低压电器用电触头材料

12 柏小平等：低压电器用电触头材料 电工材料 2007 No．3 低压电器用电触头材料 柏小平，林万焕，张明江 (福达合金材料股份有限公司，浙江乐清 325604) 摘要：电触头是低压电器中的关键元件，其性能直接影响到电器运行的可靠性。本文详细介绍了低压电 器产品中常用电触头材料的特性、制造工艺及其应用领域。给出了低压电器产品设计时选用电触头材 料的建议。 关键词：低压电器；电触头材料；特性；制造工艺 中图分类号：TM205．1；TM201．4 文献标志码：A 文章编号：1671—8887(2007)03—0012—05 Contact M aterials for Low Voltage Electric Apparatus BAI Xiao-ping，LIN Wan-huan，ZHANG Ming-jiang (Fuda Alloy Materials Co．，Ltd Yueqing Zhejiang 325604 China) Abstract：Contact is a key element in low voltage electric apparatus，its performance af- fects directly the running reliability of the electric apparatus． Introduced the characteris- tics and manufactured methods of the commonly used contact materials in low voltage electric apparatus，as well as their applications ．At last some suggestions had been given for the selection of contact materials during the designing of low voltage electric appara- tus products． Key words：low voltage electric apparatus；contact material；characteristics；manufacturing process 1 引言 低压电器产品品种繁多，在国民经济中有着不 可替代的重要作用，我国现有低压电器产品约有 800种系列，基本上满足了我国国民经济发展的需 求。低压电器产品主要有接触器、继电器、断路器、 熔断器、按钮开关、转换开关、信号灯等。电触头是 这些低压电器中的关键元件，其性能直接影响到电 器运行的稳定性和可靠性。不同品种的低压电器有 着不同的用途，对触头材料也有着不同的要求。电 接触材料的性能直接决定着电触头的性能。对于低 压电器的设计者而言，了解和认识各种电接触材料 的特性，在其电器设计中具有重要的意义，往往能 起到事半功倍的作用。 本文详细介绍了低压电器产品中经常用到的 一 些电接触材料，并就其制造工艺和性能特点作了 作者简介：柏小平(1977一)，男，江苏宝应人，工程师，从事电工合 金材料的生产和研究开发工作，(电话)0577—62777202(电子信箱) bxp1977@hotmail．corn。 收稿日期：2007—06—29 分析，希望对广大低压电器设计者有所帮助。 2 低压电器对电触头材料的要求 电触头是低压电器的“心脏”，根据低压电器的 使用情况，低压电器产品设计者要求电触头材料必 须具备下列特性 u】： (1)良好的导电性和导热性； (2)抗熔焊性； (3)耐电磨损性； (4)分断大电流时不易发生电弧重燃； (5)低的截流水平； (6)低的气体含量。 这六种特性是对电触头材料设计者的指导性要 求，在材料的成分设计和加工工艺设计中必须要充 分考虑到这些特性。 3 电触头材料 3．1 银及银合金 在 所 有 金 属 材 料 中 ， Ag的 导 电性 维普资讯 http://www.cqvip.com 电工材料 2007 No．3 柏小平等：低压电器用电触头材料 13 (60 m／Q·mm )和导热性(418 W／m·K)最好，而 且Ag的氧化物AgO和 Ag2O是导电的，并在100℃ 和 200℃条件下分解，因此 Ag触头能保持低的接 触电阻。在低负载的低压电器产品中受到设计者的 广泛青睐。但 Ag在退火状态下其硬度和强度较低， 易硫化生成 Ag2S和 Agz,SO ，影响电器性能，且 Ag 的抗熔焊性能低。为了提高银作为电接触材料的电 气性能，改善其抗熔焊性能，在 Ag基体中添加第二 或第三元素，通常添加的元素有 Ni、Cu、Mg、Ce 等。在 Ag中添加 0．15％(质量分数，下同)的Ni可 抑制晶粒长大，起到弥散强化作用，提高其的热强 度。在 Ag中添加 3％～28％Cu也可提高 Ag基体 的强度，但随着 Cu含量的增加，材料的化学稳定性 将随之降低，在接触面发生氧的富集，形成 CuO，在 小电流的使用领域内，该系列合金可用作微电机的 换向器和旋转开关等滑动触头，在电流较大的使用 领域内，可用于接触压力大以及有油保护的装备 中。其代化学成分有 AgCu3、AgCu5、AgCul0 等。AgMgNi合金是属于内氧化型弹性接点材料， 通过内氧化工艺，可使合金中作为强化相而弥散分 布的氧化物金属 (MgO)与基体金属形成均匀的固 溶体合金。主要应用在小型微型军用密封继电器、 1／2晶体罩继电器、小型密封磁保持电磁继电器、微 型开关等作簧片和触点。AgCe共晶合金接触电阻 低而稳定，导电系数高，灭弧作用强，抗电烧损和抗 熔焊性优良，加工性好，是中小功率、大功率直流接 触器、继电器等电器元件优良的新型电触点材料。 表 1为常用 Ag及 Ag合金性能表。 表 1 常用Ag及Ag合金性能表 3．2 银金属氧化物电接触材料 Ag中含有一种或几种金属氧化物，可显著提 ． 高其抗熔焊性和抗电弧烧损性。在 20世纪 20～30 年代，人们开发出了AgMeO电触头材料，30年代 末 F．R．Hensel及 其合 作 者 制造 出 了最早 的 AgCdO电触头材料并进行了电性能试验 口】，但由于 AgMeO材料制造工艺的复杂性，直到 1950年之 后，AgCdO材料才进行批量生产。之后随着材料理 论的进一步完善和加工工艺的日趋先进，其他的 AgMeO材料也得到了长足发展。目前广泛使用的 银金属氧化物电接触材料有 ：AgCdO、AgSnO：、 AgSnO2In2O3、AgZnO、AgCuO、AgNiO等。 3．2．1 AgCdO AgCdO 自20世纪 30年代 由 F．R．Hensel及 其合作者制造出以后，一直凭借其优良的抗电弧侵 蚀性、抗熔焊性、低而稳定的接触电阻的综合电性 能，在整个触头材料体系中占有重要的地位，素有 “万能触头”的美称。应低压电器产品的发展要求， AgCdO电触头材料形成了多化学成分、多种加工工 艺的材料体系。其材料成分 (CdO)的含量一般为 8％～18％；加工工艺则有内氧化 (单面内氧化和双 面内氧化)、粉末冶金法、预氧化法 (雾化工艺)。 AgCdO触头材料随着 CdO含量的增加，其抗熔焊 性增高。AgCdO合金触头在几十到几千安培电流范 围内的耐电弧腐蚀性能是所有含 Ag大于85％的银 基材料中最好的。电弧腐蚀最低的是含 12％Cd0的 合金。此外，电弧弧根在AgCdO表面的运动能力优 于 AgW 和 AgWC，但逊于 Ag、AgCu和 AgNi。 AgCdO触头材料的性能随着制造工艺、CdO含量 和添加物的不同而有所区别，因此 AgCdO电触头 的使用范围非常广泛，可用于继电器、控制器、旋转 开关、小型断路器以及各种电流等级的接触器。但 随着欧盟<报废电子电气设备指令>(wEEE)和 <关 于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令> (RoHS)两指令的颁布，规定了废旧电子电气产品 的回收、处理、再利用以及禁止在电子电气产品中使 用铅、汞、镉等 6种有害物质。AgCdO由于 Cd有 毒，已受到大多数企业的禁用，目前国外已采用其他 材料替代，国内在不久的将来也会禁用。 3．2．2 AgSnO2 AgSnO：材料是最有希望替代 AgCdO的材料， 在经济发达的欧洲早已得到证实。Sn0：具有比 CdO高得多的热稳定性 (熔点 1 625℃)，使电弧弧 根处的熔池中熔融体的粘度增高，这样便可以减少 电弧燃烧时的喷溅损失。由于高的热稳定性还使触 头表面富集金属氧化物，从而保护了低沸点的银的 蒸发以及提高抗熔焊性。目前 AgSnO：合金触头的 性能已与 AgCdO相当。但由于AgSnO：材料的“个 性化”较强，因此它不象 AgCdO材料那样 “万能”， 往往要根据不同的电器结构和使用要求，开发不同 维普资讯 http://www.cqvip.com 14 柏小平等：低压电器用电触头材料 电工材料 2007 No．3 含量、不同工艺的AgSnO：材料。世界著名的电触头 生产企业 Metalor、Umicore、Doduco等企业均有十 几种甚至更多的 AgSnO：材料来满足市场的要 求 【3 lo目前国内的一些企业已注意到了这一点，从 材料体系和加工工艺上不断完善AgSnO：材料。福 达合金材料股份有限公司通过近十年的研究开发 出了二十多种 AgSnO：材料，先后在接触器、空调接 触器 、磁保持继电器、汽车继电器、墙壁开关等领 域得到成功应用。