脈衝電弧對鎢銅電極表面侵蝕的程度與脈衝電弧的電量或能量有關,對於鎢銅材料來說,電極侵蝕的主要形式是電極材料的蒸發。脈衝電弧對鎢銅材料的作用與單次脈衝電荷的轉移量及總脈衝電荷轉移量呈正相關性。在總電荷轉移量一定的情況下,鎢銅電極表面的侵蝕程度與單次電荷轉移量直接相關,在單次電荷轉移量為1•48 C、總電荷轉移量為518C的脈衝電弧作用後,電極的侵蝕量較小,電極表面除了明顯的金屬銅蒸發斑點外,肉眼基本看不出裂紋;但在單次電荷轉移量為10•5 C、總電荷轉移量為525 C的脈衝電弧作用後,電極表面則出現魚鱗狀的龜裂。

單一的金屬材料同時具有高熔點、高密度、高比熱容和高導熱率是非常困難的,利用鎢的高密度、高熔點和銅的高電導率組成的鎢銅合金作為開關電極材料,具有較高的抗蝕能力。

高鎢鎢銅材料有4種加工工藝:固相燒結-複壓-複燒、液相燒結-複壓-複燒、熔滲-機加工、預燒鎢骨架-熔融浸漬-機加工,其中以第4種;預燒鎢骨架-熔融浸漬”對材料的機械和力學性能最為有利,因為此工藝中,鎢粒子不再是單獨分散的粒子,而是經過高溫燒結作用形成的骨架。顯而易見,這種鎢粒子的架構對於抗機械衝擊是很有效的,這種材料抗裂紋的能力亦較強,因而對抗裂紋擴展也有利。

鎢銅電極材料中可能存在結構弱點:①材料鎢本身存在裂紋;②預燒鎢骨架形成的鎢骨架和熔浸冷凝時銅之間形成的孔隙等。在電弧高溫、高熱作用時,氣體壓力增加約10倍,對鎢及銅產生壓縮應力,從而對氣孔附近區域業已存在的微裂紋產生撕裂力,促使微裂紋擴展。假設第n次脈衝電弧作用時這些孔隙或微裂紋並未與表面相通,那麼熄弧時由於記憶體氣體溫度下降,壓力變小,對基體將產生反向應力。隨著電弧作用次數增加,基體所承受的正、反應力作用亦增強,裂紋便隨之形成和擴展,直到擴展至外表或與外表裂紋相連。

燃弧過程中,鎢粉再燒結作用亦是一種不可忽視的現象。當銅、鎢所形成的毛細管中的銅在電弧作用下飛濺或蒸發後,表面的某些鎢粒子便裸露於介質中,在電弧高溫作用下,這些鎢粒子會發生再燒結現象,表面效應使鎢粒子球化或向表面轉移,不可避免地會產生鎢骨架間的裂紋,並逐漸深入至觸頭內部。對於觸頭遭受電弧後的材料侵蝕,一般認為,觸頭在電弧高溫、高熱及化學作用下,會產生材料揮發和化合等現象。裂紋在其中起著加速侵蝕的作用。對於鎢銅觸頭,其中的銅隨著電弧作用蒸發或飛濺,產生許多微孔,成為下一次裂紋發源地;鎢粒子的再燒結,則加速了這種作用。此外,電極觸頭表面與滅弧介質在高溫下形成的氧化物及某些可能存在的碳化物都具有脆性。由於機械衝擊的作用,那些微小的孔洞群和表面脆性化合物被破碎,材料發生剝落,並為下一次剝落準備了新的創面和內部結構(表面裂紋)。於是,侵蝕不可避免地會發生,直到觸頭侵蝕過大不能繼續工作而失效。

隨著作用於開關電極觸頭表面次數的增加,由於銅的熔點較鎢低,脈衝電弧作用下,熔融銅不斷從觸頭表面鎢粒子間的連通孔隙及裂紋縫隙處蒸發或飛濺。由於熔融-重凝過程的交替,一方面,裂紋中部或端部不斷受到壓縮-拉伸狀態應力的交互影響,使主裂紋端部擴展,而在主裂紋中部則產生支裂紋因而裂紋不斷擴展壯大,主裂紋所產生的支裂紋依同樣規律擴展,兩支支裂紋端部會合,從而在表面形成肉眼可見的魚鱗狀龜裂,表面形貌呈現水磨石狀結構。另一方面,裂紋縫隙處的銅不斷蒸發,相當於增加了觸頭表面遭受侵蝕的面積,脈衝電弧作用時裂紋最深處附近的銅的溫度比相鄰區域高,由於熱膨脹作用,相鄰區域對其附近區域產生壓縮作用應力;電弧熄來時,相鄰區域的冷卻比其附近區域快,從而對其附近區域又產生拉伸作用,裂紋端部便沿縱深方向擴展。

結論

a)金屬材料的抗侵蝕能力和其材料參數密切相關,在強脈衝電弧作用下,宜選用抗電蝕性能好的金屬合金材料(如鎢銅、銅鉻)作為開關電極觸頭材料。
b)在脈衝電荷轉移總量一定的情況下,電極觸頭的侵蝕量及電極表面裂紋的程度和單次通過開關電極表面的電脈衝電荷轉移量成正比。
c)在脈衝電弧作用下,鎢銅電極表面形成魚鱗狀的龜裂,鎢銅材料中鎢粉本身存在的裂紋及加工過程中存在的孔隙等結構弱點是造成裂紋的形成與擴展的主要原因之一。

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