CN108847373B - 一种灭弧喷口及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种灭弧喷口及其制备方法，属于高压断路器技术领域。本发明的灭弧喷口包括沿径向依次设置的内功能层和外功能层；所述内功能层包括促烧蚀无机填料和聚四氟乙烯；所述外功能层包括耐烧蚀无机填料和聚四氟乙烯，或者外功能层为聚四氟乙烯；所述促烧蚀无机填料为二硫化钼；所述耐烧蚀无机填料为氮化硼。本发明的灭弧喷口设置内功能层和外功能层，并将内功能层和外功能层设置为采用不同的材料配方。内功能层采用聚四氟乙烯和促烧蚀无机填料，能有效促进烧蚀产气。外功功能层采用聚四氟乙烯和耐烧蚀无机填料，能保证灭弧喷口的耐烧蚀性能。内功能层和外功能层结合、协同作用，大大提高了灭弧喷口的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种灭弧喷口及其制备方法，属于高压断路器技术领域。
背景技术
灭弧喷口，主要应用于高压开关断路器的灭弧室中，在断路器开合过程中承担吹灭电弧的作用，要求该灭弧喷口具备耐烧蚀、产气、机械韧性等功能。灭弧喷口是SF6断路器灭弧室中的重要零件之一。在断路器开断故障电流的过程中，与动触头仪器作高速运动的喷口，承受着4×103K以上高温电弧的烧蚀及压气缸中被压缩气体的反力作用；是高速度、高压力SF6气体的通道管壁。
在高压开关设备上，灭弧喷口的作用是吸收开关开断瞬间产生的高温电弧，实现成功开断。在开断前，需要在喷口内部空腔内积聚一定的气体，便于在开断时实现快速吹拂，熄灭电弧。而聚四氟乙烯在烧蚀过程中会产生气体，因此需要先促进聚四氟乙烯烧蚀，即促烧蚀。而灭弧喷口本身又必须具有足够的耐烧蚀性能，以提高部件的耐用程度。
目前国内外高压开关设备使用的灭弧喷口各部位为同一配方体系，无法兼顾各项使用要求。在保证耐烧蚀性能的同时，无法保证产气性能；或者满足产气性能时，又无法满足耐烧蚀性能。如何使一件灭弧喷口可同时满足断路器开断时对灭弧喷口的多项性能要求，成为亟需解决的问题。
现有技术中一般是通过调整单一配方，向其中加入既能满足耐烧蚀性能的材料、同时加入能满足促烧蚀性能的材料，从而制备出一种由混合料制成的灭弧喷口。在相同的灭弧喷口规格下，材料成本增加。
如申请公布号为CN 105470019A的中国发明专利公开了一种高压断路器灭弧喷口致密化烧结方法以及高压断路器灭弧喷口，该专利公开的高压断路器灭弧喷口毛坯由如下质量百分比的组分制成：氧化铝3％～20％，氮化硼3～20％，二硫化钼0.1％～1％，余量为聚四氟乙烯。该专利公开的高压断路器灭弧喷口致密化烧结方法，包括以下步骤：1)将高压断路器灭弧喷口毛坯升温至300～330℃，保温8h～12h；2)升温至350～370℃，保温5～8h；3)降温至300℃～330℃保温8h～12h，冷却即得；步骤1)～3)均在真空条件下进行。该专利公开的高压断路器灭弧喷口各部位均为同一配方体系，在同等规格条件下的材料成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有功能分区、成本较低的灭弧喷口。
本发明的第二个目的在于提供一种灭弧喷口的制备方法。
为实现上述目的，本发明的灭弧喷口的技术方案是：
一种灭弧喷口，所述灭弧喷口包括沿径向依次设置的内功能层和外功能层；所述内功能层包括促烧蚀无机填料和聚四氟乙烯；所述外功能层包括耐烧蚀无机填料和聚四氟乙烯，或者外功能层为聚四氟乙烯；所述促烧蚀无机填料为二硫化钼；所述耐烧蚀无机填料为氮化硼。
