王利劍，陳文革

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鎢銅合金表面粗糙度對抗電弧燒蝕性能的影響

王利劍，陳文革

(西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710048)

將純W、純Cu和W70Cu30合金分別進(jìn)行機(jī)械磨光、電解拋光和機(jī)械拋光后獲得3種不同的表面狀態(tài)，在專有設(shè)備上模擬電觸頭材料的電弧燒蝕過程，通過掃描電子顯微鏡觀察首擊穿燒蝕形貌。結(jié)果表明：通過機(jī)械拋光獲得的表面粗糙度最小，對于W70Cu30合金可達(dá)到0.044 μm，電解拋光次之，機(jī)械磨光最大；隨表面粗糙度降低，W70Cu30合金的擊穿場強(qiáng)逐漸增大，燒蝕區(qū)域趨于規(guī)整化，燒蝕產(chǎn)物增加，燒蝕坑的分布更加集中，純W、純Cu也表現(xiàn)出相同的現(xiàn)象；在本實(shí)驗(yàn)條件下材料表面粗糙度在0.2～0.3 μm時(shí)，其抗電弧燒蝕性能最好。

表面狀態(tài)；電弧燒蝕；鎢銅合金；粗糙度；擊穿場強(qiáng)

W-Cu合金是W和Cu的復(fù)合材料。由于W和Cu既不相互固溶也不形成金屬間化合物，所以W-Cu合金實(shí)際是一種假合金，其性能是兩種金屬本征物理性能的綜合疊加，既表現(xiàn)出W的高熔點(diǎn)、高密度、高的高溫強(qiáng)度、較好的抗電蝕性和抗熔焊性，同時(shí)又表現(xiàn)出Cu的高導(dǎo)電導(dǎo)熱性、良好的塑性及易加工性[1?3]。W-Cu合金的性能可以通過對合金成分靈活而準(zhǔn)確的變化進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，而且在高溫條件下，合金中的Cu相蒸發(fā)吸熱會(huì)產(chǎn)生自冷卻作用[4?5]。因此，W-Cu合金被廣泛應(yīng)用于各種高壓斷路器中的電觸頭材 料[6?7]。電觸頭材料在分合電路時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象，電弧向電觸頭輸入極高的能量，使電極在極短時(shí)間內(nèi)迅速受熱、熔化，形成熔池。熔池形成后，熔池中的液態(tài)金屬便會(huì)在電弧機(jī)械力的作用下以小液滴的形式噴濺出去，從而造成電觸頭材料損耗乃至失 效[8?10]。研究發(fā)現(xiàn)[11?12]，觸頭的表面狀態(tài)直接影響到接觸電阻的大小和穩(wěn)定，同時(shí)表面狀態(tài)又與觸頭的電弧侵蝕過程密切相關(guān)。為了緩解觸頭材料的侵蝕，進(jìn)而延長材料的使用壽命，本文探究在不同表面粗糙度下W-Cu合金的耐電弧燒蝕性能，并以純Cu和純W試樣做對比，旨在為W-Cu材料的實(shí)際應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)

采用純Cu、純W以及熔滲法制備的商用W70Cu30電觸頭材料作為實(shí)驗(yàn)試樣，加工成直徑為21 mm，厚為2 mm的圓片，具體性能參數(shù)如表1所列。對3種材料分別進(jìn)行1000#砂紙磨光(M-g)、機(jī)械拋光(M-p)和電解拋光(E-p)處理(為便于圖表敘述，后文以括號(hào)內(nèi)簡稱進(jìn)行表示)，通過LEXT?OLS4000型激光共聚焦顯微鏡對試樣的表面粗糙度進(jìn)行表征。然后將處理后的試樣置于超聲波清洗儀內(nèi)，在乙醇介質(zhì)中進(jìn)行表面清洗，烘干后在HYJH－YY/20kV型高壓電弧裝置中進(jìn)行電弧首擊穿實(shí)驗(yàn)，模擬高壓斷路器觸頭開合的瞬間，以試樣為陰極，黃銅為陽極，緩慢移動(dòng)電極尖端以縮短和樣品表面之間的距離，直至電弧放電，記錄兩電極之間的距離，計(jì)算擊穿場強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)選擇SF6氣體作為滅弧介質(zhì)，控制氣氛流量為4～5 L/min，電壓在18 kV。利用JSM?6700F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡對電弧燒蝕區(qū)域進(jìn)行形貌觀察，并利用其自帶的能譜儀對燒蝕區(qū)的濺射產(chǎn)物進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 三種表面處理方式對不同材料表面狀態(tài)的影響

