电触头材料制备新技术

电触头材料制备新技术 摘要： 总结了电触头材料的性能要求，介绍了国内电触头材料的应用现状和研 究进展情况。综述了近几年来纳米技术在电触头材料中的应用概况,并展望了电 触头材料的发展趋势与应用前景。 关键词：电触头材料；纳米技术；机械合金技术；银基；铜基 1引言 电触头是电器开关、仪器仪表等的接触元件,主要承担接通、断开电路及负载电流的作 用。 因此, 它的性能直接影响着开关电器的可靠运行与寿命。 而电触头材料则是开关电器中 的关键材料,开关电器的主要性能以及寿命的长短, 在很大程度上决定于触头材料的好坏。 触头在实际使用过程中的情况非常复杂, 除了机械力和摩擦作用外,还有焦耳热、电弧的灼 烧, 以及因电流极性而产生的材料转移等, 这些都会对材料产生影响;并且,对不同的材料 来说, 影响也不尽相同。由于使用场合的不同, 对触头材料的要求也是多方面的[1] , 通常 要求它具有良好的导电性和导热性、低而稳定的接触电阻、高的耐磨损性(电磨损和机械磨 损)、 抗熔焊性、 良好的化学稳定性和一定的机械强度,对于真空触头材料还要求截断电流小、 含气量低、耐电压能力强、热电子发射能力低等。 目前, 应用于弱电领域中的触头材料大多采用金和铂族金属及其合金 (高的化学稳定 性)。 在强电领域中主要有银基触头材料(主要用于低压电器、 家用电器等)、 铜基触头材料(主 要用于真空断路器等)和钨基触头材料(用于高压油路断路器、SF6 断路器、复合开关等)。 用于生产制造的触头材料品种很多, 二元或多元复合触头材料共计有数百种, 广泛应用的 触头材料只不过几十种。 在二元或多元体系中, 大部分触头材料形成的是 “ 假合金” , 其 制造工艺主要是粉末冶金法与熔炼法两大类, 可以根据不同的成分和性能要求, 选用不同 的制造工艺。随着强电触头材料向着高电压、 大电流、大容量方向的发展以及弱电触头材料 小型化、 高寿命和高灵敏度的发展趋势, 对触头材料的要求越来越高。 近年来, 随着冶金技 术的不断发展,国内外在触头材料的制造技术方面有了很大的发展, 新工艺、新技术得到广 泛应用, 如采用纤维强化冶金工艺制备出的钨纤维、 镍纤维等纤维强化触头材料具有优良的 电性能;德国发展了生产银石墨间接重复挤压工艺, 得到了密度高、延伸性好的产品;此外, 烧结挤压工艺、等静压技术、超声波场中压制成形技术以及机械合金化、 离子注入等技术已 经应用在触头材料的制备中, 触头材料的性能得到了很大的提高[2]。 兴起于 80 年代的纳米技术已取得众多成就,随着科技进步的日益加快和对纳米技术广 泛而又深入的研究, 纳米技术得到了迅速发展和广泛应用。 纳米技术在材料领域通过纳米粒 子以及各种超微细的结构模块, 导致产生出许多新的具有优异性能和新的应用可能的纳米 复合材料。 纳米材料由于组成晶粒超细, 大量原子位于晶界上, 因而在机械性能、 物理性能 和化学性能等方面都优于普通的粗晶材料。 最近几年这一技术在电触头材料的研究和制备过 程中已有了初步的应用, 并取得了良好的效果。 电触头材料的制造工艺，可分为两类。一类是传统工艺，大致归纳为 9 种，一般粉末 冶金法: 混合烧结法; 、 熔浸法: 浸渍法; 和合金内氧化法； 另一类是有利于提高触头材料 性能的粉末冶金新工艺，如纤维强化法、烧结挤压法、等静压法、离子注入、电弧熔炼和电 火花成型烧结法。 生产铜基银基触头最常用的是粉末冶金法。 粉末冶金法是将机械混合的粉 末采用粉末冶金技术制备出电触头块体材料。 