CN1145182C

CN1145182C - 用于真空断路器的触头材料

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Publication number: CN1145182C
Application number: CNB961143282A
Authority: CN
Inventors: ��ɽʷ��; 山本敦史; ʷ; 关经世; 草野贵史; 奥富功
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-12-13
Filing date: 1996-12-13
Publication date: 2004-04-07
Anticipated expiration: 2016-12-13
Also published as: KR100199429B1; JPH09161628A; EP0779636A3; EP0779636B1; DE69614489T2; US6027821A; DE69614489D1; CN1157467A; KR970051560A; TW331012B; EP0779636A2

Abstract

本发明涉及一种真空断路器的触头材料，其包括：含有Ag和Cu的导体组分，和含有至少一种选自由W、Zr、Hf、V和Ti的碳化物组成的组中的一种灭弧组分；所述触头材料中的导体组分的量为40-50体积%，所述触头材料中灭弧组分的量为50-60体积%，灭弧组分的粒径为3μm或更少；包括至少一种熔化在导体组分中的、选自由Co、Fe和Ni组成的组中的一种烧结加速剂元素的总量为导体组分的0.1%或更少，而且所述银的量为所述导体组分的30重量%或更低。

Description

用于真空断路器的触头材料

本发明涉及一种用于真空断路器(vacuum interrupter)的触头材料和生产该材料的方法，具体地说，涉及一种可改进真空断路器的高电流断路(high current-interrupting)特性、电流斩波(current chopping)特性和高载流(high current-carrying)特性的真空断路器的触头材料，以及生产真空断路器的触头材料。

在高真空度下，通过在真空中的电弧散射引起电流中断的真空断路器的触头，是由两个面对面的触头组成，一个固定的，另一个是活动的。当用这种真空断路器中断有感电路的电流，如电动机负载时，由于产生过大的非正常冲击电压(surge voltage)，有时负载装置会有受损的危险。

产生这种非正常冲击电压的原因有，例如，在真空下中断小电流时产生的斩波(chopping)现象(这种现象在不等到AC电流波形的自然零点就强制中断电流)或是高频灭弧现象。由于斩波现象而产生的非正常冲击电压的值Vs可用Zo·Ic表示，这里Zo是波阻抗，Ic是电流斩波值(current chopping value)。固此，为了降低非正常冲击电压Vs，就必须降低电流斩波值Ic。

作为具有低电流中断性的触头，主要有用熔融方法生产的Cu-Bi合金触头和用烧结渗透方法生产的Ag-WC合金触头。

公知的的Ag-WC合金触头具有优良的低斩波电流的特性，其特点如下：

(1)WC的存在有助于电子发射；

(2)由于发射电子的电场的振动，基于受热的电极表面的触头材料的蒸发得到加速；和

(3)触头材料的碳化物会由于电弧和通过形成充电体接通电弧而得以分解。已开发了用这些合金触头材料的真空开关，并用于实际应用。

此外，已建议在些合金中混合Cu来制成Ag-Cu-WC合金(日本特许公开昭63-59212)，其中Ag和Cu的比例大约为7∶3。因为是在本领域以前不存在的合金中来选择Ag和Cu的比例，所以这些合金触头材料具有稳定的电流斩波特性。

另外，在日本特许公开平5-61338中建议制造粒径为0.2-1μm灭弧材料在改进低斩波电流特性方面是非常有效的。

另一方面，对于用Cu-Bi的合金触头，电流斩波特性可通过Bi的选择性蒸发得到改进。除这些合金以外，有一种合金(见日本特许公开昭35-14974)，其中Bi的量为10重量％(此后写作“wt％”)，具有低电流特性，因为它有适当的蒸气压。此外，在一种Bi的含量为0.5wt％的合金中(见日本特许公开昭41-12131)，Bi在晶体颗粒边界以分离的形式(Segregation)存在。结果，通过使合金本身变弱，这种合金就可达到一种低的焊接分离动力(welding separation force)，因此有优良的大电流断路性质。

