包括触头尖端的系统的制作方法

包括触头尖端的系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了包括触头尖端的系统，所述触头尖端包括电弧产生表面、基部表面和分级结构。该分级结构包括第一区域、第二区域和中间区域，所述第一区域包括与电弧产生表面接近的第一表面，所述第二区域包括与基部表面接近的第二表面，所述中间区域设置在所述第一区域和所述第二区域之间。分级结构中的银浓度从第一表面到第二表面降低。形成触头尖端的方法包括制备用于触头尖端的第一区域、中间区域和第二区域的原材料。将第一区域、中间区域和第二区域的原材料按顺序加入容器中，以形成原材料的分级掺和物。使原材料的分级掺和物压紧并进行热处理，以形成具有分级结构的触头尖端。
【专利说明】包括触头尖端的系统

【技术领域】
[0001] 本发明一般涉及在电路断路器中具有电触头的触头臂组件。

【背景技术】
[0002] 触头和触头臂组件是断路器领域众所周知的。具有用于接通和断开电流的电触头 的触头臂组件不仅用于电路断路器中，还用于其他电气装置（例如旋转式双断断路器、接 触器、继电器、开关和切断装置）中。这些电气装置在其中使用的应用是巨大的，并且包括 但不限于公用事业、工业、商业、住宅和汽车工业。
[0003] 触头臂组件的主要功能是提供能够被致动以便使触头与第二触头和触头臂配置 分开的、用于电触头的载体（carrier),由此允许在电路中接通和断开电流。适合于上述应 用的电触头通常包括银。
[0004] 触头一般与触头臂以这样的方式结合：使得组件耐受热、电和机械应力，并且在主 装置的操作过程中将不拆卸，所述触头臂通常是但不一定是铜合金。触头失败主要由于磨 损而发生。通常影响触头并且触发磨损的因素是触头的构造或几何学（不同层/厚度）、材 料选择和在界面处产生空隙的加工（钎焊/焊接）。因此，存在对具有高界面质量的改良触 头组件的需要。本说明书呈现的系统和方法针对解决该需要。


【发明内容】

[0005] 在一个实施例中，呈现了系统。该系统包括触头尖端，所述触头尖端包括电弧产生 表面（arcing surface)、基部表面和在电弧产生表面和基部表面之间的分级结构（graded structure)。该分级结构包括第一区域、第二区域和中间区域，所述第一区域包括与电弧产 生表面接近的第一表面，所述第二区域包括与基部表面接近的第二表面，所述中间区域设 置在所述第一区域和所述第二区域之间。此外，分级结构中的银浓度从第一表面到第二表 面降低。
[0006] 在一个实施例中，呈现了形成触头尖端的方法。该方法包括制备用于触头尖端的 第一区域、中间区域和第二区域的原材料（starting materials)。将第一区域、中间区域和 第二区域的原材料按顺序（sequentially)加入容器中，以形成原材料的分级掺和物。使原 材料的分级掺和物压紧并进行热处理，以形成具有分级结构的触头尖端。分级结构具有从 第一区域到第二区域降低的银浓度。

【专利附图】

【附图说明】
[0007] 图1是依照本发明的一个实施例、包括触头尖端的系统的示意图；
[0008] 图2是依照本发明的一个实施例、包括一个明显分级结构的系统的示意图；
[0009] 图3是依照本发明的一个实施例、包括一个连续分级结构的系统的示意图；和
[0010] 图4是依照本发明的一个实施例、分级结构的扫描电子显微照片。