AgSnO：材料的制造工艺有：合金 内氧化法、粉末冶金法、预氧化法(雾化法)、化学包 覆法、反应合成法等。 3．2．3 AgZnO 20世纪 80年代初，我国从德国AEG公司引进 ME一1600型框架式自动空气开关的制造技术，引 进的开关采用 AgZnO电触头材料。随后国内的 DZ15系列塑壳式断路器、DZ15L系列漏电断路器 也采用了 AgZnO电触头材料。AgZnO电触头材料 的最大优点是耐烧损能力好，接触电阻低，因此在 切断开关、转换开关、小型断路器、接触器、保护开 关等方面也得到了应用。AgZnO电触头材料的应 用没有AgCdO、AgSnO：广泛，但它在某些领域作 为 AgSnO：的补充，是一种不可或缺的替代 AgCdO 的环保型触头材料。AgZnO电触头材料的制造工 艺由最早的共沉积粉末冶金法、合金内氧化法发展 到了目前先进的预氧化法(雾化工艺)。 3．2．4 AgCuO ． AgCuO触头材料抗电磨损和抗熔焊性均较 好，在重负荷情况下其耐磨损性能不比AgCdO差， 是 AgCdO材料的替代材料。在国外，前苏联对 AgCuO触头材料进行了大量研究，并且已应用在 中等和重负载低压配电设备上的接触器、磁性开 关、继电器和控制器等中，他们在重负荷交流接触 器上采用 AgCuO(20)做主触头，获得了良好的效 果 lo但在国内，有关 AgCuO触头材料的研究报道 较少。目前主要研究的院校有昆明理工大学和中南 大学等 【71o福达合金材料股份有限公司近两年相继 开发出了AgCuOT(5)、AgCuO(10)、AgCuO(15) 电触头材料，并在直流接触器上获得成功使用【7Io制 备 AgCuO触头材料的主要工艺有合金内氧化法、 粉末冶金法、共沉积法和预氧化法等。表 2是福达 公司生产的常用银金属氧化物触头材料的性能。 3．3 烧结银合金触头材料 烧结合金触头材料是指合金组元之间没有固 溶度或固溶度很小，不能用熔炼法制成所需成分的 合金，而只能用烧结法(粉末冶金法)来制造，制成的 合金实际上是假合金，但却具有适宜作为触头材料 的性能。烧结银合金触头材料主要有 AgNi、AgW、 AgWC、AgC等。 表2 常用银金属氧化物性能表 注：io一内氧化工艺；ASE一预氧化工艺(雾化法)；MSE一 粉末冶金工艺；CSE一化学包覆工艺；T一添加物。 3．3．1 AgNi AgNi触头材料中 Ni含量为 10％～40％。Ni 含量增高时材料的电阻率升高，但硬度增加，提高了 耐机械磨损性和抗熔焊性。AgNi在中小电流时的 抗熔焊性优于 Ag和硬银合金，但比银金属氧化物 材料差。通常使用的材料是 AgNi(10)，主要应用于 继电器和小电流接触器。同时为了提高 AgNi(10) 的应用范围，人们通过添加适当的元素，使其电流等 级扩大了 1．5倍，其代表产品是福达合金材料股份 有限公司研发的AgNi T材料，已在市场上获得成 功应用。 3．3．2 AgC AgC电触头材料有两种不同的用途。一方面石 墨使 AgC电触头材料在接通高电流时具有抗熔焊 性，可用于小型断路器、线路保护开关、故障电流保 护开关等。另一方面石墨晶粒的层状结构，具有润 维普资讯 http://www.cqvip.com 电工材料 2007 No．3 柏小平等：低压电器用电触头材料 15 滑作用，可用于滑动触头。AgC电触头材料的制造 工艺有单件压制技术和挤压技术，两者加工方法的 不同，其材料的金相组织也不同，电性能也不同。对 于AgC电触头材料其石墨纤维颗粒的方向性至关 重要，主要体现在电阻率上，石墨纤维垂直于工作 面方向的 AgC触头材料其电阻率是平行于工作面 方向的 1／2。 3．3．3 AgW AgW触头材料中w 含量为 20％～80％，并含 少量的 Ni，硬度高，随着 w 含量的增加，硬度和电 阻率增大。AgW 材料的特点是对大电流电弧的承 受能力强，含W70％～80％合金的抗电弧烧损性在 所有的触头材料中是最好的。AgW 合金的抗熔焊 性与 AgNi差不多，但低于银金属氧化物。AgW 主 要应用于低压和中高压断路器以及微型断路器，为 了解决抗熔焊性能有时与 AgC配对使用。 3．3．4 AgW C AgWC触头材料含 WC20％～80％，硬度很 高。由于 AgWC在很大程度上能够阻止不导电膜的 生成。因此改善了接触电阻和使用中温升逐渐增高 的问题。WC含量大于 60％的合金用作弧触头，WC 含量小于 40％的合金则用作主触头。在高分断能力 的断路器中，为了提高触头材料的抗熔焊性，可采 用 AgWC(12)c(3)与 AgWC配对的方式。 表 3是福达公司生产的常用烧结银合金触头 材料性能。 表3 常用烧结Ag合金触头材料性能表 4 电触头材料制造工艺 Ag基电触头材料的性能与其制造工艺密切相 关。