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触头材料

连接电气接插元件的电接触材料
触头材料(contact material)是用于开关、继电器、电气连接及电气接插元件的电接触材料,又称电触头材料,一般分强电用触头材料和弱电用触头材料两种。
中文名
触头材料
外文名
contact material
用    途
开关、继电器、电气连接
常用材料
纯金属材料等

用途

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在开关电器中,电触头直接承担分断和接通电路并承载正常工作电流或在一定的时间内承载过载电流的功能,各类电器的关键功能,如配电电器的通断能力,控制电器的电气寿命,继电器的可靠性,都取决于触头的工作性能和质量。同时触头也是开关电器中最薄弱的环节和容易出故障的部分:一旦触头系统不能正常工作,如电力系统发生短路寸,高压断路器触头拒绝断开,将引起极为严重的后果。
对于可分离电接触元件而言,在触头闭合状态下承载电流时的工作状况,类似于固定接触的电接触情况。在这种情况阿良下,电触头的主要作用是承载电流、起电能传递和信号输送的作用。这要求必须具有低而稳定的电阻。因为接触电阻产生的焦耳热效应严重时会导致触头导电斑点区域的材料发生熔化而引起电触头焊接在一起,引起所谓的“静熔焊”现象,当熔焊力超过开关的机械分断力时,就会发生触头拒绝断开,引起分断电路失败,即使不出现这种不能断开的现象,也会延缓开关电器的分断动作。
开关电器中触头接触电阻的增值机制与弱汗芝颈电领域电接触材料接触电阻的增值机制有所不同,除了各种环境应力,如氧化、硫化、吸附等作用外,主要还存在因分断、接通电路过程中触头(电极)间产生的电弧放电作用。电弧放电造成的触头材料侵蚀、转再桨移、材料的相变和高温下发生的化学反应,都会使接触电阻增加。同时会加剧某些环境应力的作用。当然在这一过程中,电弧的高温也会破坏触头表面的某些薄膜。
分断电路是开关电器的另一主要功能,这也要电触头直接承担、分断电路时,由于触头之间会发生电弧放电,使问题变得更加棘渗旬承手。电弧放电时触头不仅存在热的作用,还存在力的效应,最终会在触头表面发生复杂的物理化学过程,诸如材料相变、材料侵蚀、材料转移、熔融液池中的冶金学过程。这些过程既与由电气条件决定的电弧特性密切相关,也与触头材料本身的组分和特性乃至制造上艺有相当的联系。
接通电路也是电触头直接执行的重要功能之一,除了触头闭合过程中因间隙气体击穿发生短时电弧放电外,主要问题是由于动静触头机械冲击或由于电触头机构机械冲击引起的动触头弹跳,尤其是感性负载电路,在触头闭合时会产生较大的冲击电流,会造成电弧放电在较短的时间内对电极的连续、多次作用,形成所谓的“动熔焊”,一般来说,熔融金属桨胶捆的数量随承棵兰连着熔点和热导率的下降而增加。
因此,不仅不同电接触形式对电接触材料的要求不同,即使是同一种电接触形式,比如可分离电接触材料,在它执行不同功能篮禁页时,也须乎精埋具备不同的多方面的特性。在电接触的任何运行过程中,各种现象往往是相互重叠发生,所以必须考虑所发生的各种现象的相互关系,这正是电接触理论研究和开发新型电接触材料的难点所在。 [1]

材料特性要求

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概括而言,对电触头材料的基本特性的要求如下。

物理性质

1.一般物理性质。触头材料应具有合适的硬度,较小的硬度在一定接触压力下可增大接触面积,减小接触电阻、降低静态接触时的触头发热和静熔焊倾向,并且可降低闭合过程中的动触头弹跳。较高的硬度可降低熔焊面积和提高抗机械磨损能力。
触头材料应具有合适的弹性模数。较高的弹性模数则容易达到塑性变形的极限值,因此表面膜容易破坏,有利于降低表面膜电阻,较低的弹性变形则可增大弹性变形的接触面积。
2.电性能。触头材料应具有较高的电导率以降低接触电阻,低的二次发射和光发射以降低电弧电流和燃弧时间。
3.热物理性质。高的热传导性,以便电弧或焦耳热源产生的热量尽快输至触头底座。高的比热容、高的熔化、气化和分解潜热。高的燃点和沸点以降低燃弧的趋势。低的蒸气压以限制电弧中的金属蒸气密度。

