專利名稱:真空開關的開關觸頭及其生產方法
本發(fā)明涉及真空開關的開關觸頭，它由一個具有易蒸發(fā)成分之添加料的基體材料所組成，以在斷路過程中產生足夠的導電的觸頭間距。此外本發(fā)明還涉及生產這種觸頭的方法。
在電感性的開關回路中，當在特定的開關情況中應用真空開關時，例如在切斷一個正在運行的電機時，可能會產生具有虛假電流轉換的多次重新點弧，這在被連接儀器的輸入繞組中會導致強大的電壓負荷，而且在這種情況下需要保護措施(參考資料K.Stegmüller，“Elektro technik”〔電子技術〕，66/22，Nov.1984，第16-23頁)。為此需要無過壓的真空開關，使其在電感回路中接通小電流時沒有電壓升高的趨勢。對于這類開關的觸點材料，這意味著要求長時間的電弧燃燒直至電流零區(qū)，即要求低的滅弧電流≤0.2安，而且同時要求充分導電的電弧，以使滅弧過程的不穩(wěn)定性減至最小。為了滿足這些要求，必須在接通時通過電弧產生足夠數(shù)量的載流子，即從陰極必須要有高的蒸發(fā)速率。
強烈的金屬蒸發(fā)以及所產生的大量載流子原則上損害了系統(tǒng)的斷路能力。所以要求觸點材料不僅要表現(xiàn)有無過壓的開關特性，而且還要具有高的功率開關能力。
對一種基體材料，例如鉻化銅(CuCr)添加足夠量的易蒸發(fā)的附加成分，迄今曾被建議用作具有無過壓開關特性的觸點材料。在專利EP-A-0083200，EP-A-0083245，DE-A-3150846，EP-A-0090579中說明了這種材料。
在目前技術狀態(tài)下所引用的添加料已經在其它一些方面應用于真空開關的觸點材料中，例如降低滅弧電流或減小焊接力，同時這些添加料依照各種方法在全部觸點材料中是完全均勻分布的，這是為了在燃燒損失時能始終繼續(xù)補充。
目前現(xiàn)有的解決途徑具有嚴重的缺點-因為隨著斷路電流不斷增大，被蒸發(fā)的觸點材料的量(以及因此而產生的載流子的量)通過易蒸發(fā)的添加料也不可避免地急劇增加，因此隨著電流的增長，斷路能力受到極大影響，而且與無添加料的材料相比明顯地減小了。
-通常由于該材料的脆性添加物即脆相部分多，故喪失了它所需要的延展性，這種延展性對于開關過程中的機械負荷以及在長時間電流負荷時良好的電氣接觸閉合是很重要的。
-同時，一般地由于添加料導電不良，會使電極的導電與導熱受到限制，也就是說，由于增加了發(fā)熱量可能會出問題。
-生產這種接觸材料組合優(yōu)先采用的是粉末冶金方法，因此，同時考慮到所使用的添加料，例如由專利DE-A-3150846所公布的材料，存在組織結構缺陷、非均勻性以及較高的殘余氣體含量這樣一些不容忽視的弱點，其進一步限制了開關功率能力以及電壓強度。
-當采用上述所謂“低電涌”一類觸點材料時，由于多數(shù)被引用的添加料同時具有良好的抗焊接性，從而產生了嚴重的加工困難。當采用具有這種添加料的高合金材料時，在連接技術方面可能會出現(xiàn)嚴重問題。
-在極端情況下，例如對于專利EP-A-0090579所公布的材料，就不能采用現(xiàn)有的方法進行釬焊。
因此本發(fā)明的任務就是創(chuàng)造開頭所說的那種開關觸頭，它在良好的功率開關能力下具有足夠的無過壓開關性能，而且在與銅制觸頭底座的連接技術方面是沒有問題的。
