（材料加工工程专业论文）高压agcu复合触头制备及性能.pdf

硕l ：论文 摘要 电触头亦称触点或接点，是高、低压电器中的关键元件，担负着接通与分断 电流的任务，它直接影响开关、电器运行的可靠性及使用寿命，所以人们将触头 称为电器的“心脏”。a g c u 电接触材料是在c u 表面覆层a g 所形成既不固溶又不形 成化合物的一类的复合材料，其兼有a g 的高导电性、导热率、易加工性以及c u 高熔点、高密度、高耐磨损性，且c u 在电弧高温下蒸发时可吸收大量的电弧能量， 降低电弧温度，改善使用条件和降低电蚀作用。目前，a g c u 复合电接触材料制 备工艺主要有两种，电镀和热喷涂，电镀生产周期长、污染大，而热喷涂生产周 期短、成本低、绿色环保。但热喷涂技术也存在缺陷，喷涂涂层结合性不好，一 般采用高速电弧喷涂、等离子喷涂来提高涂层结合。 本文分别采用d h x 2 等离子喷涂( p s ) 和q d 8 高速电弧喷涂( h v a s ) 制备 a g c u 复合触头材料，利用电弧烧蚀仪测定不同工艺下燃弧时间、截流值、耐压 强度，采用s e m 观察烧蚀后样品表面形貌，并对机械物理性能的测定；最后选取 性能最好一种工艺做扩散退火实验，研究扩散退火对触头基本性能影响。主要研 究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 利用等离子、高速电弧喷涂工艺制备a g c u 复合触头。结果表明：与高 速电弧相比，等离子喷涂系统有利于提高喷涂过程中射流的加热有效热功率，制 备的a g c u 复合电触涂层组织结构致密、均匀性好。 ( 2 ) 对等离子、高速电弧制备的a g c u 复合触头进行静态机械物理性能测试。 实验表明：等离子制备触头导电性要比高速电弧喷涂好，显微硬度、结合性也更 好。 ( 3 ) 对等离子、高速电弧制备的a g c u 复合触头进行动态电弧烧蚀实验。实 验表明：等离子制备触头电弧寿命比高速电弧喷涂的长，截流值小，耐压强度高； 分析真空电击穿后的表面组织形貌图发现等离子喷涂触头烧蚀斑点的痕迹相互分 离，且等离子喷涂的烧蚀坑较小。 ( 4 ) 对等离子喷涂的a g c u 复合触头进行的扩散退火处理。结果表明：4 0 0 扩散处理使触头涂层在高温下产生烧结现象，涂层裂纹、孔隙减少，导电率上升； 6 0 0 。c 扩散处理在界面区域有c u 的二次相析出，使电子散射几率下降，导电率显 著上升，但随着退火时间延长，涂层内部因体积收缩，涂层裂纹、空隙增加，导 电率呈现下降趋势。 关键词：a g c u 电触头；热喷涂；电弧烧蚀：导电性；显微组织 高压a g c u 复合触头制备与性能研究 曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅皇曼曼曼舅舅曼曼曼皇量曼曼曼皇曼! 曼量曼曼皇曼舅皇曼曼皇曼曼璺曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼量曼皇曼舅曼曼曼量皇曼l a b s t r a c t t h ee l e c t r i c a lc o n t a c t o ri s v e r yi m p o r t a n t i n h i g h - l o wv o l t a g e e l e c t r i c a l e q u i p m e n t ，w h i c hd i r e c t l yi n f l u e n c e st h er e l i a b i l i t ya n ds e r v i c el i f e s p a no f s w i t c ha n d e l e c t r i c a lo p e r a t i o ni nk e yc o m p o n e n t so fe l e c t r i c a la p p l i a n c e s ，s ob e e nk n o w na st h e h e a r to fe l e c t r i c a la p p l i a n c e s a g c uc o n t a c t o rm a t e r i a li sak i n do fc o m p o s i t e sb y c o a t i n ga go nc us u b s t r a t e ，w h i c hn e i t h e rf o r m ss o l i ds o l u t i o n sn o rc o m p o u n d s a n d c o m b i n et h eh i g hc o n d u c t i v i t y ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ，e a s yp r o c e s s i n go fa ga n dt h e h i g hm e l t i n gp o i n t ，d e n s i t y ，w e a rr e s i s t a n c eo fc u i ti sw e l lk n o w nt h a tc uc o u l d a b