简介概要

显微组织对WCu触头材料电弧特性及抗烧蚀性能的影响

来源期刊：稀有金属2014年第3期

论文作者：王新刚张怀龙时斌杨志懋

文章页码：371 - 378

关键词：WCu合金;击穿场强;截流值;电弧烧蚀;

摘要：采用两种不同的真空熔渗工艺制备了W80Cu20触头材料,分析了两种合金的显微组织,测定了两种合金的成分、密度、电导率、硬度和抗弯强度。对两种合金进行了真空电弧击穿试验和SF6断路器型式试验,测量其真空击穿时的截流值和击穿场强,分析了触头材料电弧烧蚀后的表面形貌,比较了两种合金的抗电弧烧蚀能力。结果表明,两步法烧骨架熔渗工艺制备的WCu合金显微组织均匀,铜相平均尺寸为4~6μm;一步法熔渗工艺制备的WCu合金中的铜相大小不一致,存在带状铜相聚集体,其最大尺寸可达80~100μm。两步法工艺制备的WCu合金的硬度、抗弯强度高于一步法制备的合金,真空击穿场强及截流值稳定,其耐电弧烧蚀能力明显高于一步法制备的合金。

稀有金属 2014,38(03),371-378 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2014.03.005

显微组织对WCu触头材料电弧特性及抗烧蚀性能的影响

王新刚张怀龙时斌杨志懋

长安大学材料科学与工程学院

西安交通大学理学院

摘要：

采用两种不同的真空熔渗工艺制备了W80Cu20触头材料, 分析了两种合金的显微组织, 测定了两种合金的成分、密度、电导率、硬度和抗弯强度。对两种合金进行了真空电弧击穿试验和SF6断路器型式试验, 测量其真空击穿时的截流值和击穿场强, 分析了触头材料电弧烧蚀后的表面形貌, 比较了两种合金的抗电弧烧蚀能力。结果表明, 两步法烧骨架熔渗工艺制备的WCu合金显微组织均匀, 铜相平均尺寸为4⁶μm;一步法熔渗工艺制备的WCu合金中的铜相大小不一致, 存在带状铜相聚集体, 其最大尺寸可达80¹00μm。两步法工艺制备的WCu合金的硬度、抗弯强度高于一步法制备的合金, 真空击穿场强及截流值稳定, 其耐电弧烧蚀能力明显高于一步法制备的合金。

关键词：

WCu合金;击穿场强;截流值;电弧烧蚀;

中图分类号： TG146.411;TG146.11

作者简介：王新刚 (1969-) , 男, 陕西西安人, 博士, 副教授;研究方向:真空电弧及触头材料的研究;电话:029-82337348;E-mail:zyxgwang@chd.edu.cn;

收稿日期：2013-12-28

基金：国家自然科学基金项目 (51177006) 资助;

Arc Characteristic and Ablation Resistance of WCu Electrical Contact Material with Different Microstructure

Wang Xingang Zhang Huailong Shi Bin Yang Zhimao

School of Materials Science & Engineering, Chang'an University

School of Science, Xi'an Jiaotong University

Abstract：

W80Cu20 electrical contact materials were prepared by two different vacuum sintering and infiltrating methods. The microstructures of WCu were analyzed, and the composition, density, conductivity, hardness and bending strength of WCu were measured.The vacuum arc breakdown and type test on SF6high-voltage switch for WCu contact materials were carried out, the breakdown field strength and chopping current were determined. The surface morphologies of WCu after ablated by arc were investigated, and the arc ablation resistances were compared. The results showed that the microstructure of WCu prepared by two step process was uniform, and the distribution of Cu phase with the average size of 4 ~ 6 μm was basically identical. However, the Cu phase size of WCu prepared by one step process was uneven, and the maximum Cu phase aggregation with long strip shape reached 80 ~ 100 μm. The hardness and bending strength of WCu prepared by two step process were higher than that prepared by one step process, and the breakdown field strength and chopping current were stable. The ability of WCu prepared by two step process against arc ablation was obviously superior to that of WCu prepared by one step process.

Keyword：

WCu contact material; breakdown field strength; chopping current; arc ablation;

Received： 2013-12-28

钨铜材料是由钨和铜两种互不固溶的金属构成的假合金, 它综合了W和Cu各自的性能, 具有耐高温、抗烧蚀、高导热、高导电率和较低的热膨胀系数等优点, 广泛应用于电触头材料、电极材料、电子封装及热沉材料和火箭喷嘴、飞机喉衬等军工部件^[1,2,3]。由于钨与铜的熔点相差很大而且互不相溶, 钨铜合金传统的制备工艺一般采用熔渗法。熔渗法制备WCu合金可以分为两种工艺^[4,5], 一种是将钨粉通过压制及烧结成一定密度、强度的多孔钨基体骨架, 再在铜的熔点以上温度将金属铜熔化, 并利用毛细管力作用使铜液沿钨颗粒间隙流动并逐渐填充骨架, 称为两步法熔渗工艺。另一种是先将钨粉与少量诱导铜粉进行混合并且压制成坯, 再将金属铜熔化熔渗到压制的坯块中, 称为一步法熔渗工艺。两种工艺均可以获得致密的WCu合金。与一步法熔渗工艺相比, 两步熔渗工艺复杂, 成本高, 并且由于钨坯块烧结后的收缩, 钨骨架的密度不容易控制, 但制备出的WCu合金具有强度高、硬度高、显微组织均匀的特点。

高压断路器开断电流时, 电触头材料需要经受高压电弧的侵蚀。电弧烧蚀可导致触头表面产生裂纹、掉头、掉渣、熔化、蒸发等现象, 引起高压断路器的失效, 因此要求触头材料必须具备高的耐电压强度、耐电弧烧蚀性能及低的截流值^[6,7]。合金触头材料性能的优劣将直接影响整个开关电器或系统的使用寿命及运行可靠性, 而其制备工艺在很大程度上决定着触头材料的性能。在WCu合金作为触头材料使用时的电弧特性及抗烧蚀能力方面的研究方面, 文献报道的较少, 大部分文献主要是研究WCu合金的制备新技术、显微组织及理化性能^[8,9,10,11]。Slade等^[12]研究了不同铜含量对于WCu电触头电弧烧蚀性能的影响;梁淑华课题组研究了不同的添加物 (Fe, Ti C, 稀土氧化物等) 及W颗粒大小对于WCu合金真空电弧特性的影响^[13,14,15];陈文革等^[16]研究了掺杂 (B, Nb, Ce) 对WCu电触头电弧性能的影响。但在Cu相的分布及尺寸对于WCu合金电弧特性, 尤其是在SF₆环境下的抗电弧烧蚀性能的影响鲜见报道。本文通过上述的两种工艺制备出不同显微组织的W80Cu20触头材料, 对两种合金进行真空电弧击穿试验及SF₆断路器型式试验, 观察并分析其电弧蚀烧行为, 测量其真空击穿时的截流值及击穿场强, 并进行比较, 为WCu合金的实际应用提供实验依据和理论参考。

1 实验

原材料:选用4~6μm的FW-1钨粉, 纯度为99.95% (自贡硬质合金厂) ;电解铜粉FTD-2, 纯度为99.8%, 平均粒度为5μm (北京有色金属研究总院) ;T1电解铜棒, 纯度为99.95% (洛阳铜加工集团有限责任公司) 。

一步法熔渗工艺:将5%的铜粉与钨粉在三维混料机中混合5 h后取出, 压制成一定密度的钨坯块, 将铜块置于钨坯块上, 在真空炉 (真空度为2×10^-2Pa) 中加热至1300℃并保温1 h, 制备出Φ15 mm×5 mm的W80Cu20合金 (质量比, 以下简称为WCu) 。两步法熔渗工艺:将钨粉压制成一定密度的钨坯块, 在真空炉中1400℃下烧结1 h制成钨骨架, 在真空炉中冷却后取出, 再将铜块置于钨坯块上, 进行真空熔渗, 熔渗工艺同上, 制备出相同尺寸的WCu20合金。