然而，按它最初的作用，一个真空断路开关必须完成大电流断路。对于大电流断路，重要的是要通过在整个触头材料的表面点燃电弧来降低触头材料的单位面积的热量输入。作为这方面的一种手段，在电极部分有一个轴向磁场分量，其中产生的磁砀平行于电极间的电场，电极表面安装有触头材料。根据日本特许公开昭54-22813，通过在该方向适当地产生一个磁场，就有可能在触头材料表面均匀分散电弧等离子体。其结果是，可能提高大电流断路性能。

此外，考虑到触头材料本身，按照日本特许公开平4-206121，电弧阴极点的移动性可以通过使在Ag-Cu-WC-Co合金触头材料中的WC-Co颗粒间距离为0.3-3μm而得到改进，从而改进大电流断路特性。此外，应指出，通过提高铁族辅助组分，如Co的含量，电流断路性能可得到提高。

在真空电路断电器(vacuum circuit breaker)中也要求低的冲击特性，其结果是，如上所述通常要求一种低的斩波电流特性。然而，最近，将真空断路器用到有感电路中，如大容量电动机的应用增加了。此外，高波阻抗负载也出现了。因此，对真空断路器来说，要求有更稳定的低斩波特性，而且它必须能提供大电流断路特性。

然而，在一种Bi和Cu的含量为10wt％的合金(见日本特许公开昭35-14974)中，随开关数的增加，在电极空间内金属蒸气的供应量是降低的，其结果是，低斩波电流特性的就受到了损害。也指出了，取决于高蒸气压元素量的耐压特性也会受到损害。

在一种Bi和Cu的含量为0.5wt％的合金中(见日本特许公开昭41-12131)，低电流斩波特性是不够的。因此就不可能只通过高蒸气压组分的选择蒸发性而具有稳定的低斩波电流特性。在具有用Ag作为导体组分的触头材料的情况下，虽然这种Ag-WC-Co合金显示出相对优良的斩波特性，但由于蒸汽压过高，足够的电流斩波特性没能达到。

此外，在具有用Ag作为主组分的导体组分的触头材料中，如Ag和Cu的重量比约为7∶3的Ag-Cu-WC合金(日本特许公开昭63-59212)以及除这些合金以外的灭弧组分，如WC，的粒径为0.2-1μm的那些合金(日本特许公开平5-61338)，尽管它们具有相对优良的斩波特性和电流断路特性，但这些触头的价格很贵，这是因为这些触头含有昂贵的Ag作为导体组分。此外，在通过提高Co的含量以改进这些触头材料的电流断路特性的情况下，由于Co含量的升高，其低斩波电流特性就被损害了。

另一方面，在使用廉价的Cu作为导体组分的情况下，电流断路特性比较好，但是，不能获得良好的斩波电流特性，除非增加灭弧组分。例如，在Cu-WC-Co合金的情况下，通过在WC骨架的烧结中添加Co，降低WC骨架的孔隙率，抑制渗透到孔隙中的Cu的量。

然而，碳化物，如WC，的烧结激活体，如Co、Fe和Ni降低了Cu的导电性能。所以，载流特性被大大地损害了。

因此，本发明的一个目的是提供一种廉价的真空断路器触头材料，它具有良好的电流断路特性、低的电流斩波特性和高的载流特性。

本发明的另一目的是提供一种生产廉价的真空断路器的触头材料的方法，这种触头材料具有良好的电流断路特性、低的电流斩波特性和高的载流特性。

本发明的这些和其它目的可以通过提供一种真空断路器的触头材料来实现，触头材料包括：含有Ag和Cu的导体组分，和含有至少一种选自由W、Zr、Hf、V和Ti的碳化物组成的组中的一种灭弧组分；所述触头材料中的导体组分的量为40-50体积％，所述触头材料中灭弧组分的量为50-60体积％，灭弧组分的粒径为3μm或更少；包括至少一种熔化在导体组分中的、选自由Co、Fe和Ni组成的组中的一种烧结加速剂元素的总量为导体组分的0.1％或更少，而且所述银的量为所述导体组分的30重量％或更低。该触头材料还可包含辅助组分Cr，此时所述灭弧组分是TiC，而Cr的量是所述触头材料的0.5-7体积％。