s o r ba m o u n to fa r ce n e r g y ，l o w e ra r ct e m p e r a t u r ea n dg a l v a n i cc o r r o s i o na n d i m p r o v et h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n s u s u a l l y ，a g c uc o m p o s i t e s f o r a p p l i c a t i o n i n h i g h v o l t a g ec o n t a c t o rm a t e r i a l sa r ef a b r i c a t e db ye l e c t r o p l a t i n ga n dt h e r m a ls p r a y i n g t h ef o r m e rt e c h n i q u eh a sl o n gp r o d u c t i o nc y c l ea n db a d l yc o n t a m i n a t i o n ，b u tt h el a t e r p o s s e s st h ec h a r a c t e r so fs h o r tp r o d u c t i o nc y c l e ，l o wc o s ta n de n v i r o n m e n t a lf r i e n d l y t h e r m a ls p r a y i n gt e c h n o l o g ya l s oh a si t so w nd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha st h ew e a k i n t e r f a c i a lb o n d i n g ，w h i c hi si m p r o v e db yu s eo fh i g hs p e e da r cs p r a y i n go rp l a s m a s p r a y i n gt e c h n i q u e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a g c uc o m p o s i t e sc o n t a c t o r sw e r ep r e p a r e db yd h - x 2 p l a s m as p r a y i n g ( p s ) a n dq d 8h i g h s p e e d a r cs p r a y i n g ( h v a s ) a r ct i m e ， b r e a k d o w nv o l t a g ea n da r cc h o p p i n gc u r r e n ta r et e s t e db ya r ca b l a t i o ni n s t r u m e n ti n a r ce x t i n g u i s h i n gc h a m b e r t h es u r f a c em o r p h o l o g i e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s p e c i m e n sa r ea l s oa n a l y z e da f t e re l e c t r i c a lb r e a k d o w no f10 0t i m e s t h ee f f e c to f d i f f u s i o na n n e a l i n go nc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n sa ti n t e r f a c i a lz o n eo fa g c u c o m p o s i t ec o n t a c t o r s i sa l s oi n v e s t i g a t e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r eg i v e ni nt h e f o l l o w i n g 1 p sc o u l di m p r o v et h ee f f e c t i v et h e r m a lp o w e ro f je th e a t i n gi ns p r a y i n gp r o c e s sa n d t h epsc o a t i n g so fa g c ue l e c t r i c a lc o n t a c t o ra r ed e n s ea n du n i f o r mc o m p a r e dw i t h h i g h - s p e e da r cs p r a y i n g 2 t h ea g c ue l e c t r i c a lc o n t a c t