我国环保型电触头材料研发现状及实际应用

我国环保型电触头材料研发现状及实际应用桂林电器科学研究所桂林金格电工电子材料科技有限公司李恒一、环保型触头应用的迫切性•欧盟《关于在电气电子设备中限制使用某些有害物质的指令》（RoHS）有害物质法规要求豁免项（至2010年）铅1000ppm荧光管、玻璃、高温焊料等镉100ppm电触头、电镀汞1000ppm荧光灯及灯具六价铬1000ppm碳钢中的防腐剂，电冰箱制冷剂中的防腐剂聚溴联苯1000ppm多溴二苯醚1000ppmRoHS指令对触头材料的影响及应对策略•RoHS指令对触头材料的影响:银氧化镉（AgCdO），广泛应用于塑壳断路器、微型断路器、继电器、接触器中，目前其市场占有率高达40%以上（2006年）。银氧化铅（AgPbO），没有商业化应用。少量的Pb可能会以杂质的形式存在于Ag中，但含量一般低于50ppm。•应对策略：新设计的电器应采用环保型触头，不再使用银氧化镉，原有的电器如有需要出口欧盟的，需要做好替代的准备工作。二、环保型触头种类和应用环保型触头材料是指不含镉（Cd）和铅（Pb）的触头材料。包括：银氧化锡（AgSnO2）银氧化锡氧化铟（AgSnO2In2O3）银氧化锌（AgZnO）银镍（AgNi）银钨（AgW）银炭化钨（AgWC）银石墨（AgC）替代银氧化镉（AgCdO）的材料•大多数情况下替代银氧化镉材料的是银氧化锡（AgSnO2）材料和银氧化锡氧化铟（AgSnO2In2O3），主要应用场合是25A以上的接触器和继电器。•银氧化锌（AgZnO）在某些特定场合也能替代银氧化镉（AgCdO），如在一些200A以下的的断路器和20A左右的继电器中使用。•在25A以下的接触器、继电器和断路器的辅助触头，一般用银镍（AgNi）来替代银氧化镉（AgCdO）。•在微型断路器中，用银石墨（AgC）来替代银氧化镉。三、替代银氧化镉的几种主要触头材料的特点和研发现状1、银氧化锡（AgSnO2）优点：其抗熔焊性好，耐电弧侵蚀，在直流条件下材料转移少，AC1和AC4寿命高于银氧化镉。缺点：接触电阻大，触头温升高，AC3寿命短，加工费用较高。研发方向：通过添加不同的微量添加物，如WO3、MoO3、Bi2O3、CuO等氧化物，来改善其接触电阻；通过改进加工方式和加入添加物，提高电寿命；通过改进触头形状设计和加工工艺，降低加工费用。开发一系列的采用不同添加物和不同加工工艺的银氧化锡来在各个场合替代银氧化镉。国内现状：已开发出WO3、MoO3、Bi2O3、CuO、In2O3等添加物，在添加物种类上与国外基本上是一样的，差距在于对这些添加物作用机理的认识。这需要大量的应用试验来积累，国内在这方面才刚起步。在加工方式上面，国内的加工方式很多，但目前已实现商业化的加工方式基本上与国外的加工方式类似。主要原因是目前国内生产的电器有许多都是直接引进国外的产品或在原有基础上进行改进而来，触头材料也与国外类似。国内加工方式国外类似加工方式应用领域和范例混粉法混粉法（欧洲）接触器，如3TF、Tesys系列雾化法内氧化法（日本）继电器，如HF140FF包覆法化学共沉积（欧洲）继电器，如SKF112DM机械合金化法机械合金化法没有大规模商用反应合成法无没有大规模商用总体上看，国内已开发出一系列银氧化锡材料，性能上达到国外九十年代的水平，能满足大多数应用的需要。桂林金格公司银氧化锡触头材料特点触头材料及工艺加工方法材料特点及应用场合AgSnO2(8)A1C1-ASE雾化挤压氧化物颗粒细小，材料强度、硬度较高，加工性、抗熔焊性及耐磨损性等综合性能良好，适用于中小电流继电器AgSnO2(10)A1C1-ASE雾化挤压AgSnO2(10)C1E2-ASE雾化挤压AgSnO2(12)A1C1-ASE雾化挤压氧化物颗粒细小，材料强度、硬度较高，加工性、抗熔焊性及耐磨损性等综合性能良好，适用于中大电流继电器AgSnO2(12)C1E2-ASE雾化挤压AgSnO2(14.5)C1E2-ASE雾化挤压氧化物颗粒细小，材料强度、硬度高，抗熔焊及抗材料转移性能优异，适用于大电流继电器和汽车继电器AgSnO2(8)C1-MSE混粉挤压氧化物颗粒细小，材料强度、硬度较低，加工性能优异，适用于中小电流继电器5AgSnO2(8)K1-MSE混粉挤压AgSnO2(10)C1-MSE混粉挤压AgSnO2(10)K1-MSE混粉挤压AgSnO2(12)C1-MSE混粉挤压氧化物颗粒中等，材料强度、硬度较低，加工性能良好，适合应用于中小电流继电器和小功率接触器AgSnO2(12)K1-MSE混粉挤压AgSnO2(12)A2C1-MSE混粉挤压氧化物颗粒中等，材料强度、硬度较低，加工性能良好，适合应用于中等功率接触器AgSnO2(12)G1-MSE混粉挤压AgSnO2(12)A1K1-MSE混粉挤压氧化物颗粒中等，材料强度、硬度较低，抗熔焊性优异，适合于中大功率接触器AgSnO2(7)In2O3(3)-IOE内氧化挤压氧化物颗粒细小，材料强度、硬度较高，抗材料转移性能良好，适用于中小电流继电器和汽车继电器AgSnO2(8)In2O3(4)-IOE内氧化挤压2、银氧化锡氧化铟（AgSnO2In2O3）优点：抗熔焊性能好，强度和硬度高，抗材料转移性能突出。缺点：接触电阻较大，价格高，受原材料In价格的影响大。研发现状：通过改进加工方式，应用大挤压比工艺替代内氧化工艺。改进了其内氧化组织的均匀性，使得其接触电阻有所减小。内氧化工艺挤压工艺改进工艺，减少了In2O3的添加量，使In2O3的使用量从3%以上降低到1%以下，并引入其他的添加物，降低了成本。3、银氧化锌（AgZnO）优点：具有抗熔焊、耐电磨损性好，抗大电流冲击能力强，价格适中。缺点：通用性不强，应用不多，对其性能的研究不够深入。研发现状：采用用雾化挤压工艺代替内氧化工艺，提高了触头组织的均匀性。在氧化物含量上增加了主元素ZnO的含量，开发出AgZnO（10）和AgZnO（12）等新牌号，并且添加了WO3、Bi2O3、CuO等微量元素，降低了触头温升，提高了触头材料的分断能力。4、银镍（AgNi）优点：接触电阻低而稳定，直流下材料转移小，价格低廉。缺点：抗熔焊能力低，只适宜用在25A以下场合。研发现状：开发出含添加物的银镍材料，增强了材料的抗熔焊性，提高了材料在高温环境下的使用寿命。目前在小电流应用场合，银镍触头材料是银氧化镉材料的主要替代材料。5、银石墨（AgC）优点：极优良的抗熔焊性（在短路电流下也不熔焊）。接触电阻低，有很强的分断能力。缺点：耐电磨损性能较差，加工也很困难，价格较高。研发现状:采用挤压工艺的银石墨开始替代模压烧结工艺，其密度高，导电性好，在微型断路器（DZ47）中AgC开始逐步替代AgCdO。模压烧结工艺挤压工艺从欧洲的状况看，AgC系列触头材料不仅在微型断路器中应用，其在塑壳断路器中的应用也越来越多，如schneider的CompactC系列塑壳断路器，从发展趋势来看，今后国内AgC的应用将更多。最近对于AgC材料的研发主要集中在提高其塑性上，以便加工出一些复杂形状的触头和自动焊接用的AgC型材。从实验室的研究情况看，网络状AgC和采用碳纤维的AgC都可能会在几年后出现。电器型号CompactC100NCompactC160NC160HCompactC250NC250HCompactC400NC630NCompactC800NC1000NC1250N动触头AgNi40AgNi40AgZnO8AgNi40AgNi40AgWC40AgNi40静触头AgC5AgC5AgZnO8AgC5AgC4Ni2AgC4Ni2四、采用环保型触头替代银氧化镉触头过程中的一些体会1.对于原有的定型了的电器，替代工作往往并不是简单地将银氧化镉触头换下，把其它环保型的触头直接装上去就可以了的，而是还要对一些电器设计的参数进行改动，以发挥新材料的优点，弥补其不足。2.对于新设计的电器，电器设计师最好在设计的开始阶段，就与触头材料的研发人员密切配合，选择合适的触头。因为实际上并没有所谓的万能的、最好的触头材料，而只有最适合某种电器的触头材料。电器设计的过程中很重要的一部分工作就是寻找合适的触头。这就需要电器制造厂商与触头材料制造厂商共同努力，不断改进设计和工艺、不断积累经验。3.在选用环保型触头的过程中，不仅要关注触头材料本身的性能，还应同时关注触桥、铆接、焊接等相关工艺，当触头材料改变后，相关的装配工艺也可能需要作一定的调整，才能充分发挥材料的性能。4.应重视对型式试验结果的分析，特别是要对失效样品进行的详细勘查，包括触头、触桥、弹簧等各种部件，寻找失效原因，不断改进，才能有较好的结果。