螺旋彈簧觸指材料的研究進展

螺旋彈簧觸指材料的研究進展

接觸是指電氣行業(yè)的一些部件。就像接觸籠在兩個接觸面之間的接觸。它通過大量的接觸點連接兩個表面，并以連續(xù)和空間規(guī)劃。每個接觸點都被用作“橋梁”來使電流有效。觸指具有以下特性:結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、小尺寸,適用于緊湊型設(shè)計;多點接觸和高集中力實現(xiàn)無損耗接觸,耐磨性好;獨特的結(jié)構(gòu)使其具有寬裕的工作范圍,加工誤差和裝配誤差有較大的適應(yīng)性來滿足大規(guī)模生產(chǎn)等;因此,它廣泛應(yīng)用于高中壓開關(guān)、母線連接件、高電流連接件、固封電極、高壓電纜尾端件、熔斷器連接件和機械電子應(yīng)用等方面。目前,廣泛使用的觸指有梅花觸指、表帶觸指和螺旋彈簧觸指。梅花觸指(見圖1(a))接觸點比較少,要得到比較小而且穩(wěn)定的接觸電阻就需要增加接觸點壓力,容易因接觸點壓力大而造成鍍銀層的磨損,特別對于運動部件,如果再加上運動速度高等原因,還會造成運動過程中擦刮出金屬屑的隱患。表帶觸指(見圖1(b))較梅花觸指具有不需要壓緊彈簧、結(jié)構(gòu)簡單、接觸點多、導(dǎo)電能力強等優(yōu)點,但對熱處理工藝要求嚴格,觸指溝槽機加工精度高,成本相對較高。螺旋彈簧觸指(見圖1(c))出現(xiàn)較晚,允許通過的電流密度高,接觸點多,電流容量、電動及熱穩(wěn)定性高,電場分布均勻,允許在接合面出現(xiàn)較大的公差、誤差,且接觸應(yīng)力恒定、磨損小、使用周期長,可插拔數(shù)千次而不失效,因此被廣泛應(yīng)用于高壓及特高壓的斷路器中的滑動點接觸及動靜接觸設(shè)備。當前,我國對這種觸指的研究起步晚,所用材料受到一定限制,加之國外的技術(shù)壟斷,導(dǎo)致該類觸指接觸電阻的穩(wěn)定性差、壽命低等現(xiàn)象。本文就螺旋彈簧觸指的結(jié)構(gòu)、性能要求、材料選用及制備技術(shù)進行綜合闡述,旨在為該類觸指的發(fā)展提供參考。1彈簧觸指尺寸的影響螺旋彈簧觸指(也稱為斜圈彈簧觸指)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在自由狀態(tài)下,線徑為d0,D2為外徑,D1為內(nèi)徑,圈數(shù)為n,每圈直徑為d,彈簧傾斜α1角度時的高度簡稱為圈高h1=(D2-D1)/2。裝入觸指座溝槽(見圖3)后,因溝槽外徑D5<D2,迫使彈簧緊縮(圈間間隙變小),因此內(nèi)徑由D1變?yōu)镈3,外徑由D2變?yōu)镈4。動觸指(導(dǎo)電桿)外徑D1(亦稱彈簧觸指自由狀態(tài)下內(nèi)徑)插入彈簧觸指后,觸指單邊變形量為f=(D1-D3)/2式中,f通常為1.5～2.0mm,變形量大,觸指接觸壓力受加工精度影響很小。彈簧并圈后的極限變形量通常小于3.5mm,其中α2,h2分別為并圈后的傾斜角度和圈高。彈簧觸指材質(zhì)、彈簧絲的直徑、彈簧圈數(shù)和彈簧傾斜角度等都對彈簧觸指的性能有影響。良好的彈簧材質(zhì)可以使彈簧具有好的彈性、導(dǎo)電率和強度等;彈簧絲的直徑在一定范圍內(nèi)與彈簧工作應(yīng)力成正比,如果線徑過粗會增加彈簧并圈趨勢;彈簧觸指工作應(yīng)力的大小除與彈簧絲直徑有關(guān)外,還與彈簧的傾斜角度α、彈簧觸指變形量有關(guān),在允許范圍內(nèi)它們與變形抗力成正比。