電觸頭材料的研究進(jìn)展與應(yīng)用

1、電觸頭材料的研究進(jìn)展與應(yīng)用錢(qián)寶光,耿浩然,郭忠全,楊勤達(dá),陶珍東工程學(xué)院,山東濟(jì)南250022;3.鐵道部第十四工程局2-#,1公司,山東濟(jì)南250031摘要:綜述了一些常用觸頭材料的組成,特點(diǎn),應(yīng)用及研究進(jìn)展,介紹了電觸頭材料的先進(jìn)制備工藝,并展望了今后電觸頭材料的發(fā)展趨勢(shì).關(guān)鍵詞:電觸頭;觸頭材料;制造工藝中圖分類(lèi)號(hào):TG146.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):10003738(2004030007 03Development and Application of Electrical Contact MaterialsQIAN Bao-guang ,GENG Hao-ran2,GUO Zh

2、ong-quan2,YANG Qin-da3,TAO Zhen-dongz(1.Shandong University,Jinan 25006 1,China;2.Jinan University,Jinan 250022,China;3.The 14th Bureau of Engineering,Railway Ministry,Jinan 250031,ChinaAbstract:The composition,characteristics,processing technology,application and development of someelectrical conta

3、ct materials are introduced.Key words:electrical contact;material;processing technology1引言2常用觸頭材料電觸頭是儀器儀表,電器開(kāi)關(guān)中非常重要的接觸元件.高壓輸變電間大容量超高壓發(fā)展,低壓配電系統(tǒng)與控制系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化水平,靈敏程度要求的提高以及電子工業(yè)產(chǎn)品的更新?lián)Q代,都對(duì)觸頭材料提出了新的要求|_1.電觸頭在開(kāi)閉過(guò)程中產(chǎn)生的現(xiàn)象極其復(fù)雜,影響因素較多,理想的電觸頭材料必須具備良好的物理性能,力學(xué)性能,電接觸性能,化學(xué)性能,加工制造性能等l2. 國(guó)外對(duì)電接觸元件和材料的研究已有六七十年的歷史.早期的觸頭材料多采

4、用純鎢,純鉬,純銅及貴金屬銀,以后開(kāi)始研制復(fù)合觸頭,目前研究比較多的是低壓電器銀基觸頭材料,雙層或多層復(fù)層觸頭材料,真空開(kāi)關(guān)及其它封閉開(kāi)關(guān)用觸頭材料等.我國(guó)從1956年開(kāi)始研究和生產(chǎn)觸頭材料,經(jīng)過(guò)4O多a的發(fā)展,目前可生產(chǎn)銀基觸頭材料,鎢基觸頭材料,銅基觸頭材料,貴金屬基弱電接點(diǎn)材料等|_3 j.收稿日期:200303-03;修訂日期:20030430基金項(xiàng)目:山東省自然科學(xué)魑金資助項(xiàng)日(YZO01G02作者簡(jiǎn)介:錢(qián)寶光(1967一,女.I【J東充州人,博士研究生導(dǎo)師:耿浩然教授2.1銅基觸頭材料銅鎢系觸頭材料具有良好的耐電弧侵蝕性,抗熔焊性,強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn).但由于其開(kāi)斷能力不大,只適用于小容量

5、的真空斷路器和真空接觸器.近幾年隨著觸頭結(jié)構(gòu)和滅弧介質(zhì)的改進(jìn),銅鎢憷頭的開(kāi)斷容量有了很大提高,如在少油斷路器中達(dá)到了1 200MV A.在銅鎢合金中添加鎳可使其抗電弧腐蝕性能得到進(jìn)一步提高|_5.銅鉍合金具有良好的抗熔焊性,較低的截流值,一定的開(kāi)斷能力.但因強(qiáng)度低,電弧侵蝕大,故觸頭壽命較短,可用于20kV以下的真空斷路器中.為滿(mǎn)足更高電壓等級(jí)及分?jǐn)喔箅娏鞯囊?美國(guó)研究了CuBiAI(12 9/6 A1,1 9/6 Bi,質(zhì)量分?jǐn)?shù)合金|_6,這種合金耐電壓能力是銅鉍(0.5 Bi合金的3倍,抗熔焊能力也很強(qiáng).為提高分?jǐn)嗳萘?日本又研究了CuTeSe觸頭材料,這種觸頭開(kāi)斷能力大,損蝕率小.2

