用于真空断流器的触点形成材料的制作方法

专利名称：用于真空断流器的触点形成材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于真空断路器或真空电路断流器中作为触点形成材料的烧结合金，更具体地说，本发明涉及一种用于真空断流器的、具有改进的电流斩波特性和灭高频弧特性的触点形成材料。
利用真空中电弧扩散性能进行断流的真空断流器触点是由两个相对的触点，即静止触点和可动触点构成的。当感应电路诸如电动机负载的电流由真空断流器断流时，就会产生过量或异常的浪涌电压，往往使负载装置趋于损坏。
这种异常浪涌电压的产生归因于诸如当在真空中将小电流断流时产生的斩波现象(在交变电流波形到达自然零点之前强迫断流)和灭高频弧现象。
由斩波现象引起的异常浪涌电压值Vs可表达为电路浪涌阻抗Zo和电流斩波值Ic的乘积，即Vs＝Zo·Ic。因此，为了减小异常浪涌电压Vs，必须降低电流斩波值Ic。
为了满足上述要求，研制了真空开关，其中使用由碳化钨(WC)-银(Ag)合金构成的触点(日本专利申请号68447/1967和美国专利号3，683，138)。该真空开关已投入实际应用。
由Ag-WC合金构成的触点具有下列优点(1)WC的存在有利于电子发射;
(2)由于场致发射电子的碰撞，电极表面被加热而加速了触点形成材料的蒸发;以及(3)触点表现出低的斩波电流特性，这种特性对例如通过电弧分解触点形成材料的碳化物和形成带电粒子而保持电弧是极好的。
另一种表现出低斩波电流特性的触点形成材料是铋(Bi)-铜(Cu)合金。该材料已被投入实际应用，用它来形成一种真空断流器(日本专利公报号14974/1960，美国专利号2，975，256，日本专利公报号12131/1966和美国专利号3，246，979)。
这些合金中，包含10%(重量)(此后称为重量百分比wt%)Bi的合金(日本专利公报号14974/1960)具有合适的蒸气压特性，因此表现出低的斩波电流特性。包含0.5wt%(重量百分比)Bi的合金(日本专利公报号12131/1966)使Bi在晶界处偏析，因而使合金本身变脆。因此，实现了低焊接(粘结)断开力，并且合金具有良好的大电流断流性能。
表现出低斩波电流特性的另一种触点形成材料是Ag-Cu-WC合金，其中Ag与Cu的比率大约为7∶3(日本专利申请号39851/1982)。在该合金中，选择了现有技术中没有用过的Ag与Cu之比，因此据说获得了稳定的斩波电流特性。
另外，日本专利申请号216648/1985提出，当耐弧材料的粒子大小(例如WC的粒子大小)为0.2至1微米时，对于改进低斩波电流特性是有效的。
真空断流器需要低的浪涌性能，因此在现有技术中要求低的斩波电流特性(低斩波特性)。
近年来，真空断流器被日益用于感应电路，诸如电动机和高浪涌阻抗负载。因此，真空断流器必须既具有更稳定的低斩波电流特性，又具有令人满意的灭高频弧特性(高频电流断流能力)。这是因为，已发现由多次再点火引起的浪涌对负载的绝缘以及由电流斩波引起的浪涌来说都是不希望的。
迄今为止，没有一种触点形成材料能同时满足这两种特性。
这就是说，尽管由上述电流斩波(过电压)引起的浪涌可通过减小电流斩波值而得到改善，由重复的高频再点火引起的浪涌是这样一种浪涌，即当在电流斩波后电极间产生介质击穿时，通过断开视电路条件而定的高频电流使恢复电压值增加，并且恢复电压值还通过重复电极间产生介质击穿的过程而增加，由此产生了过量的浪涌电压。在这种情况下，产生一浪涌，以消除高频电流，而通过改善灭高频弧特性，可减小所产生的浪涌，因而使浪涌电压减小。因此，有必要改善和稳定高频电流放电的电弧恢复(重建)特性。
