CN106233409B - 用于开关应用的电触头顶端和电开关装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于开关应用的电触头顶端(5)。电触头顶端(5)包括主体，主体包括第一层(7a)和第二层(7b)。第一层(7a)布置在第二层(7b)上并且适于在开关操作期间与相应的触头顶端(5)接触。第一层(7a)和第二层(7b)由包括一个或多个元素、化合物或合金的Ag复合材料构成，并且第一层(7a)的硬度低于第二层(7b)的硬度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于开关应用、特别是低压应用的电触头顶端(contact tip)。该触头顶端包括主体，主体包括第一层和第二层。第一层布置在第二层上并且适于在开关操作期间与相应的触头顶端相接触。第一层和第二层由包括一个或多个元素、化合物或合金的Ag复合材料构成。
本发明还涉及一种包括电触头顶端的电开关装置。
背景技术
开关装置、特别是低压接触器常规地被用于不同的负载开关应用，并且电触头顶端的接触材料被选择为用于这些任务。然而，在没有很多负载开关操作的应用的场合中，对开关装置的需要越来越大。这些应用例如是隔离应用和旁路应用。
触头顶端的主体一般由银金属氧化物(Ag-MeO)的复合材料组成。触头顶端材料的选择是在多个相反的要求(例如低接触阻力、低冲蚀磨损(erosion wear)和良好的焊接性能)之间的折中结果。
希望对旁路应用和隔离应用以及负载开关应用使用相同的触头顶端接触材料。在隔离/旁路应用中，低接触阻力以实现低损失并且因此实现低热问题是主要标准，而在负载开关应用中，触头顶端的寿命是最重要的参数。后者主要取决于触头顶端材料的冲蚀性能。
因此，用于在旁路应用/隔离应用以及负载开关应用中使用的现有技术触头顶端的问题在于，对这些应用中的任一种，材料性能都没有最优化。
为了得到足够低的接触阻力，现有技术触头顶端中的材料一般含有质量百分比为86％的银、12％的氧化锡和2％的三氧化二铋。这提供了抗冲蚀性与低接触阻力之间的相对良好的折中。具有较少的银的较硬的材料可以提供较低的冲蚀率，但同时会增大接触阻力。较软的接触材料则情况相反。
US4672008公开了一种设置有涂层的电触头，该涂层适于防止在触头的外表面上形成分离层或损耗层。该薄层可以通过粉末冶金烧结而产生。
US20060239854公开了一种包括外层的触头，该外层适于减小触头的磨损并使触头能够在重载情况下使用。外层具有比触头的内层高的硬度。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种用于在旁路应用/隔离开关应用以及负载开关应用中使用的、与现有技术触头顶端相比具有改进的性能的电触头顶端。本发明的第二目的是提供一种能够比现有技术更加成本高效益地制造的电触头顶端。
该目的通过一种用于开关应用的电触头顶端而实现，该触头顶端包括主体，主体包括第一层和第二层，第一层布置在第二层上并且适于在开关操作期间与相应的触头顶端接触，其中第一层和第二层由包括一个或多个元素、化合物或合金的Ag复合材料构成。该触头顶端的特征在于，第一层的硬度低于第二层的硬度。
电触头顶端布置成用于开关应用，特别是用于1000V以下的低压应用。接触阻力和抗冲蚀性取决于触头顶端的主体的硬度，其中高硬度提供了高抗冲蚀性和高接触阻力，而低硬度则提供了低抗冲蚀性和低接触阻力。
第一层具有提供低接触阻力的功能。低接触阻力在旁路/隔离开关应用中具有重要意义。第二层具有提供高抗冲蚀性的功能。高抗冲蚀性在负载开关应用中具有特别重要的意义。
在隔离/旁路应用中，接触冲蚀几乎可以忽略不计，并且第一层在触头顶端的整个寿命期间提供低接触阻力。另一方面，在负载开关应用中，低接触阻力的重要性较低，并且第一层将在触头顶端寿命的早期被磨损掉。然后，第二层被露出，并且提供耐受负载开关应用的高抗冲蚀性。因此，本发明提供了一种能够用于旁路/隔离开关应用和负载开关应用两者的、与现有技术触头顶端相比具有改善的性能的触头顶端。
根据本发明的一个实施方式，第二层的硬度至少是第一层的硬度的1.2倍高。
