CN1101455A - 电极材料 - Google Patents

Abstract

一种制造装配在真空断路器中的电极的方法，由 下列步骤组成：以一种含量比例混合银(Ag)粉和铬 (Cr)粉，使得Ag粉构成基质，而Cr粉分散于其中， 所确定的优选混合比例为含有50—90％(重量)的 Ag粉和5—50％(重量)的Cr粉，将该混合粉末压制 成压块，以Ag熔点附近的温度烧结该压块，并调节 烧结件的密度为至少90％。被混合的Cr的颗粒尺 寸被确定为小于150μm，更佳为小于60μm。烧结温 度可在800—950℃之间确定。

Description

本发明一般说来涉及一种装配在真空断路器内的电极材料。具体地说，本发明涉及这样一种由银（Ag）和（Cr）组成的材料，它具有低的接触电阻和优良的断开能力。

通常使用铜（Cu）-铋（Bi）合金作为真空断路器的电极材料。这种由Cu-Bi制成的电极材料一般含有小于作为基质金属Cu重量的1%的Bi，以提高材料的接合耐力。Cu-Bi合金具有适于电极的低接触电阻，使其能提供大电流。然而该材料在其耐电压和断开能力方面具有一定的问题。

在其中的Cr粒子分散在Cu基质中的铜（Cu）-铬（Cr）合金也被用于上述用途的材料，这是由于其相对于Cu-Bi合金而言具有优良的耐电压和断开能力。但是该合金的接触电阻相对高于Cu-Bi合金的接触电阻，特别在电流被断开时，接触电阻显著增高。

此外，含银（Ag）电极材料在本技术领域内也是公知的，但其断开能力差于Cu-Cr合金或Cu-Bi合金的断开能力。因而含银材料的应用仅限于作为Ag-WC合金而被用于不频繁承受切断电流的开关中。

现在根据真空断路器的改进，为了制造能提供大电流量的电极，越来越需要这样的电极材料，它具有低的接触电阻，并相对于由Cu-Bi合金组成的材料而言具有优良的耐电压和断开能力。

因而本发明的首要目的就是提供一种装配在真空断路器内的电极材料，它具有低的接触电阻和优良的耐电压性，以及高断开能力。

为了达到上述目的和其它目的，制造电极的方法由以下步骤组成：以一种含量比例混合银（Ag）粉和铬（Cr）粉，使得Ag粉构成基质而Cr粉分散于其中，将混合粉末压制成压块，以Ag熔点附近的温度烧结该压块，并将烧结件的密度调节为至少90%。

在混合粉末中，可含Ag粉50-95%（重量），可含Cr粉5-50%（重量）。

被混合的Cr粉颗粒尺寸可小于150μm，更佳为小于60μm。

烧结温度可在800-950℃之间确定。

由下文作出的详细叙述和本发明优选实施例的附图将能更充分地理解本发明。但是，这些附图并不意味着试图将本发明限制成特定的实施例，而仅供说明和理解本发明。

各附图中：

图1是显示电极结构的示意的横剖面图;

图2是表示Ag-Cr和Cu-Cr电极的Cr含量和接触电阻之间关系的曲线;

图3是表示Ag-Cr和Cu-Cr电极的断开频率和接触电阻之间关系的曲线;

图4是显示80%（重量）Ag-20%（重量）Cr的电极在断流后横截面金属组织的照片;

图5是显示80%（重量）Cu-20%（重量）Cr的电极在断流后横截面金属组织的照片;

图6是表示电极的Cr含量和断路电流之间关系的曲线;

图7是显示含100μm颗粒尺寸的Ag-Cr电极在烧结后横截面金属组织的照片;

图8是显示含60μm颗粒尺寸Cr的Ag-Cr电极在烧结后横截面金属组织的照片;

图9是显示含10μm颗粒尺寸Cr的Ag-Cr电极在烧结后横截面金属组织的照片;

图10是表示含不同颗粒尺寸Cr的电极的Cr含量和接合力之间关系的曲线;

图11是表示电极的Cr颗粒尺寸和断开能力之间关系的曲线;

图12是显示含10μm颗粒尺寸Cr的Ag-Cr电极在断流后横截面金属组织的照片;

图13是显示含100μm颗粒尺寸Cr的Ag-Cr电极在断流后横截面金属组织的照片;而

图14是Cu-20%Cr（重量）电极在断流后对电极基体和电极表面之间进行金属组织比较的照片。

在本发明中，被认为是促进电极接触电阻减小的银粉，在形成Ag-Cr电极当中以可变组份而使用。使用粉末冶金法作为制造电极的方法，即压制金属粉末并使之成型，然后烧结。使用粉末冶金的方法来作为能降低制造费用的方法，在本技术领域中已是公知的（参见日本特许第一次公开（未批准）No.53-149676）。

实施例1

颗粒尺寸小于150μm的铬（Cr）粉和颗粒尺寸小于80μm的Ag粉，按照表1所列的各种比例混合。将该混合粉末填入模具并以3.5吨/厘米²的压力压制。然后在真空条件下（5×10^-5乇），以Ag熔点附近的温度950℃加热烧结所得的压块2小时，结果得到制造电极的坯料。所得每个坯料的密度也列于表1。作为对照，使用与上述类似的方法制备20%Cr-80%Cu。表1列出了每个压块在用作电极时的电导率及其相对密度。