【具体实施方式】
[0011] 本说明书描述的系统和方法包括涉及触头臂组件的实施例，所述触头臂组件具有 在触头和触头臂之间的改善结合，由此允许触头臂组件经受住热、电和机械应力。
[0012] 在下述说明书和随后的权利要求中，单数形式"一个"、"一种"和"该/所述"包括 复数的所指对象，除非上下文另有明确说明。
[0013] 如本说明书使用的，当在区域或表面的不同组成或结构的讨论的上下文中使用 时，术语"邻近的"或"接近的"指"紧靠于"，并且它还指其中存在于讨论中的部件之间的其 他部件相对于部件中的至少任何一种各自的组成或结构变化不大的情况。
[0014] 现在参考图1，显示了示例性断路器系统10。该断路器系统10包括固定臂20,所 述固定臂20具有固定的触头尖端22,所述固定的触头尖端22具有固定的基部表面24和 固定的电弧产生表面26。该断路器系统还包括移动臂30,所述移动臂30具有可移动的触 头尖端32,所述可移动的触头尖端32具有可移动的基部表面34和可移动的电弧产生表面 36。触头尖端22、32的基部表面24、34附接至触头臂20、30,并且电弧产生表面26、36是自 由表面。
[0015] 在操作过程中，每当发生故障电流或短路时，在两个触头尖端22和32之间在电弧 产生表面26、36处出现电弧。由电弧产生的高热可熔化电弧产生表面26和36两者，并且 在基部24、34和电弧产生表面26、36之间的接触不良可导致触头材料从一个尖端转移到 另一个尖端，产生不均匀的电弧产生表面或在表面上产生碳渣。产生的碳渣可附着至电弧 产生表面26、36,并且降低触头的导电性，从而使电弧产生表面26、36遭受机械和电性能下 降。因此，希望构造这样的触头尖端22、32,其具有适当硬度、高耐磨性、高温稳定性以及基 部表面24、34和电弧产生表面26、36之间的良好结合。此外，电弧产生表面一般希望对氧 和硫反应是惰性的。
[0016] 如上所述，触头尖端22、32的可靠性对于增加电开关设备的寿命是希望的。触头 的磨损可通过构造、材料选择和/或加工中的改变而得到减少。诸如挤出（extrusion)、模 具压紧（die compacting)、模塑（molding)的方法通常用于制造电弧产生表面26、36。电 弧产生表面26、36通常在大多数常规电开关设备中在铜基部24、34上进行钎焊或焊接。本 发明的不同实施例提供了具有在基部表面和电弧产生表面之间的分级结构的触头尖端22、 32,和无需使用钎焊或焊接而制造触头尖端22、32的新方法，并且由此消除在触头尖端22、 32结构中的空隙。
[0017] 在一个实施例中，如图2中所示，断路器系统10包括在固定的触头尖端22或可移 动的触头尖端32的基部表面和电弧产生表面之间的分级结构40。如本说明书使用的，"在 基部表面和电弧产生表面之间的分级结构"意指在基部表面和电弧产生表面之间的结构具 有从基部表面到电弧产生表面或反之亦然的梯度。如本说明书使用的，术语"梯度"意指所 述结构的特征参数值随着从基部表面到电弧产生表面的方向中的位置的变化而变化。特征 参数可以是例如组成、密度、厚度、反应性或显微结构。在一个实施例中，梯度是在分级结构 的组成中。
[0018] 在个实施例中，固定的触头尖端22和可移动的触头尖端32两者均包括分级结 构40。本说明书描述的实施例使用固定的触头尖端22作为具有分级结构40的实例，而可 移动的触头尖端32可具有或不具有相似构造。分级结构40包括多层体系结构，所述多层 体系结构包括与电弧产生表面接近的第一区域50、与基部表面接近的第二区域60、以及设 置在第一区域和第二区域之间的中间区域70。第一区域50包括面对电弧产生表面26的第 一表面52,并且第二区域60包括面对基部表面24的第二表面62。分级结构可任选还具有 在第一区域和第二区域之间的中间区域。
[0019] 在一个实施例中，如图2中所示，分级结构40包括处于不同、但整合结构中的第一 区域50、第二区域60和中间区域70。在一个实施例中，第一区域50、第二区域60和中间区 域70是如图3中所示，根据其分层位置彼此整合的无缝结构，而不是在结构中与邻近区域 明显分开。该实施例中的分级结构具有连续的分级结构。连续分级结构的界面在宏观水平 上可能是不明显的，但可具有可在微观尺度上识别的层界面。
[0020] 本说明书描述的不同或连续多层体系结构构造为不含缺陷或空隙，并且设计为针 对损耗是强壮的（即针对损耗具有优异的结构或性能等）。该多层结构具有超过目前触头 设计的优良的机械强度、散热和电性能。分级结构促进可靠的触头构造，并且可通过添加制 造（additive manufacturing)而形成，由此消除金属的钎焊或连接。
[0021] 由于其高导热性和导电性，以及对氧、氮和硫相当大的惰性，银被视为极佳的触头 尖端22材料。然而，银具有低熔点，使得它易于熔合且粘结。此外，在大量使用时，银是昂 贵的材料。为了克服这些挑战，在一个实施例中，银合金或金属混合物连同银一起使用，以 增加硬度。
[0022] 在一个实施例中，银用作电弧产生表面26,并且分级结构40中的银浓度从第一表 面52到第二表面62降低。例如，在其中分级结构40具有不同的多层结构的一个实施例中， 银可以逐步方式从第一表面52到第二表面62降低。在其中层从第一表面52到第二表面 62处于连续分级（gradation)的实施例中，银浓度可从第一表面52到第二表面62连续降 低。类似地，分级结构40中的铜浓度可从第二表面62到第一表面52降低。在一个实施例 中，电弧产生表面26包括基本上100 %的银，并且分级结构40可具有其中银百分比从第一 区域50到第二区域60降低的不同区域，并且第二表面62是基本上不含银的。在一个实施 例中，基部表面24包括基本上100%的铜。
