专利名称:真空开关的开关触头及其生产方法
本发明涉及真空开关的开关触头，它由一个具有易蒸发成分之添加料的基体材料所组成，以在断路过程中产生足够的导电的触头间距。此外本发明还涉及生产这种触头的方法。
在电感性的开关回路中，当在特定的开关情况中应用真空开关时，例如在切断一个正在运行的电机时，可能会产生具有虚假电流转换的多次重新点弧，这在被连接仪器的输入绕组中会导致强大的电压负荷，而且在这种情况下需要保护措施(参考资料K.Stegmüller，“Elektro technik”〔电子技术〕，66/22，Nov.1984，第16-23页)。为此需要无过压的真空开关，使其在电感回路中接通小电流时没有电压升高的趋势。对于这类开关的触点材料，这意味着要求长时间的电弧燃烧直至电流零区，即要求低的灭弧电流≤0.2安，而且同时要求充分导电的电弧，以使灭弧过程的不稳定性减至最小。为了满足这些要求，必须在接通时通过电弧产生足够数量的载流子，即从阴极必须要有高的蒸发速率。
强烈的金属蒸发以及所产生的大量载流子原则上损害了系统的断路能力。所以要求触点材料不仅要表现有无过压的开关特性，而且还要具有高的功率开关能力。
对一种基体材料，例如铬化铜(CuCr)添加足够量的易蒸发的附加成分，迄今曾被建议用作具有无过压开关特性的触点材料。在专利EP-A-0083200，EP-A-0083245，DE-A-3150846，EP-A-0090579中说明了这种材料。
在目前技术状态下所引用的添加料已经在其它一些方面应用于真空开关的触点材料中，例如降低灭弧电流或减小焊接力，同时这些添加料依照各种方法在全部触点材料中是完全均匀分布的，这是为了在燃烧损失时能始终继续补充。
目前现有的解决途径具有严重的缺点-因为随着断路电流不断增大，被蒸发的触点材料的量(以及因此而产生的载流子的量)通过易蒸发的添加料也不可避免地急剧增加，因此随着电流的增长，断路能力受到极大影响，而且与无添加料的材料相比明显地减小了。
-通常由于该材料的脆性添加物即脆相部分多，故丧失了它所需要的延展性，这种延展性对于开关过程中的机械负荷以及在长时间电流负荷时良好的电气接触闭合是很重要的。
-同时，一般地由于添加料导电不良，会使电极的导电与导热受到限制，也就是说，由于增加了发热量可能会出问题。
-生产这种接触材料组合优先采用的是粉末冶金方法，因此，同时考虑到所使用的添加料，例如由专利DE-A-3150846所公布的材料，存在组织结构缺陷、非均匀性以及较高的残余气体含量这样一些不容忽视的弱点，其进一步限制了开关功率能力以及电压强度。
-当采用上述所谓“低电涌”一类触点材料时，由于多数被引用的添加料同时具有良好的抗焊接性，从而产生了严重的加工困难。当采用具有这种添加料的高合金材料时，在连接技术方面可能会出现严重问题。
-在极端情况下，例如对于专利EP-A-0090579所公布的材料，就不能采用现有的方法进行钎焊。
因此本发明的任务就是创造开头所说的那种开关触头，它在良好的功率开关能力下具有足够的无过压开关性能，而且在与铜制触头底座的连接技术方面是没有问题的。
根据本发明，该任务可以通过添加料作为具有在所需真空硬焊温度以上之软化点或熔化点的中间金属相，仅浓聚为一个覆盖触头之接触面的坚固的涂层，而且该添加料至少作为一个成分提供了在1000℃时蒸发压力大于1毫巴的易蒸发的元素来予以解决，适当的进一步说明及生产这类触头的特殊方法见后面的叙述。
为了避免前面曾分析过的在先有技术状态中所存在的缺点，根据本发明建议对于证明可靠的基体材料，例如铬化铜(CuCr)，仅在其开关面上涂覆一层适当的易蒸发添加料或这种添加料的高浓缩的化合物/合金，而且该基体材料本身保持非合金状态。通过实验可以证实为了在完全无过压开关性能方面获得良好的结果，这种方案已经足够了。由于不可避免的耗尽效应以及由此引起的可担心的接触腐蚀的那种情形，即易蒸发添加料的作用会迅速降低，这种情形出人意外地是不会发生的。这点可通过下述假设予以解释在添加料蒸发时，其中相当一部分在触头间隙区重新浓聚在开关表面上。
