铜基复合电触头材料浅谈

铜基复合电触头材料
1 引言
电触头材料性能的优劣是影响真空开关设备工作特性及电寿命的关键因素之一。

早期的真空开关几乎全部采用W、Mo等难熔纯金属作触头材料。

这类触头材料由于有一系列优点，如有适当的分断能力、良好的耐压强度和抗熔焊性、适当的热传导系数和导电率、燃弧时烧蚀速度小、触头使用寿命长等，直到现在还被广泛地用于分断小电流的真空开关中。

但高熔点纯金属触头材料存在诸多缺点，如分断电流、截流水平高等，从而限制了真空开关的使用范围[1]。

采用高导电导热性的纯金属（如Cu）作为真空触头材料，虽具有良好的分断大电流能力，并具有相当好的耐电压性能，截流水平也低，却不能抗熔焊。

为克服这一缺点，40到50年代发展了以Cu-Bi为代表的二元高导电加低熔点合金。

该系合金显著缺点是蒸气压高。

这一点虽对限制截流水平有好处，但电流过零后的介质恢复速度较慢，易引起间隙重击穿。

另外触头烧损速度大，触头使用寿命短。

60年代中期，英国电器公司Robinson 最先提出用Cu-Cr代替当时已被广泛采用的Cu-Bi合金。

因为他发现较之Cu-Bi材料Cu-Cr具有更高耐电压能力、抗电弧侵蚀能力和开断性能。

但由于他所采用的制造工艺中含有较高Ni成分而导致电阻率较高。

后经过10多年的努力到80年代中期，随着Cu-Cr触头材料运行特性和机理的不断深入，它的优越性能逐步被设计者所接受，应用这种触头材料制造商用真空灭弧室的厂家也越来越多。

90年代后，Cu-Cr已成为中压大功率真空灭弧室普遍采用的触头材料[2]。

2 真空触头材料的性能要求
真空开关设备是利用真空环境的金属蒸气电弧来实现导体与绝缘体快速转变的。

为满足真空开关的电器性能，对触头材料有一系列要求，其中包括开断能力、绝缘性能、截流水平、耐压强度、抗熔焊性能和抗电侵蚀性能等。

不同种类的真空开关应用不同场合时，对触头的要求也不尽相同。

2.1 开断能力
电弧和电接触理论指出，具有高开断能力的真空开关一般应具有：
（1）断大电流时不发生电弧集聚，且扩散分布于整个触头表面；
（2）开断大电流后触头表面无局部过热区，以利于介质强度迅速恢复；
（3）具有较高的分断速度，特别是起始分断速度，避免电弧起始停滞时间过长。

2.2 耐电压能力
触头间击穿电压的高低主要取决于材料的成分和表面状态。

经验表明，含有低熔点金属的材料耐电压水平要比纯金属低。

成功开断后的很短时间内，真空间隙又会重击穿或燃弧，导致开断失败。

这一现象取决于触头材料弧后介质的恢复强度。

高的耐电压能力，要求材料
具有小的喷溅、蒸发及热电子发射[3]。

2.3 抗熔焊能力
由于触头间电弧高温和焦耳热的作用，使触头表面开闭动作的很短时间内达到熔化状态，在随后的冷却过程中凝固而发生焊合，正常工作着的触头突然不再断开。

