电接触材料的研究与应用

张文毓

中国船舶重工集团公司第七二五研究所 河南洛阳 471023

1 研究背景

电流转换是电力系统中电能供给和分配过程的基本组成部分,任何电系统都必须将电信号或能量从一个导体传向另一个导体,导体与导体的连接处,即电接触部位常常是电信号或能量传递的主要障碍。电触头担负着开关电器和仪器仪表的接通、断开工作,承载负载电流,具有重要作用。电接触材料在电工行业中有广泛的应用,其性能直接影响开关电器的安全运行。开关电器在不同环境下工作时接触点受到的接触压力、工作电压和工作电流大小不同,分断次数不同,电触头材料需要满足的性能要求也不同。贵金属基电接触材料具有较高的导电性、导热性、化学稳定性、抗熔焊性、抗电弧侵蚀性等,接触电阻低而稳定,一直被认为是较好的电接触材料,在接通和断开装置中表现出优异的综合性能。在许多电接触应用领域,都选择贵金属基电接触材料作为电触头材料。我国从20世纪50年代起开始进行电接触材料的研究工作,在触头间电弧和热现象、触头材料研制等方面取得了一定成果[1]。

2 定义

制作相互接触传导电流元件的材料称为电接触材料。电接触发生在材料接触表面的过渡区中,承受机械、电、热、环境气氛等的物理化学过程。

电接触材料一般用于制造开关、断路器、接触器、连接器、继电器、电位器、调谐器、接插件等电子器件的触点部件。由于贵金属具有良好的导电导热性、较高的熔点、可靠的化学稳定性,因此早期的电接触材料基本以贵金属及其合金为主。金、钯、铂具有较高的化学稳定性,多用于在不同电流强度下工作的高可靠性精密电触头。银及其合金因电导率和热导率较高而价格相对较低,成为电接触材料的首选。电接触材料的基本要求为良好的导电导热性、低接触电阻、小温升、高抗熔焊和抗环境介质污染[2]。

3 分类

电接触材料的分类方法较多,比较常见的分类方法如下:① 按材料分类,分为纯金属电接触材料、合金电接触材料、电镀电接触材料、复合电接触材料;② 按电器工作电压分类,分为低压电接触材料、高压电接触材料;③ 按电器工作气氛分类,分为真空电接触材料、气氛保护电接触材料[3]。

4 制备方法

目前,电接触材料主要分为银基和铜基两类。银基电接触材料的制备工艺主要有三种:粉末冶金法、合金内氧化法、预氧化合金粉末法。铜基电接触材料的制备以粉末冶金及其衍生工艺为主,致密化、第二相均匀弥散、物相间浸润性、基体氧化、晶粒大小等因素往往会影响铜基电接触材料的质量。

目前,电触头的制备工艺可以分为两类。第一类是传统工艺,大致归纳为两种,一种为一般粉末冶金法,包括传统粉末冶金法、反应喷雾法、机械合金化法、反应合成法;另一种为内氧化法,包括合金内氧化法、预氧化合金法。第二类是有利于提高触头性能的新工艺,如喷射沉积法、溶胶凝胶法、纤维强化法、等静压制法、等离子体喷涂法[4]。

5 电接触材料研究现状

电接触元件是高低压开关电器核心部件,担负着接通、分断、导流、隔离等工作。电接触元件的性能会直接影响电气和电子等传导系统工作的整体可靠性、稳定性、精确性、使用寿命。保证电接触元件性能优良的关键是新材料的研发及其制备。目前,对电接触材料的研究与应用已成为电力、自动化、通信、精密电子仪器等领域的重要课题。

5.1 银基电接触材料

在电接触材料中,银基电接触材料由于具有良好的导电性、导热性、抗熔焊性、耐侵蚀性、耐磨损性等性能,获得了深度发展和广泛应用。早期的电接触材料多采用纯银制成,但银的硬度不高、熔点低,并且在潮湿和高温下表面容易发生硫化,生成的硫化银薄膜会增大接触电阻值。为克服纯银作为电接触材料的种种缺陷,通过在纯银中添加多种元素或氧化物来改善电接触材料的性能,得到较好的效果。目前,已研究出的银基电接触材料有数百种,但可实际投入应用和批量化生产的银基电接触材料只有几十种,按照材料的成分和组成机理,可以分为四个系列:银-碳系列、银-镍系列、银-金属氧化物系列、银-钨碳系列。

