钨铜合金表面粗糙度对抗电弧烧蚀性能的影响

王利剑，陈文革



钨铜合金表面粗糙度对抗电弧烧蚀性能的影响

王利剑，陈文革

(西安理工大学材料科学与工程学院，西安710048)

将纯W、纯Cu和W70Cu30合金分别进行机械磨光、电解抛光和机械抛光后获得3种不同的表面状态，在专有设备上模拟电触头材料的电弧烧蚀过程，通过扫描电子显微镜观察首击穿烧蚀形貌。结果表明：通过机械抛光获得的表面粗糙度最小，对于W70Cu30合金可达到0.044 μm，电解抛光次之，机械磨光最大；随表面粗糙度降低，W70Cu30合金的击穿场强逐渐增大，烧蚀区域趋于规整化，烧蚀产物增加，烧蚀坑的分布更加集中，纯W、纯Cu也表现出相同的现象；在本实验条件下材料表面粗糙度在0.2～0.3 μm时，其抗电弧烧蚀性能最好。

表面状态；电弧烧蚀；钨铜合金；粗糙度；击穿场强

W-Cu合金是W和Cu的复合材料。由于W和Cu既不相互固溶也不形成金属间化合物，所以W-Cu合金实际是一种假合金，其性能是两种金属本征物理性能的综合叠加，既表现出W的高熔点、高密度、高的高温强度、较好的抗电蚀性和抗熔焊性，同时又表现出Cu的高导电导热性、良好的塑性及易加工性[1−3]。W-Cu合金的性能可以通过对合金成分灵活而准确的变化进行设计和控制，而且在高温条件下，合金中的Cu相蒸发吸热会产生自冷却作用[4−5]。因此，W-Cu合金被广泛应用于各种高压断路器中的电触头材 料[6−7]。电触头材料在分合电路时往往会产生电弧放电现象，电弧向电触头输入极高的能量，使电极在极短时间内迅速受热、熔化，形成熔池。熔池形成后，熔池中的液态金属便会在电弧机械力的作用下以小液滴的形式喷溅出去，从而造成电触头材料损耗乃至失 效[8−10]。研究发现[11−12]，触头的表面状态直接影响到接触电阻的大小和稳定，同时表面状态又与触头的电弧侵蚀过程密切相关。为了缓解触头材料的侵蚀，进而延长材料的使用寿命，本文探究在不同表面粗糙度下W-Cu合金的耐电弧烧蚀性能，并以纯Cu和纯W试样做对比，旨在为W-Cu材料的实际应用提供实验依据和理论参考。

1 实验

采用纯Cu、纯W以及熔渗法制备的商用W70Cu30电触头材料作为实验试样，加工成直径为21 mm，厚为2 mm的圆片，具体性能参数如表1所列。对3种材料分别进行1000#砂纸磨光(M-g)、机械抛光(M-p)和电解抛光(E-p)处理(为便于图表叙述，后文以括号内简称进行表示)，通过LEXT−OLS4000型激光共聚焦显微镜对试样的表面粗糙度进行表征。然后将处理后的试样置于超声波清洗仪内，在乙醇介质中进行表面清洗，烘干后在HYJH－YY/20kV型高压电弧装置中进行电弧首击穿实验，模拟高压断路器触头开合的瞬间，以试样为阴极，黄铜为阳极，缓慢移动电极尖端以缩短和样品表面之间的距离，直至电弧放电，记录两电极之间的距离，计算击穿场强。实验选择SF6气体作为灭弧介质，控制气氛流量为4～5 L/min，电压在18 kV。利用JSM−6700F型场发射扫描电子显微镜对电弧烧蚀区域进行形貌观察，并利用其自带的能谱仪对烧蚀区的溅射产物进行分析。

2 结果与分析

2.1 三种表面处理方式对不同材料表面状态的影响

图1所示为纯Cu和纯W试样经不同表面处理后的表面三维轮廓图，从图中可以观测到试样表面的立体形貌。对纯Cu试样而言，机械磨光表面存在大量的尖锐突起和部分的凸陷(见图1(a))，而机械抛光后的表面致密光洁，无明显突起和凸陷(见图1(b))。这主要是由于在机械抛光过程中，试样在旋转着的摩擦力的作用下，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压入，或移动一段距离后填入凹陷部位。这种削凸填凹的整平过程，以高速度大规模地反复进行，加上抛光膏的光亮化作用，使得原来较粗糙的试样表面变得平滑，从而使试样表面光洁度有了明显提高。对照图1(c)，(d)亦可得到相同的结论。

