[科普中国]-钨铜触点

钨铜触点是利用高纯钨粉优异的金属特性和高纯紫铜粉的可塑性、高导电性等优点，经静压成型、高温烧结、溶渗铜的工艺精制而成的复合材料。

说明电触点是高、低压电器开关、仪器仪表中的重要元器件,担负着电路间接通与断开,同时负载相应电路中电流的任务。钨铜系电触头材料自1935年问世以来一直被广泛用于自动开关及万能断路器、塑壳断路器中。钨和铜既不互相固溶又不形成金属间化合物,由其两相单体均匀混合的组织是“假合金”(pseudo-alloy)。它既保持了钨的耐高温、高硬度、低膨胀系数,又保持了铜的高导电导热性和好的塑性。1

特点钨铜触点具有优良的耐电弧烧损性和抗熔焊性，断弧性能好,导电导热好,热膨胀小,高温不软化,高强度,高密度,高硬度等特点。具有很好的导电导热性，较好的高温强度和一定的塑性。在3000℃以上的温度下，合金中的铜被液化蒸发，大量吸收热量，降低材料表面温度，所以这类材料也称为金属发汗材料。

制备钨铜触点是通过粉末冶金法高压触头制成不同形状（挤压/烧结/熔渗）。

熔渗法熔渗法首先要将钨粉或钼粉压制成型，并烧结成具有一定孔隙度的钨、钼骨架，然后熔渗铜。此法适用于低铜含量的钨铜、钼铜产品。

氧化铜粉法氧化铜粉法是通过混合和研磨还原提炼出铜，而不是直接用金属铜粉，铜在烧结压坯中形成连续的基体，钨则作为强化构架。高膨胀组分受四周第二组分的制约，粉末在较低温度的湿氢气中烧结。

注模法注模法是制作钨铜合金的一种比较常用的方法。钨铜合金触点注模法是将均匀粒度为1-5微米的镍粉、铜钨粉或铁粉与粒径为0.5-2微米的钨粉和5-15微米的钨粉混合，再混进25%-30%的有机粘结合剂（如石蜡或聚甲基丙烯酸醋）注模，用蒸汽清洗和照射法除往粘合剂，在氢气中烧结，获得高密度钨铜合金。1

用途钨铜触点广泛用作高压，超液压开关和断路器的触头，保护环，用于电热墩粗砧块材料，自动埋弧焊导电咀，等离子切割机喷嘴，电焊机，对焊机的焊头，滚焊轮，封气卯电极和点火花电极,点焊，碰焊材料等。

电阻焊电极综合了钨和铜的优点，耐高温、耐电弧烧蚀、强度高、比重大、导电、导热性好，易于切削加工，并具有发汗冷却等。

特性，由于具有钨的高硬度、高熔点、抗粘附的特点，经常用来做有一定耐磨性、抗高温的凸焊、对焊电极。

电火花电极针对钨钢、耐高温超硬合金制作的模具需电蚀时，普通电极损耗大，速度慢。而钨铜高的电腐蚀速度，低的损耗率，精确的电极形状，优良的加工性能，能保证被加工件的精确度大大提高。

高压放电电极高压真空放电管在工作时，触头材料会在零点几秒的的时间内温度升高几千摄氏度。而钨铜高的抗烧蚀性能、高 韧性，良好的导电、导热性能给放电管稳定的工作提供必要的条件

电子封装材料既有钨的低膨胀特性，又具有铜的高导热特性，其热膨胀系数和导电导热性可以通过调整材料的成分而加以改变。1

高压开关用钨铜触头材料研究概述电触头是指位于两个导体之间的一个载流连接点，它具有可断开的特点，主要担负电流的接通、断开和负载的任务。电触头的质量直接决定电气系统的整体可靠性。特别是在现代化的大型电力系统，通讯系统和自动控制系统中，由于这些系统包含着上千万的接点，因此如果其中一个或者几个触头出现失效的状态，就会严重影响整个系统的工作，导致系统的紊乱甚至整个系统的瘫痪。因此，针对电触头材料的研制工作在最近几年得到迅速的发展，由于钨具有高熔点、高密度、低膨胀系数的特性和铜具有很好的导热、导电性使得钨铜复合材料电触头具有良好的耐电弧侵蚀、抗熔焊和高强度等优点，这些优点使得钨铜复合材料自20世纪30年代出现以来就被广泛应用到电力、电子、机械和冶金等行业领域，并在很长一段时间内被用作各类高压电器开关的电触头。