5.2 铜基电接触材料

铜的力学性能和电性能接近于银,某些指标甚至超过银,并且价格相对低廉,是代替银的一种理想元素。

目前,电接触材料领域应用较多的是铜合金及其复合材料,主要用于中压、高压系统。铜基合金电接触材料及其性能见表1[5]。

表1 铜基合金电接触材料及性能

5.3 金基电接触材料

随着电子技术的发展,电接触材料广泛应用于高精尖技术,由此对电接触元件的微型化和可靠性提出了越来越高的要求。金具有突出的电接触特性,还具有良好的导电性,以及低屈服点和低弹性模量,并且不容易形成具有高接触电阻的氧化、硫化或有机物薄膜。这些特性保证了金的接触稳定性,使金可以作为低接触压力和弱电流条件下的接插件或接触点材料。目前,已研制出五个系列的金基电接触材料:金-镍系列,金-钼系列,金银镉、金银铟、金银镉铟系列,金铁镍系列、金银铁镍系列。

5.4 铂基和钯基电接触材料

在电接触材料中,若需同时满足化学性能绝对稳定和抗烧损强度大,则铂族金属会起到无可替代的作用。用作电接触材料的铂基合金主要是PtIr10合金,其特点是抗电侵蚀性能好,不易生弧。钯基合金电接触材料主要包括PdAgCo35-5、PdAgCu20-30、PdAgCu36-4等,可用作断开触头和滑动触头。PdIr8和PdIr10合金也是常用的电接触材料,但是容易受到有机污染,并且价格昂贵,所以这类电接触材料的使用越来越少,一般只在电侵蚀较严重的产品和一些高精尖设备中才会使用,此时,铂基和钯基合金可以发挥出高熔点、高化学稳定性、高抗电侵蚀性的优点。

5.5 层状复合电接触材料

层状复合电接触材料可分为复层电接触材料和基层电接触材料。复层电接触材料有贵金属及其合金、贵金属基复合材料等,基层电接触材料有铜及铜合金、镍及镍合金、钢及不锈钢等。复合形式主要有层面复合、镶嵌复合、贯通复合、异型复合、铆钉复合、包覆复合、涂层复合等。

根据不同的应用目的,层状复合电接触材料又可分为节约贵金属原料和改善材料性能两种。前者为了节约贵金属原料,仅在触头表层或过渡层这些必要的部位使用贵金属。后者为了达到某些新的功能,通过不同材料的层状复合,具有不同于原材料的新特性。

层状复合电接触材料的复合方法有多种,主要包括固相连续轧制、冷压复合、扩散焊接、爆炸焊接、滚焊、电镀、磁控溅射、气相沉积等,目前已应用于生产制造小功率复层电接触材料的复合方法主要有轧制复合、复层铆钉、焊接、电镀、气相沉积等。

5.6 纳米复合电接触材料

纳米复合电接触材料指组成相中至少有一相在一个维度上为纳米量级的复合电接触材料,通常为微米和亚微米基体中添加纳米第二相,或在纳米基体中添加纳米第二相。纳米复合电接触材料综合了纳米材料和复合材料各自的优点,具有极广阔的应用前景。

银-石墨是传统的低压电接触材料,具有极高的抗熔焊性,但是存在电侵蚀率高、电寿命短等缺陷。将金刚石、碳纤维或碳纳米管作为一种添加相完全或部分替代石墨加入银基触头,可以提高硬度和热导率[6]。

碳纳米管具有导电率高、比表面积大、强度高、不容易与金属反应、高温稳定性好等特性,非常适合作为增强相引入金属银,从而克服纯银硬度低、易熔焊、直流工况下材料转移量大等缺点,是一种具有较高潜在应用价值的管状纳米材料。已有研究表明,使用或掺杂碳纳米管的银基电接触材料具有更高的抗熔焊和抗载流磨损性能,但是对于其加工性能、耐电弧侵蚀性能和电寿命的研究报道还不多。银-碳纳米管材料有望在低压电器领域成为一种替代银-镍和银-二氧化锡的新型电接触材料[7]。

6 电接触材料应用进展

目前广泛应用的贵金属基电接触材料主要有银、金、铂、钯合金,以及这些合金的复合材料和贵金属镀层材料。电接触材料按用途分为电触头材料、电刷材料、绕组材料、导电环材料、换向片材料、整流片材料、接插件材料,按工作方式分为固定接触材料、开闭接触材料、滑动接触材料。