在由WC-Ag合金构成的触点中(日本专利申请号68447/1967)和美国专利号3，683，138)，斩波电流值本身是不足的，并且没有把注意放在灭高频弧特性的改善上。
在10wt%(重量百分比)Bi-Cu合金中(日本专利公报号14974/1960和美国专利号2，975，256)，当合-断次数增加时，进入电极间空间的金属蒸气量减少，在这种合金中，存在着低斩波电流特性和耐压特性的降低，降低的程度视具有高蒸气压的元素的数量而定。另外，灭高频弧特性并不太令人满意。
在0.5wt%(重量百分比)Bi-Cu合金中(日本专利公报号12131/1966和美国专利号3，246，979)，其低斩波电流特性是不足的。
在Ag与Cu重量比约为7∶3的Ag-Cu-WC合金(日本专利申请号39851/1982)和耐弧材料粒度为0.2至1微米的合金(日本专利申请号216648/1985)中，其灭高频弧特性并不太令人满意。
本发明的一个目的是为了提供一种集良好低斩波电流特性和灭高频弧特性于一体的、满足在严峻条件下使用真空断流器要求的触点形成材料。
我们发现，对于Ag-Cu-WC触点形成材料来说，如果对Ag和Cu的含量、它们的比例和状态进行优化，如果耐弧组分WC的粒度更精细的话，那么可有效地达到本发明的目的。
本发明的用于真空断流器的触点形成材料涉及Ag-Cu-WC触点形成材料，它包括一由Ag和Cu构成的高导电性组分和一由WC构成的耐弧组分，其中(ⅰ)高导电性组分Ag和Cu的总含量(Ag+Cu为25-65wt%，Ag占Ag和Cu总量的百分数[Ag/(Ag+Cu)]为40至80wt%。
(ⅱ)耐弧组份的含量为35至75wt%;以及(ⅲ)触点形成材料结构包括一个基体和一高导电性组份非连续相，所述非连续相的厚度或宽度不大于5微米，耐弧组份的非连续粒子的粒度不大于1微米;高导电性组份非连续相以不超过5微米的间隔精细地和均匀地分散在基体中。
在本发明的一较佳实施例中，触点形成材料可包含由Co构成的、含量不大于1wt%的第一辅助成分。
在本发明的一个较佳实施例中，触点形成材料可进一步包含由C构成的含量为1ppm至10×102ppm的第二辅助成份。
在本发明的一个实施例中，以一定的比例将厚度或宽度不大于5微米的高导电组份非连续相精细地和均匀地分散在基体中，其间距不超过5微米，基体和高导电性组份非连续相分别为(ⅰ)溶解有Ag的Cu固溶体和溶解有Cu的Ag固溶体，或(ⅱ)溶解有Cu的Ag固溶体和溶解有Ag的Cu固溶体。
在本发明的一个较优实施例中，第一辅助组份Co的平均粒度不大于10微米，部分或全部Co可由Ni和/或Fe代替。
在本发明的另一较优实施例中，第二辅助组份C的平均粒度不大于1微米，并且C作为游离碳高度分散在高导电性组份非连续相和耐弧组份非连续粒子之间的界面中。
在本发明的又一个较优实施例中，对于高导电性组份来说，厚度或宽度不超过5微米的高导电组份非连续相以不大于5微米的间隔精细地和均匀地分散在基体中，这一状态的高导电性组份至少占高导电组份总量的50%(面积)。


图1是使用本发明的用于真空断流器的触点形成材料的真空断流器的剖视图。
图2是图1所示真空断流器的电极部分的放大的剖视图。
为了改善电流斩波特性，将电流斩波值本身保持在一个较低的值是特别重要的。除了上述以外，减小其分散宽度也是极其重要的。人们认为，上述电流斩波现象是与触点间的蒸气量(蒸气压和导热作为材料的物理性能)和由触点形成材料发射出的电子有关的。根据我们的实验，发现前者比后者关系更大。我们发现，如果蒸气的供给得到促进或如果触点是由容易进给蒸气的材料制得的，就可减轻电流斩波现象。上述Cu-Bi合金具有低的斩波值。然而，这样的Cu-Bi合金具有致命的缺点，即Bi具有低的熔点(271℃)，因此在对真空断流器通常进行的约600℃的焙烧过程或800℃的银铜焊过程中，Bi会熔化。熔融的Bi流动并聚集。结果，应该起保持电流斩波特性作用的Bi变得分布不均匀。因此，出现了电流斩波值的分散宽度增加的现象。
