几种金属元素对银基电触头材料的影响作用

1、维普资讯 几种金属元素对银基电触头材料的影响作用马战红等23几种金属元素对银基电触头材料的影响作用马战红陈敬超周晓龙张剑平(昆明理工大学材料与冶金工程学院，昆明 650093)摘要在银基电触头材料中通常添加有利于材料性能的金属元素，这些元素对材料的作 ,非常重要gl ，-t&4,L素的影响作,gl作 了意义描述。关键词银基电触头 金属元素 添加物 作用Effectof SeveralM etal Element on Silver M atrix Contact M aterialsM A Zhanhong CHEN Jingchao ZHOU Xiaol

2、ong ZHANG Jianping(The Faculty ofM aterials and M etallurgicalEngineering，Kunming UniversityofScience and Technology，Kunm ing 650093，China)AbstractSome metalelements are often added to silver matrix contact materials to improve their properties，and these elements action on the materials is very impo

3、rtant，In this paper，the effect of every element isreviewedKey wordssilvermatrix contactmaterials，metalelement，addtives，effect0 前言电触头亦称触头或接点，在高、低压电器中起着接通、分断、导流和隔离电流的作用，是高低压电器的关键元件之一。其性能的好坏直接影响开关电器容量、寿命及可靠性。早 期的电触头多采用纯银，但银的硬度不高，抗熔焊性和耐磨性差，并且电寿命低 。出于改善 电触头性能及节银的目的，发展了系列银基电触头材料，包括 AgCdO、AgSnOz、AgZnO、AgNi

4、、AgW 、AgC等材料 。在这些银基电触头材料中，加入各种金属或金属氧化物对材料的性能有重要影响l2，使得材料的性能逐步满足电器行业对电触头材料的要求，下面介绍几种金属元素对电触头材料性能的影响。1 非银金属对电触头的作用在银基电触头材料中，有的金属元素可以作为材料的主要成分，例如 AgCdO、AgSnOz材料 中的 Cd、Sn，有 的则是作为改善性能或改良工艺路线的添加成分，用量较少。现将主要成分及添加剂分别介绍。11 主要成分元素(1)镉 (Cd)AgCdO材料具有好的耐电磨损、抗熔焊性和接触电阻低而稳定的特点，在 2o世纪七八十年代曾广泛应用于中等功率的电器中，该材料具有良好的性能与

5、Cd的作用 (确切地 说是CdO的作用)分不开。Cd的作用主要是：CdO颗粒弥散强化可以改善机械性能；弥散的氧化镉颗粒能增大熔融材料的粘度，减少金属的飞溅损耗；在电弧作用下氧化镉分解，从固态升华为气态 (分解温度约为 900。C)，产生剧烈的蒸发，起着吹弧的作用，并清洁触头表面； 氧化镉分解时吸收大量的热，有利于电弧的冷却与熄灭； 氧化镉具有高挥发性和低的接触电阻 (OO10O5Q cm)，因而在触头表面不会造成导电性差的膜层，从而保持触头电阻低而稳定。氧化镉含量在 12 15 时可以保持最佳性能。虽然 AgCdO 材料具有良好的性能，但随着开关操作次数的增加，CdO升华会造成氧化物被耗掉，触

6、头表面形成一个 AgCd合金层会降低材料的耐电弧侵蚀和抗熔焊性，使得 CdO的有利作用下降 ，要改善 材料的性能，必须加入添加物。(2)锡 (Sn)SnO：具有化学和热稳定性良好、升华和分解温度高 (分别为 1800。C和 2250。c)等特点，SnO：粒子在 Ag熔池中使其粘度增大，熔化金属不易产生喷溅，电弧侵蚀小，由于 SnO：的热稳定性高，电弧多次作用后 SnOz成分仍 然能在触头表面保留，使熔池粘度不致因电弧的多次作用而降低，能长期保持电弧侵蚀小的特点。另外，SnO：具有脆性，且不易被电弧分解，因而有很好的抗熔焊性及稳定性n 。但是 ，由于 SnO：是高硬度、高切变模量的脆性增强相，因

7、而产生较强的弥散强化效果，使得 AgSnOz材料难 于塑性形变加工 1 。AgSnO：材料在实际应用中比 AgCdO 材料的接触电阻和温升高，这是由于 SnO：颗 粒不能被 Ag润湿而 逐出，在 Ag冷 凝后形成一金属氧化物层，而使其接触电阻和温升提高 ，改善 方法是加入添加物，改善润湿性。(3)锌 (Zn)银氧化锌电触头材料有抗熔焊能力强、耐电磨损性能好、*国家科技攻关(编号：2001BA326C)和云南省科技攻关(编号：2000B301)联合资助项目 Email：Mazhanhong163com维普资讯 24材料导报2002年 11月第 16卷第 11

8、期接触电阻小且稳定等特点。zn在材料中所起的作用主要是：ZnO熔点和分解温度均为 2000。C左右，在短路电流和强电弧作用下，ZnO 不易分解，能够保持其坚固的“骨架”作用。ZnO弥散分布在 Ag基体中 ，可以把 Ag分解成许 多小“区域 ”，使 得电流分布于许多小“区域”中而不致于集中在一个面上，适当降低了电流密度，从而降低了触头熔焊倾向。在开关通断过程中，ZnO 阻止了熔融状态的银被电弧吹开。从而避免 了金属大量流散和飞溅，使得材料耐电磨损性能好。12 添加物的作用许多具有优良性能的电触头材料，如 AgCdO、AgSnOz等都是通过加入适量的添加成分获得的，大量的实验和运行经验告诉我们，在

9、电触头材料中加入不同的添加物和采用不同的制造方法，将对材料的运行性能产生重大影响l】 。现将不同添加物的作用分述如下。(1)铟 (In)In主要是在合金内氧化法制造 AgSnO 材料中起作用的。单纯的银锡合金不易用合金内氧化法制得银氧化锡材料，这是因为锡的表面致密氧化层阻碍了氧原子向材料内部扩散的缘故。这时可加入铟 ，从化学热力学来看，铟形成氧化物的自由能和热效应比锡的大，但银锡铟合金内氧化时，由于铟比锡易于氧化，可起晶核作用，同时铟的氧化物比较松散，使氧原子便于扩散而形成银一氧化锡一氧化铟沉淀强化型材料，当铟含量小于 2wt 时效果不明显，而内氧化前合金锡铟总量以不大于 12wt 为宜，为了

10、节约稀有金属铟，采用35wt 的铟加入量1。 ，此外，铟的添加也改变了微观结构，使在开关面垂直方向上形成有序排列的针形氧化物，限制了电弧作用产生的活动性，同时也起了机械固定作用，使得内氧化 AgSnOzInzO 材料的耐烧损性更好2 。(2)稀土 (RE)高纯 Ag在室 温时存在自然回复现象，使强度性能和电阻率降低，影响银材的使用，RE元素具有固溶强化和膨胀晶格、钉扎位错和降低位错能以及细化晶粒的作用，使位错处于更稳定状态并增大晶界面积，从而对位错攀移和晶界迁移都有明显的阻碍作用，不利晶格回复和再结晶形核长大，使之延缓到更高温度2 。此外 RE元素对贵金属表现了显著的强化效应，包括提高硬度、室

11、温强度、高温瞬时和持久强度、蠕变寿命和弹性模量2等，在合金熔炼过程中，稀土元素具有净化杂质的作用。稀土元素对电触头材料的作用主要是：在保持基体金属优良导电性和导热性的前提下，稀土元素对基体具有明显的强化作用；细化晶粒和提高再结晶温度，从而提高材料的稳定性；接触电阻小而稳定；增加了抗电蚀能力和抗粘连性 。含稀土电触头材料已获得广泛应用，在一些应用中已成功取代 AgCdO 材料，这对减少公害、降低成本有重要意义。(3)铋 (Bi)在 AgSnO2电触 头材料中添加适量的铋，可改善液态 Ag对 SnOz颗粒的润湿性 ，防止 SnO 在晶界析出，当 Ag凝 固时SnO 不被逐出至表面形成氧化物层，而是

12、在基体内重新分布形成细胞状组织，因此以后在电弧的作用下，其对运行性能有益的各项指标会大大提高。另外 ，添加铋会使材料形成黄绿石结构 BiSnO ，此复合物会升华，明显提高抗熔焊性及抗损耗性，提高滑动触头的耐磨性ll。在 AgCdO 电触头材料中添加 Bi可使材料 电损蚀性大幅度下降 。(4)锑 (Sb)在 AgSnO 材料中添加 Sb可 防止触头材料的异常损耗。触头材料由于电弧及焦耳热的作用，产生电弧的触头表面温度最高，由表面向内部，由电弧区中心向外沿温度逐渐降低。在频繁开闭过程中，触头受到加热、冷却造成的交变热作用，在品粒粗大的情况下容易造成触头扭曲、开裂掉块的异常损耗。一般来说 ，触头表面

13、有适当的氧化物挥发，可起净化、吸热作用。SbO 在比较低的温度下，即有比较高的蒸气压，SnOz在比较低的温度下其蒸气压比较低，而在高温下蒸气压比较高。Inz0 在高温时蒸气压也比较低。触头 中只有高温下蒸气压高的成分，在电弧下其损耗激烈。反之 只含有高温下蒸气压低的氧化物，则没有净化、吸热作用。添加 Sb0 ，使触头中同时含有 SnO 、InzO。、SbzO。，于是从电弧形成到熄弧的整个过程中，都有适当的挥发，保持触头表面清洁并有适当的吸热作用。添加 Sb后 ，触头材料晶粒很细为 5O150pm，而 AgCdO的晶粒一般为 10O500pm。因此 ，内氧化的体积效应残留的畸变都存在于晶界中，发

14、展成无数微细裂纹，吸收触头工作产生的交变热应力，避免了触头的扭曲、开裂以致脱落的异常损耗。(4)锂 (Li)对碱金属的作用尚有争论，有的研究表明，在 AgCdO 中加入 100ppm 以上的 K、Na、Li等碱 金属能导致材料的电弧侵蚀稍稍增大，而使闭合熔焊能力稍稍减小 。 ，添加 Li可引起细化晶粒的作用，提高抗熔焊性及抗电损耗性。Li还可促进氧化，缩短内氧化时间，同时 Li0 有断弧作用，可提高AgSnO2一In2O 的断流性能 。文献 E283研究了 Li对 AgSnO 系电触头材料组织和性能的影响，结果发现，在加入 Li的 AgSnO 一InO 材料中，不存在对触头性能不利的片状组织，

15、氧化物质点呈团状弥散分布，SnOz、InzO 、InzO “共 生”在一起，使材料的电弧选择性侵蚀作用减弱，不再因选择性侵蚀作用使 Ag熔 融溢出形成熔珠及气化喷溅形成蜂窝状空穴。触头表面平 整、呈金属性光泽的微小接触点均匀弥散分布，没有熔珠、熔融状及蜂窝状空穴。(5)其它金属元素粉末烧结挤压所制 AgSnOz的接 触电阻和温升较高，加入添加剂如 WO 或 MoO 可以在触头截流时明显改善其温升特性 ，加 Mn可改 善氧化组织均匀性，提高抗熔焊性，但添加量不能太多。应 用合金内氧化法制备 AgSnO 材料时，加入 Te可 改善 AgSn合 金的内氧化能力，同时可以提高内氧化速度，得到的材料组织

16、均匀，颗粒细小0 。在 AgCdO 材料中添加微量的 Mn可提高 耐损蚀性和抗熔焊性，接触电阻低而稳定_2 ；在 AgCdO 材料中加入适量的 GeO 和 Ta0 可维普资讯 几种金属元素对银基电触头材料的影响作用4 战红等25以改善触头表面的抗熔焊性及抗电弧侵蚀性 m。 。IEEE Tran Comp Hybrids ManufTechnol，1984，(1)：3917 黄道荣银氧化锌新型电触头材料及其应用低压电器，5 总结非银金属元素 (或其氧 化物 )在银基触头材料中起着重要的作用，已成为触头材料不可缺少的组分。银基触头 材料已发展成为 AgCdO、

17、AgSnO 、AgNi、AgW 、AgZnO 等多种系列，应用在不同领域，在这些触头材料的每个系列材料中，都有或多或少的添加成分，它们可以改善触头材料的不足之处而不影响其良好的性能。在触头行业里 ，银基触头系列产品不会发生太大变化，但微量元素的添加在不同的研究中也会大大不同，这需要我们进一步努力研究和探索，以找出最适合的添加成分。参考文献1980，(4)：2918 程礼椿，等 制造工艺与添加物对银金属氧化物触头材料运行性能的影响与作用 (I)、(II)低 压电器，1994，(2)：51；1994，(3)：4719 徐锦祥，等新型多元银氧化锡铟电触头材料稀有金属材料与工程，1987，(6)：30

18、20 Verma A ，et a1Internal Oxidatioa of Rapidly SolidifiedSilverTinIndium Aloy PowdersJ M ater Sci，1992，27：562321 史久熙 粉末冶金电触头材料上海金属 (有色分册 )，1990，(2)：3522 赵华人编译 电触头用内氧化三元合金电工合金，1995，(3)：371 吴志新AgNi10电触头材料的研制上海有色金属，1994(2)：1012Shen YuanShou，et a1DTA and TGA studies of Four AgMeO ElectrialContact M ater

19、ialsIEEE Tran Comp HybridsM anuf Technol，1985，(1)：583 陈文革，谷臣清电接触材料的制造、应用与研究进展上海电器技术，1997，(2)：124 程礼椿，等触头材料近期发展评述电工技术杂志，1997，(2)：25 张冠生主编 电器理论基础机械工业出版社，19971716 邵文柱，等电接触材料的发展与现状电工合金，1999，(1)：117 郑天丕，周峻峰继电器制造工艺使用电子工业出版社 ，1996488 张万胜编译AgSnO 触头材料在低压电力工程开关装置中的应用准则电工合金，1995，(4)：309 刘辉，等汽车电器用新型触头材料研究电工合金，1

20、998，(3)：2110 堵永国，等AgSnO 线材单轴拉伸变形特性研究电工合金 ，1995，(1)：2111 王宝珠，等添加物 Biz0。对触 头材料 AgSnOz的显 微组织影响电工合金 ，2000，(3)：712 程礼椿，等添加物对 AgSnOz触 头材料运行性能的影响与作用电工合金 ，1995，(2)：713 凌锡棕无触点电器替代有触点电器的趋势以及有触点电器触头材料的开发 (II)低压 电器，1995，(4)：5214 MayerU，SaegerK E粉末冶金触头材料的某些发展86年国际粉末冶金会议论文选，198623315 徐建刚对 多元银氧化锡触头材料的探讨上海 金属 (有色分册

21、 )，1993，(12)：116 Shen YuanShou。eta1A Study on Manufacturing Silver Metal Oxide Contacts from Oxidezed A1loy Powders23 宁远涛贵金属一稀土合金的结构、性能和新材料研究贵金 属，1994，(12)：6124 黎鼎鑫，等稀土元素对银的再结晶及晶粒组织影响贵金属，1988，(4)：125 龚家聪，等国外银基粉冶电接点材料的研究近况贵金属，1988，(4)：5626 张万胜电触头材料国外基本情况电工合金 ，1995，(1)：127 KarlHeinzSehroderSilverM etalOxides asContactMa terialsIEEE Tran Comp Hybrids ManufTechnol，1987，(1)：12728 龚家聪，等锂对 AgSnOz系 电接点材料组织和性能的影响功能材料，1991，22(3)：13529 Gengenbach，et a