電接觸材料的研究與應用

張文毓

中國船舶重工集團公司第七二五研究所 河南洛陽 471023

1 研究背景

電流轉換是電力系統(tǒng)中電能供給和分配過程的基本組成部分,任何電系統(tǒng)都必須將電信號或能量從一個導體傳向另一個導體,導體與導體的連接處,即電接觸部位常常是電信號或能量傳遞的主要障礙。電觸頭擔負著開關電器和儀器儀表的接通、斷開工作,承載負載電流,具有重要作用。電接觸材料在電工行業(yè)中有廣泛的應用,其性能直接影響開關電器的安全運行。開關電器在不同環(huán)境下工作時接觸點受到的接觸壓力、工作電壓和工作電流大小不同,分斷次數不同,電觸頭材料需要滿足的性能要求也不同。貴金屬基電接觸材料具有較高的導電性、導熱性、化學穩(wěn)定性、抗熔焊性、抗電弧侵蝕性等,接觸電阻低而穩(wěn)定,一直被認為是較好的電接觸材料,在接通和斷開裝置中表現出優(yōu)異的綜合性能。在許多電接觸應用領域,都選擇貴金屬基電接觸材料作為電觸頭材料。我國從20世紀50年代起開始進行電接觸材料的研究工作,在觸頭間電弧和熱現象、觸頭材料研制等方面取得了一定成果[1]。

2 定義

制作相互接觸傳導電流元件的材料稱為電接觸材料。電接觸發(fā)生在材料接觸表面的過渡區(qū)中,承受機械、電、熱、環(huán)境氣氛等的物理化學過程。

電接觸材料一般用于制造開關、斷路器、接觸器、連接器、繼電器、電位器、調諧器、接插件等電子器件的觸點部件。由于貴金屬具有良好的導電導熱性、較高的熔點、可靠的化學穩(wěn)定性,因此早期的電接觸材料基本以貴金屬及其合金為主。金、鈀、鉑具有較高的化學穩(wěn)定性,多用于在不同電流強度下工作的高可靠性精密電觸頭。銀及其合金因電導率和熱導率較高而價格相對較低,成為電接觸材料的首選。電接觸材料的基本要求為良好的導電導熱性、低接觸電阻、小溫升、高抗熔焊和抗環(huán)境介質污染[2]。

3 分類

電接觸材料的分類方法較多,比較常見的分類方法如下:① 按材料分類,分為純金屬電接觸材料、合金電接觸材料、電鍍電接觸材料、復合電接觸材料;② 按電器工作電壓分類,分為低壓電接觸材料、高壓電接觸材料;③ 按電器工作氣氛分類,分為真空電接觸材料、氣氛保護電接觸材料[3]。

4 制備方法

目前,電接觸材料主要分為銀基和銅基兩類。銀基電接觸材料的制備工藝主要有三種:粉末冶金法、合金內氧化法、預氧化合金粉末法。銅基電接觸材料的制備以粉末冶金及其衍生工藝為主,致密化、第二相均勻彌散、物相間浸潤性、基體氧化、晶粒大小等因素往往會影響銅基電接觸材料的質量。

目前,電觸頭的制備工藝可以分為兩類。第一類是傳統(tǒng)工藝,大致歸納為兩種,一種為一般粉末冶金法,包括傳統(tǒng)粉末冶金法、反應噴霧法、機械合金化法、反應合成法;另一種為內氧化法,包括合金內氧化法、預氧化合金法。第二類是有利于提高觸頭性能的新工藝,如噴射沉積法、溶膠凝膠法、纖維強化法、等靜壓制法、等離子體噴涂法[4]。

5 電接觸材料研究現狀

電接觸元件是高低壓開關電器核心部件,擔負著接通、分斷、導流、隔離等工作。電接觸元件的性能會直接影響電氣和電子等傳導系統(tǒng)工作的整體可靠性、穩(wěn)定性、精確性、使用壽命。保證電接觸元件性能優(yōu)良的關鍵是新材料的研發(fā)及其制備。目前,對電接觸材料的研究與應用已成為電力、自動化、通信、精密電子儀器等領域的重要課題。