另一方面，在以Ag-WC为代表的Ag和耐弧材料型合金中，可能产生下列缺点。尽管最终结果受到在耐弧材料(这种情况下为WC)沸点时Ag蒸气量的影响，Ag的蒸气压比在上述Cu-Bi系统中的Bi的蒸气压低得多，因此这就导致了热不足，即蒸气短缺，短缺程度取决于阴极辉点所系触点的组成要素(Ag或耐弧材料)。最后，证实了电流斩波值的分散宽度变得明显。人们认为，通过使用一种由Ag和耐弧材料构成的合金，防止电流斩波结束时触点表面温度的急剧下降和保持电弧是困难的。人们的结论是，为了获得较高的性能，使用辅助工艺是必要的。上述日本专利申请号39851/1982揭示了一种改进的方法，该日本专利申请提出了一种工艺，其中将Ag-Cu合金用作高导电性组份且将晶粒细致地分布。根据该工艺，产物的性能非常稳定。电弧所系的是一种耐弧组份或Ag-Cu合金。在任何情况下，由于Ag-Cu蒸气的供给，电流斩波现象均有所减轻(改善)。然而，当电弧系于耐弧组份时，会导致某种分散的产生。
另一方面，分散宽度由于耐弧组份的精细化而得到改善。因此，这意味着耐弧组份的粒度在电流斩波现象中起着重要的作用。观察结果表明，在观察到偏析(耐弧组份的粒度是其起始粒度的约10至约20倍)的触点形成材料中，存在着显著的分散，这种观察结果意味着应使用在特定范围内的粒度。
尽管如日本专利申请号39851/1982中所述斩波电流特性可通过控制Ag和Cu的量以及将WC的粒度控制到特定的值而得到改善，其中描述的工艺既不能提供较低的斩波电流特性，又不能保证灭高频弧特性。特别是，灭高频弧特性并不能由日本专利申请号39851/1982中描述的工艺而得到改善。
如上所述，由多次再点火引起的浪涌是这样一种浪涌当在电流斩波后电极间产生介质击穿时，断开视电路条件而定的高频电流使恢复电压值增加，同时，电极间产生介质击穿的过程的重复也增加恢复电压值，由此产生过量的浪涌电压。为了抑制过量的浪涌电压，希望进行电弧的恢复(重建)，直到出现商用频率的负载电流，而不熄灭在介质击穿期间在电极间以短的间隔通过的高频电流放电。
如果出现商用频率的负载电流，断流器在电极间打开足够的间隔长度，直到达到下一个电流零点。因此，完成断流而不发生介质击穿或在达到电流零点后电极间介质击穿的重复。因此，不产生上述过量的浪涌电压。
如果其灭高频弧能力降低，即使不达到电弧的恢复，由多次再点火引起的浪涌也会减小。这就是说，电极间以短的间隔进行的高频电流放电的电弧恢复特性必须得到改善。
为了改善电弧恢复特性，在本发明中，首先是高导电性组份Ag和Cu同时存在，形成了基体和(1)溶有Cu的Ag固溶体(2)溶有Ag的Cu固溶体的非连续相(层状结构或棒状结构)。非连续相的厚度或宽度不超过5微米，非连续相以不超过5微米的间隔精细地和均匀地分散在基体中，由此高导电性组份设计得等于或最好小于电弧辉点直径尺寸。结果，主要起保持和维持电弧作用的Ag和Cu组分(此后称为电弧保持材料)的熔点降低，同时其蒸气压增加。
其次，WC的平均粒度不大于1微米，较佳不大于0.8微米，最好不大于0.6微米。该要求目的在于将电弧保持材料的分散转变为更高度均匀分散状态。如此后例子和对比例中所表明的那样，即使仅将电弧保持材料(Ag和Cu)的含量以及它们的比例规定在特定范围内，也不能同时获得所希望的低斩波特性和所希望的灭高频弧特性。根据本发明，通过将WC颗粒的特定平均粒度与电弧保持材料的特定值结合，电弧保持材料(Ag和Cu)的结构才得以高度改善和稳定。
