5. 粉末冶金电工材料

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Ag-CdO电触头材料的制备方法
• 压制-烧结-复压法。最基本的方法，缺点是密度较低，难以获得
弥散均匀的CdO质点；
• 压制-烧结-挤压法。采用较大的压缩比，有利于提高密度与性能。 • 内氧化法。先制成Ag-Cd合金，在800～900℃下氧化，能够形成
弥散均匀的CdO质点。内氧化时CdO质点的状况取决于氧化时的
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3）Ag-W、Ag-Mo电触头材料
• 此类材料是指银含量较多的材料，也是采用压制-烧结 -复压最常规的粉末冶金工艺制备。由于银含量较多， 所以具有高的导电性能，且能够通过加工而制成各种 形状。但是由于所含钨、钼的量尚不足以形成骨架， 所以与以钨为基的W-Ag电触头材料相比，其抗电弧烧 损性及抗机械磨损性仍显得不足。主要应用于低电压、
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烧结电触头材料
• 开关、电器运行可靠性、寿命 5.1.1 工作特性与要求 1、基本接触现象 材料物性：随密度、硬度增大而升高。 1）
电阻
R（接触） = Rc （收缩） + Rf （过渡）
压力：随压力增大而减小 形状：尺寸，光滑度
电流大小、通电时间，先下降，后稳定 其它：化学稳定性、表面膜
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2) 电侵蚀与金属转移
阳极侵蚀
电压、电流、电阻、电感 沸点、汽化热、热导、送出功 转移方式、放电形式
电磨损
阴极侵蚀 溅射、气化
原因
3) 熔焊
触头闭合后出现融化使开关不能再断开的现象。 静焊：电触头本身电阻使表面局部熔化 动焊：接通时，动触头打击静触头，弹跳，引起了 电弧。
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按照使用情况及条件分类：
• • • • • • 弱电用电触头材料。用于通过电流为毫安级，使用电压也很低的情况。特 点是尺寸小、操作频繁，要求十分可靠，接触电阻小且稳定。主要由贵金 属构成。 低电压电触头材料。使用电压从几伏到几百伏。特点是使用电压仍不高， 操作也很频繁，要求寿命较长，面大而广，使用条件变化多。目前主要是 银基电触头材料。 中电压电触头材料。使用电压从几千伏到几万伏。主要用于城乡电网、电 气化铁路及大型工业企业的电源控制。要求承受的电压高，耐电压强度高、 抗电弧烧损性好。主要是高熔点金属或其化合物与银、铜组成的复合材料。 高电压电触头材料。使用电压超过十万伏。使用电压很高、电流也很大， 但开断操作的次数不多。要求材料具有高的耐电压强度与抗电弧烧损能力。 真空电触头材料。在高真空介质中使用的电触头材料。主要有真空熔炼的 铜合金，铬铜复合材料等。 滑动型电触头材料。通过运动情况下的滑动接触来传递电流，也称为电刷 材料。
4) 电弧特性
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5.1.2.电触头的破坏形式
1) 起弧 蒸发、熔化、转移 2) 氧化 电阻上升 3) 熔焊 4) 桥接 面积下降、电流密度上升
5.1.3 对电触头材料的要求 1) 物性：
电阻低，热导、熔点、沸点高，熔化热，蒸发热高。 热稳定性好，热容量大，蒸气压低，起弧电压电流 低， 逸出功高。
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5.1.5 烧结触头
金属 液相烧结 固相烧结 金属化合物 配料 混合 压制 烧结骨架——熔胶 热压 非金属 烧结 复压复烧 挤压 轧制 热锻 加工 成形
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5.1.6 性能与应用 ① 细晶Ag 加Ni (0.15%) 电阻低、晶粒细 <10A ② Ag-Ni(10%~40%) 抗电磨损性 <20A
③ Ag-G(石墨) Cu-G
损性降低 ④ Ag-氧化物 CdO ⑤ Ag-Fe
抗熔焊性升高 抗电磨
抗电侵蚀 电阻 低 稳 Ag-
导电、导热好。抗熔焊性优于Ag-Ni
⑥ Mo-Cu
⑦
Cu、Ag
W、Mo
导电、导热
高熔点、高耐磨 、硬度
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5.1.6 性能与应用
⑦真空开关触头 介电强度高 数万伏 开断能力、抗焊性、截断电流小、击穿电压高。含气量低 热电子发射小，灭弧能力大。 a) 纯金属 Cu、Ag b) Cu基合金 c) W-Cu Mo-Cu d) Cr-Cu 假合金、熔化凝固后表面光滑，吸气性好 制法：压—烧 熔浸