根據(jù)本發(fā)明，該任務可以通過添加料作為具有在所需真空硬焊溫度以上之軟化點或熔化點的中間金屬相，僅濃聚為一個覆蓋觸頭之接觸面的堅固的涂層，而且該添加料至少作為一個成分提供了在1000℃時蒸發(fā)壓力大于1毫巴的易蒸發(fā)的元素來予以解決，適當?shù)倪M一步說明及生產這類觸頭的特殊方法見后面的敘述。
為了避免前面曾分析過的在先有技術狀態(tài)中所存在的缺點，根據(jù)本發(fā)明建議對于證明可靠的基體材料，例如鉻化銅(CuCr)，僅在其開關面上涂覆一層適當?shù)囊渍舭l(fā)添加料或這種添加料的高濃縮的化合物/合金，而且該基體材料本身保持非合金狀態(tài)。通過實驗可以證實為了在完全無過壓開關性能方面獲得良好的結果，這種方案已經足夠了。由于不可避免的耗盡效應以及由此引起的可擔心的接觸腐蝕的那種情形，即易蒸發(fā)添加料的作用會迅速降低，這種情形出人意外地是不會發(fā)生的。這點可通過下述假設予以解釋在添加料蒸發(fā)時，其中相當一部分在觸頭間隙區(qū)重新濃聚在開關表面上。
本發(fā)明的一個重要優(yōu)點在于采用這種解決方法不僅可以獲得希望的無過壓開關特性，而且可獲得令人滿意的功率開關能力。這兩者的基礎在于在要求無過壓開關特性時的小電流和中等電流情形下，由易蒸發(fā)添加料制作的涂層起作用;而在要求可靠斷路的大電流情形下，具有大量能量的開關電弧轟擊在基體材料上，于是不再釋放嚴重阻礙滅弧過程的易蒸發(fā)的添加料。
本發(fā)明方法的另一個優(yōu)點是，可以使用高質量的可延展的基體材料。此外，由于使用了可靠的基體材料，可在與觸點架或觸點銷連接時繼續(xù)保留現(xiàn)有的真空硬焊方法，也就是說，連接技術是不成問題的。
下面分別說明本發(fā)明在添加料之材料選擇方面的實施形式。由這種添加料所形成的堅硬的涂層可以通過各種工藝方法制作，為此下面可進一步參閱附圖的說明。
在一個由適當接觸材料，例如由鉻化銅(CuCr)熔融材料制成的基體上，應該覆蓋一層選擇的添加料。
該涂層的厚度依賴于要求與所選擇的涂層材料，最好為百分之幾毫米至十分之幾毫米。如果出于工藝技術上的原因，該涂層摻入了基體材料的成分，當然也可以使用大厚度的涂層(幾個毫米)。
優(yōu)先考慮作為涂層成分即合適的添加料的是元素硒(Se)、碲(Te)、鉛(Pb)、鉍(Bi)與銀(Ag)、鋁(Al)、鋇(Ba)、鈣(Ca)、鈰(Ce)、銦(In)、鑭(La)、鋰(Li)、銻(Sb)、錫(Sn)、鍶(Sr)、鈦(Ti)或鋯(Zr)或者與作為基體材料的銅(Cu)相互之間的金屬間化合物。鎂(Mg)或釤(Sm)也可生成這種相。迄今作為專門用于改善性能(例如在有電弧負荷時，為了獲得低滅弧電流，要求提高金屬的蒸發(fā)密度。)之添加料成分的全部元素均已為人所知。對此，例如可參閱專利US-PS2975255、DE-A-1081950、DE-A-1236630、US-PS3596027以及DE-PS2124707。
