电触头材料的研究进展与应用

1引 言
电触头是仪器仪表,电器开关中非常重要的接触元件.高压输变电间大容量超高压发展,低压配电系统与控制系统对自动化水平,灵敏程度要求的提高以及电子工业产品的更新换代,都对触头材料提出了新的要求|_1].电触头在开闭过程中产生的现象极其复杂,影响因素较多,理想的电触头材料必须具备良好的物理性能,力学性能,电接触性能,化学性能,加工制造性能等l2]. 国外对电接触元件和材料的研究已有六七十年的历史.早期的触头材料多采用纯钨,纯钼,纯铜及贵金属银,以后开始研制复合触头,目前研究比较多的是低压电器银基触头材料,双层或多层复层触头材料,真空开关及其它封闭开关用触头材料等.我国从1956年开始研究和生产触头材料,经过4O多a的发展,目前可生产银基触头材料,钨基触头材料,铜基触头材料,贵金属基弱电接点材料等

2常用触头材料
2.1铜基触头材料
2.1.1铜钨系触头材料
铜钨系触头材料具有良好的耐电弧侵蚀性,抗熔焊性,强度高等优点.但由于其开断能力不大,只适用于小容量的真空断路器和真空接触器.近几年随着触头结构和灭弧介质的改进,铜钨憷头的开断容量有了很大提高,如在少油断路器中达到了1 200MVA.在铜钨合金中添加镍可使其抗电弧腐蚀性能得到进一步提高|_5].
2.1.2铜铋合金触头材料
铜铋合金具有良好的抗熔焊性,较低的截流值,一定的开断能力.但因强度低,电弧侵蚀大,故触头寿命较短,可用于20kV以下的真空断路器中.为满足更高电压等级及分断更大电流的要求,美国研究了CuBiAI(12 9/6 A1,1 9/6 Bi,质量分数)合金|_6],这种合金耐电压能力是铜铋(0.5 Bi)合金的3倍,抗熔焊能力也很强.为提高分断容量,日本又研究了CuTeSe触头材料,这种触头开断能力大,损蚀率小.
2.1.3铜铬材料
铜铬材料的特点是耐电压水平高,分断容量大, 维普资讯http://www.cqvip.com钱宝光.等:电触头材料的研究进展与应用有很强的吸气能力,耐损蚀特性好,截流值不太高. 但就某单一方面的性能,铜铬触头还存在明显不足, 如耐压不如铜钨合金,抗熔焊性略逊于铜铋合金.截流值则高于银钨合金,而且,由于铜与铬的互溶性差,通过烧结收缩致密化有一定困难.目前各国公认它是最佳的中高压真空断路器触头材料之一,多用于12kV以上的真空断路器,许多使用铜铋的场合已由铜铬代替. 作者的研究表明,对Cu-Cr-Fe合金进行表面熔凝处理,铬晶粒尺寸由原来的5～250pm细化到2.5~25pm,明显提高了材料的耐磨性能[ ,使耐压强度升高,电截流值降低.
2.2银基触头材料
2.2.1银钨系触头材料
银钨系触头材料具有良好的热,电传导性,耐损蚀性,抗熔焊性,主要缺点是接触电阻不稳定.为解决这一问题,可在银钨触头材料中添加镉,锌,镁及铁等金属元素.添加镍对减轻磨损有利,在镍含量低于13 9/6时,可使硬度增加,耐电弧腐蚀性也增加.
2.2.2银金属氧化物电触头材料
在银金属氧化物中,有代表性的是银氧化镉和银氧化锡[8].银氧化镉电触头材料具有耐电磨损, 抗熔焊,接触电阻低而且稳定的特点,广泛应用于多种低压电器.Rieder等及作者的研究表明,决定银金属氧化物触头材料性能的主要因素不是所选用氧化物的种类[9 ..,而是材料在电弧作用下形成的表层结构和材料的制造工艺以及添加物.作者主要研究了添加合金元素对银氧化镉合金形态结构和性能的影响,找到了改善合金导电率,硬度,电弧侵蚀速率的一些添加元素.在中低电流范围内,可用银氧化锡取代银氧化镉触头材料,目前,已应用于各种接触器,电动机起动器和保护开关,低功率断路器,仪器仪表等方面.2O世纪8O年代中期,上海电器科
学研究所等单位就完成了内氧化法银氧化锡材料的试制.目前,国内主要生产厂都已具有生产ASn02材料的能力,产量逐年递增.

具有优良、稳定的抗熔焊性能及良好的抗电弧侵蚀能力，在500~3000A的电流范围内，AgSnO2有比AgCdO更好的 抗电弧侵蚀能力，在灯及容性负载下，AgSnO2比AgCdO、AgNi明显表现出更优良的抗熔焊性能，在交流主性负载下，AgSnO2比AgCdO具有稍高的接触电阻（由于有微量的特殊金属氧化物作添加剂，从而保证了它的接触电阻处于允许的范围内），但在直流电路13.5A的灯/电机负载（如汽车继电器）应用场合下，却表现出低而稳定的电阻值。直流条件下，与AgCdO相比，AgSnO2具有更低的材料转移。AgSnO2现已被广泛适用于中大容量交流接触器（如CJ20 、CJ40 、3TF系列等）、大功率交流开关

