低压银基电触头材料的发展及应用课件.ppt

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1、低压电器银基电触头材料发展及应用,2,思 考,l 低压电器最重要的零件是什么? 对其主要技术要求是？2 什么材料最适合制作低压电器的电触头材料？3 银氧化镉的优缺点分别是什么?4 银氧化锡与银氧化镉相比，有何优点?5 银合金材料的种类和相互性能如何?6 新的电触头材料有哪些? 其对低压电器开断有何好处？,低压开关电器以可靠性高、工作寿命长为主要标志。其中，触头（特别是触头材料）是保证其实现高可靠性和长寿命的关键。 电触头，亦称触点、接点或触头，是开关电器、仪器仪表等中的接触部件，担负着接通、承载与分断电流的任务，它的性能直接影响到开关电器的可靠运行和使用寿命。电触头在开闭过程中产生的现象极其复

2、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、电接触性能、加工制造性能等。因此，其性能直接影响着开关电器及仪器仪表的可靠运行。,2-1 引 言,低压电器 电接触材料已有100余年的历史。其中银基电触头材料适用于各类开关、继电器和接触器等大、中负荷电器中。 - 最初使用纯银、纯金、纯铂作触头材料； 到20 世纪40 年代开始采用的Ag-Cu，Au-Ag，Pd-Ag 等合金；再到60 年代以来发展了多元贵金属和各种贵金属复合材料。,2-1 引 言,银的导电导热性好，有一定的抗电腐蚀能力，制造工艺简单，价格也还适中，所以许多电器都用银做触头。 银基电触头具有较好的耐电磨损、抗熔焊和导电性

3、、接触电阻小且稳定，广泛用于各种轻重负荷的低压电器、家用电器、汽车电器、航空航天电器。特别是继电器和接触器这些量大面广的电器，几乎全部采用银触头，是电触头行业中最为量大面广的产品。 银-金属氧化物触头材料具有优良的开关运行特性，因而成为低压电器广泛应用的一类触头材料。,2-1 引 言,2-2-1 银基触头材料的发展概况 1、 银 是所有金属中导热性最好、加工性极好的材料，因此银是最重要、最经济的贵金属接触材料，适用于中等负荷和重负荷的电器中。 早期的电接触材料多采用纯银。但银的硬度不高、熔点低、不耐磨，在潮湿和较高的温度下，在含硫或硫化物介质中，表面形成硫化银薄膜。在直流电作用下，由于银的硬度

4、低和容易挥发，会形成电侵蚀尖刺。在负荷大的条件下，银接触元件易形成电弧，使其熔接。 2、银合金材料 为了解决纯银接触材料的种种缺点，发展了银合金材料；为了提高银的硬度，往往加入铜；为了电弧的快速熄灭而加入镉；为了使晶粒细化而加入镍；为了提高机械性能、耐磨蚀性、焊接性和光泽性而加入钒；为了改善抗硫化性能而加入少量的锡锌等。随着电器的发展，对电接触材料的要求也越来越复杂，为了解决这个矛盾，发展了银金属氧化物材料。,2-2 银基触头材料的发展概况,3、银金属氧化物 (AgMeO) 电触头材料 1）是指弥散的金属氧化物颗粒分布在银基体中的一种材料。其中，银表现出优异的导电导热性、极好的加工性、高的抗氧

5、化能力；金属氧化物则主要表现为阻止触头焊接和腐蚀。 对AgMeO电触头材料的长期研究和使用证明，AgMeO电触头材料具有较好的导电性、抗熔焊性、耐电磨损和使用寿命。 2）常用于各种低压开关、继电器和接触器等低压电器，有广泛的应用前景。,7,2-2 银基触头材料的发展概况,8,2-1 引 言,3） 对银金属氧化物触头材料的基本要求： 抗闭合熔焊，抗闭合侵蚀；抗分断侵蚀；电弧易于运动，接触电阻小等。所以设计新型材料时，应兼顾以上要求。 银-金属氧化物触头材料，一般含有2 个组分： 第1 个组分 银 可提供高的电导率，具有良好的抗氧化、氮化性能的纯金属； 第2 个组分 金属氧化物，主要决定电弧的分断

6、性能，如CdO、SnO2、ZnO 等，它们的加入可明显提高触头材料的电接触性能,4）金属氧化物在材料中的具体作用： （1）在Ag的熔化温度范围内，金属氧化物易于分解（如CdO、SnO2）；分解时，消耗电弧能量，并使电弧容易熄灭。 金属氧化物分解时产生O2，因而加速熔化Ag 吸收O2 达到饱和；电弧熄灭后，Ag 熔池凝固，过剩的氧很快被逐出，因而形成小洞或微孔，这种多孔结构有利于触头的抗熔焊； 此外，除分解温度外，金属氧化物颗粒大小也影响其分解难易程度 。一般来说，颗粒尺寸越小，则在电弧作用下越易分解，反之则不然。,9,2-1 引 言,（2) 金属氧化物在电弧作用下不会迅速汽化或升华，添加物也应

7、有类似的热稳定性。这样，Ag 熔池中悬浮的金属氧化物颗粒将增大其粘度，降低Ag 的“喷溅侵蚀”。 另外，金属氧化物颗粒在熔池中只有被熔化的Ag 润湿后才能悬浮，在很多应用条件下需要加入添加物才能使被熔化的Ag 润湿。这是因为，添加物能改变金属氧化物-熔化Ag 系统的表面张力特性，因而能增进其润湿性。 （3）金属氧化物的导电性一般较差，所以，其加入量以不降低Ag的导电性太多为宜。 经国内外专家、学者大量研究认为氧化物最佳含量一般应在10-15%。,10,2-1 引 言,润 湿：通常指固体表面上的气体被液体取代的过程。如从热力学观点看，当固体和液体接触后，体系表面自由能降低的现象，叫润湿。 润湿性

8、的种类 根据陶瓷/金属界面结合情况，金属对陶瓷的润湿过程可分为非反应性润湿和反应性润湿。 其中，非反应性润湿是指界面润湿过程中不发生化学反应，润湿过程的驱动力仅仅是扩散力及范德华力。 范德华力是存在于分子间的一种吸引力，它比化学键弱得多。一般来说，某物质的范德华力越大，其熔点、沸点就越高。对于组成和结构相似的物质，范德华力一般随着相对分子质量的增大而增强。其中，液态金属的表面张力是决定液态金属是否能在固相陶瓷表面润湿的主要热力学参数。一般，此类润湿过程进行得很快，在很短的时间内就能达到平衡；且温度和保温时间对润湿性影响不大。,11,2-1 引 言,相对而言，由于伴随着不同程度的界面化学反应，反

9、应性润湿过程中液态金属的表面张力并不是影响液态金属在陶瓷表面润湿性的主要参数，润湿作用主要是通过界面反应形成界面反应产物来实现。 此界面产物的生成使润湿过程在一具有更优良润湿性能的中间层上进行，极大地改善了润湿效果。 润湿性的测量方法有：座滴法、落置液滴法、移滴法和斜板法。,12,2-1 引 言,& AgCdO 材料 早在20世纪20 年代就有人提出将银-金属氧化物触头材料用于低压电器的设想，不过由于当时制造技术差，只能做出合金，如Ag/Cd 合金。 当其在开关上使用，由于开关操作时触头与空气中的氧作用，在Ag/Cd 触头表面形成AgCdO，使开关性能明显提高，因而促使了AgCdO材料的研究与

10、开发。 20世纪30 年代末，F.R.Hensel 及其合作者制造了最早的银氧化镉材料并首次进行了电性能实验。然而，由于AgCdO 材料制造工艺的复杂性，经过一段漫长时间的努力，直到20世纪50 年代才成功地制造出AgCdO 材料。此后，由于实验、测量技术的完善和更新，到20世纪60 至70 年代以后，经过改进和优化的AgCdO 材料和制造工艺才告成熟，并大量投入生产实际应用。,13,2-2 银基触头材料的发展概况,银氧化镉触头材料具有优良的抗电弧侵蚀性、抗熔焊性、稳定且和较低的接触电阻、良好的加工性和可焊性，并且具有优良的使用性能，被称为“万能触头”，因此广泛用于从几伏到上千伏的多种低压电器

11、中。 然而性能如此优良的材料却存在一个致命的弱点，即含有对人体和环境有害的Cd，且在AgCdO电触头材料的生产、装配、使用及回收的全过程中都存在Cd污染。 银氧化镉触头材料自30 年代出现以来，各国对它进行了广泛深入的研究，70 年代达到了高峰。通过研究，人们弄清楚了银氧化镉的特性是由于弥散在银基体中的氧化镉粒子起了良好的作用： (1) 增加了材料的硬度，有利于抗机械磨损； (2) 增加了熔体材料的粘度，有利于减少液滴材料的飞溅； (3) 弥散相分解时有利于灭弧，减少了材料的蒸发损耗。,14,2-2 银基触头材料的发展概况,为进一步改善银氧化镉材料的性能，在其中添加其它元素的种类达33 种之多

12、，以改善氧化镉的粒度大小，形状及分布。 研究表明，银氧化镉基体中，当添加元素的量小于0.1%时，就能起到改变颗粒形态、提高硬度、提高导电率或抗电磨损等作用。 20世纪70 年代以前，主要研究了影响电触头材料性能的因素，添加元素对AgCdO 材料形态结构和性能的影响，找到了改善材料导电率、硬度、电弧侵蚀速率的一些添加元素。,15,2-2 银基触头材料的发展概况,20世纪70 年代以后，针对电弧侵蚀、材料迁移、复合技术、 镉的毒性与防护的问题比较多。 国外近30 年来，对银基电触头研究开发的一个重要内容是研制能替代传统触点材料AgCdO 的新材料，其主要原因有二： 一是环境保护的要求，AgCdO

13、材料在制造和使用过程中不可避免地产生“镉毒”已日益受到了人们的关注，目前欧盟已禁止在部分家用电器和汽车电器上使用AgCdO 材料； 二是电器使用性能的要求，尽管AgCdO 材料有中等负载电器的万能触头之称，但在抗熔焊、耐电弧侵蚀等性能方面也暴露出越来越难以满足电器开关对触头材料的小型化、高可靠性、长寿命等苛刻的电气性能要求。,16,2-2 银基触头材料的发展概况,为此，各国进行了广泛深入的研究，经过多年努力，人们研制了AgZnO，AgCuO， AgNiO， AgSnO2等系列银金属氧化物（AgMeO）触头材料，各种材料性能见表2.1。 表2.1 AgMeO 触头材料性能,17,2-2 银基触头

14、材料的发展概况,触头材料性能经过多年的大量实验研究，发现无毒的 AgMeO 中，最有希望代替银氧化镉材料的是银氧化锡材料。 AgSnO2 触头材料引起世界范围的关注始于20 世纪70 年代中期，日本学者在第七届国际电接触学术会议上公开了用合金内氧化法制备AgSnO2 触头材料。 此后，关于AgSnO2 材料的研究工作明显增多，在AgSnO2 成分、工艺、材料物理性能、电气使用性能等各个方面都取得了积极的进展。 20世纪80 年代，德国Degussa（德固赛）公司宣称该公司以约十年时间、耗资上千万马克，采用先进的粉末烧结挤压技术研制成功了AgSnO2 触头材料，使AgSnO2 材料的研究上了一个

15、新台阶并在一些开关电器上成功地替代了AgCdO。,18,2-2 银基触头材料的发展概况,实验结果表明，AgSnO2 的磨损率要比AgCdO 的小得多。 根据一系列接通实验触头表面的金相观察，AgSnO2 具有优良的耐磨损特性，可以归结为下面几个主要因素的作用： 1） 纤维状SnO2 镶嵌物按垂直于触头表面的方向排列，对电弧区触头熔焊表面，具有强烈的稳定作用，使银粘度增加，因而喷溅电磨损减小； 2） 由强烈热交变所引起的机械应力，将因沿纤维产生裂缝而得到解除，从而避免了平行于表面的大块材料的开裂、脱落； 3） 根据不完全热力学数据，SnO2 的蒸发、冷却作用是不可忽略的。,19,2-2 银基触头

16、材料的发展概况,Ag/SnO2 是一种可以和Ag/CdO 相媲美、最有希望取代Ag/CdO 的无毒、环保型触头材料。 应用实践表明：它在中等电流范围内可取代Ag/CdO，甚至在某些电器上的性能、寿命均超过Ag/CdO。 一般认为：SnO2 具有较高的热稳定性。当触头电侵蚀主要取决于触头表面的金属熔融和液态喷溅时，SnO2粒子在银基体中的存在会大大减少材料损蚀。但在应用中发现，Ag/SnO2 的接触电阻和温升在相同条件下比Ag/CdO 高，以后加入了添加物WO3 或MoO3 才使问题得以解决。另外，近年来在接触器应用中又发现，Ag/SnO2 在AC3 条件下工作，其电寿命又比Ag/CdO 低，为

17、了改善此性能，德国Degussa 公司也是采用加入添加物的方法使Ag/SnO2 的运行性能得到优化。,20,2-2 银基触头材料的发展概况,例如：德国Degussa （德固赛）和Doduco （迪尔韦希特）两大触头生产公司在20 世纪50 年代就用混粉法研制氧化锡触头，但性能都不理想。 Doduco 公司自1974 年开始用内氧化法和粉末烧结挤压法来研制银氧化锡，直到1981 年才研制成功。 内氧化法除可加In 之外，还可加入Bi、Zn、Sb（锑）、Pb（铅）、Mn（锰） 等元素中的一种或两种，以使银氧化锡具有良好的综合性能。 关于生产方法德国多采用粉末烧结挤压法，日本、法国采用内氧化法，美国

18、则采用粉末冶金方法研制银氧化锡材料。,21,2-2 银基触头材料的发展概况,但AgSnO2 材料有其致命不足： (1) AgSnO2 材料接触电阻较大、温升较高，严重影响电器使用性能； (2) AgSnO2 的高硬度使得AgSnO2复合材料成型变得异常困难。 因此，如何从成分设计、制造方法等方面解决AgSnO2 触头材料的上述关键问题一直是触头材料研究中的一个非常重要的领域。 最近有一种新的触头材料组元和优化设计原则，将传统方法制备的AgSnO2 材料中绝缘的SnO2 改性为导电的SnO2，控制导电SnO2 粉末粒度，用超声化学法制备Ag 包覆导电SnO2 复合粉末，以改善Ag 与SnO2 颗

19、粒界面的润湿效果。 实验结果表明，对AgSnO2 材料各种性能大大改善。 目前，AgSnO2 触头材料取代AgCdO的试验工作仍在进行。,22,2-2 银基触头材料的发展概况,1-2-2 我国电触头材料的发展概况 目前，我国从事银基电触头材料生产的企业有 60 多家，职工总数超过12000 人，资产规模约14 亿元。其中，2008 年银基电触头材料产量超过800 吨，实现工业总产值约24亿元。发展历程： 1. 20 世纪50 年代初，上海灯泡厂制成了银钨触头-中国第一个自制的复合物触头； 2. 20 世纪50 年代后期至60 年代中期，北京电器科学研究院和上海电工合金厂先后研制成功“烧结银氧化