由于加工技術的原因，應該選擇涂層的熔化溫度或軟化溫度高于所使用的釬焊溫度(例如T＞800℃)。例如，具有相應熔化點的涂層成分的有硒化二銀(Ag2Se)、碲化二銀(Ag2Te)、三硒化二鋁(Al2Se3)、三碲化二鋁(Al2Te3)、三鉍化二鋇(Ba2Bi3)、鉛化二鋇(Ba2Pb)、三鈣化二鉍(Bi2Ca3)、四鈰化三鉍(Bi3Ce4)、四鑭化三鉍(Bi3La4)、三鋰化鉍(BiLi3)、三鎂化二鉍(Bi2Mg3)、三鋯化二鉍(Bi2Zr3)、鉛化二鈣(Ca2Pb)、鉛化二鈰(Ce2Pb)、硒化二銅(Cu2Se)、碲化二銅(Cu2Te)、三硒化二銦(In2Se3)、鉛化鑭(LaPb)或鉛化二鑭(La2Pb)、硒化二鋰(Li2Se)、碲化二鋰(Li2Te)、硒化鉛(PbSe)、釤化二鉛(Pb2Sm)、碲化鉛(PbTe)、二鈦化鉛(PbTi2)、五鋯化三鉛(Pb3Zr5)、錫化硒(SeSn)、鋅化硒(SeZn)、鈦化碲(TeTi)、鋅化碲(TeZn)。
對于確認涂層資格而言，重要的是它在基體材料上的良好附著力，這種附著力是通過熔接(一種熔融反應)或在液相中的燒結而實現(xiàn)的。為易于涂層的合金過程，也可以采用這樣的添加料，它與基體材料或其中一個成分一起參加反應，通過這種方法所產生的涂層能經受住釬焊溫度。這種添加料例如是硒化銦(InSe)、三碲化二銦(In2Te3)、三硒化二錫(Sb2Se3)或三碲化二錫(Sb2Te3)，它們與基體材料鉻化銅(CuCr)中的銅(Cu)生成了適當?shù)娜?。在任何情況下，涂層決不允許含有松散結合的顆粒，否則影響電壓強度以及開關特性。
因為通過開關過程交換了電極間的材料，故只要對真空開關的一個觸頭涂膜便可充分地降低過電壓。
圖1至圖3示出了生產符合本發(fā)明之觸頭的三種不同方法的實例。
在圖1中，由基體材料鉻化銅例如CuCr50制成的造型體10的掩蔽面11上覆蓋了硒化二銀(Ag2Se)粉的顆粒12，合適的粉末量在過程結束后所產生的涂層厚度約為50至100微米。在熔化過程中，保護罩或造型體10的凸緣13防止了粉末從旁邊向下滑或向下流。在真空容器5(P＜103毫巴)或在稀薄的高純度惰性氣體中，造型體10與粉末12被加熱至約950℃，且在該溫度上保持一段時間(約10至20分鐘)，于是硒化二銀(Ag2Se)粉熔化，在造型體10的鉻化銅襯底上生成了所希望的涂層14。冷卻后取下造型體10的凸緣13，涂層14可直接即無需再加工便可作為這樣生產的觸頭接觸面來使用。
在圖2中，由20～25%的鉻(Cr)，30～40%三碲化二銻(Sb2Te3)和其余為銅(Cu)的粉末混合物壓制成為厚度約為1-3毫米的扁平園片22，它作為底片被放在具有保護罩23的由鉻化銅例如CuCr50制成的基體20的上表面21上。相應于圖1在真空容器5或惰性氣體中，該裝置被加熱至約1000℃，并在該溫度上保持30-60分鐘。同時所放置的壓制園片22進行液相燒結并在約622℃時熔化的三碲化二銻(Sb2Te3)變?yōu)轫诨~(Cu2Te)。通過這樣以銅(Cu)析出的銻(Sb)在鉻化銅(CuCr)基體20的上表面21上產生了完美的連結。隨后底片22便可加工為具有所希望強度的涂層24。
在圖3中，由鉻化銅例如CuCr50制作的觸頭30具有一個厚度約為50微米的硒化鉛(PbSe)涂層34。在這個實例中，涂層34是采用現(xiàn)有方法根據(jù)圖1在真空容器5中將添加料32蒸發(fā)至觸頭30的底面31上而產生的(例如采用陰極濺射或離子鍍)。涂層34無需再加工便可用作開關面。