[0023] 如本说明书使用的，"基本上100%的"用于限定预期的100%组成，但可包括不会 不当地降低电弧产生表面26或基部表面24性能的任何杂质，并且还包括在加工过程中偶 然变得在表面处掺入的任何杂质。在一个实施例中，电弧产生表面26中的银浓度大于约 98 %，并且基部表面24中的铜浓度大于98 %。如本说明书使用的，所述百分比是重量百分 比。
[0024] 本说明书使用的分级结构40可由金属、金属合金、金属氧化物、碳化物或氮化物 组成。在一个实施例中，分级结构40包括鹤、钥、镍、碳或其任何组合。分级结构40可包 括这些元素中的任一种与银或铜的金属混合物作为分级结构40的一个或多个区域的一部 分。如本说明书使用的"金属混合物"是银或铜与金属、非金属、合金或金属和非金属的化 合物的混合物。因此，在一个实施例中，金属混合物可具有以混合物形式的银-石墨（作为 另外一种选择，银-碳），其中银和碳一般不彼此反应以形成化合物。在一个实施例中，银可 以与碳化钨的混合物形式。
[0025] 在一个实施例中，金属混合物包括金属碳化物、银-钨合金、银-镍合金、银-碳化 鹤复合物、银-钥复合物或这些的任何组合。在一个实施例中，分级结构40具有从分级结 构40的表面到中心在金属混合物的组成中的渐增分级。当与各自区域中的银或铜浓度相 比较时，在分级结构40的中间区域70中的重量平均的金属混合物浓度可基本上高于在第 一区域或第二区域处的金属混合物浓度。
[0026] 在一个实施例中，镍、碳、钨、钥和碳化钨连同银、铜、或银和铜作为个别金属混合 物一起进行研究。在一个实例中，第一区域50包括银-镍金属混合物；中间区域70包括 银-铜-镍金属混合物；并且第二区域60基本上是铜。
[0027] 在另一个实例中，第一区域50包括具有35/65各自重量百分比率的银-钨金属混 合物，中间区域70包括具有15/20/65各自重量百分比率的银-铜-钨金属混合物，并且第 二区域60基本上是铜。
[0028] 在一个或多个实例中，第一区域50包括具有95/5各自重量百分比率的银-石墨 金属混合物，中间区域70包括具有70/25/5各自重量百分比率的银-铜-碳化物金属混合 物，并且第二区域60基本上是铜。
[0029] 在另外一个实例中，第一区域50包括具有35/65各自重量百分比率的银-碳化钨 金属混合物，中间区域70包括具有15/20/65各自重量百分比率的铜-碳化钨-钨金属混 合物，并且第二区域60基本上是铜。
[0030] 在进一步的实例中，第一区域50包括银-碳化钨金属混合物，中间区域70包括 银-铜-碳化钨金属混合物，并且第二区域60基本上是铜。
[0031] 在一个或多个实例中，第一区域50包括银-碳化钨金属混合物，中间区域70包括 铜-碳化钨金属混合物，并且第二区域60基本上是铜。
[0032] 在一个或多个实例中，第一区域50包括银-碳化钨金属混合物，中间区域70包括 银-铜-碳化钨金属混合物，并且第二区域60包括铜-碳化钨金属混合物。
[0033] 在一个或多个实例中，第一区域50包括银-碳化钨金属混合物，中间区域70包括 铜-碳化钨-钨金属混合物，并且第二区域60包括铜-碳化钨金属混合物。
[0034] 图4描述了分级结构40的扫描电子显微照片（scanning electron micrograph, SEM)。分级结构包括不同浓度的银和铜的多层。例如，第一区域50具有100%的银，并且第 二区域60具有100%的铜。中间区域70和80在这些层中的银和铜浓度方面不同。例如， 层70包括比铜更高浓度的银，并且区域80包括比该表面中铜的量更低浓度的银。
[0035] 具有分级结构40的触头尖端可使用特定过程形成，所述特定过程促进分级结 构的不同区域的无空隙连接或形成。例如，诸如冷压、热压和热等静压（hot isostatic pressing, HIP)的方法可用于分级结构40的形成。
[0036] 在一个实施例中，将不同层的粉末个别掺和，以所需层构造排列并使用单轴压制 而压紧。压紧的掺和物可在惰性气氛中在约650°C至约1000°C范围的温度下进行烧结。银 可渗透到压紧并烧结的结构的孔内，以用银填充孔并且使银沉积在第一表面上。
[0037] 作为另外一种选择，可在个别层粉末或掺和物的压紧过程中，使用不同类型和浓 度的粘合剂在分级结构中形成分级的孔结构。这些粘合剂在烧结过程中蒸发，并留下以后 可由电弧产生表面材料（例如银）填充的孔。
[0038] 在一个实施例中，可对以分层构造排列的粉末掺和物实施HIP或放电等离子体烧 结，以使不同层连接在一起，因此制备整体的触头尖端22。
[0039] 实例
[0040] 下述实例示出了依照具体实施例的材料、方法和结果，并且像这样不应解释为对 权利要求施加限制。所有部件均从常见供应商商购可得。
[0041] 使用的一些粉末的粒子大小和密度细节如下表1中给出的。分级结构连同基部表 面和电弧产生表面一起的一些部分的示例组成如表2中给出的。本领域技术人员应当理解 不同粒子大小和粒子密度可用于配制分级结构。此外，分级区域的数目以及基部表面、电弧 产生表面和分级区域的组成和结构可由于例行实验（routine experiments)而改变，以形 成进一步改良的触头尖端结构。
[0042] 表 1.

