电接触材料的研究进展

表２ ＣＪｌＯ一４０交流接触器的实验结果［１２］ Ｔａｂｌｅ ２ Ｅｘｐ鲥ｍｅｎｔａＩ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ＣＪｌＯ·４０ ＡＣ∞ｎｔａｃｔｏｒ
－括弧中的比例表示Ａｇ与Ｓｎ０２质量比
但Ａｇ／ｓｎ０２电接触材料的性能也存在不足：
（１）Ａｇ／ｓ峨电接触材料在使用过程中，由于Ｓｎ０２
颗粒分解温度高、不导电，使得触头材料在电弧作用 下，容易在触头表面形成一层稳定而又不易导电的 Ｓｎ０２熔渣，使接触电阻和温度升高。（２）在ＡＧ３ 使用规范中（ＡＧ３类用于笼型异步电动机的起动，
但在运转时断开），Ａｇ／Ｓｎ０２使用寿命比Ａｇ倒。
电接触材料短，且电弧烧蚀率大。（３）无论是粉末 冶金法和内氧化法制备的Ａｇ／ｓｎ０２复合材料，在强 烈电弧作用下都易引起裂纹，影响电器寿命。（４） 在Ａｇ／ｓｎ０２制备过程中，如Ｓｎ０２颗粒粗大，会导致 材料硬度高、脆性大，塑性下降［１３－１引，从而使材料 加工成型较困难，成品率降低，生产成本提高。
触器划分为ＡＧｌ、√屺２、ＡＧ３、ＡＤ４四种使用类
别，所谓使用类别是指其所带负载性质及工作条件。
√屺４类用于笼型异步电动机的起动，及短时反复接
通和断开的电容器及照明电路），Ａｇ／ｓｎ０２电接触 材料具有较长寿命和较小电弧烧蚀量（如图２、表２ 所示）。
表１ Ａｇ伽ｅ０中有关组分的热力学性质［１２】
Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ肿ｏｄｙｌｌａｍｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｒｅｌｅｖ锄ｔ
＊张德林（１９８０一），男，硕士研究生。Ｅ．ｍａｉｌ：ｚＩｌａｎｇｄｅｌｉｎ２０００＠１２６．咖
收稿日期：２００７—１１—２９
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粉末冶金技术
２００８年１２月
内需求和市场竞争，必须加快研发高性能、可形成产 业优势的Ａｇ／ｓｎ０２电接触材料。
１ Ａｇ／ｓｎ０２电接触材料的性能 Ａｇ／Ｓｎ０２电接触材料是将具有抗电弧烧蚀和
第２６卷第６期 ２００８年１２月
粉末冶金技术
Ｐｏｗｄ盯Ｍｅｔａ¨Ⅱｒ盯ＴｅｃｈｎｏＩ嚼
ｖ０１．２６．Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．２００８
Ａｇ／Ｓｎ０２电接触材料的研究进展
张德林。 林晨光 王家君 李明
（北京有色金属研究总院，北京１０００８８）
崔舜
摘要： 综述了Ａｇ佻电接触材料的研究进展，分别从材料的特性、添加剂的影响、制备方法及加工工艺
触伽ｅｏ电接触材料具有优良的开关运行特
性，较好的耐磨损性、抗熔焊性和导电性，广泛应用 于电子电路、低压电器、汽车继电器、航空航天电器
中¨．２Ｊ。在Ａｇ朋ｅＯ电接触材料系列中，Ａｇ／ＣｄＯ
具有耐电弧、抗熔焊、耐机械磨损、耐腐蚀、接触电阻 低而稳定、加工性能良好等优点，被称为中等负载电
器电接触材料中的“万能触头”。但觚倒Ｏ电接触
的Ａｇ／ｓ如电接触材料（如表４所示）。 表３ Ａｇ／Ｓ她主要技术指标对比‘１９］
Ｔａｂｌｅ ３ ＣｃＩｍｐａｒｉ∞ｎ ｏｆ咖ｉｎ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｏｆ Ａｇ／ＳｎＱ
２ Ａｇ／ｓｎ０２电接触材料的研究现状 ２．１ Ａｇ／ｓｎ０２电接触材料的制备方法
