專利名稱：真空斷路器觸頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電氣設備中的真空斷路器觸頭。
真空斷路器可以應用在電力配電系統(tǒng)和電動機控制系統(tǒng)作為電路保護裝置，它包括一個密封的外殼，其中含有可動觸頭來接通和切斷連續(xù)的電流，當觸頭相互接觸，處于閉合載流位置，觸頭必須以低阻值有效地傳送大電流。當觸頭首次分開切斷電路時，一個電弧擊穿于兩觸頭之間，汽化一部分觸頭，緊接著當觸頭全部打開斷開電路時，電弧隨之迅速熄滅。觸頭必須易于分開，即具有抗焊接特性從而使操作機構在觸頭分開時不需施加過分的力。雖然觸頭材料的一些汽化對維持電弧是必要的，但是應當避免觸頭嚴重腐蝕，因為這將在觸頭閉合處于載流操作時引起高接觸電阻。
因此，選擇觸頭材料對整個真空斷路器是一個極重要的方面。廣泛使用的觸頭材料是高導電性材料，例如銅和高熔點耐火材料，例如鉻或鎢。已知有各種可以制造這種觸頭的冶煉方法。
例如，Yamanaka等人的美國專利說明書4，424，429中公開了一種常規(guī)觸頭，它包含60重量%銅，25重量%鉻和15重量%鉍并含有粗顆粒鉍。這個問題通過提供含有下列的成份的觸頭得以解決，該觸頭包含60重量%銅或銀;25重量%鉻，鎢，鉬，鈷或鐵;15重量%熔點低于銅(m.p.1，083℃)或銀(m.p.961℃)的氧化物添加劑，這種添加劑選自氧化鉍(m.p.820℃)，氧化鉈(m.p.300℃)，氧化銦(m.p.155℃)，氧化銻(m.p.655℃)或氧化碲(m.p.733℃)，以及鈦化合物選擇成份。這些成份以干粉末形式混合，加壓并在非氧化氣氛下，在真空或高純度氫爐內，溫度為1000℃下燒結2小時。雖然這種方法提供了一種處于連續(xù)網狀形式下細而均勻的鉍層，但是人們希望進一步改進真空斷路器觸頭。
本發(fā)明的目的是提供一種真空斷路器觸頭材料，它具有高的電流遮斷能力，低焊接強度，在給定由壓下低的斬波電流(lowchopcurrents)，低腐蝕特性，以及鉍成份的強粘合性。
針對這一目的，本發(fā)明涉及用于真空斷路裝置中的一種致密，燒結的真空斷路觸頭，其特征在于上述觸頭包含高度分散于50～75重量%銅粒中的2.5～15重量%鉍，觸頭的其余成份包括鉻及Cr2O3和CrO3的混合物，其中，鉻氧化物以連接而均勻分布的網狀結構包圍著銅、鉍和鉻。銅的顆粒度最好小于300微米。
本發(fā)明還涉及一種制造真空斷路器觸頭的方法，其特征在于包括如下步驟(1)提供一種混合物，其中包括(a)50～75重量%銅;
(b)15～30重量%鉻;
(c)2.5～15重量%鉍;以及(d)0.5～7.5重量%氧化鉻，(2)冷壓此混合物形成觸頭壓塊;
(3)在含有水蒸氣的流動氣體中燒結此壓塊，使鉻氧化形致密的觸頭，以及(4)冷卻燒結的觸頭。所說的氣體最好是氫氣，其中水蒸氣存在于氫氣中。
斷路器觸頭是通過燒結反應形成的，即在一定溫度下和有效地形成某些附加的鉻氧化物及保持Cr2O3處于其氧化態(tài)形式下的低露點氣體中燒結這種粉末狀壓制過的混合物而形成的。這就使鉻氧化物的總濃度增加，同時保持其余的鉻和其它主要成份處于還原形式下。這種氣體對鉻是部分氧化物的對于銅和鉍是還原性的。術語“對鉻部分氧化性”表示只有一部分主體鉻在燒結溫度下將被氧化。