6、.2銀基觸頭材料銀鎢系觸頭材料具有良好的熱,電傳導(dǎo)性,耐損蝕性,抗熔焊性,主要缺點(diǎn)是接觸電阻不穩(wěn)定.為解決這一問(wèn)題,可在銀鎢觸頭材料中添加鎘,鋅,鎂及鐵等金屬元素.添加鎳對(duì)減輕磨損有利,在鎳含量低于13 9/6時(shí),可使硬度增加,耐電弧腐蝕性也增加.在銀金屬氧化物中,有代表性的是銀氧化鎘和銀氧化錫8.銀氧化鎘電觸頭材料具有耐電磨損, 抗熔焊,接觸電阻低而且穩(wěn)定的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于多種低壓電器.Rieder等及作者的研究表明,決定銀金屬氧化物觸頭材料性能的主要因素不是所選用氧化物的種類(lèi)9 .,而是材料在電弧作用下形成的表層結(jié)構(gòu)和材料的制造工藝以及添加物.作者主要研究了添加合金元素對(duì)銀氧化鎘合金形態(tài)結(jié)

7、構(gòu)和性能的影響,找到了改善合金導(dǎo)電率,硬度,電弧侵蝕速率的一些添加元素.在中低電流范圍內(nèi),可用銀氧化錫取代銀氧化鎘觸頭材料,目前,已應(yīng)用于各種接觸器,電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器和保護(hù)開(kāi)關(guān),低功率斷路器,儀器儀表等方面.2O世紀(jì)8O年代中期,上海電器科學(xué)研究所等單位就完成了內(nèi)氧化法銀氧化錫材料的試制.目前,國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)廠(chǎng)都已具有生產(chǎn)ASn02材料的能力,產(chǎn)量逐年遞增. 具有優(yōu)良、穩(wěn)定的抗熔焊性能及良好的抗電弧侵蝕能力,在5003000A的電流范圍內(nèi),AgSnO2有比AgCdO更好的抗電弧侵蝕能力,在燈及容性負(fù)載下,AgSnO2比AgCdO、AgNi明顯表現(xiàn)出更優(yōu)良的抗熔焊性能,在交流主性負(fù)載下,AgSnO2比

8、AgCdO 具有稍高的接觸電阻(由于有微量的特殊金屬氧化物作添加劑,從而保證了它的接觸電阻處于允許的范圍內(nèi),但在直流電路13.5A的燈/電機(jī)負(fù)載(如汽車(chē)?yán)^電器應(yīng)用場(chǎng)合下,卻表現(xiàn)出低而穩(wěn)定的電阻值。直流條件下,與AgCdO相比,AgSnO2具有更低的材料轉(zhuǎn)移。AgSnO2現(xiàn)已被廣泛適用于中大容量交流接觸器(如CJ20 、CJ40 、3TF系列等、大功率交流開(kāi)關(guān)50KW以上、直流接觸器、交(直流功率繼電器、汽車(chē)電器、及中小容量低壓斷路器上。銀氧化錫(AgSnO2電觸頭材料不含有毒金屬鎘,其中的金屬氧化物熱穩(wěn)定性高,具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性,在通斷過(guò)程中具有很高的耐熱,耐電弧侵蝕及抗熔焊性,從而保證電器

9、運(yùn)行的可靠性,提高使用壽命。已在較大應(yīng)用領(lǐng)域替代傳統(tǒng)的AgCdO電觸頭材料。應(yīng)用于繼電器,接觸器,空氣開(kāi)關(guān),限流開(kāi)關(guān),電機(jī)保護(hù)器,微型開(kāi)關(guān),儀器儀表,家用電器,汽車(chē)電器,漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)等。與銀氧化鎘相比,銀氧化錫向銀鎳中添加高熔點(diǎn),耐腐蝕的金屬鈦,能提高銀鎳觸頭的硬度和耐電弧腐蝕性能. 銀石墨觸頭材料的特點(diǎn)是導(dǎo)電性能好,接觸電阻低,抗熔焊性好,即使在短路電流下也不會(huì)熔焊. 但是電弧侵蝕較高,電磨損大,滅弧能力差 .銀石墨類(lèi)材料的接觸特性與生產(chǎn)過(guò)程中石墨顆粒在銀基體中的分布狀態(tài)有很大關(guān)系.2.3節(jié)銀代銀觸頭材料作者根據(jù)中低電壓觸頭性能要求,以銅為基體, 添加了多種微量元素和改性媒質(zhì),研究了一種新型