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（3）Ag-ZnO电触头材料
• Ag-ZnO电触头材料主要用于电流小于 200A的一些低压断路器中。该类材料也 具有较大的脆性，难以进一步加工，所
以实际上也采用压制-烧结-复压或压制烧结-挤压法制造。
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合金（复合材料）的形成方式
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类型
机理
W（Cu）合金
球磨时间
最终状态
多考虑粉末
烧结块状材料
对烧结的影响
密度
性能
A
B
长
适中
无促进作用
有大的促进作用
低
高
差
好
机械活化
液相烧结 应满足的条件 1．液相对固相 的润湿性 2．固相在液相 中的溶解度
制法
烧结触头： M-M 能将互不溶的M-M、M-O、M-N制成 复合物，而且可以按任意的比例组合。
材料
M-O
M-无氧难熔 M-减摩
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按照材料的类型可以分类为：
• 单体金属。纯铜、纯银、纯钨等。 • 合金材料。通过合金的方式，能够改善 单体技术的缺点，主要有银合金、铜合 金、贵金属合金等。 • 金属复合材料。通过将性能向十分悬殊 的金属与金属、或金属与金属化合物构 成复合型的电触头材料，以满足多项性 能的要求。
具有轻的或中等载荷的电气设备中。
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4）银-氧化物电触头材料 （1）Ag-CdO电触头材料
• Ag-CdO电触头材料是银-氧化物电触头材料中最重要的 材料，也是银基触头材料的重要品种。具有作为触头材 料优异的性能：强度与硬度显著提高、抗熔焊性与灭弧 性能良好、抗电弧烧损性能耗、接触电阻稳定，加工塑 性优异。 • Ag-CdO电触头材料的优异性能是由于在电弧作用的温 度下，800～1000℃时，所含的CdO开始挥发，大量吸 收电弧所产生的热量，从而减少烧损，同时有利于灭弧 和防止熔焊。Ag-CdO电触头材料几乎可以适用于所有 的低压电器。
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2）Ag-Ni、Ag-Fe电触头材料
• 镍与铁相对于银，熔点较高，而且有不像铜那样固溶于 银，所以对银的强化作用比铜大。其中镍的抗氧化性能 较好。镍与银的组合能够保证材料的抗氧化性能，所以 Ag-Ni电触头材料的用途较广。 • 由于铁不耐氧化，所以Ag-Fe电触头材料的使用受到限 制，但是Ag-Fe电触头材料的抗熔焊性能与抗磨损性能 优于Ag-Ni，且铁的价格便宜，所以可在使用性能要求 不高的情况下取代Ag-Ni电触头材料。 • Ag-Ni、Ag-Fe电触头材料一般都采用压制-烧结-复压最 常规的粉末冶金工艺制备，有时也采用压制-烧结-挤压 的生产工艺。
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按照主要基体成分可以分为：
• 贵金属系电触头材料。由铂族元素（釕、铑、钯、锇、 铱、铂）以及金）银等金属组成的合金，化学稳定、抗 氧化性能好，接触电阻稳定，但是资源稀少，价格贵。 • 银系电触头材料。导热、导电性能很好，易加工。 • 铜系电触头材料。导热、导电性能也很好，且价格比银 系便宜，资源丰富。 • 钨系电触头材料。熔点高、硬度高、强度大、耐电压强 度高、抗电弧烧损性好。 • 钼系电触头材料。性能与钨系电触头材料接近，但密度 比钨系电触头材料小得多，替代钨系电触头材料，有减 轻重量的优势。 • 石墨系电触头材料。突出的优点是有较好的润滑性能和 抗熔焊性。
火箭尾喷管喉衬
3000度以上高温， 气速1000m/s 经受固体颗粒冲刷
军事武器
坦克破甲弹药罩
电子通讯
热散和热沉材料
良好的气密性 良好的导热性 严格的热膨胀系数
民 用
真空触头材料
完全致密 均匀的组织 良好的导电性
增程炮的尾喷口
燃气舵、鼻锥
电磁炮轨道材料
电子封装材料
高温模具材料
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机械性能 硬度高、塑 性及韧性好
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5.1.4 触头材料的组成与分类 • 1、组成元素 • 高熔点： Cr Mo W 高导电： Cu Ag Au • 密度大、熔点高：Os Ru Pd Pt
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2、分类
高中压：强电弧。 W、Mo
电压