本发明的一个重要优点在于采用这种解决方法不仅可以获得希望的无过压开关特性，而且可获得令人满意的功率开关能力。这两者的基础在于在要求无过压开关特性时的小电流和中等电流情形下，由易蒸发添加料制作的涂层起作用;而在要求可靠断路的大电流情形下，具有大量能量的开关电弧轰击在基体材料上，于是不再释放严重阻碍灭弧过程的易蒸发的添加料。
本发明方法的另一个优点是，可以使用高质量的可延展的基体材料。此外，由于使用了可靠的基体材料，可在与触点架或触点销连接时继续保留现有的真空硬焊方法，也就是说，连接技术是不成问题的。
下面分别说明本发明在添加料之材料选择方面的实施形式。由这种添加料所形成的坚硬的涂层可以通过各种工艺方法制作，为此下面可进一步参阅附图的说明。
在一个由适当接触材料，例如由铬化铜(CuCr)熔融材料制成的基体上，应该覆盖一层选择的添加料。
该涂层的厚度依赖于要求与所选择的涂层材料，最好为百分之几毫米至十分之几毫米。如果出于工艺技术上的原因，该涂层掺入了基体材料的成分，当然也可以使用大厚度的涂层(几个毫米)。
优先考虑作为涂层成分即合适的添加料的是元素硒(Se)、碲(Te)、铅(Pb)、铋(Bi)与银(Ag)、铝(Al)、钡(Ba)、钙(Ca)、铈(Ce)、铟(In)、镧(La)、锂(Li)、锑(Sb)、锡(Sn)、锶(Sr)、钛(Ti)或锆(Zr)或者与作为基体材料的铜(Cu)相互之间的金属间化合物。镁(Mg)或钐(Sm)也可生成这种相。迄今作为专门用于改善性能(例如在有电弧负荷时，为了获得低灭弧电流，要求提高金属的蒸发密度。)之添加料成分的全部元素均已为人所知。对此，例如可参阅专利US-PS2975255、DE-A-1081950、DE-A-1236630、US-PS3596027以及DE-PS2124707。
由于加工技术的原因，应该选择涂层的熔化温度或软化温度高于所使用的钎焊温度(例如T＞800℃)。例如，具有相应熔化点的涂层成分的有硒化二银(Ag2Se)、碲化二银(Ag2Te)、三硒化二铝(Al2Se3)、三碲化二铝(Al2Te3)、三铋化二钡(Ba2Bi3)、铅化二钡(Ba2Pb)、三钙化二铋(Bi2Ca3)、四铈化三铋(Bi3Ce4)、四镧化三铋(Bi3La4)、三锂化铋(BiLi3)、三镁化二铋(Bi2Mg3)、三锆化二铋(Bi2Zr3)、铅化二钙(Ca2Pb)、铅化二铈(Ce2Pb)、硒化二铜(Cu2Se)、碲化二铜(Cu2Te)、三硒化二铟(In2Se3)、铅化镧(LaPb)或铅化二镧(La2Pb)、硒化二锂(Li2Se)、碲化二锂(Li2Te)、硒化铅(PbSe)、钐化二铅(Pb2Sm)、碲化铅(PbTe)、二钛化铅(PbTi2)、五锆化三铅(Pb3Zr5)、锡化硒(SeSn)、锌化硒(SeZn)、钛化碲(TeTi)、锌化碲(TeZn)。
对于确认涂层资格而言，重要的是它在基体材料上的良好附着力，这种附着力是通过熔接(一种熔融反应)或在液相中的烧结而实现的。为易于涂层的合金过程，也可以采用这样的添加料，它与基体材料或其中一个成分一起参加反应，通过这种方法所产生的涂层能经受住钎焊温度。这种添加料例如是硒化铟(InSe)、三碲化二铟(In2Te3)、三硒化二锡(Sb2Se3)或三碲化二锡(Sb2Te3)，它们与基体材料铬化铜(CuCr)中的铜(Cu)生成了适当的三元系。在任何情况下，涂层决不允许含有松散结合的颗粒，否则影响电压强度以及开关特性。
因为通过开关过程交换了电极间的材料，故只要对真空开关的一个触头涂膜便可充分地降低过电压。
图1至图3示出了生产符合本发明之触头的三种不同方法的实例。
在图1中，由基体材料铬化铜例如CuCr50制成的造型体10的掩蔽面11上覆盖了硒化二银(Ag2Se)粉的颗粒12，合适的粉末量在过程结束后所产生的涂层厚度约为50至100微米。在熔化过程中，保护罩或造型体10的凸缘13防止了粉末从旁边向下滑或向下流。在真空容器5(P＜103毫巴)或在稀薄的高纯度惰性气体中，造型体10与粉末12被加热至约950℃，且在该温度上保持一段时间(约10至20分钟)，于是硒化二银(Ag2Se)粉熔化，在造型体10的铬化铜衬底上生成了所希望的涂层14。冷却后取下造型体10的凸缘13，涂层14可直接即无需再加工便可作为这样生产的触头接触面来使用。
在图2中，由20～25%的铬(Cr)，30～40%三碲化二锑(Sb2Te3)和其余为铜(Cu)的粉末混合物压制成为厚度约为1-3毫米的扁平园片22，它作为底片被放在具有保护罩23的由铬化铜例如CuCr50制成的基体20的上表面21上。相应于图1在真空容器5或惰性气体中，该装置被加热至约1000℃，并在该温度上保持30-60分钟。同时所放置的压制园片22进行液相烧结并在约622℃时熔化的三碲化二锑(Sb2Te3)变为碲化二铜(Cu2Te)。通过这样以铜(Cu)析出的锑(Sb)在铬化铜(CuCr)基体20的上表面21上产生了完美的连结。随后底片22便可加工为具有所希望强度的涂层24。
在图3中，由铬化铜例如CuCr50制作的触头30具有一个厚度约为50微米的硒化铅(PbSe)涂层34。在这个实例中，涂层34是采用现有方法根据图1在真空容器5中将添加料32蒸发至触头30的底面31上而产生的(例如采用阴极溅射或离子镀)。涂层34无需再加工便可用作开关面。
对于图2中的触头，添加料相对基体材料的比例可按适当的方式变化，例如添加料所占比例为30%，而在图1和图3中全都是纯的添加料覆盖层。在每种情形中，对于添加料至少使用这些元素中的一种，这些元素的蒸发压力当1000℃时约在1毫巴以上，而且它们彼此之间或与其它金属生成中间金属相。这个相的蒸发压力在数量级上是与各单独成分之蒸发压力不同的。由于在开关时产生电弧，于是该中间金属相分解为具有相应蒸发压力的元素。与此相反，所生成的中间金属相在钎焊过程中尚未分解。所以只有该相的蒸发压力是具有决定作用的，因此在钎焊过程中由于金属大量蒸发不会出现有害影响。
在表1中列举了几个有关灭弧电流的实例，这些灭弧电流是在符合本发明的触头上，即在具有以所述方式规定之涂层的一个铬化铜(CuCr)触头体上测量的。
表1
对于按图2生产的触头，专门进行了三极开关实验，实验表明电流灭弧能力的斜率可以降低至纯CuCr50触头值的20%以下。所以在负载回路中出现多次重新点弧时，不会再出现虚假的电流断路。同时在12千伏电网电压时，短路电流/断路功率可达20至25千安。这意味着相对于由具有标准的无涂层结构之材料所制作的普通低过压触头提高了50%以上。
参考符号表图1-35 真空或惰性气体容器图1 粉末熔融10 触头基体11 上表面、开关面12 粉状添加料13 基体外缘14 涂层图2 覆盖层的液相烧结、卸模20 触头21 上表面、开关面22 由压制的添加料+基体材料而制成的覆盖层24 涂层图3 蒸发30 触头基体31 下表面、开关面32 粉状添加物34 涂层
权利要求
1.在断路过程中为产生足够的导电触头间距，真空开关的触头由具有易蒸发元素之添加料的基体材料所组成，该添加料主要位于开关面所属的触头区。这种真空开关触头的特征在于添加料(11，12，13)作为具有在所需真空硬焊温度以上之软化点或熔化点的中间金属相，反浓聚为一个覆盖触头(10，20，30)之接触面(11，21，31)的坚固的涂层，而且该添加料至少作为一个成分提供了在1000℃时蒸发压力大于1毫巴的易蒸发的元素。
2.根据权利要求
1的开关触头，其特征在于，这些易蒸发的元素是硒(Se)、碲(Te)、铅(Pb)、铋(Bi)、钡(Ba)、钙(Ca)、铈(Ce)、铟(In)、镧(La)、锂(Li)、锑(Sb)和/或锶(Sr)。它们彼此之间或与其它金属生成中间金属相。
3.根据权利要求
2的开关触头，其特征在于，上述的其它金属是银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)、镁(Mg)、钐(Sm)、锡(Sn)、钛(Ti)、锌(Zn)或锆(Zr)。
4.根据权利要求
3的触头，其特征在于，添加料的软化点或熔化点在约800℃以上。
5.根据权利要求
3的触头，其特征在于，添加料(12、22、32)是下列单独的金属间化合物或它们的组合硒化二银(Ag2Se) 碲化二银(Ag2Te)、三硒化二铝(Al2Se3)、三碲化二铝(Al2Te3)、三铋化二钡(Ba2Bi3)、铅化二钡(Ba2Pb)、三钙化二铋(Bi2Ca3)、四铈化三铋(Bi3Ce4)、四镧化三铋(Bi3La4)、三锂化铋(BiLi3)、三镁化二铋(Bi2Mg3)、三锆化二铋(Bi2Zr3)、铅化二钙(Ca2Pb)、铅化二铈(Ce2Pb)、硒化二铜(Cu2Se)、碲化二铜(Cu2Te)、三硒化二铟(In2Se3)、铅化镧(LaPb)或铅化二镧(La2Pb)、硒化二锂(Li2Se)、碲化二锂(Li2Te)、硒化铅(PbSe)、钐化三铅(Pb3Sm)、碲化铅(PbTe)、二钛化铅(PbTi2)、五锆化三铅(Pb3Zr5)、锡化硒(SeSn)、锌化硒(SeZn)、钛化碲(TeTi)，锌化碲(TeZn)。
6.根据权利要求
1至5之一的触头，其特征在于，附着的涂层(14、24、34)的厚度小于2毫米，最好小于1毫米。
7.根据权利要求
1至5之一的触头，其特征在于，附着的涂层(14、24、34)的厚度大于1/100毫米。
8.根据权利要求
1至7之一的触头，其特征在于，作为基体材料优先使用具有30-60%高比例铬的铬化铜(CuCr)材料。
9.根据权利要求
1或权利要求
2至8之一生产触头的方法，其特征在于，涂层(14)是通过将粉末状添加料(12)熔化在给定的由基体材料制成的基体(10)的上表面(11)上而生成的。
10.根据权利要求
1或权利要求
2至8之一的触头生产方法，其特征在于，涂层(24)是通过将粉末状添加料的覆盖层(22)在给定的由基体材料制成的基体(20)的上表面(21)上烧结为颗粒或箔或薄片而生成的。
11.根据权利要求
10的方法，其特征在于，覆盖层(22)中掺杂了基体材料的成分。
12.根据权利要求
11的方法，其特征在于，覆盖层(22)是由一个被压制的粉末混合物构成，该混合物由基体材料以及添加料(最好占1/3总体积)组成，而且该覆盖层通过熔融或液相烧结而与由基体材料制成的衬底相连结。
13.根据权利要求
1或权利要求
2至8之一的触头生产方法，其特征在于，涂层(34)是通过向由基体材料制成的给定基体(30)的上表面(31)进行蒸发而形成的。
14.根据权利要求
13的方法，其特征在于，这种蒸发是通过溅射或离子镀而实现的。
15.根据权利要求
9、10或13之一、生产符合权利要求
8的触头的方法，其特征在于，考虑到采用低于约800℃熔化的中间金属相作为添加料，为了形成耐钎焊的且最好在800℃以上熔化的合金或中间金属相，该中间金属相的裂解以及与铜的反应是在热过程中进行的。
16.根据权利要求
15的方法，其特征在于，中间金属相是硒化铟(InSe)、碲化铟(InTe)或三碲化二铟(In2Te3)、三硒化二锑(Sb2Se3)、三碲化二锑(Sb2Te3)、碲化锡(SnTe)。
专利摘要
为在断路过程中产生足够的导电触头间距，真空开关的触头由具有易蒸发元素之添加料的基体材料制成，以获得真空开关的无过压开关特性。本发明是这样实现的添加料(12)浓聚为一个覆盖触头(10)之开关面(11)的坚固的涂层(14)。特别地，这种触头是通过直接熔化添加料，将粉状添加料的单独覆盖层烧结为颗粒或箔或薄片；但是亦可通过将添加料蒸发到由基体材料制成的给定基体的开关面上而生产出来。采用铬化铜接触材料作为基体材料是适宜的。
文档编号H01H33/66GK87100459SQ87100459
公开日1987年8月12日 申请日期1987年1月28日
发明者霍斯特·基彭伯格, 赖纳·米勒, 汉纳·洛尔·施洛特, 伊尔莫·保罗斯, 鲁迪格尔·赫斯 申请人:西门子公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan