專利名稱：改進(jìn)的電氣觸頭成分和新穎的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及用于電力開斷和控制裝置的真空斷路器的電氣觸頭，更具體地涉及對這些觸頭材料成分的改進(jìn)和制作這些觸頭的新穎制造方法。
本發(fā)明對之進(jìn)行改進(jìn)的真空斷路器基本觸頭及其布置是眾所周知的。真空斷路器成功動作的關(guān)鍵在于觸頭材料。當(dāng)觸頭分開時(shí)，在觸頭之間會形成電弧。該電弧稱為真空電弧，它在由弧根處觸頭本身蒸發(fā)出的金屬蒸汽中燃燒。
在交流(ac)電路內(nèi)電流對于自然電流零為正弦波形，電流下降時(shí)觸頭處保存的能量也下降。隨著注入觸頭能量的下降，保持真空電弧所需的觸頭材料的蒸發(fā)也隨之下降。真空斷路器使用的觸頭材料的關(guān)鍵特性是金屬蒸汽不再足以維持真空電弧，電弧在自然電流零之前自然熄滅時(shí)的電流值。該電流稱為“截?cái)嚯娏鳌?chopcurrent)。如果截?cái)嚯娏髦蹈撸鶎?dǎo)致的高速率電流變化可在電路其它處造成高電壓。在具有諸如電動機(jī)這樣的高電感性負(fù)荷的電路中尤其如此。
人們已經(jīng)研制出降低用在諸如電動機(jī)電路這樣的電感性電路中的真空斷路器的截?cái)嚯娏鞯挠|頭成分。兩種眾所周知的觸頭材料為Ag-WC和含有少量Bi的理想的高電流真空斷路器觸頭材料Cu-Cr。這兩種材料均分別依賴于一種蒸汽壓力更高的材料，例如Ag-WC系統(tǒng)中的Ag和Cu-Cr-Bi系統(tǒng)中的Bi以提供足夠的金屬蒸汽使電弧在很低的電流(如1A級或更低)下燃燒。
這兩種材料均有主要缺點(diǎn)。Ag-WC材料能可靠地開斷低于約3500A至4000A的電流。但在更高電流下WC的發(fā)熱使其成為電子的熱電子發(fā)射源，其電流開斷特性隨著電流的增加而急劇下降。Cu-Cr-Bi材料在高電流下可較好動作。不幸的是當(dāng)使用大百分比的Bi時(shí)，Bi蒸汽與其它材料的反應(yīng)使得制造困難，尤其是在用來制造完整的真空斷路器的高溫真空爐中。Bi蒸汽會與密封真空斷路器的銅材反應(yīng)并使其損壞，它們甚至還會損壞爐的金屬繞組和真空爐襯。
我們研制出了一種新型改進(jìn)的電觸頭材料，它由銀的合金和從包括碳化鉻及鉻的材料組中選出的一種材料組成。碳化鉻是從包括Cr3C2，Cr7C3和Cr23C6及這三種碳化物的混合物組中選出的。如果需加強(qiáng)維持電弧的蒸汽可添加從由鉍、碲和鉈組成的材料組中選出的有效數(shù)量的三元素成分。往合金中加入重量為0.10至0.99%的三元素成分則形成理想的電氣成分。還可以往理想的電氣成分中加入有效數(shù)量的鈷以改進(jìn)其濕潤特性和加強(qiáng)其基本100%密實(shí)、無孔隙的微結(jié)構(gòu)。鈷的有效數(shù)量約為重量的0.5至2.5%。合金由重量約為50至60%的銀和重量約為40至50%的Cr3C2，或由重量為50至60%的銀和重量約為40至50%的Cr組成。
觸頭具有基本100%密實(shí)、無孔隙的微結(jié)構(gòu)。合金中Ag的使用加強(qiáng)了電弧蒸汽，因?yàn)樵诮o定溫度下與Cu相比Ag的蒸汽壓力更高。由于碳化鉻具有更低的導(dǎo)熱率，觸頭操作可在更低電流下實(shí)現(xiàn)。
制造這種觸頭的方法包括兩步工藝，即冷壓未燒結(jié)毛坯和銀升溫滲入未燒結(jié)毛坯以獲得基本100%密實(shí)、無孔隙的微結(jié)構(gòu)。毛坯是通過將重量約為50至60%的銀粉和從由Cr3C2，Cr7C3和Cr23C6和Cr組成的材料組中選出的重量約為40至50%的粉狀材料混合，用氫氣對混合的粉狀物處理以使之預(yù)涂/預(yù)燒結(jié)，對其進(jìn)行粉碎并通過網(wǎng)篩，對混合粉狀物再混合并成形為固態(tài)毛坯而形成的。理想的第一次混合采用具有增強(qiáng)棒(intensifier bar)的V形混合器，進(jìn)行約30至50分鐘，理想時(shí)間為45分鐘。對混合粉狀物預(yù)涂/預(yù)燒結(jié)的氫處理在約900-1100℃溫度下進(jìn)行40-55分鐘，理想的為在1000℃溫度下進(jìn)行45分鐘。