agni觸頭材料的研究與應(yīng)用

agni觸頭材料的研究與應(yīng)用

1agni觸頭材料的應(yīng)用接觸頭是各種高壓開關(guān)、裝置、儀表、設(shè)備和基準(zhǔn)的核心部件。廣泛應(yīng)用于各種直流器、道路橋、裝置和交換之間的轉(zhuǎn)換過程。它的性能直接影響整個設(shè)備的通斷能力、使用壽命和運行的可靠性。電觸頭材料的種類繁多,AgNi觸頭材料是其中一種典型的低壓觸頭材料,它不僅具有良好的導(dǎo)電性、耐電磨損性以及低而穩(wěn)定的接觸電阻,還具有良好的塑性和可加工性能,但同時也存在抗熔焊性差和機(jī)械強(qiáng)度低等不足。目前AgNi觸頭材料廣泛用于家用電器的開關(guān)、輔助開關(guān)、開斷電流到50A的接觸器、微型斷路器或與AgC配對的斷路器以及配電繼電器、汽車?yán)^電器等領(lǐng)域。本文介紹了AgNi觸頭材料的性能及其主要應(yīng)用情況,并簡要介紹了AgNi觸頭材料的主要制備工藝。2agni觸頭材料的性能和應(yīng)用2.1agni觸頭材料的機(jī)械性能常用的AgNi觸頭材料通常由Ag和Ni兩種元素組成,圖1為Ag-Ni二元相圖。由圖1可知,Ag與Ni在常溫條件下幾乎不固溶,液態(tài)Ag能夠溶解少量的Ni,但隨著溫度的降低又會析出,因此AgNi觸頭材料屬于“假合金”材料,AgNi觸頭材料的機(jī)械性能表現(xiàn)出強(qiáng)烈的加和作用。表1列出了常用AgNi材料的機(jī)械性能典型數(shù)據(jù)[2~4]。Ag具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性及良好的可加工性,而Ni具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、高熱穩(wěn)定性及良好的機(jī)械強(qiáng)度和延展性,因此AgNi觸頭材料不僅具有良好的導(dǎo)電性、耐電磨損性以及低而穩(wěn)定的接觸電阻,還具有良好的塑性和可加工性。AgNi觸頭材料用量大,應(yīng)用廣,在銀基觸頭材料領(lǐng)域長期占據(jù)著主要位置。2.2agni材料在更高電流密度下的電弧侵蝕試驗研究表明,AgNi觸頭材料在某些條件下會表現(xiàn)出較好的電氣性能。黃錫文等將常用低壓觸頭材料加工成整體鉚釘型觸頭安裝于ZWP-l型觸頭電性能模擬試驗機(jī)上,試驗條件選取交流繼電器典型的使用條件(20A/250V)進(jìn)行電性能對比試驗。結(jié)果表明AgNi(10)觸頭材料表現(xiàn)出最高的電壽命,其壽命次數(shù)是AgCdO(12)和AgSnO2(12)的1.5~2倍,這與通常認(rèn)為的“在較高電流密度下AgNi(10)觸頭材料抗熔焊性不如AgCdO(12)和AgSnO2(12)材料”的觀點有一定矛盾。該試驗結(jié)果證明AgNi觸頭材料有可能應(yīng)用于更高電流密度條件下的電器中。李恒等對AgNi觸頭材料在直流燈負(fù)載下的抗熔焊特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明AgNi觸頭材料存在嚴(yán)重的材料轉(zhuǎn)移,且陽極轉(zhuǎn)移是材料轉(zhuǎn)移的主要形式;但在電弧燒蝕下,觸頭表面會出現(xiàn)對電弧移動有利的、大量的細(xì)化Ni和NiO顆粒。