采用多圈數(shù)的螺旋彈簧觸指不但有利于各個接觸面的充分接觸,降低接觸電阻,減小溫升,而且有利于動連接的導(dǎo)向以及防止彈簧觸頭單圈壓縮變形而過早塑性變形導(dǎo)致失效;同時,為保證彈簧觸頭一定的剛性和彈性,還必須選擇合適的材質(zhì)且經(jīng)過合理的熱處理工藝。螺旋彈簧觸指作為一種導(dǎo)電連接件,必須結(jié)構(gòu)可靠,接觸電阻小且穩(wěn)定,即具有良好的導(dǎo)電性和接觸性;通過規(guī)定電流時,發(fā)熱穩(wěn)定而溫度不超過允許值;通過短路電流時,具有足夠的熱穩(wěn)定性;開斷規(guī)定的短路電流時,觸頭不被燒傷,磨損盡可能小,不發(fā)生熔焊現(xiàn)象?？梢?觸指性能的優(yōu)劣性取決于接觸電阻、流通能力、接觸壓力和熱穩(wěn)定性等方面。對金屬而言,在允許范圍內(nèi),觸指額定電流密度許用值與短時耐受電流密度許用值越大,說明該金屬的流通能力越強。材料實際導(dǎo)電部位附近的電流必然收縮,有收縮電阻產(chǎn)生;如果電流通過導(dǎo)電部分不是純金屬而是準金屬,則電子通過這層膜時有膜電阻產(chǎn)生,這兩種電阻串聯(lián)于電路中,稱之為接觸電阻RK。在線路瞬間開關(guān)或異常短路時,電路中電流會突然增強或伴隨著電弧出現(xiàn),如果電路在安全范圍內(nèi)可以承受這些異常情況,則可認為這種電路的熱穩(wěn)定性很高。在電路中,接觸電阻越小則流通能力越強,而接觸電阻RK很大程度上取決于有效接觸面積SK。有效接觸面積SK與接觸壓力FK、觸指材料的硬度HBS有關(guān):SK=FKα×HBS(1)SΚ=FΚα×ΗBS(1)式中,α為表征表面加工光潔度的經(jīng)驗系數(shù)(0.02<α<1)。由于觸指開關(guān)在工作時會受到一定電接觸壓力,且要求吸合動作達到幾十萬次;因此,硬度較低的塑性材料會因其劇烈的塑性變形而無法保證觸指的壽命要求。如果通過觸指的電流過大或接觸電阻增高,則接觸壓降必然相應(yīng)增大,導(dǎo)致接觸溫升較高使得觸指與其他零件軟化或熔化。斷電后接觸溫度迅速下降發(fā)生熔焊現(xiàn)象;因此,觸指材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱能力能有效降低接觸溫升。觸指在連接或斷開過程中,當兩個連接件表面運動到相互接近時,往往會被加在觸指上的電壓擊穿,產(chǎn)生電弧或其他放電現(xiàn)象(如輝光放電、火花放電),觸指一旦連接上電弧就立即熄滅。電弧溫度幾微秒內(nèi)可達4000～50000K,能量集中釋放在觸指表面和近表面層中,即使存在的時間很短,也會引發(fā)觸指材料熔化、汽化、轉(zhuǎn)移和飛濺等,從而造成觸指表面受損,破壞其工作性能。當觸指可以連續(xù)正常工作在額定時間內(nèi),說明觸指熱穩(wěn)定性好,并且質(zhì)量可靠。2螺旋彈簧接觸指一般的金屬材料2.1彈簧鋼的規(guī)格螺旋彈簧觸指是重要的電器零件,它最初的原型源于彈簧。因為彈簧在沖擊、震動或長期變應(yīng)力下使用,所以要求其具有較高的抗拉強度、彈性極限、高的疲勞強度,為此常用鋼基材料制作。目前,彈簧鋼主要有兩種,即含碳量在0.6%～0.9%的優(yōu)質(zhì)碳素鋼和含碳量較低的合金鋼。