所希望形式的沉积。例如，喷嘴的形状可被配置成提供颗粒的羽流，适合于将所述颗粒以针对所述工艺选择的喷枪与衬底的距离沉积到具有指定大小的衬底上。

原料的选择以及将原料进料到气流的方法通常会影响所得沉积的微观结构。举例来说，在原料包括无论是以预混合混合物进料到气流还是分别进料到气流的第一和第二粉末的情况下，本发明人已经产生具有唯一结构的沉积，如图1中所示。在此结构中，层100包括复合材料110，所述复合材料110具有芯部区120和形成芯部区120的边界的外部区130。芯部区120具有与外部区130不同的组成。具体来说，芯部区120中的耐火材料的浓度(concentration)比外部区130中的耐火材料的浓度更高。这是非预期的结构，并且在一定程度上是由于原料的性质；因为原料包括耐火颗粒和基质材料颗粒的分离粒群，这两个粒群在其冲击衬底时可能具有不同沉积效率和不同动量传递，因此产生具有所提及结构的沉积。

在实践中，如同在其它喷涂沉积工艺中，衬底和喷枪相对于彼此移动，以允许在衬底的所希望表面之上形成所述层。此相对运动的所选速度部分地取决于多种因素，例如原料进料到气流的速率、气流内的颗粒羽流的形状(与如先前所提及的喷嘴尺寸相关)、沉积效率，以及沉积层的所希望厚度。在一些实施例中，调谐工艺参数使得可以通过尽可能少的回合沉积所希望的层结构，例如通过一个回合沉积整个层的情况。

使用上文描述的基于冷喷涂的方法，可以将粘合力良好、导电且机械耐用的触点材料接合到接触臂或其它开关设备部件，而不需要在常规触点组件制造工艺中通常使用的钎焊步骤。

包括上文描述的唯一构造的复合材料110的用于电气装置的触点组件是本发明的另一实施例。参考图2，触点组件200包括衬底210和设置在衬底210上的触点材料220。衬底210通常包括导电材料，例如铜。在一个实施例中，衬底210是用于断路器的接触臂。

触点材料220包括复合材料110，如先前所提及，所述复合材料包括：耐火材料，例如金属钨、碳化物(例如碳化钨)、石墨或碳的其它形式，或氮化物；以及相对更具延展性的基质材料，例如包括银、铜、金或铝的材料。

如上文所论述，复合材料110进一步包括芯部区120和形成芯部区120的边界的外部区130，芯部区120的耐火材料的浓度比外部区130的耐火材料的浓度更高。此唯一结构的一个有利结果是触点材料220与衬底210之间的接口230具有相对丰富的延展性导电基质材料，由此提供衬底210与触点材料220之间的有力的、导电粘合。此外，外部区130的基质材料相对丰富可以促进触点材料220能够耗散的热量超出在此区中存在更多耐火材料的情况下耗散的热量。在一些实施例中，外部区130中存在浓度小于30体积百分比的耐火材料(例如，在基质材料的浓度为至少70体积百分比的情况下)。在某些实施例中，外部区130包括从20体积百分比到25体积百分比的浓度范围内的耐火材料(例如，在基质材料的浓度为至少75体积百分比的情况下)。在特定实施例中，接口230处存在的触点材料220基本上不含耐火材料，意味着此材料除了附带的杂质以外是基本上纯的基质材料，例如银，因此促进触点材料220与衬底210之间的冶金粘合和电接触。

一般由于存在的耐火材料比外部区130中存在的耐火材料的比例更高，因此芯部区120提供对触点材料220的机械强度和耐侵蚀性。在一些实施例中，芯部区120包括浓度相对于复合材料110的总体积为至少30体积百分比的耐火材料，并且在特定实施例中，此浓度是至少35体积百分比的耐火材料。芯部区120中的耐火材料的浓度上限通常根据所述材料的所需附着力和电属性来设置；例如如果基质材料的量变得过低，那么芯部区120的电导率可能变得过低。

在一个说明性实例中，复合材料110的耐火材料组分包括钨，例如金属钨，并且基质材料组分包括银。在特定实施例中，芯部区120包括从35体积百分比到40体积百分比的钨和从60体积百分比到65体积百分比的银；以及外部区130包括从20体积百分比到25体积百分比的钨和从75体积百分比到80体积百分比的银。