郭鳳儀對AgNi、AgCdO、AgZnO、AgSnO2In2O3、AgWC-C五種觸頭材料在中小電流范圍內(nèi)進(jìn)行了分?jǐn)嚯娀∏治g試驗及微觀分析試驗,結(jié)果表明在開斷交流15A和50A時,AgNi和AgSnO2In2O3的抗電弧侵蝕能力接近;在開斷交流100A時,AgNi的侵蝕量最小;開斷交流150A時,AgNi的侵蝕量比較大,而根據(jù)裂紋擴(kuò)展的試驗結(jié)果,AgNi材料的抗裂紋擴(kuò)展能力相對較強(qiáng)。此外,研究發(fā)現(xiàn)AgNi材料的電弧侵蝕機(jī)理主要決定于Ni組分在熔層中的分布狀況。郭鳳儀等利用數(shù)字顯示時間繼電器、交流接觸器、斷路器以及電阻性負(fù)載設(shè)計了一個簡易的觸頭材料實驗電路,并用AgCdO(12)、AgSnO2In2O3、AgZnO(10)、AgNi(10)、AgC(5)五種觸頭材料根據(jù)不同的開斷電流、開斷次數(shù)、閉合壓力和配對方式進(jìn)行了電弧侵蝕試驗,試驗結(jié)果表明在CJ10-20情況下,AgC、AgCdO、AgSnO2In2O3、AgNi材料的侵蝕量隨著閉合壓力的增大而減少,在對稱配對時,AgNi材料更適合應(yīng)用在50A和100A條件下,在150A條件下AgNi材料電壽命會縮短;AgNi與AgC配對時,AgNi做為動觸頭時的腐蝕特征要好于AgNi做靜觸頭時的腐蝕特征。2.3agni觸頭材料AgNi觸頭材料一個重要特性是在電弧的高溫作用下,Ag和Ni的固溶度會增加,Ni熔解在弧根處產(chǎn)生的銀熔池中,冷卻時,Ni沉積于銀基體中,經(jīng)反復(fù)作用,低Ni含量的AgNi觸頭材料的鎳顆粒形成均勻彌散分布,而高Ni含量的AgNi觸頭材料會在觸頭表面形成Ni及其氧化物的富集組分[9~11]。AgNi觸頭材料在電弧作用下,Ni的熔解、沉積過程及所形成的結(jié)構(gòu),有利于促使電弧自熄,使得材料具有了相對好的抗熔焊性,同時也減少了材料的轉(zhuǎn)移。在電器應(yīng)用上,AgNi觸頭材料的這一特性,正適合于接通分?jǐn)嚯娏鞑桓叩慕佑|器。圖2為常用銀基觸頭材料在低壓接觸器上的應(yīng)用情況,由圖2可以看出,在接觸器領(lǐng)域,AgNi觸頭材料主要應(yīng)用于電流等級在50A以下的接觸器中。這部分接觸器大多沒有專門的滅弧裝置,AgNi觸頭材料所具有的特性能夠促使電弧自熄。同時,這類接觸器對觸頭材料的耐電磨損性要求高,且需要其具有適度的抗熔焊性和低而穩(wěn)定的接觸電阻,AgNi觸頭材料在這領(lǐng)域具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢,特別是在32A以下的小電流等級的接觸器中,Ni含量在20%以下的AgNi觸頭材料被廣泛使用。2.4agni觸頭材料在巷道中的應(yīng)用圖3為常用銀基觸頭材料在低壓斷路器上的應(yīng)用情況。斷路器是一種過電流保護(hù)裝置,可在室內(nèi)配線上作總開關(guān)與分電流控制開關(guān),亦可作為一種有效保護(hù)電器的重要器件,用于短路保護(hù)和防止嚴(yán)重超載。斷路器包括小型斷路器(MCB)、塑殼斷路器(MCCB)、框架式斷路器(ACB)。斷路器對觸頭的基本要求有:(6)低的氣體含量。AgNi觸頭材料的性能基本上能符合斷路器對觸頭材料的要求。但AgNi觸頭材料在大電流條件下抗熔焊性差,這極大地限制了AgNi觸頭材料在斷路器中的應(yīng)用,而且Ni含量在20%以下的AgNi觸頭材料抗磨損性較差,也影響到AgNi觸頭材料的應(yīng)用。隨著Ni含量的增加,AgNi觸頭材料的硬度增大,可提高材料的機(jī)械耐磨損性能,但材料的電導(dǎo)率下降。通常斷路器中,AgNi觸頭材料會與AgC、AgW等抗熔焊性好的材料配對使用;在大電流條件下,會使用Ni含量達(dá)20%以上的銀鎳材料,以提高材料的抗磨損性,而Ni含量20%以下的銀鎳觸頭,也用做10A小電流輔助觸頭。2.5agni觸頭材料圖4為常用銀基觸頭材料在低壓繼電器上的應(yīng)用情況。繼電器是一種電子控制器件,包括控制系統(tǒng)(又稱輸入回路)和被控制系統(tǒng)(又稱輸出回路),具有動作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長、體積小等特點,在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。AgNi材料具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及低而穩(wěn)定的接觸電阻,在各種交、直流繼電器中都有應(yīng)用,所用AgNi材料的Ni含量通常為10%~20%。繼電器在動作過程中,會產(chǎn)生浪涌電流,且因負(fù)載不同,其浪涌電流可以是穩(wěn)態(tài)電流的幾十倍,在這種條件下,AgNi觸頭材料因其在大電流作用下抗熔焊性差的缺點,通常應(yīng)用在15A以下的繼電器中,且AgNi觸點更適合的控制負(fù)載是阻性負(fù)載等低浪涌電流的負(fù)載。近年來,隨著取代AgCdO材料的進(jìn)程加快,AgNi觸頭材料受到觸頭材料制造商及電器制造商越來越多的關(guān)注,電器制造商也對AgNi材料的性能提出了更高的要求,希望AgNi觸頭材料的抗熔焊性得到提高,能夠應(yīng)用到更大電流的電器產(chǎn)品上。各觸頭材料生產(chǎn)商針對這些要求,紛紛開發(fā)出了各種含添加元素的AgNi觸頭材料,部分含添加元素的觸頭材料,也已應(yīng)用到中大電流的電器中,如桂林金格公司制備的含添加物的AgNi觸頭材料,已成功應(yīng)用在空調(diào)接觸器、交流接觸器上。3agni觸頭材料制備方法的研究目前AgNi觸頭材料中,Ni在銀基體中主要有兩種分布形式,即纖維狀分布及顆粒狀分布。據(jù)此,大致將AgNi觸頭產(chǎn)品的制備工藝分為兩種,一種是燒結(jié)擠壓法制備工藝,Ni在銀基體中呈纖維狀彌散分布;一種是單片壓制制備工藝,Ni在銀基體中呈顆粒狀彌散分布。無論是燒結(jié)擠壓法,還是單片壓制法,都需要經(jīng)過對粉末的制備、處理等粉末冶金過程。粉末冶金過程中所制備的粉末顆粒大小、粉末處理的方式、混粉的均勻性、添加物的選取及添加方式等,都對后續(xù)材料的加工性能及電性能產(chǎn)生極大的影響,王塞北等比較詳細(xì)地介紹了機(jī)械混合法、化學(xué)共沉積法、機(jī)械合金化法等工藝的發(fā)展現(xiàn)狀及提高AgNi觸頭材料抗熔焊性的一些研究與進(jìn)展。王珩等也較全面地評述了機(jī)械合金化、混粉法、化學(xué)共沉積、化學(xué)包覆法制備工藝對AgNi觸頭材料微觀組織和性能的影響,并得出改進(jìn)大電流下抗熔焊性是未來AgNi觸頭材料的研究熱點和難點的結(jié)論,機(jī)械合金化法是AgNi觸頭材料制備方法發(fā)展的新方向。李素華等研究了不同工藝、成分的AgNi材料電性能,得出在交流220V、20A條件下,機(jī)械混粉工藝制備AgNi(15)的抗熔焊性和抗燒損性最好等結(jié)論;黃光臨等研究了化學(xué)共沉積法制備AgNi(10)材料,通過與機(jī)械混粉法制備的材料對比,得出采用化學(xué)共沉積工藝制備AgNi(10),不僅有效地解決鎳顆粒團(tuán)聚問題,而且可以使鎳顆粒細(xì)小,并均勻分布于基體中的結(jié)論,且電性能模擬試驗結(jié)果表明,共沉積AgNi(10)具有抗熔焊力強(qiáng)、接觸電阻低而穩(wěn)定的特點。葉凡等、顏小芳等從不同角度表明,通過加入添加劑,可改善AgNi材料的電性能,拓寬了AgNi材料的應(yīng)用領(lǐng)域。3.1agni觸頭加工燒結(jié)擠壓法制備工藝的大致流程是:粉末制備、處理→混粉→等靜壓→燒結(jié)→熱擠壓→拉拔(軋制)→冷鐓(沖壓)→后處理→成品。山岸宣行對AgNi材料加工過程及相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行了較詳細(xì)的敘述,基本上代表了目前AgNi材料的批量生產(chǎn)工藝。燒結(jié)擠壓法的一個優(yōu)點是可以把AgNi觸頭材料制成線材、板材或帶材,通過后續(xù)的加工,可以獲得鉚釘觸頭、片狀觸頭及型材,滿足各種電器應(yīng)用所需要的形狀,且可以是單一材料,也可以與銅基材料復(fù)合,實現(xiàn)不同用途及目的。AgNi觸頭材料隨著Ni含量增加,其加工性變差。擠壓法加工的AgNi觸頭材料,其Ni含量通常≤30%;高Ni含量的AgNi觸頭材料因其加工性差且通常以較大規(guī)格的片狀觸頭形式供貨,因此,采用擠壓法加工并不多見。研究表明,燒結(jié)擠壓法制備的AgNi觸頭材料,不僅可以提高材料的電導(dǎo)率,還能明顯提高材料的成型加工性能,改善觸頭的耐電弧燒損性,提高材料的電壽命;而采用特殊的纖維強(qiáng)化工藝對鎳顆粒進(jìn)行纖維強(qiáng)化后,更增強(qiáng)了材料的綜合物理性能,擴(kuò)大了材料的使用領(lǐng)域,使其具有更高的電壽命、更低而穩(wěn)定的接觸電阻,應(yīng)用于小電流等級電器中是較佳的代鎘觸頭材料。榮命哲等進(jìn)行了小容量控制電器用新型AgNi觸頭材料的開發(fā)研究,結(jié)果表明當(dāng)鎳?yán)w維取向與工作表面平行時,工作性能更好。梁秉鈞等的研究結(jié)果表明,燒結(jié)擠壓法工藝加工的AgNi觸頭材料表現(xiàn)出更好的加工性及電性能。3.2agni觸頭材料單片壓制制備工藝的大致流程是:粉末制備、處理→混粉→壓型→燒結(jié)→復(fù)壓→后處理→成品。單片壓制制備工藝的優(yōu)點在于工藝簡單、邊廢料少、成本低,可成型高Ni含量的AgNi觸頭材料;根據(jù)需要,能比較方便地加入其他添加物,改善材料性能。但該方法只能加工成片狀觸頭,產(chǎn)品密度低、電阻率高、耐電弧燒損性及抗熔焊性能相對于燒結(jié)擠壓法材料差,目前市場上已很少有AgNi觸頭單純材料采用該工藝生產(chǎn),部分應(yīng)用也只是出現(xiàn)在較低檔次的電器中,市場上更多的是以AgNiC材料為主,應(yīng)用在斷路器領(lǐng)域。4agni觸頭材料的應(yīng)用性能研究AgNi觸頭材料因其所具有的良好的導(dǎo)電性、耐電磨損性的低而穩(wěn)定的接觸電阻,以及良好的塑性和可加工性,在接觸器、斷路器、繼電器等低壓電器領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。諸多的觸頭材料技術(shù)人員及研究者從不同角度對AgNi觸頭材料的應(yīng)