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摘要 介绍了国内首次研制的铜钴钽(GuCoTa)触头材料的制备及其试验测试。试验结果表明，在相同的试验条件上，CuCoTa触头材料较CuCr50触头材料提高分断能力24%。
关键词：铜钴钽 触头材料 分断能力
1 前言
由于维持真空电弧的金属蒸气由触头材料提供，因而触头材料的特性直接决定了电弧中的金属蒸气行为，亦即触头材料是决定真空灭弧室性能的重要因素之一。同时触头材料还决定了真空开关的应用范围和新产品的开发方向。目前世界上中压领域的开关大多已被真空开关所占领，其主要因素除了真空开关本身所具有的特点外，也是触头材料适应了应用的需要。CuCr触头材料的出现，是真空开关触头材料的重大突破，真空开关采用CuCr材料制成的触头后，其开断能力、耐电压性能等都得到很大提高。随着触头材料运行特性与机理研究的不断深入，使用经验的不断丰富，制造工艺的不断完善，在中压特别是在大电流分断方面，它已经占据了主导地位。
随着真空开关应用的推广，真空开关对触头材料的要求越来越高。真空灭弧室的发展方向为高电压等级，大容量及小型化，合适的触头材料与纵向磁场电弧控制技术相配合是提高真空灭弧室分断能力的关键。为此国内外学者在致力于开发研究新型真空灭弧室触头结构的同时，也积极开发新型的真空灭弧室触头材料［1］，如日本三菱公司开发的Cu-Ta-α和Cu-Mo-α触头材料(α代表某种微量成分)，可将触头面积减小1/2。对于CuCoTa触头材料，国外尚在研制中，未见到产品。本文意在对国内首次研制的CuCoTa真空灭弧室触头材料制备，并对其性能进行了试验测试的研究，以期达到进一步提高真空灭弧室分断能力的目的。
2 触头材料制备
CuCoTa触头材料制备所用原料为Co粉、Ta粉和真空铜。Co的熔点为1495℃，其中417℃以上为面心立方结构(FCC)，低于此温度为密排六方结构(HCP)。Ta的熔点为2996℃，其晶体结构为体心立方结构，钽属于难熔稀有金属，强度和延展性好，蒸气压低，热导率大，抗化学腐蚀能力强，塑脆转变温度低。钽又是真空吸气剂，具有比Cr高得多的吸气能力。
CuCoTa触头材料的制备是在中频感应真空炉中进行的。CuCoTa触头材料的制备过程如图1所示，利用此种工艺制备的触头材料，制备及机加工过程中产生的废品和废料仍可回收使用。
图1 CuCoTa触头材料制备过程
CuCoTa触头材料由Cu、Co和Ta三种原料混合冶炼而成。当真空烧结温度较高时，其中部分Co和Ta经化学反应生成Co2Ta，触头材料实质上由Cu-Co-Ta和Co2Ta组成。而当烧结温度较低时，基本上没有Co2Ta生成，触头材料为CuCo合金，其中的Ta起弥散强化作用。
从图2所示的Cu-Co相图可以看出，不同的冷却方式对材料特性有一定影响。若采用急冷方式，Cu和Co析出量相对较少，对增加材料的硬度有利，但会使材料的电导率降低；若采用缓冷方式，则Cu和Co析出量相对较多，对提高材料的电导率有利，但会影响材料的硬度。文中材料冶炼加热温度选在1500℃以上，增加材料的硬度采用降低液态金属浇注温度的方法，增大过冷度。浇注后采用缓冷方式冷却，直至材料能够加工为止。
图2 CuCo相图
触头材料制备时，Ta的含量为5%(文中的成分含量均指质量百分比含量)，Co的含量分别为5%、15%、18%和20%，Cu的含量占其余部分。制成的试品为CuCo5Ta5、CuCo15Ta5、CuCo18Ta5和CuCo20Ta5，图3为CuCo20Ta5材料金相组织图。
图3 CuCo20Ta5材料金相组织
对所试制的CuCoTa触头材料的含气量分析表明，它们的含气量均在10×10-6以下。
3 材料性能测试与分析
3.1 材料硬度与电导率
将不同组分的CuCoTa触头材料加工成42×20的试样各两件，经抛光后，测量了其布氏硬度，其平均值如表1所示。从表1可以看出，随着Co含量的增加，材料的硬度增加。
表1 不同组分CuCoTa材料硬度
材料
CuCo5Ta5
CuCo15Ta5
CuCo18Ta5
CuCo20Ta5
硬度/HB
70
88
93
101
固态时，Co在Cu中的溶解度极小，所以结晶后有少量的Co溶入Cu中，溶质原子溶入基体金属形成固溶体后，提高了合金的变形抗力，其实质是溶质原子的长程应力场和位错应力场的交互作用导致位错运动受阻，从而产生固溶强化作用。固溶强化还可以提高合金抗蠕变能力，减少高温下强度的损失。当在Cu中加入的Co量超过Cu-Co的固溶度时，在合金冷却的时候就会有Co从Cu液中析出，使金属的硬度提高，这种由于溶解度小，出现过饱和析出而产生对基体的强化作用属沉淀强化作用。Ta的细微颗粒属第二相弥散强化质点，其对位错起钉扎作用，也阻止位错的滑移，从而对Cu基体产生强化作用。
将不同组分的CuCoTa触头材料加工成42×5的试样各两件，使用涡流电导仪测量了材料的电导率，测量结果平均值如表2所示。随着Co含量的增加，CuCoTa材料电导率降低。
表2 不同组分CuCoTa材料的电导率
材料
CuCo5Ta5
CuCo15Ta5
CuCo18Ta5
CuCo20Ta5
