趙喜軍喬鳴忠王華敏

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AgNi15觸頭電性能試驗(yàn)研究

趙喜軍1，2，喬鳴忠1，王華敏2

（1.海軍工程大學(xué)，武漢 430033；2.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文采用試驗(yàn)的方法，研究了模壓燒結(jié)和模壓燒結(jié)擠壓兩種不同工藝生產(chǎn)的AgNi15觸頭材料在抗熔焊、抗電損和分?jǐn)嗄芰Ψ矫嫠憩F(xiàn)出來(lái)的差異。通過(guò)在特定樣機(jī)上的試驗(yàn)，證實(shí)了不同的生產(chǎn)工藝對(duì)觸頭材料的電性能有一定的影響，并從理論上分析了造成影響的原因。

觸頭材料 電性能 AgNi15

0 引言

AgNi觸頭材料具有良好的導(dǎo)電性、耐電磨損以及低而穩(wěn)定的接觸電阻，良好的塑性和可加工性，但也存在抗熔焊性差和機(jī)械強(qiáng)度低的不足[1]。本文以某型額定電壓DC900V，額定電流2350A雙極斷路器為例，其觸頭材料采用模壓燒結(jié)工藝生產(chǎn)的AgNi15板料。后來(lái)供應(yīng)商基于提高AgNi15觸頭材料的抗電磨損和抗熔焊的目的改進(jìn)了生產(chǎn)工藝，為了對(duì)改進(jìn)工藝的有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文采用試驗(yàn)的方法，研究了大電流使用條件下觸頭材料生產(chǎn)工藝的改變對(duì)觸頭材料電性能的影響。

1 AgNi15金相分析

電觸頭材料的金相組織是電觸頭材料最重要、最基本的性能之一，其性能直接影響到開關(guān)電器的電氣性能、工作可靠性和壽命[3]。用金相分析的方法觀察觸頭材料的金相組織、金相缺陷是觸頭材料研究的重要手段之一。

材料組別1 AgNi15觸頭材料的生產(chǎn)工藝為模壓燒結(jié)擠壓工藝，材料組別2 AgNi15觸頭材料的生產(chǎn)工藝為模壓燒結(jié)工藝。兩種材料銀和鎳的化學(xué)成分含量均符合GB/T 5588-2002的規(guī)定。金相組織如圖1及圖2。

從金相組織上看，采用模壓燒結(jié)擠壓工藝的材料組別1 AgNi15觸頭材料，鎳在銀基體中呈細(xì)微化纖維狀分布，而采用模壓燒結(jié)工藝的材料組別2 AgNi15觸頭材料，鎳在銀基體中呈顆粒狀彌散分布。按照榮命哲等[4]小容量控制電器用新型AgNi基觸頭材料的研究，當(dāng)鎳?yán)w維取向與工作表面平行時(shí)，工作性能更好。因此在觸頭片的切割中采用了工作表面與鎳?yán)w維取向平行排料方式。

2 試驗(yàn)研究

一般推薦分?jǐn)嚯娏鬏^大時(shí)采用AgC與AgNi（40~50%Ni）配對(duì)使用[5]。但在實(shí)踐中證明，分?jǐn)嘀绷鞔箅娏鲿r(shí)，AgNi觸頭對(duì)具有優(yōu)異的電弧運(yùn)動(dòng)性能，具有較高的分?jǐn)嗄芰?，更適合做直流高速斷路器的觸頭材料。因此本斷路器采用了AgNi15觸頭材料配對(duì)，研究?jī)煞N生產(chǎn)工藝的AgNi15觸頭對(duì)在抗熔焊、抗電損和滅弧性能方面的差異。

2.1 抗熔焊性能研究試驗(yàn)

觸頭的熔焊有動(dòng)熔焊和靜熔焊兩種形式。動(dòng)熔焊發(fā)生于接通或分?jǐn)嚯娐返牟僮鬟^(guò)程中，而靜熔焊主要由接觸電阻產(chǎn)生。

首先采用短路關(guān)合低壓大電流的方法來(lái)進(jìn)行動(dòng)熔焊的試驗(yàn)驗(yàn)證。斷路器配有瞬動(dòng)脫扣單元，可在短路關(guān)合低壓大電流后自動(dòng)斷開，確保了試驗(yàn)過(guò)程的一致性。由于該斷路器為高速斷路器，設(shè)計(jì)的分閘力比較大，在多次關(guān)合45kA時(shí)兩個(gè)材料組別的觸頭均未出現(xiàn)動(dòng)熔焊情況。

