CN1166231A - 制造接触件的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种制造接触件的方法，该接触件具有由良导电体材料(第一种材料)制的基体和由导电较差的耐电弧烧损材料(第二种材料)制的接触层，在此，接触层具有一种用基体材料浸渍的烧结结构。基体和烧结结构叠加放入一个盘状模具中，在其中加热到高于第一种材料的熔化温度，但还低于第二种材料的熔化温度，因而使第一种材料熔化并渗入烧结结构中。烧结结构可如下制造，即将粉末状的第二种材料撒在第一种材料上。首先在去气过程中，在低于第一种材料的熔化温度下进行烧结。也可以预先制成烧结结构，然后将该生坯放置在基体上。

Description

制造接触件的方法及装置

本发明涉及一种按照权利要求1及13的前序部分所述的接触件的制造方法及装置。

在开关操作期间必定产生电弧的接触件，必须满足几个条件。首先，当开关闭合时，接触件必须具有足够高的电导率，其次，当出现开关电弧时接触件不允许太快地受腐蚀，以使开关装置具有足够高的寿命。在气体绝缘的高电压功率开关中，接触装置可以分成传导额定电流的接触件，及传导电弧的接触件，因此该接触件必须是耐烧损的。而在真空开关中不能设置传导额定电流的接触件，所以单一的接触件装置不仅必须传导额定电流，而且还要传导电弧。

当在真空腔内进行断开操作时，在某些电流强度下形成的所谓的收缩电弧，该电弧由于接触件的适当造型处于旋转状态下，因此接触材料的烧损可以保持低的水平。尽管如此，相对着的接触件的表面仍必须使用耐烧损的材料制成，以使接触件的如上所述的侵蚀保持微小。

在过去，真空开关的接触器件是由两个或更多个金属另件制成的，其中一个主要是由铬组成的烧结金属结构，是用铜浸渍的，这样就形成一种铬--铜合金接触体。通常大规模工业化生产也可以由相应金属粉末的混合物用粉末冶金方法制造这样的铬铜触点，在此情况下所形成的接触件完全由该混合物组成。

因为耐烧损材料，例如铬，比铜具有较小的电导率，所以人们致力于尽量降低在整个接触件中的铬含量，其已经以极不相同的方式实现了。例如，可以在基体上加一层复合金属接触片，例如德国专利DE3107688已经公开了一种用等离子体喷镀方法形成表面涂层。

德国专利DE3541584已将一种金属复合材料的制造方法和设备以及由此而制造的配电装置的接触件公布于众。在该接触件情况下，采用适当的能量射束将基体的表面部分地熔化，并将粉末状有效组分加入熔体内，并且掺入到基体材料中。

按照欧洲专利EP0458922B1的方法，基体表面也即载体的表面，局部被熔化，并且将添加材料以松散粉末薄层的形式敷在基体表面；结果是存在于粉末薄层中的粉末被浸湿，并且粉末层由局部熔化区域的流体材料所浸渍，因而粉末层的粉末与基体表面紧密结合，并形成所需的表面层。

本发明的任务在于创造一种制造接触件的方法，这种方法容易实施；并能制造出一种接触件，其具有大的导电率，良好的耐电弧腐蚀性以及足够高的机械强度。

按照本发明，此项任务是通过权利要求1中特征部分的特征解决的。

按照本发明将基体和烧结构造重叠地放入一个优先是盘状的模具中，其内加热到高于第一种材料的熔化温度，但是仍低于第二种材料的熔化温度，以使第一种材料熔化并渗入烧结层中。

为了形成烧结构造，第二种材料可以粉末状形式放在或者撒在第一种材料之上。然后为了产生烧结结构将两种材料首先加热到低于第一种材料认熔化温度的烧结温度，然后加热到超过第一种材料的熔化温度。研究表明：尤其是当模具是由钢制成的时候，则铜要润湿钢模的内壁。这样如果粉末量位于与模具边缘相同高度，或者低于模具边缘，则放上的铬铜层要从边缘向内下陷，这样当修整时，需要将整个接触体层的边缘区域通过车削去掉。