對于圖2中的觸頭，添加料相對基體材料的比例可按適當?shù)姆绞阶兓?，例如添加料所占比例?0%，而在圖1和圖3中全都是純的添加料覆蓋層。在每種情形中，對于添加料至少使用這些元素中的一種，這些元素的蒸發(fā)壓力當1000℃時約在1毫巴以上，而且它們彼此之間或與其它金屬生成中間金屬相。這個相的蒸發(fā)壓力在數(shù)量級上是與各單獨成分之蒸發(fā)壓力不同的。由于在開關時產生電弧，于是該中間金屬相分解為具有相應蒸發(fā)壓力的元素。與此相反，所生成的中間金屬相在釬焊過程中尚未分解。所以只有該相的蒸發(fā)壓力是具有決定作用的，因此在釬焊過程中由于金屬大量蒸發(fā)不會出現(xiàn)有害影響。
在表1中列舉了幾個有關滅弧電流的實例，這些滅弧電流是在符合本發(fā)明的觸頭上，即在具有以所述方式規(guī)定之涂層的一個鉻化銅(CuCr)觸頭體上測量的。
表1
對于按圖2生產的觸頭，專門進行了三極開關實驗，實驗表明電流滅弧能力的斜率可以降低至純CuCr50觸頭值的20%以下。所以在負載回路中出現(xiàn)多次重新點弧時，不會再出現(xiàn)虛假的電流斷路。同時在12千伏電網(wǎng)電壓時，短路電流/斷路功率可達20至25千安。這意味著相對于由具有標準的無涂層結構之材料所制作的普通低過壓觸頭提高了50%以上。
參考符號表圖1-35 真空或惰性氣體容器圖1 粉末熔融10 觸頭基體11 上表面、開關面12 粉狀添加料13 基體外緣14 涂層圖2 覆蓋層的液相燒結、卸模20 觸頭21 上表面、開關面22 由壓制的添加料+基體材料而制成的覆蓋層24 涂層圖3 蒸發(fā)30 觸頭基體31 下表面、開關面32 粉狀添加物34 涂層
權利要求
1.在斷路過程中為產生足夠的導電觸頭間距，真空開關的觸頭由具有易蒸發(fā)元素之添加料的基體材料所組成，該添加料主要位于開關面所屬的觸頭區(qū)。這種真空開關觸頭的特征在于添加料(11，12，13)作為具有在所需真空硬焊溫度以上之軟化點或熔化點的中間金屬相，反濃聚為一個覆蓋觸頭(10，20，30)之接觸面(11，21，31)的堅固的涂層，而且該添加料至少作為一個成分提供了在1000℃時蒸發(fā)壓力大于1毫巴的易蒸發(fā)的元素。
2.根據(jù)權利要求
1的開關觸頭，其特征在于，這些易蒸發(fā)的元素是硒(Se)、碲(Te)、鉛(Pb)、鉍(Bi)、鋇(Ba)、鈣(Ca)、鈰(Ce)、銦(In)、鑭(La)、鋰(Li)、銻(Sb)和/或鍶(Sr)。它們彼此之間或與其它金屬生成中間金屬相。
3.根據(jù)權利要求
2的開關觸頭，其特征在于，上述的其它金屬是銀(Ag)、鋁(Al)、銅(Cu)、鎂(Mg)、釤(Sm)、錫(Sn)、鈦(Ti)、鋅(Zn)或鋯(Zr)。
4.根據(jù)權利要求
3的觸頭，其特征在于，添加料的軟化點或熔化點在約800℃以上。
5.根據(jù)權利要求
3的觸頭，其特征在于，添加料(12、22、32)是下列單獨的金屬間化合物或它們的組合硒化二銀(Ag2Se) 碲化二銀(Ag2Te)、三硒化二鋁(Al2Se3)、三碲化二鋁(Al2Te3)、三鉍化二鋇(Ba2Bi3)、鉛化二鋇(Ba2Pb)、三鈣化二鉍(Bi2Ca3)、四鈰化三鉍(Bi3Ce4)、四鑭化三鉍(Bi3La4)、三鋰化鉍(BiLi3)、三鎂化二鉍(Bi2Mg3)、三鋯化二鉍(Bi2Zr3)、鉛化二鈣(Ca2Pb)、鉛化二鈰(Ce2Pb)、硒化二銅(Cu2Se)、碲化二銅(Cu2Te)、三硒化二銦(In2Se3)、鉛化鑭(LaPb)或鉛化二鑭(La2Pb)、硒化二鋰(Li2Se)、碲化二鋰(Li2Te)、硒化鉛(PbSe)、釤化三鉛(Pb3Sm)、碲化鉛(PbTe)、二鈦化鉛(PbTi2)、五鋯化三鉛(Pb3Zr5)、錫化硒(SeSn)、鋅化硒(SeZn)、鈦化碲(TeTi)，鋅化碲(TeZn)。