化学性能

触头应具备高的化学稳定性,即具有较高的抗腐蚀气体对材料损耗的能力,即使产生表面薄膜,其挥发性应高。

电接触性能

触头电接触性能实质是物理化学性能的综合体现,并且各种特性相互交叉作用。概括地讲,触头的电接触性能主要包括:
1.表面状况和接触电阻 。接触电阻受到表面状况的显著影响,而表面状况又与触头的电弧侵蚀过程密切相关,因而要求触头的侵蚀基本均匀,以保证触头表面状况平整,接触电阻低而稳定。
2.耐电弧侵蚀和抗材料转移能力。触头材料具有高的熔点、沸点、比热容及熔化,汽化热及高的热传导性,固然对提高触头的耐电弧侵蚀能力有利,但上述物理参数只能改善触头间的电弧的熄灭条件,或大量地消耗电弧输入触头的热流,然而一旦触头表面熔融液池形成,触头的抗侵蚀性能则只能靠高温状态下触头材料所特有的冶金学特性来保证,这涉及到液态银对触头表面的润湿性。熔融液池的粘性及材料第2与第3组分的热稳定性等。
触头材料转移同样与材料常规的热物理参数密切相关。但这些参数仅能降低液态金属桥折断引起的材料转移、由于电弧作用引起的材料转移则与两配对触头的各种物理参数的不对称和电弧特性的不对称相关,消除非对称因素或合理利用非对称因素均可降低触头材料转移。
3.抗熔焊性。触头材料的抗熔焊性包括两个方面,一是尽量降低熔焊倾向,从触头材料角度来看,主要是提高其热物理性能。二是降低熔融金属焊接在一起后的熔焊力,熔焊力主要取决于熔焊截面和触头材料的抗拉程度,显然为了降低发生静熔焊的倾向可增大接触面积和导电面积,但一旦发生熔焊,反会使熔焊力增加。因此,为降低熔焊力,或为提高触头材料的抗熔焊性,常在触头材料中加入与银亲合力小的组分。

电弧特性

1.理想的触头材料,应具有良好的电弧运动特性以降低电弧对触头过于集中的热流输人。
2.还应具有较高的最小起弧电压和最小起弧电流:最小起弧电压很大程度取决于电触头材料的功函数以及其蒸气的电离电压。而最小起弧电流与电极材料在变成散射的原子从接触面放出时所需要的结合能有关。
3.触头间电弧可具有金属蒸气态和气体态两种形式,不同形式的电弧对电极有不同的作用机制,触头材料应使触头间发生的电弧尽快地由金属蒸气态转换到气体态。
除上述要求外,触头材料应尽可能易于加工,而且具有较高的性能价格比
由此看来,对电触头材料的要求面广而苛刻,而且许多要求还存在着矛盾。电导率高的金属,其硬度和熔点、沸点都较低。因此,要得到电导率和硬度均高的触头材料是不可能的,同样,金属结晶点阵内的原子聚合力决定了材料的硬度、弹性模数、熔点、沸点,这些性能的高低总是基本统一的。为提高熔焊性,要求熔点、沸点等热物理参数高。但同时,为降低接触电阻要求硬度较低,这也是不可兼顾的。所以满足仟何需求的电触头材料是不存在的。触头材料的研制、生产和选用只能根据具体使用条件满足那些最关键的要求。 [1]

材料分类

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Cu是应用最广的导电材料和触头材料。铝虽然也是一种应用最广的导电材料,但它的导电、导热、熔点、沸点及硬度等都不如铜,铜的导电、导热性仅次于银(Ag),在复合材料未发展前,铜是主要的触头材料。铜作为触头材料的弱点是在空气中易氧化,在200℃以下时,生成CuO表面膜,可达10~1000nm;200℃以上时又附加一层CuO表面膜,其电阻率可达106Ω。当温度达120℃时,因表面氧化膜的影响可使接触电阻增加3倍,在油中也会有前述的异常磨损现象,其耐溶性及耐弧性能也不如钨(W)、钼(Mo)等金属。但从导电、耐弧、价格等综合指标看,铜是应用最广的触头材料,很多多元复合材料(合金或粉末冶金)也都是以铜为基。

银的导电率和导热率堪称金属之最,但产量有限且价格贵,因而使用量受到限制。银的表面膜(氧化膜或硫化膜)因易压碎或不耐磨而成为理想的固定接触材料,常作为铜、铝的镀层。但由于其硬度小、熔点、沸点不高,只能做继电器之类的小电流触头用,强电流触头多用银的合金或复合材料制成。

钨和钼

钨和钼的最大特点是熔化、气化温度高,质坚硬,因而耐磨、抗熔焊;但导电、导热性差,开断能力不强。空气中的钨可生成5nm厚的表面膜,在电弧作用下易生成钨的粉末状物,故常与高导电金属一起制成复合触头材料用于大电流。

金、铂、钯等

此类金属不易氧化,但价格昂贵,多用于精密、灵敏度要求高的弱电触头或插接件镀层。钛(Ti)、锆(Zr)、铟(In)等常作为满足触头某些特殊要求的添加剂。

铬是触头材料的后起之秀。铬在元素周期表中与铝、钨处在同一纵列,在某些方面有相近的性质,都是各自周期中熔点、沸点最高的金属。铬的抗蚀性强,对氧的亲和力大。在真空开关的开断过程中,铬的蒸发薄膜具有吸气作用,这可以确保灭弧室有恒定的真空度而延长其工作寿命。铜与铬的合金材料(CuCr)广泛地用于真空开关中,CuCr材料也在SF6断路器中被采用。