20、镉、银镍30、银石墨5”等，并且在电器中获得了应用，但在电器开关上大量使用纯银触头的状况并未改变。 后来，银的抗熔焊性和大电流或重任务下的抗电腐蚀性被发现越来越不能满足电器水平日益提高的要求。有的电器不得不加大触头的接触压力，以改善熔焊情况，有的则是加大触头体积来延长寿命或增大电器容量，这样一来，电器的体积和用银量都随之增大。,23,2-2 银基触头材料的发展概况,70 年代中期开始，我国进入了一个广泛的开发新触头材料时期。 在电器工业的提高容量和更新换代新设计思想带动下，各地的科研、生产机构以及高等学校纷纷投入研制、生产、应用新材料的行动。到80 年代初又发展成全面的、有意识的节银行动。 直

21、至80 年代后期，终于结束了接触器和继电器使用纯银触头的时代，而且，包括断路器和接触器在内的绝大部分电器，由于采用了新材料，都取得了综合性能提高、容量增大、体积减小的效果。同时，因为新的合金电触头性能高于银触头，用银量又可以进一步减少。 在这个行动中许多单位作出了重要贡献，特别是电器部门做了大量的应用试验研究，如上海人民电器厂除了与上海电器科学研究所合作，将新材料在老产品升级(即老型号交流接触器提高容量等级供重任务用)和试制更新换代产品上作应用试验外，还把新的银氧化镉触头在老型号接触器上做代替纯银并缩小触头尺寸的试验研究。,24,经过大量的试验研究，于1979 年成功地获得节银40%并减少体积

22、36%的结果，为80 年代初开始的全面节银行动起了先驱作用。 1982 年，机械工业部和中国人民银行联合发起，要求在交、直流接触器、断路器、继电器、起动器、转换开关等25 种代表性的低压电器上进行节银试验。 至80 年代后期，收到了显著的效果，节银率高的可达50%以上， 一些产品的每台用银量，我国的电触头材料已与当时世界上较好的同类产品差不多，其数据见表2.2 及表2.3 所示。,25,2-2 银基触头材料的发展概况,表 2.2 节银接触器与引进同类产品用银量对比,26,表2.3 塑壳断路器触头尺寸与国外主要同类产品对比,2-2 银基触头材料的发展概况,这段时期涌现出大量自行研制的新材料、新工

23、艺、 新的试验方法和装置。新的触头材料如： 银钨类 Ag-W20、Ag-W40、Ag-W50、Ag-W65、Ag-W70、 Ag-W80； 银镍类 Ag-Ni10、Ag-Ni20、Ag-Ni30； 银石墨类 Ag-C3、Ag-C5、Ag-C 纤维； 银碳化钨类 Ag-WC30、Ag-WC40、Ag-WC12-C3； 银金属氧化物类 Ag-ZnO8、Ag-ZnO12、Ag-CdO8、Ag-CdO10、Ag-CdO12、Ag-CdO15、Ag-SnO2 8、Ag-SnO2 12、Ag-SnO2 14；包括铆钉触头在内的覆层触头有Ag/Cu、细晶Ag/Cu、Ag-Si/Cu、Ag-Ni10/Cu、A

24、gFe7/Cu、Ag-Cu/Cu、Ag-ZnO/Cu、Ag-CdO/Cu、Ag-SnO2/Cu； 还有在某些场合可代替银及银合金的Cu-稀土、Cu-W40、Cu-C3 等。,27,2-2 银基触头材料的发展概况,从1982 年开始，我国每年都有代表参加世界上与电接触有关 的国际会议，而且广泛地开展了以会议、讲座、技术引进、合作研究等形式与国外同行的交流。之后，不少电接触材料工作者继续进行提高材料性能和采用新工艺的研究。 1) 化学镀法 应用在Ag-W、Ag-WC-C、Ag-SnO2 等材料制造中，改善了粉末间的润湿性，还提高了加工所需的延展性，大大提高了拉丝成品率； 2) 掺杂技术 应用于银氧

25、化锡材料，改变了氧化锡的非导体性质，显著降低触头的电阻以延长寿命； 3) 粉末烧结挤压技术并添加元素 制造银氧化锡来改善耐电弧侵蚀和抗熔焊性；,28,2-2 银基触头材料的发展概况,4) 对Ag-Ni、Ag-W、Ag-CdO、Ag-SnO2 进行了各种添加元素对组织和性能影响的研究； 5) 为配合新一代高分断能力断路器开发了Ag-Ni20 C 新触头材料； 6) 开发出新的Cu-WC15、Cu-WC20 和Cu-WC-C 配对代替Ag-W70，用于万能(框架)式断路器上可节银60%以上； 7) 特殊的真空脱气法以降低触头中的含气量等。 还有20世纪80 年代由美国西屋公司、德国DODUCO、日