传统Ａｇ／ｓｎ０２制备方法主要有粉末冶金法和 内氧化法。粉末冶金法制粉工艺采用Ａｇ粉和Ｓｎ０２ 粉机械混合的方式。该法优点在于可添加任意类型 和任意量的添加剂，材料组织结构均匀，无“贫金属 氧化物区”；缺点是Ｓｎ０２颗粒尺寸在３～５肛ｍ，较 粗大，造成接触电阻大，温升高，耐电弧烧蚀性较 差【”］。内氧化法工艺过程包括：在真空或惰性气体 中熔化Ａｇ和ｓｎ，然后在含氧气氛中加热ＡｇＳｎ合
上世纪７０年代中期，一些老牌电触头材料制造 商，如ＡＭＩ．ＤＯＤＵＣｏ、ＯＭＧ和ＭＥＴＡ＿ＬｏＲ等公司 开始研发Ａｇ／ＣｄＯ替代产品，９０年代推出Ａｇ／ｓｎ０２ 及添加Ｉｎ２０３、Ｑ１０的Ａｇ／Ｓｎ０２等新型电触头材料， 并在材料性能的改进和工艺推广方面取得进展。９０ 年代后期，日本田中公司、三菱材料公司、丸善公司 和韩国喜星公司开始批量生产Ａｇ／Ｓｎ０２．Ｉｎ２０３触头 材料［８．９］。８０年代中期，上海电器科学研究－所［１０］ 等单位完成内氧化Ａｇ／ｓｎ０２电触头材料的试制工 作，但发展缓慢，导致电接触材料机械加工和产品性 能方面的发展水平与国外相差很大。为尽快满足国
Ｚｈ蛐ｇ ＤｅＨｎ，ＬＩｎ Ｃｈｅｎｇ眦ｇ，ｗａ呜Ｊ嘲叨，Ｌｉ Ｍｉ呜，ＣⅡｉ轴叫
（Ｂｅ日ｉ１１９ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｒｅｓ能ｒｃｈ Ｉ璐ｔｉｔｕｔｅ Ｎｏｆｌｆｅｎｕ啪Ｍｅｔａｌｓ，Ｂｅｉｉｎｇ １０００８８，ＣＫｍ）
Ａｈｔｒ北ｔ：Ｔｈ争ｓｔａ伦ｏｆ·ａｒｔ ｏｆ Ａｇ／ＳｎＱ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ∞ｎｔａｃｔ ｌｍｔｅｒｉａｌｓ、张ｓ ｒｅ、，ｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｔｌｌｉｃａｌ
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第２６卷第６期
张德林等：Ａｇ／ｓｎ０２电接触材料的研究进展
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从以上分析可知，与Ａｇ／Ｃｄｏ电接触材料相比， Ａｇ／Ｓｎ０２除对人体无害、环境友好外，在减少电弧 烧蚀、抗熔焊性、耐磨性等方面也有一定优势。但 是，Ａｇ／ｓｎ０２电触头材料在使用过程中，接触电阻 稳定性和加工性方面还存在一些问题。为进一步改
（３）在大负载电流条件下，相对于Ａｇ倒Ｏ接触材
料，Ａｇ／ｓｎ０２的抗熔焊、耐电弧烧蚀、抗磨损性能更 优异；在同等条件下的直流接触器中，Ａｇ／ｓｎ０２接 点有更高的通断次数，且Ｓｎ０２颗粒质量分数在８％ ～１４％时，质量分数愈高，寿命愈长，材料迁移量愈 少。（４）在ＡＣ一４使用规范中（ＩＥＣ６０９４７—４—１— １９９０、ＧＢｌ４０４８．４—１９９３接触器标准规定：交流接
材料存在两方面的弱点：（１）在生产、使用和回收过 程中，材料中的Ｃｄ元素对人体和环境有害，２００３年 欧盟颁布了《关于报废电子电气设备指令》和《关于 在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》两 个重要文件，明确要求电子、电气器件无害化【３－６］， 禁止Ａｇ／ＣｄＯ电接触材料继续应用。（２）随着电子 工业和自动化工业的发展，电器开关要求电触头具
等几个方面进行总结，阐述了Ａｇ／Ｓｎ０２电接触材料的发展现状，并介绍了纳米技术在该领域的应用状况，探 讨了制备技术的改进对Ａｇ／Ｓｎ０２电接触材料性能的影响。 关键词：电接触材料；添加剂；纳米Ａｇ／ｓｎ０２粉末；制备方法；纳米技术
Ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｓ ｏｆ Ａｇ／Ｓｎ０２ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｔａｃｔ ｍａｔｅｒｉａｌ