粉碎的粉狀物質(zhì)通過篩號(mesh)約為15至25的網(wǎng)篩，理想的為20號。疏松的毛坯的密度為，例如，對Ag-Cr3C2合金來說約為理論密度的80-85%，對Ag-Cr合金來說約為理論密度的87-93%。銀滲入在氫氣爐內(nèi)約1000-1200℃下進(jìn)行約30分鐘至1.5小時(shí)，理想的為1100℃下進(jìn)行一小時(shí)。銀滲入時(shí)液態(tài)Ag沿冷壓后未燒結(jié)毛坯的互聯(lián)孔擴(kuò)滲，產(chǎn)生基本100%密實(shí)、無孔隙的微結(jié)構(gòu)。
因此，本發(fā)明的目為提出一種用于真空斷路器的用壓制和滲入兩步工藝制造的新型觸頭材料，這些材料具有Ag-WC和Cu-Cr-Bi的出色的低截?cái)嗵匦?，但沒有它們的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個目的為這種低截?cái)嘤|頭材料可與Cu-Cr-Bi一起使用，能很容易地在高溫真空或氫氣爐中處理，能開斷較高電流。
本發(fā)明的另一目的是這種低截?cái)嘤|頭材料易于斷開觸頭閉合時(shí)任何由觸頭表面電弧造成的粘連，因?yàn)閿嚅_這種粘連所需的力或應(yīng)力較低。
本發(fā)明的另一目的是這種低截?cái)嘤|頭材料能夠承受長于通常時(shí)間的電弧，因?yàn)殂y蒸汽壓力比銅高，使電流轉(zhuǎn)移和真空斷路器動作更有效。
本發(fā)明的另一目的是由于碳化鉻具有更低的導(dǎo)熱率，真空斷路器操作可在更低電流下實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的另一目的是這種低截?cái)嘤|頭材料能夠應(yīng)用于中等電壓和低電壓兩者下。
參照附圖
閱讀下面的詳細(xì)介紹可完全理解本發(fā)明。
附圖為銀-碳化鉻基本100%密實(shí)、無孔隙的微結(jié)構(gòu)放大500X的顯微照相。
一種新型改進(jìn)的電觸頭材料，它由銀的合金和從包括碳化鉻及鉻的材料組中選出的一種材料組成。碳化鉻是從包括Cr3C2，Cr7C3和Cr23C6的材料組中選出的。為加強(qiáng)電弧維持蒸汽可向合金中添加從由鉍、碲和鉈組成的材料組中選出的有效數(shù)量的三元素成分。該有效數(shù)量低于重量的1%，在混合過程中往合金中加入重量約為0.10至0.99%的三元素成分則可組成理想的電氣成分。如果三元素成分保持重量低于1%，則在制造時(shí)可使用高溫真空爐?；旌蠒r(shí)還可以往理想的電氣成分中加入有效數(shù)量的鈷以改進(jìn)其濕潤特性和加強(qiáng)其基本100%密實(shí)、無孔隙的微結(jié)構(gòu)。鈷的有效數(shù)量約為重量的0.5至2.5%，理想的為約1-2%。合金由重量約為50至60%的銀和重量約為40至50%的Cr3C2或Cr，理想的為由重量約為58%的銀和重量約為42%的Cr3C2組成，或者理想的為由重量約為50%的Ag和重量約為50%的Cr組成。
觸頭具有基本100%密實(shí)、無孔隙的微結(jié)構(gòu)。合金中Ag的使用加強(qiáng)了電弧蒸汽，因?yàn)榕cCu相比Ag的蒸汽壓力更高。由于與Ag的高蒸汽壓力相結(jié)合，碳化鉻具有更低的導(dǎo)熱率，觸頭操作可在更低電流下實(shí)現(xiàn)。電弧在從觸頭汽化的金屬蒸汽中燃燒。更高的蒸汽壓力材料使金屬在更低的電流下汽化。碳化鉻的低導(dǎo)熱率保持熱量時(shí)間更長且緩慢地傳給銀，容許Ag金屬蒸汽支撐電弧。熄弧后Cr或碳化鉻細(xì)微地分布在表面上，表面成為原有觸頭結(jié)構(gòu)上的脆化的表皮，易于斷開任何由觸頭表面間電弧造成的粘連。