26、本中外电气工业株式会社引进的技术经过消化，已经投入生产，提高了触头材料的生产能力和质量。,29,2-2 银基触头材料的发展概况,20 世纪80 年代末我国开始研制生产不含镉的银金属氧化物电触头材料，包括银氧化锡、银氧化锌、银氧化铜、银氧化铁和银稀土氧化物等。山东大学的研究人员提出了一种研究电触头材料体系的新思路，即银基导电陶瓷电触头材料。这些研究目前取得了可喜的成效，某些替代品也已在相应的应用领域成功替代了银氧化镉材料，有些尚在研究之中。,30,2-2 银基触头材料的发展概况,（银稀土氧化物）,昆明贵金属研究所于1977 年率先在国内开展了Ag 与Y、La、Sm、Ce（铈） 形成合金的研究和应

27、用，开发的Ag-RE（银-稀土） 合金电接触材料，用于32V、100A 直流接触器作电接触材料。此类材料具有优良的灭弧能力，从而提高了使用的上限电流和电寿命。 国内开发的Ag 基触头材料大体有Ag-RE、Ag-M(其它元素)、Ag-Cu-RE。其中，北京有色金属与稀土应用研究所自1981 年开始研制Ag-Cu-Ce 系合金电接触材料，多年试用证明： Ag-Cu-Ce接触材料在中、小功率负荷下，可以替代AgCdO 材料；其电寿命是纯银材料的15 倍。 为发挥银氧化锡的优良抗熔焊性以及银-稀土合金的优良灭弧能力，近年来又向银中添加某双稀土元素，可以发挥添加元素的互补作用，明显地改善银合金的综合性能

28、。 采用化学沉淀或超声化学包覆法制备银与稀土氧化物复合粉末，经压制成形、烧结、锻压或挤压制备银稀土氧化物材料，综合性能超过AgCdO材料。,31,2-2 银基触头材料的发展概况,2-3-1 电触头的工作状态开关电器触头一般都有下列三种工作状态： 1、闭合过程 动触头以一定速度向静触头运动闭合。由于触头及其构件具有弹性，当动触头与静触头碰撞接触后，触头系统的动能大部分转变成变形能，当触头变形恢复时变形能又转变成动能，使动触头反弹运动。,32,2-3 电触头的工作状态及分类,若触头弹跳幅度超过了它的变形量，则动、静触头相互分离产生电弧（短弧），电弧的高温使触头表面材料熔化、汽化和喷溅，造成触头的“

29、关合侵蚀”。 触头弹跳过程中由于摩擦和塑性变形等消耗部分能量，使弹跳幅度逐渐减小，最后弹跳停止进入闭合工作状态。 触头弹跳停止后电弧熄灭，触头表面的熔化金属迅速冷却凝固，容易使触头产生熔焊，一般称为“动熔焊”。 如果触头的焊接强度超过了开关机构的分断力，则触头将造成永久性熔焊而使开关失去工作职能。,33,2-3 电触头的工作状态及分类,2、闭合导电状态 由于触头接触处有一定的接触电阻，当电流通过触头时，接触电阻产生的焦耳损失使触头发热，温升增高。如果触头的温升过高，接触表面便迅速生长较厚的氧化膜，使导电斑点数目减少，尺寸缩小，接触电阻变大。接触电阻一旦变大，温升进一步增高，接触电阻更加变大，如

30、此恶性循环，最后导致接触面熔化而焊接，或者接触电阻变为无限大使导电失效。这种因接触电阻发热而导致的熔焊称为触头的“静熔焊”。另外，触头多次通电操作后，由于接触电阻和电弧的热作用，使接触表面侵蚀变形，氧化物聚集，也将导致接触电阻增大，温升变高。,34,2-3 电触头的工作状态及分类,3、分断过程 动触头以一定的速度相对静触头分离断开，触头一旦分离即引燃电弧。 低压电器常采用磁吹线圈使电弧迅速运动进入灭弧室而熄灭。然而，触头起始分离时电弧不能被磁场驱动，它要停留在触头上一段时间，使触头表面侵蚀。 只有当触头分离超过一定距离以后，磁场才能驱使电弧运动。 电弧离开触头进入灭弧室后熄灭。 电弧熄灭以后触

31、头间隙起着隔离线路电压的作用。,35,2-3 电触头的工作状态及分类,2-3-2 电触头分类目前，已研究出的低压电器用电工触头材料有数百种，但形成产业化和实际应用的触头材料只不过几十种。它们基本上可以归纳为四个系列：Ag-MeO，Ag-Ni，Ag-W，Ag-C。也就是说，它们中的绝大部分是银基材料，或者是含有相当量的银。 银除了具有高的导电、导热性和高的塑性外，它同氧的亲和力也较小，氧化物Ag2O 和AgO在200时即可分解，而且这两种氧化物电阻率较小，在室温下分别为1.cm 和12.cm，因此，银可为触头提供较低的接触电阻。银基触头在表面被氧化的情况下，电流收缩区会发热，表面上银的氧化物即会