真空电击穿试验是在自制真空电弧观测平台进行, 其试验电路如图1所示。将试样抛光成镜面后, 用超声波在无水乙醇里清洗后, 放入真空室中作阴极。阴极正上方为由纯钨制成的半径0.5 mm、顶角30°的圆锥形阳极。当真空度达到1.5×10^-4Pa时, 在阴极和阳极之间加上8 k V的直流电压, 使阴极以0.2 mm·min^-1的速度向阳极移动, 直至产生电弧放电, 用千分表测量此时阴极和阳极间的距离。使用Tektronix TDS2024型示波器记录每次放电的波形。放电完后, 拉开阴极和阳极, 重复上述过程, 每个样品测量80次。用起弧时的电压除以击穿时阴阳极间距离得到该触头材料的击穿电场强度。

图1 真空击穿试验电路示意图Fig.1 Experimental circuitry diagram of vacuum struck

将两种工艺制备的WCu/Cu Cr整体触头分别装在SF₆断路器中进行126 k V的型式试验, 试验结束后取出触头, 进行表面烧蚀形貌的观察与比较。

使用HB-3000型布氏硬度计测定WCu合金的硬度, 按JB/T4107-1999分析WCu合金的化学成分, 用阿基米德原理测定WCu合金的密度, 用7501型涡流电导仪测定WCu合金的电导率, 在WE-100B万能试验机上测定WCu合金的抗弯强度, 用日立S4800场发射扫描电镜 (FESEM) 观察WCu合金的显微组织以及真空烧弧后的表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 显微组织

图2是两种工艺制备的WCu合金的显微组织照片。可以看出, 两步法中经高温烧结后的钨颗粒之间粘接面积大, 大部分颗粒间出现面接触或烧结颈, 形成连续的网络状的钨骨架, 骨架结合强度高。经熔渗后的WCu合金组织均匀, 铜相均匀分布在钨骨架孔隙中, 其平均尺寸为4~6μm, 个别尺寸在6~10μm, 如图2 (b) 所示。这是由于钨粉的粒度比较均匀, 在压坯及高温烧结时形成大小均匀的孔隙, 经第二步的熔渗工艺, 铜液填充这些孔隙, 形成铜相大小基本相同的显微组织。相反, 一步法直接熔渗的WCu合金中铜相分布非常不均匀, 呈带状或不规则形状, 其大小不一致, 存在大量的铜相聚集现象, 最大聚集尺寸可达80~100μm;部分钨颗粒形成烧结颈。这是由于在钨粉中加入少量的诱导铜粉, 钨粉与铜粉的密度相差很大, 在混料时铜粉分布不均匀, 铜粉产生聚集。压坯时在压制力作用下, 聚集铜粉就会被挤压成带状或不规则状, 熔化后留下带状孔隙, 又被后来的铜液熔渗充填而造成的^[17], 如图2 (a) 所示。

图2 两种熔渗工艺制备WCu20合金的显微组织照片Fig.2 SEM images of WCu20 prepared by different infiltration method

(a) One step infiltration; (b) Two step infiltration

2.2 WCu合金的性能

表1是两种工艺制备的WCu合金的理化性能。从表1可以看出, 两种工艺制备的合金理化性能指标均符合GB/T8320-2003《铜钨及银钨电触头》的要求, 其中, 两者的化学成分、密度、铜含量基本相同。两步法制备的WCu合金的电导率略低于于一步法的, 但其硬度及抗弯强度明显高于一步法的, 这是由于两步法工艺形成的钨骨架结合强度高, 显微组织均匀所致。而一步法工艺由于缺少了高温烧结骨架过程, 而且铜相分布及大小极不均匀, 因此制备出的触头合金硬度及抗弯强度低。从表1中的数据还可以看出, 两步法烧结的骨架中虽然存在着颗粒间的烧结颈, 但孔隙相互连通, 经熔渗铜后铜相也互相连通, 因此烧骨架工艺并没有影响WCu合金的电导率和致密度。