50KW以上）、直流接触器、交（直）流功率继电器、汽车电器、及中小容量低压断路器上。

银氧化锡(AgSnO2)电触头材料不含有毒金属镉，其中的金属氧化物热稳定性高，具有良好的导电导热性，在通断过程中具有很高的耐热，耐电弧侵蚀及抗熔焊性，从而保证电器运行的可靠性，提高使用寿命。已在较大应用领域替代传统的AgCdO电触头材料。

应用于继电器，接触器，空气开关，限流开关，电机保护器，微型开关，仪器仪表，家用电器，汽车电器，漏电保护开关等。与银氧化镉相比，银氧化锡

2.2.3银镍,银石墨电触头材料银镍触头材料具有良好的导电,导热性,接触电阻低且稳定,电弧侵蚀小而均匀,在直流下开闭时的材料转移比纯银小.但是,这种触头在大电流下抗熔焊性能差,通常和银石墨触头配对使用. 为了进一步提高银镍触头性能,可向银中加入少量铜,锡或锌制成合金粉并进行内氧化,然后与R20 的镍粉及1 以下的石墨粉混合,烧结,挤压, 所得产品的耐电弧腐蚀性,抗熔焊性与银氧化镉相同;向高镍含量的银镍合金中添加一种或多种难熔金属(钨,钼,铬)或难熔金属的碳化物,可提高抗熔焊性能;向银镍合金中加入其它金属氧化物(CuO, ZnO,SnOz)还可降低银含量,而触头性能相当或优于银氧化镉材料,抗熔焊性亦得到提高;向银镍中添加高熔点,耐腐蚀的金属钛,能提高银镍触头的硬度和耐电弧腐蚀性能. 银石墨触头材料的特点是导电性能好,接触电
阻低,抗熔焊性好,即使在短路电流下也不会熔焊. 但是电弧侵蚀较高,电磨损大,灭弧能力差[ ].银 石墨类材料的接触特性与生产过程中石墨颗粒在银基体中的分布状态有很大关系.
2.3节银代银触头材料
世界上银的储藏量很少,我国更是一个银资源缺乏的国家.采用加入价格相对便宜的元素或化合物[1 ,研究新型银氧化物触头材料,研究非传统组分的银基材料等方法,可大大节省银的用量.但节银只能延长银资源使用的时间,不能从根本上解决银资源被消耗的问题.这就对无银材料的研究提出迫切要求.普遍认为代替银的最合适的元素是铜, 因为它在导热,导电性上与银最相近[1引,而且铜的价格便宜,储量较多.
作者根据中低电压触头性能要求,以铜为基体, 添加了多种微量元素和改性媒质,研究了一种新型铜基电触头复合材料,由表1可见,该材料具有较高的导电率,较低的接触电阻以及优良的综合性能,有待于在低压电器中得到应用.
 

3几种新的制造工艺
电触头材料的制造工艺可分为两类.一类是传统工艺,大致归纳为两种,即一般粉末冶金法等:电触头材料的研究进展与应用烧结法)和熔渗法(浸渍法);另一类是有利于提高触头材料性能的新工艺,如烧结挤压法,等静压法,离子注入,电弧熔炼,电火花成型烧结法和合金内氧化法Mj.传统工艺目前应用比较广泛,作者在研制新
型代银铜基合金就是采用混粉烧结法.有关传统工艺的文献报导较多,不再赘述.
(1)合金内氧化法 将金属氧化物通过一种或多种组分合金,在均匀的熔融合金内部进行选择性氧化.此法制成的触头具有较高的密度和较好的抗电弧腐蚀性.合金内氧化法大多用于制造银金属氧化物触头.
(2)超声波场中压制一浸渍法 将混合好的合金粉末装入模具中,并使模具中的粉末处于超声波场中,在超声波的作用下,使合金粉末组织均匀,致密,最后烧结成型,可比常规压制获得较高的密度.
(3)烧结挤压(轧制)工艺 将粉末装入特制的模具中,通人直流与中频叠加电流,粉末粒子间隙产生微放电现象,不仅将电阻加热的热能用于烧结扩散,还利用中频电场作用助长金属扩散,并且利用交变磁场的作用,在短时间内高效率地制取组织均匀,高强度,高密度的烧结制品.该工艺是提高材料致密性和加工性的有效方法.
(4)离子注入 在强电场作用下,把某些金属离子注入到触头材料表面,可大大改善触头的耐电弧腐蚀性等.
(5)电弧熔炼法 先用粉末冶金法(一般是混粉烧结)将所要求的触头合金(如铜钨,铜铬)做成电极,再在自耗电弧炉内进行熔化,从而制得晶粒细小,密度偏析小,致密度高以及抗电弧腐蚀性好的触头材料,采用该工艺克服了用传统的粉末冶金法制取的电工合金不致密这一固有缺陷.
4展 望
随着电器工业的发展,强电触头材料在电器开关中地位非常重要,有向高电压,大电流方向发展的趋势,研究重点是它的抗熔焊性,耐损蚀性,接触电阻的稳定性及采用的制备技术,添加元素及粉末原材料对触头性能的影响等.中等电负荷的触头有向小型化发展的趋势,在材质方面,仍以银基合金及银金属氧化物为主[¨].对于弱电触头材料,也有向小型化,高寿命和高灵敏度方向发展的趋势,为节约贵金属,将大量利用多种复层技术,挤压成型技术,以提高材料的利用率.材料的多层技术和复合材料将成为现代小功率触头材料研究的主要方向.
今后一段时期内,调整触头产品结构,改善其生产工艺,提高触头的性能指标,开发新型的触头材料,特别是节银代银材料的研究及推广使用,将成为触头行业的发展方向