32、分解，从而恢复了触头上金属间的接触。在频繁操作的电器装置中，有时也使用铜基触头：Cu-Cd，Cu-WC，Cu-Mo，Cu-W。 在接触压力较大、频繁操作、接触时有磨擦的特殊的点式接触的结构上，铜基触头可为其提供良好的耐磨性能和足够低的接触电阻。,36,2-3 电触头的工作状态及分类,1Ag(Cu) -W (Mo) 电触头材料假合金W(Mo)-Ag(Cu)常被用于频繁操作的强电(1kA 以上)电器上。 根据要求，特定难熔组元的含量可在10%-90%范围内变动，随着假合金中W (Mo)含量的提高，材料的强度、耐磨性、密度、抗熔焊性等性质均增高，但其磨合性、导电性和接触电阻等特性却会下降。含有钨和碳

33、化钨的假合金的缺陷在于，在工作时触头表面会形成钨酸银Ag2WO4 并使触头接触电阻急剧升高。有人曾提出一种含钛和钨混合碳化物(Ti 0. 77 W 0. 33)的材料，并对其进行了研究，该材料在某种程度上没有了上述缺陷，其密度和价格均较低，而耐电腐蚀性与标准的Ag-W 触头相当，但这种材料的产业化情况尚不清楚。,37,2-3 电触头的工作状态及分类,2Ag-Ni 系列电触头材料早在1939 年，大负荷继电器已使用了Ag-Ni 材料，这种假合金触头材料至今仍被延用。它的应用领域限于中等负荷接触器和磁性起动器、铁路自动继电器。它与Ag-C 触头配对使用具有良好的抗熔焊性，可用于自动空气开关上。Ag

34、-Ni 触头最大优点在于其工艺性：它无需附加焊接用银层(覆层)。同样重要的是，它可节银达40%。因此，迄今为止，改进这种材料的工作仍在继续。以前，人们研究过Agl0Ni3C 这种成分的触点，它的抗熔焊性能较好，但电弧烧损速率也较大。研究者在此基础上加入了少量的石墨一0.5%和1%，结果表明，抗熔焊性明显变好。此时，对触头间静态间隙的测试结果却表明，电损蚀速率在下降。其原因尚需进一步研究。,38,2-3 电触头的工作状态及分类,3Ag-C 系列电触头材料 在电器使用过程中，在要求触头接触电阻较低的同时，触头的另外一个重要特性是抗熔焊性，它可保证在应急情况下使电流分断。自动开关、铁路信号继电器、温

35、度调节器(如电熨斗)等对触头材料就有这种要求。 为了这个目的，常采用Ag-C 的烧结材料，在电流较大的情况下，石墨含量可达10%-20%。在银基中掺入3%-5%C 可使材料软化，并使金属接触面积减少，从而使触头在实际中不发生熔焊。这种材料的硬度低，但电弧烧蚀量极大。 有人认为，这是由于石墨强度低，在基体和石墨相之间不存在冶金联结。不久前公布了石墨颗粒尺寸和工艺特点对Ag-5C 触头特性的影响的研究结果，石墨尺寸的减小导致因电弧作用而造成的损失增加，抗熔焊性也增大了。,39,2-3 电触头的工作状态及分类,为了增加金属基体的强度，可以在触头中加镍，实际上，人们已经获得了Ag(10-30)Ni3C

36、 复合触头，它具有高的抗熔焊性和低的接触电阻，同时具有良好的机械特性和较低的价格。 Ag29Ni3C1Cd 构成的触头材料已问世，其硬度HB=84kg/mm，镉的添加可以改善耐电腐蚀性。当然，也有报导说，在这种材料中石墨颗粒细化是具有负作用的。,40,2-3 电触头的工作状态及分类,4AgMeO 系列电触头材料 在不否认其他电工触头材料的价值这一前提下，必需指出，Ag-CdO 构成的触头在触头应用领域中占有很大比例：接触器和磁起动器、中等和重载工作制的继电器、自动温度调节器、无轨电车和电力机车的控制器、终端开关、日用电器等等。 如前所述，这种材料的使用已有50 多年的历史，到目前为止研究仍在继

37、续，以期对其使用特性进行进一步完善和深入的研究。,41,2-3 电触头的工作状态及分类,根据目前的观点，在电触头中应用CdO 可以产生多方面的作用： 1） CdO 颗粒弥散强化可以改善机械特性，CdO 颗粒在阴极斑的熔池中的存在可增加熔融物的粘性，以减少喷溅； 2） CdO 的分解导致基体上的热负荷下降，同时导致电弧稳定性及其温度的下降； 3） CdO 的蒸发和分解产生大量气体，气体可以吹散电弧，使电弧在触头上移动，热能得以分散(吹除效应)。 此外，CdO 具有高挥发性和低电阻值(0.01-0.5.cm)，因而在触头表面不会造成导电性较差的膜层，从而保持接触电阻低且稳定。,42,2-3 电触头

38、的工作状态及分类,在某种程度上，唯一的可以同CdO 相竞争的氧化物是氧化锡SnO2。添加12%SnO2 或SnO2+In2O3（Bi2O3， WO3， MoO3)的触头问世已很久，这种触头符合生态要求，因而对它的研究仍在不断地深入(通常与AgCdO 对比研究)。 根据文献资料报道，AgSnO2 具有良好的耐电腐蚀特性，虽然有许多研究结果还相互矛盾，但在某些应用领域，它已完全可以代替含镉材料。 在研究和分析的基础上，银氧化物的应用领域为：AgCdO：50-3000A，AgZnO：30005000A，AgSnO2：5003000A。因此，含有氧化锡的触头的有效工作范围为电流在500A 以上，实际上