圖1所示為純Cu和純W試樣經(jīng)不同表面處理后的表面三維輪廓圖，從圖中可以觀測到試樣表面的立體形貌。對純Cu試樣而言，機(jī)械磨光表面存在大量的尖銳突起和部分的凸陷(見圖1(a))，而機(jī)械拋光后的表面致密光潔，無明顯突起和凸陷(見圖1(b))。這主要是由于在機(jī)械拋光過程中，試樣在旋轉(zhuǎn)著的摩擦力的作用下，一方面表面的凸起被磨削掉，另一方面表面的某些凸起部位被壓入，或移動(dòng)一段距離后填入凹陷部位。這種削凸填凹的整平過程，以高速度大規(guī)模地反復(fù)進(jìn)行，加上拋光膏的光亮化作用，使得原來較粗糙的試樣表面變得平滑，從而使試樣表面光潔度有了明顯提高。對照圖1(c)，(d)亦可得到相同的結(jié)論。

表1 實(shí)驗(yàn)用材料的相關(guān)參數(shù)

圖1 純金屬Cu和W試樣經(jīng)不同表面處理后的表面三維形圖

圖2所示為W70Cu30合金試樣表面經(jīng)不同處理后的表面三維輪廓圖，從圖2(a)可以看出，經(jīng)磨光處理后的試樣表面呈現(xiàn)出明顯的溝槽狀劃痕和大量凸起，且凸起比較尖銳；對比圖2(b)經(jīng)電解拋光后的表面形貌，試樣表面凹凸不平，但尖銳凸起顯著消失，取而代之的是平滑的凹凸曲面；圖2(c)是經(jīng)機(jī)械拋光后的表面形貌，表面光滑無起伏，達(dá)到較好的表面光潔度，但在試樣表面出現(xiàn)了明顯的凹坑。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：在外界摩擦力的作用下，銅相較容易剝落，然而這種剝落現(xiàn)象是在試樣的淺表層發(fā)生的，所以對于合金的使用性能沒有較大的影響。

對不同表面處理后的試樣表面粗糙度進(jìn)行測量，得到了如表2所列的數(shù)據(jù)。由表可以看出，經(jīng)機(jī)械拋光后的試樣表面粗糙度最小，磨光處理表面粗糙度最大。這與從圖1和圖2表面三維輪廓圖中所得到的信息一致。

2.2 電弧首擊穿實(shí)驗(yàn)

2.2.1 電弧燒蝕形貌觀察與分析

圖3所示為純Cu試樣在不同表面粗糙度下的電弧燒蝕形貌圖，由圖可知，機(jī)械磨光后的表面燒蝕面積較大，燒蝕產(chǎn)物附著于劃痕之上，布滿整個(gè)視野(見圖3(a))。經(jīng)能譜分析，此為Cu元素和少量的S，F(xiàn)元素。隨表面粗糙度降低，燒蝕暈面積減小且圓化。燒蝕產(chǎn)物和燒蝕坑也由彌散的分布狀態(tài)變得更為 集中。

圖4所示為純W試樣電弧首擊穿形貌圖，由圖4(a)可以看出，電弧在磨光表面的燒蝕中心區(qū)域?yàn)榻鼒A形，同時(shí)在劃痕上有大量的白色顆粒狀物體，經(jīng)能譜分析可知，此為W元素以及少量的S和F元素。對比圖4(b)，隨表面粗糙度降低，燒蝕暈邊緣趨于規(guī)整化，但在其中心部位出現(xiàn)了龜裂，邊緣部位也有明顯的裂紋。造成這種宏觀缺陷的原因主要有以下2方面：一方面是由于機(jī)械拋光的表面粗糙度較低，缺少圖4(a)中的劃痕凸起來分散電弧能量，造成電弧能量集中；同時(shí)大量的熱在導(dǎo)熱性很差的W相中傳遞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過晶界結(jié)合強(qiáng)度時(shí)便沿晶界形成裂縫，隨變形量增加，裂縫沿整個(gè)晶界擴(kuò)散，最終斷裂形成宏觀缺陷。另一方面是因?yàn)榻饘賅為體心立方結(jié)構(gòu)，具有較高的脆?塑轉(zhuǎn)變溫度，表現(xiàn)出更明顯的脆性，而脆性和斷裂又是緊密相關(guān)的，使其更容易產(chǎn)生裂紋發(fā)生斷裂。