表1

NO.	组成（重量％）		电导率IACS%	相对密度%
					Ag	Cr
	123456	959080706050					51020304050	978570554535	999997959491
7			20Cr-80Cu		50	95

根据对每个坯料进行的显微照片观察，Cr粒子均匀分散在Ag基质中。

将坯料制成电极，然后将其装配进真空断路器中，以测量该电极的接触电阻（参见图1，其中标号1表示电极，而标号2表示导线）。图2示出了每个电极的接触电阻，并示出了Cu-Cr电极的接触电阻作为对照。在该图中绘出了在达20KA的断流过程中接触电阻的最大值。与Cu-Cr电极的接触电阻相比较，Ag-Cr电极的接触电阻有效地被减小。

图3示出了80%（重量）Ag-20%（重量）Cr电极的断开频率和接触电阻之间，以及80%（重量）Cu-20%（重量）Cr电极的断开频率和接触电阻之间的关系。断路试验在该图横轴所示的条件下进行。参看图3，80%（重量）Ag-20%（重量）Cr的电极显示出比对照例（即80%（重量）Cu-20%（重量）Cr的电极）明显低的接触电阻，即使在电流反复被切断的情况下也是如此。

图4示出了80%（重量）Ag-20%（重量）Cr的电极在断流后的金属组织，而图5示出了80%（重量）Cu-20%（重量）Cr的电极在同样情况下的金属组织。二者均为显微照片。如图5所示，该Cu-Cr电极的表面被熔融层A所覆盖，熔融层A具有这样的金属组织，其中均匀分散的Cr粒子的颗粒尺寸小于0.5μm。这看来是由于当电极被断流能量熔融时形成的含Cu和Cr的均匀液相立即冷却所生成的。所以由于Cr的均匀分散使电极表面显示出良好的硬度。这引起电极的接触电阻增加。另一方面如图4所示，Ag-Cr电极尽管邻近其表面显示有熔融层A，但没有表明Cr粒子明显分散的层。Cr粒子和Ag基质不均匀地分布。因而Ag-Cr电极接触电阻的增加量减小。

因此，Ag-Cr合金被优选用于低接触电阻的电极。此外，根据表1和图2及图3，优选的混合比例是50-95%（重量）含量的Ag和5-50%（重量）含量的Cr。

实施例2

颗粒尺寸小于80μm的Ag粉和颗粒尺寸小于150μm的Cr粉以表2所列的各种含量比例混合。

然后将混合粉末填充到模具里，以3.5吨/厘米²的压力压制，结果得到85mm直径的压块。按照与上述实施例1类似的条件用类似的方法将所得的压块制成电极的坯料。每个坯料的导电率和相对密度也列于表2中。

表2

然后将每个坯料制成80mm直径的螺旋形电极，并将其装配进真空断路器中，以测量其断流能力。结果示于图6（由100μm标明的曲线）。尽管反复进行断流，Ag-Cr电极的接触电阻与Cu-Cr电极相比较还是显示出较小的增长。图7是显示本实施例电极金属组织的显微照片。

实施例3

颗粒尺寸小于80μm的Ag粉和颗粒尺寸小于60μm的Cr粉，

按照表3所列的各种含量比例混合。

表3

然后将混合粉末填充到模具中，以3.5吨/cm²的压力压制，得到直径为85mm的压块。在与上述实施例1类似的条件下，用类似的方法将所得压块制成电极坯料。每个坯料的电导率和相对密度也列于表3。

然后在与上述实施例2类似的条件下，用类似的方法制作电极。结果示于图6（图60μm标明的曲线）。尽管反复进行断流，Ag-Cr电极的接触电阻与Cu-Cr电极的接触电阻相比较还是显示出较小的增长。图8是显示本实施例电极金属组织的显微照片。

实施例4

将颗粒尺寸小于80μm的Ag粉和颗粒尺寸小于10μm的Cr粉，按照表4所列的各种含量比例混合。

表4

然后将混合粉末填充到模具中，用3.5吨/厘米²的压力压制，结果得到直径为85mm的压块。在与上述实施例1类似的条件下，用类似的方法将所得的压块制成电极坯料。每个坯料的导电率和相对密度也列于表4中。

然后在与上述实施例2类似的条件下，用类似的方法制造电极。结果示于图6（图10μm标明的曲线）。尽管反复进行断流，Ag-Cr电极的接触电阻与Cu-Cr电极相比较还是显示出较小的增长。图9是显示本实施例电极金属组织的显微照片。

图10显示上述三个实施例电极的接合力和其Cr含量之间的关系。Cu-Cr电极的接合力作为对照而被示出。

根据上述各实施例，Ag-Cr电极在断流后显示出较小的接触电阻的增长。此外，电极的接触电阻不取决于其中所含Cr颗粒的尺寸，但按照Cr含量的提高而增长。然而电极的接触电阻不因电流的断开而增加。进一步说，Ag-Cr电极与Cu-Cr制的电极相比较，显示出优良的接合能力。