得到的燒結觸頭最好包含細顆粒銅，高度分散的鉍，10-25重量%鉻，4～15重量%鉻氧化物，大部分是三氧化二鉻(Cr2O3)以及一部分三氧化鉻。在粒子間形成的、連接和包圍網孔結構、并且充滿銅-鉍-鉻基體成份的鉻氧化物抑制大顆粒銅生長，通過氧化鍵使粒子和粒子間熔合有助于混合物粉末的致密化，更重要的是使鉍均勻分散在基體之中。采用含有鉻氧化物和大量和可控制數(shù)量鉍本發(fā)明斷路器的觸頭，顯示出低斬波電流，在2mm～4mm間隙中的真空絕緣強度增加10-35%并且在高電壓和高電流下具有低的故障率。
附圖
是真空斷路器11的局部剖的正視圖，它表示可以采用本發(fā)明真空斷路器觸頭的設備類型。真空斷路器11包括一般為圓柱形的絕緣體部分13，在13相對二端具有封密的端板部件15和17。一個固定觸頭裝置19通過端板15，它具有兩個觸頭21，27，第一觸頭21位于觸頭裝置導電柱的端部。另一觸頭裝置23可移動地通過端板17安裝，并且包括波紋部件25，它允許位于此部件端部的第二觸頭27運動。因此，這兩個觸頭21和27可以運動到互相接觸閉合電路或是互相分開斷開電路。在密封外殼內，觸頭，電弧區(qū)，及波紋管部件21周圍，裝有多個蒸汽罩，如29所示。這些各類罩防止點弧材料直接沉積在所說的絕緣外殼和波紋管部件上。
真空斷路器11的主體部分13帶有一個抽真空出口裝置33，通過使用裝在33上的泵或類似裝置，使斷路器11的內部空氣抽出，形成一個真空裝置。這里所述的出口裝置33是管狀部件，然后將其箍緊或真空密封來保持裝置的真空狀態(tài)。
真空斷路器觸頭21和27可以是簡單的盤狀部件，但在更典型情況下可以具有更復雜的形狀，其中包括螺旋形臂用來產生一個環(huán)形弧推動力使形成的弧在觸頭周圍運動并減少局部加熱。一個典型觸頭制成一個可以具有具體結構的圓盤。為了增加強度，此觸頭可以由金屬盤支撐。
觸頭可以通過下述方法成形，即均勻地混合諸成分材料，將混合物放在一個適當?shù)膲耗?，在約54，545公斤的壓力冷塑，最好用等靜壓機冷塑，制成50%～65%多孔性低密度的“未燒結的”壓塊或壓片。然后將壓塊在約750℃～1000℃的流動氣體流中燒結，氣體可以為裂化氨，氫氣或類似具有低露點的氣體，最好是氫氣。
從描繪溫度-露點關系的金屬-金屬氧化平衡圖表上可以詳細了解到鉻和鈦在某些氣體，如具有低露點的氫或裂化氨氣體中，在某些溫度下會被氧化，而其它金屬，如銅和鉍將被還原。在此燒結方法中所用的氣體具有從-34℃～-50℃的低露點，并且至少含0.006體積%水蒸氣，通常為0.006～0.03體積%水蒸氣，存在的這種少量水蒸氣對于一些主體鉻具有部分氧化作用，并且防止形成或存在的三氧化二鉻或三氧化鉻還原。然而，在燒結步驟完成以后，其余的鉻和其它主要成份(例如銅和鉍)將處于還原形式下?？赡艽嬖诘拇我煞葶y和鐵將被還原，但是鈦至少部分被氧化。在氣體中水含量多于0.03體積%會提供過多的Cr2O3，即總量超過約7.5重量%，造成過大的絕緣效果。
盡管此時還不能完全理解，但是三氧化鉻粉末添加劑對于提供用于主體鉻氧化和晶粒與晶粒之間連接的“晶種”材料是必要的。燒結(可以加壓也可以不加壓)后，形成的觸頭密度為90%～95%。然后，觸頭在更高壓力下再次壓制，并在低露點的類似氣體中第二次燒結，以提供高達約98%的更高密度。