5.1 銀基電接觸材料

在電接觸材料中,銀基電接觸材料由于具有良好的導電性、導熱性、抗熔焊性、耐侵蝕性、耐磨損性等性能,獲得了深度發(fā)展和廣泛應用。早期的電接觸材料多采用純銀制成,但銀的硬度不高、熔點低,并且在潮濕和高溫下表面容易發(fā)生硫化,生成的硫化銀薄膜會增大接觸電阻值。為克服純銀作為電接觸材料的種種缺陷,通過在純銀中添加多種元素或氧化物來改善電接觸材料的性能,得到較好的效果。目前,已研究出的銀基電接觸材料有數百種,但可實際投入應用和批量化生產的銀基電接觸材料只有幾十種,按照材料的成分和組成機理,可以分為四個系列:銀-碳系列、銀-鎳系列、銀-金屬氧化物系列、銀-鎢碳系列。

5.2 銅基電接觸材料

銅的力學性能和電性能接近于銀,某些指標甚至超過銀,并且價格相對低廉,是代替銀的一種理想元素。

目前,電接觸材料領域應用較多的是銅合金及其復合材料,主要用于中壓、高壓系統(tǒng)。銅基合金電接觸材料及其性能見表1[5]。

表1 銅基合金電接觸材料及性能

5.3 金基電接觸材料

隨著電子技術的發(fā)展,電接觸材料廣泛應用于高精尖技術,由此對電接觸元件的微型化和可靠性提出了越來越高的要求。金具有突出的電接觸特性,還具有良好的導電性,以及低屈服點和低彈性模量,并且不容易形成具有高接觸電阻的氧化、硫化或有機物薄膜。這些特性保證了金的接觸穩(wěn)定性,使金可以作為低接觸壓力和弱電流條件下的接插件或接觸點材料。目前,已研制出五個系列的金基電接觸材料:金-鎳系列,金-鉬系列,金銀鎘、金銀銦、金銀鎘銦系列,金鐵鎳系列、金銀鐵鎳系列。

5.4 鉑基和鈀基電接觸材料

在電接觸材料中,若需同時滿足化學性能絕對穩(wěn)定和抗燒損強度大,則鉑族金屬會起到無可替代的作用。用作電接觸材料的鉑基合金主要是PtIr10合金,其特點是抗電侵蝕性能好,不易生弧。鈀基合金電接觸材料主要包括PdAgCo35-5、PdAgCu20-30、PdAgCu36-4等,可用作斷開觸頭和滑動觸頭。PdIr8和PdIr10合金也是常用的電接觸材料,但是容易受到有機污染,并且價格昂貴,所以這類電接觸材料的使用越來越少,一般只在電侵蝕較嚴重的產品和一些高精尖設備中才會使用,此時,鉑基和鈀基合金可以發(fā)揮出高熔點、高化學穩(wěn)定性、高抗電侵蝕性的優(yōu)點。

5.5 層狀復合電接觸材料

層狀復合電接觸材料可分為復層電接觸材料和基層電接觸材料。復層電接觸材料有貴金屬及其合金、貴金屬基復合材料等,基層電接觸材料有銅及銅合金、鎳及鎳合金、鋼及不銹鋼等。復合形式主要有層面復合、鑲嵌復合、貫通復合、異型復合、鉚釘復合、包覆復合、涂層復合等。

根據不同的應用目的,層狀復合電接觸材料又可分為節(jié)約貴金屬原料和改善材料性能兩種。前者為了節(jié)約貴金屬原料,僅在觸頭表層或過渡層這些必要的部位使用貴金屬。后者為了達到某些新的功能,通過不同材料的層狀復合,具有不同于原材料的新特性。

層狀復合電接觸材料的復合方法有多種,主要包括固相連續(xù)軋制、冷壓復合、擴散焊接、爆炸焊接、滾焊、電鍍、磁控濺射、氣相沉積等,目前已應用于生產制造小功率復層電接觸材料的復合方法主要有軋制復合、復層鉚釘、焊接、電鍍、氣相沉積等。