基于这样的原因，所以模具装粉末要过满，以使粉末突出于模具的边缘。为了不使粉末横向散落下来，将一个模具环放置在基体上，这样使得粉末在边缘区域呈圆锥形斜面；圆锥角是一个倾斜角，该角取决于粉末的颗粒大小。但无论如何必须选择一个这样的角度，以使得在此区域的粉末不会向外散落下来。

基体在其接触侧也可以呈现一个盘状的凹槽，将第二材料装入其内；凹槽的边缘应当凸出于模具的边缘。

也存在这样的可能性，为了实现一个盘状的凹槽，将一个由第一种材料制成的圆环放置在基体上，该环接触模具的内壁，例如以粉末状形式的第二种材料位于其内。该环也应当凸出于模具的边缘。

当然还存在这样的可能性，即将第二种材料预先烧结成一块板的形式，换言之，形成生坯，放置在第一种材料之上，这里的预烧结板也应当凸出于模具的边缘。

盘状模具可以由金属，优先由钢或特种优质钢制成，在成品接触件上该模具保留在其上成为所谓的不回收模具。该不回收模具具有在相反于接触面的一侧机械上增强和加固接触件的优点。如果采用纯铁质钢，则以适当的方式仅仅部分地去除盘状模具的壁，而且达到这样的程度，以致当断开操作时电弧不会到达由纯铁质钢制的模具的端缘。由此还得到另外一个优点：有各种不同形式的接触件，例如螺旋形接触件，当断开时其中产生一个径向磁场。在此情况下电弧收缩，并且被螺旋形置于旋转状态。产生一个轴向磁场是有益的，因为轴向磁场产生一个发散的电弧。如果模具壁在冷却后仅部分地被车削掉，亦即在接触件的外边缘还存在，那么该壁连同对面接触件的壁在周边区域加强轴向磁场，如果通过适当的措施，在开启的触点之间产生轴向磁场，那将是特别有益的。

也存在这样的可能性，制造陶瓷的模具；不完全用陶瓷制造的模具，其可以用一个由碳(石墨)制的底，及一个由陶瓷制的压向底部的壁。陶瓷制的壁的内侧不会被第一材料润湿，其结果是在凝固变硬后表面呈凸起的拱形。作为陶瓷优先采用Al₂O₃。

研究表明：当冷却时如无另外的措施，在中心区域会产生收缩凹穴，以致这样的接触件是不可使用的。因此，必须这样控制冷却过程，即接触件中心轴区域的冷却比周边区域要早些进行。为达此目的，接触件周边区域在炉中用屏蔽板包围起来，板反射来自接触件边缘向外辐射的热量，这样冷却可以从内部，亦即从接触件的中心轴向外进行。其结果是在中心区域避免了收缩凹穴，并且可能发生的小收缩凹穴在周边区域也能够容易地借助于车削去掉。

如果打算制造装入真空开关室中的接触件，则作为铜应使用高电导的无氧铜，且加热应在高真空熔炼炉内进行。在此情况下，铬粉在高真空熔炉中的去气温度应低于铜的熔点。在极端去气的过程中，粉末烧结在一起，形成一个硬的多孔结构，层厚的变化不大。当然，存在这样的可能性，在去气过程中，让铬粉经受压力，使用一个适当的压力冲头就可以进行该工艺。结束此工艺过程之后，则将该系统短时间加热到超过铜的熔化温度，使得多孔的铬层被高纯铜浸渍成无孔状态。

也存在这样的可能性；该方法不在真空中而在保护气体气氛中进行，其可由氩或氦组成。

当然，可以代替铬粉而使用任何其它类型的金属，前提是其熔化温度要高于载体的熔化温度。依此，也可以不用铬而采用任何其它的金属以及这些金属的混合物。

此外，本发明也可用于制造不是真空开关室开关装置的接触件。如果不采用平板形基体形状而基体具有圆拱顶形状，则后者也可以放入例如由钢制的模具中；然后该模具完全用第二种材料装满，使得圆拱顶形的基体完全被覆盖，这里也如同圆盘状接触件的情况，以相同方式用第二种材料装过满模具是富有意义的。