表1 实验用材料的相关参数

图1 纯金属Cu和W试样经不同表面处理后的表面三维形图

图2所示为W70Cu30合金试样表面经不同处理后的表面三维轮廓图，从图2(a)可以看出，经磨光处理后的试样表面呈现出明显的沟槽状划痕和大量凸起，且凸起比较尖锐；对比图2(b)经电解抛光后的表面形貌，试样表面凹凸不平，但尖锐凸起显著消失，取而代之的是平滑的凹凸曲面；图2(c)是经机械抛光后的表面形貌，表面光滑无起伏，达到较好的表面光洁度，但在试样表面出现了明显的凹坑。产生这种现象的原因是：在外界摩擦力的作用下，铜相较容易剥落，然而这种剥落现象是在试样的浅表层发生的，所以对于合金的使用性能没有较大的影响。

对不同表面处理后的试样表面粗糙度进行测量，得到了如表2所列的数据。由表可以看出，经机械抛光后的试样表面粗糙度最小，磨光处理表面粗糙度最大。这与从图1和图2表面三维轮廓图中所得到的信息一致。

2.2 电弧首击穿实验

2.2.1 电弧烧蚀形貌观察与分析

图3所示为纯Cu试样在不同表面粗糙度下的电弧烧蚀形貌图，由图可知，机械磨光后的表面烧蚀面积较大，烧蚀产物附着于划痕之上，布满整个视野(见图3(a))。经能谱分析，此为Cu元素和少量的S，F元素。随表面粗糙度降低，烧蚀晕面积减小且圆化。烧蚀产物和烧蚀坑也由弥散的分布状态变得更为 集中。

图4所示为纯W试样电弧首击穿形貌图，由图4(a)可以看出，电弧在磨光表面的烧蚀中心区域为近圆形，同时在划痕上有大量的白色颗粒状物体，经能谱分析可知，此为W元素以及少量的S和F元素。对比图4(b)，随表面粗糙度降低，烧蚀晕边缘趋于规整化，但在其中心部位出现了龟裂，边缘部位也有明显的裂纹。造成这种宏观缺陷的原因主要有以下2方面：一方面是由于机械抛光的表面粗糙度较低，缺少图4(a)中的划痕凸起来分散电弧能量，造成电弧能量集中；同时大量的热在导热性很差的W相中传递时，会产生较大的热应力，当热应力超过晶界结合强度时便沿晶界形成裂缝，随变形量增加，裂缝沿整个晶界扩散，最终断裂形成宏观缺陷。另一方面是因为金属W为体心立方结构，具有较高的脆−塑转变温度，表现出更明显的脆性，而脆性和断裂又是紧密相关的，使其更容易产生裂纹发生断裂。

图2 W70Cu30试样经不同表面处理后的表面三维形貌图

表2 不同表面处理后试样的表面粗糙度

图3 纯Cu试样不同表面状态下电弧首击穿的表面形貌

图4 纯W试样不同表面状态下电弧首击穿的表面形貌

图5所示为W70Cu30试样不同表面粗糙度下的电弧首击穿形貌图。可以看出3幅图中的表面烧蚀晕呈圆形或椭圆形铺展且面积相当，而且均有白色露珠状的烧蚀产物附着于样品表面，图5(a)分布较均匀，图5(c)分布最为集中。对其进行能谱分析后可知，烧蚀产物中除Cu元素，还存在S和F两种元素，这表明SF6气体介质与合金组元发生了某种反应。另外从图5(b)和(c)中还可以看出有大小不一的烧蚀坑(见图中箭头所示)，这主要是由于低熔点组元Cu在电弧热量作用下烧蚀溢出后所致。但此现象在图5(a)中不明显。图5(b)中的烧蚀坑大小不一分布于整个烧蚀区域，图5(c)中的烧蚀坑面积较大且分布集中，说明此处电弧作用集中，烧蚀较为严重。文献[13]对机械抛光后的W80Cu合金进行真空电弧首击穿实验，也得到相同的实验结果。

