專利名稱：電觸點及其制造方法，用于真空斷續(xù)器的電極，以及真空斷路器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新型電觸點，一種制造這種觸點的方法，一種用于真空斷續(xù)器的電極，以及一種真空斷路器。
背景技術：
作為一種用于設置在真空斷路器中的真空斷續(xù)器的電極，在專利公告No.1和專利公告No.2中公開了一種燒結(jié)而成的鉻-銅合金，這種合金通過如下步驟制造而成對由作為耐熱金屬的鉻與作為高導電性金屬的銅形成的混合粉末進行壓力模塑，隨后通過在一個低于銅熔點的溫度下對混合粉末進行燒結(jié)。還有，在專利公告No.3中，公開了一種電極材料，這種電極材料通過如下步驟制造而成對由作為耐熱金屬的鉻粉末、作為高導電性金屬的銅粉末以及一種低熔點金屬，比如鉛、鉍、碲和銻，形成的混合粉末進行壓力模塑，在一個低于銅熔點的溫度下對模塑后的粉末進行預燒結(jié)，并且利用銅對預燒結(jié)體進行滲透。但是，這些公告并未公開雜質(zhì)的濃度。
(專利公告No.1)已公開的日本專利JP2002-245908(專利公告No.2)已公開的日本專利JP(平)7-278703(專利公告No.3)已公開的日本專利JP(平)9-274835

發(fā)明內(nèi)容
對于設置在斷路器中的真空斷續(xù)器內(nèi)的電極來說，必要條件是具有斷續(xù)能力(interruption capability)、電壓阻抗(voltageresistance)、焊接阻抗(welding resistance)等等。但是，難以利用在專利公告No.1和No.2中公開的材料來滿足這些要求；由此，所述材料按照慣例和技術規(guī)格來進行選定，比如電容器。
為了獲得適用于真空斷路器的電極特性(in order to obtainelectrode characteristics for use of the vacuum circuit breaker)，一種第三元素被添加到鉻-銅合金中；但是，難以滿足所述斷續(xù)性能、電壓阻抗和焊接阻抗，并且難以對所添加元素的散布狀況進行控制。由此，發(fā)現(xiàn)斷續(xù)性能存在著明顯波動。
本發(fā)明的目的在于提供一種帶有優(yōu)越斷續(xù)性能、電壓阻抗和焊接阻抗的電觸點，一種制造這種電觸點的方法、一種用于真空斷續(xù)器的電極以及一種真空斷路器。
本發(fā)明的特征在于一種電觸點，其由一種燒結(jié)合金制成，該燒結(jié)合金中包含作為主要成分的重量比為15至30％的鉻和作為補充物的銅，重量比為0.05至0.5％的碲，100至3000ppm的氧，7.5至900ppm的鋁，以及15至750ppm的硅。
優(yōu)選的是，本發(fā)明中的電觸點包含重量比為15至30％的鉻，和重量比為70至84.5％的銅，作為主要成分。本發(fā)明中的電觸點必須包含1200ppm或者更少的氧，400ppm或者更少的鋁，以及400ppm或者更少的硅。更為優(yōu)選的是，這種電觸點包含1000ppm或者更少的氧、300ppm或者更少的鋁以及300ppm或者更少的硅。
優(yōu)選的是，根據(jù)本發(fā)明的電觸點必須呈圓盤形式，具有一個形成在圓心處的中心孔，和多個貫通該圓盤的狹長溝槽，其中，呈平整螺旋槳形式的圓盤由所述狹長溝槽分割開。還有，本發(fā)明涉及一種制造所述電觸點的方法，其包括對混合粉末進行壓力模塑，和對模塑件進行燒結(jié)，其中所述混合粉末包含作為主要成分的鉻和銅以及重量比為0.05至0.5％的碲。優(yōu)選的是，鉻粉末包含2000ppm或者更少的氧，3000ppm或者更少的鋁，以及2500ppm或者更少的硅。