根据本发明的一个实施方式，第一层的硬度在50至140维氏硬度Hv1的范围内，并且第二层的硬度在60至150维氏硬度Hv1的范围内。
根据本发明的一个实施方式，第一层的电阻率比第二层的电阻率低。为了当在旁路/隔离开关应用中使用时提供低接触阻力，低电阻率特别是对于第一层具有重要意义。
根据本发明的一个实施方式，第二层的电阻率是第一层的电阻率的至少1.2倍高。
根据本发明的一个实施方式，第一层的电阻率在1.7×10-8至2.6×10-8Ω·m的范围内，并且第二层的电阻率在1.9×10-8至2.8×10-8Ω·m的范围内。
根据本发明的一个实施方式，第一层的厚度小于第二层的厚度。
第一层的与第二层相比的相对较小的厚度是理想的，因为对于旁路/隔离应用的冲蚀低于对于负载开关应用的冲蚀。
根据本发明的一个实施方式，第一层的厚度在第二层的厚度的10％至40％之间。
根据本发明的一个实施方式，第一层的Ag复合材料中Ag的含量高于第二层的Ag复合材料中Ag的含量。
与第一层相比较低的Ag含量对于第二层是必要的。因此，与现有技术的触头顶端相比，本发明的触头顶端的制造成本降低了，这是因为Ag构成制造成本的大部分。
根据本发明的一个实施方式，Ag复合材料包括金属Ag基体，Ag基体具有分布在Ag基体中的一个或多个元素、化合物或合金。Ag基体由Ag或Ag基合金以及可能的杂质构成。
根据本发明的一个实施方式，第一层的Ag复合材料中的Ag的含量在70％至96％的重量百分数之间的范围内，并且第二层的Ag复合材料中的Ag的含量在40％至92％的重量百分数之间的范围内。
根据本发明的一个实施方式，第一层和第二层的Ag复合材料中的一个或多个元素、化合物或合金从由Ag、Al、Fe、Sn、C、Cu、Cr、Mo、Ni、Co、W、CdO、SnO2、ZnO、Fe2O3、WC、MoC、ZrC、TiB2、ZrB2、AgMo、AgCo、AgNi、AgMo、AgCu、AgCr、AgCo、In2O3、Bi2O3、WO3、MoO3、CuO构成的组中选择。
根据本发明的一个实施方式，第一层包括具有锯齿的接触区。锯齿具有改善触头顶端与开关应用中的相应触头顶端之间的电接触的功能。
根据本发明的一个实施方式，第一层和第二层通过烧结代表第一层和第二层的化学成分的压缩粉末混合物来制造。粉末冶金工艺的使用具有如下优点：第一层和第二层能够高质量地制造。
根据本发明的一个实施方式，主体还包括在第二层上布置在与第一层相反的一侧上的第三层，该第三层具有将电触头顶端附接至电导体的用途。
第二层具有彼此相反的两侧，第一层附接至第二层的一侧，而第三层附接至第二层的另一侧。
根据本发明的一个实施方式，第三层由适于钎焊的材料构成。
本发明的目的还通过包括根据权利要求1至14中任一项所述的电触头顶端的电开关装置而实现。
附图说明
现在将通过对本发明的不同实施方式的描述并参照附图来更紧密地论述本发明。
图1示出了包括根据本发明的一个实施方式的电触头顶端的电触头。
图2示出了图1中的触头顶端的横截面。
图3示出了图1中的触头顶端的第一层和第二层的硬度和导电率的曲线图。
图4示出了用于制造根据本发明的触头顶端的粉末冶金工艺的流程图。
具体实施方式
图1示出了电触头1，其包括导体3和根据本发明的一个实施方式的电触头顶端5。触头顶端5附接在导体3的一端。触头顶端5适于在开关装置的低压开关应用中、特别是低于1000V的电压下使用。
触头顶端5包括主体，主体包括第一层7a、第二层7b和第三层7c。图2涉及触头顶端5的横截面，其中公开了三个层7a、7b、7c。第一层7a布置在第二层7b上。第二层7b布置在第三层7c上。
第一层7a适于在开关装置中的开关操作期间与相应的触头顶端5相接触。第一层7a的材料具有适合于旁路/隔离开关应用的属性，其中低接触阻力是理想的，但抗冲蚀性的重要性较低。
在第一层7a已经磨损掉的情况下第二层7b适于在开关操作期间与相应的触头顶端5相接触。第二层7b具有适合于负载开关应用的属性，其中高抗冲蚀性是理想的，但接触阻力的重要性较低。
第三层7c具有将触头顶端附接至导体3的功能。例如，第三层7c由适于钎焊的材料构成。