5.6 納米復合電接觸材料

納米復合電接觸材料指組成相中至少有一相在一個維度上為納米量級的復合電接觸材料,通常為微米和亞微米基體中添加納米第二相,或在納米基體中添加納米第二相。納米復合電接觸材料綜合了納米材料和復合材料各自的優(yōu)點,具有極廣闊的應用前景。

銀-石墨是傳統(tǒng)的低壓電接觸材料,具有極高的抗熔焊性,但是存在電侵蝕率高、電壽命短等缺陷。將金剛石、碳纖維或碳納米管作為一種添加相完全或部分替代石墨加入銀基觸頭,可以提高硬度和熱導率[6]。

碳納米管具有導電率高、比表面積大、強度高、不容易與金屬反應、高溫穩(wěn)定性好等特性,非常適合作為增強相引入金屬銀,從而克服純銀硬度低、易熔焊、直流工況下材料轉移量大等缺點,是一種具有較高潛在應用價值的管狀納米材料。已有研究表明,使用或摻雜碳納米管的銀基電接觸材料具有更高的抗熔焊和抗載流磨損性能,但是對于其加工性能、耐電弧侵蝕性能和電壽命的研究報道還不多。銀-碳納米管材料有望在低壓電器領域成為一種替代銀-鎳和銀-二氧化錫的新型電接觸材料[7]。

6 電接觸材料應用進展

目前廣泛應用的貴金屬基電接觸材料主要有銀、金、鉑、鈀合金,以及這些合金的復合材料和貴金屬鍍層材料。電接觸材料按用途分為電觸頭材料、電刷材料、繞組材料、導電環(huán)材料、換向片材料、整流片材料、接插件材料,按工作方式分為固定接觸材料、開閉接觸材料、滑動接觸材料。

6.1 銀基電接觸材料

銀基電接觸材料是最重要、用量最大的貴金屬基電接觸材料。銀在所有金屬中導電性及導熱性最好,由于銀的硬度不高,熔點低,不耐磨,在潮濕和較高溫度下,在含硫和硫化物的介質中銀表面會形成硫化銀薄膜。在直流電的作用下,銀的硬度低,易揮發(fā),會形成電侵蝕尖刺。在大負荷條件下,銀接觸元件容易形成電弧,產生熔接。

為了能夠最大限度保持銀的導電、導熱性,可以在銀中添加少量合金元素,以提高銀的機械性能和抗熔焊性能,獲得性能優(yōu)良的銀基電接觸材料。

在銀中添加3%～28%銅,可以提高銀基體的強度,但隨著銅含量的增大,材料的化學穩(wěn)定性降低,在接觸面發(fā)生氧富集,形成氧化銅。在小電流使用領域,該系列合金可用于制作微電機換向器和旋轉開關等滑動觸頭,在電流較大的使用領域,可用于接觸壓力大及有油保護的裝備中。典型該系列合金有AgCu10、AgCu28等,常用于制作導電滑環(huán)、電刷絲等。

銀鎂鎳合金屬于內氧化型彈性電接觸材料,通過內氧化工藝,可以使合金中作為強化相而彌散分布的氧化鎂與基體金屬形成均勻的固溶體合金,主要應用于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、微型開關等的簧片和電接觸頭[8]。

銀基電接觸材料具有高導電性、高導熱性、高比熱、良好機械加工性,能在大氣環(huán)境下保持低而穩(wěn)定的接觸電阻,在各大類電接觸材料中得到了優(yōu)先而快速的發(fā)展。銀基電接觸材料的基本發(fā)展趨勢如下:① 研究無毒、無公害、環(huán)保型,能夠廣泛使用并完全替代銀-氧化鎘的新型電接觸材料;② 從節(jié)約貴金屬資源出發(fā),發(fā)展新型節(jié)銀電接觸材料;③ 在已有的銀基電接觸材料中加入有效的第三組分,包括銅、鎳、鐵、鎢、稀土、碳、二氧化錫、氧化鋅、氧化銅、稀土氧化物,以改善或提高原有材料的性能[9]。