根據本發(fā)明制造的真空斷路器觸頭包含多種材料的混合物，由強電試驗可以表示這些材料具有極滿意的特性，例如在給定電壓下有高電流遮斷性，低焊接強度和低腐蝕。用借以獲得這些特性的這種常規(guī)的組合物提供出一種多成份觸頭，其中包含銅，鉻，鉍，三氧化二鉻，以及可能微量存在的銀，鐵，鈦和類似物質?！拔⒘看嬖凇北硎具@些元素在此組合物中存在量少，但卻高于雜質量水平，即約占混合物的0.5～2重量%或更多。已經發(fā)現(xiàn)最好添加少量“晶種”三氧化二鉻并將主體鉻部分氧化以獲得適當?shù)淖詈驝r2O3+CrO3含量，而不要均以Cr2O3形式加入此氧化物。
表Ⅰ中列出了粉末混合物和壓塊的一種具體方案，其中說明了諸成份，其可接受的重量%范圍以及在坯件中成份的百分比。
表Ⅰ預燒結壓塊重量%范圍優(yōu)選的重量%銅(Cu)50-7555-65鉻(Cr)15-3024-30三氧化二鉻(Cr2O3) 0.5-7.5 1-3鉍(Bi)2.5-155-15銀(Ag)0-2%0-2%鐵(Fe)0-1%0-1%
鈦(Ti)0-1%0-1%通過實驗測定，最終鉍含量約12～15重量%的觸頭具有突出的真空斷路器觸頭特性，并且當斷路電流為7KA至9KA范圍內時，伴隨以低的觸點腐蝕。熔點高于銅和鉍，其含量至少為0.5重量%的三氧化二鉻(氧化鉻或鉻的氧化物熔點為2435℃)確保在至少含0.006容積%水的氫氣中燒結期間，鉻進一步氧化，在最終燒結過的觸頭體中形成可達5重量%的鉻氧化物，如Cr2O3和CrO3，以及鉍分散在整個固體溶質的基體中。
50-75重量%銅和2.5-15重量%鉍，在燒結過程中基本保持不變，只是鉻的含量略減并外加從Cr2O3，CrO3及其混合物中選出的鉻氧化物。鉍將均勻地分散于，并由細小銅粒固定在銅-鉻-鉍基體之中。鉻的氧化物將有效地把基體結合在相互分散的、均一分布的、多孔網狀組織中。在預燒結混合物中使用多于7.5重量%。Cr2O3時，將會產生加工硬度、基體均一性、觸頭點蝕等實際問題，并產生過強的絕緣效果。
盡管優(yōu)選的具體實施方案可以包含少量銀、鐵或鈦，但是僅僅使用銅、鉻、鉍和氧化鉻也可制成令人滿意的觸頭。然而，重要的一點是在燒結的Cu-Cr-Bi-Cr2O3/CrO3觸頭中，鉍在預燒結混合物中的含量必須在2.5至15重量%之間，最好是5重量%以上。銅及鉻預燒結粉末的粒度最好在約37至150微米范圍內，鉍和Cr2O3預燒結粉末的粒度在約1至25微米范圍內。
標稱直徑為3厘米的Cu-Cr-Bi-Cr2O3/CrO3觸頭，其絕緣強度足以防止約50KV電壓擊穿4mm寬的間隙。間隙減小，絕緣強度亦降低，即，間隙為2mm時，擊穿電壓降為約25KV。然而，4mm的間隙是用于切斷7KA至9KA電流的標稱間隙。
上述的是用于在中電壓范圍5KV至7KV內有較高斷路電流的真空斷路器設備的觸頭材料。此外，焊接強度低，并且由于大電流引起的腐蝕小。這是通過使用四種主要成分銅、鉻、鉍和氧化鉻而達到的，在優(yōu)選的實施方案中，還可向混合物中添加微量銀、鐵和鈦。在觸頭混合物中包含鉍導致觸頭低斬波特性。包含鉻氧化物則增加燒結觸頭的強度，阻止銅顆粒的增大，從而使全部銅顆粒直徑都基本保持在300微米以下，最好是85%的顆粒直徑在250微米以下，有助于固定均勻分布的鉍以阻止在點弧過程中鉍蒸發(fā)，并且改善真空絕緣強度。
本發(fā)明將參照下面的實施例加以詳細說明。
