粉末冶金電工材料

В. С. Раковский， СПечеННыеМамериалы вмехНике, Металлургия, Москва, 1978.

松山芳治等:《粉末や金応用制品(Ⅲ)構(gòu)成部品》，日刊工業(yè)新聞社，東京，1964。

在發(fā)明發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的初期，使用的都是石墨或其他純金屬的電刷;到20世紀(jì)初，開(kāi)始應(yīng)用粉末冶金方法制成的銀-石墨、銅-石墨電刷，并在一些繼電器和儀表中應(yīng)用粉末冶金純鎢觸頭。到30年代，用粉末冶金方法分別研制成功鎢-銀、鎢-銅類(lèi)高壓用觸頭材料和銀-鎳、銀-氧化鎘等低壓用觸頭材料，用它們代替純銀、純銅觸頭，性能有很大改善。目前主要使用的觸頭材料是銀基、銅基、鎢基和鉑族貴金屬基等各種觸頭材料系列，其中大部分是用粉末冶金方法生產(chǎn)的。70~80年代，隨著真空開(kāi)關(guān)電器的發(fā)展，又研制成功粉末冶金鉻-銅系觸頭。

電觸頭材料電觸頭是各種電力設(shè)備和自動(dòng)化儀表中的關(guān)鍵元件。通過(guò)它的分?jǐn)嗪徒油?達(dá)到保護(hù)電器,傳遞、承受和控制電流的目的。小型的電觸頭也叫電接點(diǎn)。電觸頭材料一般要求具有以下性能:好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性,一定的機(jī)械強(qiáng)度,低而穩(wěn)定的接觸電阻,高的抗電弧燒損性和抗熔焊性，高的抗介質(zhì)腐蝕性和易于機(jī)械加工等性能。這些性能，一般純金屬或合金很難全部滿(mǎn)足。而用粉末冶金制得具有兩相結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料(一相為銀或銅，另一相為高熔點(diǎn)金屬或金屬化合物)則能較好地滿(mǎn)足。其中銀或銅相提供好的導(dǎo)電導(dǎo)熱，容易機(jī)械加工和焊接等性能;而較高熔點(diǎn)的金屬或金屬化合物相則提供高的機(jī)械強(qiáng)度，抗電弧燒損和抗熔焊等性能。

電觸頭按使用的條件可分為高壓(電壓大于 1kV)、低壓(電壓為 1kV以下)和弱電(電流為毫安級(jí)或以下)三類(lèi)。

高壓觸頭材料 使用特點(diǎn)是工作電壓高，斷流容量大，要求具有高的抗電弧燒損性。常用的高壓觸頭多為含鎢的復(fù)合材料(或鎢基材料),如銅-鎢(鎢-銅)、銀-鎢(鎢-銀)、銀-碳化鎢 (碳化鎢-銀)、鎢-銅-鎳等。它們是用高熔點(diǎn)的金屬鎢或碳化鎢作為骨架，將銀或銅充填入骨架的間隙組成的復(fù)合材料。高熔點(diǎn)骨架保證觸頭的機(jī)械強(qiáng)度、抗電弧燒損性和抗熔焊性，銅和銀不但能提高導(dǎo)電導(dǎo)熱性和改善加工性能，而且在電弧高溫下蒸發(fā)時(shí)可吸收大量電弧能量,降低電弧溫度,從而改善使用條件和降低電弧燒損量。這類(lèi)觸頭有兩種制造方法:①壓制燒結(jié)法,用固相或液相燒結(jié);②熔滲法,用熔融的銀或銅充填經(jīng)過(guò)壓制燒結(jié)制成的鎢或碳化鎢多孔骨架的孔隙;熔滲法制得的材料電弧燒損量低，因此多用此法生產(chǎn)。高壓觸頭材料目前已向耐330kV以上超高壓發(fā)展。

低壓觸頭材料 特點(diǎn)是使用電壓和斷流容量較低，但開(kāi)關(guān)比較頻繁，要求運(yùn)行可靠、使用壽命長(zhǎng)。這類(lèi)觸頭主要用銀基材料，如銀-鎳、銀-鐵、銀-石墨、銀-氧化鎘、銀-氧化銅、銀-氧化錫等系列;也有用銅基、鎢基或鉑族金屬基的。在銀中加入鎳或鐵，可提高純銀的抗電弧燒損、抗熔焊和耐磨性能;加入石墨可提高耐磨性和不發(fā)生熔焊;因而都可提高觸頭通、斷電流的容量，延長(zhǎng)使用壽命。如銀-鎳和銀-石墨觸頭配對(duì)使用，使用壽命較純銀提高幾十倍。利用特殊加工方法產(chǎn)生垂直于工作面的纖維組織結(jié)構(gòu)還可進(jìn)一步改善抗電弧燒損性等性能。 銀-氧化鎘是目前應(yīng)用最廣泛、品種牌號(hào)最多的銀基觸頭材料。在銀中加入氧化鎘，不僅能提高觸頭的強(qiáng)度和硬度，而且在電弧作用溫度下發(fā)生氧化鎘的蒸發(fā)和分解，吸收電弧能，從而減少觸頭的電弧燒損，有利于滅弧和防止熔焊，因此這種觸頭具有優(yōu)異的綜合性能。銀-氧化鎘觸頭材料的制成使低壓電器的容量和使用壽命達(dá)到一個(gè)新的水平。這種材料中的氧化鎘含量為 5~15%,還可添加少量其他元素以改進(jìn)性能。銀-氧化鎘材料的最大缺點(diǎn)是鎘蒸氣有毒,為此發(fā)展了無(wú)毒的銀-氧化錫、銀-氧化銅、銀-氧化鋅等觸頭材料，部分地取代了銀-氧化鎘觸頭。

弱電觸頭材料 弱電用觸頭一般尺寸較小，其使用特點(diǎn)是通過(guò)的電流極小，開(kāi)斷時(shí)不產(chǎn)生電弧，但操作次數(shù)頻繁，要求十分可靠，所以接點(diǎn)材料必須接觸電阻小而又有很穩(wěn)定的抗氧化和抗腐蝕性能。這類(lèi)觸頭主要用金、銀、鉑、鈀等貴金屬及其合金制成，用熔煉法生產(chǎn)。但是在某些接觸壓力較大的弱電接觸時(shí)，如振動(dòng)器、某些信號(hào)繼電器和儀表，則較多使用粉末冶金生產(chǎn)的純鎢、鎢錸或鎢鉬合金接點(diǎn)(表1)。 電阻焊電極和電火花電極材料電阻焊是利用電流通過(guò)工件時(shí)接觸電阻發(fā)熱，并在外壓力作用下進(jìn)行焊接的過(guò)程。用于夾持被焊接工件，通過(guò)所需電流并傳遞外壓力的電極稱(chēng)為電阻焊電極。電阻焊電極材料應(yīng)具有好的導(dǎo)電性，高的高溫硬度和強(qiáng)度，不會(huì)同被焊接材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或粘附等性能。這種電極材料除用熔煉法制成的各種銅合金外，已更多地采用粉末冶金法制成的鎢-銅、碳化鎢-銅、鎢-鎳-鐵-鉬、鎢-鎳-銅等材料。它們具有比銅合金高得多的高溫硬度、強(qiáng)度和抗熔焊、抗電弧燒損性能，而且抗變形性能好，使用壽命長(zhǎng)。此外，粉末冶金彌散強(qiáng)化銅-氧化鋁 (Cu-Al2O3)合金不僅導(dǎo)電性好，而且高溫機(jī)械性能高，也已用作電阻焊電極材料。電火花加工所用的銅、銀、鎢、石墨電極，現(xiàn)也逐步改用鎢-銅、鎢-銀等復(fù)合材料。

金屬-石墨電刷材料電刷的作用是將電流從一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)的元件傳送到一個(gè)靜止的元件，因此電刷材料也稱(chēng)為滑動(dòng)觸頭材料。電刷材料除要求有高導(dǎo)電性外，還要有很好的潤(rùn)滑性和耐磨性。石墨電刷的潤(rùn)滑和耐磨性能好，但耐受電流密度較小(最大為100kA/m2)。用金屬-石墨(主要為銅-石墨)制成的電刷，其耐受電流密度可提高一倍(195~230kA/m2),而且耐磨性和抗彎強(qiáng)度也顯著提高。常用的電刷材料成分范圍為:石墨 5~70%、錫<10%、鋅<12%、鉛<10%，其余為銅。其抗彎強(qiáng)度為1.8~18kgf/mm2，電阻率為4~500Ω·m。

電熱合金和熱電偶材料常用的電熱合金(鐵基合金、鎳基合金)是用熔煉法生產(chǎn)的，只能用于制造在低于1200℃條件下工作的發(fā)熱元件。更高溫度條件下工作的發(fā)熱元件，就要用熔點(diǎn)更高的金屬，如鉬、鉭、鎢等。它們通常用粉末冶金法生產(chǎn)。其使用特點(diǎn)見(jiàn)表2。 測(cè)量1600℃以上高溫的熱電偶，要用粉末冶金法制作的高熔點(diǎn)材料制成。用鎢錸熱電偶可測(cè)到2800℃高溫。常用配對(duì)的鎢錸熱電偶有WRe 5/WRe 20，WRe 3/WRe 25，WRe 5/WRe 26，W/WRe 26等。鎢錸熱電偶必須在氫或惰性氣體或真空條件下使用。