二元多元材料

多元材料分为合金与复合材料两类。复合材料与黄铜(Cu-Zn等)、铅锡(Pb-Sn)、不锈钢(Fe-Cr)等常规冶炼(熔炼)的合金不同,它是一种机械混合物,将不互溶的高导电材料与高熔点材料制成粉末后经一定的工艺烧结而成,因其制造方法类似于陶瓷,故又称为金属陶瓷材料或粉末冶金材料。这种混合物各成分可按任意比例组合,这是熔炼法冶金办不到的。由于这种材料能保持原有不同材料的物理特性,故能相互取长补短,提高触头的综合性能。有的复合材料按一定比例及工艺混合后又在真空中电弧重熔(如铜铬(CuCr)材料),经电弧重熔后其金相结构大为改观,材料性能更接近“合金”。我们在此混称其为CuCr合金材料。实际大功率开关中的触头都离不开合金材料,由于高气压电弧与真空电弧在性质上有很大差异,真空开关触头的材料与空气、油、SF6中的触头材料在要求上是有差别的。因此,我们按这两类不同使用环境的要求作简要说明。
1.高气压电弧中的触头材料
铜-钨(Cu-W)和银-钨(Ag-W)均具有很好的耐弧性,其钨的含量常达50%~80%,适用于高、中压开关。耐弧端头由铜一钨材料所制。在中压磁吹空气断路器中,Ag-W或银一钨一石墨(Ag-W-C)用得较多,银一钼(Ag-Mo)在低压自动开关与塑壳断路器中比Ag-W和Ag-W-C更广泛。
当触头开断电路产生电弧时,熔化了的高导电(低熔点)材料借毛细管作用保持在高熔点金属构成的骨架中,大大限制了熔化金属的飞溅,而触头处于闭合状态时,高导电材料发挥其电阻低的强通流特性。上述毛细管作用在真空电弧环境中更具抗磨损意义。
银-石墨(Ag-C)和铜-石墨(Cu-C)的最大特点是高的抗熔焊性和良好的滑动性,因而也广泛用于弧触头、喷嘴处或滑动接触中。
银-氧化镉(Ag-CdO)、银-钯(Ag-Pd)、银-铂(Ag-Pt)、银一镉(Ag-Cd)、银-镍(Ag-Ni)等则是低压开关电器中用得较多的触头材料。Cd在电弧高温下能生成CdO,而CdO能分解成Cd蒸气和氧,有显著的气吹效应。由于Cd是一种有毒物质,故正在用银一氧化镍(Ag-NiO)及银一二氧化锡一三氧化二铟(Ag-SnO2-In2O3)等替代Ag-CdO。Ag与Ni的合金能增大硬度,改善熔焊和分断过程中的液桥转移现象(分断过程中熔化的金属在动、静触头间拉成金属丝,而断裂常偏向一边,故使触头材料一边增多,一边减少,这种现象称之为桥转移,多存在于弱电触头间)。
2.真空开关中的触头材料
真空开关为对接式,对触头材料的抗熔焊、含气量、通流导热、截流水平(“截流”即电弧电流不在过零点被强行开断)等提出了更苛刻的要求。早年真空开关的触头材料全部都是采用W、Mo等难熔金属,因为W、Mo可高温除气,故解决了Cu在真空中易熔焊和开断过程的放气问题,但W、Mo等触头因热发射而难于开断大电流,故后来才发展了W-Cu-Ti-Bi、W-Cu-Ti-Sn、W-In-Cu、W-Cu-Zr、W-Cu-Bi和Cu-Bi等,它们都是以铜为基础(其体积大于50%),Ti、Zr等用于吸气,Bi、Sn等用于抗熔焊。硼(B)和碳(C)等的化合物也被作为难熔物质用于真空触头材料中。上述材料的开断电流都不大,但它们磨损小、抗熔焊性强、截流水平较低。后来又研究出性能更好的CuCr、CuCrFe、CuCTa等合金。
AgWC、Sb-Mo有低的截流水平和足够的开断能力,因而在高压真空接触器中用得较多。
与上述材料相比,CuCr材料具有较好的综合特性,如短路电流开断能力强、介质强度高、耐烧蚀、截流低等。CuCr的吸气效应大于放气,这样就比其他材料有更好的动态真空度。近年有报道说铜钽(Cu-Ta)甚至有比CuCr更好的特性。
触头材料的性能与其制造工艺是有密切关系的,同样的含量成分,制备工艺和方法不同,其性能也会有一定差异。
近年来CuCr触头材料在SF6断路器中也有越来越多的应用。使用自力型触头的SF6断路器,其主触头、中间触头由CuCr合金制成,弧触头由两种材料制成,其头部为铜钨合金(CuW80或CuW70),其余为铜铬合金,两材料通过熔焊或粉末冶金方法连接。 [2]