39、已超出中等电流的范围。,43,2-3 电触头的工作状态及分类,2-4-1 对触头材料的基本要求 根据电触头工作方式的不同，对开关装置上触头材料的要求，可按触头使用性能的基本类别划分为： 电物理性能、热力学性能、机械性能和化学性能。 触头使用过程中的各种影响因素、反应过程与材料物理化学特性之间相互关系的综合表(表2.4)，说明了对触头材料的基本要求。,44,2-4 对触头材料的基本要求及优化设计,表2.4 电接触的基本特征和电触头材料的物理化学特性（a）耐电腐蚀性,45,46,（b）动态、静态熔焊倾向性,47,（c）熔焊结合强度,（d）磨合性,48,（e）高耐磨性,（f）接触电阻,由上述对材料性

40、质的综合要求可以看出，这些要求是多样的， 而且是矛盾的。在一种材料中达到这些要求几乎是不可能的。一些高熔点的金属(钼、钨、钽、铼)和石墨等可以部分地满足这些要求。它们具有高的热物理性能，高的电子逸出功和电离能，它们的耐腐蚀性虽不高，但其氧化物是挥发的或导电的。 但是这些材料有不少缺点：它们的导电和导热能力不足，塑性和抗热性不高，因此在机械作用和热作用下，由这些材料制备的触头会发生疲劳断裂。银、金、铂和把有良好的导电和导热性能，良好的塑性和高抗腐蚀性，但它们的热物理性能不高，而且没有良好的耐电腐蚀性。 虽然相互排斥的性质不能共存于一种材质中，但可以在复合材料中将其结合在一起。对电工触头材料的性质

41、的多种多样的要求，反映出影响触头使用的因素及触头表面物理化学过程的复杂性、多样性，而且这些因素和过程又相互作用。,49,2-4 对触头材料的基本要求及优化设计,1-4-2 Ag-MeO 触头材料的优化设计 根据前述讨论，电弧烧损实质上就是电弧能量对触头材料的热-力作用，相应地触头表面发生加热、熔化、气化、流动、凝固等物理冶金过程。导致触头表面产生软化、喷溅、流动、裂纹等现象，提高触头电气使用性能对材料来说，就是要求触头材料通过其组元和组织的优化设计与制备，延缓或减轻上述物理冶金过程的发生。1组元MeO 优化设计 组元(MeO)优化设计包括下述内容： 导热率大；比热（1 克物质升高1 摄氏度所需

42、要的热量）大；比重接近Ag；熔点高；沸点高；相变潜热大；膨胀系数接近Ag；导电率大；形状因子大。 上述参数中，一般情况下膨胀系数与熔点、沸点、相变潜热的要求难以同时满足。,50,2-4 对触头材料的基本要求及优化设计,2组织的优化设计 组织的优化设计与制备包括下述内容： MeO 的粒度应适度(应可控制)；MeO 的体积分数应适度；MeO 颗粒在Ag 基体中的分布状况：均匀分布在Ag 基体中而不是在Ag 晶界上；孔隙大小愈小愈好；孔隙含量愈少愈好；孔隙在材料中的分布状况为均匀分布在Ag 基体中最好；MeO 与Ag 界面结合强度为愈强愈好；MeO 与Ag 熔液的润湿程度为润湿角愈小愈好。3触头材料

43、物理性能表征参数 表征其电气使用性能的触头材料物理性能参数如下： 电阻率；导热率；抗弯强度bb；金相组织(包括成分)；密度d。,51,2-4 对触头材料的基本要求及优化设计,银基触头材料性能的优劣与制备工艺密切相关。制备工艺不同，其触头性能也不同。 触头材料制备工艺有改进传统的混粉-压制-烧结工艺外，还采用了共沉淀制粉、雾化制粉、扩散合金粉、预内氧化、后内氧化、冷等静压、热锻、挤压、熔渗、活化烧结等。 主要工艺有四种，即：(1) 合金内氧化工艺； (2) 粉末烧结法；(3) 预氧化合金粉末工艺； （4）粉末冶金工艺。,52,2-5 银基触头材料制备工艺发展概况,2-5-1 合金内氧化法 用合金

44、内氧化法制备 AgSnO2 材料时，由于Ag-Sn 合金中Sn 含量高(6%)时合金内氧化有困难，因此，在Ag-Sn 合金中添加适量In，从而使内氧化过程顺利进行。 一般内氧化法是将Ag-Sn-In 合金轧成带材，一面覆银焊层，然后轧到要求厚度，将片材冲制成触头片。,53,2-5 银基触头材料制备工艺发展概况,图2.1 合金内氧化法制造工艺流程图,54,国内常规银氧化镉触头的制造工艺是内氧化法，其基本工艺流程如下：,2-5 银基触头材料制备工艺发展概况,用合金内氧化法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，但制成的材料表面和内部结构不均匀，中间有贫氧化物层，触头尺