6.1 银基电接触材料

银基电接触材料是最重要、用量最大的贵金属基电接触材料。银在所有金属中导电性及导热性最好,由于银的硬度不高,熔点低,不耐磨,在潮湿和较高温度下,在含硫和硫化物的介质中银表面会形成硫化银薄膜。在直流电的作用下,银的硬度低,易挥发,会形成电侵蚀尖刺。在大负荷条件下,银接触元件容易形成电弧,产生熔接。

为了能够最大限度保持银的导电、导热性,可以在银中添加少量合金元素,以提高银的机械性能和抗熔焊性能,获得性能优良的银基电接触材料。

在银中添加3%～28%铜,可以提高银基体的强度,但随着铜含量的增大,材料的化学稳定性降低,在接触面发生氧富集,形成氧化铜。在小电流使用领域,该系列合金可用于制作微电机换向器和旋转开关等滑动触头,在电流较大的使用领域,可用于接触压力大及有油保护的装备中。典型该系列合金有AgCu10、AgCu28等,常用于制作导电滑环、电刷丝等。

银镁镍合金属于内氧化型弹性电接触材料,通过内氧化工艺,可以使合金中作为强化相而弥散分布的氧化镁与基体金属形成均匀的固溶体合金,主要应用于小型微型军用密封继电器、1/2 晶体罩继电器、小型密封磁保持电磁继电器、微型开关等的簧片和电接触头[8]。

银基电接触材料具有高导电性、高导热性、高比热、良好机械加工性,能在大气环境下保持低而稳定的接触电阻,在各大类电接触材料中得到了优先而快速的发展。银基电接触材料的基本发展趋势如下:① 研究无毒、无公害、环保型,能够广泛使用并完全替代银-氧化镉的新型电接触材料;② 从节约贵金属资源出发,发展新型节银电接触材料;③ 在已有的银基电接触材料中加入有效的第三组分,包括铜、镍、铁、钨、稀土、碳、二氧化锡、氧化锌、氧化铜、稀土氧化物,以改善或提高原有材料的性能[9]。

银和银合金在电器工业中主要用作中等负荷电接触材料,以银及银合金为复层的复合材料也主要用于此用途。国外主要的银基复层材料包括纯银、细晶粒银、银-氧化镁-镍、含铜量为3%～10%的银-铜合金等。采用复钎焊和辊缝方法,可以将含镍量为10%～20%的银/镍材料和含氧化镉量为10%～15%的银/氧化镉材料制备成异型复合电接触材料。这种复合材料主要用作辅助开关、控制开关,以及中小型继电器、保护开关的电触头。

昆明贵金属研究所采用轧制复层方法生产的银/铜、银锌铈/铜镍锡、银稀土合金/黄铜等单双面、单多条复层材料已广泛用于中小型继电器、微动开关、嵌壁开关中,明显降低银的消耗,取得了较好的经济效益。

新型银稀土电接触材料在电工、电气、电子、通信等行业得到广泛应用,并且具有无毒、无公害、环保等特点。含稀土的银基电接触材料未来必将获得更大的发展,具有更广阔的应用前景[10]。

6.2 铜基电接触材料

当前在开关电器中,广泛使用的电接触材料依然是银基电接触材料。较高成本和稀缺性是银基电接触材料发展的主要瓶颈,为此需要研究一种新型的能够替代银基电接触材料的电接触材料。新型电接触材料首选为铜基电接触材料,原因在于铜基电接触材料成本较低、资源丰富,并且具备较好的导电性能和化学稳定性能。但是,铜基电接触材料也存在容易氧化、电容较小、耐磨性差等缺陷。需要研究以铜基电接触材料为主体,适当添加其它化学元素的铜基复合电接触材料,从而提高铜基电接触材料的抗氧化性能和抗磨损性能。

铜基电接触材料成本低廉,导电性能较好。在铜基中加入适当的其它材料制备成铜基复合电接触材料,能够实现提高抗氧化性能、抗熔焊性能,满足开关电器电触头的使用要求。建议积极研究铜基复合电接触材料的组成,确保在不影响电接触材料综合性能的基础上,尽量降低成本,并缓解银基电接触材料资源缺乏的现状[11]。

铜合金及其复合电接触材料包括两大类:铜-钨类和铜-铬合金类,已成功应用于高压电器和真空电器中。目前,针对这些材料,在电弧理论、材料学、工艺学等方面进行研究,以求理论上的深入和技术上的完善[12]。

6.3 金基电接触材料

金的化学稳定性好,具有突出的电接触特性,还具有良好导电性、低屈服点、低弹性模量,不容易形成具有高接触电阻的氧化、硫化或有机物薄膜。以上特性保证了金的接触稳定性,使金可作为低接触压力和弱电流条件下的电接触材料。

