agni触头材料的研究与应用

agni触头材料的研究与应用

1agni触头材料的应用接触头是各种高压开关、装置、仪表、设备和基准的核心部件。广泛应用于各种直流器、道路桥、装置和交换之间的转换过程。它的性能直接影响整个设备的通断能力、使用寿命和运行的可靠性。电触头材料的种类繁多,AgNi触头材料是其中一种典型的低压触头材料,它不仅具有良好的导电性、耐电磨损性以及低而稳定的接触电阻,还具有良好的塑性和可加工性能,但同时也存在抗熔焊性差和机械强度低等不足。目前AgNi触头材料广泛用于家用电器的开关、辅助开关、开断电流到50A的接触器、微型断路器或与AgC配对的断路器以及配电继电器、汽车继电器等领域。本文介绍了AgNi触头材料的性能及其主要应用情况,并简要介绍了AgNi触头材料的主要制备工艺。2agni触头材料的性能和应用2.1agni触头材料的机械性能常用的AgNi触头材料通常由Ag和Ni两种元素组成,图1为Ag-Ni二元相图。由图1可知,Ag与Ni在常温条件下几乎不固溶,液态Ag能够溶解少量的Ni,但随着温度的降低又会析出,因此AgNi触头材料属于“假合金”材料,AgNi触头材料的机械性能表现出强烈的加和作用。表1列出了常用AgNi材料的机械性能典型数据[2~4]。Ag具有优良的导电、导热性及良好的可加工性,而Ni具有优良的化学稳定性、高热稳定性及良好的机械强度和延展性,因此AgNi触头材料不仅具有良好的导电性、耐电磨损性以及低而稳定的接触电阻,还具有良好的塑性和可加工性。AgNi触头材料用量大,应用广,在银基触头材料领域长期占据着主要位置。2.2agni材料在更高电流密度下的电弧侵蚀试验研究表明,AgNi触头材料在某些条件下会表现出较好的电气性能。黄锡文等将常用低压触头材料加工成整体铆钉型触头安装于ZWP-l型触头电性能模拟试验机上,试验条件选取交流继电器典型的使用条件(20A/250V)进行电性能对比试验。结果表明AgNi(10)触头材料表现出最高的电寿命,其寿命次数是AgCdO(12)和AgSnO2(12)的1.5~2倍,这与通常认为的“在较高电流密度下AgNi(10)触头材料抗熔焊性不如AgCdO(12)和AgSnO2(12)材料”的观点有一定矛盾。该试验结果证明AgNi触头材料有可能应用于更高电流密度条件下的电器中。李恒等对AgNi触头材料在直流灯负载下的抗熔焊特性进行了研究,结果表明AgNi触头材料存在严重的材料转移,且阳极转移是材料转移的主要形式;但在电弧烧蚀下,触头表面会出现对电弧移动有利的、大量的细化Ni和NiO颗粒。郭凤仪对AgNi、AgCdO、AgZnO、AgSnO2In2O3、AgWC-C五种触头材料在中小电流范围内进行了分断电弧侵蚀试验及微观分析试验,结果表明在开断交流15A和50A时,AgNi和AgSnO2In2O3的抗电弧侵蚀能力接近;在开断交流100A时,AgNi的侵蚀量最小;开断交流150A时,AgNi的侵蚀量比较大,而根据裂纹扩展的试验结果,AgNi材料的抗裂纹扩展能力相对较强。此外,研究发现AgNi材料的电弧侵蚀机理主要决定于Ni组分在熔层中的分布状况。郭凤仪等利用数字显示时间继电器、交流接触器、断路器以及电阻性负载设计了一个简易的触头材料实验电路,并用AgCdO(12)、AgSnO2In2O3、AgZnO(10)、AgNi(10)、AgC(5)五种触头材料根据不同的开断电流、开断次数、闭合压力和配对方式进行了电弧侵蚀试验,试验结果表明在CJ10-20情况下,AgC、AgCdO、AgSnO2In2O3、AgNi材料的侵蚀量随着闭合压力的增大而减少,在对称配对时,AgNi材料更适合应用在50A和100A条件下,在150A条件下AgNi材料电寿命会缩短;AgNi与AgC配对时,AgNi做为动触头时的腐蚀特征要好于AgNi做静触头时的腐蚀特征。2.3agni触头材料AgNi触头材料一个重要特性是在电弧的高温作用下,Ag和Ni的固溶度会增加,Ni熔解在弧根处产生的银熔池中,冷却时,Ni沉积于银基体中,经反复作用,低Ni含量的AgNi触头材料的镍颗粒形成均匀弥散分布,而高Ni含量的AgNi触头材料会在触头表面形成Ni及其氧化物的富集组分[9~11]。AgNi触头材料在电弧作用下,Ni的熔解、沉积过程及所形成的结构,有利于促使电弧自熄,使得材料具有了相对好的抗熔焊性,同时也减少了材料的转移。在电器应用上,AgNi触头材料的这一特性,正适合于接通分断电流不高的接触器。图2为常用银基触头材料在低压接触器上的应用情况,由图2可以看出,在接触器领域,AgNi触头材料主要应用于电流等级在50A以下的接触器中。这部分接触器大多没有专门的灭弧装置,AgNi触头材料所具有的特性能够促使电弧自熄。同时,这类接触器对触头材料的耐电磨损性要求高,且需要其具有适度的抗熔焊性和低而稳定的接触电阻,AgNi触头材料在这领域具有相当的优势,特别是在32A以下的小电流等级的接触器中,Ni含量在20%以下的AgNi触头材料被广泛使用。2.4agni触头材料在巷道中的应用图3为常用银基触头材料在低压断路器上的应用情况。断路器是一种过电流保护装置,可在室内配线上作总开关与分电流控制开关,亦可作为一种有效保护电器的重要器件,用于短路保护和防止严重超载。断路器包括小型断路器(MCB)、塑壳断路器(MCCB)、框架式断路器(ACB)。断路器对触头的基本要求有:(6)低的气体含量。AgNi触头材料的性能基本上能符合断路器对触头材料的要求。但AgNi触头材料在大电流条件下抗熔焊性差,这极大地限制了AgNi触头材料在断路器中的应用,而且Ni含量在20%以下的AgNi触头材料抗磨损性较差,也影响到AgNi触头材料的应用。随着Ni含量的增加,AgNi触头材料的硬度增大,可提高材料的机械耐磨损性能,但材料的电导率下降。通常断路器中,AgNi触头材料会与AgC、AgW等抗熔焊性好的材料配对使用;在大电流条件下,会使用Ni含量达20%以上的银镍材料,以提高材料的抗磨损性,而Ni含量20%以下的银镍触头,也用做10A小电流辅助触头。2.5agni触头材料图4为常用银基触头材料在低压继电器上的应用情况。继电器是一种电子控制器件,包括控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路),具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等特点,在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。AgNi材料具有良好的导电性、导热性及低而稳定的接触电阻,在各种交、直流继电器中都有应用,所用AgNi材料的Ni含量通常为10%~20%。继电器在动作过程中,会产生浪涌电流,且因负载不同,其浪涌电流可以是稳态电流的几十倍,在这种条件下,AgNi触头材料因其在大电流作用下抗熔焊性差的缺点,通常应用在15A以下的继电器中,且AgNi触点更适合的控制负载是阻性负载等低浪涌电流的负载。近年来,随着取代AgCdO材料的进程加快,AgNi触头材料受到触头材料制造商及电器制造商越来越多的关注,电器制造商也对AgNi材料的性能提出了更高的要求,希望AgNi触头材料的抗熔焊性得到提高,能够应用到更大电流的电器产品上。各触头材料生产商针对这些要求,纷纷开发出了各种含添加元素的AgNi触头材料,部分含添加元素的触头材料,也已应用到中大电流的电器中,如桂林金格公司制备的含添加物的AgNi触头材料,已成功应用在空调接触器、交流接触器上。3agni触头材料制备方法的研究目前AgNi触头材料中,Ni在银基体中主要有两种分布形式,即纤维状分布及颗粒状分布。据此,大致将AgNi触头产品的制备工艺分为两种,一种是烧结挤压法制备工艺,Ni在银基体中呈纤维状弥散分布;一种是单片压制制备工艺,Ni在银基体中呈颗粒状弥散分布。无论是烧结挤压法,还是单片压制法,都需要经过对粉末的制备、处理等粉末冶金过程。粉末冶金过程中所制备的粉末颗粒大小、粉末处理的方式、混粉的均匀性、添加物的选取及添加方式等,都对后续材料的加工性能及电性能产生极大的影响,王塞北等比较详细地介绍了机械混合法、化学共沉积法、机械合金化法等工艺的发展现状及提高AgNi触头材料抗熔焊性的一些研究与进展。王珩等也较全面地评述了机械合金化、混粉法、化学共沉积、化学包覆法制备工艺对AgNi触头材料微观组织和性能的影响,并得出改进大电流下抗熔焊性是未来AgNi触头材料的研究热点和难点的结论,机械合金化法是AgNi触头材料制备方法发展的新方向。李素华等研究了不同工艺、成分的AgNi材料电性能,得出在交流220V、20A条件下,机械混粉工艺制备AgNi(15)的抗熔焊性和抗烧损性最好等结论;黄光临等研究了化学共沉积法制备AgNi(10)材料,通过与机械混粉法制备的材料对比,得出采用化学共沉积工艺制备AgNi(10),不仅有效地解决镍颗粒团聚问题,而且可以使镍颗粒细小,并均匀分布于基体中的结论,且电性能模拟试验结果表明,共沉积AgNi(10)具有抗熔焊力强、接触电阻低而稳定的特点。叶凡等、颜小芳等从不同角度表明,通过加入添加剂,可改善AgNi材料的电性能,拓宽了AgNi材料的应用领域。3.1agni触头加工烧结挤压法制备工艺的大致流程是:粉末制备、处理→混粉→等静压→烧结→热挤压→拉拔(轧制)→冷镦(冲压)→后处理→成品。山岸宣行对AgNi材料加工过程及相关工艺参数进行了较详细的叙述,基本上代表了目前AgNi材料的批量生产工艺。烧结挤压法的一个优点是可以把AgNi触头材料制成线材、板材或带材,通过后续的加工,可以获得铆钉触头、片状触头及型材,满足各种电器应用所需要的形状,且可以是单一材料,也可以与铜基材料复合,实现不同用途及目的。AgNi触头材料随着Ni含量增加,其加工性变差。挤压法加工的AgNi触头材料,其Ni含量通常≤30%;高Ni含量的AgNi触头材料因其加工性差且通常以较大规格的片状触头形式供货,因此,采用挤压法加工并不多见。研究表明,烧结挤压法制备的AgNi触头材料,不仅可以提高材料的电导率,还能明显提高材料的成型加工性能,改善触头的耐电弧烧损性,提高材料的电寿命;而采用特殊的纤维强化工艺对镍颗粒进行纤维强化后,更增强了材料的综合物理性能,扩大了材料的使用领域,使其具有更高的电寿命、更低而稳定的接触电阻,应用于小电流等级电器中是较佳的代镉触头材料。荣命哲等进行了小容量控制电器用新型AgNi触头材料的开发研究,结果表明当镍纤维取向与工作表面平行时,工作性能更好。梁秉钧等的研究结果表明,烧结挤压法工艺加工的AgNi触头材料表现出更好的加工性及电性能。3.2agni触头材料单片压制制备工艺的大致流程是:粉末制备、处理→混粉→压型→烧结→复压→后处理→成品。单片压制制备工艺的优点在于工艺简单、边废料少、成本低,可成型高Ni含量的AgNi触头材料;根据需要,能比较方便地加入其他添加物,改善材料性能。但该方法只能加工成片状触头,产品密度低、电阻率高、耐电弧烧损性及抗熔焊性能相对于烧结挤压法材料差,目前市场上已很少有AgNi触头单纯材料采用该工艺生产,部分应用也只是出现在较低档次的电器中,市场上更多的是以AgNiC材料为主,应用在断路器领域。4agni触头材料的应用性能研究AgNi触头材料因其所具有的良好的导电性、耐电磨损性的低而稳定的接触电阻,以及良好的塑性和可加工性,在接触器、断路器、继电器等低压电器领域应用广泛。诸多的触头材料技术人员及研究者从不同角度对AgNi触头材料的应