一般说来，具有较小Cr颗粒尺寸的电极的断流能力优于具有较大Cr颗粒尺寸的电极。如果Cr粒子尺寸变得较大，那末在Cr和Ag粒子接触点处产生的电弧趋于被捕获在Cr粒子中，结果阻止了平衡地电弧转移。另一方面，如果Cr粒子尺寸变得较小，则由于电弧不被捕获在Cr粒子中，电弧可被迅速转移。这就允许反复进行电流的断开。图11示出了电极断流能力和其Cr粒子尺寸之间的关系。参照图11和先前已参照过的图10，优选小于60μm的Cr粒子尺寸以保持电极的断开能力。

图12和13是显示实施例4和2所得电极在断流后横截面金属组织的显微照片。参照这两幅图，当Cr粒子尺寸较大时，金属组织变得不均匀，因而Cr和Ag粒子的接触部份减小。这引起Ag的部份蒸发或材料从电极表面剥落，造成表面不规则。而另一方面，如果Cr粒子尺寸较小，则不会发生任何上述的不利情况，因而邻近电极表面的金属组织在断流后变得均匀。

图14示出了作为图11示出的具有小Cr颗粒尺寸Ag-Cr电极对照例子Cu-Cr电极的金属组织。它显示出了邻近该Cu-Cr电极表面的熔融层，其中颗粒尺寸小于0.5μm的Cr粒子分散在该熔融层中。当电极被断流的能量熔融时形成液相，Cr和Cu粒子均匀分散于其中。邻近电极表面所显示的熔融层看来是该液相经迅速冷却而形成的。因而电极的硬度由于Cr粒子的均匀分散而增加，结果引起电极的接触电阻增高。

根据实施例2至4，优选的是将5-50%（重量）颗粒尺寸小于60μm的Cr粉和50-95%（重量）的银粉混合，用作真空断路器的电极材料。该混合粉末被压制，在Ag熔点附近的温度下烧结。制件的密度较佳地调节为至少90%。

该电极材料压块的烧结温度优选地是在800-950℃之间的范围内确定，这正是Ag熔点附近的温度。当温度不超过800℃时，不能促进压块的烧结。另一方面，当温度超过950℃时，则趋于引起电极的部份熔融或其表面的变形（例如气泡）。

电极的密度要求大于90%，这是因为当它不超过90%时，电极的电导率降低。此外也表明其烧结不足。这会造成电极强度变差。

因而，由于规定了Ag粉和Cr粉的比例，烧结温度，以及电极的密度，便能够获得比使用Cu-Cr电极时具有更低接触电阻的真空断路器，其电极的接触电阻即使反复进行断流也不增高。

此外，本发明的电极显示出优于Ag-WC电极的良好的断开能力，以及比Cu-Cr电极低的接触电阻。

另外，本发明的电极显示出良好的接合能力，被装配到断路器中的断路件尺寸可以减小，这是因为可以减小施加在其上的脱扣力。因此，虽然使用公知的较贵的金属Ag制作电极，但还是能以较低的成本提供断路件。

进一步说，当断路器由Cu-Cr电极构成时，主要的导体一般在断流器中占据大的空间，另外需要有良好的热辐射性能的散热片，这些造成断路器尺寸的增大和制造费用的增加。但是当断路器由本发明的电极材料构成时，这些问题均可得到解决。

虽然为了有助于更好地理解本发明而依据较佳实施方案对本发明加以了叙述，但应当了解的是，本发明可以在不脱离其原则的情况下以各种方式加以实施。因而本发明应被理解成为包括所有可能的实施方案和对给出的实施方案的改进，这些实施方案可在不脱离所附权利要求中所述的本发明原则的情况下加以实施。

Claims (8)

1、一种制造电极的方法，包括下列步骤：

以一种含量比例混合银(Ag)粉和铬(Cr)粉，使得Ag粉形成基质而Cr粉分散于其中，

将上述混合粉末压制成压块，

以Ag熔点附近的温度烧结上述压块，以及

调节烧结件的密度为至少90%。

2、权利要求1所述的方法，其中在混合粉末中所述Ag粉含量为50-95%（重量），而所述Cr粉含量为5-50%（重量）。

3、权利要求1所述的方法，其中所述被混合的Cr粉的颗粒尺寸小于150μm。

4、权利要求1所述的方法，其中所述被混合的Cr粉的颗粒尺寸小于60μm。

5、权利要求1所述的方法，其中所述温度在800-900℃之间被确定。

6、一种制造电极的方法，包括下列步骤：

将50-90%（重量）的银（Ag）粉和5-50%（重量）的铬（Cr）粉相混合，

将上述混合粉末压制成压块，

以Ag熔点附近的温度烧结上述压块，以及

调整烧结件的密度为至少90%。

7、权利要求6所述的方法，其中所述被混合的Cr粉小于150μm。

8、权利要求6所述的方法，其中所述被混合的Cr粉小于60μm。

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