（材料加工工程专业论文）cuwcrcu整体触头的耐烧损性能研究及其失效分析.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导f 进行的研究工作及取得的成果。尽我所知 除特别加以标注和致谢的地方外，论文巾不包含其他人的研究成果。与我 一同i ：作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文巾作了明确的 说明并已致谢。 本论文及其桐关资料若有不实之处由本人承担一切相关责任 论文作者签名 盈殳趔；年，矿月，驴日 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期问所取得的所有研究成果的知识产权属西安理j = 大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学。无论何时何地，未经学校许町，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校仃权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩日j 或 其他手段复制保存本论文， ( 加密学位论文解密之前后，以上中明同样适用) 论文作者签名_ 纲笪一 导师签名：益查姿哆年，一y j 莎h 两安理工大学工穰硕上专业学位论文 c u w c r c u 整体触头的耐烧损性能研究 及其失效分析 学科：材料加丁t 程 研究生： 强文 导磐：范志康教授 副导师：粱淑华副教授 张永雷教授级高工 研究乍 导卿 摘要 ( 签字) ：印太 ( 签字) ：鬈查蕉 断路器在电哪申起着开断和接通的讴要钓挖艇n 蒯。可以说是电网申帮纽而 实施新踌嚣藁要作用静棱心郄释就是弧簸头，妇录庄动态使焉中自子激炙的失效蕊 不能有效开断的话，断路器就会整机爆炸，屙果就是它所连接的整个电网处r 瘫痪 状态，电嘲的输变电电压越高，波及的丽i 积越大，所以有必要对触头的动态烧损和 失效逮行详尽觞分橱，减少或避免实际使麓过程中麓殛攒和失效，扶蜀稳定整个电 网。目前在s n 断路器中游遮使用的触头材料一般由耐电弧烧损的c u w 部分和提 供弹性和导电性的c r c u 部分组成，印c u w c r c u 整体触头。采用立式烧结熔渗上 艺势羯裁冬了c u w 6 0 c r c u ，c u w 7 0 c r c u ，c u w 8 0 c r c u 整 奉燕盘头毒孝辩，劳分考鼋了 他们的烧损机理：同时还对型式试验中触头的火效机蠼进行了分析，并提改进 措施。结果如f ： 不两成分耱c u w 电融头翁浇攒枫璎楚不同的。 ( 1 ) c u w 6 0 触头的烧授机理是以c u 茵先熔化喷溅，然后没有形成连续骨架的 w 灏粒在关台的磨损中脱落，这楚一个烧损用期，妇此鲍循群罢致艇头斡 烧损，宣至失效。 ( 2 ) c u w 7 0 的烧损先避炭层的c u 均匀挥发，接着在骨架的表面形成一层以w 为差的壳层，然蜃壳蕞剥落，强露出来的继续烧撰，如鳇反髭，导鼗了继 头c | 寸烧损。 摘要 ( 3 ) c u w s o 主要是以产生较厚的以w 为主的壳层，然后在电弧的反复作用下， 壳层剥落，如此循环，导致触头的最终烧损。 ( 4 )在触头存在富铜缺陷时，烧损首先产生的是喷溅，接下来是钨骨架的大面 积烧损。 在本次实验条件下，c u w 6 0 的耐烧损性最差而c u w 7 0 最好，c u w 8 0 介于 两者之间。 u + 触头的动态失效主要有三种方式：在结合面处发生断裂严重烧损后无法接通， 触指变形。三种失效方式与烧结工艺直接相关，传统的粉末冶金连续卧式烧结炉烧结 的产品失效概率较人。应尽量避免使用该种烧结方式。 ( 1 ) 断裂是由丁原材料铸态的c r c u 中c r 质点丈于熔渗的孔隙而沉积在界面 上，同时在有氧源存在的条件下，结合面氧化，致使结合面结合不好，界 面热阻升高，c u w 与c r c u 部分的膨胀不同，应力集中，燃弧后断裂。建 议c r c u 采用挤压态代替铸态。 ( 2 ) 严重烧损是由于w 粉表面的氧化膜在烧结过程中不能很好的还原，致使骨 架的烧结强度不高，大部分w 颗粒以孤立的状态存在，毛细作用微弱，c u 很容易喷溅，在反复的开断后，w 颗粒剥离造成。 ( 3 ) 触指不均匀变形是由于在熔渗过程中c r 元素偏析上浮，在蚓周方向分布不 均而致。 