本发明的灭弧喷口设置内功能层和外功能层，并将内功能层和外功能层设置为采用不同的材料配方。内功能层采用聚四氟乙烯和促烧蚀无机填料，能有效促进烧蚀产气。外功功能层采用聚四氟乙烯和耐烧蚀无机填料，能保证灭弧喷口的耐烧蚀性能。内功能层和外功能层结合、协同作用，大大提高了灭弧喷口的综合性能。
当灭弧喷口对机械强度要求不高时，外功能层可以仅选用聚四氟乙烯材料，不掺杂无机填料，降低灭弧喷口的制造成本。当灭弧喷口对机械强度要求较高时，外功能层选用聚四氟乙烯和无机填料的复合，满足对机械强度的较高的要求。
上述内、外功能层的厚度可根据使用需求进行调整。
所述内功能层中的聚四氟乙烯与促烧蚀无机填料的质量比为99.5-99.8:0.5-0.2。
所述外功能层中的聚四氟乙烯与耐烧蚀无机填料的质量比为90-97:10-3。
本发明的灭弧喷口的制备方法的技术方案是：
一种上述灭弧喷口的制备方法，包括以下步骤：
1)填料，压制，得灭弧喷口生坯；
2)将步骤1)所得的灭弧喷口生坯进行烧结，冷却，即得。
所述填料包括如下步骤：在模具中设置筒状隔板，使模具内腔分为内功能腔和外功能腔，然后将促烧蚀无机填料和聚四氟乙烯混合料加入内功能腔中，将耐烧蚀无机填料和聚四氟乙烯混合料加入外功能腔中，抽出筒状隔板。
所述烧结包括如下步骤：升温至260～280℃保温300～400min，之后升温至300～320℃保温1000～1200min，再升温至365-375℃保温200～300min，然后降温至335～320℃保温1200～1500min。
上述烧结工艺，采用多段升温工艺，确保不同功能层间界面位置不出现裂纹、分层现象，界面区域性能满足使用要求。
上述升温时先升温至260～280℃，然后保温，此时聚四氟乙烯还未开始熔融，材料中进入的空气有通道可以释放，避免空气中的杂质残留在材料中；且该温度段保温时间短，保证了材料熔融后重结晶环节的性能，可以使多种配方材料的性能都达到最优。
进一步的，烧结采用多阶段升降温工艺，升温相对平缓，确保不同功能层界面位置不出现裂纹、分层现象，界面区域性能满足使用要求。
上述的模具为筒状模具。
抽出筒状隔板前对内功能腔和外功能腔中的混合料进行捣料处理。捣料处理是为了降低材料的松散度。
所述捣料处理为在内功能腔和外功能腔中填入混合料后，捣料，然后添加混合料，捣料；如此循环直至混合料的上表面接近模具填料口。
然后将混合料上表面压平。采用现有技术中的压制工艺对混合料进行压制。
上述捣料均匀轻度捣料，保证混合料均匀。
所述升温至260～280℃所用的时间为400～600min。
升温至300～320℃所用的时间为200～300min。
升温至365～375℃所用的时间为300～400min。
所述冷却为先降温至120～150℃再降至室温。降温至120～150℃所用的时间为600～900min。所述降至室温为自然冷却至室温。
模具中物料装入的高度可以根据压制后所需灭弧喷口生坯的高度并结合压下量来设计。
本发明的灭弧喷口，包括内外两层功能层，分别满足不同的功能需求。而且外功能层根据具体需要选择不同的原料，可以实现灭弧喷口满足的不同功能，使灭弧喷口达到同时兼顾促烧蚀性、耐烧蚀性、机械韧性均较优，确保断路器开断、运动、烧蚀等各项性能良好，同时满足高压开关断路器安装和开断的使用要求。
本发明的灭弧喷口的制备方法可以保证灭弧喷口中各功能层的配方体系及界面性能满足使用要求，且节约烧结时间，提高了效率。
附图说明
图1为实施例1中灭弧喷口的结构示意图；
图2为实施例1中的灭弧喷口毛坯的结构示意图；