随着人们对 Ag基电触头材料研究的深入以及 工装设备水平的提高，用于生产 Ag基电触头材料 的工艺可谓多种多样，百家齐鸣，很大程度上丰富了 我国Ag基电触头材料的工艺体系和材料体系。其 中最主要的制造工艺有三种：合金内氧化工艺、预氧 化工艺(雾化工艺)和粉末冶金工艺。 4．1 合金内氧化工艺 20世纪 50年代前期，Schreiner提出了合金内 氧化法，经过多年的不断完善和创新，目前合金内氧 化工艺已成为触头材料的主要生产工艺。其 为：银锭 +Me锭— 中频熔炼— 铸锭_呻表面处 理— 挤压一 热轧复银一 冷轧—一冲制— 内 氧化一 后处理— ’成品。 用合金内氧化工艺制备的银金属氧化物触头材 料致密，氧化物质点细小，耐电弧腐蚀，电寿命长，但 由于内氧化的原理使得材料表面和内部组织结构不 一 致。中间有贫氧化物区。 4．2 预氧化工艺(雾化工艺) 预氧化工艺是近年来研究开发的一种新型制造 银金属氧化物触头材料的先进工艺。它是将粉末冶 金工艺和合金内氧化工艺两者结合在一起，可同时 具有粉末冶金和合金内氧化两种工艺的优点。其流 程为：银锭 +Me锭—一中频熔炼— 雾化— 体 氧化一 等静压— 烧结、挤压— 表面处理 热轧复银— 冷轧— 冲制一 后处理一 成品。 4．3 粉末冶金工艺 粉末冶金工艺是生产银基电触头材料的传统工 艺，用这种工艺可以生产 AgNi、AgW、AgWC、 AgC、AgCdO、AgSnO2、AgCuO等。其生产过程简 单，成品率高，越来越受到重视。工艺流程为：银粉 + MeO粉一 混粉— ’等静压一 烧结一 挤压 一 表面处理— 轧复银— ’冷轧—一冲制— 后 处理一 成品。 5 电触头材料应用 电触头材料的应用应与低压电器产品的设计和 使用紧密结合。许多电触头制造企业和低压电器生 产商都愿意将各类电触头材料的使用进行规范和细 化，但由于电触头材料的应用涉及到多门学科的知 维普资讯 http://www.cqvip.com 16 柏小平等：低压电器用电触头材料 电工材料 2007 No．3 ， 圆此 一 且 木 目E甓 出_r分 埋 想 阳 刀 系 。 但 王 广 同 ．^ 和使用者通过多年的关注和资料收集，还是出 家甩开关 ： ■ 黼 _ _ 了一些规律，可以给电触头材料的应用提供一些参 考。图 1是电触头材料的应用示意图【4l。 栅 尘 i 黼 6 结束语 不同的电触头材料有着不同的特性，必须充分 镒 了解和掌握这些特性并将其与具体使用情况相结 家用断路器 l 一 一 捌 聪 合，才能最大限度地发挥材料 “特长”，设计和开发 出性能优异的电器产品。 辅助开关 ： # ■●■- ．^■1I 参考文献： 【1】 周茂祥 ．低压电器设计手册【M】．北京：机械工业出版，1992： 《 220-224． 接触器 ‘ I= 【2】 荣命哲 ，电接触理论【M】．北京：机械工业出版，2004． 螂 【3】 http：／／www．metalor．CO1． 姆，l∞ 粼 艘 ． 【4】 http：／／www．umico re．COl· 工业甩断路器 ‘‘ l 【5】 http：／／www．doduco．CO1． I I 溯 黼懿触糍鼬 【6】 甘卫平。周兆锋。林炳。等 ．粉末内氧化法制备 AgCu0(10)触 I I 1n 1r n 1r m 1n 『m 1nnI YY1 (上接第7页) 【5】 魏淑娟 ．银氧化镉电触头材料及其产品的研制【J】．有色金 属，1992，(4)：68—73． 【6】 张万胜 ．电触头国外基本情况【J】．电工合金，1995(1)：1— 14． 【7】 程礼椿，李震彪 ，接触器用Ag．SnOz触头材料的优化问题 【J】，电工合金，1993(4)：1—5． 【8】 Behren N。Bohm W．Switching Performance of Different Ag—SnO2 Contact Materials Made by Powder Metallurgy 【C】，Berin：1lth ICEC。1982：203—209． 【9】 Branmann P。Kolb H，Weise W，et a1．Optimazation of Ag。SnO2 Contact Material for Use in Contactors【C】． Loughborough：16th ICEC。1992。163—168． 张国庆，邓德国，祁更新，等 ．Ag。SnOz复合材料变形断裂分 析【J】．贵金属，1999，20(4)：1—6． 张奇勋，谢健全 ．粉末冶金银一氧化铜触头材料【J】，中国有 色金属学报，1996，6(2)：121—124， 倪泽胜 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