随着粉末层的厚度也就确定了接触层的厚度；根据粉末的颗粒大小和烧结方法，铬在接触层中的组分可以变动。

本发明和其它有益的结构及本发明的改进型以及其它的优点，参照描述本发明若干个实施例的附图，作更详细地阐明和描述。

图1至图5表示带有装入组分的模具的几种构成。

图6表示通过带有屏蔽板的模具的剖面图。

图7和8表示本发明模具的两个其它实施形式。

图9和10表示两个成品接触件。

图11和12表示本发明的两个其它实施形式。

图13表示热处理后的图12的装置。

图14表示接触件的热处理温度--时间关系曲线。

为了实施本发明方法及制造接触件，使用良电导材料的基体，优选铜和一个接触层优选铬-铜，进行如下制造：

将一个用铜制造的基体13放入一个盘形的具有底11和侧壁12的模具10中，该基体在其接触边表面具有一个盘状的凹槽14，带有一个轴向凸出的周边棱15；铬粉16灌入盘形模具14，15中。环状间隙17位于模具10的内表面和基体13的外表面之间，应当设计地尽可能窄小。然后将模具10连同基体13和铬粉16(以下也称作接触层16)放入高真空炉中，并按照图14进行热处理。首先该装置被加热到温度T₁，它位于基体材料13的熔点以下。在铜的情况下，此温度T₁必需小于1083℃。当周期△t_E期间，该装置被除气，粉末16由于结合而烧结在一起，并形成多孔性的结构，一种烧结结构。通过升高炉内温度到T₂值，此值高于铜的熔点但低于铬粉的熔点，则该烧结结构被铜浸渍，这样就形成了接触层。然后进行炉内的冷却，按照图6围绕着该装置设置一个屏蔽18，此屏蔽在该装置的中心轴M-M区域内具有在屏蔽18的壁21和22的每边开孔19和20，这些孔平行于模具10的底11。由此，热能E能够通过开孔19和20辐射出去，相反，从该装置边缘辐射出去的热能W，通过屏蔽18又反射到边缘。由此冷却是由内部所控制，亦即从中心M-M向外。因此阻止在中心M-M区域产生收缩凹穴，如果有可能在边缘区域出现小的收缩凹穴，则可毫无困难地通过车削将其除去。图6表示成品接触件23，并可看出图6的接触层16a中的凸缘15消失了。该凸缘的材料已经流入烧结结构之中。接触层16a的厚度取决于图1粉末层16的深度或高度。

根据图1的实施例，模具是由一种与基体13的铜不润湿的材料制成的。

根据图2的实施例，模具24是由高级合金钢或钢制成，该模具被铜浸湿，因此又称作所谓的不回收模具，它构成接触件的一部分。

根据图3的实施例，在凸缘15上设置一个盖子或一块平板25，它具有孔26，在烧结和去气过程中从粉末中出来的气体可由此排出。必要时圆板25的外径可以小于凸缘15的内径；这样平板25可以一定的压力压着粉末，其结果是在烧结和去气过程中所形成的空隙大小可予以影响。

根据图4的实施例，模具24的底27和侧壁28用陶瓷29和30来作涂层，这样烧结好的接触件可以从模具24中取出。也还存在如下的可能性：将涂层29省略，这样使得基体13的铜润湿底27。

根据图5的实施例将一块铜圆板31放入模具24中。在铜板31上面放置一个圆环32，它具有一个径向的凸缘33和一个圆柱形凸缘34。圆筒形凸缘34具有一个外径，恰好配进模具24的侧壁28。圆筒形凸缘32的内表面35是圆锥形的，而且朝向底24扩展构形。角度α是由外体线和铜板31的相邻表面形成的，它是这样选定尺寸的，即如果环32被移去时，放在板31上的粉末36不会散落下去。角度α实际上是一个倾斜角，它取决于粉末36的颗粒度。