按照本发明的这一方面，提供了一种生产真空断路器的触头材料的方法，它包括如下步骤：混合具有第一粒径的灭弧组分粉末和具有第二粒径的导体组分粉末以获得一种混合粉末，将混合粉末造粒以获得具有比第一和第二粒径大的第三粒径的颗粒状粉末，将颗粒状粉末成型和烧结以获得带有孔隙率为40-50％的孔隙的灭弧组分的骨架，并将导体组分渗透到灭弧组分的骨架的孔隙中，以获得触头材料。

通常，电流斩波特性是由导体组分的产生离子的特性、灭弧组分的热电子发射特性和灭弧组分的量所决定的。导体组分的蒸汽压越高，产生离子的特性增加得越多，但是，与之相反的是电流断路性能就越低。因此，为了获得比较优良的电流断路性能，希望是导体组分是以Cu为基础的，而不是以Ag为基础的。当使用Cu作为导体组分时，可能得到廉价的触头材料，因为Cu材的价格低。然而，当导体组分是以Cu为基础时，需要选择具有热电子发射性能相当于或高于WC的碳化物作为灭弧组分，提高灭弧组分的量以获得良好的电流斩波特性。

在如Ag-WC-Co的以Ag为基础的触头中，由于Co的烧结活化作用，WC骨架的烧结密度会升高。骨架的孔隙会降低，结果是可能降低了渗透入孔隙中的导体组分的量。其结果是灭弧组分的量升高。然而，导体组分是以Cu为基础制成的时，烧结激活剂，如Co、Fe、或Ni，由于熔化在Cu中，会降低触头材料的导电性。此外，Co覆盖在灭弧组分的颗粒表面。其结果是抑制了灭弧组分的热电子发射，从而损害了触头材料的斩波特性。

在本发明中，为了防止上述的载流特性和斩波特性的下降，在使用烧结激活剂成型时提高灭弧组分骨架的密度。通常，碳化物的颗粒越粗，越容易提高成型密度。然而，当碳化物的粒径较大时，斩波特性的的无序性也增大。在试图获得稳定的低斩波特性时，必须使用细颗粒的碳化物粉末。为了改进这种细碳化物粉末的成型性能，将粉末造粒是有效的。造粒的效果是提高了粉末的堆积密度，使得在相同的成型压力下提高最终密度成为可能。

为了改进斩波特性，添加适当量的高蒸汽压组分是有效的。作为高蒸汽压组分，Bi是常用的元素。但是，在Bi被包括在触头材料中时，Bi的选择蒸发会引起各种副作用，如电流断路特性明显下降，当使用真空断路器时，随时间增加损害电流斩波特性，在触头材料的生产中Bi会沉积在真空装置中。另一方面，与Cu相比，尽管Te具有相当高的蒸汽压，但Te与Cu会产生金属间化合物，所以它可能会控制Te选择蒸发到一适当的值。在触头材料中使用一种蒸汽压比Cu高许多的如Ag的元素也是有效的。

通过参考下面的详细描述并考虑附图，能容易地理解本发明，在较好地理解本发明后就能容易地获得本发明的优点，其中：

图1是一个真空断路器实例的截面图，其中使用了本发明一个实施方案中的真空断路器触头材料；和

图2是图1中的真空断路器的电极部分的截面图。

参看附图，在几个附图中，相同的数字代表相同或相应的部分，本发明的实例将在下面详细地描述。

首先参照附图描述真空断路器，其中使用了本发明的实施方案中的真空断路器触头材料。

图1描述这一实施方案的真空断路器的截面图。图2是图1中的电极部分的截面图。

在图1中，切断室(breaking chamber)1由大致为圆柱形的绝缘材料制成的绝缘容器2气密地组成，金属盖4a和4b分别经金属密封垫3a和3b连接在两端。

在切断室1中，一对电极7和8分别安装在面对面的导电棒5和6的两端。上端的电极7被制成固定电极，而下端的电极8被制成活动电极。此外，伸缩软管9固定在电极8的导电棒6上，使得电极8在轴向方向上移动，同时保持切断室1内部为气密封的。此外，金属电弧屏(arc shield)10固定在伸缩软管9的上部，防止伸缩软管9被电弧蒸汽所覆盖。另外，电弧屏11在切断室1内以覆盖电极7和8。通过这些元件，防止了绝缘容器2被电弧蒸气所覆盖。