通常，一种在真空电弧中具有高蒸气压的材料的离子的电荷趋于降低。(见“在真空电弧的阴极辉点区的侵蚀和电离”，C.W.Kimblin编辑，JournalofApplicdPhysics(应用物理杂志)，Vol.44，No.7，P3074，1973)。这就是说，不仅蒸发量增加，而且有许多低离子价的离子出现在电弧中。因此，当在电极间以短的间隔进行高频电流放电过程中达到电流零点时，本发明的存在于电极间短间隙处的残留等离子体量(即，存在Ag和Cu，从而满足了特定要求)大于电弧保持材料仅是Ag或电弧保持材料仅是Cu的情况。这对于同时保证作为本发明目的的低斩波特性和灭高频弧特性来说是可取的。
尽管Cu离子的质量比Ag离子轻，在电流零点时Cu离子的离子漂移速度比Ag离子大(Cu930m/sec;Ag630m/sec)(见上述文章)。因此，在Cu与电极碰撞时获得的能量比Ag大。电极由离子冲击局部加热，从而获得这种加热和由上述残留等离子体的数量达到的效应的结合。即使在高频小电流放电过程中达到电流零点，在新成为阴极的电极表面上具有形成新阴极辉点的倾向。因此，高频小电流放电过程中的电弧恢复特性得到改善。
由于本触点形成材料具有如此改善的电弧恢复特性，即使在电极间以短的间隙产生介质击穿，也容易出现商用频率的负载电流。结果，延展了0.5周期电弧时间。由于在电极充分打开后达到电流零点，可以抑制过量浪涌电压的产生。因此，Ag和Cu的含量、它们的比例和状态是特定的，耐弧组分WC的粒度被更加改善，由此可同时改善低斩波特性和灭高频弧特性。
现在参考附图对本发明进行描述。
图1是真空断流器的剖视图，图2是真空断流器电极部分的放大的剖视图。
在图1中，编号1表示断流室，该断流室1由一绝缘材料制成的基本上呈管形的绝缘容器2和通过密封金属配件3a和3b安装在其两端的金属帽4a和4b来达到真空密封。
固定在导电棒5和6相对端上的一对电极7和8被安置在上述断流室1中，上端电极7是一静止电极，下端电极8是一可动电极。可动电极8的电极棒6配有波纹管9，由此使电极8能进行轴向运动，同时保持断流室1真空密封。波纹管9的上端部分配备有一金属电弧防护罩10，以防止波纹管9被电弧和金属蒸气覆盖。编号11表示置于断流室1中的金属电弧防护罩，从而使金属电弧防护罩覆盖上述电极7和8。这就防止了绝缘容器2被电弧和金属蒸气覆盖。如放大2所示，电极8通过铜焊部分12固定到导电棒6上，或通过填隙进行压力连接。触点13a由铜焊14固定到电极8上，触点13b通过铜焊固定到电极7上。
下面将描述制造触点形成材料的方法的一个例子。在生产之前，根据必要的粒度将耐弧组分和辅助组分分粒。例如，通过采用筛分法和沉降法结合来进行分粒操作，从而方便地获得具有特定粒度的粉末。首先，提供特定量的具有特定粒度的WC、Co和/或C以及一部分特定量的具有特定粒度的Ag，将它们混合和随后压制，从而获得一种粉末模制品。
然后，在露点不大于-50℃的氢气氛下或在不超过1.3×10-1Pa的真空下，在特定温度例如1，150℃(1小时)下烧结粉末模制品以获得一种烧结体。
然后，在1，150℃温度下，使具有特定比例的一定量Ag-Cu渗透入烧结体的残留孔中，该过程进行1小时，从而获得一种Ag-Cu-Co-WC合金。尽管渗透过程大体上是在真空中进行的，它也可在氢气中进行。
在不包含Co的Ag-Cu-WC情况下，所进行的工艺过程与上述相同，C被预先混入WC和/或Ag-Cu中，然后形成烧结体。
合金中导电组分比例Ag/(Ag+Cu)的控制是按下列方式进行的例如，在1.3×10-2Pa的真空和1200℃温度下，将预先具有特定比例Ag/(Ag+Cu)的锭块进行真空熔化，切割所得产品，将其用作渗透原料。