关键词：c u w c r c u 整体触头烧损机理失效 西安理工大学工程硕士学位论文 s t u d yo n t h ea r ce r o d i n ga n di n v a l i d a t i o nm e c h a n i s mo f c u w c r c ui n t e g r a t e dc o n t a c t s p e c i a l i t y ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：t i a l lw j n s u p e r v i s i o n ：z k f a n s h l i a n g y l z h a n g ( s i g n a t u r e ) 二互堑丝， ( s i g n a t u r e ) ( s i 起n a t u r e ) ) 蛐苔 a b s t r a c t s w i t c h e sp l a yt r a n s m i t t i n ga n dc u t t i n ge l e c t r i c a lc u r r e n tr o l ed u r i n gt h e w o r k i n g e l e c t r i c a ln e ta s ah i n g e t h ei m p o r t a n tr o l ew i l lb eb r o u g h ti n t oe f f e c tb yt h ek e yp a r ti n s w i t c h e s - - a r cc o n t a c ti ft h ec o n t a c t sh a v ei n v a l i d a t e da n dc o u l dn o ta c c o m p l i s h e dt h e i m p o r t a n tr o l ed u r i n gt h ew o r k i n ge l e c t r i c a ln e t ，s w i t c h e sw o u l dd e t o n a t e ，w h i c hr e s u l ti n t h ep a r a l y s i so fw h o l en e tl i n k e db yt h es w i t c h e s ，t h eh i g h e rt h et r a n s m i t t i n gv o l m g eo fn e t i s ，t h eb i g g e rt h ea f f e c t e da r e ai s ，t h e r e f o r e ，i no r d e rt od e c r e a s eo ra v o i dt h ea r ce r o d i n ga n d i n v a l i d a t i o nd u r i n gt h en e tw o r k i n g , i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ea r ee r o d i n ga n di n v a l i d a t i o n m e c h a n i s mo fc o n t a c t s ，s e q u e n t i a l l ym a k et h ew h o l en e ts t a b l e a tp r e s e n t , t h ea r cc o n t a c t s i ns f 6s w i t c h e si sf o r m e db yt h ee x c e l l e n tp r o p e r t yo f e l e c t r i c a la r cr e s i s t a n c eo f c u w a l l o y a n dt h ee m i n e n t c o n d u c t i v i t yt o g e t h e rw i t hh i g he l a s t i c i t yo fc r c ua l l o y , s o c a l l e d c u w c r c ui n t e g r a t e dc o n t a c t i nt h i sp a p e r , c u w c r c ui n t e g r a t e dc o n t a c t sw i t h5 0 ，6 0 ， 7 0 a n d8 0 t u n g s t e nb yw e i g h tw e r ep r e p a r e d b yv e r t i c a i n t e g r a t e ds i n t e r i n ga n d i n f i l t r a t i o nt e c h n i q u e ，a n dt h ea r ee r o d i n ga n di n v a l i d a t i o nm e c h a n i s mo fc o n t a c t sw e r e a n a l y z e di nd e t m l ，t h er e s u l t sw e r es h o w na sf o l l o w i n g ： t h em e c h a n i s mo fa r ce r o d i n gf o rc u w c r c ui n t e g r a t e dc o n t a c ti sd i f f e r e n tw i t ht h e c o n t e n t0 f w i i i 1 t h em e c h a n i s mo fa r ce r o d i n gf o rc u w 6 0 c r c ui n t e g r a t e dc o n t a