专利名称：一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种真空开关所用的触头材料，特别涉及一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头。
背景技术：
触头是真空断路器、接触器、负荷开关等真空开关电器中的关键元件，承担接通、断开电弧电路和负载电路电流的任务，要求其具有在真空间隙中的高电压承载能力、高的开断能力以及低的截流值、熔焊趋向等性能。目前，真空开关电器中尚没有要求和考虑到用触头特性来控制开关开断过程中的电弧行为，使电弧在电极表面形成定向的扩展运动。真空电弧是真空开关关合和断开电路过程中必然伴随的现象，对其行为和过程的 控制是真空开关设计的核心，只有实现了电弧产生、运动和熄灭行为的可控，才能控制触头烧蚀程度和电路的成功开断。目前，真空开关中采用磁场来控制触头表面的电弧行为，主要包括(I)用横向磁场来驱使真空电弧在触头表面切向快速运动，减轻电弧对电极表面的烧蚀；(2)用纵向磁场来控制电极间隙空间的电弧压力、空间密度和能量分布，延缓了电极表面形成电弧集聚燃烧，从而提高了开关的开断能力。这类技术中，在电极间隙实现磁场的方法是将触头及其支撑底座加工成复杂的沟槽结构，使电极表面电流或电弧斑点按照一定方向运动。这个方法的弱点一是沟槽结构大幅度降低了触头系统的机械强度和触头的载流密度，也进而在一定程度上降低了开关的开断电流能力；二是大幅度提高了生产加工成本。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，不需将触头中加工成沟槽结构以产生横向或纵向磁场，用改变触头自身显微组织特性实现控制真空电弧的定向、扩展运动，从而实现提高真空开关的开断容量，大幅度提高触头系统的机械强度和载流密度，显著降低生产成本。为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，在其中分布有易于发生电击穿的第二相或第二相与铜基合金的混合材料，这些第二相或第二相与铜基合金的混合材料从触头中心开始形成连续排列区域，这些连续排列区域呈现出从触头中心的辐射状、圆环状或螺旋状。上述触头由铜基合金材料作为基体，铜基合金材料的成份范围包括铜铬系合金为含有质量百分比1-70%铬的铜合金；铜钨系合金为含有质量百分比20-90%钨的铜合金；铜钨碳化钨系合金为含有质量百分比0-50%钨、质量百分比1-60%碳化钨的铜合金；铜铋系合金为含有质量百分比1-10%铋的铜合金；铜铁系合金为含有质量百分比1-50%铁的铜合金；在铜基体中，还含有质量百分比为0-5%铝、0-5%硒、0-5%碲；第二相的成份包括碳材料、稀土或稀土氧化物、碳化物、金属氧化物、多元陶瓷相，第二相区域由上述第二相或其与铜基材料的混合物组成；在混合物中，第二相的质量比例为2-98%。第二相成份中的碳的存在形式可为碳纤维、碳布、石墨粉、碳黑粉或碳管粉末。第二相成份中的稀土或稀土氧化物包括置(La) >Jl(Ce)、资(Pr)、JL(Nd)、逝(Pm)、i(Sm)、能(Eu) ,IL(Gd)、篮(Tb) ,H(Dy),It(Ho)、篮(Er)、缓(Tm)、篮(Yb)、l(Lu、钪(Sc)和钇(Y)或其氧化物。第二相区域由第二相或其与铜合金的混合物组成。第二相合金与铜基材料相比，具有更易产生电弧和稳定电弧的特性，使电弧能够延着第二相区域快速扩展和定向运动。在其中分布有易于发生电击穿的第二相或第二相与铜基合金的混合材料(第二相的功函数低于合金基体材料)，这些第二相或第二相与铜基合金的混合材料从触头中心开始形成一定宽度的连续排列区域，从而能够诱导电弧沿着富第二相的区域进行定向的连续扩展运动。这些连续排列区域呈现出从触头中心的辐射状、圆环状或螺旋状等。与横向磁场的作用类似，这种第二相连续排列的区域可以为电弧提供连续定向连续扩展运动的通路， 从而能够减轻触头表面的电弧烧蚀，提高开关的开断能力。
图I是本发明的具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头结构的横截面示意图示例I。图2是本发明的具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头结构的横截面示意图示例2。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例一一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百分比为47-52%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-3%碳、44-51%铬的碳/铜铬触头区域，第二相区域从中心开始呈径向分布于铜铬合金基体材料中，参照图I所示，标号I指示的为触头材料基体，标号2指示的为第二相区域，触头材料基体整体如扇形，第二相的近矩形区域在横截面上的宽度为O. 1-2_。实施例二一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百分比为22-28%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-3%碳、19-27%铬的碳/铜铬触头区域，第二相区域从中心开始呈圆环形分布于铜铬合金基体材料中，参照图2所示，标号I指示的为触头材料基体，标号2指示的为第二相区域，第二相的圆环状区域在横截面上的宽度为O. l-2mm。实施例三一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百分比为22-28%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-3%碳、19-27%铬的碳/铜铬触头区域，第二相区域从中心开始呈螺旋线状，第二相的螺旋线在触头横截面上的宽度为 O.l_2mm。