本发明的其它实施例包括具有触点组件200的任何电气装置。此类装置的实例包括断路器、开关以及需要耐用的导电触点组件的其它部件。如图3中所示，装置300通常包括第一触点设备310和第二触点设备320。在示出的说明性实施例中，第一触点设备310是可移动的且第二触点设备320是静止的，但是此布置不是必需的，在一些实施例中，这两个触点设备都可以是可移动的。触点设备310、320中的一个或两个可以是或包括如本说明书中所描述的触点组件200。在所说明的实施例中，第一触点设备310包括触点组件200。

唯一触点材料220与常规烧结和钎焊的触点在许多方面存在明显区别。首先，冷喷涂工艺依赖于冷焊接来提供颗粒在之间的粘合，而不是如在烧结期间进行的扩散粘合。此外，再次通过冷焊接机构以固态形成衬底210与触点材料220之间的粘合，并且基本上不含常规制造中常用的钎焊结构。最后，芯部区120和外部区130的存在提供如上所述的某些优点，与常规工艺中使用的更均质地构造的烧结触点材料存在区别。

实例

呈现以下实例以进一步说明本发明的非限制性实施例。

将具有约10微米的标称中值粒径的纯钨粉与具有约30微米的标称中值粒径的纯银粉共混。将所得混合物进料到在高于3MPa的压力和高达800C的温度下以氩气操作的冷喷涂喷枪，并且沉积在设置为距离喷枪的喷嘴至多50mm的铜衬底上。观察到所得沉积具有相对富含钨的芯部区，具有围绕沉积的周界、厚度约250微米并且钨浓度比芯部区更低的外部区。确定沉积的密度、机械属性和电属性符合适用作电触点垫片的材料的预期。

虽然本文中仅说明和描述本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，应理解，所附权利要求书旨在涵盖如属于本发明的真实精神内的所有此类修改和改变。

Claims (10)

1.一种用于电气装置的触点组件，所述触点组件包括：

衬底；以及

设置在所述衬底上的触点材料，

其中所述触点材料包括复合材料，所述复合材料包括耐火材料和基质材料，所述基质材料具有比所述耐火材料更高的延展性；

其中所述复合材料进一步包括芯部区和形成所述芯部区边界的外部区，所述芯部区的所述耐火材料的浓度比所述外部区的所述耐火材料的浓度更高。

2.根据权利要求1所述的触点组件，其特征在于：所述耐火材料包括金属钨、碳化物、石墨或氮化物。

3.根据权利要求1所述的触点组件，其特征在于：所述耐火材料包括钨。

4.根据权利要求1所述的触点组件，其特征在于：所述基质材料具有至少3×10⁷西门子/米的电导率。

5.根据权利要求1所述的触点组件，其特征在于：所述基质材料包括银、铜、金、铝，或包括前述金属中的一种或多种的组合。

6.根据权利要求1所述的触点组件，其特征在于：所述复合材料的所述芯部区中存在浓度为至少30体积百分比的所述耐火材料。

7.根据权利要求1所述的触点组件，其特征在于：所述复合材料的所述芯部区中存在浓度为至少35体积百分比的所述耐火材料。

8.根据权利要求1所述的触点组件，其特征在于：所述外部区中存在浓度小于30体积百分比的所述耐火材料。

9.一种电气装置，包括根据权利要求1所述的触点组件。

10.一种制造用于电气装置的触点组件的方法，所述方法包括：

将粉末原料轴向进料到冷喷涂沉积设备的气流中，其中所述原料包括带有耐火材料的第一粉末和带有基质材料的第二粉末，所述基质材料具有比所述耐火材料更高的延展性；以及

将所述气流和夹带的原料通过喷嘴引导到衬底上，从而使所述原料以连续层设置在所述衬底上，其中所述夹带的原料保持基本上固态，并且其中所述层包括复合材料，所述复合材料具有芯部区和形成所述芯部区边界的外部区，所述芯部区的所述耐火材料的浓度比所述外部区的所述耐火材料的浓度更高。