在含金量为60%～70%的情况下,加入铂、钯、银、铜、镍等元素,组成金基合金,通过固溶强化、沉淀强化、有序强化、调幅分解、马氏体转变强化、弥散强化、加工硬化等方式提高金基合金的性能。

金-铜系、金-银-铜系合金作为电刷及导电环材料,已经得到较好的应用,具有良好的耐腐蚀性、耐磨性,以及高强度和高弹性,接触应力松弛小,使接触元件具有较长的工作寿命、高工作可靠性和高输出精度。由于金-铜系合金具有有序至无序转变特性,经过有序化热处理后,可以获得较高的硬度,同时可以获得理想的电阻性能,常用作电刷丝、导电滑环、铆钉连接材料。

在金-镍系合金中,镍含量为5%、9%、16%的合金被广泛用作轻、中负荷电接触材料。添加微量锰、铟等元素,可以减小摩擦因数,提高自润滑性。添加稀土元素钆,可以提高金-镍系合金的耐腐蚀性与耐磨性。

在二元和三元合金的基础上,通过添加合金元素对原合金进行改良,形成金基多元合金,具有较高的弹性、较好的耐磨性与耐腐蚀性,以及较低的接触电阻,主要用作精密电位器的弹性电刷材料和微型继电器的电触头材料。

6.4 铂基电接触材料

在电接触材料中,当同时要求满足化学性能绝对稳定和抗烧损强度大时,铂族金属起到无可替代的作用。它们的主要缺点是在有机气氛中容易受到有机污染。

为了提高铂的硬度、抗弧性、耐熔焊性,常常加入银、镍、锗、钌、钨等元素。铂基合金的主要特点是耐腐蚀、耐磨损、开关可靠性高、寿命长。在弱电流工艺中,银基合金、金基合金、钯基合金不能胜任的场合都可采用铂基合金。常用的铂基合金有铂铱合金、铂钌合金、铂钨合金等。

铂铱合金在现代工业中有极广泛的用途,电接触材料是铂铱合金应用的一个重要领域。铂铱合金由于具有高硬度、高熔点、高耐腐蚀能力、低接触电阻等特点,在使用条件要求最高的弱电触头中成为一种经典的电接触材料,如PtIr10和PtIr25合金常用作航空发动机的点火线圈触头,以及高灵敏继电器和微电机的电触头。飞机、导弹、舰艇的航向仪、地平仪、陀螺仪等精密传感器的电位器或导电环,微电子技术中的厚膜电阻,某些精密仪器仪表中的游丝也采用铂铱合金。

6.5 钯基电接触材料

钯的密度小,钯基合金是重要而经济的铂族金属电接触材料。钯的导电率和导热系数均比较低,不能用作强电流电接触材料。因此,钯主要用作弱电流电接触材料。虽然钯有产生氧化膜的性质,但在一定条件下接触特性比铂好。常用的钯基电接触材料有钯铱合金、钯银合金、钯铜合金,耐腐蚀性能好,不易生弧,可用作断开触头的材料和滑动触头的材料。钯多元合金的耐蚀、耐磨损性好,可作为电位器的滑动电刷材料。PdIr8和PdIr10合金是常用的电接触材料,但是容易受到有机污染,并且价格昂贵,因此这类电接触材料的使用越来越少,一般只在电侵蚀较严重的产品和一些高精尖设备中才会使用。

钯的价格曾经相对比较便宜,自20世纪70年代以来,钯在触头技术领域的研究不断扩大,包括制造技术、接触现象、试验技术、电接触元件设计等,由此钯及钯合金机械复层材料迅速发展。因为钯和钯合金的化学稳定性比金及金合金差,所以钯能否替代金,主要取决于环境气氛对钯及钯合金复层的影响。钯的另一个重要问题是具有催化作用,会使空气中大量有机污染物在钯复层表面形成密实的绝缘有机表面层。

7 结束语

在科技发展迅速的21世纪,电接触材料必将有新的发展。在电接触材料领域,银基电接触材料的研究与应用最为广泛,但银的价格较高,发展节银电接触材料,寻求用廉价金属替代贵金属,如铜基电接触材料等,将是热门研究方向。纳米技术的应用为电接触材料的发展提供了一个新方向,具有优异综合性能的纳米电接触材料和具有电接触功能的纳米复合镀层将是今后研究的重点。