貴金屬電接觸材料的發(fā)展概況

馬曉東，余建軍，趙 濤

（西安諾博爾稀貴金屬材料有限公司，西安 710065）

貴金屬電接觸材料的發(fā)展概況

馬曉東，余建軍，趙 濤

（西安諾博爾稀貴金屬材料有限公司，西安 710065）

本文介紹了貴金屬基電接觸材料的特性、應(yīng)用范圍以及目前的發(fā)展現(xiàn)狀，并對貴金屬電接觸材料以后的發(fā)展趨勢提出展望。

電接觸材料；電刷絲；導(dǎo)電滑環(huán)；貴金屬合金

1 引言

在電器設(shè)備和電子儀器系統(tǒng)中，電能、電信號必須能從一個導(dǎo)體傳向另一個導(dǎo)體，而導(dǎo)體之間的連接處經(jīng)常是造成電信號或能量供給和傳遞的主要障礙。電接觸元件能夠在不同環(huán)境擔(dān)負(fù)著電器的接通、分?jǐn)?、?dǎo)流和隔離的工作，由于接觸點(diǎn)受到的接觸壓力、工作電壓、電流大小以及分?jǐn)啻螖?shù)的不同，這些電接觸元件的性能直接影響電轉(zhuǎn)換器件及整個儀器、儀表的可靠性、穩(wěn)定性、精度及使用壽命。所以在不同的應(yīng)用環(huán)境下，電接觸材料需要滿足的性能要求也不同。

現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的電接觸材料是貴金屬基合金。貴金屬基電接觸材料具有較高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性、高化學(xué)穩(wěn)定性、低而穩(wěn)定的接觸電阻、高抗熔焊性和高抗電弧侵蝕等優(yōu)良性能，一直被認(rèn)為是最好的電接觸材料，尤其在接通和斷開裝置中表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，因此在許多電接觸應(yīng)用領(lǐng)域都選擇其作為觸點(diǎn)材料［1］。

2 電接觸材料的分類

目前廣泛應(yīng)用的貴金屬電接觸材料主要是銀、金、鉑、鈀合金，以及這些合金的復(fù)合材料和貴金屬鍍層材料。銀合金大量用于中等負(fù)荷或重負(fù)荷電器，鉑合金、鈀合金、金合金較多使用于小負(fù)荷電接觸。電接觸材料一般按用途分為：電接點(diǎn)材料，電刷材料，繞組材料，導(dǎo)電環(huán)、換向片或整流片材料，接插件材料。按工作方式分為：固定接觸，開閉接觸，滑動接觸材料［2］，如圖1所示。

目前，已研制出的貴金屬基電接觸材料有數(shù)百種，歸納起來，它們可以分為4個系列：銀基、金基、鉑基和鈀基電接觸材料。本文主要介紹貴金屬電接觸材料的主要性能優(yōu)點(diǎn)以及在航空航天及軍工等精密領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

2.1 銀合金電接觸材料

銀基合金是最重要、用量最大而且最廉價的貴金屬電接觸材料。銀在所有金屬中導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性最好，由于銀的硬度不高，熔點(diǎn)低，不耐磨，在潮濕和較高溫度下，在含硫和硫化物的介質(zhì)中，表面形成硫化銀薄膜。在直流電的作用下，銀的硬度低和易揮發(fā)，會形成電侵蝕尖刺。在負(fù)荷大的條件下，銀接觸原件易形成電弧，發(fā)生熔接。

為能夠最大限度地保持銀的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，人們向銀中添加少量合金元素以提高銀的機(jī)械性能和的抗熔焊性能，獲得性能優(yōu)良的銀基電接觸材料［3］。

在Αg中添加3%～28%Cu可以提高Αg基體的強(qiáng)度，但隨著Cu含量的增加，材料的化學(xué)穩(wěn)定性將隨之降低，在接觸面發(fā)生氧的富集，形成CuO。在小電流的使用領(lǐng)域內(nèi)，該系列合金可用作微電機(jī)的換向器和旋轉(zhuǎn)開關(guān)等滑動觸頭，在電流較大的使用領(lǐng)域內(nèi)，可用于接觸壓力大以及有油保護(hù)的裝備中。其代表化學(xué)成分有ΑgCu10、ΑgCu28等常用來制成導(dǎo)電滑環(huán)、電刷絲等接點(diǎn)材料。

ΑgMgNi合金是屬于內(nèi)氧化型彈性接點(diǎn)材料，通過內(nèi)氧化工藝，可使合金中作為強(qiáng)化相而彌散分布的氧化物金屬（MgO）與基體金屬形成均勻的固溶體合金。主要應(yīng)用在小型微型軍用密封繼電器、1/2晶體罩繼電器、小型密封磁保持電磁繼電器、微型開關(guān)等作為簧片和觸點(diǎn)。

2.2 金合金電接觸材料

金的化學(xué)穩(wěn)定性最好，具有突出的電接觸特性，還具有良好的導(dǎo)電性、低屈服點(diǎn)和低彈性模量，且不易形成具有高接觸電阻的氧化、硫化或者有機(jī)物薄膜（褐粉）。這些特性保證了金的接觸穩(wěn)定性，使得金可作為低接觸壓力和弱電流條件下的接觸材料。

在含金為60-70%的情況下加入Pt、Pd、Αg、Cu、Ni等元素組成的金基合金，可以通過固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、有序強(qiáng)化、調(diào)幅分解及馬氏體轉(zhuǎn)變強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、加工硬化等方式提高合金的性能［4］。

Αu-Cu系、Αu-Αg-Cu系合金作為電刷及導(dǎo)電環(huán)材料已經(jīng)得到較好的應(yīng)用，具有良好的耐腐蝕、耐磨性，強(qiáng)度和彈性高，接觸應(yīng)力松弛小，使接觸元件具有較長的工作壽命、高的工作可靠性和輸出精度等優(yōu)點(diǎn)。由于Αu-Cu具有有序一無序轉(zhuǎn)變特性，經(jīng)過有序化熱處理后可以獲得較高硬度，同時獲得理想的電阻性能。常用來作為電刷絲、導(dǎo)電滑環(huán)以及鉚釘連接材料；

在Αu-Ni系中Ni含量為5%、9%、16%的合金被廣泛用于輕、中負(fù)荷電接觸材料。添加微量Mn、In等元素可以降低摩擦系數(shù)，增加自潤滑性，添加稀土Gd可以提高合金的耐腐蝕、耐磨性。

人們在二元和三元合金的基礎(chǔ)上通過添加合金元素對其進(jìn)行改良，形成了Αu基多元合金［5］：ΑuCuPtΑg、ΑuCuPtΑgZn、ΑuCuPtPdNiRh等，具有較高的彈性、較好的耐磨性與耐腐蝕性、較低的接觸電阻，主要用作精密電位器用彈性電刷材料和微型繼電器用的觸點(diǎn)材料。

2.3 鉑及鈀合金電接觸材料

在電接觸材料中，當(dāng)同時被要求滿足化學(xué)性能絕對穩(wěn)定和抗燒損強(qiáng)度大時，鉑族金屬就起到了無可替代的作用。它們的主要缺點(diǎn)是在有機(jī)氣氛中容易受到有機(jī)污染。

為了提高鉑的硬度、抗弧性、耐熔焊性，常常加入Αg、Ni、Ge、Ru、W等元素。鉑基合金的主要特點(diǎn)是耐腐蝕、耐磨損、開關(guān)可靠性高和壽命長。在弱電流工藝中，銀基、金基、鈀基合金不能勝任的地方都可采用鉑基合金。常用的有鉑銥合金、鉑釕合金、鉑鎢合金等。

鉑銥合金在現(xiàn)代工業(yè)中有極廣泛的用途［7］。其中，電接觸點(diǎn)是鉑銥合金應(yīng)用的一個最重要的領(lǐng)域，由于鉑銥合金有高的硬度、高的熔點(diǎn)、高的耐腐蝕能力和低的接觸電阻等特點(diǎn)，因此它在使用條件要求最高的弱電接點(diǎn)中成為一種經(jīng)典的電接點(diǎn)材料。例如，PtIr10和PtIr25合金常用作航空發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火線圈接點(diǎn)，高靈敏繼電器以及微電機(jī)的電接點(diǎn)。另外，飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦艇的航向儀、地平儀、陀螺儀等精密傳感器的電位器或?qū)щ姯h(huán)、微電子技術(shù)中的厚膜電阻、某些精密儀器儀表中的游絲也采用PtIr合金。

鈀的密度小，以它為基的合金是重要而經(jīng)濟(jì)的鉑族金屬接觸材料。由于鈀的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱系數(shù)均比較低，不能用作強(qiáng)電流接觸材料，而主要用作弱電接觸材料，雖然鈀有產(chǎn)生氧化膜的性質(zhì)，但在一定條件下，其接觸特性比鉑好。常用的鈀基接觸材料有Pd-Ir、Pd-Αg、Pd-Cu合金，由于有耐蝕性能好，不易生弧可用作斷開觸點(diǎn)和滑動觸點(diǎn)。鈀多元合金［8］的耐蝕、耐磨損性好，可作為電位器的滑動電刷。另外PdIr8和PdIr10合金也是常用的電接觸材料，但其容易受到有機(jī)污染3 展望

且價格昂貴，所以此類電接觸材料的使用越來越少，一般只在電侵蝕較嚴(yán)重的產(chǎn)品和一些高精尖設(shè)備中才會使用此類合金。

十三五期間我國的工業(yè)制造業(yè)、航空航天、軍事領(lǐng)域勢必會朝著更加高科技化、更加精密化發(fā)展，傳統(tǒng)的二元或三元貴金屬合金已不能滿足發(fā)其所需的性能要求，因此需要發(fā)展四元及以上的多元化合金，探索在現(xiàn)有電接觸材料中加入稀土元素以提高合金的綜合性能。新材料制備、新工藝、新加工技術(shù)的應(yīng)用也將會促使貴金屬電接觸材料快速發(fā)展。

［1］博存繼，謝明，杜文佳.貴金屬基電接觸材料的研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2014，28（04）∶22-25.

［2］盧錦明，邢立華，李耀娥.精密導(dǎo)電滑環(huán)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢［J］.導(dǎo)航與制，2015，14（01）∶20-25.

［3］馬光，孫曉亮.銀基電接觸材料改性及制備工藝［J］.稀有金屬快報(bào)，2007，26∶14-19.

［4］周新銘，李曲波.金的微量元素合金化［J］.貴金屬，1994，15（02）∶1-9.

［5］孔令嬌，李強(qiáng)，李翔.添加元素對Au-Cu合金強(qiáng)化影響的研究進(jìn)展［J］.貴金屬，2014，35（04）∶70-74.

［6］翁桅.我國低壓電器用觸頭材料的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.低壓電器，1995（02）∶49-52.

［7］張書仁，喻育東.鈀銀銅金鉑鋅六元合金的研究［J］.貴金屬，1983（03）∶15-20.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.221

馬曉東（1987-），男，陜西蒲城人，碩士，助理工程師，貴金屬材料工藝員職位，主要從事貴金屬合金板帶材、絲材及管材加工。