c ti st h ev o l a t i l i z a t i o n o fc uu n d e rt h ea r cw o r k i n g , t h e nt h ep a r t i c l e so fww e r ew o i t io f ft h em a t r i x , t h i s p h e n o m e n ai s n t f o r m e dc o n t i n u o u ss k e l e t o nd u r i n gt h ec o n n e c t i n ga n dc u t t i n g s u c h a n d s u c hr e p e a t i n gr e s u l t e di nt h ea r ce r o s i o no f t h ec o n t a c lu n t i li n v a l i d a t i o n 2 t h ea r ce r o s i o no fc u w 7 0 c r c ui n t e g r a t e dc o n t a c ti sf i r s tf r o mt h ee v e nv o l a t i l i z a t i o n o ft h es u r f a c ec u f o l l o w i n gb yt h ef o r m a t i o no faws h e l lo nt h es u r f a c eo fw s k e l e t o n t h e nt h es h e l lf l a k eo f f , a f t e rt h i s ，n e wa r ce r o s i o no c c u r 3 t h ea r ce r o s i o no fc u w 8 0 c r c ui n t e g r a t e dc o n t a c ti sp r i m a r yf o r m i n gt h et h i c k e r s h e l la n dt 风s h e l lf l a k eo f f 4 w h e nt h e r ea r er i c hc ud e f e c ti nc u w c r c ui n t e g r a t e dc o n t a c t ，t h ea r ce r o d i n gl o s so f t h ec o n t a c ti sf i r s tf r o mt h es p r a y i n go f c a ，t h e nt h ew s k e l e t o nf l a k eo f f t h ep r o p e r t yo fe l e c t r i c a la r cr e s i s t a n c eo fc u w 6 0i st h em o s tb a do n e ，c u w 8 0t a k e s s e c o n dp l a c e ，a n dc u w 7 0i st h eb e s to n ei nt h i st e s t t h e r ea r et h r e em o d e sf o rt h ei n v a l i d a t i o no fc u w c r c ui n t e g r a t e dc o n t a c t ：s p l i t t i n g f r o mt h eb i n d i n gi n t e r f a c eo fc u w c r c u ；u n e v e nd i s t o r t i o no fc o n t a c tf i n g e ra n ds e v e r e e r o d i n gl o s s t h e s ei n v a l i d a t i o n sa r er e l a t i v e t ot h ep r o c e s s i n go fp r e p a r i n gt h ec o n t a c t d i r e c t l y , t h ep r o d u c t sm a d ei nc o n v e n t i o n a la n dc o n t i n u o u sp o w d e rm e t a l l u r g yf u r n a c ea r e m o r ee a s yi n v a l i d a t i o nt h a nt h a to fi n c o n t i n u o u so n e ，a n ds ow es u g g e s ta v o i d i n gt h i s s i n t e r i n gm e t h o d 1 t h es p l i t t i n gf r o mt h eb i n d i n gi n t e r f a c eo fc u w c r c ur o o t sf r o mt h er i c hc ra n dt h e o x i d a t i o n o f 廿1 