制造了一種真空斷路器，它具有直徑為3厘米(1.2英寸)，類似于圖示21和27的觸頭。用于制作觸頭的預燒結粉末混合物包含60重量%粒度為38至150微米的銅粉末，24重量%粒度為38至150微米的鉻粉末，13重量%粒度為1至25微米的鉍粉末，1重量%粒度為1至25微米的Cr2O3粉末，以及2重量%粒度為1至25微米的銀粉末。作為一個對比實例，制作了一些不含Cr2O3或銀粉末的同樣觸頭。
兩個實例中的混合物都均勻混合約1/2小時，置于合適的觸頭模具內并且冷靜壓壓制成一種“未燒結的”60%多孔壓塊，它與粉末混合物的成份相同。然后，兩種壓塊樣品都在燒結爐內85℃溫度下燒結2小時，燒結時持續(xù)吹入露點為-30℃，即包含約0.03容積%水蒸氣的氫氣，以形成觸頭試樣。該氣體對鉻是部分氧化性的，對銅和鉍起還原作用，從而只能使一部分鉻變?yōu)镃r2O3。兩種觸頭試樣在燒結和冷卻后的密度均為92%左右。然后對它們進行試驗，其結果以及初始和最終組成如下表Ⅱ所示
降低銅顆粒尺寸和增加真空絕緣強度，這些改進是加入Cr2O3以及由主體鉻形成Cr2O3的結果。添加銀在這兩方面都無作用。
電弧熄滅后經事后顯微分析，本發(fā)明試樣顯示出，只有少量鉍晶須由于鉍的蒸發(fā)而在觸頭表面生長，而這種晶須在對照試樣上明顯得多，這表明鉍更大量地分散和固定在本發(fā)明試樣的基體內。顯微照片表明鉻氧化物在連接的、顆粒間網狀結構中相互分散，并以均勻分布的連續(xù)網狀的形式包圍和充滿觸頭的其它組份。如表Ⅱ所示，本發(fā)明試樣明顯優(yōu)于對照試樣。
權利要求
1.一種用于真空斷路器中的致密的燒結真空斷路器觸頭，改進的特征在于上述觸頭包含高度分散在50-75重量%銅粒中的2·5～15重量%鉍，觸頭的其余成分有鉻及三氧化二鉻(Cr2O3)和三氧化鉻(CrO3)的混合物，其中鉻的氧化物在連接的、均勻分布的網狀組織中包圍銅，鉍和鉻。
2.根據權利要求1的真空斷路器觸頭，其中銅粒的粒度小于300微米。
3.根據權利要求1或2的真空斷路器觸頭，包含10～25重量%鉻，4～15重量%鉻的氧化物，其中三氧化二鉻(Cr2O3)滲入銅-鉍-鉻成分并且阻礙大的銅晶粒生長。
4.一種制造真空斷路器觸頭的方法，其特征在于如下步驟(A)提供一種混合物，其中包括(a)50-75重量%銅，(b)15-30重量%鉻;(c)2.5-15重量%鉍，和(d)0.5-7.5重量%氧化鉻;(B)冷壓混合物制成一個觸頭壓塊，(C)在含有水蒸氣的流動氣體中燒結所說的壓塊，使鉻被氧化形成致密的觸頭;以及(D)冷卻燒結的觸頭。
5.根據權利要求4所述的方法，其中的混合物包含1～3重量%氧化鉻。
6.根據權利要求4所述的方法，其中所說的氣體為氫氣，在氫氣中存在的水蒸氣量占0.006體積%以上，燒結在溫度為750°-1000℃下進行。
全文摘要
一種包括觸頭(21和27)的真空斷路器(11)，觸頭由銅、鉻、鉍和至少0.5重量％氧化鉻混合物制成，該混合物可以另外包含少量的銀、鐵和鈦。氧化鉻能夠阻礙銅粒生長，將鉍固定在基體內，并增加真空斷路器的絕緣強度。
文檔編號H01H1/02GK1030999SQ88104348
公開日1989年2月8日 申請日期1988年7月13日 優(yōu)先權日1987年7月13日
發(fā)明者文森特·J·桑蒂利 申請人:西屋電氣公司