实施例四一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百分比为47-52%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为2-5%碳、42-50%铬的碳/铜铬触头区域，第二相区域从中心开始呈圆环形分布于铜铬合金基体材料中，第二相的圆环状区域间具有宽度在横截面上的宽度为O. 1-2_，每个相邻圆环状区域间具有宽度为O. I-2mm的类矩形通道。实施例五一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百分比为47-52%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-10%氧化铈、37-51%铬的氧化铈/铜铬触头区域，第二相区域从中心开始呈径向分布于铜铬合金基体材料中，参照图I所示，标号I指示的为触头材料基体，标号2指示的为第二相区域，整体如扇形，第二相的近矩形区域在横截面上的宽度为O. 1-2_。
实施例六—种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百分比为22-28%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为2-5%的二氧化钍、17-26%铬的二氧化钍/铜铬触头区域，第二相区域从中心开始呈圆环形分布于铜铬合金基体材料中，参照图2所示，标号I指示的为触头材料基体，标号2指示的为第二相区域，第二相的圆环状区域在横截面上的宽度为O. l-2mm。实施例七一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百分比为22-28%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为2-5%碳化硅、17-26%铬的碳化硅/铜铬触头区域，第二相区域从中心开始呈螺旋线状，第二相的螺旋线在触头横截面上的宽度为O. 1-2_。实施例八一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百分比为47-52%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-10%氧化镧、37-51%铬的氧化镧/铜铬触头区域，第二相区域从中心开始呈圆环形分布于铜铬合金基体材料中，第二相的圆环状区域间具有宽度在横截面上的宽度为O. 1-2_，每个相邻圆环状区域间具有宽度为O. I-2mm的类矩形通道。实施例九一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百分比为20-80%钨的铜钨触头，第二相区域为含有质量百分比为1-10%氧化铈、10-79%钨的氧化铈/铜钨触头区域，第二相区域从中心开始呈径向分布于铜铬合金基体材料中，如图I所示，标号I指示的为触头材料基体，标号2指示的为第二相区域，第二相的近矩形区域在横截面上的宽度为O. l-2mm。实施例十一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百分比为20-80%碳化钨的铜碳化钨触头，第二相区域为含有质量百分比为2-5%的二氧化钍、15-78%碳化钨的二氧化钍/铜碳化钨触头区域，第二相区域从中心开始呈圆环形分布于铜铬合金基体材料中，如图2所示，标号I指示的为触头材料基体，标号2指示的为第二相区域，第二相的圆环状区域在横截面上的宽度为O. 1-2_。实施例i^一—种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百分比为22-28%铬的铜铬触头，第二相区域为纯碳的区域，第二相区域从中心开始呈螺旋线状，第二相的螺旋线在触头横截面上的宽度为O. 1-0. 5mm。实施例十二一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百分比为47-52%铬的铜铬触头，第二相区域为纯氧化镧区，第二相区域从中心开始呈圆环形分布于铜铬合金基体材料中，第二相的圆环状区域间具有宽度在横截面上的宽度为O. 每个相邻圆环状区域间具有宽度为O. I-3mm的类矩形通道。 实施例十三一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百分比为20-80%钨的铜钨触头，第二相区域为纯氧化钍区，第二相区域从中心开始呈圆环形分布于铜铬合金基体材料中，第二相的圆环状区域间具有宽度在横截面上的宽度为O. 每个相邻圆环状区域间具有宽度为O. I-2mm的类矩形通道。实施例十四一种圆柱形的具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头材料，其铜基合金材料为含有质量百分比为47-52%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-10%氧化铈、20-30%铬的氧化铈/铜铬触头区域，第二相区域从中心开始呈径向分布于铜铬合金基体材料中，如图I所示，标号I指示的为触头材料基体，标号2指示的为第二相区域，第二相的近矩形区域在横截面上的宽度为O. 1-2_。