eb i n d i n gi n t e r f a c e 、w h i c hl e a d st ot h eh i g h e rt h e r m a lr e s i s t a n c ei n b i n d i n gi n t e r f a c et h a nn o r m a l ，a n dt h et h e r m a ls t r e s se n h a n c e d t h ee x t r u d e dc ai s s u g g e s t e dt oi n s t e a do fc a s t i n gc u 2 t h es e v e r ee r o s i o ni sd u et ot h eb a ds k e l e t o ni n t e n s i t ya n di s o l a t e dw p a r t i c a l s ，w h i c h r e s u l t sf r o mt h ep o o rr e d u c eo fws u r f a c eo x i d a t i o n w h e nt h ea r cw o r k s ，t h ec a p i l l a r y i v 阿奠j 坐r 人学r 控f 掌生l 迁 i sp o o ls oc ui ss p l i t t i n gg r e a t l y 3 t h eu n e v e nd i s t o r t i o no fc o n t a c tf i n g e ri sd u ei ot h eu n e v e nd i s t r i b u t i o no fc ra l o n g c i r c l eo f t h ec o n t a c td u r i n gi n f i l t r a t i o n k e y w o r d s ：c u w c r c ui n t e g r a t e dm a t e r i a l s ；a r ce r o s i o n ；i n v a l i d a t i o n ；m e c h a n i s m v j j l i 业掣丁人学丁挥坝i 业学位i _ 仑上 1 文献综述 1 1 选题背景及意义 随着固民经济持续稳定的发展，用咆量不断在增大，目前的容量已 明显表现出力不从心，尤其是今年盛夏在上海、江浙一带不得不采敢拉 闸限电，来保证基本的生活需要，这说明电网还需要进一步完善。国家 已经提出在2 1 世纪将加快电力建设的步伐，到2 0 l o 年将达5 5 0 g w ，2 0 2 0 年将达8 0 0 g w 咿j 。面对如此大的装机容量，为了节约土地资源取线路走 廊，需要大量采用大容量、小型化、轻型化的输变电设备，断路器作为 屯网中的核心设备，西安高压电器研究所和武汉高压研究所已经开始这 方面的发计，新的断路器灭弧室空剐变小，容量增大，其核心部件弧 触头尺、十也随之变小，这就意味着触头单位体积所承担的负荷变大，凶 此对触头材料尤其是列孤触头的耐烧损性能和结合强度提出了更高的要 求j 。弧触头作为断路器的核心部件在其运行中担负着接通、断丌电路及 负载电流的任务，它旦失效，断路器将立即爆炸，势必造成大面积的 停电，经济损失巨大，后果将不堪设想。箍于断路器的重要作用，国家 规定该产品在上网运行前必须经过极端条件下的型式试验，通过后4 能 避入市场，那么对于断路器的核心部件弧触头也必须经过同样的试验。 通过模拟极端条件下的型式试验，可以检测触头的烧损机理及失效原因， 并据此来指导触头的制造过程，杜绝缺陷，为避免触头在电网运行过程 中失效奠定基础。 早期的触头材料多采用纯钨、纯铝、纯铜及贵会属，后来，r 始研制 使用复合材料作为触头材料。目薛研究工作比较活跃的是c u w 、c r c u 、 a g w 、a g c 、a g n i 、a g c d o 等系列触头材料。在这些触头材料中，c u w 系触头材料因其具有良好的斛电弧侵蚀性、抗熔焊性及高强度而得到了 广泛的应用，其中尤其以c u w c r c u 整体触头材料应用最广泛f 4 、”l 。 第一常史献练述 c u w c r c u 整体材料目前己成为各种高、中压开关的主要触头材料， 据估计在各种触头材料中占据8 0 以上比例，固内几大高_ | _ l 三) i 关生产厂 家如西安高压丌关有限公司、沈阳高压丌关厂、北京北丌电气有限责任 公司和山东泰开电气有限公司所制造的高压开关均采用立式整体烧结熔 渗法制备的c u w c r c u 整体材料作为其触头材料。 目前，对c u w c r c u 整体材料的研究较少【卜”，主要集中f 其整体制 备方法、静态性能及原材料成分对静态性能的影响方面，对端部c u w 合 余的研究工作仍偏重于制造工艺和粉术原料对其性能的影响方面 5 , 1 0 、1 3 】。 作为高压开关触头材料，c u w 合金具有良好的耐烧损性能和c u w c r c u 良好的界面结合状态是满足其使用性能的必要前提，然而，对这两个方 面的研究少见报道1 1 ”，因此，研究不同成分的触头的烧损机理以及烧损 与内部缺陷的关系和整体c u w c r c u 触头动念失效的机理，提高触头的 使用性能和使用寿命具有十分重要的现实意义。 