钨铜复合材料的高耐压强度和耐电烧蚀性能成为推动高压电器开关耐压等级和使用功率不断提高的重要根基，并使得钨铜复合材料成为高压电器开关中不可缺少的关键材料。进入20世纪60年代，钨铜复合材料主要作为电阻焊和电加工的电极以及航天科技中所采用的高温材料。直到改革开放后，随着钨铜材料生产工艺的不断改进和材料质量的不断提高，钨铜复合材料在工业领域才得到比较广泛和成熟的应用。20世纪90年代，大规模集成电路和大功率电子器件的发展使得钨铜复合材料作为升级换代的产品开始大规模地被用于电子封装和热沉材料。在钨铜复合材料每一次新应用开发对其质量和性能均提出了新的更高要求的同时，钨铜复合材料新的制备工艺也得到了不断促进与发展。在高压开关触头的使用上，钨铜复合材料触头已经存在多年。二期钨铜触头在高压SF6、空气和油介质以及大电流断路器上用量比较大而且它们一般都采用混粉压制烧结及熔渗工艺生产相结合的办法，组分以20%-30%Cu+80%- 70%W居多。

最近几年以来，真空高压开关得到了迅速的发展，同时真空高压开关对触头材料的要求相对要高，除满足一般开关的基本性能以外，基于真空中触头表面非常干净的特点，使得真空高压开关触头更容易熔焊，因此对触头材料就不仅要有更高的抗熔焊性，还需要有足够高的耐电压强度、尽量低的截止电流和极低的含气量。这些要求和材料特质使得真空高压开关触头材料集中在钨铜复合材料上。

目前市场上一些触头材料的组分为90%W+10%Cu，性能较差，在使用中曾经出现过熔焊现象。

影响钨铜触头材料的因素众所周知，触头在使用当中会出现各种各样的失效情况，同样，影响触头正常工作的因素也极其复杂，但归纳起来可归结为两种。一、外部因素。即由触头的工作环境和工作特性决定的，包括电流特性、周围介质、触头的关合分断速度和初压力等。二、内部因素。即由触头本身的结构尺寸、粒度组成、制造工艺和应用场合所决定的。

1、内部影响因素

1）结构尺寸。

从理论上讲，由于能量比较分散的缘故，触头的结构尺寸越大，在使用中其抗电弧烧灼的能力就越强。但是在实际应用中，由于受到整个电器开关结构的限制，触头的尺寸不可能很大。近来有人研究出中空触头、插入式触头或加装引弧角或引弧环的触头，其目的一是为了使产生电弧后，散热较快，二是为了使触头在烧损后仍能保持良好的接触状态。

2）制造工艺。

目前，铜钨系电触头材料国内的制造商普遍使用的都是混料、压制、烧结溶渗法(或浸溃法)。所不同的是有的用预烧钨骨架熔融浸溃工艺提取，而有的不用。近年来，国外为了提高电触头材料的使用寿命。采用了更为先进的制造工艺，如纤维强化法、等静压制一浸溃法、烧结轧制工艺、离子注入、电弧熔炼法等。

3）钨粉粒度。

关于粉末粒度组成，即钨粉粒度 的大小对钨铜系电触头材料性能的影响 ，研究表明，用较细或较粗的钨粉制造的触头其抗电弧烧损都很差，最理想的是粗细钨粉以一定的比例混合来制造，但需注意的是不同成分的触头材料应有不同的比例混合。

4）应用场合。

实验发现，不同成分的触头材料有其最佳的适用场合。例如，在六氟化硫断路器中Cu20～30/W80～70；在空气或真空开关中以Cu10/W90，在油断路器中以Cu15～20/W85～80的组分最为抗烧损。

2、外部影响因素

研究认为，电流的特性不同，在通断过程中产生的特性也存在差异，同时对触头的烧损强度也存在差别，一旦触头选定以后，其电流特性就是一个固定值，而周围介质对电触头的灭弧能力影响较大。如果介质的灭弧能力强，就可以在很大程度上减少触头材料的电弧烧损(它是电触头失效的主要原因之一)。除此之外，对触头有较大影响的还有触头的开断、闭合速度及关合初压力等因素。因为开断速度决定着燃弧时间，尤其是初开速度，提高初开速度会缩短燃弧时间，减少触头烧损。而增加初压力，可以减弱触头因撞击而引起的机械振动，从而减少机械磨损和电弧烧损。

展望20世纪30年代，钨铜高密度合金开始被研制出来，由于它具有优异的综合性能，在电力高压开关中得到了广泛的应用。并且一直以来钨铜合金受到了世界各国的高度重视，并己成为材料科学界较为活跃的研究领域之一。近年来，由于钨铜复合材料性能好，成本低的特点，钨铜复合材料被认为是极具发展潜力和应用前景的新型功能材料。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所