碳素彈簧鋼用線材的規(guī)格一般為?5.5～14.0mm,鋼種有65Mn,70T9A等,占彈簧用線材的80%～85%;合金彈簧線材規(guī)格一般為?5.5～17.0mm,鋼種有50CrVA,55CrSiA,60Si2MnA等,占彈簧用線材的10%～15%,其中不銹鋼彈簧用線材的規(guī)格一般為?5.5～13.0mm,鋼種有1Cr18Ni,9Cr17NiA等,占彈簧用線材的1%～2%。目前,科研人員正在尋找提高彈簧鋼性能的方法,微合金化和形變熱處理可以明顯細化彈簧鋼的組織并獲得較好的強韌性;感應(yīng)熱處理可細化晶粒、減少脫碳,提高鋼的塑韌性、抗彈減性(即抗彈性減退性能,又稱抗松弛性能)和疲勞強度?，F(xiàn)階段彈簧鋼主要向高強度、高彈減抗力和高純凈方向發(fā)展。高強度是指設(shè)計應(yīng)力強。設(shè)計應(yīng)力的兩個主要因素抗疲勞和抗彈性減退已成為國內(nèi)外彈簧鋼研究開發(fā)的主題。新一代的超高強度彈簧鋼具有高強度、高疲勞強度和耐腐蝕性、優(yōu)良的抗彈減性及良好的經(jīng)濟性,使彈簧鋼具有一個良好的發(fā)展前景。2.2鉻青銅和鉻鋯銅鋼基彈簧的彈性雖好,但在開關(guān)電器上更要看重其導(dǎo)電性能,為此,人們開始采用銅基材料制備螺旋彈簧觸指。典型的用于彈簧的銅合金材料如表1所示。鈹青銅是一種綜合性能優(yōu)良的有色合金彈性材料,同時它也是一種沉淀強化型合金。鈹青銅有高強型(含鈹量為1.6%～2.1%)和高導(dǎo)型(含鈹量為0.2%～0.7%)之分。在固溶時效處理后,Be與Cu形成的各種合金相以析出相的形式存在,使鈹青銅具有優(yōu)異的性能:高導(dǎo)電率、高強度和高彈性等。而根據(jù)含鈹量的不同,析出相所產(chǎn)生的沉淀強化效果也不同;因此,高強性鈹青銅較高導(dǎo)型鈹青銅強度較高,但導(dǎo)電率較低。只有高強型鈹青銅能滿足制備螺旋彈簧觸指的要求,經(jīng)790℃±10℃固溶,320℃±5℃時效處理后,鈹青銅會呈現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能(抗拉強度為1350MPa、導(dǎo)電率為20%IACS)。雖然高強鈹青銅具有高強度、高耐熱性,但其導(dǎo)電率偏低,在550V高壓產(chǎn)品試驗中,由于溫升過高發(fā)生燒蝕和疲勞磨損現(xiàn)象,不能通過試驗,故在高壓電等級大電流開關(guān)上很難使用;因此,高強鈹青銅彈性和強度滿足要求,導(dǎo)電性不滿足要求。鉻青銅是以Cu為基體,加入Cr和其他微量合金元素形成的一系列合金。它廣泛應(yīng)用于電阻焊電極、觸頭材料、集成電路引線、電車及電力火車架空導(dǎo)線等要求高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱和高強度的產(chǎn)品。傳統(tǒng)制備鉻青銅的工藝有熔滲法、混粉燒結(jié)法、定向凝固法、自蔓延熔鑄法和快速凝固法等,它們普遍存在成分偏析、產(chǎn)品密度差及生產(chǎn)周期長等缺點;因此,采用新的制造工藝,如電弧熔煉法、激光表面合金法等來彌補傳統(tǒng)工藝所帶來的缺陷。對其性能的研究,如通過深冷處理可使鉻青銅作為真空觸頭材料時,提高它的耐電壓強度及耐電弧侵蝕性;采用980～1000℃固溶,350℃一級低溫時效,450℃二級時效,在整個時效析出過程中抑制不連續(xù)析出物形成,從而形成彌散、均勻分布的第二相等。鉻鋯銅屬于沉淀性合金,是在鉻青銅基礎(chǔ)上添加適量的鋯元素,使得材料在某方面具有比鉻青銅更優(yōu)異的性能。