10、銅基電觸頭復(fù)合材料,由表1可見(jiàn),該材料具有較高的導(dǎo)電率,較低的接觸電阻以及優(yōu)良的綜合性能,有待于在低壓電器中得到應(yīng)用.表1 新觸頭材料與幾種現(xiàn)有銅基和銀基觸頭材料主要性能比較Tab.1 The properties comparison of SOflelectrical contact materials觸頭材料,布度3幾種新的制造工藝錢(qián)寶光.等:電觸頭材料的研究進(jìn)展與應(yīng)用燒結(jié)法和熔滲法(浸漬法;另一類(lèi)是有利于提高觸頭材料性能的新工藝,如燒結(jié)擠壓法,等靜壓法,離子注入,電弧熔煉,電火花成型燒結(jié)法和合金內(nèi)氧化法Mj.傳統(tǒng)工藝目前應(yīng)用比較廣泛,作者在研制新型代銀銅基合金就是采用混粉燒結(jié)法.有關(guān)傳

11、統(tǒng)工藝的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)較多,不再贅述.(2超聲波場(chǎng)中壓制一浸漬法將混合好的合金粉末裝入模具中,并使模具中的粉末處于超聲波場(chǎng)中,在超聲波的作用下,使合金粉末組織均勻,致密,最后燒結(jié)成型,可比常規(guī)壓制獲得較高的密度.(3燒結(jié)擠壓(軋制工藝將粉末裝入特制的模具中,通人直流與中頻疊加電流,粉末粒子間隙產(chǎn)生微放電現(xiàn)象,不僅將電阻加熱的熱能用于燒結(jié)擴(kuò)散,還利用中頻電場(chǎng)作用助長(zhǎng)金屬擴(kuò)散,并且利用交變磁場(chǎng)的作用,在短時(shí)間內(nèi)高效率地制取組織均勻,高強(qiáng)度,高密度的燒結(jié)制品.該工藝是提高材料致密性和加工性的有效方法.(4離子注入在強(qiáng)電場(chǎng)作用下,把某些金屬離子注入到觸頭材料表面,可大大改善觸頭的耐電弧腐蝕性等.(5電弧熔煉

12、法先用粉末冶金法(一般是混粉燒結(jié)將所要求的觸頭合金(如銅鎢,銅鉻做成電極,再在自耗電弧爐內(nèi)進(jìn)行熔化,從而制得晶粒細(xì)小,密度偏析小,致密度高以及抗電弧腐蝕性好的觸頭材料,采用該工藝克服了用傳統(tǒng)的粉末冶金法制取的電工合金不致密這一固有缺陷.4展望隨著電器工業(yè)的發(fā)展,強(qiáng)電觸頭材料在電器開(kāi)關(guān)中地位非常重要,有向高電壓,大電流方向發(fā)展的趨勢(shì),研究重點(diǎn)是它的抗熔焊性,耐損蝕性,接觸電阻的穩(wěn)定性及采用的制備技術(shù),添加元素及粉末原材料對(duì)觸頭性能的影響等.中等電負(fù)荷的觸頭有向小型化發(fā)展的趨勢(shì),在材質(zhì)方面,仍以銀基合金及銀金屬氧化物為主.對(duì)于弱電觸頭材料,也有向小型化,高壽命和高靈敏度方向發(fā)展的趨勢(shì),為節(jié)約貴金屬

13、,將大量利用多種復(fù)層技術(shù),擠壓成型技術(shù),以提高材料的利用率.材料的多層技術(shù)和復(fù)合材料將成為現(xiàn)代小功率觸頭材料研究的主要方向.今后一段時(shí)期內(nèi),調(diào)整觸頭產(chǎn)品結(jié)構(gòu),改善其生產(chǎn)工藝,提高觸頭的性能指標(biāo),開(kāi)發(fā)新型的觸頭材料,特別是節(jié)銀代銀材料的研究及推廣使用,將成為觸頭行業(yè)的發(fā)展方向18.參考文獻(xiàn):I-1陳文革,谷臣清,電觸頭材料的制造,應(yīng)用與研究進(jìn)展J.上海電器技術(shù),1997,(2:1217.2凱爾A,維納里庫(kù)E電接觸和電接觸材料M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1993.3翁桅.我國(guó)低壓電器用觸頭材料的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)J,低壓電器,1995,(2:4952,4石子源,王德慶.Alz03表面彌散銅基導(dǎo)電材料的制

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15、4:543547.8馬占紅,陳敬超,周曉龍,等.銀基電觸頭產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀J. 昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,(4.r9Hetzmannseder,Rieden The influence of bounce parameters on the make erosion of silver/metaloxide contact materialsJ.IEEETr.CPMT,1994,17(1:813.1ORieder W,Weichsler V.Make erosion mechanism of Ag-CdO and Ag-SnO.contactsJ.IEEE Tr.CHMT,1992,15(3: 332338.11Lee Joo Wan,Lee Hucha1.Effect of tellurium addition on the internal oxidiation of Ag-Sn alloys-J.Scpripa Material, 2000,42:169.12Rhodin T N.Low temperature oxidation of copper and p