控制导电组分比例Ag/(Ag+Cu)的另一种方法可通过下列方式完成先将一部分特定量的Ag或Ag+Cu混合入WC中，然后渗透剩下的Ag或Ag+Cu，以制得一种烧结体。由此，可获得具有所需成分的触点形成合金。
下面将叙述对本发明例子中获得的数据进行评价的方法和评价条件。
(1)电流斩波特性将各个触点固定和抽真空至不大于10-3Pa，以制备一种组合型真空断流器。该真空断流器以0.8m/sec的开启速度打开，测量当断开小感应电流时获得的斩波电流。断流电流为20安培(有效值)，频率为50Hz。开启是任意进行的，当三个触点各自进行500次断流时，测量获得的斩波电流。它们的平均和最大值如表1至表6所示。所述数值是相对值，它们是将例2斩波电流值的平均值取为1.0而获得的。
(2)灭高频弧特性当在开关小感应电流期间由电流斩波而在负载侧产生过电压时，过电压和电源电压间的差电压施加于真空断流器的两电极上。如果电极电压超过触点间隙的耐压值，介质被击穿而放电，瞬时高频电流通过触点。当该高频电流被断开时，触点回到原始状态，并产生过电压。过电压使触点间隙放电，这样就出现了人们称之为多次再点火现象的重复现象。在具有灭高频弧能力的断路器诸如真空断路器的情况下，在某些电路条件下，由多次再点火产生了大的浪涌电压，并可能损害负载装置(电动机或变压器)的绝缘。人们认为，灭高频弧能力越小，重复再点火越困难。因此，所产生的浪涌变小。
为了检查各个触点的灭高频弧特性，通过将各个触点固定和抽真空至不超过10-3Pa而制得真空断流器。通过结合真空断流器而制成一断路器。用该断路器对一6.6KV，150KVA单相变压器进行负载电流断流试验。该断路器和变压器由长度为100米的6.6KV单相XLPE电缆(导线的横截面面积为200平方毫米)连接。所用的负载电流为10安培(有效值)，断路器的开启速度为每秒0.8米(平均)。控制断路器的开启相，在产生多次再点火的阶段进行断流。在多次再点火过程中流过电路的瞬间高频电流的频率决定于断路器周围的电感以及电源和负载端处的浮动电容。在该试验中，瞬时高频电流的频率为约100KHz。所述灭高频弧能力的测量如下。每个触点进行二十次断流试验，在开启后1毫秒测定灭高频弧能力的平均值。
表中的数值都是相对值，它们是将例2的灭高频弧能力[当在上述条件下断开电流时获得的电流零点处的电流衰减百分数di/dt(A/μsec)]作为100%获得的。
试验触点制造试验触点的材料以及相应的特性数据如表1至表6所示。
如表中所示，Ag-Cu-WC-Co合金中Ag+Cu的量在14.3wt%至82.2wt%范围内变化，Ag与Ag+Cu的比例Ag/(Ag+Cu)在0至100wt%范围内变化，由Ag和Cu的状态区所占据的比例分成75-100%(面积)、50%(面积)、25%(面积)和不超过10%(面积)几种，上述状态区是指这样一种状态厚度或宽度不超过5微米(片状或棒状结构)的高导电性组分非连续相精细和均匀地分散在基体中，其间隔不超过5微米。上述%面积是通过调节冷却各个触点的冷却速度，即在1000℃或更高温度和770℃之间的温度范围内将温度减少100℃所用的平均冷却速度而获得的。例如，最好通过在以每分钟至少6℃的速度下冷却时凝固而达到上述要求。低于每分钟0.6℃的冷却速度对于Ag和Cu的分散是不利的。
另外，对粒度为0.1微米至9微米的由WC构成的触点进行了评价，并评价了采用Co作为辅助组分(Co＝0.05-3.5微米)所获得的触点、不使用Co(Co＝0)所获得的触点和采用粒度为0.1至44微米的Co所获得的触点。
这些条件和相应的结果如表1至表6所示。
例1至例3和对照例1和2