【权利要求】
1. 一种系统，所述系统包括： 触头尖端，所述触头尖端包括 电弧产生表面； 基部表面；和 在所述电弧产生表面和所述基部表面之间的分级结构，其中所述分级结构包括 第一区域，所述第一区域包括与所述电弧产生表面接近的第一表面； 第二区域，所述第二区域包括与所述基部表面接近的第二表面；和 中间区域，所述中间区域设置在所述第一区域和所述第二区域之间，其中 所述分级结构中的银浓度从所述第一表面到所述第二表面降低。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分级结构包括在所述电弧产生表面 和所述基部表面间的连续分级体系结构。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分级结构中的铜浓度从所述第二表 面到所述第一表面降低。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电弧产生表面包含基本上100%的 银。
5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基部表面包含基本上100%的铜。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分级结构还包含钨、碳化钨、钥、镍、 碳或前述的组合。
7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分级结构包含金属混合物。
8. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述金属混合物包含金属碳化物、银-钨 合金、银-镍合金、银碳化钨复合物、银钥复合物或前述的组合。
9. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，在所述中间区域中的所述金属混合物的 浓度基本上高于在所述第二区域处的所述金属混合物的浓度。
10. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述分级结构包含在所述金属混合物的 组成中的分级。
11. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一区域包含银-镍金属混合物； 所述中间区域包含银-铜-镍金属混合物；并且所述第二区域基本上包含铜。
12. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一区域包含银-钨金属混合物； 所述中间区域包含银-铜-钨金属混合物；并且所述第二区域包含基本上100重量％的铜。
13. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一区域包含在所述第一区域中的 银石墨金属混合物；所述中间区域包含银-碳化铜金属混合物；并且所述第二区域包含基 本上100重量％的铜。
14. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一区域包含在所述第一区域中的 银-碳化钨金属混合物；所述中间区域包含铜-碳化钨-钨金属混合物；并且所述第二区域 包含基本上100重量％的铜。
15. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一区域包含在所述第一区域中的 银-碳化钨金属混合物；所述中间区域包含铜-碳化钨-银金属混合物；并且所述第二区域 包含基本上100重量％的铜。
16. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一区域包含在所述第一区域中的 银-碳化钨金属混合物；所述中间区域包含铜-碳化钨金属混合物；并且所述第二区域包 含铜-碳化钨金属混合物。
17. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一区域包含在所述第一区域中的 银-碳化钨-钨金属混合物；所述中间区域包含铜-碳化钨-钨金属混合物；并且所述第二 区域包含铜-碳化钨金属混合物。
18. -种形成触头尖端的方法，所述方法包括： 制备用于所述触头尖端的第一区域、中间区域和第二区域的原材料； 将所述第一区域、中间区域和第二区域的原材料按顺序加入容器中，以形成原材料的 分级掺和物； 使所述容器中的所述分级掺和物压紧并进行热处理，以形成具有分级结构的触头尖 端，使得 所述分级结构中的银浓度从所述第一区域到所述第二区域降低。
19. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述分级掺和物使用放电等离子体烧 结进行压紧。
20. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述分级掺和物使用热等静压进行压 紧。
【文档编号】H01H11/04GK104377046SQ201410403692
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2013年8月16日
【发明者】N.卡卡达, G.C.拉马钱德兰, T.阿索肯 申请人:通用电气公司