銀和銀合金在電器工業(yè)中主要用作中等負荷電接觸材料,以銀及銀合金為復層的復合材料也主要用于此用途。國外主要的銀基復層材料包括純銀、細晶粒銀、銀-氧化鎂-鎳、含銅量為3%～10%的銀-銅合金等。采用復釬焊和輥縫方法,可以將含鎳量為10%～20%的銀/鎳材料和含氧化鎘量為10%～15%的銀/氧化鎘材料制備成異型復合電接觸材料。這種復合材料主要用作輔助開關、控制開關,以及中小型繼電器、保護開關的電觸頭。

昆明貴金屬研究所采用軋制復層方法生產的銀/銅、銀鋅鈰/銅鎳錫、銀稀土合金/黃銅等單雙面、單多條復層材料已廣泛用于中小型繼電器、微動開關、嵌壁開關中,明顯降低銀的消耗,取得了較好的經濟效益。

新型銀稀土電接觸材料在電工、電氣、電子、通信等行業(yè)得到廣泛應用,并且具有無毒、無公害、環(huán)保等特點。含稀土的銀基電接觸材料未來必將獲得更大的發(fā)展,具有更廣闊的應用前景[10]。

6.2 銅基電接觸材料

當前在開關電器中,廣泛使用的電接觸材料依然是銀基電接觸材料。較高成本和稀缺性是銀基電接觸材料發(fā)展的主要瓶頸,為此需要研究一種新型的能夠替代銀基電接觸材料的電接觸材料。新型電接觸材料首選為銅基電接觸材料,原因在于銅基電接觸材料成本較低、資源豐富,并且具備較好的導電性能和化學穩(wěn)定性能。但是,銅基電接觸材料也存在容易氧化、電容較小、耐磨性差等缺陷。需要研究以銅基電接觸材料為主體,適當添加其它化學元素的銅基復合電接觸材料,從而提高銅基電接觸材料的抗氧化性能和抗磨損性能。

銅基電接觸材料成本低廉,導電性能較好。在銅基中加入適當的其它材料制備成銅基復合電接觸材料,能夠實現提高抗氧化性能、抗熔焊性能,滿足開關電器電觸頭的使用要求。建議積極研究銅基復合電接觸材料的組成,確保在不影響電接觸材料綜合性能的基礎上,盡量降低成本,并緩解銀基電接觸材料資源缺乏的現狀[11]。

銅合金及其復合電接觸材料包括兩大類:銅-鎢類和銅-鉻合金類,已成功應用于高壓電器和真空電器中。目前,針對這些材料,在電弧理論、材料學、工藝學等方面進行研究,以求理論上的深入和技術上的完善[12]。

6.3 金基電接觸材料

金的化學穩(wěn)定性好,具有突出的電接觸特性,還具有良好導電性、低屈服點、低彈性模量,不容易形成具有高接觸電阻的氧化、硫化或有機物薄膜。以上特性保證了金的接觸穩(wěn)定性,使金可作為低接觸壓力和弱電流條件下的電接觸材料。

在含金量為60%～70%的情況下,加入鉑、鈀、銀、銅、鎳等元素,組成金基合金,通過固溶強化、沉淀強化、有序強化、調幅分解、馬氏體轉變強化、彌散強化、加工硬化等方式提高金基合金的性能。

金-銅系、金-銀-銅系合金作為電刷及導電環(huán)材料,已經得到較好的應用,具有良好的耐腐蝕性、耐磨性,以及高強度和高彈性,接觸應力松弛小,使接觸元件具有較長的工作壽命、高工作可靠性和高輸出精度。由于金-銅系合金具有有序至無序轉變特性,經過有序化熱處理后,可以獲得較高的硬度,同時可以獲得理想的電阻性能,常用作電刷絲、導電滑環(huán)、鉚釘連接材料。