第一层7a和第二层7b包括金属Ag复合材料，Ag复合材料包括Ag金属基体或Ag合金以及分布在基体中的一个或多个元素、化合物或合金。在一个实施方式中，上述元素或化合物构成一个或多个金属氧化物的颗粒。第一层7a和第二层7b的Ag复合材料的元素、化合物或合金可以具体地从由Ag、Al、Fe、Sn、C、Cu、Cr、Mo、Ni、Co、W、CdO、SnO2、ZnO、Fe2O3、WC、MoC、ZrC、TiB2、ZrB2、AgMo、AgCo、AgNi、AgMo、AgCu、AgCr、AgCo、In2O3、Bi2O3、WO3、MoO3、CuO构成的组中选择。
第一层7a和第二层7b的属性的差异的特征在于，第一层7a的硬度低于第二层7b的硬度。另外，第一层7a的导电率高于第二层7b的导电率，因此第一层7a的接触阻力低于第二层7b的接触阻力，如图3所示。
第一层7a和第二层7b的硬度取决于Ag复合材料中Ag的含量，其中第一层7a中Ag的含量高于第二层7b的Ag复合材料中Ag的含量。因此，通过调节Ag复合材料中的Ag的含量与元素、化合物或合金的含量之间的关系，调节第一层7a和第二层7b的硬度。
第一层7a的Ag复合材料中的Ag含量优选地在70％至96％的重量百分数之间的范围内，并且第二层7b的Ag复合材料中的Ag含量优选地在40％至92％的重量百分数之间的范围内。
通过根据如上所述调节第一层7a和第二层7b，第一层7a受到比第二层7b低的接触阻力，并且第二层7b受到比第一层7a高的抗冲蚀性。
第一层7a由于其低接触阻力而适于在旁路/隔离开关应用中使用。第一层7a的抗冲蚀性与第二层7b相比较低。然而，在旁路/隔离开关应用中，鉴于这种开关装置的寿命，触头顶端的冲蚀可以忽略不计。
第一层7a的适于与相应的触头顶端5直接接触的接触区优选地设置有用于改善与相应的触头顶端5的电接触的锯齿。
第二层7b由于其高抗冲蚀性而适于在负载开关应用中使用。第二层7b的接触阻力与第一层7a相比较高。然而，在负载开关应用中，对于开关装置的性能，接触阻力的重要性较低。在负载开关应用中，第一层7a将在开关装置的寿命的早期被磨损掉，并且然后第二层7b将成为触头顶端5的与开关装置的相应触头顶端5接触的外表面。
因此，第一层7a与第二层7b的组合与现有技术的触头顶端5相比改善了触头顶端5在旁路/隔离开关应用和负载开关应用中的使用。
第二层7b的硬度是第一层7a的硬度的至少1.2倍高。例如，第一层7a的硬度在50至140维氏硬度Hv1的范围内，并且第二层7b的硬度在60至150维氏硬度Hv1的范围内。
另外，第二层7b的电阻率是第一层7a的电阻率的至少1.2倍高。例如，第一层7a的电阻率在1.7×10-8至2.6×10-8Ω·m的范围内，并且第二层7b的电阻率在1.9×10-8至2.8×10-8Ω·m的范围内。
对于旁路/隔离应用而言，第一层7a的厚度比第一层7b的厚度小就足够了。第一层7a的厚度优选地在第二层7b的厚度的10％至40％之间。
优选地，本发明的触头顶端5通过粉末冶金工艺来制造。用于第一层7a、第二层7b和第三层7c的起始原料粉末是金属，或者是金属与金属氧化物的组合。图4示出了用于制造根据本发明的触头顶端5的粉末冶金工艺的流程图。
在粉末冶金工艺的第一步骤110中，原料粉末经受粉末调节，这一般包括以下多个子步骤：化学粉末处理；混合；研磨；粒状化和筛选。制造出三种不同的粒状化粉末，这些粉末将形成为第一层7a、第二层7b和第三层7c。
在粉末冶金工艺的第二步骤120中，各个层7a、7b、7c的粉末受到单轴挤压。单轴挤压模具首先被填充代表第一层7a的粉末的第一区域的层，随后被填充代表在第一层7a上方的第二层7b的粉末的第二区域的另一层，最后被填充代表第三层7c的粉末的第三区域。对于填充操作，使用三个不同的粉末供给线和模具填充靴。模具中的腔通过使下部活塞降低为了形成第一区域、第二区域和第三区域所需的、等于各个层厚度的距离而产生。然后，通过单轴挤压形成分级的压缩体。优选地，通过使用具有倒置的锯齿形表面几何形状的上部活塞还形成了第一层7a中的锯齿。触头顶端5的主体的网状几何形状优选地在一个挤压步骤中形成。
在粉末冶金工艺的最后步骤130中，分级的压缩体受到热处理。网状的分级压缩体在还原性(H2)环境中或者部分地在氧化(O2)条件下在低于1200℃的温度下被热处理，以逐渐形成最终材料组分和致密的微结构。
本发明不限于所公开的实施方式，而是可以在权利要求的框架内修改。