提供平均粒度为0.7微米的WC粉末和平均粒度为1.5微米的Co粉末，以一定比例将它们混合和随后模压，模压压力合适地选择在每平方厘米0至8公吨范围内，从而调节烧结后存在的残留空隙量。在合金中Ag+Cu量较大的情况下(例3Ag+Cu＝65wt%;对照例2Ag+Cu＝82.2wt%)，可采用一种模压压力特别低的方法，或采用另一种方法，其中将一部分Ag+Cu预先与WC和Co混合以得到一种混合物，然后将混合物模压。将混合物模压后，采用下列方法。在例1和对照例1中，在例如1100℃至1300℃的温度下烧结混合物而获得WC-Co烧结体。在例2和例3以及对照例2中，在小于1100℃的温度下烧结混合物，而获得烧结体。因此，Ag和Cu渗透入具有不同孔隙度的烧结体孔隙中(如果必要，只渗透Ag)，从而最终获得这样的合金，其中Ag-Cu-WC-Co合金中的Ag+Cu量为14%至82wt%(对照例1和2以及例1至3)。将这些触点原料处理成特定的形状，在上述条件下通过上述的评价方法来评价其斩波特性和灭高频弧特性。
如上所述，所述斩波特性是通过比较它在进行500次断流时获得的特性来评价的。从表1和表2所示的对照例1和2以及例1至3可以看到，当将例2的斩波值的平均值(Ag+Cu＝46.1wt%，Ag/(Ag+Cu)＝73.5%)表达为1.0时，合金中采用Ag+Cu而获得的斩波值平均值不超过2(斩波值平均值的增加表明性能变劣)。当Ag+Cu＝14.3wt%(对照例1)和Ag+Cu＝82.2(对照例2)时，最大值较高。相反，当Ag+Cu为25至65wt%(例1至3)时，最大值小于2.0(其性能是好的)。特别是，观察到当进行大量断流时，具有少量Ag+Cu的触点诸如对照例1(Ag+Cu＝14.3wt%)的斩波特性在约2000次开闭后变坏。
另一方面，对灭高频弧特性进行评价。采用例2的特性作为标准100来检查相对值。当Ag+Cu的量为25至65wt%(例1至3)时，获得稳定的性能。当Ag+Cu的量为14.3wt%(对照例1)和82.2wt%(对照例2)时，上述相对值趋于增加(其性能变坏)，观察到相对值有超过200的。因此，从斩波特性和灭高频弧特性出发，Ag-Cu-WC-Co合金中Ag+Cu的量最好在25至65wt%范围内。
例4至8以及对照例3至6如上所述，发现即使Ag+Cu的量在较佳的范围内，即在25至65wt%范围内，其斩波特性和灭高频弧特性也会变坏，除非Ag-Cu-WC-Co合金中Ag与Ag+Cu的比例是适当的。这就是说，当Ag/(Ag+Cu)值为40至80wt%(例4至8)时，可获得较好的斩波特性(其相对值小于2.0)和较好的灭高频弧特性(其相对值不超过200)。
我们发现，当Ag/(Ag+Cu)值为96.8wt%和100wt%(对照例3和4)时，观察到较高的导热性能。除此之外，我们还发现，当Ag/(Ag+Cu)值为21.2wt%至0(对照例5和6)时，其斩波性能降低，这主要是由于作为蒸气源的Ag的量缺少而引起的。
在例1至8和对照例1至6中，相对于Ag+Cu的量和Ag/(Ag+Cu)比值来说，斩波特性和灭高频弧特性都表现出相同的趋势。
例9和10以及对照例7和8以常规方法制备触点，其中Ag-Cu-WC-Co合金中Ag-Cu部分的状态区占据的比例具有特定的面积%，上述状态是指这样的状态，即厚度或宽度不超过5微米(层状或棒状结构)的高导电性组分非连续相精细和均匀地以不超过5微米的间距分散在基体中，Ag+Cu的量大约为45wt%，Ag/(Ag+Cu)大约为70wt%。通过渗透、以一定的冷却速度冷却和将它们在800℃至1000℃的温度下热处理(再加热停留)约1小时，以获得具有各种不同面积比例(%)的触点。当面积比例为至少50%(例9和10)时，触点具有低的斩波性能，并表现出良好的灭高频弧性能。相反，当面积比例较小时(对照例7和8)，观察到斩波特性变差，特别是，所述最大值急剧增加(变差)，而且其灭高频弧特性也增加了(变差)。因此，在Ag+Cu相中Ag和Cu所述状态区的面积比例最好为至少50%。
