Investigation of the Arc Erosion Behaviour of W-Cu Composites

Abstract

In practical applications, silver-based composite materials have been used for high load bearing or high class contact materials. However, composites such as CdO-Ag and silver-based SnO2, TiO2 and ZnO are not economically feasible due to toxicity concerns and cost effectiveness. On the other hand, copper matrices are widely used for electrical contact applications in a diverse range of fields. In particular, W-Cu alloys are considered as an alternative for contact materials and arcing resistance electrodes due to the high thermal and electrical conductivity of copper and the high arc erosion resistance and low thermal expansion coefficient of tungsten. However, the contacts are vulnerable to thermal damage due to the high temperature and mass flow on the local surfaces of the contacts during the make-and-break of the contacts. In this study, particle-reinforced copper (W-Cu and TiC-Cu) composite powders were fabricated using a novel electroless copper plating process. Electrical contacts made of pure Cu and the Cu matrix powders were employed for dynamic electrode tests. The specimens were subjected to 1,000 and 10,000 arc breakings to study the effects of arc erosion on the contacts as well as their make-and-break life. Results show that the contacts made of pure Cu had the greatest loss of mass and the shortest life while the W-Cu composites preserved most of their mass; in addition, the W-Cu composites with finer W particles (1 μm) outperformed the rest of the composites. Résumé Dans les applications pratiques, on a utilisé les matériaux composites à base d'argent dans les matériaux porteurs de charge élevée ou dans les matériaux de contact de qualité supérieure. Cependant, les composites tels que CdO-Ag ou SnO2, TiO2 et ZnO à base d'argent ne sont pas économiquement réalisables à cause de problèmes de toxicité et de souci d'économie. D'un autre côté, les matrices de cuivre sont largement utilisées dans les contacts électriques dans une grande gamme de champs d'application. En particulier, les alliages de W-Cu sont considérés comme solution de rechange pour les matériaux de contact et pour les électrodes de résistance à la formation d'arc grâce à la conductivité thermique et électrique élevée du cuivre et grâce à la résistance élevée à l'érosion de l'arc et au faible coefficient d'expansion thermique du tungstène. Cependant, les contacts sont vulnérables à l'endommagement thermique à cause de la température élevée et du haut débit sur les surfaces locales des contacts lors de l'enclenchementdéclenchement des contacts. Au cours de cette étude, on a fabriqué des poudres composites de cuivre renforcées de particules (W-Cu et TiC-Cu) en utilisant un nouveau procédé de placage chimique du cuivre. On a utilisé des contacts électriques faits de cuivre pur ou de poudres à matrice de cuivre pour des essais dynamiques d'électrode. On a soumis les échantillons à 1,000 et 10,000 ruptures d'arc pour étudier l'effet d'érosion de l'arc sur les contacts ainsi que leur durée de vie d'enclenchement-déclenchement. Les résultats montrent que les contacts faits de cuivre pur avaient la plus grande perte de masse et la plus courte durée de vie alors que les composites de W-Cu préservaient presque toute leur masse; de plus, les composites de W-Cu avec les particules de W les plus fines (1 μm) surpassaient le reste des composites.