图3为实施例1中的灭弧喷口拉伸实验后的效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
实施例1
本实施例的灭弧喷口为功能梯度型灭弧喷口，结构如图1所示。该灭弧喷口由灭弧喷口毛坯经过切削加工得到，包括内功能层1、外功能层2。灭弧喷口毛坯的结构如图2所示，包括沿径向由内向外依次设置的内功能层1、外功能层2。内功能层由聚四氟乙烯和二硫化钼组成，其中二硫化钼占内功能层质量的0.3％。外功能层由聚四氟乙烯和氮化硼组成，其中氮化硼占外功能层质量的5％。
本实施例的灭弧喷口的制备方法，包括以下步骤：
1)根据灭弧喷口内外功能层的尺寸，计算各功能层所需原料的质量并称取备用；然后将内功能层所需的聚四氟乙烯和二硫化钼混匀得到内功能层混合料，将外功能层所需的聚四氟乙烯和氮化硼混匀得到外功能层混合料；
2)在尺寸为φ115×φ25的圆筒状模具中放入圆筒状薄壁隔板并将隔板固定固定，使模具的内腔形成内功能腔和外功能腔。然后将内功能层混合料加入内功能腔，将外功能层混合料加入外功能腔，适度捣料。然后将筒状薄壁隔板抽出。将内功能层混合料和外功能层混合料的上表面均压平。
采用现有技术中的压制工艺对混合料进行压制，得灭弧喷口生坯；压制的压力为1kN，压制后的灭弧喷口生坯的高度为物料装入高度的20％。
3)将步骤2)所得的灭弧喷口生坯用400min从室温升温至260℃并保温400min，之后用200min升温至320℃并保温1000min，再用300min升温至375℃并保温300min，然后降温至325℃保温1500min，再用600min降温至130℃，自然冷却至室温。经过机械加工，得到灭弧喷口。
实施例2
本实施例的灭弧喷口为功能梯度型灭弧喷口，结构如图1所示。该灭弧喷口由灭弧喷口毛坯经过切削加工得到，灭弧喷口毛坯的结构如图2所示，包括沿径向由内向外依次设置的内功能层1、外功能层2。内功能层由聚四氟乙烯和二硫化钼组成，其中二硫化钼占内功能层质量的0.2％。外功能层由聚四氟乙烯和氮化硼组成，其中氮化硼占外功能层质量的8％。
本实施例的灭弧喷口的制备方法，包括以下步骤：
1)根据灭弧喷口内外功能层的尺寸，计算各功能层所需原料的质量并称取备用；然后将内功能层所需的聚四氟乙烯和二硫化钼混匀得到内功能层混合料，将外功能层所需的聚四氟乙烯和氮化硼混匀得到外功能层混合料；
2)在尺寸为φ115×φ25的圆筒状模具中放入圆筒状薄壁隔板并将隔板固定固定，使模具的内腔形成内功能腔和外功能腔。然后将内功能层混合料加入内功能腔，将外功能层混合料加入外功能腔，适度捣料。然后将筒状薄壁隔板抽出。将内功能层混合料和外功能层混合料的上表面均压平。
采用现有技术中的压制工艺对混合料进行压制，得灭弧喷口生坯；压制的压力为1kN，压制后的灭弧喷口生坯的高度为物料装入高度的30％。
3)将步骤2)所得的灭弧喷口生坯用600min从室温升温至280℃并保温300min，之后用300min升温至320℃并保温1200min，再用400min升温至375℃并保温200min，然后降温至325℃保温1200min，再用880min降温至130℃，自然冷却至室温。经过机械加工，得到灭弧喷口。
实施例3
本实施例的灭弧喷口为功能梯度型灭弧喷口，结构如图1所示。该灭弧喷口由灭弧喷口毛坯经过切削加工得到，灭弧喷口毛坯的结构如图2所示，包括沿径向由内向外依次设置的内功能层1、外功能层2。内功能层由聚四氟乙烯和二硫化钼组成，其中二硫化钼占内功能层质量的0.5％。外功能层由聚四氟乙烯和氮化硼组成，其中氮化硼占外功能层质量的3％。
本实施例的灭弧喷口的制备方法，包括以下步骤：