ｄｅｃｔｒｉｃａｌ∞ｎｔ牝ｔ ＩＩｌａｔｅｒｉａｌｓ ｗ够ｉｎ廿ｏｄｕｃｅｄ．Ｆｉｍｌｌｙ，ｔｈｅ ｍｅｔ｝脚ｓ ｈａｗ ｔ０ ｉ士ｎｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉ∞０ｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐ０８ｉｔ∞
ｗｅＩｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｍ诅ｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ∞ｎｔａｃｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ａｄｄｉｔｉｖ鹤；Ａｇ／Ｓｎ０２ ｍｎｏ附ｖｄｅｒｓ；ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄＳ；ｍｎｏｔｅｃｈｎｏ崦ｙ
备小型化、高可靠性、长寿命等性能，Ａｇ倒Ｏ电接
触材料在抗熔焊、抗磨损和耐电弧烧蚀等性能方面
显示出不足【７ Ｊ。鉴于Ａｇ倒Ｏ电接触材料性能的缺
陷，研发综合性能优良、环境友好的新型电接触材料 具有重要的科学与经济意义。Ａｇ／Ｓｎ０２具有良好 的抗熔焊、耐电弧烧蚀性能、抗磨损性能及无毒等特 点，能够适应现代化电子电气工业的发展，可望成为 代替Ａｇ／ｃｄｏ电接触材料的最佳选择。
Ｔａｂｌｅ ４ Ｃ０ｒｎｐａｒｉ９。１１ ０ｆ ａｐｐｄｉｃａｔｉｏｎ ｐｅ怕咖ａｎｃｅ ｏｆ Ａｇ／ｓｎ０２ ｃｏｎｔａｃｔｏｒ ｍｔ舐ａｌｓ
项目
差慧以罴１，。＝１
＊括弧中的比例表示Ａｇ与Ｓｎ０２质量比
（２）机械合金化一球磨法 机械合金化（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ舢ｌｏｙｉｎｇ，ＭＡ）制备纳
米Ａｇ／ｓｎ０２复合粉的过程是将一定比例的Ａｇ粉和 Ｓｎ０２粉放人高能球磨机中，采用合适的球料比、转 速、磨料球和球磨时间进行高能球磨。Ｌｅｅ Ｇ Ｇ
（１）溶胶一凝胶法 溶胶一凝胶法（Ｓ０ｌ—Ｇｅｌ）被用于制备纳米微
粒、纳米薄膜、纳米复合材料等。其机理是以金属醇 盐Ｍ（ｏＲ）为原料，对其进行水解、缩聚反应，使溶 液经溶胶化得到凝胶，凝胶再经干燥、煅烧成粉体。 此法生产的产品粒度小、纯度高、反应温度低，过程 易控制，颗粒分布均匀、团聚少、介电性能较好。郑 冀等【１６］通过溶胶一凝胶法制备Ｓｎ０２粉末，并通过
ｔｅｃｈｒｄ魄ｌ铭ｗｅｒｅ锄ｍａｒｉｚｅｄ，ｒ∞ｐｅｃｔｉｖｄｙ；ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｎｉ∞，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ａｄｄｉｔｉｖ肖，ｐｒｅｐａｄｒ呕ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｐｒｏｃ驾ｓ ｄｅｖｄｏｐｉｎｇ州ｅｆｌｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒＭｔｅｒｉａｌｓ吣ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ；ｍ既ｎｗｌｌｉｌｅ，ｔ｝ｌｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ８ｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｌａ∞ｔ∞ｈｎｏｌ叫秽ｉｎ ｔｈｅ