但机械混合粉末常常由于混合不均匀、 粉末团 聚等因素， 严重地影响着烧结材料的机械物理性能和电性能。 机械合金化作为一种制备合金 粉末的新工艺，可以在原子级水平进行合金化。因此，对于制备混合均匀、 性能进一步提高 的触头材料来说具有十分重要意义和应用前景[3]。 2电触头材料的性能要求 电触头亦称触头或接头，是高、 低压电器开关，仪器仪表中的重要元器件，它担负着电 路间接通与断开，同时负载相应电路中电流的任务。 随着高压输变电网大容量、 超高压的发 展，低压配电系统与控制系统对自动化水平， 灵敏程度要求的提高，以及电子工业产品的现 代化，对电触头提出愈来愈高的功能要求和长寿命的使用要求。 因此，有关电触头材料近年 来得以迅速发展， 并为各先进工业化国家所关注。 电触头材料在开关电器中的功能是在电路 中接通和断开电流。开关电器对触头材料的要求，最重要的是以下几个方面。 （1） 物理性能：要求具备低的电阻率和蒸汽压，高的热导率、熔点、沸点、溶化热和升华 热，并且热稳定性好，热容量大，电子逸出功高，以保证起弧电压高和最低的电流。 （2）机械性能：要求室温及高温强度高、硬度高，并且塑性与韧性好。 （3）电接触性能：要求耐电弧烧损和接触电阻低而稳定，熔焊及金属转移的倾向小。 （4）化学性能：要求对较宽范围的不同介质有良好的耐蚀性能，在大气中不易氧化、碳化、 硫化及形成不易导电的化合物或盐渣膜层， 即使形成氧化物或硫化物， 其挥发性应高。要求 电化学电位高，耐化学腐蚀和气体溶解的倾向小。 （5）加工制造性能：要求易被焊接，采用钎焊或用其他方法固定到触座、触极上[4]。 3纳米技术在电触头材料中的应用概况 3.1纳米技术在 Cu 基合金触头材料中的应用 3.3.1 Cu-Cr 系 Cu-Cr 合金由于具有高的耐电压强度、大的分断电流能力、良好的抗熔焊性以及较低的 截流值等优异性能, 是目前广泛用于真空断路器的触头材料。 材料的显微组织对其电性能有很大的影响, 随着材料晶粒的细化可使真空灭弧室绝缘 强度升高,最大截流值降低, 综合性能有很大改善.因此, 制备出晶粒更加细小、 具有均匀组 织结构的纳米晶 Cu-Cr 材料, 具有重要的理论价值和广阔的应用前景。 西门子公司采用电弧自耗电极熔炼法获得的 Cu-Cr 触头材料晶粒很细, 大小只为熔渗 法制备的十分之一。能够可靠地分断36 KV/40 KA 或 12 KV/63 KA 的短路电流。胡连喜等 采用机械合金化(球磨转速 350 r·min-1 , 球料比 10∶1 , 球磨时间 45 h , Ar 气保护气 氛)及热静液挤压技术(挤压比 16 , 挤压温度 600 ℃)得到晶粒尺寸 100nm 左右的高强度高 导电性的 Cu-5 %Cr 挤压块体材料。 。他认为该法制备的Cu-5 %Cr 合金性能提高有两方面原 因:一方面是在机械合金化过程中形成了 Cr 在 Cu 基体中的超饱和固溶, 在随后的热挤压 制备过程中析出产生沉淀强化;另一方面由于机械合金化过程使合金晶粒充分细化和均匀化 而引起细晶强化, 同时未固溶的 Cr 粒子细化后起到了弥散强化的作用[5]。 Morris 采用熔甩技术制备了含 2 %和 5 %Cr 的纳米晶 Cu-Cr 合金。他们在氦气氛中将 配比好的 Cu-Cr 合金在石英坩埚中熔化 , 将熔体在氦气氛中通过石英喷嘴喷射到以36 m·s-1 旋转的铜-铍合金转盘上, 制备出 30μ m 厚, 3 mm 宽的 Cu-Cr 合金条带, 条带中 Cr 粒尺寸小于 100nm 。该材料机械性能和电性能都较常规Cu-Cr 触头材料有较大提高[6]。