對(duì)于靜熔焊的試驗(yàn)驗(yàn)證，采用斷路器承受短時(shí)耐受電流的試驗(yàn)方法，雖然由于電動(dòng)斥力的作用，也有可能造成觸頭接觸壓力下降或斥開造成熔焊。但從試驗(yàn)波形上可看出是否出現(xiàn)斥開或接觸電阻上升的情況。斷路器在承受70ms、43kA電流后兩種材料組別的觸頭形態(tài)如圖3.從試驗(yàn)波形上看雖然觸頭未斥開，但分閘后兩種材料組別的觸頭都有撕裂的痕跡。但材料組別2撕裂的區(qū)域明顯比較大，材料組別1表現(xiàn)出了較好的抗熔焊性。

2.2 抗電損性能研究試驗(yàn)

抗電損性能通過(guò)電壽命試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，試驗(yàn)參數(shù)為DC900 V，2350 A，=2 ms，經(jīng)過(guò)350次電壽命試驗(yàn)后，兩種材料組別AgNi15觸頭試驗(yàn)后觸頭形態(tài)見圖4、圖5。

圖5材料組別2陰極上的凸起和陽(yáng)極上的凹坑

材料組別1觸頭電損的形式主要表現(xiàn)為陰極與陽(yáng)極之間的材料轉(zhuǎn)移、陽(yáng)極上大量的材料移位及兩極上觸頭材料的少量脫落。

材料組別2觸頭電損的形式主要表現(xiàn)為陰極與陽(yáng)極之間的材料轉(zhuǎn)移、兩極上觸頭材料的脫落及少量陽(yáng)極上的材料移位。

材料組別1觸頭材料電損的情況略好于材料組別2，但其在觸頭表面上的移位情況必須重視。

2.3 分?jǐn)嗄芰ρ芯吭囼?yàn)

兩種材料組別的觸頭，在DC900 V，=10 ms的條件下在斷路器上分別進(jìn)行了10 kA、5 kA、2.5 kA、1.25 kA、600 A、300 A、150 A及75 A的正反向分?jǐn)嘣囼?yàn)以及DC900 V、33 kA、=10 ms的運(yùn)行分?jǐn)嘣囼?yàn)未出現(xiàn)明顯差異。但在進(jìn)行DC900 V、45 kA、=10 ms的極限分?jǐn)嘣囼?yàn)中，執(zhí)行CO操作時(shí)采用材料組別1的斷路器分?jǐn)嗍?，而采用材料組別2的斷路器可順利完成試驗(yàn)。對(duì)比采用材料組別1 AgNi15的斷路器和采用材料組別2 AgNi15的斷路器在單極進(jìn)行DC350V、45kA、=10 ms，O—CO—CO試驗(yàn)時(shí)的波形，見圖6、圖7。從波形可以看出，材料組別1 AgNi15觸頭在分閘14 ms左右會(huì)出現(xiàn)顯著的弧壓跌落現(xiàn)象，該時(shí)間點(diǎn)和極限分?jǐn)嗍r(shí)出現(xiàn)弧壓跌落的時(shí)間點(diǎn)是吻合的。材料組別2 AgNi15觸頭則無(wú)此現(xiàn)象。經(jīng)故障復(fù)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象在本型斷路器上具有必然性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1抗熔焊性能比較

從試驗(yàn)結(jié)果看，材料組別1表現(xiàn)出了較好的抗熔焊性。這是因?yàn)槟簾Y(jié)后的擠壓工藝，有利于鎳顆粒的細(xì)微化和纖維化，纖維化后的AgNi觸頭材料具有了各向異性的特性，纖維方向與擠壓方向相同，工作面平行于擠壓方向時(shí)材料具有較好的抗熔焊能力。這在很多文獻(xiàn)中有記載，試驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。

3.2 抗電磨損性能比較

AgNi觸頭材料配對(duì)直流分?jǐn)嗟碾娔p主要表現(xiàn)形式為材料的轉(zhuǎn)移。材料組別1觸頭材料電損的情況略好于材料組別2，但其在觸頭表面上的移位情況表明分?jǐn)噙^(guò)程中出現(xiàn)了較多的液態(tài)金屬電弧。斷路器分?jǐn)噙^(guò)程中，觸頭表面液池中的熔化金屬在電弧作用力的驅(qū)動(dòng)下能以一定的流速流動(dòng)[2]，并產(chǎn)生液態(tài)噴濺，這就造成了觸頭材料宏觀上的移位及脫落。采用模壓燒結(jié)擠壓工藝的AgNi15，在電壽命試驗(yàn)中表現(xiàn)出了更顯著的移位而非噴濺脫落。