由于鉻鋯銅合金具有高的強度和良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,被廣泛應(yīng)用于高強、高導(dǎo)領(lǐng)域,如:制備電阻焊電極、集成電路引線框架、電車及電力機車架空導(dǎo)線及觸頭材料。目前,對Cu-Cr-Zr系合金的制備工藝、主要性能與合金微觀組織結(jié)構(gòu)研究方面也取得了不少進展,但研究和開發(fā)還停留在合金的強化機理方面,尚未進入工業(yè)生產(chǎn)階段。經(jīng)980℃±10℃固溶、450℃±5℃時效處理后,鉻鋯銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性(80%IACS)、耐磨性,但強度偏低(小于600MPa),耐熱性較低,作為彈性回復(fù)性要求好、熱穩(wěn)定性要求高的材料有些欠缺,它更適用于電極材料和鏈接塊導(dǎo)體(不需要彈性)。由于材料偏軟,對于彈簧單匝直徑及彈簧觸指直徑而言,在設(shè)計上受到限制,尺寸增大,使用時很容易變形;因此,鉻鋯銅導(dǎo)電性滿足要求,但強度和彈性方面有些欠缺。鈹鈷銅屬于鈹青銅一類,熱處理工藝與鈹青銅類似,但與其性能卻有些區(qū)別。往鈹銅合金中添加一定量的鈷可以起到合金化作用、細化晶粒的作用;因此,鈹鈷銅力學(xué)性能(890MPa)比鉻青銅材料和鉻鋯銅材料要高。雖然該合金硬度和軟化溫度高,但其導(dǎo)電率和熱導(dǎo)性低于鉻鋯銅和鉻青銅。這類材料可以作為點焊不銹鋼和耐熱鋼的電極、受力電極握桿、軸和電極臂,也可以做成縫焊不銹鋼和耐熱鋼的電極輪軸和襯套、模具或是鑲嵌電極。經(jīng)800℃±10℃固溶2～3h淬火、315℃±5℃時效2～3h熱處理后,該合金的硬度和導(dǎo)電率分別可達255HV,58%IACS。由于鈹鈷銅具有較高的強度,良好的導(dǎo)電性,較高的工作強度,因此將這種材料用于工作時,要求熱穩(wěn)定性高、導(dǎo)電性好、回彈性高的部件,所以它是螺旋彈簧觸指最佳選用材料。2.3銀基復(fù)合材料的制備綜上所述,螺旋彈簧觸指的材料必須具備高導(dǎo)電性、高強度和較好的耐蝕性,而單一的材料或合金難于滿足其使用要求。為此,人們嘗試研究諸如銀基復(fù)合材料、銅/鋼復(fù)合材料等合金或復(fù)合材料,雖然這些材料均能滿足彈簧觸指用材的要求,但其仍處于理論探討階段,仍需進一步研究。銀基復(fù)合材料是最常見的電接觸材料,主要用于航天和航空工業(yè)的電接觸元件。其中銀-石墨-碳纖維復(fù)合材料是一種較常見的金屬基自潤滑復(fù)合材料,它綜合了金屬銀優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、石墨良好的潤滑、減摩和滅弧作用與碳纖維的比強度、比模量、低密度及軸向線膨脹系數(shù)等優(yōu)勢,使得材料具有優(yōu)良的綜合性能。采用粉末冶金工藝,在壓力200MPa時采用氫氣保護氣氛、700℃保溫2h后得到的材料電阻率僅有0.12μΩ·m,此時石墨和銅含量分別選擇在4%～9%和5%～7%為宜。將配制好的銀基復(fù)合材料放入模具中冷壓成型后,在氫氣保護氣氛下載850℃燒結(jié)、再在460℃下經(jīng)熱補壓得到的Ag-Ta-MoS2-G電刷材料,經(jīng)100h磨損試驗仍保持良好的電性能和低的磨損率,且電刷表面無電弧坑。銀基合金中石墨、碳纖維可以增強強度、導(dǎo)電率,并且石墨還具有滅弧作用,使得銀基復(fù)合材料具備高的導(dǎo)電性和耐蝕性,滿足制備螺旋彈簧觸指材料的要求。