優(yōu)選的是，所述粉末包含重量比為15至30％的鉻，重量比為70至84.5％的銅，以及重量比為0.05至0.5％的碲，其中鉻-銅合金粉末或者鉻粉末的顆粒尺寸為104微米或者更小，而銅粉末的顆粒尺寸為61微米或者更小，并且用于對所述混合粉末進行模塑的壓力為120至500Mpa，燒結(jié)溫度是一個在壓力為20至60pa的氬氣氣氛下低于銅熔點的溫度。
用在本發(fā)明中的鉻必須包含氧、鋁和硅，它們的量均低于氧、鋁和硅的所述特定量；比如利用鋁熱劑方法制備純的鉻材料。由此，發(fā)現(xiàn)這種鉻材料中包含非常微量的氧、鋁和硅；還發(fā)現(xiàn)用于真空斷續(xù)器的電極滿足了所需的斷續(xù)性能、電壓阻抗和焊接阻抗，并且利用重量比為0.05至0.5％的碲的協(xié)作作用，性能的波動很小。
以50至3000ppm的量包含在鉻中的氧在發(fā)生電流中斷時被釋放掉，其加速了電弧的行進速度，來使得易于進行中斷。由于所述電極包含有前述量的鋁和硅，所以在發(fā)生中斷時產(chǎn)生的諸如氧氣這樣的氣體會被吸收掉，由此保持這種電極在中續(xù)之后能夠正常工作(keep the electrodesound after the interruption)。
設定電觸點中的優(yōu)選組分的原因如下所述。這種電觸點包含重量比為15至30％的鉻，和作為補充物的銅，尤其是重量比為70至84.5％的銅；如果鉻的重量比低于15％，那么斷續(xù)能力和焊接阻抗會略微降低，并且如果鉻的重量比高于30％，那么導電能力將會下降。
當電極中包含100至3000ppm的氧、7.5至900ppm的鋁以及15至750ppm的硅時，利用在發(fā)生中斷時釋放出的氧，電弧速度被加速，使得易于進行中斷，并且在中斷之后諸如氧這樣的氣體被鋁和硅所吸收，由此保持一個所需的斷續(xù)阻抗(a desired interruption resistance)。因此，氧、鋁和硅在前述范圍內(nèi)相互協(xié)作，從而帶來優(yōu)越的性能。
如果電極中包含重量比為0.05至0.5％的碲，那么可以防止電極之間發(fā)生焊接。碲可以至少被包含在固定電極和可移動電極中之一內(nèi)，以便獲得令人滿意的焊接阻抗。如果碲的重量比低于0.05％，那么結(jié)果將無法令人滿意；如果碲的量過高，那么碲會在發(fā)生中斷時蒸發(fā)掉，由此降低絕緣阻抗(the insulation resistance)。
如前所述，電觸點最好通過燒結(jié)制造而成。在這種方法中，由鉻與銅形成的合金或者鉻的顆粒尺寸為104微米或者更小，并且銅的顆粒尺寸為61微米或者更小。當使用具有所述顆粒尺寸的粉末時，可以獲得一種具有一種鉻和銅均勻地散布于其中的電觸點，從而使得性能的波動很小。
在本發(fā)明中的燒結(jié)方法內(nèi)，混合粉末被模塑成一個螺旋槳形狀，在其中心處具有一個中心孔，并且該模塑件由狹縫分割開。模塑壓力為120至500MPa，以獲得65至75％的密度。如果壓力低于所述壓力，那么模塑件會發(fā)生破碎；如果密度大于所述密度，那么模塑件會趨于粘結(jié)在模具上，由此縮短模具的壽命并且降低觸點的生產(chǎn)率。
燒結(jié)氣氛最好是壓力為20至60Pa的氬氣氣氛。燒結(jié)溫度低于銅的熔點。當燒結(jié)操作在壓力為20至60Pa的氣態(tài)氣氛下進行時，銅上的表面氧化物薄膜被去除，并且防止了銅發(fā)生蒸發(fā)，由此生產(chǎn)出一種致密的電觸點。燒結(jié)溫度低于銅的熔點，最好為1050至1070℃，從而獲得帶有精確輪廓的電觸點，來避免進行事后加工并且降低生產(chǎn)成本。用于真空斷續(xù)器的電極包括作為電觸點的前述圓盤和一個連接在該圓盤上的電極桿(an electrode rod)。
在中心處具有中空孔的所述圓盤的表面用于產(chǎn)生電弧，所述電極桿被插入在所述中心孔內(nèi)并且被固定起來。位于電弧發(fā)生側(cè)的電極桿表面最好具有一個凹槽，該凹槽低于電弧發(fā)生表面。如果圓盤的強度不足，可以在該圓盤構(gòu)件與電極桿之間設置補強元件。所述電極桿具有一個連接在所述圓盤構(gòu)件上的部分，該部分的直徑最好小于連接在外部導線上的那部分的直徑。
根據(jù)本發(fā)明的真空斷續(xù)器在一個真空容器中包括一對固定電極和可移動電極，其中至少一個電極采用了前述電觸點。還有，根據(jù)本發(fā)明的真空斷路器包括一個前述的真空斷續(xù)器、被連接在各個固定電極和可移動電極上的導線端子、以及一個用于操作所述可移動電極的操作裝置。
根據(jù)本發(fā)明，可以提供帶有優(yōu)選性能的電觸點，包括斷續(xù)性能、絕緣阻抗和焊接阻抗，一種制造這種觸點的方法，一種利用這種觸點的真空斷續(xù)器以及一種真空斷路器。


圖1是一個用于根據(jù)本發(fā)明的真空斷續(xù)器的電極的橫剖視圖。
圖2是一個根據(jù)本發(fā)明的真空斷續(xù)器的橫剖視圖。
圖3是一個根據(jù)本發(fā)明的真空斷路器的橫剖視圖。
具體實施例方式
在下文中，將參照示例對用于實施本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行闡述；本發(fā)明并不局限于這些示例。
(示例1)圖1示出了一個用于本發(fā)明中的真空斷續(xù)器的電極的橫剖視圖。(a)是電觸點的平面視圖，而(b)是沿著(a)中線A-A的橫剖視圖。如圖1中所示，電觸點1由一個螺旋槳狀圓盤構(gòu)件制成，其具有多個螺旋溝槽2和一個中心孔50，其中螺旋溝槽2用于通過向電弧施加驅(qū)動力而防止電弧發(fā)生停滯。用于這種真空斷續(xù)器的電極包括電觸點1、一個由不銹鋼制成的非磁性補強構(gòu)件3、電極桿4以及一種焊接材料5。補強構(gòu)件3按需設置；如果電觸點的強度足夠，那么可以省去該補強構(gòu)件3。
制造所述電觸點的方法如下所述。使用顆粒尺寸不大于63微米的鋁熱鉻粉末或者電解鉻粉末，和顆粒尺寸不大于60微米的電解銅粉末。鋁熱鉻粉末中包含680ppm的氧、700ppm的鋁、以及800pppm的硅。電解鉻粉末中包含4800ppm的氧、26ppm的鋁、以及12ppm的硅。如表1中所示，電觸點1在鉻的重量比范圍為10至40％并且補充物為銅的條件下具有各種組分變化。此外，制備包含有重量比為0.03至1.0％的碲的材料。對燒結(jié)后的合金中的氧、鋁、硅的量進行測定。
首先，鉻粉末和銅粉末被混合起來，獲得預定的組合物。接著，將混合后的粉末填充在一個模具中，用于成形具有螺旋溝槽2和中心孔50的電觸點。在一個400MPa的壓力下對所述粉末進行壓力模塑。所制得模塑件的相對密度為71％左右。所制得模塑件在氬氣氣氛下在低于銅熔點的1050℃溫度下持續(xù)120分鐘進行燒結(jié)，來生產(chǎn)出所述電觸點。
所制得觸點的相對密度為94至97％左右。制造用于真空斷續(xù)器的電極的方法如下所述。電極桿為不含氧的銅，并且補強構(gòu)件3為SUS304。補強構(gòu)件3被預先加工成所需的形狀。電極桿4上的突起部分被插入到燒結(jié)而成的電觸點的中心孔50內(nèi)，并且接著于焊接材料5插入到補強構(gòu)件3的中心孔內(nèi)。焊接材5被設置在電觸點1與補強構(gòu)件3之間。組裝起來的組件被在8.2×10-4Pa的壓力下在970℃的溫度下持續(xù)10分鐘進行加熱，來生產(chǎn)出圖1中所示出的電極。這種電極是一種用于額定電壓為12千伏、額定電流為600安并且額定中斷電流為25千安的真空斷續(xù)器的電極。如果圓盤構(gòu)件的強度足夠，可以省去所述補強構(gòu)件。
圖2示出了一個根據(jù)本發(fā)明的真空斷續(xù)器的橫剖視圖。在該示例中，所述用于真空斷續(xù)器的電觸點被用來制造一個真空斷續(xù)器。這種真空斷續(xù)器的技術規(guī)格是額定電壓為12千伏，額定電流為600安，并且額定的中斷電流為25千安。如圖2中所示，在示例1中制備的用于真空斷續(xù)器的電極，由一個固定電極側(cè)的電極觸點1a、可移動電極側(cè)的電極觸點1b、補強構(gòu)件3a和3b、固定電極側(cè)的電極桿4a以及可移動電極側(cè)的電極桿4b構(gòu)成。這些構(gòu)件分別構(gòu)成了固定電極6a和可移動電極6b。
可移動電極6b借助于一個可移動側(cè)屏蔽物8被焊接在一個可移動電極支架12上，所述屏蔽物8用于防止在發(fā)生中斷時金屬蒸汽發(fā)生散射。這些構(gòu)件借助于固定電極側(cè)板9a、可移動電極側(cè)板9b以及一個絕緣圓筒13被以很高的真空度氣密性地焊接起來。固定電極6a和可移動支架12上的螺釘與外部導線連接起來。在此存在有屏蔽物7，用于防止在發(fā)生中斷時金屬蒸汽等在絕緣圓筒13中發(fā)生散射。在此還存在有一個導向件11，用于支撐可移動電極側(cè)板9b與可移動電極側(cè)支架12之間的滑動部分。
在可移動側(cè)屏蔽物8與可移動側(cè)板9b之間設置有一個波紋管10，由此使得可移動側(cè)支架12在保持該真空斷續(xù)器中的真空度的同時上、下移動，從而使得固定電極6a與可移動電極6b之間發(fā)生接觸和斷開接觸。
在本示例中，利用示例2中的真空斷續(xù)器制造出一種真空斷路器。圖3示出了這種真空斷路器的示意圖，包括真空斷續(xù)器14和一個操作機構(gòu)。
這種真空斷路器示出了位于所述真空斷續(xù)器前方的操作機構(gòu)和三個用于支撐三相聯(lián)合類型的真空斷續(xù)器14(the vacuum interrupter ofthe three phase united type)的環(huán)氧樹脂圓筒15，這些圓筒15位于所述真空斷續(xù)器的后側(cè)。真空斷續(xù)器14借助于一個操作桿16進行工作。當該真空斷續(xù)器被閉合時，電流流過上方端子17、電觸點1a和1b、集電器18以及下方端子19。電極之間的接觸力由設置在所述操作桿上的接觸彈簧20保持。由于短路電流產(chǎn)生的電磁推動力由一個支撐杠桿21和一個推進器22提供。
當真空斷續(xù)器處于分離線圈27自由工作的狀態(tài)時(when the vacuuminterrupter is in the sate where the separation coil 27 is free)，該分離線圈27受到激發(fā)來使得推進器22與分離杠桿28脫離鎖合，由此使得主杠桿26發(fā)生旋轉(zhuǎn)。最終，電極被分離開。
當所述真空斷路器處于打開狀態(tài)時，在電極被分離開之后，在復位彈簧29的作用下恢復聯(lián)結(jié)，并且推進器22與分離杠桿28發(fā)生配合。當閉合線圈30在這種狀態(tài)下受到激發(fā)時，電路閉合。數(shù)字31是一個抽真空缸體(an evacuation cylinder)。
(示例2)在該示例中，對在示例1中制備的用于真空斷續(xù)器的電極進行斷續(xù)測試，來評估斷續(xù)性能。這種斷續(xù)測試通過下述方式來進行將在示例1中制備的電極安裝在一個真空斷續(xù)器中，該真空斷續(xù)器的額定電壓為12千伏、額定電流為600安、額定中斷電流為25千安，并且被組裝在圖3中示出的真空斷路器內(nèi)。表1示出了斷續(xù)測試的結(jié)果。在No.1至No.11中，使用了鋁熱鉻粉末，而在No.12至No.13中，使用了電解鉻粉末。
在表1中，A代表中斷電流，B代表絕緣阻抗，而C代表焊接阻抗。斷續(xù)能力是指將被所述觸點中斷的最大電流值。絕緣阻抗是指間隔開6毫米的觸點不會放電的最大電壓。焊接阻抗是指對于具有額定值(25千安)的電流來說，閉合觸點能夠在不發(fā)生焊接或者粘結(jié)的條件下被分離開的最長時間。
表1

所述性能以相對于材料No.2(20％鉻-80％銅)的值的相對值進行描述，其中材料No.2的值為1。下面對利用鋁熱鉻粉末的電觸點No.1至No.11進行描述。
在15％鉻-銅(No.1)中，由于作為耐熱金屬的鉻的重量比僅占15％，所以斷續(xù)性能、絕緣阻抗和焊接阻抗會略微降低；但是，這些性能仍舊能夠滿足實際應用。如果重量比為0.05至0.5％的碲被添加到20％鉻-銅(No.3和No.4)，那么盡管絕緣阻抗會略微降低，但是焊接阻抗會增大。所添加的碲阻礙了燒結(jié)進程，來降低電觸點的強度，由此降低焊接起來的觸點的分離力。從實際應用的觀點來看，絕緣阻抗的這種降低程度不會產(chǎn)生任何問題。
在25％鉻-銅(No.5)中，隨著鉻的量增加，絕緣阻抗會增大，并且對電弧的辨別得以改善(distinguishing of arc was improved)，來略微提高斷續(xù)性能。在30％鉻-銅(No.6)中，導電性能下降，而斷續(xù)性能略微下降；但是，從實際應用的觀點來看，這種下降程度不會帶有任何問題。還有，在10％鉻-銅(No.7)中，斷續(xù)性能略微下降，而電弧趨于保持，同時趨于降低焊接電阻，因為鉻的量很小。在40％鉻-銅(No.8)中，燒結(jié)性能不太理想，因為鉻的量過高；由于氧過多，所以斷續(xù)性能下降。
在本發(fā)明中，碲被添加到鉻-銅合金中，來提高焊接阻抗。當碲的添加量為0.03％重量比時(No.9)，與包含重量比為0.05％的碲的鉻-銅(No.3)相比，焊接阻抗的改善效果略微較差。另一方面，如果碲的重量比大于0.5％，在鉻-銅(No.10)中的重量比為0.7％并且在鉻-銅(No.11)中的重量比為1.0％，那么絕緣阻抗和斷續(xù)性能會隨著氧的增加而下降，并且碲的蒸發(fā)量會增大。因此，碲的重量比必須為0.05至0.5％。對于利用了電解鉻粉末的No.12和No.13來說，斷續(xù)性能和絕緣阻抗的相對值為0.90或者更低，同時焊接阻抗較高。在添加了碲的情況下，斷續(xù)性能和絕緣阻抗進一步降低。
鉻的量與斷續(xù)性能、絕緣阻抗以及焊接阻抗之間的關系為，當鉻的重量比為15％時，通過利用鋁熱鉻粉末所獲得的電觸點顯現(xiàn)出了較高的絕緣阻抗和焊接阻抗，比如相對值為0.95或者更高。當鉻的重量比為10至30％時，斷續(xù)性能為0.95或者更高。但是，利用電解鉻粉末的電觸點顯現(xiàn)出了較低的焊接阻抗和絕緣阻抗，比如0.86或者更低，同時斷續(xù)性能為1.0或者更高。
碲的量與焊接阻抗之間的關系使得利用鋁熱鉻粉末和電解鉻粉末的電觸點顯現(xiàn)出了較高的焊接阻抗，比如相對值為1.0或者更高。
碲的量與斷續(xù)性能和絕緣阻抗之間的關系為，當使用鋁熱鉻粉末時，通過添加碲，直至重量比達到0.5％，根本不會對斷續(xù)性能產(chǎn)生任何影響。當添加的量為0.7％重量比或者更高時，斷續(xù)性能變?yōu)?.95；利用電解鉻粉末的觸點進一步降低至0.85或者更低。
直至碲的重量比達到0.5％，利用鋁熱鉻粉末的電觸點顯現(xiàn)出了相對值為0.95或者更高的絕緣阻抗。利用電解鉻粉末的電觸點顯現(xiàn)出了0.85或者更低的絕緣阻抗。
如前所述，用于真空斷續(xù)器的電觸點，如果包含特定量的氧、鋁、硅，并且還包含重量比為15至30％的鉻和重量比為0.05至0.5％的碲，那么將顯現(xiàn)出優(yōu)越的性能，包括斷續(xù)性能、絕緣阻抗和焊接阻抗。這種電觸點可以滿足所有所述性能。斷續(xù)性能的波動很小，從而可以獲得具有很高的性能、可靠性和安全性的真空斷續(xù)器和真空斷路器。
總之，根據(jù)本發(fā)明的電觸點滿足了下述要求斷續(xù)能力(A)是對于真空斷續(xù)器來說最為重要的性能，并且必須等于或者高于由銅和鉻構(gòu)成的對比樣品(No.2)的斷續(xù)能力；絕緣阻抗(B)必須至少是對比樣品No.1的絕緣阻抗的95％；并且作為本發(fā)明改進目標的焊接阻抗必須盡可能地高。從這個觀點來看，僅有樣品No.3和No.4滿足前述條件。
權(quán)利要求
1.一種電觸點，由一種燒結(jié)合金制成，該燒結(jié)合金包含重量比為0.05至0.5％的碲，100至3000ppm的氧，7.5至900ppm的鋁，以及15至750ppm的硅，其中，主要組分是重量比為15至30％的鉻和作為余量的銅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電觸點，其特征在于銅的重量比為70至84.5％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電觸點，其特征在于氧的量為400至1200ppm，鋁的量為50至400ppm，而硅的量為50至400ppm。
4.一種制造電觸點的方法，包括對混合粉末進行壓制和模塑，和對模塑后的粉末進行燒結(jié)，其中所述混合粉末包括重量比為0.05至0.5％的碲，以及作為主要組分的重量比為15至30％的鉻和作為余量的銅，其中鉻粉末包含50至2000ppm的氧，50至3000ppm的鋁，以及100至2500ppm的硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求4中所述制造電觸點的方法，其特征在于銅的重量比為70至84.5％。
6.根據(jù)權(quán)利要求4中所述制造電觸點的方法，其特征在于鉻-銅合金或者鉻的顆粒尺寸為104微米或者更小，并且銅的顆粒尺寸為61微米或者更小。
7.根據(jù)權(quán)利要求4中所述制造電觸點的方法，其特征在于模塑壓力為120至500Mpa。
8.根據(jù)權(quán)利要求7中所述制造電觸點的方法，其特征在于燒結(jié)操作在壓力為20至60Pa的氬氣氣氛中以一個不高于銅熔點的溫度進行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燒結(jié)而成的電觸點，包含作為主要組分的重量比為15至30％的鉻和作為余量的銅，0.05至0.5％的碲，100至3000ppm的氧，7.5至900ppm的鋁，以及15至750ppm的硅。
文檔編號H01H1/02GK1612275SQ20041005783
公開日2005年5月4日 申請日期2004年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月31日
發(fā)明者菊池茂, 馬場 升, 西島陽, 深井利真 申請人:日本Ae帕瓦株式會社