鎢滲銅材料在真空高壓開關上的應用
為適應高壓真空開關抗熔焊、耐電蝕、高電導、低含氣量等要求,對傳統的生產工藝作了一系列改進,采用純鎢粉經模壓成型、高溫燒結,然后一次完成滲銅和覆銅。結果表明,鎢骨架強度高,鋼呈網狀分布,基體組織細小均勻,氣體含量低,覆銅層與鎢銅基體結合緊密,從而滿足了使用要求,降低了成本,獲得了
1 鎢銅復合材料電觸頭在高壓開關上已經使用多年,尤其以高壓SF6、空氣和油介質、大電流斷路器上用量較大[1],它們都采用混粉壓制燒結及熔滲工藝生產,組分以20%~30%Cu+80%~70%W(質量分數,下同)居多。近年來,真空高壓開關發展迅速,它對觸頭材料的要求較高,除滿足一般開關性能外,由于真空中觸頭表面特別干凈,比在空氣中更容易熔焊,故要求具有更高的抗熔焊性、足夠高的耐電壓強度、盡量低的截止電流和極低的含氣量[2]。目前市場上有些觸頭材料組分為90%W+10%Cu,由于采用上述方法生產,性能較差,在使用中曾經出現過熔焊現象。而本文所指的鎢滲銅材料原是一種發汗冷卻型的固體火箭發動機(SRM)噴管喉襯材料,其組分正好也是90%W+ 10%Cu,用高純鎢粉經冷等靜壓成型、高溫燒結、熔滲工藝生產[3~5],材料純度高,含氣量低,鎢骨架強度高,組織細小均勻,銅呈網狀分布。鎢滲銅材料的性能特別適合真空高壓負荷開關觸頭的要求,但是按傳統的喉襯生產工藝,材料利用率低,成本高,為此作了一系列改進,開發出鎢銅(10)觸頭材料,批量投放市場,獲得較好的經濟效益。
2 主要技術指標
鎢銅(10)觸頭材料主要技術指標見表1。
表1 鎢銅(10)觸頭材料主要性能指標
Tab.1 Major properties of W-Cu(10) contact material
化學成分Cu/% W/% N2/10-4% O2/10-4% 密度硬度/Mpa電導率/MS·m-1
10±2 余 <8 <50 ≥16.3 ≥2 250 ≥20
3 壓制成型工藝研究
鎢粉硬度高、流動性差,壓制成型性差。為了獲得具有一定強度、一定相對密度的鎢骨架,選擇合適的壓制工藝很重要。對于形狀簡單的薄片狀觸頭來說,如果采用冷等靜壓成型,設備投資大,材料利用率低。采用機械模壓成型,主要是模具間隙和鎢粉粒度的選取。模具間隙過小,脫模困難;間隙過大,鎢粉容易劃傷模具,使壓坯產生裂紋。經反復試驗和改進,確定了合理的模具加工間隙和脫模間隙。鎢粉過細,壓制成型容易,燒結時卻容易形成閉孔,使滲銅不均勻,導致抗熱震性和抗燒蝕性能下降;鎢粉太粗,壓制成型困難,鎢骨架強度下降,銅在高溫下的蒸發量大,觸頭燒損嚴重。粒度相同的鎢粉,得到相對密度相同的壓坯,機械壓制所需的壓強比等靜壓大,為了提高鎢粉的成型性,可以采用混粉壓制,也可以添加成型劑。經試驗,通過適當調整鎢粉粒度和松裝密度,也可獲得較好的成型效果。在壓制壓強不變的情況下,保壓時間可以縮短。通過提高壓制密度,可以適當降低燒結溫度。
4 燒結工藝研究
燒結多孔鎢骨架是制造鎢銅(10)材料的關鍵工序。高溫燒結容易去除雜質,保證電導率和氣體含量達到指標要求。采用活化燒結雖然可以降低燒結溫度,但是對于多孔鎢骨架不宜采用,因為它不容易控制孔隙度,活化劑一般會降低電導率。選擇燒結溫度主要考慮鎢粉的粒度大小、粒度分布和壓制密度等因素。溫度過低,孔隙度高,使產品密度和硬度偏低;溫度過高,孔隙度低,則含銅量減少,導致產品密度高,電導率降低,為此,燒結溫度一般在1 600℃~2 200℃范圍內選取。欲達到相同的燒結密度,通過提高燒結溫度,可以縮短燒結時間,提高工效;延長燒結時間,可以降低燒結溫度。相對來說,燒結密度對燒結溫度更敏感些。
5 滲(覆)銅工藝研究
滲銅可在真空爐或氫氣保護爐中進行。熔滲時,銅液上升高度與銅液表面張力成正比,與其粘度成反比。滲銅溫度過高或過低都影響滲透效果。滲銅后冷卻速度對覆銅層質量有很大影響,冷卻速度過快容易產生氣孔和裂紋;同時,由于爐溫的不均勻性,產品覆銅層厚度不容易均勻一致,因此滲銅后必須采用特殊的冷卻工藝。為了簡化工序,可在一次熱循環完成滲銅和覆銅工序。
6 鎢銅(10)觸頭材料的性能
對10批次產品進行理化分析,結果如下:銅含量為9.8%~11.2%,氧含量為3×10-4%~19×10-4%,氮含量為1×10-4%~4×10-4%;密度為16.75 g/cm3~17.14 g/cm3;布氏硬度為2 565 MPa~2 685 MPa;電導率為22.0 MS/m~24.4 MS/m。均符合技術條件要求。產品的金相組織如圖1、圖2所示,其金相組織細小均勻,不存在大于200μm的銅相或鎢相聚集區,銅呈網狀分布,覆銅層與鎢銅基體結合緊密。
圖1 鎢骨架斷口SEM照片 3 600×
Fig.1 SEM fracture photograph of tungsten skeleton
圖2 鎢銅(10)斷口SEM照片 3 600×
Fig.2 SEM fracture photograph of W-Cu(10)
7 用戶使用情況
鎢銅(10)觸頭材料,經國內十多家用戶理化檢測,各項性能指標均符合技術條件要求,并裝配于多種管型的真空滅弧室,按GB3804、GB11022等國家標準,在國家高壓電器檢測中心順利地通過了開斷、絕緣、動熱穩定、機械壽命、溫升、異項接地等全部形式試驗,完全滿足使用要求,被各用戶列入定點供貨單位。
8 結論
開發的鎢銅(10)觸頭材料,采用純鎢粉作原料,經機械模壓成型、氫爐高溫燒結、氫氣保護滲(覆)銅工藝生產。多孔鎢骨架強度高,氣體含量低,基體組織細小均勻,銅呈網狀分布,覆銅層與鎢銅基體結合緊密,生產工藝優秀,產品質量穩定可靠。在開發鎢銅(10)材料過程中,對傳統的鎢滲銅工藝作了一系列改進,簡化了工序,降低了成本,既滿足使用要求,又提高了經濟效益,在技術上具有新穎性和實用性。