从放大图2中可以进一步看到，电极8或者通过焊接部分12或者嵌入压配合地固定到导电棒6上。触头13a通过焊接区14到电极8上。触头13b通过焊接固定到电极7上。这里触头13a和13b分别由本发明实施方案的真空断路器的触头材料制成。

在下面描述评估方法和评估条件，通过这些方法和条件获得了为解释本发明实例的数据。这里表1显示了各种触头材料的生产条件。表2显示了各种触头材料的组成和特性。

表1：各种触头材料的生产条件

表1：各种触头材料的生产条件(续)

表2：各种触头材料的组成和特性

表2：各种触头材料的组成和特性(续)

(1)电流斩波特性

生产易折型(knock-down type)断路器，将其抽空到10-5Pa或更低，在其中装配上各种触头。通过断开电极切断小延迟电流，对这些装置分别测定中断电流，电极断开速度为0.8m/sec。中断的电流为20A(有效值)，50Hz。断开的电极相位(phase)是随机的。在中断500次以后每3次接触测量斩波电流。其相应于三次接触的最大值列于表2中。所显示的数值是相对值，实施例2中的最大斩波电流值定为1.0。如果触头样品的相对值小于2.0时，认为该触头样品具有良好的电流斩波特性。

(2)载流特性

使1000A的电流连续流过真空断路器直到真空断路器的温度恒定。根据温度上升值估计载流特性。在表2中，载流特性是一个相对值，实施例2中的温度上升值定为1.0。如果触头样品的相对值小于2.0，则认为该触头样品具有良好的载流特性。

(3)大电流断路特性

按JEC规程上的第5号试验进行中断测试，并基于这一试验评估电流断路特性。

首先解释触头材料样品的生产方法。为得到测试样品，制备实施例1-18和比较例1-13的触头材料。测试样品分为9组：

第1组：实施例1-3以及比较例1、2

第2组：实施例4、5以及比较例3

第3组：实施例6以及比较例4-7

第4组：实施例7-9以及比较例8

第5组：实施例10-12以及比较例9

第6组：实施例13-14以及比较例10、11

第7组：实施例15-16以及比较例12

第8组：实施例17以及比较例13

第9组：实施例18

首先解释除第3组和第6组以外的所有组的测试样品的生产方法。在这些触头材料中使用WC作为灭弧组分。

在生产前，将灭弧组分WC和导体组分Cu分级成所需要的粒径。例如，分级操作可以结合筛分和沉积法来进行，这样可以容易地获得特定粒径的WC和Cu粉末。首先制备特定量的特定粒径，如0.7μm，的WC，和特定量的特定粒径，如45μ，的Cu。然后将其混合到一起，造粒成特定粒径，如0.1-1mm，的第二颗粒。

除第9组外使用如下的造粒方法。使用特定的压力，如8吨，压制混合粉末，然后破碎。压制/破碎过程进行特定的时间，以获得造粒的第二颗粒。对于第9组的触头材料，混合粉末用喷雾干燥器造粒。

然后，这些第二颗粒用最终成型压力，如4吨，压制成型获得压坯。

这些压坯在特定的温度下预烧结特定的时间，如在1150℃下烧结1小时，获得预烧结体。

在特定的温度和1.3×10^-2Pa的真空度下，通过真空熔化以特定比率混合的渗透材料以获得坯料。通过切割坯料获得渗透材料，如Cu。

些后，对于第1和2组是Cu；第上组是Cu-Ag合金；第5组是Cu-Te合金；第7-9组是Cu；在1150℃下，在1小时内，分别渗透到预烧结体中的空隙(air void)中，以获得特定的合金，如Cu-WC合金。

触头材料的测试样品是使用按上描述的方法生产的合金生产的。

其次再解释第3组测试样品的生产方法。WC和Cu的粉末按上述同样的方法制备。然后制备特定量的特定粒径的材料，如Co、Fe或Ni，并混合到这些WC和Cu的粉末中。不用造粒，用最终成型压力，如2吨，将这些混合粉末压制成型，然后，按上面描述的方法烧结和渗透Cu。