制造這種觸頭的方法包括兩步工藝，即冷壓未燒結(jié)毛坯和銀升溫滲入未燒結(jié)毛坯以獲得基本100%密實(shí)、無孔隙的微結(jié)構(gòu)。該方法進(jìn)一步包括將銀和從由Cr3C2，Cr7C3和Cr23C6及Cr組成的材料組中選出的材料混合，用氫氣對混合物處理以使之預(yù)涂/預(yù)燒結(jié)，對其進(jìn)行粉碎并通過網(wǎng)篩，對混合粉狀物在V形混合器中再混合并成形為固態(tài)毛坯。第一次混合采用增強(qiáng)棒(intensifier bar)，進(jìn)行30至50分鐘，理想時(shí)間為45分鐘。對混合粉狀物預(yù)涂/預(yù)燒結(jié)的氫處理在900-1100℃溫度下進(jìn)行約40-55分鐘，理想的為在1000℃溫度下進(jìn)行45分鐘。粉碎的粉狀物質(zhì)通過篩號約為15至25的網(wǎng)篩。疏松的毛坯的密度對Ag-Cr3C2合金來說約為理論密度的80-90%，對Ag-Cr合金來說約為理論密度的87-93%。銀滲入在氫氣爐內(nèi)約1000-1200℃下進(jìn)行約30分鐘至1.5小時(shí)，理想的為1100℃下進(jìn)行一小時(shí)。銀滲入產(chǎn)生基本100%密實(shí)、無孔隙的微結(jié)構(gòu)。
例一一種由標(biāo)稱(nominal)重量約為58%的銀和重量約為42%的Cr3C2組成的改進(jìn)的電氣觸頭按以下方法制造。將1224克銀粉和1176克Cr3C2粉在具有增強(qiáng)棒的V形混合器內(nèi)混合45分鐘。用氫氣在1000℃下對混合物進(jìn)行45分鐘的處理以使之預(yù)涂/預(yù)燒結(jié)。然后在粉碎器內(nèi)粉碎并通過20號的網(wǎng)篩，然后對混合粉狀物在增強(qiáng)棒移去后的V形混合器中再混合幾分鐘。然后將固態(tài)的，圓柱狀的毛坯冷壓至Ag-Cr3C2合金理論密度的80%-93%。然后將裝有超過填充受壓毛坯孔隙所需體積的銀的銀粉受壓盤或固體銀置于毛坯的平坦表面上，接著將這一組件置于1000℃的氫氣爐中一小時(shí)，使銀滲入毛坯中。銀滲入后，可在車床上用常規(guī)銑削和/或車削將觸頭加工成所需形狀。在混合之前添加重量低于約1%的例如鉍、碲和鉈粉三元素成分到Ag/CrxCy粉狀混合物中以加強(qiáng)電弧可能是有利的。為改進(jìn)其濕潤特性和觸頭密度，添加重量約1%-2%的鈷粉到Ag/CrxCy粉狀混合物中也可能是有利的。
例二一種由標(biāo)稱重量約為50%的銀和重量為約50%的Cr組成的改進(jìn)的電氣觸頭按以下方法制造。將1000克銀粉和1000克Cr粉在具有增強(qiáng)棒的V形混合器內(nèi)混合45分鐘。用氫氣在1000℃下對混合物進(jìn)行45分鐘的處理以使之預(yù)涂/預(yù)燒結(jié)。然后在破碎器內(nèi)粉碎并通過20號的網(wǎng)篩，然后對混合粉狀物在增強(qiáng)棒移去后的V形混合器中再混合幾分鐘。然后將固態(tài)的，圓柱狀的毛坯冷壓至Ag-Cr合金理論密度的80%-93%。然后將裝有超過填充受壓毛坯孔隙所需體積的銀的銀粉受壓盤或固體銀置于毛坯的平坦表面上，接著將這一組件置于1000℃的氫氣爐中一小時(shí)，使銀滲入毛坯中。銀滲入后，可在車床上用常規(guī)銑削和/或車削將觸頭加工成所需形狀。在混合之前添加重量低于約1%的例如鉍、碲和鉈粉三元素成分到Ag/Cr粉狀混合物中以加強(qiáng)電弧可能是有利的。為改進(jìn)其濕潤特性和觸頭密度，添加重量約1%-2%的鈷粉到Ag/Cr粉狀混合物中也可能是有利的。
附圖表示的為對銀-碳化鉻，Ag-Cr3C2觸頭顯微照相放大500X的以銀滲入壓制、未燒結(jié)觸頭制成的微結(jié)構(gòu)。上述制造方法包括冷壓和銀升溫滲入以獲得基本100%密實(shí)、無孔隙的觸頭微結(jié)構(gòu)，以允許開斷高電流。
盡管詳細(xì)介紹的是本發(fā)明的特定實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，按照本說明書的總體講述可發(fā)展出這些詳細(xì)描述的許多修正和替代。相應(yīng)地，所公開的特定布置也僅為解釋性的，并不限定本發(fā)明的范圍。以下的全面的權(quán)利要求書將給出發(fā)明范圍。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)的電氣觸頭，由Ag和由CrxCy和Cr組成的材料組選出的一種材料組成的。
2.權(quán)利要求1的觸頭，其中CrxCy從由Cr3C2，Cr7C3和Cr23C6和其混合物中選出。
