觸頭所采用的材料關(guān)系到觸頭工作的可靠性,尤其是對觸頭磨損影響甚大。根據(jù)各種電器的任務(wù)和使用條件的不同,對觸頭材料性能的要求亦不同,一般要求如下:
(1)電氣性能:要求材料本身的電阻系數(shù)小,接觸電阻小且在長期工作中能保持穩(wěn)定。要求生弧的最小電流大和最小電壓高,電子逸出功及游離電位大。
(2)熱性能:要求熔點高,導(dǎo)熱性好,熱容量大。
(3)機械性能:要有適當?shù)膹姸群陀捕?,耐磨性好?br>(4)化學性能:要具有很好的化學穩(wěn)定性,在常溫下不易氧化,或者氧化物的電阻盡量小,耐腐蝕。
此外,還要考慮材料的可加工性能好,價格便宜,經(jīng)濟適用。但實際上是不可能同時滿足以上各項要求的,而只能根據(jù)觸頭的工作條件及負荷的大小,滿足其主要的性能要求。
觸頭材料分為三大類,即純金屬、合金和金屬陶冶材料。
一、純金屬材料
(1)銀:銀是高質(zhì)量的觸頭材料,具有高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。銀在常溫下不易氧化,其氧化膜能導(dǎo)電,在高溫下易分解還原成金屬銀。銀的硫化物電阻率很高,在高溫時也進行分解。因此,銀觸頭能自動清除氧化物,接觸電阻低且穩(wěn)定,允許溫度較高。銀的缺點是熔點低,硬度小,不耐磨。由于銀的價格高,一般僅用于繼電器和小功率接觸器的觸頭或用于接觸零件的電鍍覆蓋層。
(2)銅:銅是廣泛使用的觸頭材料,導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能僅次于銀。銅的硬度較大,熔點較高,易加工,價格較低。銅的缺點是易氧化,其氧化膜的導(dǎo)電性很差,當長時間處于較高的環(huán)境溫度下,氧化膜不斷加厚,使接觸電阻成倍增長,甚至會使電流通路中斷。因此,銅不適用于作非頻繁操作電器的觸頭材料,對于頻繁操作的接觸器,電流大于150a時,氧化膜在電弧高溫作用下分解,可采用銅觸頭,并做成單斷點指式觸頭,在觸頭分、合過程中有研磨過程,以清除氧化銅薄膜。
(3)鉑:鉑是貴金屬,化學性能穩(wěn)定,在空氣中既不生成氧化物,也不生成硫化物,接觸電阻非常穩(wěn)定,有很高的生弧極限,不易生弧,工藝性好。鉑的缺點是導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能差,硬度低,價格昂貴。因此,不采用純鉑作為觸頭材料,一般用鉑的合金作小功率繼電器的觸頭。
(4)鎢:鎢的熔點高,硬度大,耐電弧,鎢觸頭在工作過程中幾乎不會產(chǎn)生熔焊。但是,鎢的導(dǎo)電性能較差,接觸電阻大,易氧化,特別是與塑料等有機化合物蒸汽作用(例如在封閉塑料外殼內(nèi)的鎢觸頭),生成透明的絕緣表面膜,而且此膜不易清除,加工困難。因此,除少數(shù)特殊場合(如火花放電間隙的電極)外,一般不采用純鎢做觸頭材料,而與其它高導(dǎo)電材料制成陶冶材料。
二、合金材料
由于純金屬本身性能的差異,將它們以不同的成分相配合,構(gòu)成金屬合金或金屬陶冶材料,使觸頭的工作性能得以改進。
常用的合金材料有銀銅、銀鎢、鈀銅、鈀銥等。
(1)銀銅合金:適當提高銀銅合金的含銅量,可提高其硬度和耐磨性能。但是,含銅量不宜過高,否則,會和銅一樣易于氧化,接觸電阻不穩(wěn)定。銀銅合金熔點低,一般不用作觸頭材料,主要用作焊接觸頭的銀焊料。
(2)銀鎢和鈀銅:銀鎢和鈀銅都有較高的硬度,比較耐磨,抗熔焊。有時用于小功率電器及精密儀器儀表中。
(3)鈀銥合金:鈀銥合金使用較廣泛,銥有效地提高了合金的硬度、強度及抗腐蝕能力。
三、金屬陶冶材料
金屬陶冶材料是由兩種或兩種以上的彼此不相熔合的金屬組成的機械混合物,其中一種金屬有很高的導(dǎo)電性(如銀、銅等),作為材料中的填料,稱為導(dǎo)電相,另一種金屬有很高的熔點和硬度(如鎢、鎳、鉬、氧化鎘等),在電弧的高溫作用下不易變形和熔化,稱為耐熔相,這類金屬在觸頭材料中起著骨架的作用。這樣,就保持了兩種材料的優(yōu)點,克服了各自的缺點,是比較理想的觸頭材料。
常用的金屬陶冶材料有銀一氧化鎘、銀一氧化銅、銀一鎢、銀一石墨等。
(1)銀一氧化鎘:導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能好,抗熔焊,耐電磨損,接觸電阻低且穩(wěn)定,特別是在高溫電弧的作用下,氧化鎘分解為氧氣和鎘蒸汽,能驅(qū)使電弧支點迅速移動,有利于吹滅電弧,故稱銀一氧化鎘觸頭具有一定的自滅弧能力。此外,它的可塑性好,且易于加工。因此,它是一種較為理想的觸頭材料,廣泛用于大、中容量的電器中。
(2)銀一氧化銅:與銀一氧化鎘相比,耐磨損,抗熔焊性能好,無毒,在高溫下觸頭硬度更大,使用壽命長,價格便宜。試驗結(jié)果表明,銀一氧化銅觸頭比銀一氧化鎘觸頭在接觸處具有更低且穩(wěn)定的接觸電壓降,導(dǎo)電性能更好,發(fā)熱情況較輕,溫升較低。因此,近年來銀一氧化鋼材料得到了廣泛的應(yīng)用。
(3)銀一鎢:具有銀的良好的導(dǎo)電性,同時,又具有鎢的高熔點、高硬度、耐電弧腐蝕、抗熔焊、金屬轉(zhuǎn)移小等特性,常用作電器的弧觸頭材料。隨著含鎢量的增加,其耐電弧腐蝕性能和抗熔焊性能也逐漸提高,但其導(dǎo)電性能下降。銀一鎢的缺點是接觸電阻不穩(wěn)定,隨著開閉次數(shù)的增加,接觸電阻增大,其原因在于分斷過程中,觸頭表面產(chǎn)生三氧化鎢、鎢酸銀等電阻率高的薄膜。
(4)銀一石墨:導(dǎo)電性好,接觸電阻低,抗熔焊,耐弧能力強,在短路電流作用下也不會熔焊,其缺點是電磨損大。
上述陶冶材料是利用粉末冶金法、化學沉淀法(也稱沉淀法)及內(nèi)氧化法等制成。