分析：钨铜合金电触头材料的性能如何？

jiayegui

钨铜合金出现之后即用于高压开关电器的电触头材料如今在真空、压缩空气、SF6、N2等不同气氛的交直流开关和断路器中钨铜触头材料占有很大份额。钨铜合金在其他学科领域的应用也十分广泛被用作电阻焊和电加工电极、电子封装和靶材、破甲弹的药性罩、飞机喉衬和燃气舵、飞行器喷嘴等。在电接触领域触头材料的性能基本上决定了高压开关的发展趋势。对材料性能的基本要求有:导电导热性好、耐压值高、分断电流能力强、截流值低、耐电弧烧蚀、抗材料转移能力强、抗熔焊性能优良以及接触电阻低而稳定、温升低、耐环境性等。由于我国是[url=http:///www.heddacu.com]钨铜[/url]的消费大国，仅靠国内铜精矿的冶炼能力远远不能满足国内市场的需要，国内精炼铜的在建和拟建产能虽然较大。[align=center]

                               
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钨铜合金是由钨与铜组成的既不互溶又不形成金属间化合物的假合金(-)正是这种组合使得钨铜合金同时具有钨和铜的多种优良性能。并且在高温电弧的作用下铜蒸发会带走大量热量冷却钨骨架降低电子发程度。钨铜合金开断性能良好尤其适合作为高压、超高压开关电器的触头



钨铜复合粉末和复合材料的制备工艺及其改性技术在很大程度上影响了钨铜触头材料的耐电弧烧蚀等性能。本文在介绍钨铜触头电弧烧蚀过程的基础上总结分析了混合式和包覆式钨铜复合粉末以及传统和新型钨铜合金制备工艺的最新研究进展;介绍了掺杂对钨铜触头进行改性的实现途径;简述了钨铜配比、表面粗糙度、钨铜间互溶性等其他因素对合金性能的影响;最后指出钨铜合金研究中的热点和存在问题旨在为钨铜触头的进一步发展提供实际有效的参考。







电弧对钨铜触头的烧蚀



电触头是高压开关电器的关键部件在开关闭合瞬间触头间隙产生温度高、能量大的电弧烧蚀触头表面。电弧烧蚀经历3个过程:首先是表面已有的附着物与低熔点铜的挥发与溅其次是铜的熔化飞溅与冷却凝固达到动态平衡最后是表面凹凸不平和钨骨架的强烈烧蚀。因此要求钨铜合金具有优异的综合性能尤其是耐电弧烧蚀以延长材料的使用寿命。



相比于其他触头材料钨铜合金具有更优异的综合性能。于2021选择9种常用的触头材料(CC10、CC20、CC30、CC40、CC50、WC10、WC20、WC30和CW-WC)进行了纵向磁场(AMF)电极的真空电弧击穿试验。根据电弧外观、阴阳极表面形态等因素证实了钨铜合金比铜铬合金具有更好的耐电弧烧蚀性能。赫达相关技术人员又对7种材料(CC10、CC25、CC30、CC40、WC10、WC30和CW-WC)进行了触发真空电弧烧蚀试验。



通过对比发现钨铜合金的电弧在表面布最均匀有许多明亮的阴极斑点;从触发到电弧稳定燃烧阶段WC10阴极斑点的径向扩散速度最低仅为CC10的25;钨铜合金也具有良好的耐熔性。因此当开关通流较大时电弧较易扩散到合金的整个表面WC10是具有良好烧蚀性能的优选材料。







钨铜复合粉末制备工艺



钨的熔点(3410℃)比铜的沸点(2595℃)还要高很多工业上主要采用粉末冶金而非直接高温熔炼制备钨铜合金因此钨铜复合粉末制备是一个关键技术。根据粉末粒子间不同的复合方式分为混合式和包覆式粉末两种类型。



钨铜复合材料制备工艺



钨铜触头材料应用广泛为满足其多方面的性能要求对应的制备工艺也层出不穷。传统的制备技术发展至今已较为成熟并有一系列工艺上的改进;而新型制备方法也不断涌现并以其在不同方面的优势逐渐被实际工业化制备所采用。另外钨铜合金触头的其他传统制备工艺还有很多例如高温液相烧结法、活化液相烧结法、微波烧结法、等离子体烧结法、热压烧结法、添加纳米粒子法、络骨架预烧结法等。







钨铜合金触头的掺杂改性



钨铜合金是典型的假合金由于其本身结构的特殊性以及钨基体强度随温度升高而显著降低等因素如果通过制备工艺改进对电触头性能的提高效果不明显添加三相也是一种方便有效的途径。作为三相的掺杂材料(以X表示)必须满足一些特定的要求如X-W-C的界面相容性X和W-C基体热膨胀系数(CTE)的优异匹配性以及W-C粉末的良好分散性等



影响钨铜合金性能的其他因素
钨铜合金较好地兼顾了两种金属的优点。更重要的是可以通过改变钨、铜的组成比例控制和调整钨铜合金的多种性能。钨铜合金电触头一般是高钨低铜(钨的质量分数为50～90)型的目的研究也大多停留于宏观性能专注于钨铜配比对性能影响的微观研究。他们分别制备了铜的质量分数为为5、8和20的钨铜合金观察到合金主相为钨06铜04表明两者的结合较强。另外铜的增加显著降低了合金的孔隙率但铜的团聚倾向也更明显钨颗粒在铜中分布不均合金与浸润铜液的界面疏松。与之相反的是高铜低钨(铜的质量分数为60～90)合金在高温时具有较高的硬度和电导率可代替部分银基触头以降低成本。来对高铜型合金也有一些研究进展制备了钨纤维增强的高铜含量钨铜合金发现钨纤维均匀分布在铜基体内;相对密度达98以上电导率最高达784IACS布氏硬度超过86HB。