3.權(quán)利要求2的觸頭，其中為加強(qiáng)電弧維持蒸汽可添加從由鉍、碲和鉈組成的材料組中選出的有效數(shù)量的三元素成分到所述合金中。
4.權(quán)利要求3的觸頭，其中往所述合金中加入重量約為0.10%至0.99%的所述三元素成分則可形成理想的電氣成分。
5.權(quán)利要求2的觸頭，其中往所述電氣成分中加入有效數(shù)量的鈷以改進(jìn)其濕潤特性和加強(qiáng)其基本100%密實(shí)、無孔隙的微結(jié)構(gòu)。
6.權(quán)利要求5的觸頭，其中重量約為0.5至2.5%的鈷加入所述理想成分中。
7.權(quán)利要求6的觸頭，其中合金由重量約為50至60%的銀和重量約為40至50%的Cr3C2組成。
8.權(quán)利要求7的觸頭，其中合金由重量約為58%的銀和重量約為42%的Cr3C2組成。
9.權(quán)利要求1的觸頭，具有基本100%密實(shí)、無孔隙的微結(jié)構(gòu)。
10.一種制造改進(jìn)的電氣觸頭的方法，該電氣觸頭由Ag和由CrxCy及Cr組成的材料組選出的一種材料組成的合金構(gòu)成，包括以下兩步即冷壓所述Ag和所述選出的材料混合物以形成未燒結(jié)毛坯和銀升溫滲入所述未燒結(jié)毛坯以獲得基本100%密實(shí)、無孔隙的微結(jié)構(gòu)。
11.權(quán)利要求10的方法，其中冷壓和形成毛坯進(jìn)一步包括(a)將銀和從由Cr3C2，Cr7C3和Cr23C6，它們的混合物及Cr組成的材料組中選出的材料混合以形成一種混合物，(b)用氫氣對混合物進(jìn)行處理以對混合后的粉狀物預(yù)涂/預(yù)燒結(jié)，(c)對混合的粉狀物進(jìn)行粉碎并通過網(wǎng)篩，和，(d)對混合粉狀物再混合并成形為固態(tài)毛坯。
12.權(quán)利要求11的方法，其中混合步驟進(jìn)一步包括采用增強(qiáng)棒，進(jìn)行約30至50分鐘。
13.權(quán)利要求12的方法，其中混合時(shí)間為45分鐘。
14.權(quán)利要求11的方法，其中對混合粉狀物預(yù)涂/預(yù)燒結(jié)的氫處理步驟進(jìn)一步包括在約900-1100℃溫度下進(jìn)行約40-55分鐘。
15.權(quán)利要求14的方法，其中氫處理步驟為在約1000℃溫度下進(jìn)行45分鐘。
16.權(quán)利要求11的方法，其中對混合粉狀物粉碎并通過網(wǎng)篩步驟包括使用約為15至25號的網(wǎng)篩。
17.權(quán)利要求16的方法，其中網(wǎng)篩號約為20。
18.權(quán)利要求11的方法，其中經(jīng)冷壓后，毛坯的密度對Ag-Cr3C2合金來說約為理論密度的80-85%，對Ag-Cr合金來說約為理論密度的87-93%。
19.權(quán)利要求10的方法，其中銀滲入毛坯的步驟進(jìn)一步包括在氫氣爐內(nèi)約1000-1200℃下將毛坯加熱約30分鐘至1.5小時(shí)。
20.權(quán)利要求19的方法，其中銀滲入步驟為1100℃下進(jìn)行一小時(shí)以產(chǎn)生100%密實(shí)、無孔隙的微結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種新的基于Ag-碳化鉻及Ag-Cr成分的低截?cái)嚯娏饔|頭材料，具有基本100％密實(shí)、無孔隙的微結(jié)構(gòu)。這些材料結(jié)合了Ag-WC和Cu-Cr觸頭的優(yōu)秀特性，但沒有它們的缺點(diǎn)。制造這種新低截?cái)嚯娏饔|頭材料包括以下兩步即冷壓Ag和鉻或碳化鉻的混合物以形成未燒結(jié)毛坯和銀升溫?fù)饺胛礋Y(jié)毛坯以獲得基本100％密實(shí)、無孔隙的微結(jié)構(gòu)。
文檔編號C22C5/06GK1113600SQ95103619
公開日1995年12月20日 申請日期1995年3月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月30日
發(fā)明者格拉漢姆·安托尼·懷特羅, 威廉·羅伯特·勞威克, 保爾·格拉漢姆·斯雷德 申請人:尹頓公司