在金-鎳系合金中,鎳含量為5%、9%、16%的合金被廣泛用作輕、中負荷電接觸材料。添加微量錳、銦等元素,可以減小摩擦因數,提高自潤滑性。添加稀土元素釓,可以提高金-鎳系合金的耐腐蝕性與耐磨性。

在二元和三元合金的基礎上,通過添加合金元素對原合金進行改良,形成金基多元合金,具有較高的彈性、較好的耐磨性與耐腐蝕性,以及較低的接觸電阻,主要用作精密電位器的彈性電刷材料和微型繼電器的電觸頭材料。

6.4 鉑基電接觸材料

在電接觸材料中,當同時要求滿足化學性能絕對穩(wěn)定和抗燒損強度大時,鉑族金屬起到無可替代的作用。它們的主要缺點是在有機氣氛中容易受到有機污染。

為了提高鉑的硬度、抗弧性、耐熔焊性,常常加入銀、鎳、鍺、釕、鎢等元素。鉑基合金的主要特點是耐腐蝕、耐磨損、開關可靠性高、壽命長。在弱電流工藝中,銀基合金、金基合金、鈀基合金不能勝任的場合都可采用鉑基合金。常用的鉑基合金有鉑銥合金、鉑釕合金、鉑鎢合金等。

鉑銥合金在現代工業(yè)中有極廣泛的用途,電接觸材料是鉑銥合金應用的一個重要領域。鉑銥合金由于具有高硬度、高熔點、高耐腐蝕能力、低接觸電阻等特點,在使用條件要求最高的弱電觸頭中成為一種經典的電接觸材料,如PtIr10和PtIr25合金常用作航空發(fā)動機的點火線圈觸頭,以及高靈敏繼電器和微電機的電觸頭。飛機、導彈、艦艇的航向儀、地平儀、陀螺儀等精密傳感器的電位器或導電環(huán),微電子技術中的厚膜電阻,某些精密儀器儀表中的游絲也采用鉑銥合金。

6.5 鈀基電接觸材料

鈀的密度小,鈀基合金是重要而經濟的鉑族金屬電接觸材料。鈀的導電率和導熱系數均比較低,不能用作強電流電接觸材料。因此,鈀主要用作弱電流電接觸材料。雖然鈀有產生氧化膜的性質,但在一定條件下接觸特性比鉑好。常用的鈀基電接觸材料有鈀銥合金、鈀銀合金、鈀銅合金,耐腐蝕性能好,不易生弧,可用作斷開觸頭的材料和滑動觸頭的材料。鈀多元合金的耐蝕、耐磨損性好,可作為電位器的滑動電刷材料。PdIr8和PdIr10合金是常用的電接觸材料,但是容易受到有機污染,并且價格昂貴,因此這類電接觸材料的使用越來越少,一般只在電侵蝕較嚴重的產品和一些高精尖設備中才會使用。

鈀的價格曾經相對比較便宜,自20世紀70年代以來,鈀在觸頭技術領域的研究不斷擴大,包括制造技術、接觸現象、試驗技術、電接觸元件設計等,由此鈀及鈀合金機械復層材料迅速發(fā)展。因為鈀和鈀合金的化學穩(wěn)定性比金及金合金差,所以鈀能否替代金,主要取決于環(huán)境氣氛對鈀及鈀合金復層的影響。鈀的另一個重要問題是具有催化作用,會使空氣中大量有機污染物在鈀復層表面形成密實的絕緣有機表面層。

7 結束語

在科技發(fā)展迅速的21世紀,電接觸材料必將有新的發(fā)展。在電接觸材料領域,銀基電接觸材料的研究與應用最為廣泛,但銀的價格較高,發(fā)展節(jié)銀電接觸材料,尋求用廉價金屬替代貴金屬,如銅基電接觸材料等,將是熱門研究方向。納米技術的應用為電接觸材料的發(fā)展提供了一個新方向,具有優(yōu)異綜合性能的納米電接觸材料和具有電接觸功能的納米復合鍍層將是今后研究的重點。