2.3 真空击穿试验

图3为两种工艺制备的WCu合金首次击穿的放电曲线。可以看出, 两步法制备的WCu合金的截流值 (2.4 A) 比一步法的截流值 (5.0 A) 降低了52%, 其电弧寿命 (0.784 ms) 比一步法的 (0.51ms) 增加了35%, 因此两步法制备的WCu合金的真空电弧稳定性高于一步法的。

表1 WCu20触头的理化性能Table 1 Properties of WCu20 materials 下载原图

表1 WCu20触头的理化性能Table 1 Properties of WCu20 materials

图3 WCu20合金的第一次放电曲线Fig.3 Current-time curves of WCu20 at first arc strike

(a) One step process; (b) Two step process

图4为两种工艺制备的WCu合金连续击穿80次的截流值的统计分布图。比较图4 (a) , (b) 可以看出, 一步法制备的WCu合金的真空放电截流值数据分布很分散, 尤其是前20次放电, 其平均截流值明显高于两步法的。在真空电击穿时, 铜相表面产生许多的微突起, 表面粗糙不平, 这些微突起就成为电子发射源^[18,19]。当电子流密度达到一定值时, 就会产生真空电弧放电 (真空电弧是靠蒸发自身触头材料并电离金属蒸气来维持的一种电弧, 当电弧电流较小时, 阴极斑点提供的金属蒸气不够充分或者不够稳定, 导致阴极斑点在电流自然过零前提早熄灭, 称为截流现象) 。由于一步法制备的WCu合金的组织不均匀, 铜相大小不同, 有大尺寸的铜相聚集体, 正如图2 (a) 所示的, 因此产生的微突起分布不均匀, 电子发射密度不均匀, 产生的金属蒸气不稳定, 真空击穿时电弧分布不均匀, 使得其截流值数值很分散。同时, 一步法制备的WCu合金在前20次真空放电是合金的老炼过程, 一方面老炼过程可以去除电极表面的杂质和吸附物^[20], 另一方面在老炼过程中, 电极表面在电弧强烈的热作用下熔化并产生二次烧结, 由于电弧作用时间很短和表面熔层很小, 冷态的基体金属对表层熔化的金属产生冷却作用而凝固, 从而使电极合金的表面组织均匀和细化^[21], 经过老炼后的WCu合金的截流值分散性得到改善, 正如图4 (a) 所示, 第二十~第六十次的击穿截流值稳定, 且平均截流值较低。但当击穿次数超过60次后, 截流值又开始波动, 数值比较分散, 且平均截流值增大。这是由于经过前面60次击穿后, 合金中的铜由于不断地熔化、喷溅、蒸发, 可能会产生一些无铜相区的孔洞等缺陷, 使得真空电弧不稳定, 截流值增大。对于两步法制备的WCu合金, 其显微组织本来就均匀一致, 铜相细小, 产生的微突起分布均匀, 电弧分布均匀, 因此其截流值比较稳定, 而且也不需要老炼过程使合金的组织均匀化。

图4 WCu20合金连续80次真空击穿的截流值分布图Fig.4Distribution of chopping current of WCu20 during 80times breakdown

(a) One step process; (b) Two step process

真空电弧的截流现象可以引起电路中出现过电压现象, 过电压的大小和截流值成正比, 电路中的电感负载 (如空载变压器和电动机等) 上剩余的电磁能就会在电路中引起很高的过电压, 它将对系统和负载的绝缘将产生严重的威胁, 在真空断路器中应当尽量使截流值降低到最小并使截流值稳定^[22]。从上述的分析可知, 一步法制备的WCu触头由于截流值波动大, 增加了高压断路器及高压电路的不可靠性。