圖2 W70Cu30試樣經(jīng)不同表面處理后的表面三維形貌圖

表2 不同表面處理后試樣的表面粗糙度

圖3 純Cu試樣不同表面狀態(tài)下電弧首擊穿的表面形貌

圖4 純W試樣不同表面狀態(tài)下電弧首擊穿的表面形貌

圖5所示為W70Cu30試樣不同表面粗糙度下的電弧首擊穿形貌圖。可以看出3幅圖中的表面燒蝕暈呈圓形或橢圓形鋪展且面積相當(dāng)，而且均有白色露珠狀的燒蝕產(chǎn)物附著于樣品表面，圖5(a)分布較均勻，圖5(c)分布最為集中。對其進(jìn)行能譜分析后可知，燒蝕產(chǎn)物中除Cu元素，還存在S和F兩種元素，這表明SF6氣體介質(zhì)與合金組元發(fā)生了某種反應(yīng)。另外從圖5(b)和(c)中還可以看出有大小不一的燒蝕坑(見圖中箭頭所示)，這主要是由于低熔點(diǎn)組元Cu在電弧熱量作用下燒蝕溢出后所致。但此現(xiàn)象在圖5(a)中不明顯。圖5(b)中的燒蝕坑大小不一分布于整個(gè)燒蝕區(qū)域，圖5(c)中的燒蝕坑面積較大且分布集中，說明此處電弧作用集中，燒蝕較為嚴(yán)重。文獻(xiàn)[13]對機(jī)械拋光后的W80Cu合金進(jìn)行真空電弧首擊穿實(shí)驗(yàn)，也得到相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

針對上述現(xiàn)象，對比同類材料不同表面狀態(tài)下的試樣，磨光試樣表面的電弧燒蝕情況較為緩和。究其原因，磨光試樣表面由于存在大量的劃痕，且這些劃痕凸起高于基體(見圖1(a))，在電弧燒蝕過程中，凸起尖端和陽極之間的氣體在強(qiáng)電場作用下易被電離，電離后的電子和正離子在電場作用下分別向陰陽兩極發(fā)展，形成電氣通路，引發(fā)尖端放電進(jìn)而形成電弧[8]，其示意圖如圖6所示。當(dāng)基體上存在大量的劃痕凸起時(shí)，尖端放電現(xiàn)象便會(huì)在多個(gè)凸起點(diǎn)發(fā)生，電弧熱量將分散于各個(gè)凸起并迅速將其熔化，經(jīng)快冷作用形成白色顆粒狀物質(zhì)附著于樣品表面，隨后熱量沿著劃痕向四周擴(kuò)展開來。隨表面粗糙度減小，表面劃痕凸起趨于平整化，尖端放電現(xiàn)象被抑制，電弧作用變得集中。電弧在與試樣表面作用的過程中，電弧熱量集中作用于起弧中心，留下較為集中的燒蝕斑點(diǎn)。隨表面粗糙度進(jìn)一步減小，電弧在試樣表面的作用更加集中(比較圖5(b)和(c))，熱流密度會(huì)瞬時(shí)升高，直接作用的結(jié)果是造成燒蝕區(qū)局部組元瞬時(shí)熔化并溢出，這一現(xiàn)象對觸頭材料的服役來說是極為不利的。因電弧持續(xù)集中作用于材料特定的某一區(qū)域，將使該區(qū)域的組分持續(xù)不斷地蒸發(fā)、損耗，最終形成燒蝕坑使材料在此處造成應(yīng)力集中，與外加應(yīng)力疊加導(dǎo)致合金的服役壽命大大降低。因此，材料表面尖端尺寸在一定程度上會(huì)影響材料的抗電弧燒蝕性能。結(jié)合圖1，圖2和表2可以得出，表面處理后粗糙度大于0.2 μm的試樣表面，在保證試樣表面尖端均勻性的同時(shí)又獲得較大尺寸的尖端，從而易于多點(diǎn)引發(fā)尖端放電，使得材料表面的燒蝕形貌均勻且緩和。而當(dāng)材料表面粗糙度小于0.2 μm時(shí)，由于尖端不明顯，尖端放電現(xiàn)象被抑制，材料表面對電弧能量的分散作用將嚴(yán)重減弱，致使電弧集中作用于材料，產(chǎn)生的燒蝕集中化和燒蝕缺陷等現(xiàn)象，不利于延長材料的使用壽命。因此，在本實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上為獲得均勻且緩和的燒蝕形貌，應(yīng)控制材料表面粗糙度在0.2～0.3 μm范圍內(nèi)(見表2)。

圖5 W70Cu30不同表面狀態(tài)下電弧首次擊穿的表面形貌

圖6 尖端放電示意圖

表3 不同試樣電弧首擊穿的擊穿場強(qiáng)