o rp r e p a r e db yp sh a sh i g he l e c t r o c o n d u c t i b i l i t y ，h i g h m i c r oh a r d n e s so fc o a t i n ga n dg o o di n t e r f a c i a lb o n d i n go fc o a t i n g s u b s t r a t e c o m p a r e dw i t hh i g h - s p e e da r cs p r a y i n g 3 t h ea g c ue l e c t r i c a lc o n t a c t o rp r e p a r e db yp sh a sl o n gl i f e s p a n ，l o wa r cc h o p p i n g c u r r e n ta n dh i g hb r e a k d o w nv o l t a g ec o m p a r e dw i t ht h a tp r e p a r e db yh v a s t r a c e s o fb u r ns t a i np o i n t so fc o n t a c t o rp r e p a r e db yp ss e p a r a t ee a c ho t h e ra f t e rv a c u u m i i 硕 ：论文 e l e c t r i cb r e a k d o w n 4 t h e c o a t i n go fa g c uc o n t a c t o ra n n e a l e da t 4 0 0 p r o d u c e ss i n t e r i n g p h e n o m e n o n ，c o a t i n gc r a c k s ，p o r er e d u c t i o na n dc o n d u c t i v i t yi n c r e a s ea th i g h t e m p e r a t u r e s e c o n d a r yp r e c i p i t a t i o np h a s eo fc ui nt h ei n t e r f a c i a lz o n eo fa g c u d e c r e a s e st h e p r o b a b i l i t yo fe l e c t r os c a t t e r i n g a n di n c r e a s e st h ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t ys i g n i f i c a n t l y a f t e r6 0 0 a n n e a l i n g h o w e v e r ，e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yd e c r e a s e sw i t ha n n e a l i n gt i m ep r o l o n g i n gb e c a u s eo ft h ei n c r e a s eo f t h ep o r o s i t ya n dc r a c k si nt h ea g c o a t i n g k e yw o r d s ：t h e r m a ls p r a y i n g ；1 i c r o s t r u c t u r e ：b o n d i n gs t r e n g t h ；c o n d u c t i v i t y ；r a r e m e t a l s i i i 硕l ：论文 第1 章电接触材料研究进展 电触头是电器开关、仪器、仪表等的接触元件。主要承担接通、断开电路及 负载电流的作用，它的性能直接影响着开关电器的可靠性与寿命。电触头在实 际使用过程中的情况非常复杂，除了机械力和磨擦作用外，还有焦耳热、电弧的 灼烧，以及因电流极性而产生的材料转移等，这些都会对材料产生影响。由于使 用场合的不同，对触头材料的要求也是不同，如a g c u 复合电触头主要用在11 0 k v 真空断路器中，主要考虑耐电弧烧蚀能力。而对于一般触头要求其具有良好的导 电性和导热性、低而稳定的接触电阻、高的耐磨损性( 电弧磨损和机械磨损) 、抗 熔焊性、良好的化学稳定性和一定的机械强度，对于真空触头材料还要求截断电 流小、含气量低、耐电压能力强、热电子发射能力低等。 目前，在强电领域中主要有银基触头材料( 主要用于高压电器、复合开关等) 、 铜基触头材料( 主要用于真空断路器等) 和钨基触头材料( 用于高压油路断路器、 s f 6 断路器、复合开关等) 心1 。用于生产制造的触头材料品种很多，二元或多元复 合触头材料共计有数百种，广泛应用的触头材料只不过几十种。在二元或多元体 系中，大部分触头材料形成的是“假合金 ，其制造工艺主要是粉末冶金法与熔 炼法两大类，可以根据不同的成分和性能要求，选用不同的制造工艺。