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等［２０］通过机械合金化制备了Ａｇ／ｓｎ０２复合粉，并 发现纳米Ｓｎ０２颗粒均匀弥散分布在Ａｇ颗粒基体 上。利用热压技术制备了致密、性能良好的纳米 ｓｎ０２细晶Ａｇ／ｓｎ０２电接触材料。ｚｏｚ Ｈ等【２１］采用
∞ｍｐｏｎｅｎｔｓ ｉｎ Ａｇ／Ｍｅ０
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Ｆｉｇ．１
图１ Ａｇ／ｓｎ０２的熔焊特性［１２】 Ａｎｔｉ·、训ｄｉｒＩｇ ｃｈａｎｃｔｅｒｉｓｔｉ器ｏｆ Ａｇ／ｓｎ０２
∞目、啊基誉口脚
图２ Ａｃ条件下接触器接点材料的电弧烧蚀［１２］
Ｆｉｇ．２—口ｃ ｅｒｏｓｉｏｎ ｏｆ∞ｎｔａｃｔ眦ｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ ＡＣ∞ｎｄｉｔｉｏｎ
进Ａｇ／ｓ鹏电接触材料的性能，人们做了大量研究
工作，主要集中在以下方面：（１）对Ｓｎ０２颗粒进行 表面改性处理或加入其它元素以提高其导电性能和 与Ａｇ基体的润湿性能。（２）在Ａｇ基体中加入合 金元素，提高Ａｇ．Ｓｎ０２的界面润湿性能，降低Ａｇ／ Ｓｎ０２电触头材料的接触电阻，提高抗电弧烧蚀性 能。（３）改进生产工艺，使ｓｎ０２颗粒尺寸更小，分 散更均匀，改进Ｓｎ０２颗粒与Ａｇ基体间的结合状 况，主要包括：①采用溶胶一凝胶法制备Ｓｎ０２纳米 粉末或Ａｇ／ｓｎ０２纳米复合粉末；②通过机械合金化 制备Ａｇ／ｓｎ０２纳米复合粉末；③用纳米粉末制备纳 米晶或微晶Ａｇ／ｓｎ０２复合材料的工艺研究。（４）改 进加工成型工艺，提高成品率，降低生产成本。
耐腐蚀性能［¨】的Ｓｎ０２颗粒均匀分布在Ａｇ基体中
形成的一种电接触合金材料。相比于Ａｇ例Ｏ接触
材料，Ａｇ／ｓｎ０２电接触材料有以下优点：（１）Ａｇ／ Ｓｎ０２材料中Ｓｎ０２的分解温度高于２ ３７３℃（如表１ 所示），其热稳定性很高，在电弧作用下不易迅速分 解和升华，从而增大了材料在电弧作用下形成Ａｇ 液的黏度，减少Ａｇ液的喷射侵蚀和材料的电弧烧 蚀。（２）Ａｇ／ｓｎ０２材料在电弧作用下，触点表面发 生组织和成分变化，产生许多孔洞，这些孔洞充当了 应力集中的释放点，使熔焊力降低，从而使触头材料 容易断开而不互相焊接在一起，显示了优异的抗熔 焊性（如图１所示）。图１试验条件为：ＡＣ，起动电 流４０Ａ，稳态电流１０Ａ，电压１００Ｖ，阻性负荷，２０次／ ｍｉｎ，动接点夺４ｍｍ，静接点巾５ｍｍ，接触压力Ｏ．３９Ｎ。
掺杂Ｔｉ４＋、化学包覆等工艺改善了Ｓｎ０２的导电性能 及其和Ａｇ的浸润性，用这种改性后的Ｓｎ０２粉末制 成Ａｇ／ｓｎ０２电接触材料，降低其接触电阻，改善了 组织的均匀性，提高了机械加工性能（如表３所示）。 刘想梅等［１７－１Байду номын сангаас］利用溶胶一凝胶法研究了掺杂纳米 氧化物的Ａｇ／Ｓｎ０２电接触材料，制备了性能符合国 标且优于美国和日本同类产品、具有良好应用前景
随着纳米技术的发展和广泛应用，人们将纳米 材料制备技术应用于Ａｇ／Ｓｎ０２电接触材料的研究 开发中，研究人员开始寻求将Ｓｎ０２颗粒细化至纳 米级尺寸或直接制备纳米级Ａｇ／ｓｎ０２粉末的方法， 改善Ａｇ／ｓｎ０２电接触材料的综合性能。下面介绍 纳米Ａｇ／ｓｎ０２复合粉末的主要制备方法。
表４ Ａｇ桃触头材料应用性能比较表［１７］
金以使Ｓｎ转化成Ｓｎ０２。由于Ｓ她的热动力学稳
定性高于Ａ９２０，所以ｓｎ氧化要先于Ａｇ的氧化【１ ３Ｊ。 但此法缺点是：（１）由于氧从试样表面向中心扩散， 沿样品横截面方向（深度方向）产生不均匀的微观 结构。（２）由于触头中心存在“贫氧化物区”，且在晶 界处有氧化物沉淀析出，从而使其抗熔焊性、耐电弧 烧蚀性在使用过程中逐渐变坏，触头寿命短。