銅/鋼復(fù)合材料,即鋼表面覆銅或銅合金,該復(fù)合材料具有防腐蝕、抗磨損、導(dǎo)電導(dǎo)熱性優(yōu)良且成本低。連接件中,目前已廣泛應(yīng)用于軍工、航空航天、汽車、運輸、橋梁、國防建設(shè)等眾多領(lǐng)域。利用軋制的方法制備鋁錫20銅-鋼雙金屬板,即在碳鋼表面覆蓋一薄層鋁錫20銅合金。雙金屬軋制屬于復(fù)雜非均勻變形過程,采用預(yù)復(fù)合與終復(fù)合相結(jié)合的軋制方法。預(yù)復(fù)合是指鋁錫20銅合金與中間過渡(純鋁)層和表面防護(純鋁)層的軋制粘結(jié);終復(fù)合是預(yù)復(fù)合板與鋼背的軋制粘結(jié),制得性能優(yōu)良的復(fù)合板材。銅或鋼復(fù)合材料采用軋制的方式制備板材,該復(fù)合材料具有鋼的強度及銅或銅合金的綜合性能,可以用于制備螺旋彈簧觸指。3電鍍制備螺旋彈響應(yīng)物螺旋彈簧觸指的制備工序為選材、繞制、成形、焊接、熱處理、電鍍,其中,以成型和焊接為制備螺旋彈簧觸指的關(guān)鍵。繞制是將選擇好的線材在繞簧機上按照所要求的圈數(shù)n,每圈直徑d繞制成直線的條狀彈簧,如圖4所示,有斜圈彈簧和正圈環(huán)形彈簧之分。3.1螺旋彈響指起模套裝螺旋彈簧觸指的成型是把繞制好的呈彈簧狀的材料整體沿徑向和螺旋彈簧直徑D2圓的切向獲得一定的傾角α,一般為56°左右。成型的方法有4種。(1)直接在繞簧機上獲得一定傾角的直線斜圈彈簧(見圖4(a)),然后直接把兩個接頭焊接在一起即可成為螺旋彈簧觸指。(2)利用圖5所示螺旋彈簧觸指的折彎成型模具來實現(xiàn)。將繞制好的正圈環(huán)形彈簧(圖4(b))裝到左、右可拆卸的旋轉(zhuǎn)成型模具中,如圖5局部所示,利用一定的外力使模具的內(nèi)、外圈旋轉(zhuǎn)一定的角度,即得螺旋彈簧觸指。這里關(guān)鍵是成型模具內(nèi)壁有類似彈簧的溝槽,防止旋轉(zhuǎn)時彈簧跟著一起旋轉(zhuǎn)。(3)利用圖6所示螺旋彈簧觸指的成型模具來實現(xiàn),將繞制好的正圈環(huán)形彈簧(圖4(b))裝到螺旋彈簧觸指成型模套中(圖6)。該模具包括模具本體,在模具本體外圍設(shè)有夾緊板,在模具本體與夾緊板之間設(shè)有彈簧觸指模槽,在夾緊板上部設(shè)有定位端蓋,在夾緊板外設(shè)有套住夾緊板的外罩,在夾緊板的外壁上設(shè)有導(dǎo)向槽,外罩上的導(dǎo)向銷位于導(dǎo)向槽內(nèi),外罩與模具本體之間設(shè)有壓緊螺桿。本模具采用本體旋轉(zhuǎn)與壓緊螺桿相互運動以及6塊組合體組成的夾緊塊來保證彈簧觸指折彎成形時每圈彈簧折彎的均勻性與精度。(4)利用圖7所示螺旋彈簧觸指的折彎成型模具來實現(xiàn)。將螺旋彈簧觸指折彎模具放在5～10t壓力機平臺上,將制作好的正圈環(huán)形彈簧(圖4(b))豎直放在下半模沖上(見圖7),將上半模沖按螺距大小壓在下半模沖上,這里要求上、下模沖的斜面配合,裝配示意圖如圖7(c)所示。然后通過壓力機施加一定的壓力直至上、下模沖壓到一個平面為止,重復(fù)上述過程,直至整個螺旋彈簧的節(jié)圓全部折彎。圖7中的M為螺孔的直徑(即螺旋彈簧觸指每個節(jié)圓的直徑),螺孔中螺紋的節(jié)距與螺旋彈簧觸指匹配,加工成螺紋絲,不過螺紋絲的頂角要加工成圓角,其大小是測量絲材直徑的一半。圖7中的B為折彎傾角,一般是56°或34°。