随着强电 触头材料向着高电压、大电流、大容量的方向发展以及电触头材料小型化、高寿 命和高灵敏度的发展趋势，对制备触头材料及其工艺也越来越高要求 1 。在这种 背景下，新工艺、新技术取得广泛应用，如热喷涂法、喷射沉积法、等静压法、 纤维强化法、机械合金化法以及离子注入等技术方法已经应用在触头材料的制备 中。这些新工艺、新方法使触头材料的性能也得到了很大的提高h 1 。 1 1 电接触材料理论 1 1 1 电接触 当两导体相互接触并实现电能传递或信号输送时，无论两导体的接触表面经 过怎样的精细加工，其在微观上总是凹凸不平的。真正发生接触的只能是一个或 多个微小的点或面，并非是两导体宏观重叠接触的面积。在电接触研究中，通常 将两导体宏观重叠的面积称为“名义接触面 或“视在接触面”，而将实际接触 而称为“接触斑点”。即使在接触斑点接触区域内，当触头表面覆盖有一层表面 膜时，真正能够传导电流的区域也只是那些金属直接接触或金属与导电的表面膜 直接接触的区域，这些区域称为“导电斑点 。 由于存在导电斑点，当电流通过电接触元件时，实际上电流将集中流过那些 高压a e c u 复合触头制备0 件能研究 极小的导电斑点，因而在导电斑点附近，电流必然发生收缩，使电流流过的路径 增长，有效面积减小，因而出现局部的附加电阻，称为“收缩电阻 。如果电流 通过的导电斑点不是纯金属接触，而是存在可导电的表面膜，则还可存在另一附 加电阻，称“膜电阻”。这两部分附加的总电阻称为“接触电阻”。既然存在电 流和接触电阻，那么电触头在工作过程中必然存在热量的释放拍川。 接触电阻是触头热量释放、电器温升情况的一个重要性能指标。接触电阻越 大，则电弧对触头的能量输入越大，两触头间表面材料发生熔化产生失效的可能 性也越大。 1 1 2 电触头间的电弧特性 当触头接通或断开电路时，在触头之间的导电斑点处会首先产生电弧，电弧 使触头产生高温以及力的作用，导致触头因高温产生电弧烧蚀( 喷溅、蒸发) ， 以及触头问的熔焊等问题，导致触头的失效。因此有必要对触头间电弧的产生及 其放电过程进行分析。 1 1 2 1 电触头间电孤的产生及其分类 触头间产生的电弧可以分为闭合时的“小间隙击穿电弧”和触头断开时引起的 “拉弧”现象。具体过程如下：( 1 ) 触头在闭合时，当两触头表面相互趋近到接触 前，电路中的电压加在该间隙上，使小间隙中的气体分子电离( 即击穿) ，因而 产生电弧。( 2 ) 当触头断开电流时，触头从正常闭合位置开始向断开的方向运动， 因接触力逐渐减小，实际接触面和导电面的面积减小，接触电阻相应增大。在接 触面最后分离前的一瞬间，电路中电流全部通过某一极小的点流通，电阻极大， 产生的焦耳热全部加在该点上，使其温度迅速上升到金属的沸点而引起爆炸式气 化，间隙充满高温金属蒸汽，触头间形成电弧。当触头间的距离进一步增加达到“临 界间隙距离”时，金属蒸汽密度连续下降，此时触头间气体在电压的作用下被电离， 从而产生的电弧陋9 。1 0 1 。 此外，触头在闭合过程中常常受到配对触头的反作用力而产生弹跳现象。触 头的弹跳过程可以分析为首先是两触头分离的过程，因此首先可能存在拉弧现象。 进而弹跳返回的过程，是两触头闭合的过程，因此也可能存在小间隙击穿产生电 弧。 1 1 2 2 电弧的放电过程 电弧放电形成之前必须先经历下述的阶段：暗流、电晕、辉光放电等。由暗 流( d a r kc u r r e n t ) 、电晕放电( c o r o n ad i s c h a r g e ) 、火花放电( s p a r kd i s c h a r g e ) 、辉光 放电( g l o wd i s c h a r g e ) 至电弧放电( a r ed i s c h a r g e ) 3 过程所需的电气条件和产生的 各种现象，可见表1 1 。在本论文中所谓电弧的放电现象是指在电气接点在开闭过 2 硕i j 论文 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼i i 一, , li 皇蔓曼曼曼曼曼曼曼 程中输入电压电流后所造成的放电现象，电气接点为负责电力设备中连接电路， 传送电流和切断电路的元件，其中开闭式接点主要的动作有开启( o p e ns t a t e ) ，闭 合( m a k i n g ) ，接触( c o n t a c ts t a t e ) ，开离( b r e a k i n g ) 四个主要动作。当接点在闭合或 是开离的过程中都会产生电弧放电，电弧的产生将导致接点表面的熔化、汽化甚 至材料的溅射，影响到接点的电气特征，因此接点问电弧放电种类的特性会直接 影响接点的损耗及转移。 表1 1 放电过程 1 1 2 3 触头开离放电过程 触头闭合时，实际的接触面会使接触表面材料发生微量的弹性和塑性变形， 如图1 1 ( a ) 所示。当触头断开时，接触压力逐渐减小，点融蚀的面积也会跟着减少， 在最后的开离阶段里，接触电流便集中在单一的点上，大量电流仅能通过由此一 小面积通过，同时由于接触面积逐渐减少；电流密度增加，导致材料在焦耳热的 效应下，温度持续增高。当接触点的温度达到或者超过材料的熔点时，触头便会 形成液态金属桥，如图1 1 ( b ) 所示。当接点之间的间隙更大导致接点分离时，电桥 变得不稳定而遭到破坏，如图1 1 ( c ) 所示。此时，两接点间的电压迅速上升，熔融 金属电桥温度达到沸点而蒸发，造成电极离子化，在此期间接点电弧属于金属相 蒸气电弧，而当接点开离的距离持续增大时，金属蒸气离子的浓度因扩散作用的 影响而会在大气中迅速降低，空气也参与离子化，当大气中的气体离子化的程度 增加，接点间所形成的电弧便由金属相蒸气电弧转变成气相蒸气电弧，如图1 1 ( d ) 所示，在接点开离过程中，金属相蒸气电弧与气象蒸气电弧为影响电气接点电气 特性、损伤的要素。 高压a g c u 复合触头制薪j 件能研究 1 1 2 电触头失效 ) ， 静触头 l l动触头 l 图1 1 触头开离放电过程 电弧对电触头的作用常常引起电触头的失效。电触头的失效方式包括以下几 种方式，引起电触头失效的因素主要包括环境因素( 非材料因素) 及材料自身的 因素。 1 2 1 环境因素失效 1 2 1 1 电触头材料的烧蚀( 触头侵蚀) 电触头材料的烧蚀是指触头材料在电弧对电极的热流输入和电弧作用下，触 头材料发生蒸发或液体喷溅、材料转移、或固体飞溅的过程。当电触头材料放电 完成时，就会导致电触头失效。电触头材料烧蚀的主要形式有： ( 1 ) 蒸发；在电弧能量作用下，触头表面材料由固态转变为液态后，再转变 为气态脱离触头的过程。一定条件下，材料也存在由固态直接变为气态即升华的 过程( 极少发生) 。 ( 2 ) 液态喷溅；电孤能量作用下，触头表面某一区域熔化形成液池，液池内 的液态金属在各种力的作用下n3 。，以微小液滴的形式飞溅出去造成材料较大损耗 的过程。这些作用力包括：斑点压力、静电场力、电磁力、特质运动作用力及反 作用力、表面张力等。 ( 3 ) 材料转移；由于现有重量测试方法中尚无精确测定材料的侵蚀量，故衡 量材料损耗的严重程度往往用触头的重量改变量。触头工作过程中各种因素的不 对称是产生材料转移的主要原因，这些因素包括电源、触头材料特性和施加的各 种外力4 1 。 电触头材料的烧蚀形式随材料及电流条件的不同而变化。通常在小电流作用 4 硕f j 论文 下触头材料的侵蚀主要是气化蒸发侵蚀。增大电流，则不仅有材料的气化蒸发， 而且还会出现液态金属的喷溅现象，进一步增大电流时，强烈的液态喷溅可能成 为触头材料侵蚀的主要形式。 影响触头材料烧蚀的有关特性主要是：导电导热率、比热容、熔化和气化潜 热，沸点和熔点，以及熔融状态下熔池的冶金动力学特性。另外触头的尺寸、形 状、触头间的连接等有可能影响触头冷却的因素也会对侵蚀和材料转移产生作用。 1 2 1 2 电触头材料的熔焊 电触头熔焊失效是电触头最主要的失效方式之一。触头的熔焊是指两电极接 触区域因金属熔化而结合在一起的现象。熔焊可分为静熔焊和动熔焊，静熔焊指 由接触电阻产生的焦耳热使两触头接触部分熔化，结合而不能断开的现象。动熔 焊是在电触头分断闭合操作过程中，产生的电弧使触头表面熔化，闭合后液态金 属之间接触面积增大，接触电阻迅速下降，温度快速降底到熔点以下而发生焊合。 当电触头的分断力小于触头之间的熔焊力时，就导致电触头的熔焊失效。影响电 触头材料熔焊的因素主要包括电触头自身的因素以及触头的分断力等。 1 2 1 3 电触头材料的温升特性 触头材料在使用过程中，由于电弧的作用以及接触电阻的存在，触头温度会 升高。在使用电触头的器件中，由于器件本身材料及使用环境的不同，对触头在 使用过程中产生的温升有一定的要求。当电触头温升过高，会导致触头周围塑料 件软化等问题从而容易引起继电器的失效。影响电触头温升的因素主要包括环境 气氛、电流、电压和触头材料成分、组织、结构、电参数、机械参数n 5 1 等等。 1 2 2 材料自身的因素失效 电触头在工作过程中受到电弧高温和各种力的作用，使触头表面形貌以及表 面成分结构发生变化，从而使接触电阻发生变化。值得指出的是，这种变化对触 头早期失效的影响比静态接触电阻更大。影响电触头动态电阻的材料因素，这些 材料因素主要包括基体的化学稳定性、第二相的物理化学性质及其与基体材料的 润湿性、添加剂、材料缺陷n 即等。 1 2 2 1 影响静态接触电阻的材料因素 静态接触电阻与触头表而的微观形貌特征及体电阻有关，关于表面微观形貌 对静态接触电阻的影响，可参见文献n 6 叫8 1 。一般认为，触头表面光滑平整，粗糙 度低，则触头易呈面接触，收缩电阻减小，因此接触电阻低。此外，粗糙度大， 触头与外界环境接触的面积大，这增加了表面受环境污染的程度，表面膜电阻增 加，也使静态接触电阻增大。 在不考虑触头表面微观形貌时，静态接触电阻的大小主要由触头材料本身的 5 i 苛压a g c u 复合触头制备j t i - m b 研究 体电阻决定，根据复合材料的导电理论，影响体电阻的主要因素有基体的电阻率 和第二相的电阻率、体积分数等。 1 2 2 2 影响触头蒸发损耗的材料因素 直接影响触头蒸发损耗的因素有触头表面释放的热量大小，以及触头材料的 熔点、沸点等热物理性能参数。前者与接触电阻密切相关，接触电阻已经在第一 节作了详细的讨论。对于后者，一般来说金属的熔、沸点越高，触头材料越不容 易转变成气态蒸发转移。a g 的熔、沸点最低，容易蒸发。c u 的熔、沸点相对a g 较高，而且价格便宜，较多应用于高压电器、真空电器等领域。w 、m o 的熔、沸 点很高，不易蒸发，广泛用于高压油路断路器、s f 6 断路器、复合开关等。a u 、 p t 材料具有很高的化学稳定性，且熔沸点高于c u 、a g 的金属，但因其价格昂贵， 主要应用于精密触头、测量技术等领域。 1 3 电触头材料的性能要求 电接触材料对不同的接触要求不同，对滑动接触，则主要要求材料的抗摩擦和 磨损能力；对分离接触，由于电弧对触头的严重烧蚀及分断接通操作过程中的机 械磨损，对触头材料的要求非常苛刻n 引。概括地讲，理想的银基电接触材料，因 满足以下几方面要求： 1 3 1 物理性能 物理性能：要求具备低的电阻率和蒸汽压，高的热导率、熔点、沸点、熔化热 和升华热，并且热稳定性好，热容量大，电子逸出功高，以保证高起弧电压和低电 流。 1 3 2 化学性能 化学性能：要求对较宽范围的不同介质有良好的耐蚀性能，在大气中不易氧 化、碳化、硫化及形成不易导电的化合物或薄膜层，即使形成氧化物或硫化物，不 但要求挥发性应高，而且要求其机械强度要小。 1 3 3 电接触性能 电接触性能：要求接触电阻低而稳定，良好的抗熔焊性以及良好的耐电弧侵蚀 特。接触电阻受触头表面状况的影响显著，要求其表面平整；为了保证触头材料有 良好的抗熔焊性，一方面要提高触头材料的热物理性质，另一方面也要在材料中加 入与基体材料化学亲和力小的组份；良好的耐电弧侵蚀特性要求较高的最小起弧 电压、最小起弧电流及表面良好电弧运动特性。 1 3 4 其他性质 6 坝i ：论文 其他性质：除上述要求外，电接触材料应尽可能易于加工，具有较高的性能 价格比。而且出于绿色环保考虑，不能污染环境，如今这个问题越来越受人们的 重视。由此看来，对电接触材料的要求面广而苛刻，而且许多要求交织联系甚至 互相矛盾。所以，完全满足上述所有性质要求的电接触材料是不存在的。电接触 材料的研制、生产和选用只能根据具体使用条件满足那些最关键的要求，如对于 a g c u 复合触头主要满足其耐压强度。 1 4 电触头种类及制备工艺 1 4 1 电触头种类 目前，已研究出的电器用电接触材料有数百种，但形成产业化和实际应用的 只不过几十种，且基本上可归纳为四个系列，且i j a g c 系列、a g w c 系列、a g n i 系列和a g m e o 系列。其电性能和用途如表1 2 ： 表1 2 常用电工触头材料的基本电性能和用途 a g c 1 ，、一1 0 0 01 ，、一3 0 0 a g w 、a g w c 1 , - - - , 2 0 01 1 0 0 0 a g n i 1 1 0 0 01 1 0 0 0 a g c d 0 1 1 0 0 01 1 0 0 0 a g s n o z 1 5 0 01 - 3 0 0 a g z n 0 低压开关、断路器、保护开关及滑动触点 大容量断路器、中小容量断路器及保护开关 接触器、断路器、精密仪器、继电器等 各种电流等级的接触器、断路器、开关 继电器、接触器、开关、家用电器、 汽车电器 1 4 1 1a g c ( 3 5 c ) 系列电接触材 a g c 系电接触材料具有优良的导电导热性，电弧移动性好，接触电阻低而稳 定，抗熔焊性随着石墨含量增加而提高。尤其采用非对称配对，可以改善材料的 迁移，使其整体抗熔焊性大大提高，保证电器操作可靠，信号传递无误。a g c 系 材料的接触特性与石墨颗粒在银基体中的分布状态有很大关系。过去的制造方法 是粉末冶金法，耐电磨损性不佳。二十世纪七十年代起采用了烧结挤压法，使石墨 呈纤维状分布于银基体中，耐磨损性显著成倍提高。因此烧结挤压法已成为目前生 产高性能a g c 触头材料的最重要的方法n 引。 虽然a g c 电接触材料几乎是完全不熔焊的，但电弧在其表面的移动特性很差 所以它必须与其它触头材料配对使用，即前面提到非对称性配对。此类电接触材料 常见的用途是与a g f n i 电接触材料配对使用于断路器中，以弥牢b a g n i 电接触材料 抗熔焊性的不足。a g c 电接触材料也可与铜配对，用于微型断路器和漏电开关， 这种配对方式因为电弧容易集中在铜表面上从而避免a g c 受到电弧侵蚀的影响。 7 高j ia g c u 复合触头制嵛j r l i 能研究 另外，石墨是还原剂，与铜配对时使之不会因电弧高温作用产生氧化，因而不会增 加接触电阻。这样的配对方式可以节省一半的银基触头材料。 用金刚石、碳纤维，甚至碳纳米管作为一种添加相完全或部分替代石墨加入 银基触头，用来提高银基触头的硬度和热导率，并可改善耐电弧侵蚀性。碳元素 存在石墨和金刚石两种同素异构体，以金刚石形式加入会对触头的性能产生积极 影响。目前，一个重要研究方向是如何获得金刚石颗粒在银基合金中呈均匀分布 的电接触材料 1 9 - 2 1 1 。 1 4 1 2a g w c ( 3 0 - - 7 0 w c 、w ) 系列电接触材料 a g w c 系电接触材料自19 3 5 年问世以来一直广泛的用于频繁操作的强电( 1 k a ) 电器上。有良好的热、电传导性及耐电弧腐蚀性，金属迁移的熔焊趋势小等 优点。其主要缺点是在工作电流下和空气中频繁通断时，会在触点表面生成混合 氧化物( 钨酸银a 9 2 w 0 4 ) ，形成导电不良的表面膜，使接触电阻升高。因此，近 年来国内外对a g w c 的研究，较多的放在改善其接触电阻方面。主要从以下两个 方面：其一在材料成分上的革新；向a g w c 电接触材料中添加金属铜、锌、镁、 氧化铝及铁族元素来改善，其中以添加钴对改善a g w c 接触电阻的效果较显著， 比原来的a g w 合金低1 3 到1 2 ，但是磨损率增大，耐电弧腐蚀性能有所降低。向 a g w c 中加入钛，并对其进行研究，该材料在某种程度上没有上述缺陷，其密度 和价格均较低，而耐电蚀性与标准的a g w c 头相当，但这种材料的产业化情况尚 不清楚。其二在制造工艺方法上；李玉桐心2 1 等人，提出了用化学包覆法制备a g w ( 1 2 ) c ( 3 ) 项性能作了较全面的测试，并与a g w ( 1 2 ) c ( 3 ) 触头材料进行 对比。试验证明，a g w ( 2 0 ) c ( 3 ) 的各项性能指标均优于用机械混粉法制备 a g w ( 1 2 ) c ( 3 ) ，在我国某新型飞机的断路器中，顺利通过了地面各项性能及 五年飞行后的性能考核并已经生产使用。t 霪) a s l a n o g l uz 陋3 1 采用m a 技术球磨1 5 h ， 经压制、烧结并复压制备了w - 3 5 a g 触头材料，同常规机械混粉制备的材料相比，获 得了较高的密度和硬度值；对比电性能的试验表明：随着球磨时间的延长，触头 材料的抗电弧烧蚀性能明显提高。银钨组分、钨粉粒度、制造方法等对a g w c 电 接触材料性能都有影响。在高银含量的a g w 合金中，钨含量越高，接触电阻越大， 钨颗粒越粗，硬度越低，耐电弧腐蚀性越差陋4 j 。 1 4 1 3 a g n i ( 1 0 - 4 0 n i ) 系列电接触材料 早在19 3 9 年，大负荷继电器就已使用a g n i 材料，且这种合金电接触材料至今 仍被延用。相对与其它电接触材料a g n i 材料突出特点是其加工工艺，即无需附加 焊接用银层( 即覆层) ，节a g 达4 0 是其最大优点心5 i 。但是，这种触头在大电流 下抗熔焊性能差，通常要和a g c 触头配对使用。为了进一步提高a g n i 电接触材 料的性能，向在a g n i 添加0 2 稀土能细化晶粒，并以固溶或球状第二相形式存 硕一i j 论文 - - ：ij _ i i iii i i 鼍 在，可以强化合金，有效延缓材料的回复与再结晶，使其力学及摩损性能特别是 弯曲次数得到明显提高瞳铲2 利；向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，可提高该合金抗熔焊性能。向银镍合金中加入少量的 石墨( 0 1 5 l ) 或金属氧化物如c u o 、z n o 、s n 0 2 还可适当降低银含量，而 触头性能相当或优于银氧化镉材料，抗熔焊性亦可得到提高。向银镍合金中添加 高熔点、耐腐蚀的金属钛，能提高银镍合金的硬度和耐电弧腐蚀性能。现在对 a g n i 系列触头报道大量集中在添加剂引起性能的改变上，对其新工艺报道比较 少。 1 4 1 4 a g m e o 系列电接触材料 a g m e o 是电接触材料中人们研究与应用得最多的材料。a g m e o 触头合金 中，氧化物的作用主要是阻止触头熔焊和腐蚀。当电触头上生成熔焊时，氧化物 将聚集在固液界面，从而使形成的任何焊接点变脆，减少了熔焊的危险：氧化物 可以从两个方面阻止触头腐蚀，当两个触头之间产生电弧时，氧化物发生吸热性 分解，以冷却周围基体，同时熄弧；其次具有氧化物的熔融体粘度增大，可以将 熔融银保持在触头表面，并可阻止银被电弧吹掉。 a g m e o 触头是一种性能优良的电接触材料。特别是当接通电流高达5 0 0 0 a ， 有比a g c 、a g n i 、a g w 更好的抗熔焊性和抗电弧侵蚀性，导热率及导电率。目 前研究和使用较多的a g m e o 触头材料a g c d o 、a g s n 0 2 、a g z n o 、a g r e o 等。 1 a g c d o ( 10 15 c d o ) 系列电接触材料 最早出现的a g c d o 电接触材料是由f r h e n s e l 等人制造的。a g c d o 系列电触 接触材料具有良好的耐电弧磨损性、抗熔焊性和导电性、导热性，接触电阻小而 稳定等众多优点，被称为“万能触头”，是目前高低压开关电器应用的主要电接 触材料。但是这种性能优良的电接触材料在生产、使用和回收等过程中都面临着 “镉毒”的危害问题心8 l 。欧盟发布了关于在电子电气设备中禁止使用某些有害 物质指令，世界卫生组织对空气中的含镉量有着严格的要求，如禁止含镉材料 与人体和食物接触，生产含镉材料有着严格的防护措施和废水、废气排放标准。 为此，许多工业发达国家如欧盟、日本、美国等已经立法严格禁止生产、进口和 使用银氧化镉产品。因此，尽快开发新型的环保电接触材料以替代现有的a g c d o 已到了刻不容缓的地步乜旷3 叫。 现在，国外已经开始全面取代a g c d o 电接触材料。在国内，科研所及企业虽 然在替代a g c d o 取得一些成果和专利，但还没一家能大规模生产，要全面取代 a g c d o j 还要一段时间。 2a g s n o ：( 1 0 1 2 s n o ：)系列电触头材料 a g s n 0 2 电接触材料引起世界范围的关注始于2 0 世纪7 0 年代中期。日本学者在 9 高压 g c u 复合触头制器j 性能研究 第七届国际电接触会议上公开了用合金内氧化法制备a g s n 0 2 触头材料。此后，对 a g s n 0 2 材料的研究工作显著增多，在成分、工艺、材料物理性能、电气使用性能 以及物理机理等各个方面都得到了较为深入的研究。 a g s n 0 2 电接触材料是将具有抗电弧烧蚀和耐腐蚀性能的s n 0 2 颗粒均匀分布 在a g 基体中形成的一种电接触合金材料。a g s n 0 2 电接触材料是目前最理想 a g c d o 替代材料。但a g s n 0 2 电接触材料的性能也存在不足接触电阻增大，温 升较高，严重影响了电气使用性能；加工异常困难，产品成品率低，成本增加； a g s n 0 2 于a c l 和a c 4 ( i e c 6 0 9 4 7 4 1 1 9 9 0 、g b l 4 0 4 8 1 4 1 9 9 3 接触器标准规 定：交流接触器划分为a c l 、a c 2 、a c 3 、a c 4 四种使用类别，所谓使用类别是 指其所带负载性质及工作条件，a c 4 类用于笼型异步电动机的起动，及短时反复 接通和断开的电容器及照明电路) 条件下虽然有很高的电寿命，但在a c 3 ( a c 3 类用于笼型异步电动机的起动，但在运转时断开) 条件下其电寿命l t , a g c d o 还短， 且电弧烧蚀率大。为了解决以上问提，国内外学者主要从三个方面着手，并取得 一些的成果。 首先，通过添加剂来改变a g s n 0 2 材料电气使用性能。在银氧化锡电接触中， 添加一种或多种金属氧化物添加剂( 如i n 2 0 3 、b i 2 0 3 、c u o 、w 0 3 、f e 2 0 3 、r u 0 2 、 l a 2 0 3 等) 来改变其性能。添加剂的主要作用，使s n 0 2 颗粒悬浮在渣层中，进而 改善接触电阻和温升问题。曹曙光等口研究表明，稀土元素( l a 、c e 、y ) 的掺 杂能够降低触头材料的内氧化温度，细化合金的显微组织及晶粒，提高合金的硬 度等。王家真等口2 1 研究发现，通过添加c u o 能够改善a g 对s n 偏聚的润湿性。加入 c u o 后，液态a g 渗入氧化物颗粒间隙，同时发生氧化物向a g 区扩散，形成牢固的 润湿界面，减少形成氧化物聚合区的几率，可有效降低开关操作过程中的温升， 从而减少a g s n 0 2 电接触材料在电弧作用下接触电阻的提高。现在，对于添加剂的 报道较多地集中在对a g s n 0 2 电寿命影响的研究方面。较少有文献其对a g s n 0 2 材 料的烧结性能及烧结体组织进行探讨。 其次，发展新的制备工艺来改善a g s n 0 2 的加工性能。研制新电接触材料的制 备方法是目前电接触材料研究的热点问题。a g s n 0 2 材料的物理性能和电性能的 好坏在很大程度上取决于粉末制造工艺，即a g 粉末和s n 0 2 粉末的最终制取粒度和 s n 0 2 在a g 基体上的分布状况。所以要提高a g s n 0 2 接触材料的综合性能，实现大 规模商业生产，从而全面替代a g c d o ，必然要求我们不断发展改善新的制造加工 工艺。采用内氧化法，可以批量生产银氧化锡氧化铟( a g s n 0 2 i n 2 0 3 ) 电触头 材料；采用共沉淀法制备a g s n 0 2 材料己获得国家发明专利旧3 i 。西安交通大学利 用高能球磨技术制备纳米a g 和s n 0 2 粉末，经热压烧结后得n s n 0 2 颗粒均匀分布 于银基体上的组织结构口4 1 。昆明理工大学与昆明贵金属研究所采用具有自主知 识产权的反应合成技术制备a g s n 0 2 材料获得成功5 q 引，所制备的材料具有接触 1 0 坝t ：论文 电阻小、硬度低、便于冷加工的特点，为a g s n 0 2 材料的规模化生产提供了有力的 技术支持。 最后，积极发展纳米a g s n 0 2 电接触材料。随着电接触器件小型化、高集成度 和精确性要求的不断提高，促使材料尺寸越来越小，性能越来越高。纳米技术正 好符合这一要求。应用纳米技术可以使电接触材料晶粒超细化，导致材料的蒸气 压、电导率、热导率、强度及硬度等许多性质发生明显变化，并随之引起材料微 观组织的进一步均匀化及电性能的改善。郑冀等b 7 。3 8 1 通过溶胶一凝胶法制备s n 0 2 粉末，并通过掺杂t i 利用化学包覆等工艺改善了s n 0 2 的导电性能及其和a g 的浸润 性，用这种改性后的s n 0 2 粉末制成a g s n 0 2 电接触材料，降低其接触电阻，改善了 组织的均匀性，提高了机械加工性能。l e e 等们通过机械合金化( m a ) 工艺制备 t a g s n 0 2 纳米粉末，然后用热挤压技术制备了致密的纳米s n 0 2 粒子弥散强化的纳 米a g s n 0 2 ，这是一种性能良好的电接触材料。有研究表明n0 1 ，纳米电接触材料中 纳米相在一定条件下可以使电弧由收缩型转变为扩散型，从而使得电弧均匀分布 在触头表面，利用这一特性通过细化a g s n 0 2 中的s n 0 2 至纳米级尺寸，可以降低 a g s n 0 2 材料的电弧腐蚀率。 3a g z n o ( 8