1 2 整体c u w c r c u 触头的研究现状 1 2 1c u w 假合金的特点及应用场合 c u w 合金由于自身的诸多优良特性，目前已广泛应用于大容量s r 断路器，电阻焊电极，电子封装材料等领域 3 , 7 1 6 】。w 具有高的熔点，低 的线膨胀系数和高的强度；c u 具有很好的导热性能和导电性能，而c u 和w 又具有及低的互溶度，所以c u w 合金实际上是由c u 和w 钨铜所 组成的两相均匀分布的既不固溶又不形成化合物的一类假合金【l7 1 ，它兼 有钨的高熔点，高密度，抗电蚀性，抗溶焊性，高温强度和铜的高导电， 热导率，塑性及易j j - r 性，而且铜在电弧高温下蒸发时可以吸收大量的 电弧能量，降低电弧温度，改善使用条件和降低电蚀作用，因此被广泛 地用作高压电器的电触头材料。 c u w 假合金中，高熔点钨形成难熔骨架，使材料具有抗电弧、耐磨 两宜理t 人学r 摊岫l j 专业学垃论立 损及瓣褰滠性能，巍低熔点铜其务 茏建费导电、导热毪帮较高懿塑性。 在燃弧状态下，低熔点会属铜被熔化，由于毛细管作用，它被吸附在钨 骨架的罨细孔中，即使局部温度很高时材料也不会产生熔焊和飞溅f j “。 匿因为c u w 媛台会蕊窍良舞兹综会性旋，繇以狻广泛篷应震予电力开关 及等离予技术中作为电极材料黩体地说，可分为开关触头、火花放电 器电极、激光器电极和电火花加工用电极四个方蕊【1 8 1 ；将c u w 假合金与 其有毫鬈电、导熬性及褒弹矬斡镑毒寮结合杰一起裁袋爨c 娃、w e r c u 整 体材料也广泛应用于离压丌关断路器触头材料辑廿 ；此外，幽于钨具有较 低的热膨胀系数而铜具有较高的传导性，因而c u w 合金材料墩常作为低 膨强裹学热复合材糕蠲予徽电子封装薅精及集成电路静热淡糖辩1 9 - 2 。l 。 将铜和鹤通过中问过渡的铜钨复合层结台在一起制成的铜鹤功能梯度材 料也作为喷管喉衬、电子束靶等应用于航空航天、核工业及电子工、世等 裹科技镁蠛中 6 , 2 1 , 2 2 j 。 1 2 2c u w 合金的制备工艺 c u 鼗w 的熔点糠差很大，w 懿熔点高于c u 翦沸点璺c u w 不耀溶， e u 、w 缀元的特征鬻数觅表1 1 。一般的熔炼方法难予生产c u w 舍金， 目前国内外制各c u w 合金材料均采用粉末冶会法，大致可以分为以下= 释：混粉烧结法、熔渗法。 表1 1c u 、w 组元的特钕常数 表l 。1 来源，支娥 2 3 ) a 熔渗法1 2 4 2 8 】 第一帝史献练述 熔渗法是制各难熔金属与低熔点会属假合会的常用方法。熔渗法制 取c u w 合金的工艺为 2 4 1 ：将一定粒度的钨粉或混有少量西导铜粉的钨粉 压制或通过其它成形方法制成坯块，再通过烧结制成一定密度及强度的 多孔基体骨架，然后在真空或保护气氛的烧结炉中进行熔渗，使液态铜 在毛细管力作用下渗入多孔基体钨骨架，从而获得c u w 合会材料。用此 注制备的c u w 合金材料致密度高，烧结性能好，电导和热导性能也很理 想，缺点是熔渗后需进行机加工以去除多余的金属铜，增加了加工费用， 降低了成品率，另外此法不能制取任意铜含量的c u w 合金，铜含量只能 限制在5 - 5 0 w t 范围内。 由于钨的熔点高，在一般高温( l7 0 0 。c ) 下烧结收缩小，难以致密 化，又凶钨粉本身硬度高，成形性差，靠模压难以达到高钨岔量所需要 的骨架密度，因此用熔渗法制备高钨含量、高致密的铜钨材料的关键技 术就是怎样获得一定致密度的钨骨架。目前制备高密度钨骨架主要有以 下二种方法：( 1 ) 高温烧结；( 2 ) 活化烧结。 ( 1 ) 高温烧结钨骨架法 高温烧结钨骨架法的典型工艺如下：w 粉+ o 1 一1 5 粘结剂一压制 成形一脱除粘结剂一预烧结一高温烧结一渗铜。此种方法可以制得相对 密度大于9 9 2 的c u w 材料。由于采用高温烧结，所以w 还原很充分， 低熔点杂质极难还原的低价氧化物都可以通过挥发和热分解除去，致使 w 骨架连接强度较高，孔隙均匀，在随后的渗铜过程中，毛细作用显著。 同时，c u w 材料的含氧量较低，纯度较高，高温烧结方法适宜于制造耐 烧损性能要求较高的c u w 材料。利用高温烧结法制造的材料相对密度 高，综合性能好。高温烧结钨骨架法的唯一缺点是生产工艺周期长且复 杂，生产成本较高。 ( 2 ) 活化烧结渗铜法 部分活化烧结渗铜法的工艺大致有以下两种： 两友理丁= 学丁程顺卜号业学位论史 1 ) w 粉一2 一6 c u 粉+ 0j 一0 j 添加制( 一般为n i 粉) 一压制成形一烧 结一渗铜 此种方法工艺流程简单适宜于制造c u 的体积分数大于2 0 的c u w 材料。这种方法生产的c u w 材料，铜沿着钨晶界分布，钨骨架强度不如 高温烧结法，如用此法作为断路器中的触头材料，易产生烧蚀现象。此 法对原材料成分要求较高，否则产品会含有较多的杂质和气体。 