从图5显然可见粉末36的自由表面突出在侧壁24的侧棱之上。这可归结为如下原因：

按照图2，3的实施例，存在着基体13的铜要润湿模具24的侧壁28的问题。因此基体13的铜在内壁上升到侧壁28的边缘，以致于成品接触件中心的厚度，亦即在中心M-M处低于外周缘处，接触层16a是凹面形结构，以致于当制造实际的接触件时，存在着在周边整个接触层被车削下来的危险。这样一种结构是不能使用的。由于这个缘故，这样来选择粉末层36的高度，使该层凸出于侧壁28的边缘。因此模具24要装得过满，并构成接触件形状，其中接触层16和基体13a的分界面16b是很平坦的，假定基体13a的邻接表面是平坦的。如果基体13a的相邻面具有另外一种形状，那么该分界面会相应于该不同的形状，因为烧结结构是受该接触体或基体13的表面所影响的。

如果模具是用不润湿的材料制成的，则接触层16a的表面形成凸的拱形面，参见图13。

为了避免接触层16a构成凹面，按照图7基体70具有一个凸起的边缘71被给予这样的尺寸，以便形成一个凹槽72，以致该凸缘凸出于模具75侧壁74的自由棱缘73，模具75相应于模具24。

不用整体成型的边缘或凸缘71，也可以在基体80上放置一个环81，其外径适配于模具75侧壁74的内径。环81凸出于边缘73之上。

在按照图9的实施例中，不回收的模具75的侧壁74被车削掉，在此，自由边缘76被倾斜车削，使其位于基体78和接触层79之间的分界面77以下，因此电弧不会和模具的侧壁74相接触。

在按照图10的实施例中，斜削的边缘面或端面可以被一个凹的弧形82所替换。

在按照图9以及图10的实施例中，模具75是由铁氧体材料制成的。因此，在侧壁74的区域，在如图9和图10所示接触件及一个相同构形在它对面的接触件之间产生一个轴向的磁场83，该磁场具有另一些优点，尤其是如果通过采取适当的措施，在开启的接触件之间产生一个轴向磁场。

按照图1至10的实施例中基体都呈圆盘状，必要时带有凸起的边缘。也存在这样的可能性，参见图11，在相当于模具24，75的模具84中，放入一个拱顶形的基体85，并在模具84和基体85之间的空隙86内填满粉末87。在此，粉末的自由面88凸出于模具84的边缘89之上，并且在那里又形成一个斜坡，类似于图5的斜坡35。现在可以同样的方式将如图11的装置经受如图1至6装置那样的热处理工艺。则拱顶形的基体85渗入由粉末87所形成的烧结结构中，并且通过适当的切削再加工可由此形成拱顶形接触件，其可在高压功率开关中用作电弧断路接触件，其中使用绝缘气体作为灭弧介质。

图1所示模具是陶瓷模具，例如可用Al₂O₃制造。

按照图12和图13的实施例中，所使用的模具具有一块碳板(石墨板)90，其上放置一个由Al₂O₃制的圆筒形环91。在模具板上面圆环91中放入基体，因为它相当于图1至4的基体，其附图标号为13。圆环91必须用机械力F对着底板90加压，以避免流体铜通过环91和底板90之间的间隙流出。在热处理之后，其以如上所述方法过程的相同方式进行，则接触层92凸起呈拱形，尤其是在周边，因为基体13的铜不润湿陶瓷环。在所有装置中，基体优先使用高电导的无氧铜；铬粉用于构成接触层。当然，各种材料不仅可以用作基体而且也可用作接触层，只要基体的材料具有大的电导率以及接触层的材料是抗烧损的，并且有低的焊接倾向。铜和铬在此仅仅都是惯用材料，通常被用于真空开关室中。铜-铬混合比，正如公知的那样，采用烧结冶金工艺时可以在一个宽范围内进行调节，以使电阻值、抗电弧性及焊接倾向能够最佳化。铬粉可以具有各种不同的颗粒尺寸，或者在一个窄颗粒尺寸范围内仅具有一种颗粒尺寸。也可采用不同形状的颗粒，其中另外还可以使用铬-铜粉混合物形成接触层的烧结结构。

如上所述，所有的烧结结构都是这样制造的，将粉末以松散的形式放在基体之上，然后将松散的粉末烧结。也存在这样的可能性，将预先烧结好的板放置在基体上；当放置烧结板(即生坯)时，适用于按照图1至图13的实施例的考虑，在有关凸的或凹的表面结构情况下也应当被考虑。

