电接触材料分类优化：了解电接触材料的分类方法

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：作为高、低压开关电器的关键部件，电接触材料是制约触头性能的主要因素。电接触材料性能的优劣直接决定整个电器或系统的使用寿命及运行可靠性。表3-6常用电接触材料分类过去，Ag-CdO系电接触材料在低压电接触材料中占据主导地位。Ag-CdO系电接触材料之所以具有如此良好的性能，与CdO（氧化镉）的下述作用分不开。近年来，随着纳米技术的发展，新型纳米Ag-SnO2电接触材料的研究与应用是其今后发展的一个方向。

作为高、低压开关电器的关键部件，电接触材料是制约触头性能的主要因素。电接触材料性能的优劣直接决定整个电器或系统的使用寿命及运行可靠性。

对电流为几安培以下的弱电电器，应着重考虑电接触材料接触的可靠性、耐腐蚀性、抗氧化性和使用寿命；对几十安培及以上的强电电器应关注电接触材料的抗熔焊性、耐电侵蚀性及对灭弧性能的影响。

电接触材料的种类很多，常用的有纯金属、合金、碳素等，常见电接触材料分类如表3-6所示。

表3-6　常用电接触材料分类

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过去，Ag-CdO（银-氧化镉）系电接触材料在低压电接触材料中占据主导地位。Ag-CdO系电接触材料之所以具有如此良好的性能，与CdO（氧化镉）的下述作用分不开。

（1）CdO颗粒增大了熔融材料的黏度，减少了金属的飞溅损耗，改善了材料的力学性能。

（2）CdO在电弧作用下分解，从固态升华为气态（分解温度约为900℃），此时产生的剧烈蒸发起到了吹弧的效果，同时还清洁了触头的表面，减小了触头的接触电阻。

（3）CdO本身具有高挥发性和低的接触电阻，在触头表面不会形成导电性差的表面膜层，也有利于保持触头电阻低而稳定的持性。

（4）CdO分触时吸收了大量热量，这有利于电弧的冷却与熄灭。

根据不同开关电器的使用要求，Ag-CdO材料中CdO的考量范围为（9～15）wt%。实践表明，当CdO含量在（12～15）wt%时，Ag-CdO材料的各项性能最佳。尽管Ag-CdO材料有良好的性能，但随着开关操作次数的增加、CdO的升华，氧化物将被消耗掉，在触头表面形成一个Ag-Cd（银-镉）合金层，从而降低了Ag-CdO材料的耐电弧侵蚀和抗熔焊性，使CdO的有利作用下降。因此，需要采取加添加物（如碳纤维管）的方法来改善材料的电导率、硬度、电弧侵蚀速率等性能。

从20世纪70年代开始，Cd元素及其化合物因在Ag-CdO材料的生产、使用和回收过程中所出现的“Cd污染”问题引起各国政府及材料生产、科研及其相关用户的高度重视，不少国家开始从法律政策上限制Ag-CdO材料的生产使用。2002年在“关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质的指令”（简称“RoHS”指令）中要求，从2006年7月1日起，投放市场的电子电气设备不得包含镉等6种有害物质。尽管由于多方面原因，该指令中关于Cd的使用限制暂时得以豁免，但欧盟各国仍自觉抵制在电子电气设备中使用含Cd材料，拒收进口含Cd的电子电气设备，这对我国目前仍使用Ag-CdO作为电接触材料的各种低压开关电器以及包含有此类低压开关电器的工业与民用产品的出口产生了巨大的负面影响。随着社会环保意识的逐渐提高和“RoHS”指令影响的逐步深入，有毒的Ag-CdO被其他无毒材料替代是必然的趋势。目前，国内外已开发出的可替代Ag-CdO的商用银金属氧化物和银基合金电接触材料有Ag-ZnO、Ag-SnO2、Ag-SnO2 In2 O3、Ag-CuO、Ag-Bi2O3、Ag-C、Ag-Ni、Ag-W等系列产品，特别是利用高能球磨技术和热压烧结工艺开发的纳米复合银基合金和银金属氧化物电接触材料。

近年来，随着纳米技术的发展，新型纳米Ag-SnO2电接触材料的研究与应用是其今后发展的一个方向。由传统Ag-Ni和Ag-SnO2触头与纳米复合Ag-Ni和Ag-SnO2触头的电弧侵蚀形貌对照可知，经过相同条件电弧侵蚀后，传统材料的表面电弧侵蚀集中、区域较小、深度较大，尤其是Ag-Ni合金的电弧侵蚀形貌呈现弹坑状；而纳米材料的侵蚀区域较大，约为传统材料的2倍，有明显的分散电弧现象。从高倍组织形貌看，传统Ag-Ni材料的表面有明显的熔池痕迹。传统Ag-SnO2的表面有凹凸不平的旋涡状金属熔融和液体飞溅痕迹。反观两种纳米材料，它们都呈现细小的岛状熔渣，没有出现向四周飞溅的形貌和熔池痕迹。究其原因，一方面是纳米氧化物的表面效应增加了熔融液体的黏度，使其无法喷发飞溅，只能留在原位，形成小岛状熔渣；另一方面，纳米化使氧化物分布更均匀弥散、相距更近，燃弧后，电弧易于通过氧化物使热量向周围迅速扩散，使电弧侵蚀区的温度降低，因而不会出现明显的熔融飞溅形貌，表现出较好的耐电弧侵蚀形貌。

还可发现，当第二相细化到纳米级后，触头的内部结构和晶界状况都已经发生了改变，电弧燃弧时产生的热量能较均匀地分散在触头表面较大的区域，从而有效地降低触头的烧蚀，使纳米触头呈现出优于传统触头的电弧性能。

按照触头上通过电流的大小、电接触的结构形式等选择电接触材料如下。

（1）在弱电流下，电接触材料常用Cu、Ag、Pt；铜银合金、铂合金及Au。

（2）在中、强电流下，电接触材料常用铜、黄铜、青铜、银合金及其他合金，其中，金属陶冶（粉末冶金）材料被大量使用。

金属陶冶（粉末冶金）材料，又称为粉末冶金材料，是由2种或2种以上的金属粉末经混合压制及烧结而成，是彼此不相熔合的机械混合物。它常常用作大容量触头的电接触材料。金属陶冶材料综合了所含的各种材料的优点，有良好的耐热、耐弧、耐磨性能，价格低等优点。缺点是电导率较低，为此常将其做成薄片焊在触头的接触面上。

例如，铜-钨陶冶材料，以高熔点的钨与高导电性能的铜采用粉末冶金的方法制成。具有导电性能好、在电弧作用下烧损小、钨-铜价格较便宜等优点，成为开关电器中广泛使用的电接触材料。其缺点是在大气中易氧化、接触电阻不稳定。在油断路器和SF6断路器中，常用的是含W量为80%的钨铜合金。

（3）固定电接触选材常选Al，在实际工作中，在其上常常覆盖有Ag、Cu、Sn等材料，目的是降低接触表面的接触电阻，以减少静熔焊。

（4）真空开关电器所用电接触材料，除有一般电触头的性能要求外，还要求触头表面特别洁净、电接触材料的抗熔焊性能更高、材料有坚固而致密的组织，且截流值小、本身含杂质很少等。

习题3

1.电弧对电器是否仅有弊而无益？

2.电接触和触头是同一概念吗？

3.触头的分断过程是怎样的？