2 ) 超细钨粉的注射成型工艺和熔渗工艺工艺流程如下： w 粉一+ 2 5 c u 粉+ 硬脂酸一加入到适量熔化的复合粘结剂中( 含 3 5 聚丙烯、6 石蜡、5 硬脂酸) 一冷却制粒注射成型一庚烷中脱粘结制 一以3 c m in 加热到5 0 0 c 一以i o c m in 的加热速度加热到1 0 3 0 c 一以 i o c 加热速度加热到1 2 0 0 1 6 0 0 。c 熔渗一冷却到室温。 这种工艺生产的c u w 9 0 和c u w 8 0 相对密度均大于9 9 ，利用注射 成型工艺可以制取形状复杂的零部件。此工艺中熔渗烧结时问对产品的 性能影响较大，随着熔渗时间的增加，产品的相对密度、硬度、强度均 有提高，但超过了某临界值后性能反而下降。这是因为超细粉的烧结机 理决定的，超细粉在熔渗烧结过程中出现固溶析现象。 b 混粉烧结法【4 , 1 2 】 混粉烧结法是一种常规的粉末冶金生产工艺，即混粉一压制一烧结 工艺。混粉烧结法又可分为固相烧结和液相烧结两种。混粉烧结法制取 c u w 合金的工艺过程为：按一定比例将一定粒度的铜粉与钨粉在保护气 氛下混合，高压压制成形，然后在保护气氛下在低于铜熔点的温度( 固 相烧结) 或高于铜熔点的温度( 液相烧结) 烧结从而制得c u w 合金。混 粉烧结法的特点是：生产工序简单易控，但要求烧结温度高，烧结时间 长，致使烧结费用较高，且烧结体的性能较差，特别是烧结致密度较低， 一般只为理论密度的9 0 9 5 ，通常不能满足使用要求。 第一章义献综述 c 纳米晶c u w 电触头材料1 ( 1 ) 粉术其烧结还原法 单纯会属钨和铜的超细和弥散粉末的制造难度大，但该类金属氧化 物粉末却极易达到超细弥散状态。采用这两种金属氧化物粉末共还原烧 结，在固相和液相烧结过程中都呈现强烈的致密化效果。在粉末共还原 处理中，采用了焙烧- 还原方法对w 0 3 ( 或w 0 29 ) 和c u o 的混合物先在空 气中焙烧形成c u w 0 4 ，然后在h 2 中还原。该粉末系统的成形和烧结特 性明显优于直接还原方法，相对密度可超过9 9 。有研究把此结果归因 于c u w 0 4 在低温h 2 中还原动力学过程优于w 0 3 和a p t 。 ( 2 ) 机械合金化法 将粒度分别为6 8 0 m 的w 粉和c u 粉1 5 0 9 装入不锈钢球磨罐中 ( 磨球为不锈钢，球料比为5 0 ：i ) ，在德国产s i m o t o y e r 高能球磨机中运 行6 2 4 h 。球磨过程中通入氩气，以防止粉末的氧化，高能球磨w c u 舍 金粉的热压烧结在t d r 一4 0 a 型单晶炉内进行。烧结温度1 0 0 0 1 2 0 0 c ， 保温1 h ，最大压力值为5 0 m p a 真空度为1 0 - 1 p a 。为了避免c u 的挥发，采 用了3 0 c m i n 的加热速度。 分析认为，机械合金化w - c u 粉末烧结密度大大提高的原因，一 是姒过程中产生的内应变在烧结时热效应，再加上热压使烧结致密化机 械中的流动机制和扩散机制更加明显：二是超细的粉末和高度的均匀化 增大了烧结的内在驱动力和致密化，并且使液相c u 均匀分布在细w 颗粒 周围，避免大空洞的出现。 机械合金化法用来制得c u 含量大于2 0 的w - c u 材料可以取得满 意的结果。 c u w 触头材料的细晶化将是今后一段时期的研究热点。这类材料 由于具有常规材料所不具备的晶体结构，从而显示出优越的性能，但是 6 两矗埋t 人学1 _ 程坝卜号业学位沦土 目融的研究结果还远远不能满足触头在极端条件下的电烧损需求。gg l e e 川采用机械活化一热化学方法以( n h 4 ) 6 ( h ：w 1 2 0 4 0 ) 4 h 二0 羊u f c u ( n 0 3 ) 2 3 h 2 0 为原料制备c u w 8 0 材料，该疗法可以得到小丁二1um 的 w 颗粒，但是w 颗粒没有成为连通孔隙的骨架而是以弥散状态分桕于铜 基体上，这样在电弧的作用下，铜会大量喷溅出去而无法回到原束的位 置，烧损会更加严重。 r a n d a l lm g e r m a n 等【3 0 3 1 1 的研究表明c o 、 f e 、p d 、n i 等的加入可以提高超细w 粉烧结的骨架强度，但是无法阻止 w 品粒在烧结过程中的急剧长大和避免闭孔的产生，且传导性能下降。i ， hm o o n ，e p k i m j “”j 等将铜粉、钨粉分别放入高能球磨机中球磨到 5 0 n m 左右，然后将w 粉表面涂敷铜后与少量诱导铜粉进行烧结后可 以得到纳米级的连通孔隙的w 骨架，并且没有闭孔，渗铜后制备的 c u w 8 0 材料的硬度达2 7 0 h b ，抗弯强度1 4 5 0 m p a ，远远高于国内的水平。 但是浚报道并未提及如何在纳米级的w 粉表面涂敷铜，如何将w 粉分 散，这是一种非常难控制的工艺。r m g e r m a n 等的研究 3 3 】将w c ， a 1 2 0 3 硬质点颗粒加入到纳米钨粉中进行烧结，目的是为了防止w 粉在 烧结过程晶粒急剧增大，该方法制备的c u w 8 0 c r c u 整体触头虽然保持 了较细的钨晶粒，但是出于w c ，a 1 2 0 3 硬质点颗粒与c u 和w 润湿性较 差，孔隙增多，经电弧烧蚀后，有颗粒脱离基体的现象。 上述三类制备方法中，熔渗法制取c u w 合金材料虽有一定的局限性， 但相对于可使材料获得优异性能来说，仍有很大优势。