45、寸不够精确，此外，这种生产工艺不适用于线材的生产。 最近，还有一种新的银金属氧化物系的触头材料烧结制造方法： 将含银的原材料粉末成型、烧结、致密化加工后进行高压内氧化，再将此高压内氧化体在比该高压内氧化氧气分压低或实际上不含氧的气氛中进行热处理，热处理温度比该高压内氧化温度高(400-9600C)，以此方法制得的银金属氧化物触头材料导电率高、抗熔焊性好、耐损蚀性优良且接触电阻稳定。,55,2-5 银基触头材料制备工艺发展概况,2-5-2 粉末烧结法 目前，在银基电触头材料的制造工艺中，粉末烧结-挤压工艺是趋势。 用这种方法，可以制造Ag-石墨、Ag-Ni (Ni 含量小于30%)， Ag- S

46、nO2， Ag-CdO，Ag-ZnO 等材料。 它们是当前低压电器中应用最广、性能较好的触头材料。 以制造银氧化锡为例，工艺流程图如图2.1所示。,56,图2.1 合金内氧化法制造工艺流程图,2-5 银基触头材料制备工艺发展概况,烧结-挤压法的优点有： (I) 挤压后致密度高达99%，使材料的物理机械性能和耐电弧烧损等电性能大为提高； (2) 材料成分及质量较其它方法易于控制，保证了产品性能的一致性； (3) 挤压银基触头材料中的第二组元锡成为纤维状，当纤维排列方向垂直于触头表面时可大大提高抗电弧磨蚀性。 缺点：主要是制备的触头材料密度较低，氧化质点较粗大，耐电弧腐蚀较差。 以AgSnO2 为

47、例，用粉末冶金法制成AgSnO2 材料塑性和延性很差，不易制成铆钉或片材这类需要大变形的产品，因而使产品受到限制。 最近，德国DODUCO 公司采用“反应喷雾”法制造出新型AgSnO2 触头材料，它是将含有所需的粉末元素的水溶液进行热分解，通过改变反应参数，获得所需的化合物粉末，然后将反应喷雾法制造的SnO2粉末与Ag 粉末混合，经冷压、烧结、成型而成。这种方法改善了电气运行性能及机械加工性能，使AgSnO2 无毒材料的推广应用上了一个新的台阶。,57,2-5-3 预氧化合金粉末法 预氧化合金粉末法是近年来国外研究开发的一种新一代制造银金属氧化物触头材料的先进工艺方法。 它是将粉末冶金法和合金

48、内氧化法两种工艺相结合在一起的新工艺，可同时兼有粉末冶金法和合金内氧化法两种工艺的特点。 以制造AgSnO2 触头材料为例，它是将Ag-Sn 合金或Ag-Sn-In 合金熔化后雾化成细粉，先经合金粉末内氧化，然后用一般粉末冶金方法进行压制、烧结、挤压。,58,2-5 银基触头材料制备工艺发展概况,该方法制备的触头材料具有组织结构均匀、金属氧化物质点细小(1)、无“贫金属氧化物区”、耐电弧腐蚀、抗熔焊、电寿命长、塑性好、材料利用率高等优点。 用这种工艺制备AgMeO 触头材料主要有三种方法，即固相扩散法、电机械破碎法、雾化法。在三种方法中，雾化法由于工艺流程短、带入杂质较少而占一定优势。 目前，

49、AgMeO 触头材料生产用的装置已经研制成功，但成本较高。,59,2-5 银基触头材料制备工艺发展概况,2-5-4 粉末冶金方法 利用粉末冶金方法制造触头材料，因为该方法能将互不相溶的两种金属，或金属与氧化物，或金属与非金属氧化物制成复合物，而且复合物中各成份可以按任意比例配合。 1、 粉末冶金原理 粉末冶金是制取金属粉末，及采用成形和烧结工艺将金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）制成材料和制品的工艺技术。 由于粉末冶金的工艺与陶瓷生产工艺在形式上有些相似，所以这种工艺方法又称为金属陶瓷法。,60,2-5 银基触头材料制备工艺发展概况,粉末冶金共有的基本工序是： （1）原料粉末的制取和准

50、备（粉末可以是纯金属或它的合金、非金属、金属与非金属的化合物以及其它各种化合物）； （2）将粉末成形成为所需形状的坯块； （3）坯块的烧结。 烧结在物料主要元素熔点以下的温度进行，以使材料和制品具有最终的物理、化学和力学性能。烧结后的坯块，根据产品的不同要求，可以进行不同的烧结后处理，精整、浸油、机加工、热处理、电镀等。 此外，对于烧结后的材料还可以进行扎制、锻造等。,61,2-5 银基触头材料制备工艺发展概况,图2.2 粉末冶金工艺主要阶段示意图,62,粉末冶金几个主要阶段的示意图如图2.2 所示。,2-5 银基触头材料制备工艺发展概况,2-2-1 粉末的制取 粉末冶金制品的生产工艺流程是从