Claims (14)
1.一种用于开关应用的电触头顶端(5)，所述触头顶端(5)包括主体，所述主体包括第一层(7a)和第二层(7b)，所述第一层(7a)布置在所述第二层(7b)上并且适于在开关操作期间与相应的触头顶端(5)接触，其中所述第一层(7a)和所述第二层(7b)由包括一个或多个元素、化合物或合金的Ag复合材料构成，其中所述第一层(7a)的硬度低于所述第二层(7b)的硬度
其特征在于，所述第一层(7a)的厚度在所述第二层(7b)的厚度的10％至40％之间；
其中所述第一层(7a)的Ag复合材料与相对应的触头顶端接触或分离以提供旁路-隔离开关，并且当所述第一层磨损掉时，所述第二层(7b)的Ag复合材料与相对应的触头顶端接触或分离以提供负载开关；
其中所述第一层(7a)和所述第二层(7b)由烧结的Ag复合材料构成。
2.根据权利要求1所述的电触头顶端(5)，其中，所述第二层(7b)的硬度至少是所述第一层(7a)的硬度的1.2倍高。
3.根据权利要求1所述的电触头顶端(5)，其中，所述第一层(7a)的硬度在50至140维氏硬度Hv1的范围内，并且所述第二层(7b)的硬度在60至150维氏硬度Hv1的范围内。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的电触头顶端(5)，其中，所述第一层(7a)的电阻率比所述第二层(7b)的电阻率低。
5.根据权利要求4所述的电触头顶端(5)，其中，所述第二层(7b)的电阻率是所述第一层(7a)的电阻率的至少1.2倍高。
6.根据权利要求4所述的电触头顶端(5)，其中，所述第一层(7a)的电阻率在1.7×10-8至2.6×10-8Ω·m的范围内，并且所述第二层(7b)的电阻率在1.9×10-8至2.8×10-8Ω·m的范围内。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的电触头顶端(5)，其中，所述第一层(7a)的厚度小于所述第二层(7b)的厚度。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的电触头顶端(5)，其中，所述第一层(7a)的Ag复合材料中Ag的含量高于所述第二层(7b)的Ag复合材料中Ag的含量。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的电触头顶端(5)，其中，所述第一层(7a)的所述Ag复合材料中的Ag的含量在70％至96％的重量百分数之间的范围内，并且所述第二层(7b)的所述Ag复合材料中的Ag的含量在40％至92％的重量百分数之间的范围内。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的电触头顶端(5)，其中，所述第一层(7a)和所述第二层(7b)的所述Ag复合材料中的一个或多个元素、化合物或合金从由Al、Fe、Sn、C、Cu、Cr、Mo、Ni、Co、W、CdO、SnO2、ZnO、Fe2O3、WC、MoC、ZrC、TiB2、ZrB2、AgMo、AgCo、AgNi、AgCu、AgCr、In2O3、Bi2O3、WO3、MoO3、CuO构成的组中选择。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的电触头顶端(5)，其中，所述第一层(7a)包括具有锯齿的接触区。
12.根据权利要求1-3中任一项所述的电触头顶端(5)，其中，所述第一层(7a)和所述第二层(7b)通过烧结代表所述第一层(7a)和所述第二层(7b)的化学成分的压缩粉末混合物来制造。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的电触头顶端(5)，其中，所述主体还包括布置在所述第二层(7b)的相反侧上的第三层(7c)，所述第三层(7c)具有将所述电触头顶端(5)附接至电导体(3)的用途。
14.一种电开关装置，包括根据权利要求1至13中任一项所述的电触头顶端(5)。
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