因此，该方法是 目前制备c u w 合金材料中应用最广泛的方法。 1 2 3c u w o r c u 整体材料的制各方法 4 , 6 , 7 , 9 , 2 4 , 3 6 i 由于触头材料不仅需要良好的耐烧损性能，而且还要求优良的传导 性能，尤其是对于自力型触头还需要触头自身提供弹性，来取代传统的 外加弹簧结构，所以通常需将c u w 合金与纯铜或铬青铜连接起柬制成复 合件使用。常用的c u w c r c u 整体材料制备工艺有： 第一荜义献综述 a 钎焊 闩本的“三菱公司”及“东芝公司”采用钎焊方法将c u w 与c r c u 连接在一起。该方法的缺点是：在c u w 与c r c u 的结合面处易产生气7 l 、 央渣等焊接缺陷，降低了结合强度；同时由于焊接过程中的热影响，焊 缝附近的铬青铜基体材料处于完全退火状态，原来的强化效应消失降 低了铬青铜的强度：此外。钎焊焊接工艺只能完成较简单的结合面形状， 结合强度较低。 b 电子束焊 西德的“d o d u c o ”公司及美国的西屋公司采用电子束焊方法将 c u w 与c r c u 连接在一起。电子束焊无需焊料，也无焊缝结构，焊接强 度较高。由于电子束焊仍然是热熔焊，在焊缝5 m m 之内的铬青铜基体同 样发生退火软化，影响铬青铜的性能。此外，电子束焊的焊接结合面只 能为平面，限制了其应用范围。 c 热等静压扩散焊接 热等静压技术已广泛应用于各种金属材料之间的扩散连接。唐安清 等人的研究表明，在1 0 0 0 0 c 1 0 6 0 。c 、8 5 m p a 9 5 m p a 条件下保温2 h ，可 以实现不同成分铜钨材料和铬青铜材料的直接连接，结合强度超过 2 1 0 m p a 。热等静压扩散焊接不存在焊接缺陷，界面结合良好，结合性能 优良，但结合面形状受到限制且所需成本较高。 d 整体烧结熔渗法 考虑到焊接方法带来的不可避免缺陷和退火现象，9 0 年代初出现了 将c u w 与c r c u 采用整体烧结方式将两部分结合在一起，根据触头在炉 内放置的方式不同，分为立式烧结和卧式烧结两种工艺。 ( 1 ) 传统的连续式炉卧式烧结熔渗 两安删t 人学t = 程坝卜争业学位论文 我国粉末冶金产品通常采用的是传统的连续卧式烧结炉，采用该1 一 艺烧结c u w c r c u 整体触头时，触头是卧放在模其中，为了防1 j ：发，卜牯 结现象，在模具表面要涂敷涂料。该工艺简单，工艺周期短，成本较低： 但是，由于触头在模具中是卧放，在熔渗c r c u 时，由于c r 的比重小于 c u 的，熔化后会偏析上浮，这样就使触头中的c r 沿圆周方向分布不均， 从而造成提供弹性的动弧触头的弹性不均；而且，由于连续式烧结温度 与气氛不能独立控制，不能使触头在烧结的过程中很好的还原，结合强 度普遍偏低：另外，由于涂料的存在，很容易在结合面处产生气孔和央 渣。 ( 2 ) 立式整体烧结熔渗法 针对卧式烧结熔渗的不足，西安理工大学范志康等人提出了立式 整体无涂料烧结熔渗法，该工艺过程为：先制备铜钨合会，然后加工出 所需的钨端面形状，再在立式整体烧结炉内熔渗铬青铜从而制得 c u w c r c u 整体材料。该方法的优点是：铜钨与铬青铜基体矧形成基 本无缺陷的冶会结合；由于立式气氛控制烧结炉能有效的控制炉内气 氛组成及浓度，使c u w 部分充分还原，含氧量明显低于连续烧结炉或 真空炉生产的，并且烧结熔渗温度及时间可以独立控制，c u w 部分的静 念物理机械性能超过了国际著名的d o d u c o 等公司同类产品的标准性能 指标。触头耐烧损性能优良。由于采用了立式气氛控制烧结和坩埚壁 钨涂料熔渗，所以在结合面处不易产生夹渣气孔，结合面洁净，界面结 合强度高。熔渗过程中，整体触头在炉内立式放置，补缩由上而下， 补缩冒口小，工艺出品率高，立式气氛整体烧结熔渗一次装炉完成，炉 温控制精确，工艺过程按设定程序自动进行。由于触头在炉内立式放 置烧结熔渗，不造成c r 元素沿圆周的不均匀分布，动弧触头弹性均匀， 第一学文献球述 克服了触指使用中弹性不均匀的问题。 上述四种制备c u w c r c u 整体材料的方法中，立式整体烧结熔渗法 工艺简单，能够获得各种形式的结合面及优良的结合性能，是目前制备 c u w c r c u 整体材料最新的也是最主要的方法。 1 3c u w 电触头的失效行为及影响因素分析 c u w 触头作为高压开关中关键元件之一，负担着接通断开和负载电 流的任务，在其工作过程中，承受着机械冲击及电弧腐蚀作用，因此， 要求材料除具有良好的机械物理性能外，还具有优良的力学性能和化学 稳定性。由于原材料及生产工艺中存在着一定的缺陷，从而影响材料的 机械物理性能，使得材料在电弧侵蚀过程中溶化和飞溅，并在热的负力 作用下产生裂纹或扩展，导致整个触头脱落，电器设备严重失效。 1 3 1 影响铜钨系电触头材料的因素1 8 , 1 3 , 3 7 , 2 7 l 虽然触头在使用当中失效形式多种多样，影响因素也极其复杂，但 归纳起来不外乎两类。一为外部因素，即触头的工作环境和工作特性； 包括电流特性，周围介质，触头的关合分断速度和初压力等；二为内部 因素，即触头本身的结构尺寸，粒度组成，制造工艺和应用场合。 