最后解释第6组测试样品的生产方法。在这此触头材料中，TiC作为灭组分。首先制备特定量的特定粒径，如0.7μm，的TiC和特定量的特定粒径的Cu。然后，制备特定量的特定粒径，如80μm，的材料Cr。将这些粉末混合到一起，造粒成特定粒径的第二颗粒。之后，按上面描述的方法烧结和渗透Cu。

接下来，参照表2研究各种触头材料组合物和它们的相应特性数据。

第1组：实施例1-3和比较例1和2

在所有情形中，使用Cu作为导体组分，使用粒径为0.8μm的WC作为灭弧组分。成型压力在1-10吨内变动。

如表1所示，在实施例1-3和比较例1中，成型压力是合适的，获得了完整的压坯。然而，在比较例2中，由于成型压力(10吨)太高，发生了破碎，不能获得完整的压坯。在实施例1-3和比较例1中，触头材料中导体组分Cu的体积比率在51.4-40.5％内变动。因此在触头材料中需要40％或更高的导体组分的体积比率以获得完整的压坯。

在实施例1-3中，触头材料中导体组分Cu是50％或更少，斩波特性在2.0以下，是良好的。然而，在比较例1中，中断电流值是2.5，是不合适的。

在这些实施例中显示，在触头材料中导体组分的合适的值是在40-50体积％的范围内。

第2组：实施例4、5和比较例3

在这些情形中，触头材料中组合物的比率是恒定的，也就是说，导体组分Cu是约45体积％，灭弧组分WC是约55体积％。灭弧组分WC的粒径在1.5-5μm内变动。触头材料中组分的比率是通过在成型过程中调节成型压力来控制的，如3、2和1吨。在实施例4和5中，灭弧组分WC的粒径为3μm或更少，两者都具有良好的电流斩波特性、载流特性和电流断路特性。然而，在比较例3中，灭弧组分WC的粒径为5μm，它不具有良好的电流断路特性。

从这些实施例中可以看出，灭弧组分的合适的粒径是3μm或更少。

第3组：实施例6和比较例4-7

在这些情形中，不进行粉末的造颗。取而代之的是通过添加烧结激活剂，如Co、Fe和Ni，加速WC的烧结来提高烧结体的烧结密度。因此灭弧组分WC在触头材料中的量提高了。在比较例4-7中，熔化在Cu中的，如Co、Fe和Ni的烧结激活剂的量是Cu的量的0.1wt％或更多，因为这些激活剂熔化在导体组分Cu中，触头材料的导电性明显低载流特性差。在实施例6中，熔化在Cu中烧结激活剂Co是Cu的量的0.1wt％或更少，能保证所需的载流性能，同时电流斩波特性和电流断路特性也良好。

从这些实施例可以看出，熔化在Cu中烧结激活剂，如Co、Fe和Ni，的量应当是Cu的量的0.1wt％或更少。

第4组：实施例7-9和比较例8

在这些情形中，Cu-Ag用作渗透材料，Ag是作为高蒸汽组分添加的。在实施例7-9中，在导体组分中Ag组分的量是30wt％或更少，都具有良好的斩波特性、载流特性和电流断路特性。然而，在比较例8中，导体组分中Ag的量是30wt％或更高，电流断路性能不好。

第5组：实施例10-12和比较例9

在这些情形中，Cu-Te用作渗透材料，Te是作为高蒸汽组分添加的。在实施例10-12中在导体组分中Te组分的量是12wt％或更少，都具有良好的斩波特性、载流特性和电流断路特性。然而，在比较例9中，导体组分中Te的量是12wt％或更高，电流断路性能不好。

从这些实施例可以看出，当使用Cu-Ag作为渗透材料时，在导体组分中Ag的量应为30wt％或更低。当使用Cu-Te作为渗透材料时，在导体组分中Te的量应为12wt％或更低。第6组：实施例13、14和比较例10、11

在这些情形下，通过在渗透过程中向TiC和Cu的粉末中添加Cr，改善TiC和Cu的潮湿度(wetness)。在实施例13和14以及比较例10中，触头材料中的Cr的量是7体积％或更低，都具有良好的斩波特性、载流特性和电流断路特性。然而，在比较例11中，触头材料中的Cr的量是8.3体积％，大于7体积％，由于有大量的Cr熔化在Cu中，其载流特性不好。

