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电接触材料作为电工合金材料的主要分支,是在开关电器中承担“接通-传导-切断”电流以及信号产生和传输的功能载体的一种功能复合材料。无论是1000kV 的高压输变电设备、6300A 的低压配电设备,还是传递几个毫安甚至“干电流”的键盘,电子线路板上的信号继电器,控制电动机运转的接触器,楼宇配电箱中的小开关,家电、通讯设备、办公设备、汽车和电动工具的控制开关等,都必须使用电接触材料。通常电器开关中大部分元器件的功能,都是服务于保持或驱动它处于某种运动状态。不同的开关电器对电接触材料提出不同的要求,为此, 人们已开发出各种不同类型的电接触材料, 以适应在各种工况条件下的使用。
相对于单个电器产品乃至成套的电气控制装置来说, 电接触材料的自身价值和重量并不显著,但电接触材料的性能优劣,在很大程度上影响了电子电器产品的质量、性能、使用寿命与技术水平。因此,电接触材料的研究、开发和生产,对促进相关工业的发展起着重要的推动作用。目前,点接触材料主要应用于汽车继电器、通讯继电器、工业继电器、电力继电器、家用继电器、信号继电器、微动开关、汽车、电子线路板、自控装置、智能电表、家用电气、铁路信号系统、电动工具、接触器、温控开关、微型断路器、塑壳断路器、墙壁开关、传感器、电机控制、家用电器、楼宇配电、低压配电系统、汽车智能装备等。
电接触材料的电气性能特点和用途
触头品种 |
性能特点 |
用途 |
银氧化镉 |
具有良好的耐电磨损, 抗熔焊性和导电性、导热性,接触电阻小而稳定。由于材料的硬度高而提高了机械耐磨损性, 银氧化镉电触头在通过短路电流时抗熔焊能力强,触头制备工艺对其性能影响很大。粉末冶金工艺制备的触头有较好的抗熔焊性, 但耐磨性能差,合金内氧化法触头的耐电损蚀性好,但抗熔焊性略低, 近年发展的粉末烧结挤压法工艺改善了氧化镉在银基体中的分布形态, 使触头的综合性能得以提高, 但银氧化镉最大的缺点是镉对人体有危害,污染环境 |
应用于各种电流等级的接触器、单极塑壳断路器、漏电断路器、直流快速断路器、 凸轮开关、 汽车接触器、汽车保护开关、光控开关、室内恒温器、微型开关盒断流容量大的继电器以及航空工业用的各种开关 |
银氧化铜
银氧化锌
银氧化锡 |
氧化物含量一般在 5%—12%范围。与银氧化镉相比,这些材料不含有毒金属镉,其中的金属氧化物热稳定性高,具有良好的导电性和导热性,在通断过程中对电弧有很高的耐热、耐电弧侵蚀及抗熔焊性能,从而保证了电器运行的可靠性,提高了使用寿命。近年来银氧化锡发展得较快,甚至在一些电器开关的设计中不必做大的改变, 就可以直接用银氧化锡取代银氧化镉,其使用范围为 10—1000A,在许多性能上接近甚至优于银氧化镉 |
继电器、接触器、低压断路器、 限流开关、 电机保护器、微型开关、仪器仪表、家用电器、汽车电器(灯开关、起动电机等负载)、漏电保护开关等 |
银镍 |
导电导热性好,接触电阻低而稳定,电损蚀小而均匀,直流条件下产生较少的平面状材料迁移。该材料通断时由于氧化物的生成而使接触电阻增高, 对硫敏感,大电流下抗熔焊性能差。常与银石墨配对使用。通过采用粉末烧结、挤压工艺,可使触头性能改善。在银镍中添加少量石墨,可得到性能更好的复合材料 |
低压中小电流等级接触器、断路器、精密仪表、继电器等 |
银石墨 |
导电性好,接触电阻低,抗熔焊性高,在短路电流下也不会熔焊,滑动性能好。但电损蚀大,灭弧性能较差,在电弧的较长时间作用下,烧损剧烈,使灭弧罩积炭、脆弱和较难焊接 |
作为弧触头最大的应用领域有低压断路器、线路保护开关、故障电流保护开关以及滑动电刷、铁道信号继电器等 |
银铁 |
具有良好的导电、导热、耐电损蚀及加工性能,寿命高于纯银触头。抗熔焊性能较差,易受大气侵蚀而形成锈斑 |
广泛应用于中、小电流等级的交流接触器上 |
银钨
银碳化钨 |
银钨烧结材料将银的高电导率、热导率与高熔点金属钨的高硬度、抗熔焊、材料转移小、高耐烧损结合为一体。银钨触头在工作电流下于空气中频繁通断会在触头表面上生成混合氧化物, 从而形成可使接触电阻升高的表面膜。银碳化钨的接触电阻比银钨稳定, 耐电弧作用好, 因而烧损少, 熔焊倾向小,可与银镍配对使用 |
低压断路器、高压断路器及保护开关等 |
铜钨
铜碳化钨 |
性能与银钨相比,在油中不氧化,热容量大,耐电弧侵蚀和抗熔焊性能好,切削加工性好。但比银钨更易氧化,使接触电阻迅速增大。在空气中通断时只能在没有持续电流通过, 而只须经受开关电弧作用的场合或受机械应力作用极强的场合; 铜碳化钨由良导金属铜与特别坚硬而又抗熔焊的碳化钨构成,耐电弧作用好、烧损少 |
用作高压断路器及中、高压负荷开关盒断路器的弧触头以及油断路器的主触头 |
铜石墨 |
机械强度比银石墨高,价格较低,比银石墨易氧化 |
用作隔离开关自润滑抗短路的滑动触头和负荷开关的换向触头 |