针对上述现象，对比同类材料不同表面状态下的试样，磨光试样表面的电弧烧蚀情况较为缓和。究其原因，磨光试样表面由于存在大量的划痕，且这些划痕凸起高于基体(见图1(a))，在电弧烧蚀过程中，凸起尖端和阳极之间的气体在强电场作用下易被电离，电离后的电子和正离子在电场作用下分别向阴阳两极发展，形成电气通路，引发尖端放电进而形成电弧[8]，其示意图如图6所示。当基体上存在大量的划痕凸起时，尖端放电现象便会在多个凸起点发生，电弧热量将分散于各个凸起并迅速将其熔化，经快冷作用形成白色颗粒状物质附着于样品表面，随后热量沿着划痕向四周扩展开来。随表面粗糙度减小，表面划痕凸起趋于平整化，尖端放电现象被抑制，电弧作用变得集中。电弧在与试样表面作用的过程中，电弧热量集中作用于起弧中心，留下较为集中的烧蚀斑点。随表面粗糙度进一步减小，电弧在试样表面的作用更加集中(比较图5(b)和(c))，热流密度会瞬时升高，直接作用的结果是造成烧蚀区局部组元瞬时熔化并溢出，这一现象对触头材料的服役来说是极为不利的。因电弧持续集中作用于材料特定的某一区域，将使该区域的组分持续不断地蒸发、损耗，最终形成烧蚀坑使材料在此处造成应力集中，与外加应力叠加导致合金的服役寿命大大降低。因此，材料表面尖端尺寸在一定程度上会影响材料的抗电弧烧蚀性能。结合图1，图2和表2可以得出，表面处理后粗糙度大于0.2 μm的试样表面，在保证试样表面尖端均匀性的同时又获得较大尺寸的尖端，从而易于多点引发尖端放电，使得材料表面的烧蚀形貌均匀且缓和。而当材料表面粗糙度小于0.2 μm时，由于尖端不明显，尖端放电现象被抑制，材料表面对电弧能量的分散作用将严重减弱，致使电弧集中作用于材料，产生的烧蚀集中化和烧蚀缺陷等现象，不利于延长材料的使用寿命。因此，在本实验基础上为获得均匀且缓和的烧蚀形貌，应控制材料表面粗糙度在0.2～0.3 μm范围内(见表2)。

图5 W70Cu30不同表面状态下电弧首次击穿的表面形貌

图6 尖端放电示意图

表3 不同试样电弧首击穿的击穿场强

对比不同材料机械抛光后的烧蚀形貌可以看出，单一组元构成的材料，其烧蚀斑点较为集中(见图3(b)和图4(b))，即烧蚀产物和烧蚀坑堆积在一起，而W70Cu30合金烧蚀斑点相对分散(见图5(c))。产生这种现象的原因主要有两个方面，一方面是材料本征特性的影响，对于纯钨纯铜材料而言，在电弧热量的作用下，Cu的熔点低和W的导热性差直接导致烧蚀产物集中化和烧蚀缺陷的产生，W-Cu合金由于综合两者的本征性能，有效避免了上述情况的发生。另一方面是材料结构的影响，W-Cu合金作为一种假合金，两金属接触的地方形成相界，由于W和Cu具有不同的逸出功，处于相界处的电子在外加电场和内电场的作用下，相对于相界以外区域的电子更容易逸出[14]。因此，在电场作用下，相界处易成为诱发电弧产生的区域，由于试样表面存在大量相界，电弧的作用会更具选择性和分散性。而对于单一组元材料，由于没有相界存在，其表面电子呈现均一态，这将导致电弧集中作用于某一个区域，造成严重的烧蚀现象。钨铜合金由于这种独特的组织结构，使其抗电弧侵蚀性能优于纯钨纯铜材料。

2.2.2 试样表面状态对击穿场强的影响

在恒电压(U)作用下，由U=Ed可知，场强(E)和间隙距离(d)成反比，随试样和阳极尖端之间的间隙距离缓慢减小，场强逐渐增加，最终引起电弧，导致击穿现象发生。击穿场强的大小可作为评价触头材料耐电弧烧蚀性能的一项重要指标。

本实验中试样在不同表面状态下的电弧首击穿的击穿场强如表3所列。对于同种材料，随表面粗糙度降低，击穿场强增大，其原因也是由于尖端放电现象造成的，即试样表面尖端的存在，严重导致试样表面电场分布的不均匀。尖端部位的电场强度随间隙距离的缩小而剧增，进而引发击穿放电。而对于表面光洁的试样，在强电场作用下，由于其场强分布比较均匀，只有在阴极试样表面和阳极电极距离很近的时候，才能引发放电现象。所以其具有较大的击穿场强。

3 结论

1) 通过机械磨光、电解抛光和机械抛光工艺对试样表面进行处理，获得不同的表面状态。其中机械抛光处理所得到的表面粗糙度较之其它工艺最小，W70Cu30合金试样经机械抛光处理后表面粗糙度可达到0.044 μm，机械磨光处理获得的表面粗糙度最大。

2) 对于W70Cu30合金，随表面粗糙度降低，其击穿场强增大，烧蚀区面积变化不明显，烧蚀产物的量逐渐增多且烧蚀坑的分布变得集中。

3) 控制材料的表面粗糙度在0.2～0.3 μm范围内，可以提高材料表面对电弧的分散作用，延长触头材料的使用寿命。

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(编辑 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

西安市科技支撑项目(CXY1342(2))；西安理工大学科技创新项目

2015−09−24；

2015−11−01

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