实施例十五一种圆柱形的具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头材料，其铜基合金材料为含有质量百分比为47-52%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-10%氧化镧、20-30%钨的氧化镧/铜钨触头区域，第二相区域从中心开始呈径向分布于铜铬合金基体材料中，如图I所示，标号I指示的为触头材料基体，标号2指示的为第二相区域，第二相的近矩形区域在横截面上的宽度为O. 5-2_。实施例十六一种圆柱形的具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头材料，其铜基合金材料为含有质量百分比为47-52%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为2-5%氧化钍、20-30%碳化钨的氧化铈/铜碳化钨触头区域，第二相区域从中心开始呈径向分布于铜铬合金基体材料中，如图I所示，标号I指示的为触头材料基体，标号2指示的为第二相区域，第二相的近矩形区域在横截面上的宽度为O. 1-1_。
权利要求
1.一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其特征在于，在其中分布有易于发生电击穿的第二相或第二相与铜基合金的混合材料，这些第二相或第二相与铜基合金的混合材料从触头中心开始形成连续排列区域，这些连续排列区域呈现出从触头中心的辐射状、圆环状或螺旋状。
2.根据权利要求I所述的触头，其特征在于，触头由铜基合金材料作为基体，铜基合金材料的成份范围包括铜铬系合金为含有质量百分比1-70%铬的铜合金；铜钨系合金为含有质量百分比20-90%钨的铜合金；铜钨碳化钨系合金为含有质量百分比0-50%钨、质量百分比1-60%碳化钨的铜合金；铜铋系合金为含有质量百分比1-10%铋的铜合金；铜铁系合金为含有质量百分比1-50%铁的铜合金；在铜基体中，还含有质量百分比为0-5%铝、0-5%硒、0-5%碲；第二相的成份包括碳材料、稀土或稀土氧化物、碳化物、金属氧化物、多元陶瓷相，第二相区域由上述第二相或其与铜基材料的混合物组成；在混合物中，第二相的质量比例为2-98%ο
3.根据权利要求I所述的触头，其特征在于，第二相成份中的碳的存在形式可为碳纤维、碳布、石墨粉、碳黑粉或碳管粉末。
4.根据权利要求I所述的触头，其特征在于，第二相成份中的稀土或稀土氧化物包括H(La) ,H(Ce)、I(Pr) ,IL(Nd)、i(Pm)、KSm)、篮(Eu)、IL(Gd)、脸(Tb)、I(Dy)、钦(Ho)、篮(Er)、H(Tm)、篮(Yb)、KLu、钪(Sc)和乾(Y)或其氧化物。
5.根据权利要求2所述的触头，其特征在于，其铜基材料为含有质量百分比为47-52%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-3%碳、44-51%铬的碳/铜铬触头区域，第二相区域从中心开始呈径向分布于铜铬合金基体材料中，第二相的近矩形区域在横截面上的宽度为O. l-2mm。
6.根据权利要求2所述的触头，其特征在于，其铜基材料为含有质量百分比为22-28%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-3%碳、19-27%铬的碳/铜铬触头区域，第二相区域从中心开始呈圆环形分布于铜铬合金基体材料中，第二相的圆环状区域在横截面上的宽度为O. l-2mm。
7.根据权利要求2所述的触头，其特征在于，其铜基材料为含有质量百分比为22-28%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-3%碳、19-27%铬的碳/铜铬触头区域，第二相区域从中心开始呈螺旋线状，第二相的螺旋线在触头横截面上的宽度为O. l-2mm。
8.根据权利要求2所述的触头，其特征在于，其铜基材料为含有质量百分比为47-52%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为2-5%碳、42-50%铬的碳/铜铬触头区域，第二相区域从中心开始呈圆环形分布于铜铬合金基体材料中，第二相的圆环状区域间具有宽度在横截面上的宽度为O. 1-2_，每个相邻圆环状区域间具有宽度为O. l-2mm的类矩形通道。
9.根据权利要求2所述的触头，其特征在于，其铜基材料为含有质量百分比为20-80%碳化钨的铜碳化钨触头，第二相区域为含有质量百分比为2-5%的二氧化钍、15-78%碳化钨的二氧化钍/铜碳化钨触头区域，第二相区域从中心开始呈圆环形分布于铜铬合金基体材料中，第二相的圆环状区域在横截面上的宽度为O. 1-2_。
10.根据权利要求2所述的触头，其特征在于，其铜基材料为含有质量百分比为22-28%铬的铜铬触头，第二相区域为纯碳的区域，第二相区域从中心开始呈螺旋线状，第二相的螺旋线在触头横截面上 的宽度为O. 1-0. 5mm。
全文摘要
一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，在其中分布有易于发生电击穿的第二相或第二相与铜基合金的混合材料，这些第二相或第二相与铜基合金的混合材料从触头中心开始形成连续排列区域，这些连续排列区域呈现出从触头中心的辐射状、圆环状或螺旋状，从而能够诱导电弧沿着富第二相的区域进行定向的连续扩展运动。这些连续排列区域呈现出从触头中心的辐射状、圆环状或螺旋状等。与横向磁场的作用类似，这种第二相连续排列的区域可以为电弧提供连续定向连续扩展运动的通路，从而能够减轻触头表面的电弧烧蚀，提高开关的开断能力。
文档编号H01H1/025GK102881511SQ20121036092
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者王亚平, 王慧馨 申请人:西安交通大学, 辽宁金力源新材料有限公司