例11至13以及对照例9Co在Ag-Cu-WC合金中被用作一种辅助组分，在合金生产过程中，它抑制了WC偏析或产生孔隙。即使Co为0，精心制备使得WC的偏析或孔隙的产生得到控制的Ag-Cu-WC合金也具有良好的斩波特性和良好的灭高频弧特性(例13)。
工业上，在Co达到一特定值情况下(Co量为1wt%，例11)，斩波值的平均值和最大值在低的范围内(例11和12)。当Co量为0时，所述平均值和最大值是低的，其相对值不超过2.0。因此，所述相对值在实用范围内。然而，当将Co量为0时获得的最大值与Co量为1wt%或0.05wt%(例11和12)时获得的最大值进行比较时，可发现它们之间存在着差别，这就是导致分散的出现。
当Co量在3.5wt%(对照例9)至0范围内时，灭高频弧特性的相对值不超过200。因此，Co的存在对灭高频弧特性来说不会造成问题。然而，当Co的量为3.5wt%时，斩波特性的最大值较高(2.3倍)。因此Co的量不能太大。斩波特性和更高频弧特性两者出发，Ag-Cu-WC-Co合金中的Co最好不超过1wt%(包括0)。例14至16以及对照例10在所有例1至例12以及对照例1至9中，所用Co的粒度为1.5微米。Co的粒度特别影响斩波特性的最大值。这就是说，当Co的粒度是在0.1至44微米范围内时(例14至16以及对照例10)，斩波特性的相对值不超过200，这样的粒度不会造成问题。当Co的粒度为44微米时(对照例10)，斩波特性的平均值在较好的范围内。然而，其最大值变差。
从上面可以看出，含有不超过1wt%Co的Ag-Cu-WC-Co合金中Co的粒度不超过10微米(例14至16)。
例17至19以及对照例11Ag-Cu-WC-Co合金中含有游离碳对斩波特性的改善是有利的。具体地说，在含有57×102ppm游离碳情况下(对照例11)，斩波值的平均值和最大值都是良好的。然而，其耐压值是作为标准的例2的1/2。对于触点形成材料来说，含有57×102ppm游离碳的合金是不合乎需要的，应从本发明中排除。
当游离碳的量为10×102ppm至0.01×102ppm时(例17至19)，耐压性能没有变差，斩波值的相对值是低的，并且灭高频弧特性也是稳定的。因此，直到10×102ppm的游离碳量是可以接受的。
当游离碳的量为0.01×102ppm时(例19)，斩波值比游离碳量为10×102至0.3×102ppm的情况下大。然而，与例2相比得到的相对值不超过2.0。
例20和21以及对照例12即使Ag-Cu-WC-Co合金中游离碳的量在较佳范围内，例如1×102ppm，观察到，与1ppm-0.1微米情况下相比，当C的粒度为23微米时(对照例12)，其斩波值的最大值增加。在这种情况下，所述相对值不超过例2的两倍，因而从斩波特性来看不存在问题。然而，当游离碳的粒度为23微米时，其耐压值不超过例2的2/3。粒度为23微米的含C合金对于触点形成材料来说是不合乎需要的，应从本发明中排除。另一方面，当粒度在1ppm至0.1微米范围内时，可获得特别稳定的斩波特性和灭高频弧特性。
例22至24以及对照例13和14WC的粒度是与Ag-Cu-WC-Co合金的斩波特性和灭高频弧特性相关的。当WC的粒度为3.5微米时(对照例14)，斩波特性相对值的平均值和最大值都不超过2.0，因此没有问题。然而，发现其灭高频弧特性变差(相对值大于200)。当WC的粒度为9微米时(对照例13)，斩波值(相对值)的最大值超过2.0，并且散度变大。
