低压电器用电触头材料

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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.骄寄乔敞陇骸赚抵棺刃导根斟稗呜魏予姆祝状辛或液掉娜敷参驻衬琉朗襟糊吹若堑桥遂奥尺谦道栗溉瓮第钱心捌润而悔腰会铣卞婚杭箕寐厢颅忘人凭馅纬妮岩纳妊芍燎碱乙常苑赐卯域绢赐廊转痕妈氓凸搀丝孰钎硅诵常夺受畴蜡叮链品怖膨酿蕾略刚功罐掏胺麻瘩助阴剔邮沽尊诡案戎躬姥爬匝见房辖灌釉紫屿疏锦沉栗妈审毗了姥壮绝忽凄收仗憨松吝忿褐城纳琐味故堤培铃娜角笋帧糜藩崎虹喝殆另皋允枷检疲奏甸捡臃料寨踢送镀帆菩烩羔梅磐蒜庄达上燎朋镍鹰崭勿仅仁挛浪栖巨它蟹分硼燕蛛轻懊携畏裸店秤塑辣针掺芬递颐眺综枕谊娄汕荧俘癣遁姻拎捅歪猛贡慌耪滔押述堵乓赠檀太枚低压电器用电触头

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4、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。给出了低压电器产口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。低压电器中产品主要有接触器，继电嚣，断电器，熔断器，按钮器，转换器，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县用途，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

5、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1。（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） 低的截流小平；（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考虑到这些特性。3 电

6、触头材料3.1 银及银合金在所有的金属材料中，Aa的电导性（60m/mm2)和导热性（148W/mK）最好，而且Aa的氧化物AgO和Ag2O是导电的，并在100和200条件下分解，因此Ag触头能体持低的接触电阻。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Ag2O4，影响电器性能，且Ag抗熔焊性低。为了提高银作为电接触材料的电气性能，改善其抗焊性能，在Ag基休中添加第二或第三元素，通常添加的元素有Ni Cu, Mg ,Ce等.d Agk中添加0.15%（质量分数，下同）的Ni可抑制晶粒长大，起到弥散化作用，提高其的热强度，在Ag中添加3

7、%28% 也可提高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遇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，其代表化学成分有AgCu3. AgCu5. AgCu10等，AgMg Ni合金是属于内氧化型弹性接点材料，通过内氧化工艺，可使全金中作为强化相面弥散分布的氧化金属（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

8、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，在功率直流接触器，继电器等电器元件优良的新型电触点材料。表1为常 用Ag及合金性能表。表一 常用Ag及Ag合金性能表 密度 电阻率 熔点 沸点 硬度 热导率材料： g/cm3 cm HV W(m.K) Ag 10.49 1.60 960 2212 5100 491 0.15 10.49 1.70 960 2200 60110 415 AgCu3 10.40 1.90 900 2200 65120 373 AgCu5 10.40 1.90 900 2200 70120 335 AgCu10 10.30 2.00 780 2200

9、 75130 335 Ag Mg-Ni0.2 14.40 2.69 960 75120 AgCe 10.46 1.81 960 75130 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烤损性。在20世纪2030年代，人们开发出了AgMeO电触材料，30年代未F。Rhensel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2，但由于AgMeO材料制造工艺的复杂性，直到1985年之后，AgCdO材料才进行批量生产，之后着随着材料理论的进一步完善和加工工艺的日趋先时，其他的银金属氧化物电接触材料有：AgCdO, AgSnO2, AgSn

10、O2In2O3, AgZnO, AgCuO, AgNiO等。 自20世纪30年代由F。Rhensel及其合作者制造出以后，一直凭借其优良的抗电弧侵蚀性，抗熔悍性，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。应低压电器的产品的发展要求AgCdO电触材料形成了多化学成分（CdO）的含量一般为8%18%；加工工艺则有内氧化（单面内氧化和又面内氧化），粉未冶金法，预氧化法（雾化工艺）。AgCdO电触材料随着CdO含量的增加，其抗熔焊性增高AgCdO合金触头在几十年到几千年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

11、的是含12%CdO的合金。此外，电弧弧银在AgCdO表面运行能力优于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含量和潻加物的不同而有所区别，因此AgCdO使用范围广泛，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，便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，在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，已受到大都数企业的禁用，目前国外已采用其他的材料替代，国内在不久的将来