图5是两种工艺制备的WCu合金连续真空击穿80次的击穿场强与击穿次数的关系图。两步法制备的合金的平均击穿场强为7.1870×10⁷V·m^-1, 一步法的平均场强为7.0596×10⁷V·m^-1。可以看出, 一步法制备的WCu合金的耐电压强度具有较大的分散性, 其真空击穿过程分3个阶段:在第一阶段 (约前30次) 合金的耐电压强度随着击穿次数的增加而升高, 这是老炼过程;在第二阶段, 即是在真空击穿30~60次期间, 合金的耐电压强度维持在某一值附近波动。在第三阶段, 即当击穿次数超过60次后, 合金的耐电压强度又开始大幅度波动并且数值下降, 这与上述的截流值分布情况是相对应的, 进一步说明一步法制备的Cu W合金的真空电弧不稳定。而两步法制备的WCu合金的击穿场强比较稳定, 没有明显的第一阶段和第三阶段, 表明真空击穿时电弧比较稳定。两种合金不同击穿场强分布的原因与上述截流值分析的原因是一致的, 也是由于两种合金的显微组织不同所导致的。

图5 WCu20合金连续80次真空击穿的击穿场强分布图Fig.5 Distribution of breakdown field strength of WCu20 dur-ing 80 times arc strikes

(a) One step process; (b) Two step process

图6是两种工艺制备的WCu20合金80次真空击穿后的表面形貌。从图6中可以明显地看出, 一步法制备的合金的表面熔化现象比较严重, 存在众多的熔化小液滴及喷溅的痕迹;比较而言, 两步法制备的合金表面电弧烧蚀更轻微、更均匀, 电弧蚀坑大小基本一致, 液滴数量少。

2.4 型式试验

图7是两种工艺制备的WCu触头分别在126k V型式试验后静触头 (直径为18 mm) 的表面烧蚀形貌图。一步法制备的WCu触头表面呈现大量的网状深龟裂纹, 并且有明显地变形, 表面粗糙不平, 表明材料表面烧蚀严重。相反, 两步法制备的触头表面只有细微的龟裂纹, 表面光滑并且基本没有变形, 材料表面只有轻微地烧蚀。结合以上的真空连续80次烧蚀的表面形貌的结果, 可以判断出材料的显微组织对其抗烧蚀能力有显著的影响。两步法制备的触头材料由于进行了高温烧骨架, 大部分颗粒间形成烧结颈, 形成连续的网络状的钨骨架, 骨架结合强度高, 并且其中的铜相大小一致, 分布均匀, 起到了分散电弧的作用。在电弧能量一定的条件下, 单位区域所承受的电弧能量较小, 这样就减小了局部铜相熔化和飞溅的几率, 使得电弧对材料的侵蚀方式发生变化, 由以喷溅侵蚀方式转化为以蒸发汽化为主的侵蚀方式^[16], 因此其抗电弧烧蚀能力强。

图6 WCu20合金连续80次真空击穿后的表面形貌Fig.6 Surface SEM images of WCu20 after a continuous 80times arc strikes

(a) One step process; (b) Two step process

相反, 一步法制备的触头钨粉的相互粘结的面积小, 骨架结合强度低, 铜相大小不一致, 存在铜相聚集体, 电弧能量集中在富铜区域, 因此铜相熔化烧蚀严重。同时在电弧的高温作用下, 触头表面反复地熔化并快速冷却, 由于熔化区大小及分布的不均匀, 使得在热应力作用下容易产生裂纹, 抗电弧烧蚀能力差。当然, 对于两步法中烧骨架温度和时间要合适, 温度过高、时间过长会使钨颗粒的烧结颈不断增大, 致使钨颗粒之间的接触面积不断增大, 形成了封闭孤立的孔隙, 铜液无法熔入而形成闭孔, 材料的致密度下降, 反而会降低材料的抗电弧烧蚀能力。