低压：220～240V，5～400Å。 温升、熔焊、磨损性。Ag 弱电：几伏到几十伏，频（）低阻、稳定、寿命。贵金属 熔炼加工：Cu基、Ag
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电 接 触 物 理 现 象
接触温升和熔焊 电接触的机械效应 电弧现象
触头的电磨损
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电阻率低、 热稳定性好、 热导率高、 热容大 物理性能 耐电弧烧损、 接触电压低 且稳定 化学性能
耐腐蚀性 好 、不易 氧化、碳 化、硫化
电接触性能
触点材料 性能要求
加工性能 能够焊接、 钎焊固定 到触座上
5. 粉末冶金电学材料
分
• • • • •
类
分断和接通电路的电接触元件 转接电流的电刷 固定电阻器 加热元件 电偶材料 超导氧化物陶瓷
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5.1 烧结电触头材料
• 电触头是各种电力设备、自动化仪
表和控制装置中使用的一种关键金
属元件，通过其接通或分断，达到
保护电器，传递、承受和控制电流 的目的。
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2）机械性能：室温、高温、强度、硬度、
韧、塑。
3）电接触性：耐电弧烧损，接触电阻低，
熔焊、桥接转移倾向小。
4）化学性能：耐蚀、耐氧化。 5）加工特性：焊接
无材料能完全满足。 Ag? W?
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触点材料简介 接触电阻
收缩电阻+膜电阻 接触电阻或接触电 流增大；软化熔化 冷焊、机械磨损、 机械震动等 触头表面接近时电 压击穿产生 电、热的原因材料 从触头表面移走
温度与氧气分压，低的温度与高的氧分压有利于获得细小的质点。 • 预氧化-压制-烧结-挤压法。既有内氧化的优点，又能发挥挤压操 作的好处。
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镉的离子与蒸气都有毒
• Ag-CdO电触头材料虽然有很多优点，但 是由于镉的离子与蒸气都有毒，所以从 保护环境与人体健康的角度，该类材料 是不利的。发达国家（例如欧洲）已经 开始禁用。所以，开发新的触头材料取 代Ag-CdO电触头材料，已经是必然的趋 势。
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粉末冶金钨（钼）基电触头材料
• 粉末冶金钨（钼）基电触头材料是指含 钨（钼）超过一定的量，能够形成钨 （钼）骨架的W（Mo）-Ag电触头材料。 • 以下以W-Cu合金为例进行说明。
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W-Cu合金
航空航天
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（2）Ag-SnO2电触头材料
• Ag-SnO 2 电触头材料是为了避免镉的毒性而开 发的一类重要的银-氧化物电触头材料。 • Ag-SnO2电触头材料与Ag-CdO电触头材料一样 可以用粉末冶金或内氧化法法生产。当内氧化 锡含量d大于4%时，必须加入少量的铟（In）， 而铟十分稀缺、价格较高的元素。另外，内氧 化的Ag-SnO2脆性很高。通常是采用压制-烧结复 压 或 压 制 - 烧 结 - 挤 压 法 制 造 。
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银基复合材料可以分为以下几类
• 以纯金属作为弥散第二相的银基复合材料。有 Ag-Ni、Ag-Fe、Ag-W、Ag-Mo等。 • 以氧化物作为弥散第二相的银基复合材料。这 些氧化物有CdO、SiO2、ZnO等，添加这些氧 化物能够面线提高材料的硬度与强度、以及抗 熔焊性能。其中Ag-CdO系是综合性能最使用 最广泛的品种。 • 以石墨作为弥散第二相的银基复合材料。添加 石墨除了能够提高硬度与强度外，还能够降低 摩擦系数并作为滑动电触头使用，还具有极好 的抗熔焊性能。
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Hale Waihona Puke Baidu
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粉末冶金银基电触头材料
• 1）特性与分类
• 银是导电性最好的金属，最早作为电触头材料 而使用，但电烧损严重，容易变形，容易引起 粘结与熔焊。 • 银铜合金在保持高导电性的同时明显提高了材 料的硬度。
• 银基复合材料在提高材料的强度、硬度的同时， 可以获得比银基合金更好的导电性能。