在实施例13和14中，粉末掺混时Cr量在1-12wt％的范围内变动，触头材料中孔隙的量低于2.0体积％，潮湿度改善效果是充分的。然而，在比较例10中，粉末掺混时Cr量在1wt％以下，其湿度改进效果不充分，触头材料中孔隙的量为3.5体积％，相当大，可能会有气体从孔中发散出来。因此，在TiC作为灭弧组分时，要求粉末掺混时Cr量在1-12wt％范围内，触头材料中的Cr的量在0.5-7体积％的范围内。

在这些实施例中，Te不包括在触头材料中。这是因为在触头材料中不添加Te也能获得必要的效果，所以在热电子发射特性方面TiC优于WC。但是，如果Te包括在含有TiC的这些实施例中，可以预见，按这些实施例的触头材料会具有进一步改进的特性。第7组：实施例15和16以及比较例12

在这些情形中，通过重复在8吨的压力下使粉末成型然后破碎的过程进行造粒。在造粒的重复次数为两次或多次的情况下，在实施例15和16中，可以获得完整的压坯，所有相应的特性都很好。然而，在比较例12中，成型和破碎只进行了一次，造粒不充分，在最后成型中会发生破碎。因此，不能达到所要求的Cu组分的量。

第8组：实施例17和比较例13

在这些情形中，重复在4或6吨的压力下粉末成型和破碎进行造粒。在实施例17中，造粒的成型压力是6吨，获得了完整的压坯，所有相应的特性都很好。然而，在比较例13中，使用4吨的成型压力造粒，其造粒是不充分的，在最后成型中会发生破碎。所以不能达到所要求的Cu组分的量。

第9组：实施例18

在本情形中，使用喷雾干燥器造粒。所有特性都与实施例2中一样好。

在上述实施方案中，评估结果主要是以用WC作为灭弧组分给出的。然而，使用ZrC、HfC、VC和TiC作为灭弧组分，以及使用包括WC在内的碳化物中的多种灭弧组分也能获得同样的效果。

在通过粉末成型和烧结形成灭弧组分的骨架，然后将导体组分渗透到骨架中的生产真空断路器的触头材料的生产方法中，通过将灭弧组分粉末和导体粉末组分组成的混合粉末造粒成较大粒径颗粒状粉末，成型密度被造成高密度。因此获得了可以在不必向要烧结的粉末中添加如Co、Fe和Ni的烧结激活剂，将骨架的孔隙率降低到40-50体积％范围内的知识。本发明就是基于这一认识完成的。

在这一生产方法中，证明了使用TiC作为灭弧组分时，通过向要烧结的粉末中添加占所有粉末1-12wt％的Cr，能提高骨架的完整性。

证明了通过用喷雾干燥器将混合粉末造粒可以制得高密度压坯(compact)。

此外，还证明了在粉末混合时添加石蜡或蜡可以制得更高密度的压坯。

正如上面所描述的，按照本发明，可以提供一种具有高电流断路特性、低电流斩波特性和高载流特性的廉价的真空断路器触头材料。

按照本发明，还提供了一种生产具有高电流断路特性、低电流斩波特性和高载流特性的廉价的真空断路器触头材料的生产方法。

很明显，根据上面的指导可以对本发明作出各种改进和变动。所以应当理解，在所附的权利要求的范围内，只要根据这里的特别描述就可以实施本发明。

Claims

1、一种真空断路器的触头材料，包括：

一种含有Ag和Cu的导体组分；和

一种含有至少一种选自由W、Zr、Hf、V和Ti的碳化物组成的组中一种的灭弧组分；

所述触头材料中所述导体组分的量为40-50体积％；

所述触头材料中所述灭弧组分的量为50-60体积％；

所述灭弧组分的粒径为3μm或更少；

含有熔化在所述导体组分中的、选自由Co、Fe和Ni组成的组中的至少一种的烧结激活剂的总量为所述导体组分的量的0.1％或更少；且

所述银的量为所述导体组分的30重量％或更低。

2、根据权利要求1的真空断路器的触头材料，进一步包括：

辅助组分Cr；

其中所述灭弧组分是TiC；且

其中Cr的量是所述触头材料的0.5-7体积％。