触头新材料与工艺研究：合金的应用探索

经过多年的努力，磁控触头的改进、新型触头合金材料的制备已取得很大的成绩，由此使真空灭弧室的体积减小、开断能力提高，促进了断路器的小型化，如东芝公司的“电弧自扩散触头”新技术的发展和应用等。但因受到长期工作电流温升的制约，触头截面过小不利于散热，因此灭弧室进一步小型化已不再是重要的课题。然而对触头合金材料制备工艺的研究始终是一项持续不断的重要工作。这一工作基本侧重于以下几个方面：

（1）探讨Cu-Cr合金最佳组分的配比，以求在确保电气性能的前提下取得更好的经济效益。

（2）研究不同触头合金组分对提高灭弧室真空断口绝缘强度的效果，例如已发现在Cu-Cr合金中添加钒（V）对提高真空断口的击穿电压有一定效果，这一工作对研发高电压等级真空断路器具有重要意义。

（3）新工艺的探讨。对真空灭弧室触头合金的基本要求是良好的导电性、低接触电阻、抗电弧烧蚀和熔焊能力强、截流水平低确保不出现有危害的截流过电压等，同时，还要求合金晶体之间的微量气体含量必须非常低，以利于长期维持灭弧室的高真空度和绝缘强度。而这些要求都与触头材料的微观结构有极大的关系。国外研究者发现，随着Cu-Cr合金中Cr晶粒的细化，真空灭弧室的绝缘强度升高、截流水平降低。这一现象启发了人们利用纳米技术制备超细合金颗粒，进而更深入地开展纳米材料与触头特性的研究，分析这一新工艺对提高真空断路器性能的作用以及探讨其实用的可能性。

近些年来，国内学者也对纳米触头材料研究课题开展了大量工作。综述他们得到的结论，可摘要有以下几点[51-52]：

1）纳米Cu-Cr合金触头的截流水平比相同配比的常规Cu-Cr合金触头低17%～35%。如在电路电流为10A、放电电容为1/3μF时，常规Cu-Cr合金触头的截流值为3.1A，而在同样条件下，纳米Cu-Cr合金触头的截流值为2.0A，比前者降低了35%。(www.xing528.com)

2）常规Cu-Cr合金阴极触头表面电弧烧蚀坑的深度是纳米合金触头的7～8倍。观察发现，当晶粒尺寸大于电弧阴极斑点（通常只有几微米）时，电击穿造成的损伤总是从Cr晶粒处开始，阴极斑点相对地固定在Cr晶粒处，从而导致触头表面局部温升过高、蒸发加剧，所以常规Cu-Cr合金触头表面容易形成窄而深的坑。当晶粒尺寸小于电弧阴极斑点时，电弧很难固定于某一局部位置而是在整个触头表面随机跳跃，所以纳米合金触头表面电弧烧蚀坑宽而浅。

3）纳米Cu-Cr25合金触头表面阳极斑点数目和寿命大于常规Cu-Cr25合金触头，即纳米Cu-Cr25合金触头表面烧蚀比常规Cu-Cr25合金触头严重。这是因为在相同的分闸速度时，纳米Cu-Cr25合金触头出现阳极斑点的临界电流小于后者的缘故。

4）纳米材料的电阻率比常规材料的高，例如有的测量数据是纳米材料电阻率为2.56μΩ·cm，比相同配比的常规材料电阻率2.13μΩ·cm增加了20.2%。

5）用高能球磨和热压烧结方法制备的纳米晶粒，发现其Cr粒子的细化和形态发生了改变，结果使真空断口的耐压强度远高于采用相同方法制备的常规Cu-Cr触头材料。这应该是与前述密度增大、晶粒间气隙减小、硬度增加、微量气体减小有关。

迄今为止，对纳米合金触头的研究尚处于初级阶段，为能全面、正确地评价纳米合金触头材料的特性并将之实用于真空灭弧室，还需开展大量深入的理论研究，并且，创建新的工艺方法和加工设备也是必不可少的一项重要工作。