当采用钢或特种优质钢制的模具时，存在着一定量的钢浸入铜熔体中被合金化的问题。当需要时，可将模具24的内表面用一种不熔于铜熔体中的材料做的箔来覆盖，例如用钨或钼，这样模具就和铜熔体分隔开了，类似方式的实施例是陶瓷涂层29，30。

制造真空开关的接触件需要使用高真空炉，以便铬粉能够充分地去气。至少当按照图11的实施例时，也可将一种保护气体充入炉中。

Claims (22)

1、一种接触件的制造方法，该接触件具有由良导电材料(第一种材料)制的基体和由导电较差、抗电弧烧损的材料(第二种材料)制的接触层，在此，接触层具有一种用基体材料浸渍的烧结结构，其特征在于，基体和烧结结构重叠放入盘状模具，在模具中加热到高于第一种材料的熔化温度，但还低于第二种材料的熔化温度，以便第一材料熔化并渗入烧结结构中。

2、按照权利要求1的方法，其特征在于，为了形成烧结结构，将粉末状的第二种材料撒在第一种材料上；首先将材料加热到烧结温度或去气温度，低于第一种材料的熔化温度以便产生烧结结构，然后将两者加热到高于第一种材料的熔化温度。

3、按照权利要求1或2的方法，其特征在于，撒到基体上的粉末量这样多；使粉末凸出于模具的边缘。

4、按照权利要求3的方法，其特征在于，粉末在周边区域呈圆锥形倾斜地撒在基体上，在这里，如此选择圆锥或倾斜角，以便阻止粉末散落。

5、按照权利要求4的方法，其特征在于，倾斜角借助一个放置在基体上的模具环而产生。

6、按照前述权利要求之一的方法，其特征在于，基体在其接触侧具有一个盘状的凹槽，以便将第二种材料放入其内。

7、按照前述权利要求之一的方法，其特征在于，将由第一种材料制的环放置在基体上，该环接触模具的内壁，并在其内腔放入第二种材料。

8、按照权利要求7的方法，其特征在于，圆环突出于模具边缘之上。

9、按照前述权利要求之一的方法，其特征在于，第二种材料以予烧结板(生坯)的形式放置在第一种材料上。

10、按照权利要求9的方法，其特征在于，板是这样烧结的，以使其具有在放置基体上后能够突出于模具自由边缘的厚度。

11、按照前述权利要求之一的方法，其特征在于，烧结结构是由铬、钼、钨、铪、铌和钽以及其混合物制成的。

12、按照权利要求11的方法，其特征在于，一种烧结辅助材料掺入金属粉末中，该辅助材料或者是一种金属粉，或者是一种易分解的金属盐。

13、实现前述权利要求之一方法的装置，其特征在于，盘状的模具由金属，优选钢或者特种优质钢组成。

14、按照权利要求13的装置，其特征在于，在冷却后，模具的壁至少部分被车削。

15、按照权利要求13和14之一的装置，其特征在于，盘状模具是由奥氏体钢或者纯铁质钢组成。

16、按照权利要求13至15之一的装置，其特征在于，至少模具壁的内表面是用陶瓷层覆盖的。

17、按照权利要求13和14之一的装置，其特征在于，金属制模具的内表面由一层在第一种材料中不可溶的金属箔加衬，这样当第一种材料熔化时，避免模具的金属溶解。

18、实现权利要求1至12之一的方法的装置，其特征在于，模具至少部分地由陶瓷构成。

19、按照权利要求18的装置，其特征在于，模具有一个由碳制的底和一个朝着底加压的由陶瓷制的壁，优选Al₂O₃。

20、按照权利要求13至19之一的装置，其特征在于，粉末层用一金属板覆盖，其在浸渍过程中牢固地和无空隙地与接触层相连接，并具有孔或槽以便去气。

21、按照权利要求13至20之一的装置，其特征在于，对炉中的冷却过程进行这样的调节，以使接触件在中心轴区域比周边区域冷却得更快。

22、按照权利要求21的装置，其特征在于，接触件的周缘区域在炉中被屏蔽板包围，当冷却时该屏蔽板反射由接触件边缘所辐射的热，这样使得冷却从内部向外，亦即从接触件中心轴向外进行。

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