1)根据灭弧喷口内外功能层的尺寸，计算各功能层所需原料的质量并称取备用；然后将内功能层所需的聚四氟乙烯和二硫化钼混匀得到内功能层混合料，将外功能层所需的聚四氟乙烯和氮化硼混匀得到外功能层混合料；
2)在尺寸为φ115×φ25的圆筒状模具中放入圆筒状薄壁隔板并将隔板固定固定，使模具的内腔形成内功能腔和外功能腔。然后将内功能层混合料加入内功能腔，将外功能层混合料加入外功能腔，适度捣料。然后将筒状薄壁隔板抽出。将内功能层混合料和外功能层混合料的上表面均压平。
采用现有技术中的压制工艺对混合料进行压制，得灭弧喷口生坯；压制的压力为1kN，压制后的灭弧喷口生坯的高度为物料装入高度的40％。
3)将步骤2)所得的灭弧喷口生坯用500min从室温升温至270℃并保温350min，之后用250min升温至320℃并保温1100min，再用350min升温至375℃并保温250min，然后降温至325℃保温1300min，再用700min降温至130℃，自然冷却至室温。经过机械加工，得到灭弧喷口。
实施例4
本实施例的灭弧喷口为功能梯度型灭弧喷口，结构如图1所示。该灭弧喷口由灭弧喷口毛坯经过切削加工得到，灭弧喷口毛坯的结构如图2所示，包括沿径向由内向外依次设置的内功能层1、外功能层2。内功能层由聚四氟乙烯和硫化钼组成，其中硫化钼占内功能层质量的0.3％。外功能层为聚四氟乙烯。
本实施例的灭弧喷口的制备方法，包括以下步骤：
1)根据灭弧喷口内外功能层的尺寸，计算各功能层所需原料的质量并称取备用；然后将内功能层所需的聚四氟乙烯和二硫化钼混匀得到内功能层混合料，将外功能层所需的聚四氟乙烯作为外功能层料；
2)在尺寸为φ115×φ25的圆筒状模具中放入圆筒状薄壁隔板并将隔板固定固定，使模具的内腔形成内功能腔和外功能腔。然后将内功能层混合料加入内功能腔，将外功能层料加入外功能腔，适度捣料。然后将筒状薄壁隔板抽出。将内功能层混合料和外功能层料的上表面均压平。
采用现有技术中的压制工艺进行压制，得灭弧喷口生坯；压制的压力为1kN，压制后的灭弧喷口生坯的高度为物料装入高度的40％。
3)将步骤2)所得的灭弧喷口生坯用550min从室温升温至275℃并保温380min，之后用230min升温至300℃并保温1150min，再用370min升温至365℃并保温280min，然后降温至335℃保温1400min，再用820min降温至150℃，自然冷却至室温。经过机械加工，得到灭弧喷口。
对比例1
本对比例的灭弧喷口由灭弧喷口毛坯经过切削加工得到，灭弧喷口毛坯由聚四氟乙烯和氮化硼组成，其中氮化硼占该灭弧喷口毛坯总质量的5％。
本实施例的灭弧喷口的制备方法，包括以下步骤：
1)根据灭弧喷口毛坯的尺寸，计算所需原料的质量并称取备用；然后将聚四氟乙烯和氮化硼混匀得到功能层混合料；
2)取尺寸为φ115×φ25的圆筒状模具，将功能层混合料加入模具内腔，适度捣料。然后将功能层混合料的上表面压平。
采用现有技术中的压制工艺对混合料进行压制，得灭弧喷口生坯；压制的压力为1kN，压制后的灭弧喷口生坯的高度为物料装入高度的20％。
3)将步骤2)所得的灭弧喷口生坯用1000min从室温升温至320℃并保温2500min，之后用500min升温至370℃并保温350min，再降温至325℃并保温2500min，再用880min降温至150℃，自然冷却至室温。经过机械加工，得到灭弧喷口。
对比例2
本对比例的灭弧喷口由灭弧喷口毛坯经过切削加工得到，灭弧喷口毛坯由聚四氟乙烯和硫化钼组成，其中硫化钼占该灭弧喷口毛坯总质量的0.3％。