(电导率)/(/(μΩ-1.m-1))
13
10
9
8
3.2 材料耐电压性能
将所制备的CuCoTa触头材料装到真空灭弧室中进行耐压试验，表3和表4分别是在分断电流前真空灭弧室的冲击耐压(75kV)和工频耐压(30kV)的情况。
表3 冲击耐压试验结果
材料
开距/mm
施压次数
通过次数
CuCo5Ta5
10
10
10
CuCo20Ta5
10
10
10
表4 工频耐压试验结果
材料
开距/mm
施压次数
通过次数
CuCo5Ta5
10
10
10
CuCo20Ta5
10
10
10
在一次短路电流分断失败后对真空灭弧室进行耐压试验，使用CuCo5Ta5材料的真空灭弧室没有通过工频耐压(30kV)和冲击耐压(75kV)试验。将灭弧室打开后，发现触头表面烧蚀严重，屏蔽罩上有大量的触头喷溅物，而且真空灭弧室玻璃外壳上也能发现金属颗粒，由于触头材料硬度低，耐电弧烧蚀能力差，喷溅到玻壳及屏蔽罩上的金属颗粒造成闪络，耐压能力下降。而CuCo20Ta5材料真空灭弧室触头表面烧蚀轻微，屏蔽罩上有极少的喷溅物。
3.3 分断电流能力
以CuCo20Ta5为触头材料制成真空灭弧室(杯状纵向磁场触头结构，触头直径为40mm，开距为10mm)，同时以CuCr50为触头材料制成与上述完全相同的真空灭弧室，在单频LC振荡回路上进行分断电流试验，并加以比较。
图4和图5分别是CuCr50触头材料真空灭弧室分断电流有效值为9kA和14.5kA时的电弧电流与电弧电压示波图，电弧电流有效值为9kA及以上时，电弧电压出现噪声电压分量，且随着分断电弧电流的增加，弧压噪声分量的幅值增加。
图4 CuCr50材料真空灭弧室分断电流为9kA(有效值)时电弧电流与电弧电压示波图
图5 CuCr50真空灭弧室分断电流为14.5kA(有效值)时电弧电流与电弧电压示波图
图6和图7分别是CuCo20Ta5触头材料真空灭弧室分断电流有效值为9kA和18kA时的电弧电流与电弧电压示波图。在试验过程中，没有发现电弧电压噪声信号出现，甚至在分断电流失效时电弧电压信号也比较光滑。
图6 CuCo20Ta5真空灭弧室分断电流为9kA(有效值)时电弧电流与电弧电压示波图
图7 CuCo20Ta5真空灭弧室分断电流为18kA(有效值)时电弧电流与电弧电压示波图
CuCr50材料真空灭弧室及CuCo20Ta5材料真空灭弧室的分断电流(有效值)与电弧电压的关系如图8所示，在分断电流相同的情况下，CuCo20Ta5材料真空灭弧室的电弧电压要比CuCr50材料真空灭弧室的要低。
图8 电弧电流与电弧电压的关系
分断电流试验结果表明，CuCr50材料直空灭弧室的极限分断电流为14.5kA(有效值)，而CuCo20Ta5材料真空灭弧室的极限分断电流为18kA(有效值)，分断能力较前者提高24%。
CuCo20Ta5材料真空灭弧室的电弧电压较CuCr50材料真空灭弧室的低，说明CuCo20Ta5触头材料提供金属蒸气的能力较强，使得电弧能以较低的能量燃烧。硬度测试表明，CuCo20Ta5材料硬度为101HB，CuCr50材料硬度为90HB，由于Co和Ta元素的强化作用使得CuCo20Ta5材料具有较高的硬度，从而具有比CuCr50材料好的耐电压特性和耐电弧烧蚀能力。由于上述原因使得CuCo20Ta5触头材料具有较高的分断电流能力。
图9为CuCo20Ta5触头分断电流失败后的表面形态。分断电流失败后，两触头有近乎相同的表面特征。用扫描电镜观察触头表面，肉眼看上去比较光滑的部分有多次被电弧烧蚀的痕迹，熔化区域好多是重叠的，如图10所示。对这部分的观察还发现有凹坑和一些附着的粒子，如图11所示。附着的粒子是在真空电弧熄灭后凝结上去的，而那些凹坑可能是由于金属粒子撞击熔化的金属表面留下的。此外，在这部分触头表面上还能看到一些呈饼状的液滴，中间下凹，这是由于液滴在触头表面冷凝收缩所致。
图9 CuCo20Ta5触头分断失败后的表面形态
图10 CuCo20Ta5触头表面较平坦部分电镜照片
图11 CuCo20Ta5触头表面凹坑和粒子电镜照片
观察触头表面烧蚀较严重部分，发现有金属粒子附着在触头表面，其扫描电镜图如图12所示。大多数粒子呈球状或块状，表明它们在达到触头表面前就已经凝固了。图13为触头表面上斑坑的扫描电镜图，这些斑坑是由于真空电弧燃烧时阴极发射电子和蒸发金属蒸气后留下的。
图12 CuCo20Ta5触头表面粒子电镜照片
图13 CuCo20Ta5触头表面斑坑电镜照片
4 结论
CuCo20Ta5触头材料具有较强的提供金属蒸气的能力，真空电弧电压低，电弧燃弧能量少。Co和Ta元素的强化作用保证了材料的强度和硬度，使CuCo20Ta5材料触头能够满足在电流分断过程中的耐电弧烧蚀以及耐压等方面的要求。由于上述原因使得CuCo20Ta5触头材料在相同的条件下较CuCr50触头材料提高分断能力24%。
CuCo20Ta5触头材料可应用于大容量以及小型化的真空灭弧室中，以提高分断电流能力。
参考文献
1 王季梅.真空开关触头材料及其制造技术.西安：西安交通大学真空电弧理论研究中心，1995.
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