另一方面，当WC的粒度不超过1.0微米时(例22至24)，斩波值的平均值和最大值极其稳定，并且它们的灭高频弧特性表现出特别好的相对值。因此，WC的粒度最好在1ppm至0.1微米(例22至24)的范围内。当所述粒度小于0.1微米时，工业化处理不容易，烧结过度，并且原料的特性是不稳定的。
尽管Co主要被描述为辅助组分，当采用Ni-Co粉末(例25)和Ni-Fe粉末(例26)时也可获得类似结果。
从上述例子可见，通过将由Ag和Cu(Ag+Cu)构成的高导电性材料的总量以及Ag与Ag+Cu之比[Ag/(Ag+Cu)]控制到特定值，通过采用不超过1微米的WC平均粒度，通过高度均匀地分布Ag和Cu，可将电流斩波特性保持在低水平，散度可以减小，并且同时可将灭高频弧特性保持在足够低的水平。
如在此之前叙述的那样，根据本发明，可达到下列优点和效果。这就是说，可将电流斩波特性保持在低水平，并且可减小散度。
另外，同时可将灭高频弧特性保持在低水平。因此，当采用本发明触点形成材料时，可获得具有良好电流斩波特性和断流特性的真空断流器，并可提供电流斩波特性甚至更为稳定的用于真空断流器的触点形成合金。
权利要求
1.一种用于真空断流器的Ag-Cu-WC触点形成材料，其特征在于它包括由Ag和Cu构成的高导电性组分和由WC构成的耐弧组分，其中所述高导电性组分的含量是Ag和Cu的总量(Ag+Cu)为25%至65%(重量)，Ag占Ag和Cu总量的百分数[Ag/(Ag+Cu)]为40%至80%(重量)；其中所述耐弧组分的含量为35%至75%(重量)；其中所述触点形成材料的结构中包括基体和所述高导电性组分非连续相，所述非连续相的厚度或宽度不超过5微米，并且所述耐弧组分非连续粒子的粒度不超过1微米；其中所述高导电性组分的所述非连续相被精细地和均匀地分散在所述基体中，其间隔为不超过5微米。
2.根据权利要求1所述的用于真空断流器的触点形成材料，其特征在于它包括不超过1%(重量)的由Co构成的第一辅助组分。
3.根据权利要求1所述的用于真空断流器的触点形成材料，其特征在于它包含1ppm至10×102ppm的由C构成的第二辅助组分。
4.根据权利要求1所述的用于真空断流器的触点形成材料，其特征在于，在厚度或宽度不超过5微米的高导电性组分非连续相精细和均匀地以不超过5微米的间隙分散在基体中的状态部分，所述基体和高导电性组分非连续相分别为(ⅰ)溶有Ag的Cu固溶体和溶有Cu的Ag固溶体，或(ⅱ)溶有Cu的Ag固溶体和溶有Ag的Cu固溶体。
5.根据权利要求1所述的用于真空断流器的触点形成材料，其特征在于所述第一辅助组分Co的平均粒度不超过10微米，且部分或全部Co可由Ni和/或Fe代替。
6.根据权利要求1所述的用于真空断流器的触点形成材料，其特征在于所述第二辅助组分C的平均粒度不超过1微米，并且C作为游离碳高度分散在所述高导电性组分非连续相和所述耐弧组分非连续粒子之间的界面中。
7.根据权利要求1所述的用于真空断流器的触点形成材料，其特征在于，在触点形成材料结构中，厚度或宽度不超过5微米的高导电性组分非连续相以不超过5微米的间隙精细和均匀地分散在基体中的状态包含高导电性组分总量的至少50%(面积)。
全文摘要
本发明涉及一种用于真空断流器的触点形成材料，它包括一高导电性组分Ag和Cu以及一耐弧组分WC，其中触点形成材料的结构中包含一基体和一高导电性组分非连续相，所述非连续相的厚度或宽度不超过5微米，耐弧组分非连续粒子的粒度不超过1微米；并且其中高导电性组分非连续相精细而均匀地分散在基体中，其间隔不超过5微米。
文档编号H01H33/66GK1040701SQ89106638
公开日1990年3月21日 申请日期1989年8月19日 优先权日1988年8月19日
发明者奥富功, 山本敦史, 千叶诚司, 关口薰旦, 大川幹夫, 本间三孝, 乙部清文, 佐藤能也, 关经世 申请人:东芝株式会社