3.3 分?jǐn)嘈阅鼙容^

從分?jǐn)嗄芰?，在DC900 V，33 kA以下，兩種工藝的觸頭材料無(wú)本質(zhì)性差異。但在分?jǐn)郉C900 V，45 kA時(shí)，采用模壓燒結(jié)擠壓工藝的AgNi15觸頭材料的樣機(jī)分?jǐn)嗍　?/p>

模壓燒結(jié)擠壓工藝的AgNi15觸頭材料金相組織表明Ni顆粒細(xì)微化纖維化分布于Ag顆粒中，分析認(rèn)為，正是這種金相組織，當(dāng)分?jǐn)鄷r(shí)，由于少量析出的Ag迅速汽化，低沸點(diǎn)的Ag（沸點(diǎn)2193℃）蒸氣束流使沸點(diǎn)較高的Ni（沸點(diǎn)2837℃）的相鄰部位冷卻，這些部位把在那里形成的電弧弧根包圍住，產(chǎn)生金屬熔池，因而阻礙電弧遷移。細(xì)微化纖維化的鎳顆粒，密集了金屬熔池，形成液態(tài)金屬電弧降低了弧根運(yùn)動(dòng)速度。特別是在分?jǐn)啻箅娏鲿r(shí)，弧根移動(dòng)相對(duì)較慢，會(huì)導(dǎo)致觸頭區(qū)域游離氣體較多，造成弧后擊穿，產(chǎn)生觸頭區(qū)域電弧重燃。

4 結(jié)論

本文采用試驗(yàn)的方法研究了采用模壓燒結(jié)和模壓燒結(jié)擠壓兩種工藝的AgNi15觸頭材料在直流重負(fù)載下抗熔焊、抗電磨損和分?jǐn)嗄芰Ψ矫娴男阅?，得出以下結(jié)論：1）AgNi15觸頭材料采用模壓燒結(jié)擠壓工藝，使觸頭材料具有了各向異性的特性，工作面與纖維方向（壓延方向）平行時(shí)具有較好的抗熔焊性能。2）AgNi15觸頭對(duì)電損的主要形式為材料轉(zhuǎn)移，這時(shí)由材料分?jǐn)嘀绷麟娏鞯墓逃刑匦詻Q定的。同時(shí)伴有液態(tài)流動(dòng)和噴濺，這與材料的金相組織密切相關(guān)。液態(tài)流動(dòng)方面，模壓燒結(jié)擠壓工藝的觸頭材料較模壓燒結(jié)工藝的觸頭材料突出些，而噴濺方面，模壓燒結(jié)工藝的觸頭材料較模壓燒結(jié)擠壓工藝的觸頭材料突出些。

3）從分?jǐn)嗄芰Χ?，在本研究試?yàn)的樣機(jī)上，DC900 V，33kA@10 ms以下的分?jǐn)嘀袩o(wú)明顯區(qū)別，但在DC900 V，45 kA@10 ms極限短路通斷中，模壓燒結(jié)擠壓工藝的觸頭材料出現(xiàn)了2次試驗(yàn)失敗，與采用模壓燒結(jié)工藝的觸頭可順利完成試驗(yàn)形成鮮明對(duì)比。

參考文獻(xiàn):

[1] 蔣德志，章杰，白婭玲，等.AgNi觸頭材料應(yīng)用性能及其主要制備工藝[J].電工材料,2014,(3):19-23.

[2] 榮命哲.電接觸理論[M].西安：西安交通大學(xué)電器教研室，1995.

[3] 電觸頭材料金相試驗(yàn)方法：GB/T 26871-2011 [S].2011.

[4] 榮命哲，王長(zhǎng)明. 小容量控制電器用新型AgNi基觸頭材料的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),1999,(1):62-66.

[5] Paul G.Slade. Electrical contacts principles and applications (Second edition)[M].CRC Press，2014.

Test and Research on Electric Properties of AgNi15 Contact Materials

Zhao Xijun1,2, Qiao Mingzhong1, Wang Huamin2

(1.Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM561

A

1003-4862（2016）09-0065-03

2015-05-15

趙喜軍(1975-),男，高級(jí)工程師。研究方向：電子電器。