對比不同材料機(jī)械拋光后的燒蝕形貌可以看出，單一組元構(gòu)成的材料，其燒蝕斑點(diǎn)較為集中(見圖3(b)和圖4(b))，即燒蝕產(chǎn)物和燒蝕坑堆積在一起，而W70Cu30合金燒蝕斑點(diǎn)相對分散(見圖5(c))。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要有兩個(gè)方面，一方面是材料本征特性的影響，對于純鎢純銅材料而言，在電弧熱量的作用下，Cu的熔點(diǎn)低和W的導(dǎo)熱性差直接導(dǎo)致燒蝕產(chǎn)物集中化和燒蝕缺陷的產(chǎn)生，W-Cu合金由于綜合兩者的本征性能，有效避免了上述情況的發(fā)生。另一方面是材料結(jié)構(gòu)的影響，W-Cu合金作為一種假合金，兩金屬接觸的地方形成相界，由于W和Cu具有不同的逸出功，處于相界處的電子在外加電場和內(nèi)電場的作用下，相對于相界以外區(qū)域的電子更容易逸出[14]。因此，在電場作用下，相界處易成為誘發(fā)電弧產(chǎn)生的區(qū)域，由于試樣表面存在大量相界，電弧的作用會(huì)更具選擇性和分散性。而對于單一組元材料，由于沒有相界存在，其表面電子呈現(xiàn)均一態(tài)，這將導(dǎo)致電弧集中作用于某一個(gè)區(qū)域，造成嚴(yán)重的燒蝕現(xiàn)象。鎢銅合金由于這種獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu)，使其抗電弧侵蝕性能優(yōu)于純鎢純銅材料。

2.2.2 試樣表面狀態(tài)對擊穿場強(qiáng)的影響

在恒電壓(U)作用下，由U=Ed可知，場強(qiáng)(E)和間隙距離(d)成反比，隨試樣和陽極尖端之間的間隙距離緩慢減小，場強(qiáng)逐漸增加，最終引起電弧，導(dǎo)致?lián)舸┈F(xiàn)象發(fā)生。擊穿場強(qiáng)的大小可作為評價(jià)觸頭材料耐電弧燒蝕性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

本實(shí)驗(yàn)中試樣在不同表面狀態(tài)下的電弧首擊穿的擊穿場強(qiáng)如表3所列。對于同種材料，隨表面粗糙度降低，擊穿場強(qiáng)增大，其原因也是由于尖端放電現(xiàn)象造成的，即試樣表面尖端的存在，嚴(yán)重導(dǎo)致試樣表面電場分布的不均勻。尖端部位的電場強(qiáng)度隨間隙距離的縮小而劇增，進(jìn)而引發(fā)擊穿放電。而對于表面光潔的試樣，在強(qiáng)電場作用下，由于其場強(qiáng)分布比較均勻，只有在陰極試樣表面和陽極電極距離很近的時(shí)候，才能引發(fā)放電現(xiàn)象。所以其具有較大的擊穿場強(qiáng)。

3 結(jié)論

1) 通過機(jī)械磨光、電解拋光和機(jī)械拋光工藝對試樣表面進(jìn)行處理，獲得不同的表面狀態(tài)。其中機(jī)械拋光處理所得到的表面粗糙度較之其它工藝最小，W70Cu30合金試樣經(jīng)機(jī)械拋光處理后表面粗糙度可達(dá)到0.044 μm，機(jī)械磨光處理獲得的表面粗糙度最大。

2) 對于W70Cu30合金，隨表面粗糙度降低，其擊穿場強(qiáng)增大，燒蝕區(qū)面積變化不明顯，燒蝕產(chǎn)物的量逐漸增多且燒蝕坑的分布變得集中。

3) 控制材料的表面粗糙度在0.2～0.3 μm范圍內(nèi)，可以提高材料表面對電弧的分散作用，延長觸頭材料的使用壽命。

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(編輯 高海燕)

Effect of surface roughness on arc-erosion resistance of W-Cu alloy

WANG Lijian, CHEN Wen’ge

(School of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Three different surface states of pure copper, pure tungsten and W70Cu30 alloy were obtained by machinery grinding, electrolytic polishing as well as mechanical polishing. By using dedicated device to simulate arc ablation process of the electrical contact materials, the arc-erosion resistance of these three materials were tested and the surface morphologies of first arc breakdown were investigated by SEM. The results show that the minimum roughness of 0.044 μm for W70Cu30 alloy is obtained by mechanical polishing, followed by electrolytic polishing, and the maximum roughess is through machinery grinding. With the decrease of surface roughness, the breakdown field strength of the W70Cu30 alloy increases, the ablation region tends to be regular, the amount of ablation products increase and the ablation hole becomes more concentration. The same phenomenon also appears in pure tungsten and pure copper. In this experiment, the best arc-erosion resistance of materials is under the condition of surface roughness in 0.2?0.3 μm.

surface state; arc ablation; W-Cu alloy; roughness; breakdown field strength

TF125.21

A

1673?0224(2016)05?802?07

西安市科技支撐項(xiàng)目(CXY1342(2))；西安理工大學(xué)科技創(chuàng)新項(xiàng)目

2015?09?24；

2015?11?01

陳文革，教授，博士。電話：029-82312383；E-mail: wgchen001@263.net