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硬质合金球

高压形状用钨铜触头材料研究

2020-06-18

电触头是指位于两个导体之间的一个载流连接点,它具有可断开的特点,主要担负电流的接通、断开和负载的任务。电触头的质量直接决定电气系统的整体可靠性。特别是在现代化的大型电力系统,通讯系统和自动控制系统中,由于这些系统包含着上千万的接点,因此如果其中一个或者几个触头出现失效的状态,就会严重影响整个系统的工作,导致系统的紊乱甚至整个系统的瘫痪。因此,针对电触头材料的研制工作在最近几年得到迅速的发展,由于具有高熔点、高密度、低膨胀系数的特性和具有很好的导热、导电性使得钨铜(铜钨)复合材料电触头具有良好的耐电弧侵蚀、抗熔焊和高强度等优点,这些优点使得钨铜(铜钨)复合材料自20世纪30年代出现以来就被广泛应用到电力、电子、机械和冶金等行业领域,并在很长一段时间内被用作各类高压电器开关的电触头

     钨铜(铜钨)复合材料的高耐压强度和耐电烧蚀性能成为推动高压电器开关耐压等级和使用功率不断提高的重要根基,并使得钨铜复合材料成为高压电器开关中不可缺少的关键材料。进入20世纪60年代,钨铜复合材料主要作为电阻焊和电加工的电极以及航天科技中所采用的高温材料。

高压形状用钨铜触头材料研究

    直到改革开放后,随着钨铜材料生产工艺的不断改进和材料质量的不断提高,钨铜复合材料在工业领域才得到比较广泛和成熟的应用。20世纪90年代,大规模集成电路和大功率电子器件的发展使得钨铜复合材料作为升级换代的产品开始大规模地被用于电子封装和热沉材料。在钨铜复合材料每一次新应用开发对其质量和性能均提出了新的更高要求的同时,钨铜复合材料新的制备工艺也得到了不断促进与发展。在高压开关触头的使用上,钨铜(铜钨)复合材料触头已经存在多年。二期钨铜触头在高压SF6、空气和油介质以及大电流断路器上用量比较大而且它们一般都采用混粉压制烧结及熔渗工艺生产相结合的办法,组分以20%-30%Cu+80%- 70%W居多。

  最近几年以来,真空高压开关得到了迅速的发展,同时真空高压开关对触头材料的要求相对要高,除满足一般开关的基本性能以外,基于真空中触头表面非常干净的特点,使得真空高压开关触头更容易熔焊,因此对触头材料就不仅要有更高的抗熔焊性,还需要有足够高的耐电压强度、尽量低的截止电流和极低的含气量。这些要求和材料特质使得真空高压开关触头材料集中在钨铜(铜钨)复合材料上。

市场上一些触头材料的组分为90%W+10%Cu,性能较差,在使用中曾经出现过熔焊现象,而影响钨铜触头材料的因素,众所周知,触头在使用当中会出现各种各样的失效情况,同样,影响触头正常工作的因素也极其复杂,但归纳起来可归结为两种。一、外部因素。即由触头的工作环境和工作特性决定的,包括电流特性、周围介质、触头的关合分断速度和初压力等。

二、内部因素。即由触头本身的结构尺寸、粒度组成、制造工艺和应用场合所决定的。

1、内部影响因素

1)结构尺寸。

从理论上讲,由于能量比较分散的缘故,触头的结构尺寸越大,在使用中其抗电弧烧灼的能力就越强。但是在实际应用中,由于受到整个电器开关结构的限制,触头的尺寸不可能很大。近来有人研究出中空触头、插入式触头或加装引弧角或引弧环的触头,其目的一是为了使产生电弧后,散热较快,二是为了使触头在烧损后仍能保持良好的接触状态。

2)制造工艺。

铜钨系电触头材料国内的制造商普遍使用的都是混料、压制、烧结溶渗法(或浸溃法)。所不同的是有的用预烧钨骨架熔融浸溃工艺提取,而有的不用。近年来,国外为了提高电触头材料的使用寿命,采用了更为先进的制造工艺,如纤维强化法、等静压制一浸溃法、烧结轧制工艺、离子注入、电弧熔炼法等。

3)钨粉粒度。

关于粉末粒度组成,即钨粉粒度 的大小对钨铜系电触头材料性能的影响 ,研究表明,用较细或较粗的钨粉制造的触头其抗电弧烧损都很差,最理想的是粗细钨粉以一定的比例混合来制造,但需注意的是不同成分的触头材料应有不同的比例混合。

4)应用场合。

实验发现,不同成分的触头材料有其最**佳的适用场合。例如,在六氟化硫断路器中Cu20~30/W80~70;在空气或真空开关中以Cu10/W90,在油断路器中以Cu15~20/W85~80的组分最为抗烧损。

2、外部影响因素

研究认为,电流的特性不同,在通断过程中产生的特性也存在差异,同时对触头的烧损强度也存在差别,一旦触头选定以后,其电流特性就是一个固定值,而周围介质对电触头的灭弧能力影响较大。如果介质的灭弧能力强,就可以在很大程度上减少触头材料的电弧烧损(它是电触头失效的主要原因之一)。除此之外,对触头有较大影响的还有触头的开断、闭合速度及关合初压力等因素。因为开断速度决定着燃弧时间,尤其是初开速度,提高初开速度会缩短燃弧时间,减少触头烧损。而增加初压力,可以减弱触头因撞击而引起的机械振动,从而减少机械磨损和电弧烧损。

展望

20世纪30年代,钨铜高密度合金开始被研制出来,由于它具有优异的综合性能,在电力高压开关中得到了广泛的应用。并且一直以来钨铜合金受到了世界各国的高度重视,并己成为材料科学界较为活跃的研究领域之一。近年来,由于钨铜复合材料性能好,成本低的特点,钨铜复合材料被认为是极具发展潜力和应用前景的新型功能材料。

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