本实施例的灭弧喷口的制备方法，包括以下步骤：
1)根据灭弧喷口毛坯的尺寸，计算所需原料的质量并称取备用；然后将聚四氟乙烯和氮化硼混匀得到功能层混合料；
2)取尺寸为φ115×φ25的圆筒状模具，将功能层混合料加入模具内腔，适度捣料。然后将功能层混合料的上表面压平。
采用现有技术中的压制工艺对混合料进行压制，得灭弧喷口生坯；压制的压力为1kN，压制后的灭弧喷口生坯的高度为物料装入高度的20％。
3)将步骤2)所得的灭弧喷口生坯用1000min从室温升温至320℃并保温2500min，之后用500min升温至370℃并保温350min，再降温至325℃并保温2500min，再用880min降温至150℃，自然冷却至室温。经过机械加工，得到灭弧喷口。
实验例
对实施例1-4和对比例中的灭弧喷口进行拉伸强度标准实验研究。测试方法参考GB/T1040.2-2006。测试结果见表1所示。
表1实施例1-4和对比例的灭弧喷口的拉伸强度
实验证明，本发明的烧结工艺使所得灭弧喷口的拉伸强度得到明显的改善，内功能层的拉伸强度提高到21.9-23.5MPa，外功能层的拉伸强度提高到18.9-21.8MPa。
对实施例1中的功能梯度型灭弧喷口的内功能层和外功能层的界面进行拉伸，拉伸后如图3所示，由图3可以看出，界面区域双组份拉伸强度值介于单组份性能之间，且断裂位置偏向一侧，而非界面位置。
Claims (8)
1.一种灭弧喷口的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）填料，压制，得灭弧喷口毛坯；
2）将步骤1）所得的灭弧喷口毛坯进行烧结，冷却，即得；
所述填料包括如下步骤：在模具中设置筒状隔板，使模具内腔分为内功能腔和外功能腔，然后将促烧蚀无机填料和聚四氟乙烯混合料加入内功能腔中，将耐烧蚀无机填料和聚四氟乙烯混合料或聚四氟乙烯加入外功能腔中，抽出筒状隔板；
所述灭弧喷口包括沿径向依次设置的内功能层和外功能层；所述内功能层包括促烧蚀无机填料和聚四氟乙烯；所述外功能层包括耐烧蚀无机填料和聚四氟乙烯，或者外功能层为聚四氟乙烯；所述促烧蚀无机填料为二硫化钼；所述耐烧蚀无机填料为氮化硼。
2.根据权利要求1所述的灭弧喷口的制备方法，其特征在于，所述烧结包括如下步骤：升温至260~280℃保温300~400min，之后升温至300~320℃保温1000~1200min，再升温至365~375℃保温200~300min，然后降温至335~320℃保温1200~1500min；所述抽出筒状隔板前对内功能腔和外功能腔中的混合料进行捣料处理。
3.根据权利要求2所述的灭弧喷口的制备方法，其特征在于，所述升温至260~280℃所用的时间为400~600min。
4.根据权利要求2所述的灭弧喷口的制备方法，其特征在于，升温至300~320℃所用的时间为200~300min。
5.根据权利要求2所述的灭弧喷口的制备方法，其特征在于，升温至365~375℃所用的时间为300~400min。
6.根据权利要求1所述的灭弧喷口的制备方法，其特征在于，所述冷却为先降温至120~150℃再降至室温。
7.根据权利要求1所述的灭弧喷口的制备方法，其特征在于，所述内功能腔中的聚四氟乙烯与促烧蚀无机填料的质量比为99.5-99.8:0.5-0.2。
8.根据权利要求1所述的灭弧喷口的制备方法，其特征在于，所述外功能腔中的聚四氟乙烯与耐烧蚀无机填料的质量比为90-97:10-3。
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