电接触材料在开闭过程中产生的现象极其复杂,影响因素较多,理想的电接触材料必须具备良好的物理性能、机械性能、电接触性能、化学性能、加工制造性能。随着工业化的快速发展及电力系统和电子产品的更新换代,对电接触材料的研究开发提出了更高的要求。世界各先进工业国家如美、俄、德、日、法、英和东欧等十分重视电接触材料的研究。电接触材料在电子电器等产品中的主要性能要求如下:
性能 |
具体要求 |
物理性能 |
低的电阻率和蒸汽压,高的热导率、熔点、沸点、熔化热和升华热,并且热稳定性,热容量大,电子逸出功高,以保证起弧电压高和起弧电流高 |
机械性能 |
室温及高温强度高、硬度高,并且塑性与韧性好 |
电接触性能 |
耐电弧烧损,接触电阻低而稳定,熔焊及金属转移的倾向小 |
化学性能 |
对较宽范围的不同介质有良好的耐蚀性能,在大气中不易氧化、碳化、硫化及形成不易导电的化合物或盐渣膜层;电化学电位高,耐化学腐蚀和气体溶解的倾向小 |
加工制造性能 |
要求易被焊接,采用钎焊或用其他方法固定到触座、触桥上 |
电接触材料的分类:电接触材料可以按照几种标准进行分类,一般分类如下:分类一:按照主要导电组元的不同,电接触材料大致可分为银基触头材料、铜基触头材料、其他金属与贵金属基复层触头材料等三类。由于银(Ag)具有低熔点、易加工、抗氧化性强、导电导热性能好的特性,因此在大气环境下服役的触头材料主要为银基触头材料。
按照应用领域的不同,电接触材料可分为:
参数 |
应用领域 |
用途 |
备注 |
|
电流 |
电压 |
|||
轻负载电触头 |
<60A |
<24V |
信号继电器、微动开关 |
主要为银基触头材料与其 他贵金属基的复层触头 |
低压电器用电触头 |
6A-6300A |
<1200V |
空气式断路器、接触 器、继电器、 微动开关 |
主要为银基触头材料 |
中高压电器用电触头 |
100A-3200A |
>1200V |
油浸式断路器、 硫断路器等 六氟化 |
主要为铜基复合触头材料 |
真空电器用电触头 |
6A-3200A |
— |
真空断路器、接触器、 负荷开关、继电器 |
主要为铜基复合触头材料 |
按照制备工艺的不同,电接触材料大致可分为:合金内氧化、粉末预氧化、压制-烧结、压制-熔渗、烧结-挤压等电接触材料的主要生产路线,以及冷镦复合、温镦复合、热轧复合、冷轧复合、固相扩散、电子束焊接等复层电接触材料的主要生产路线,其他有利于提高电接触材料性能的新型工艺(如离子注入、电弧熔炼、电火花烧结)也有不同程度的使用。
根据《GB 2900.04—2008 电工术语 电工合金》对电接触材料的分类,结合产品物理结构,电接触材料可分为触头材料、复层触头、触头元件。
行业产量:据中金企信国际咨询公布的《2020-2026年中国电接触材料市场竞争策略及投资可行性研究报告》统计数据显示:2018年中国万能式断路器产量为145万台,同比增长7.4%,预计到2020年中国万能式断路器产量约168万台。
2013-2020年中国万能式断路器行业产量现状及预测
数据统计:中金企信国际咨询
中金企信国际咨询专业编制《电接触材料项目可行性研究报告》为企业投融资、项目立项、银行贷款申请、批地申请等提供专业化优质服务。2018年中国小型断路器产量为14.3亿级,同比增长8.3%。预计到2020年中国小型断路器产量约16.6亿级。
2013-2020年中国小型断路器行业产量现状及预测
数据统计:中金企信国际咨询
据中金企信国际咨询统计,2018年中国按比例折算低压电接触材料产量为39.5亿级,同比增长7.9%,预计到2020年中国按比例折算低压电接触材料产量约46亿级。
2013-2020年中国按比例算低压电接触材料产量现状及预测
数据统计:中金企信国际咨询
产业发展前景:电接触材料目前主要下游企业所处行业为高压电器行业、低压电器行业及电子信息制造业,三大领域的红利将在“十三五”期间逐渐释放。
高压电器方面,2015年8月国家能源局印发了《配电网建设改造行动计划(2015-2020年)》,2015-2020年,配电网建设改造投资不低于2万亿元,其中2015年配电网投资不低于3000亿元,相较2014年同比增长76%以上;“十三五”期间累计投资不低于1.7万亿元。
低压电器方面,未来几年,受益于低压电器在电力工程中输配电领域中需求的持续增长,电接触材料行业将在“十三五”期间保持稳步增长;家电、办公设备、汽车等行业的稳步增长,为电接触材料行业的持续增长提供有力保障;此外,电接触材料在航空、军工等新兴领域的持续拓展,为整个电接触材料行业的持续发展提供新的驱动力。
电子信息制造方面,借鉴“德国工业4.0计划”,国务院于2015年5月公布的《中国制造2025》进一步强化了高端制造业的国家战略方向,提出“加快推动新一代信息技术与制造技术融合发展,把智能制造作为两化深度融合的主攻方向;着力发展智能装备和智能产品,推进生产过程智能化,培育新型生产方式,全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平”。电接触材料是电器电子产品中的关键接触元件,是智能装备和智能产品在各种电力环境下高效稳定运转的重要保障。因此,“中国制造2025”战略的实施与推进为电接触材料行业转型发展提供了良好契机。