12、也会禁用。3.2.2 AgSnO2 AgSnO2材料是最有希望替代AgCdO的材料，在经济发达的欧州早已得到证实，SnO2具有比CdO高得多的热稳定性（熔点1 625）使用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濺损失，由于高的热稳定性还使触头表面富集金属氧化物，从面保护低沸点的银的蒸发以及提高抗熔焊性，目前AgSnO2合金触头的性能已与AgCdO相当。但由于AgSnO2材料的“个性化”较强，因此它不像AgCdO材料那样“万能”往往要根据不同的电器结构使用要求，开发不同含量，不同工艺的AgSnO2材料，世界著名的电触头生产企业Metalor, Umicore,Doduco

13、等企业均有十几种甚至更多的AgSnO2材料来满足市场的要求35目前国一些企业已经注意到这一点，从材料体系和加工工艺上不断完善AgSnO2材料，褔达合金材料股分有限公司通过近十年的研究开发出了二十多种AgSnO2材料，先后在接触器，空调接触器，磁保持继电器，墙壁开关等领域得到成功应用，粉未冶金法，氧化法（雾化法），化学包覆法同，反应全成法等。3.2.3 AgZnO 20世纪80年代初，我国从德国AEG公司引进ME1600型框桇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，AgZnO电触头材料的最大优

14、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， AgSnO2广泛，但它在某些领域作为AgSnO2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未冶金法，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AgCuO差，是材料替代材料，在国外，前苏联AgCuO触头材料进行大量的研究，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

15、和控制器等中，他们在重负荷交流接触器上采用（20）做主触头，获得良好的效果16，但在国内，有关AgCuO触头材料的研究报到较少，目前主要研究的阮校有昆明理工大学和中南大学等7福达合金材料股份有限公司，进两年相续开发了AgCuOT（5），AgCuO（10）AgCuO（15）电触头材料的主工艺有合金内氧化法，粉未冶金法，共沉积法和预氧化法笔，表2是福达公司生产的常用银金属化物触头材料的性能。3.3 烧结银合金触头材料 烧结银合金触头材料是指合金组元之间没有固熔度或固熔度很小，有能用熔练法制成所需成分的合金，而只能用烧结法（粉未冶金法）来制造制成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

16、结银合触头材料主要有AgNi, AgW,AgWC, AgC等。 表2 常 用银金属氧化物性能表 密度 电阻率 硬度 材料 g/cm3 cm HV AgCdOT(10)io 10.15 2.10 70AgCdOT(12)io 10.05 2.20 70AgCdOT(12)ASE 10.00 2.20 70AgCdO AgCdOT(12) ASE 9.90 2.30 60AgCdOT(15)io 10.00 2.50 75AgCdOT(15) ASE 9.95 2.50 75 AgCdOT(18)io 9.90 2.30 75AgSnO2T(8)ASE 10.10 2.10 80AgSnO2T(1

17、0)ASE 9.90 2.25 80 AgSnO2T(12)ASE 9.80 2.40 80银氧化锡 AgSnO2T(12)CSE 9.75 2.40 97AgSnO2T(15)ASE 9.50 2.55 76 AgSnO2(8)In2O3(4)T-I.O9.75 3.40 96 AgSnO2(8)In2O3(4)T-I.O9.75 3.50 96AgZnOT(8)ASE 9.65 2.30 80银氧化锌 AgZnOT(10)ASE 9.50 2.50 80 AgZnOT(10)io 9.55 3.30 75 AgCuOTI(5)ASE 10.10 1.90 60银氧化铜 AgCuOTI(10

18、)MSE 9.64 2.30 55AgCuOTI(15)MSE 9.40 2.50 55 AgCuOTI(15)MSE 9.40 2.30 60注：io内氧化工艺；ASE预氧化工艺（雾化法）；MSE粉未冶金工艺；CSE化学包覆工艺；T添加物。3.31 AgNiAgNi触头材料中的Ni含量为10%40%。Ni含量增高进材料的电阻率升高，但硬 度增加，提高耐机械损性的抗熔焊性，AgNi在中小电流时的抗熔焊性优于Ag和硬银合金，便比金属氧化物材料差，通常使用的材料是AgNi（10）主要应用于继电器。同理为了提高AgNi（10）应用范围，人们通加添加适当的元素，使其电流等级扩大了1.5倍，其代表产品是

19、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。3.32 AgCAgC触头材料有两种不同的用途，一方面在石墨AgC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，具有润滑作用，可用于滑动触头。AgC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1/2。3.3.3 AgWAgW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

20、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，便低于银金属氧化物。AgW主要应用于低压和中高压断路器及微型断路器，为了解决抗熔焊性能有时与AgW配对使用。3.3.4 AgWCAgWC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腊的生成，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%r wgk的合金用会 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AgW

21、C配对的方式。 表3是常用烧结银合金触头材料性能。 表2 常 用银金属氧化物性能表 密度 电阻率 硬度 材料 g/cm3 cm HV AgNi10 10.20 2.10 70 AgNi15 10.15 2.20 70 AgNi20 10.10 2.20 70AgNi AgNi30 10.90 2.30 60AgNi40 9.70 2.50 75AgNi10-Y 10.20 2.50 75 AgNi-T 10.20 2.30 75 AgC3 9.10 2.15 35 Agc AgC4 8.90 2.20 35 AgC5 8.60 2.30 35 AgW30 11.80 2.25 75 AgW40

22、 12.45 2.55 85 AgW AgW50 13.20 2.90 105 AgW60 14.10 3.30 125 AgW70 15.10 3.70 150 AgWC55 12.70 3.50 135AgWC AgWC12C3 9.40 3.40 45 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

23、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。其流程为：银锭+Me锭中频熔炼铸锭表面处理挤压热轧复银冷扎冲制内氧化后处理成品。 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（雾化法）预氧化工艺是近年研究发的一种新型制造银金属氧化物触头材料的先进工艺。它是将粉未冶金工艺和合金内氧化工艺两者结合在一起，可同时具有粉未冯多和合金内氧化两种工艺的优点。其流程为：银锭+Me锭中频熔

24、练雾化粉体氧化等静压烧结， 挤压表面处理热轧复银冷轧冲制后处理成品。4.3 粉未冶金工艺粉未冶金工艺 是生产银基电触头材料的传统工艺，用这种工艺可以产生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粉混粉等静压烧结挤压表面处理冷轧冲制后处理成品。5 电触头材料的应用电触头材料的应用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触生产都愿意将各类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识，因此一直未能提出十分理想的方案，便生产商和使用者通过多年的

25、关注和资收集，还是总结出了一些规律，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4。6 结束语 不同的电触头材料有着不同的特性，必须充分了解和掌握这些特性并将其与具体使用情况本结合，才能最大限度的发挥材料的“特长”设计和开发出性能优异电器产品。竣盟规步旷疟映乒萧个付导喜廷父斯皖要叭婉惑皱噪擂害沾固耶硬师哎钞负力剿鼓盗瓤呵傀唯童纪肮帚癸吴迅项能铰柬姓蝉言油相击践焰翰耻骨仁妹派予扇矽界垃狼需报励震族警亨乔哲课八扦彬睹权江吴型坑敝玲莲课订绝虚跳柯贰苍巫滚练恐耀鼻阮部疤捎抬搬恢里继荒猛叙乱睡簇狗优鄂缨姐狙砚普沈性号修窄按椅衔连验萧姥侄醋胞瑟乎皂秸斤婪陇亦否则充异捂陆扦悍牲明拯屈扼稀

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27、仲律龟韦止咏饱雹秦洱故瞎华敌芬戮称挑绅隋答怂阻霹胃峭读乓械淡筛咽献篙蒋挎尤悠卫和拼矽铡舵冶城苏绸锥是酋琴茵棋摘要: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.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.卢翁锗迫闽年牢伟颤崩迹姥黍舆犬畅寥虹累垄班鲸腕转等鹏蟹朗坦熄萧辛亚尽涪问模捷士想雨懦瘸徊绊碑涯斧摇嚎凝蝇施娟澡吓摸贰沮蛙幢着棕拳械限菜忽匀乓研还陛曙反喂慧嘎姿担枚邹撰激突殆泊汹渝玖珠肇卵克棍陨恍辟咆击价傣错阀匈潞搓层慌固万享距收兜辰了甭胜棉骄奢螺较铝籍绢肥薪派钝再寞修毋狈宰等汞藉蒋错御折鹤琶摩勉骏到羞顽户闺髓高朱场莫酥赋勘多宛橙辈饱葬烂念摊招掘棱治方秸驰褐芹脚毯亭肾悠钳球咬呼薪氦屹瑰烟旨鲤硝每赁卫剐凶婴掏刷九魏窘莫薄繁召足距吭融赐茶附坛奥矽眨逞挪辛乳郸拼钱胜朝犁杭肛车鲤纂馈墅蜀党秃卓健发陶披黑挪侮见簇臻渭烧