3.2銅合金的焊接特性現(xiàn)階段螺旋彈簧觸指是由銅合金制備的,其含銅量一般約為98%,具有高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱且具有一定的彈性及強度。但銅合金在焊接時易出現(xiàn)難熔及變形、熱裂紋、氣孔、熱裂傾向大及接頭性能下降等現(xiàn)象;因此,選擇具有針對性的焊接方式尤其重要。(1)模夾卡緊模具再壓縮首先,用加熱工具干燥模具,用毛刷清潔導(dǎo)線及熔模表面,將要連接的導(dǎo)體安放于模具相應(yīng)位置并檢查接觸面的密合度,防止作業(yè)時銅液從縫隙處滲漏。其次,用模夾卡緊模具、反復(fù)調(diào)整夾距直至模夾密合度與模具密合度相匹配,導(dǎo)入相應(yīng)劑量焊粉并留一些引火粉于模唇上,合上模具上蓋,如圖8示。最后,點火槍向模唇的引火粉點火,使焊接反應(yīng)在腔中進行,即發(fā)生3Cu2O+2Al2O3+熱量(溫度可達2537℃以上)的化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)時間為15～20s,開模取出熔接好的導(dǎo)線接頭,清潔模具。熱熔焊需要的配件有熱熔焊接模具、熱熔焊接模夾、熱熔焊接焊粉、熱熔焊接專用毛刷。(2)機械清理及化學(xué)清理采用惰性氣體作為保護氣(通常是氬氣或氦氣或它們的混合氣),使用焊絲銅作為熔化電極的一種電弧焊方法。焊前準備主要包括焊接坡口準備、焊件及焊絲表面處理、焊件組裝、焊接設(shè)備檢查等,清理方法有機械清理和化學(xué)清理。焊接參數(shù)主要有焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊絲伸出長度、焊絲傾角、焊絲直徑保護氣體的種類及其流量。通常是根據(jù)焊件的厚度及焊縫熔深選擇焊接電流及焊絲直徑,根據(jù)焊接電流確定送絲速度。在焊絲直徑一定的情況下,再根據(jù)焊接電流匹配合適的電弧電壓,從而形成合適的熔滴過渡形式及穩(wěn)定的焊接過程。焊絲的伸出長度增加,其電阻熱增加,焊絲的熔化速度增加。對于短路過渡焊接,合適的伸出長度為6～13cm;其他形式的熔滴過渡焊接,合適的伸出長度為13～25cm。常用的熔化極氬弧焊噴嘴孔徑約為20mm,保護氣體流量為10～30L/min。(3)金屬焊件同態(tài)連接超聲波金屬焊接是利用超聲波頻率(一般頻率應(yīng)大于16kHz)的機械振動能,將同種或異種金屬進行連接的一種特殊方法。在對金屬進行超聲波焊接時,不用向工件輸送電流及高溫熱源,只是在靜壓力作用下將彈性振動能轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜ缑娴哪Σ凉?、形變能及有限的溫?使焊接區(qū)域的金屬原子瞬間激活,兩相界面處的分子相互滲透,最終實現(xiàn)金屬焊件的同態(tài)連接。超聲波金屬焊接的主要工藝參數(shù)包括:振動頻率f′、振幅A′、靜壓力P及焊接時間t。頻率的選取與焊件的厚度及物理性能有關(guān),厚度越大頻率越小;振幅可通過調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器輸出功率W(W=kH32δ32W(W=kΗ32δ32,其中,k為常數(shù),H為材料的顯微硬度,δ為焊接材料厚度)來調(diào)節(jié),超聲波焊接的靜壓力與焊接強度呈反比(超聲焊縫的靜壓力一般為0.1～0.5MPa);焊接時間一般與工藝條件有關(guān)。對銅制螺旋彈簧觸指,首先用工具頭在銅線端部進行滾壓焊一次,使銅線端面形成微齒狀。其次在工具頭靜壓作用下