a 内部影响因素 ( 1 ) 结构尺寸 触头的结构尺寸越大，在使用中由于能量比较分散的缘故，其抗电 弧烧损的能力就越强。但实际中，由于受到整个电器开关的限制，触头 的尺寸不可能很大。近来，有人研究出中空触头，插入式触头或加装引 弧角或引弧环的触头，其目的一来是产生电弧后，散热较快；二来是触 头在烧损后仍能保持良好的接触状态。 ( 2 ) 制造工艺 0 两立理丁人学t 程 i ! 卜 业学世论史 材料的致密度直接影响材料的性能，材料中孔隙的存在直接影响其电 导率及热导率。在c u w 合金的三种制取方法中，熔渗法所制得的c u w 合金材料致密度较高，而混粉烧结法制取的材料致密度较低。 c u w 合龠材料中c u 、w 两相均匀分布是其具有良好电性能的前提之 一。混粉液相烧结及热压法获得的c u w 合金材料不易产生铜、钨富集缺 陷，而熔渗法则易产生铜或钨的富集，严重影响其导电性能。采用机械 合金化技术及粉末注射成形技术制取的c u w 合金不仅致密度高而且c u 、 w 两相分布均匀。 良好的颗粒结合状态是保证c u w 合会材料具有良好的塑性、韧性及 传导性能的前提条件，其组织结构中的晶粒度、品界结合强度直接影响 c u w 合金材料的电导、热导率。混粉活化烧结法由于活化剂的加入可获 得良好的铡与钨颗粒之f 自j 的结合，熔渗法出于有液相的存在铜与钨颗粒 之问的结合也较好。目静，钨铜系电触头材料国内的制造商普遍使用的 都是混料一压制一烧结熔渗法，所不同的是有的用预烧钨骨架浸渍工艺制 取，而有的不用。比较而言，用预烧钨骨架较一般比不预烧骨架而直接 熔融浸渍制的钨铜触头材料性能要理想。 ( 3 ) 钨粉粒度4 2 7 1 钨粉及铜粉的粒度分布直接影响c u w 合会材料的性能。对混粉高温 液相烧结，为了混料均匀，一般铜粉粒度应介于5 - 7 5 9 m 之间，铜粉太 细，利于烧结但易氧化，使气体含量增多；铜粉太粗，不利于混料和烧 结。对熔渗工艺铜粉无粒度要求，钨粉则有一定要求，钨粉过细，容易 聚集，其毛细管之间有的不能沟通，有些地方易形成闭孔，使熔渗无法 进行，最终形成闭孔缺陷，且不易成形；钨粉太粗易产生混粉偏析，出 现大面积铜区，钨颗粒之间结合力差，结构松散，导致强度较低，因此 混粉工艺应选用较细钨粉，以保证材料致密化，熔渗工艺则应采用较粗 钨粉，以利于熔渗骨架及连通孔隙的形成，保证熔渗的顺利进行。实验 第一帝义献综述 研究表明，随钨粉粒度增大，c u w 合会材料的硬度和抗弯强度明显下降 电弧烧损率上升。 ( 4 ) 杂质含量f 2 7 i 粉木原料中杂质的存在会显著降低c u w 合金材料的传导率，因此必 须尽量降低其杂质含量。究其杂质来源主要有以下几个方面：为了提 高材料的致密度而加入的活化剂所形成的杂质，它们与铜形成固溶体从 而影响铜相的传导性；原料本身的纯度不高，含有杂质：在制各过 程中由外界带入的杂质。合金中最不希望存在的杂质是稳定的氧化物， 由于其具有低的电子逸出功，易对运动电子造成散射，从而影响材料的 传导率，因而原材料粉末应尽量防止其氧化，且在随后的烧结过程中应 用h 2 还原粉末表面的氧化膜。要消除杂质的影响，唯一途径就是降低 c u w 合余内的杂质含量。具体措施是首先不采用活化强化液相烧结而采 用其它方法如注射成形等方法制备；其次在成本允许的条件下，尽可能 选用高纯度的铜粉和钨粉，特别要减少铜粉中的杂质含量；同时加强制 备过程中的工艺管理、控制，防止带入外界杂质。 b 外部影响因素 研究认为”“，不同特性的电流在通断过程中产生的暂态特性不同， 对触头的烧损强度也不同，但当触头选定以后，其电流特性就是一定值； 周围介质对电触头的灭弧能力影响较大。如果介质的灭弧能力强，就可 大大减少触头材料的电弧烧损。开断速度特别是初开断速度决定着燃弧 时间，提高初开速度会缩短燃弧时闯，减少触头烧损。而增加初压力， 可以减弱触头因碰撞而引起的机械振动，从而减少机械磨损和电弧烧损。 1 3 2 钨铜触头材料裂纹机理分析n ”r ”1 由于电触头的重要作用，而由于原材料及生产工艺中存在着一定的 缺陷，从而影响材料的机械物理性能，使得材料在电弧侵蚀过程中熔化 两安理t 大学丁程蛳! 卜业学位论上 和飞溅，并在热应力作用下产生裂纹或扩展，导致整个触头脱落，电器 设备严重失效。而影响裂纹形成及扩展的主要凶素为：钨粉粒度及空 f h j 架构；c u w 之间的界面：表面润温性。 a 触头裂纹的形成和扩展 高钨含量( w 含量大于6 0 ) c u w 触头材料广泛用于多油、少油、 空气及s r 等高压断路器中，按其中生产工艺发展，基本上可分为四种： a 固相烧结复压复烧 b 液相烧结复压一一复烧 c 熔渗一一机加工 d 预烧钨骨架一一熔融浸渍一一机加工 以第四种工艺为例，分析其潜在裂度。 政工艺的主要特点是：钨粉掺蜡一一压力成型一一脱蜡一一预烧骨 架一一成型( 烧结项+ 连通孔+ 闭孔) 一一溶融浸c u ( 形成c u w 界面) 从中可以发现裂纹源有如下出处：商品w 粉粒度愈小，烧结过程中 物质表面转移量及积聚的趋势加工，w 分子间的界面增加，形成闭孔或 空间的可能性增加，另一方面，w 粉愈细，其表面对h 2 ，0 2 ，h 2 0 等吸 附能力增强，导致后续工艺中