钨渗铜材料在真空高压开关上的应用

钨渗铜材料在真空高压开关上的应用

   　为适应高压真空开关抗熔焊、耐电蚀、高电导、低含气量等要求,对传统的生产工艺作了一系列改进,采用纯钨粉经模压成型、高温烧结,然后一次完成渗铜和覆铜。结果表明,钨骨架强度高,钢呈网状分布,基体组织细小均匀,气体含量低,覆铜层与钨铜基体结合紧密,从而满足了使用要求,降低了成本,获得了

1    钨铜复合材料电触头在高压开关上已经使用多年,尤其以高压SF6、空气和油介质、大电流断路器上用量较大[1],它们都采用混粉压制烧结及熔渗工艺生产,组分以20%~30%Cu+80%~70%W(质量分数,下同)居多。近年来,真空高压开关发展迅速,它对触头材料的要求较高,除满足一般开关性能外,由于真空中触头表面特别干净,比在空气中更容易熔焊,故要求具有更高的抗熔焊性、足够高的耐电压强度、尽量低的截止电流和极低的含气量[2]。目前市场上有些触头材料组分为90%W+10%Cu,由于采用上述方法生产,性能较差,在使用中曾经出现过熔焊现象。而本文所指的钨渗铜材料原是一种发汗冷却型的固体火箭发动机(SRM)喷管喉衬材料,其组分正好也是90%W+ 10%Cu,用高纯钨粉经冷等静压成型、高温烧结、熔渗工艺生产[3~5],材料纯度高,含气量低,钨骨架强度高,组织细小均匀,铜呈网状分布。钨渗铜材料的性能特别适合真空高压负荷开关触头的要求,但是按传统的喉衬生产工艺,材料利用率低,成本高,为此作了一系列改进,开发出钨铜(10)触头材料,批量投放市场,获得较好的经济效益。

2　主要技术指标

钨铜(10)触头材料主要技术指标见表1。

表1　钨铜(10)触头材料主要性能指标

Tab.1　Major properties of W-Cu(10) contact material

化学成分Cu/% W/% N2/10-4% O2/10-4% 密度硬度/Mpa电导率/MS·m-1

10±2  余  <8       <50     ≥16.3  ≥2 250    ≥20

3　压制成型工艺研究

钨粉硬度高、流动性差,压制成型性差。为了获得具有一定强度、一定相对密度的钨骨架,选择合适的压制工艺很重要。对于形状简单的薄片状触头来说,如果采用冷等静压成型,设备投资大,材料利用率低。采用机械模压成型,主要是模具间隙和钨粉粒度的选取。模具间隙过小,脱模困难;间隙过大,钨粉容易划伤模具,使压坯产生裂纹。经反复试验和改进,确定了合理的模具加工间隙和脱模间隙。钨粉过细,压制成型容易,烧结时却容易形成闭孔,使渗铜不均匀,导致抗热震性和抗烧蚀性能下降;钨粉太粗,压制成型困难,钨骨架强度下降,铜在高温下的蒸发量大,触头烧损严重。粒度相同的钨粉,得到相对密度相同的压坯,机械压制所需的压强比等静压大,为了提高钨粉的成型性,可以采用混粉压制,也可以添加成型剂。经试验,通过适当调整钨粉粒度和松装密度,也可获得较好的成型效果。在压制压强不变的情况下,保压时间可以缩短。通过提高压制密度,可以适当降低烧结温度。

4　烧结工艺研究

烧结多孔钨骨架是制造钨铜(10)材料的关键工序。高温烧结容易去除杂质,保证电导率和气体含量达到指标要求。采用活化烧结虽然可以降低烧结温度,但是对于多孔钨骨架不宜采用,因为它不容易控制孔隙度,活化剂一般会降低电导率。选择烧结温度主要考虑钨粉的粒度大小、粒度分布和压制密度等因素。温度过低,孔隙度高,使产品密度和硬度偏低;温度过高,孔隙度低,则含铜量减少,导致产品密度高,电导率降低,为此,烧结温度一般在1 600℃~2 200℃范围内选取。欲达到相同的烧结密度,通过提高烧结温度,可以缩短烧结时间,提高工效;延长烧结时间,可以降低烧结温度。相对来说,烧结密度对烧结温度更敏感些。

5　渗(覆)铜工艺研究

渗铜可在真空炉或氢气保护炉中进行。熔渗时,铜液上升高度与铜液表面张力成正比,与其粘度成反比。渗铜温度过高或过低都影响渗透效果。渗铜后冷却速度对覆铜层质量有很大影响,冷却速度过快容易产生气孔和裂纹;同时,由于炉温的不均匀性,产品覆铜层厚度不容易均匀一致,因此渗铜后必须采用特殊的冷却工艺。为了简化工序,可在一次热循环完成渗铜和覆铜工序。

6　钨铜(10)触头材料的性能

对10批次产品进行理化分析,结果如下:铜含量为9.8%~11.2%,氧含量为3×10-4%~19×10-4%,氮含量为1×10-4%~4×10-4%;密度为16.75 g/cm3~17.14 g/cm3;布氏硬度为2 565 MPa~2 685 MPa;电导率为22.0 MS/m~24.4 MS/m。均符合技术条件要求。产品的金相组织如图1、图2所示,其金相组织细小均匀,不存在大于200μm的铜相或钨相聚集区,铜呈网状分布,覆铜层与钨铜基体结合紧密。

图1　钨骨架断口SEM照片　3 600×

Fig.1　SEM fracture photograph of tungsten skeleton

图2　钨铜(10)断口SEM照片　3 600×

Fig.2　SEM fracture photograph of W-Cu(10)

7　用户使用情况

钨铜(10)触头材料,经国内十多家用户理化检测,各项性能指标均符合技术条件要求,并装配于多种管型的真空灭弧室,按GB3804、GB11022等国家标准,在国家高压电器检测中心顺利地通过了开断、绝缘、动热稳定、机械寿命、温升、异项接地等全部形式试验,完全满足使用要求,被各用户列入定点供货单位。

8　结论

开发的钨铜(10)触头材料,采用纯钨粉作原料,经机械模压成型、氢炉高温烧结、氢气保护渗(覆)铜工艺生产。多孔钨骨架强度高,气体含量低,基体组织细小均匀,铜呈网状分布,覆铜层与钨铜基体结合紧密,生产工艺优秀,产品质量稳定可靠。在开发钨铜(10)材料过程中,对传统的钨渗铜工艺作了一系列改进,简化了工序,降低了成本,既满足使用要求,又提高了经济效益,在技术上具有新颖性和实用性。