6.根據(jù)權利要求
1至5之一的觸頭，其特征在于，附著的涂層(14、24、34)的厚度小于2毫米，最好小于1毫米。
7.根據(jù)權利要求
1至5之一的觸頭，其特征在于，附著的涂層(14、24、34)的厚度大于1/100毫米。
8.根據(jù)權利要求
1至7之一的觸頭，其特征在于，作為基體材料優(yōu)先使用具有30-60%高比例鉻的鉻化銅(CuCr)材料。
9.根據(jù)權利要求
1或權利要求
2至8之一生產觸頭的方法，其特征在于，涂層(14)是通過將粉末狀添加料(12)熔化在給定的由基體材料制成的基體(10)的上表面(11)上而生成的。
10.根據(jù)權利要求
1或權利要求
2至8之一的觸頭生產方法，其特征在于，涂層(24)是通過將粉末狀添加料的覆蓋層(22)在給定的由基體材料制成的基體(20)的上表面(21)上燒結為顆?；虿虮∑傻?。
11.根據(jù)權利要求
10的方法，其特征在于，覆蓋層(22)中摻雜了基體材料的成分。
12.根據(jù)權利要求
11的方法，其特征在于，覆蓋層(22)是由一個被壓制的粉末混合物構成，該混合物由基體材料以及添加料(最好占1/3總體積)組成，而且該覆蓋層通過熔融或液相燒結而與由基體材料制成的襯底相連結。
13.根據(jù)權利要求
1或權利要求
2至8之一的觸頭生產方法，其特征在于，涂層(34)是通過向由基體材料制成的給定基體(30)的上表面(31)進行蒸發(fā)而形成的。
14.根據(jù)權利要求
13的方法，其特征在于，這種蒸發(fā)是通過濺射或離子鍍而實現(xiàn)的。
15.根據(jù)權利要求
9、10或13之一、生產符合權利要求
8的觸頭的方法，其特征在于，考慮到采用低于約800℃熔化的中間金屬相作為添加料，為了形成耐釬焊的且最好在800℃以上熔化的合金或中間金屬相，該中間金屬相的裂解以及與銅的反應是在熱過程中進行的。
16.根據(jù)權利要求
15的方法，其特征在于，中間金屬相是硒化銦(InSe)、碲化銦(InTe)或三碲化二銦(In2Te3)、三硒化二銻(Sb2Se3)、三碲化二銻(Sb2Te3)、碲化錫(SnTe)。
專利摘要
為在斷路過程中產生足夠的導電觸頭間距，真空開關的觸頭由具有易蒸發(fā)元素之添加料的基體材料制成，以獲得真空開關的無過壓開關特性。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的添加料(12)濃聚為一個覆蓋觸頭(10)之開關面(11)的堅固的涂層(14)。特別地，這種觸頭是通過直接熔化添加料，將粉狀添加料的單獨覆蓋層燒結為顆粒或箔或薄片；但是亦可通過將添加料蒸發(fā)到由基體材料制成的給定基體的開關面上而生產出來。采用鉻化銅接觸材料作為基體材料是適宜的。
文檔編號H01H33/66GK87100459SQ87100459
公開日1987年8月12日 申請日期1987年1月28日
發(fā)明者霍斯特·基彭伯格, 賴納·米勒, 漢納·洛爾·施洛特, 伊爾莫·保羅斯, 魯?shù)细駹枴ず账?申請人:西門子公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan