供稿|賈成廠,王欣平/ JIA Cheng-chang, WANG Xin-ping

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觸點材料,也稱為電接觸材料、開關(guān)材料、接點材料,是電流傳輸與轉(zhuǎn)換過程中重要材料之一.在觸點材料的工作過程中,會產(chǎn)生電接觸現(xiàn)象,引起觸點材料的溫升、轉(zhuǎn)移、電弧侵蝕,可能導(dǎo)致觸點材料的粘著、粘附與熔焊.觸點材料性能決定了電器開關(guān)的開斷能力和接觸可靠性.對電觸點材料的基本要求是具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能、接觸電阻低且穩(wěn)定、抗電弧燒損性能好、抗熔焊性能高、加工工藝性能好等.觸點材料主要有銀基、銅基等,其制造工藝以燒結(jié)為主.應(yīng)用于繼電器,接觸器,空氣開關(guān),限流開關(guān),電機保護器,微型開關(guān),儀器儀表,家用電器,汽車電器,漏電保護開關(guān)等.

觸點材料,也稱為電接觸材料、開關(guān)材料、接點材料,是電流傳輸與轉(zhuǎn)換過程中重要材料之一.是制備電力、電器電路中控制接通與斷開及負載電流電器 (如開關(guān)、繼電器、起動器及儀器儀表等) 的關(guān)鍵材料.電,對于我們的重要性不言而喻.難以想象,如果沒有電,我們的生活會成為什么樣子.可以毫不夸張地說,在我們使用電的過程中,開關(guān)是必不可少的.這是由于所有的電器不可能是自出廠就一直是接通電源,更不可能是一直斷開電源 (那怎么使用?).構(gòu)成開關(guān)的就是觸點材料.觸點材料負擔接通、斷開電路及負載電流的任務(wù),材料性能決定了電器開關(guān)的開斷能力和接觸可靠性.

那么,是否只需簡單地采用導(dǎo)體材料就可以充當觸點材料呢?讓我們來看一下觸點材料的使用過程.當電源接通時,觸點材料構(gòu)成了電路的一部分,那么只要是與構(gòu)成電路的材料是同一類的材料,就應(yīng)該可以使用;當電源斷開時,電路中沒有電流通過,此時對觸點材料就無需特殊的要求.然而,觸點材料的任務(wù)就是負責電路從斷開狀態(tài)向接通狀態(tài)、從接通狀態(tài)向斷開狀態(tài)的轉(zhuǎn)換.就是在這樣的轉(zhuǎn)換過程中,觸點材料可能會承受各種苛刻的負擔,從而會影響電路能否順利地實現(xiàn)轉(zhuǎn)換及其工作的可靠性.

圖 1 為不同形狀與尺寸的觸點.

圖 1 不同形狀與尺寸的觸點

電接觸現(xiàn)象

在觸點材料的工作過程中,會產(chǎn)生電接觸現(xiàn)象,分述如下.

在接通過程中發(fā)生的電接觸現(xiàn)象包括電弧侵蝕和動熔焊.接通電路是觸點材料的重要功能之一.接通過程中,當具有電位差的兩個觸點的距離非常近時,間隙的氣體被電離,由絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體,發(fā)生電弧放電,使材料產(chǎn)生局部高溫乃至電侵蝕,同時,動靜觸點之間產(chǎn)生的碰撞還會引起機械磨損甚至彈跳,使燃弧時間延長,這樣,在觸點接通時會形成大的沖擊電流,在短時間內(nèi)對觸點材料發(fā)生連續(xù)、多次的作用,這就是"動熔焊".接通過程中電弧持續(xù)的時間非常短.隨著觸點間間隙縮短,由于間隙的預(yù)擊穿而產(chǎn)生放電,使材料熔化或蒸發(fā),繼而固態(tài)接觸.

該過程中發(fā)生的電接觸現(xiàn)象是接觸電阻的變化和靜熔焊.在接通狀態(tài)下,觸點材料是電路的一部分,起作用的是固定電接觸.承載電流、進行電能傳遞和信號傳輸.顯然,觸點材料應(yīng)具有低的接觸電阻,且穩(wěn)定隨環(huán)境變化不大.接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)嚴重時,同樣會導(dǎo)致觸點材料發(fā)生熔化而引起觸點焊接在一起,稱為靜熔焊.當熔焊力超過一定的值時,觸點無法分開,即電路應(yīng)該斷開時卻不能順利實現(xiàn),引起電路不能或者延遲斷開,斷開失敗.

該過程中發(fā)生的電接觸現(xiàn)象主要是電弧侵蝕.斷開電路也是觸點材料的主要功能.如果供給觸點的電壓與流過觸點的電流超過臨界值,在觸點斷開電路時就會引燃電弧.觸點從接觸接通位置向斷開的方向運動,接觸力必然逐漸減小,實際導(dǎo)電面的面積也會逐漸減小,造成電阻增大.在接觸面最后分離的瞬間,電阻所產(chǎn)生的熱量會集中至最后離開點的一個極小的范圍內(nèi),使其溫度迅速上升到金屬的熔點乃至沸點,可能會引起爆炸式汽化.在觸點間隙充滿高溫金屬蒸汽時,觸點間形成電弧,產(chǎn)生的電弧熱力作用于觸點材料表面,使材料發(fā)生相變、侵蝕、轉(zhuǎn)移、熔池飛濺等復(fù)雜的物理與化學過程.這些都會使觸點材料被侵蝕及耗損,可能導(dǎo)致電接觸失效.

觸點材料在使用過程中的現(xiàn)象與損傷

無論是電路的接通還是斷開過程,都會在觸點之間產(chǎn)生電弧.觸點間電弧會使工作條件惡化,從而影響觸點工作的可靠性與壽命.

是指接觸電阻引起的焦耳熱使觸點局部區(qū)域溫度非正常地升高.觸點材料的接觸電阻一般是隨著溫度的升高而增大,其焦耳熱增大嚴重時,會導(dǎo)致材料氧化甚至局部熔化, 使觸點發(fā)生靜熔焊.

影響觸點材料溫升的主要因素有:觸點材料的接觸電阻、負載類型與大小、熱交換環(huán)境等.如果負載與熱交換環(huán)境確定,則電阻的變化最為關(guān)鍵.在工作過程中,電弧會重復(fù)作用于觸點表面,產(chǎn)生的侵蝕使觸點材料表面成分和形貌改變,接觸電阻升高.表面成分變化包括電弧熔池中高熔點第二相微顆粒的漂浮、沉降與富集、基體材料組元的微區(qū)富集、表面污染等;表面形貌變化主要是由于材料發(fā)生了熔化、噴濺、熔液流動、蒸發(fā)、汽化及凝固等現(xiàn)象.在觸點表面產(chǎn)生了微裂紋、氣體噴發(fā)坑、孔洞、溝壑等.

電極熔化、噴濺、汽化等會對觸點表面造成直接耗損.通常,由于兩觸點材料的熱物理性質(zhì)及電弧輸入能量的大小和熱流密度不同,所以其侵蝕也可能不同.所造成的一方的觸點的材料耗損部分脫離本體而散失,一部分會沉積到另一方觸點.這就是材料的轉(zhuǎn)移.

電弧侵蝕是觸點材料耗損的主要形式,是指由于電極表面電弧熱力的作用,使觸點材料以蒸發(fā)、液體噴濺、固態(tài)脫落等形式引起的材料損失.電弧特性及其對觸點材料的熱力作用與電極運動速度、負載特性及環(huán)境等有關(guān).而在所輸入電弧熱力作用下觸點材料所受的影響則決定取決于材料的成分、組織結(jié)構(gòu)及物理化學性能.

電弧侵蝕的兩種主要形式為液態(tài)噴濺與汽化蒸發(fā).前者是指在電弧能量的作用下材料表面微區(qū)熔化而形成液池,在各種力的作用下,液池內(nèi)的熔融金屬以微小液滴的形式飛濺,離開觸點本體;后者是指在電弧能量的作用下觸點表面層材料發(fā)生固-液、液-氣相變,以蒸發(fā)的形式離開觸點本體.

影響材料侵蝕的主要過程是熔化、汽化和凝固.

熔化,熔化金屬在電弧作用力及機械力等的驅(qū)動下會產(chǎn)生流動,甚至噴濺,造成材料損耗.同時由于液相的存在還可能使難熔第二相微顆粒漂浮或沉降,引起表面層成分的變化.

汽化,包括蒸發(fā)和沸騰.蒸發(fā)是液體表面的汽化,而沸騰卻是在整個液體內(nèi)部發(fā)生.材料各組分的熔點、沸點高,熔化潛熱、汽化潛熱大, 都是減少觸點材料在電弧作用下?lián)p耗的有利因素.

凝固,電弧熄滅后,觸點表面迅速冷卻, 表面熔池會凝固.凝固過程也會對觸點表面的狀態(tài)和形貌產(chǎn)生重大影響.觸點材料熔化凝固過程具有反復(fù)、快速、熔池位置不確定等特性.觸點大多是多組元材料,更容易表面形成裂紋及孔洞,結(jié)構(gòu)的疏松,使電弧侵蝕量增大,接觸電阻升高.

粘著是指觸點接觸面發(fā)生粘附而使其難以斷開的現(xiàn)象.粘附是指由于熱與壓力的共同作用而使觸點表面原子非常靠近時所發(fā)生的短程擴散而結(jié)合.影響上述現(xiàn)象的主要因素有觸點溫度、接觸面積、壓力、材料的變形抗力、表面膜性質(zhì)等.

觸點的熔焊是指觸點接觸面由于電弧放電和焦耳熱的影響而熔化、凝結(jié),從而造成觸點不能正常斷開的現(xiàn)象.包括靜熔焊和動熔焊.

靜熔焊是由接觸電阻所產(chǎn)生的焦耳熱而形成.

動熔焊發(fā)生于接通或斷開電路過程中,由電弧對觸點瞬時集中熱流輸入的熱量所引起.在接通電路過程中,電極間初始電弧和彈跳電弧使觸點局部熔化.觸點接通后,熔化的金屬冷卻凝固,觸點間發(fā)生了冶金結(jié)合.上述現(xiàn)象會因彈跳電弧的存在而更嚴重.

對觸點材料的基本要求

電接觸形式多種多樣,過程非常復(fù)雜,使得觸點材料服役過程中會經(jīng)受電弧、電場、磁場、力、熱及氣氛等的共同作用.觸點材料的工作過程是一個動態(tài)過程,即由斷開到接通或由接通到斷開.電弧與觸點材料的相互作用決定了觸點為燒損材料,燒損過程會發(fā)生復(fù)雜的冶金、物理及化學反應(yīng).

對電觸點材料的基本要求是:

①具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能.由于它是電路的一部分,所以要求良好的導(dǎo)電性是不言而喻,良好的導(dǎo)熱性能是為了將工作過程中所產(chǎn)生的熱量及時散出.

②接觸電阻低且穩(wěn)定,不易生成對導(dǎo)電不利的各種膜.接觸電阻是一項重要的指標,穩(wěn)定包括其溫升系數(shù)低.表面生成膜之后一般會影響其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能.

③抗電磨損即電弧燒損性能好.電弧燒損是觸點材料使用過程中難以避免的一個現(xiàn)象,要求抗電弧燒損性能好也是必然的.

④抗熔焊性能高.前已所述,熔焊對于觸點材料來講應(yīng)該是"零容忍".

⑤加工工藝性能好.觸點材料的使用形狀多種多樣,有時需要進行一些機加工.

⑥價格便宜等.

觸點材料的分類

從上一節(jié)"對觸點材料的基本要求"可知,單一的材料難以滿足其要求.具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能的銀、銅等抗電弧燒損性能與抗熔焊性能不夠好;而高熔點金屬鎢、鉬等雖然抗電弧燒損性能與抗熔焊性能較好,但電阻偏高.所以,實際使用的觸點材料大多是復(fù)合材料或合金.

◆ 銅鎢系觸點材料

銅鎢系觸點材料是銅鎢合金,能夠兼具銅與鎢的特性.具有良好的耐電弧侵蝕性,抗熔焊性,強度高等優(yōu)點,適用于小容量的真空斷路器和真空接觸器..

◆ 銅鉍合金觸點材料

銅鉍合金具有良好的抗熔焊性,較低的截流值,一定的開斷能力,但強度較低,電弧侵蝕較大,一般用于 20 kV 以下的真空斷路器中.

◆ 銅鉻材料

銅鉻材料具有耐電壓水平高,斷開容量大,有很強的吸氣能力,耐損蝕特性好,截流值不太高等特點.但其耐壓不如銅鎢合金,抗熔焊性不如銅鉍合金,截流值不如銀鎢合金.而且,銅與鉻的互溶性差,難以通過燒結(jié)致密化.多用于 12 kV 以上的真空斷路器.

◆ 銀鎢系觸點材料

銀鎢系觸點材料具有良好的熱、電傳導(dǎo)性,耐損蝕性,抗熔焊性,主要缺點是接觸電阻不夠穩(wěn)定.為解決這一問題,可在銀鎢觸點材料中添加鎘、鋅、鎂及鐵等金屬元素.

◆ 銀金屬氧化物電觸點材料

在銀金屬氧化物中,有代表性的是銀氧化鎘和銀氧化錫.

銀氧化鎘觸點材料 (AgCdO) 被稱為"萬能觸點",具有耐電磨損, 抗熔焊,接觸電阻低而且穩(wěn)定的特點,其應(yīng)用最為廣泛,是一種多用途的觸點材料,應(yīng)用電流范圍從幾安培到幾千安培的多種低壓電器上.

遺憾的是,鎘的離子與蒸汽都有毒.引起急性中毒時,會出現(xiàn)前額部疼痛、眩暈、無力、惡心、上腹部痛,并引起氣管炎、支氣管炎、肺水腫、胸痛、關(guān)節(jié)痛、心臟擴大、肝腫大,嘔血及血性腹瀉.重者由于肺水腫或肺炎而引起死亡.慢性中毒,會使嗅覺降低直至消失,引起鎘鼻炎、牙頸部和齒齦變成金黃色 (鎘環(huán))、頭痛眩暈、食欲不振、胃痛惡心、嘔吐、消瘦、尿蛋白、鼻出血、黏膜皸裂、慢性咽喉炎、肺氣腫、進行性肺硬化、肝腎損害,并伴隨有明顯的神經(jīng)衰弱及植物神經(jīng)官能癥,還能引起骨質(zhì)疏松,重者造成勞動能力喪失.歐盟已經(jīng)限制銀氧化鎘的應(yīng)用.

可用銀氧化錫取代銀氧化鎘作為觸點材料.目前,已應(yīng)用于各種接觸器,電動機起動器和保護開關(guān),低功率斷路器,儀器儀表等方面.目前,國內(nèi)主要生產(chǎn)廠都已具有生產(chǎn)銀氧化錫材料的能力,產(chǎn)量逐年遞增.銀氧化錫具有優(yōu)良、穩(wěn)定的抗熔焊性能及良好的抗電弧侵蝕能力,在 500~3000 A 的電流范圍內(nèi),AgSnO2有比 AgCdO 更好的抗電弧侵蝕能力,已在較大應(yīng)用領(lǐng)域替代傳統(tǒng)的 AgCdO 電觸點材料.

◆ 銀鎳、銀石墨電觸點材料

銀鎳觸點材料導(dǎo)電、導(dǎo)熱性良好,接觸電阻低且穩(wěn)定,電弧侵蝕小而均勻,但是在大電流下抗熔焊性能差,通常與銀石墨觸點配對使用.為了進一步提高性能,可加入少量銅、錫或鋅制成合金粉,進行內(nèi)氧化,然后與鎳粉及石墨粉混合,燒結(jié),擠壓,其耐電弧腐蝕性,抗熔焊性能夠與銀氧化鎘相近.

圖 2 與圖 3 為銀觸點與銅觸點.

圖 2 銀觸點

圖 3 銅觸點

世界上銀的儲藏量很少,我國更是一個銀資源缺乏的國家.采用加入價格相對便宜的元素或化合物,研究新型銀氧化物觸點材料,研究非傳統(tǒng)組分的銀基材料等方法,可大大節(jié)省銀的用量.普遍認為代替銀的最合適的元素是銅,因為它在導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性上與銀最相近,而且銅的價格便宜,儲量較多.

貴金屬為核心的觸點材料的種類很多,銀基觸點材料其實也是貴金屬為核心的觸點材料.此外還有鈀 (Pd) 系、金 (Au) 系、鉑 (Pt) 系等合金.由于價格昂貴,往往只有在低負載精密觸點,要求化學穩(wěn)定性很高的測量儀器用觸點,或要求抗電材料轉(zhuǎn)移的電鐘用精密觸點,頻繁操作的接插件,現(xiàn)代旋轉(zhuǎn)式選擇器等等才用金、鈀、鉑系合金.

微異型復(fù)合電接觸材料的截面形狀為矩形、正方形、半圓形、梯形等,是由多層金屬或合金構(gòu)成的截面微小類電接觸材料,該類材料典型界面如圖 1 所示.微異型復(fù)合電接觸材料的橫截面積大多在 1mm 以下,最小高度為 0.1mm,最小寬度為 0.2 mm.復(fù)合材料的最上層一般用作電接觸層,通常選擇金、金鎳等金基合金,主要是為了降低復(fù)合材料的接觸電阻,提高可靠性;中間層多為銀、銀鈀等銀基合金、金基合金;鎳和其他合金.基底層一般選擇銅、鎳、銅鎳合金、錫磷青銅和其他合金.主要用于通訊繼電器、印刷線路板繼電器、微型開關(guān)、數(shù)碼開關(guān)等可靠性要求極高的場合.圖 4 為典型微異型復(fù)合電接觸材料截面示意圖.

圖 4 典型微異型復(fù)合電接觸材料截面

觸點材料的制造工藝

觸點材料是金屬、合金或金屬基復(fù)合材料,其制造工藝可以是熔融鑄造與金屬粉末燒結(jié),但是以燒結(jié)為主.

電觸點材料的制造工藝可分為兩類,一類是傳統(tǒng)工藝,包括一般粉末冶金法和熔滲法 (浸漬法),熔滲法需要預(yù)先燒結(jié)高熔點材料的骨架,再將低熔點材料溶化后滲入骨架的間隙,其實也屬于粉末冶金的范疇.另一類是有利于提高觸點材料性能的新工藝,如燒結(jié)擠壓法、等靜壓法、電火花成型燒結(jié)法和合金內(nèi)氧化法等,也是粉末冶金領(lǐng)域的發(fā)展與延伸.當然,也有不屬于粉末冶金領(lǐng)域的制備方法.

(1) 合金內(nèi)氧化法.將金屬氧化物通過一種或多種組分合金,在均勻的熔融合金內(nèi)部進行選擇性氧化,此法制成的觸點具有較高的密度和較好的抗電弧腐蝕性,合金內(nèi)氧化法大多用于制造銀金屬氧化物觸點.

(2) 超聲波場中壓制-浸漬法.將混合好的合金粉末裝入模具中,并使模具中的粉末處于超聲波場,在超聲波的作用下,使合金粉末組織均勻、致密,最后燒結(jié),可比常規(guī)壓制獲得較高的密度.

(3) 燒結(jié)擠壓(軋制) 工藝.將粉末裝入特制的模具,通以直流與中頻疊加電流,粉末顆粒間隙產(chǎn)生微放電現(xiàn)象,在短時間內(nèi)高效率地制取組織均勻、高強度、高密度的燒結(jié)制品,該工藝是提高材料致密性和加工性的有效方法.

(4) 離子注入.在強電場作用下,把某些金屬離子注入到觸點材料表面,可大大改善觸點的耐電弧腐蝕性等.

(5) 電弧熔煉法.先用粉末冶金法 (一般是混粉燒結(jié)) 將所要求的觸點合金 (如銅鎢、銅鉻) 做成電極,再在自耗電弧爐內(nèi)進行熔化,從而制得晶粒細小、密度偏析小、致密度高以及抗電弧腐蝕性好的觸點材料.

(6) 復(fù)合法.將兩種或兩種以上的金屬絲片材通過冷鐓、滾焊、軋制等方式進行接觸面復(fù)合成型,材料之間結(jié)合緊密,界面無缺陷、厚度均勻.該方法多用于貴金屬電接觸材料的生產(chǎn).

觸點材料的選擇原則

(1) 對于一般要求的小電流、阻性負載繼電器、開關(guān)的觸點,可以用純銀材料,要稍高的可用銀鈰合金、細晶銀和其他稀土.

(2) 對于中小負載的交流繼電器的觸點,一般來說使用銀氧化鎘合金較理想.隨負載的增大,可選氧化鎘含量較高一點的氧化鎘合金.若負載電流不大,但對接觸電阻要求較高時,可選用銀鎳合金.一般使用 AgNi10,直流負載稍大一點的,可選用 AgNi20.

(3) 對于較大電流的直流負載或抗熔焊要求較高的繼電器,使用銀氧化錫比較理想.特別是在汽車中使用的感性負載和燈負載,由于存在較大的浪涌電流,要求在大電流下抗粘結(jié)、減少金屬轉(zhuǎn)移,并且要求有高的抗電腐蝕能力和低的接觸電阻,用銀氧化錫比較適宜.

(4) 一些大負載的交流繼電器,可采用氧化鎘含量高的銀氧化鎘合金,比如 AgCdO15 或者銀氧化錫氧化銦合金.

(5) 對于一些經(jīng)受浪涌電流較大的觸點,為了使觸點同時具備較高的抗熔焊性能和良好的接觸電阻,可采用不相同的材料組成觸點對.

(6) 對于接觸可靠性要求較高的小負載觸點,往往采用 AgPd 材料或在 AgPd 合金觸點的表面覆上一層 2~ 3 μm 的 AuNi 合金.

觸點材料的應(yīng)用

觸點材料應(yīng)用于繼電器、接觸器、空氣開關(guān)、限流開關(guān)、電機保護器、微型開關(guān)、儀器儀表、家用電器、汽車電器、漏電保護開關(guān)等.

繼電器 (圖 5) 是家電行業(yè)使用最廣泛的電器之一.除固態(tài)繼電器 (SSR) 外,大多數(shù)為機電繼電器,其觸點材料大量采用 AgCdO,尤其是 20 A 以上各類功率繼電器、磁保持繼電器、高頻繼電器.

圖 5 繼電器

圖 6 冷凍機

洗衣機、冰箱、冷凍機、電炊具、熱水器等,電流等級為 1 A、2 A、4 A、6 A、10 A、16 A、25 A、32 A、40 A 及 63 A,大多數(shù)是電阻負載,但洗衣機、冷凍機 (圖 5) 的馬達則是電感負載.觸點的電壽命為 1~2 萬次,觸點材料的可選擇范圍如表 1 所示.

表 1 家用電器的開關(guān)及繼電器觸點材料的選擇范圍

照明開關(guān) (圖 7) 的額定電流為 6 A,10 A,16 A,試驗電流為 1.25 倍 Ir,觸點電壽命要求 5 萬次以上.觸點材料的應(yīng)用可選擇范圍如表 2 所示.(若使用電壓為 110V,只能選用 AgCdO).

圖 7 照明用低壓開關(guān)柜

表 2 照明開關(guān)觸點材料的選擇范圍

抗熔焊性是選擇線路保護開關(guān) (圖 8) 用觸點材料的主要因素.因為斷路時會產(chǎn)生很大電流,斷開時不能熔焊是十分重要的要求.在歐洲要求斷開能力為交流 10 000 A,甚至 20 000 A 或直流 1000 A.觸點材料常以不同材料配對使用,視短路電流大小而選擇.如表 3 所示.

表 3 線路保護開關(guān)觸點材料的選擇范圍

圖 8 線路保護開關(guān)

這類開關(guān)的額定電流等級為 25A,40A,63 A 和 100 A,要求觸點材料有很好的抗熔焊性,其應(yīng)用選擇范圍如表 4 所示.

表 4 故障電流開關(guān)觸點材料的選擇范圍

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