当机械设计或制造不当而引起弹跳短弧时，熔焊问题非常突出。

因此要求材料具有尽可能低的可能性。

即使发生少量的熔焊，也能在机构作用下易于分开。

2.4 截流水平
截流现象是指当开断交流小电流时，由于灭弧装置的作用，在电流尚未到达自然零点时电弧熄灭，电流被突然降至零值。

由于电流被截断，电感负载上剩余的电磁能就会引起截流过电压，它对系统和负载的绝缘将产生有害的影响。

触头材料的蒸气压越高，则截流值越低。

2.5 抗电弧侵蚀（电磨损）能力
触头在工作过程中，大功率强电流使材料强烈气化和电动力作用还会使熔化的金属产生喷溅造成电弧侵蚀。

由此导致触头变形，功能减退，熔焊并失效[4]。

3 真空触头材料的种类及合金化原理
从前述可看出，单一纯金属难以满足触头的全部要求。

随着真空开关设备向大容量化发展，触头材料经历了由单一金属向二元再到多元复合材料的开发过程。

在不同的使用场合，对触头材料的要求也有不同程度的侧重。

触头电特性对材料物理性质的要求存在着诸多相互矛盾之处：
（1）低截流水平要求材料具有低的导电、导热性能和低的熔点。

而高的开断能力、抗熔焊性和抗电磨损性能要求与其相反的性质。

这也是研制触头材料最大的难点之一。

（2）具有抗熔焊能力的材料一般脆性较大，强度较差，这与要求触头较高的机械强度和抗变形、电磨损性能具有矛盾的方面。

为解决或减小上述矛盾，多数材料工作者认为合金化是唯一选择。

在合金元素的选择方面，根据不同要求，存在下述趋向[5]。

3.1 触头材料的种类
3.1.1 电材料复合高熔点材料
在这类材料中典型的代表为Cu、Ag( 和)W、Mo的合金体系，如Cu-W、Cu-W-C、Ag-W 等。

以)W、Mo 等作为骨架，Ag或Cu在电弧燃烧时蒸发，故该合金具有低电磨损、长寿命
的特征。

但由于W的熔点与Cu、Ag 等相差较大，大电流电弧往往造成低熔点金属的喷溅、蒸发，侵蚀量较大。

最终的结果是在触头表面形成富W、Mo层，在高温下极易发射热电子，导致电弧重燃，分断失败。

该类材料仅限于较小电流场合。

Ag-W系触头材料中的W含量一
般在百分之二十到百分之八十它具有良好的导热和导电性能、耐电磨损性能和抗熔焊性能等优点。

主要缺点是接触电阻不稳定，截流水平随开断次数的增加而增大。

Ag-WC、Ag-W相比
具有较大的电磨损量。

为提高Ag-WC寿命，可通过添加小于百分之一的Zr，以改善银液对WC粒子的浸润性，并减少重燃几率。

Cu-W材料研制的一个重要方面是以Cu代替贵重的Ag 为目的。

但其截流水平与Ag-W相比仍显偏高。

为减小截流值及熔焊性，常添加小于百分之一的Te或Sb。

当W的相对含量增加时，触头可同时具有抗熔焊性和小电弧烧蚀性及低截流特性，适用于低负荷开关。

3.1.2高导电材料复合中熔点材料
在这类材料中有Cu-Cr、Cu-Ni、Cu-Cr-Fe等。

其中Cu-Cr及其多元合金是此类材料中的典型代表。

迄今为止，研究最多的触头材料就是Cu-Cr 系。

Cu-Cr触头在开闭电弧作用下，从触头表面喷溅出来的金属Cu液滴和Cr微粒及恢复后触头表面形貌的动态变化与其它材料有明显不同Dullni采用激光纹影技术观察证实，在相同电流下Cu-Cr触头表面熔化深度约150um 触头熔化深度约1mm。

该现象说明，熔化区内有固态的Cr粒子存在，造成的熔化液池深浅，熔化金属运动困难，使发射的液滴和微粒数目少，直径小，金属蒸气密度低，因而有极好的开断能力[6]。

Yanabu等人则通过测量弧后电流大小估计触头材料的开断能力。

研究指出，Cu-Cr材料中Cu的含量增大，弧后临界电流也增大。

这表明，含Cu量高的Cu-Cr触头开断能力也较高。

Cu-Cr触头材料有极好的耐受高电压能力。

这主要是不含有高蒸气压成分，开断后绝缘恢复强度高所致。

电弧作用后继续保持光洁的表面，不产生凹坑、毛刺等击穿弱点。

Cu-Cr触头虽然具有优良的综合性能，但就单一指标来说，它仍比不上其它种类的材料：截流水平大大高于Ag-WC。

对于低过电压大开断电流的真空开关，需要大大降低截流水平；抗熔焊能力和耐电压水平低于Cu-W；含气量偏高。

为解决这些问题，一般优先采用添加微量元素的方法，发展了多元的Cu-Cr系合金。

Fe的加入可明显提高耐压值。

加入百分之三Fe后击穿电压较Cu-Cr提高百分之二十而平均流值下降[7]。

Fe的加入可明显使Cr颗粒细化、球化和均匀化，使熔点高的Cr骨架强度增加，网络更加细致严密，能有效地防止Cu喷溅。

但由于有一定量的Fe溶触在Cu相中，使合金的导电性能急剧下降。

Co是中熔点（1493℃）的金属，在Cu和Cr中都有较大的固溶度。

Cu-Cr材料中加入Co，提高了Cu和Cr之间的浸润性和相互固溶度，减少了烧结中微孔的产生，使致密性提高。

W元素可通过细化表层组织和在Cr相中形成α固溶体方式来强化Cr基体。

由于W的熔点极高（3410℃），当电弧能量较小，击穿区金属熔化时，W颗粒仍固态，使W粒子能成为Cu-Cr熔液电击穿后凝固时的非自发核心。

均匀弥散的非自发核心的存在使击穿后的表层组织更加细化和均匀化，触头间隙耐压强度进一步提高。

试验表明，W和Co的同时加入会取得较好效果。

全面改善Cu-Cr合金的性能是目前真空触头材料研究的重要方向。

针对不同的应用场合，适当添加微量多元合金元素是一个发展趋势。

4 真空触头材料的制造工艺
由于目前真空触头所采用的材料均为二元及以上的合金材料，且主元素间要求具有假合金特性，故在生产制造工艺方面采用了粉末冶金和真空（可控气氛）熔炼[8]。

4.1 熔渗法
熔渗法是生产难熔金属与低熔点金属假合金常用的方法。

以高熔点金属粉末压制预烧结（或粉末烧结）成多孔体骨架，再将低熔点的金属置于骨架的上面或下面，在高于该金属熔点温度下，使其熔融渗入到多孔骨架金属中填充空隙，从而得到致密性产品。

这种工艺生产的W基电触头具有较好的性能。

但含W量低于百分之五十时不能采用此法，主要是烧结密度降低导致骨架强度不能支撑随后的熔渗而坍塌。

熔渗法制取的Cu-Cr合金触头材料存在着难以避免的问题：
（1）Cr的活性使Cr粉及Cr骨架表面难以避免存在稳定的氧化膜，大大降低了熔渗金属与骨架的浸润性，使熔渗困难，易产生微孔、孔洞、氧化物残渣等缺陷。

（2）在较高温度（1200℃）熔渗时，Cu液将侵蚀骨架，使骨架崩塌造成封闭孔洞，阻碍金属熔入，制品难以保持骨架的原有形状。

（3）固态烧结骨架的桥接结构，显著地降低了骨架的可变形性。

（3）熔渗法生产的
Cr-Cu-Cu-W合金，Cu含量被限在较低范围内，高含量（Cu-Cr25）则不能生产[9]。

4.2 混粉烧结法
混粉烧结法是一种常规的粉末冶金生产工艺，即混粉-压制-烧结工艺。

它被广泛用于陶瓷、硬质合金等生产，是一种发展得较为完善的冶金方法。

根据烧结温度的不同，分为固相烧结和液相烧结2种制度。

固相烧结Cu-Cr合金温度一般为960到1100℃。

此时Cr在Cu 相中的溶解度极小，能很好地保持2组元各自的特性，对触头性能有利。

但较低的烧结温度难以达到高致密度，所需的烧结时间也相应增加。

液相烧结是在Cu熔点温（1100-1300℃）进行。

由于烧结时存在液相，促进了烧结致密化，能得到较高致密度的材料。

混粉烧工艺简单，成本低，成分变化灵活。

缺点是难以保证致密度要求。

为此可采用一些相应的措施加以改善，如采用细铜粉，控制平均粒度为3-15um；添加活化烧结元素Fe、Co、Ni等。

另外，冷或热压力加工也是提高致密性的有效方法[10]。

4.3 真空电弧重熔法
在无渣和低气压环境或惰性气氛下，自耗电极在直流电弧的高温作用下迅速熔化，并在冷结晶器内进行再凝固，使得合金在这一高温熔化过程中得到精练，从而达到净化、改善结构、提高性能的目的。

采用该法制造Cu-Cr合金，首先是将规定成分的Cu、Cr 粉末经低温等静压烧结制成自耗电极，再进行真空电弧重熔获得合金铸锭。

在真空下进行的重熔，杜绝了外界空气对合金的污染，有效降低了含气量和低熔点有害杂质，提高了致密性。

采用真空电弧重熔并经压力加工后的CuCr40，可用于额定电流630A的真空接触器，电寿命超过百
万次以上，这已大大优于Cu-W合金[11]。

5 真空开关触头材料的发展方向
用作真空开关的触头材料，由于其不同于常规材料的特殊性能要求，使得对其服役过程，失效形式，性能指标等均已超出材料学一般概念范畴。

就目前已获得大范围应用的诸多系列合金材料来说，并不能完全满足所有性能指标。

这涉及到电弧过程与电接触、热过程等基础试验理论和方法的突破，以改变当前依靠研发人员的经验和大量型式试验对材料的筛选。