贵金属电接触材料的发展概况

贵金属电接触材料的发展概况
本文介绍了贵金属基电接触材料的特性、应用范围以及目前的发展现状，并对贵金属电接触材料以后的发展趋势提出展望。

标签：电接触材料；电刷丝；导电滑环；贵金属合金
1 引言
在电器设备和电子仪器系统中，电能、电信号必须能从一个导体传向另一个导体，而导体之间的连接处经常是造成电信号或能量供给和传递的主要障碍。

电接触元件能够在不同环境担负着电器的接通、分断、导流和隔离的工作，由于接触点受到的接触压力、工作电压、电流大小以及分断次数的不同，这些电接触元件的性能直接影响电转换器件及整个仪器、仪表的可靠性、稳定性、精度及使用寿命。

所以在不同的应用环境下，电接触材料需要满足的性能要求也不同。

现阶段应用最广泛的电接触材料是贵金属基合金。

贵金属基电接触材料具有较高的导电和导热性、高化学稳定性、低而稳定的接触电阻、高抗熔焊性和高抗电弧侵蚀等优良性能，一直被认为是最好的电接触材料，尤其在接通和断开装置中表现出优异的综合性能，因此在许多电接触应用领域都选择其作为触点材料[1]。

2 电接触材料的分类
目前广泛应用的贵金属电接触材料主要是银、金、铂、钯合金，以及这些合金的复合材料和贵金属镀层材料。

银合金大量用于中等负荷或重负荷电器，铂合金、钯合金、金合金较多使用于小负荷电接触。

电接触材料一般按用途分为：电接点材料，电刷材料，绕组材料，导电环、换向片或整流片材料，接插件材料。

按工作方式分为：固定接触，开闭接触，滑动接触材料[2]，如图1所示。

目前，已研制出的贵金属基电接触材料有数百种，归纳起来，它们可以分为4个系列：银基、金基、铂基和钯基电接触材料。

本文主要介绍贵金属电接触材料的主要性能优点以及在航空航天及军工等精密领域的广泛应用。

2.1 银合金电接触材料
银基合金是最重要、用量最大而且最廉价的贵金属电接触材料。

银在所有金属中导电性及导热性最好，由于银的硬度不高，熔点低，不耐磨，在潮湿和较高温度下，在含硫和硫化物的介质中，表面形成硫化银薄膜。

在直流电的作用下，银的硬度低和易挥发，会形成电侵蚀尖刺。

在负荷大的条件下，银接触原件易形成电弧，发生熔接。

为能够最大限度地保持银的导电、导热性，人们向银中添加少量合金元素以提高银的机械性能和的抗熔焊性能，获得性能优良的银基电接触材料[3]。

在Ag中添加3%～28%Cu可以提高Ag基体的强度，但随着Cu含量的增加，材料的化学稳定性将随之降低，在接触面发生氧的富集，形成CuO。

在小电流的使用领域内，该系列合金可用作微电机的换向器和旋转开关等滑动触头，在电流较大的使用领域内，可用于接触压力大以及有油保护的装备中。

其代表化学成分有AgCu10、AgCu28等常用来制成导电滑环、电刷丝等接点材料。

AgMgNi合金是属于内氧化型弹性接点材料，通过内氧化工艺，可使合金中作为强化相而弥散分布的氧化物金属（MgO）与基体金属形成均匀的固溶体合金。

主要应用在小型微型军用密封继电器、1/2晶体罩继电器、小型密封磁保持电磁继电器、微型开关等作为簧片和触点。

2.2 金合金电接触材料
金的化学稳定性最好，具有突出的电接触特性，还具有良好的导电性、低屈服点和低弹性模量，且不易形成具有高接触电阻的氧化、硫化或者有机物薄膜（褐粉）。

这些特性保证了金的接触稳定性，使得金可作为低接触压力和弱电流条件下的接触材料。

在含金为60-70%的情况下加入Pt、Pd、Ag、Cu、Ni等元素组成的金基合金，可以通过固溶强化、沉淀强化、有序强化、调幅分解及马氏体转变强化、弥散强化、加工硬化等方式提高合金的性能[4]。

Au-Cu系、Au-Ag-Cu系合金作为电刷及导电环材料已经得到较好的应用，具有良好的耐腐蚀、耐磨性，强度和弹性高，接触应力松弛小，使接触元件具有较长的工作寿命、高的工作可靠性和输出精度等优点。

由于Au-Cu具有有序一无序转变特性，经过有序化热处理后可以获得较高硬度，同时获得理想的电阻性能。

常用来作为电刷丝、导电滑环以及铆钉连接材料；
在Au-Ni系中Ni含量为5%、9%、16%的合金被广泛用于轻、中负荷电接触材料。

添加微量Mn、In等元素可以降低摩擦系数，增加自润滑性，添加稀土Gd可以提高合金的耐腐蚀、耐磨性。

人们在二元和三元合金的基础上通过添加合金元素对其进行改良，形成了Au基多元合金[5]：AuCuPtAg、AuCuPtAgZn、AuCuPtPdNiRh等，具有较高的弹性、较好的耐磨性与耐腐蚀性、较低的接触电阻，主要用作精密电位器用弹性电刷材料和微型继电器用的触点材料。

2.3 铂及钯合金电接触材料
在电接触材料中，当同时被要求满足化学性能绝对稳定和抗烧损强度大时，
铂族金属就起到了无可替代的作用。

它们的主要缺点是在有机气氛中容易受到有机污染。

为了提高铂的硬度、抗弧性、耐熔焊性，常常加入Ag、Ni、Ge、Ru、W等元素。

铂基合金的主要特点是耐腐蚀、耐磨损、开关可靠性高和寿命长。

在弱电流工艺中，银基、金基、钯基合金不能胜任的地方都可采用铂基合金。

常用的有铂铱合金、铂钌合金、铂钨合金等。

铂铱合金在现代工业中有极广泛的用途[7]。

其中，电接触点是铂铱合金应用的一个最重要的领域，由于铂铱合金有高的硬度、高的熔点、高的耐腐蚀能力和低的接触电阻等特点，因此它在使用条件要求最高的弱电接点中成为一种经典的电接点材料。

例如，PtIr10和PtIr25合金常用作航空发动机的点火线圈接点，高灵敏继电器以及微电机的电接点。

另外，飞机、导弹、舰艇的航向仪、地平仪、陀螺仪等精密传感器的电位器或导电环、微电子技术中的厚膜电阻、某些精密仪器仪表中的游丝也采用PtIr合金。

钯的密度小，以它为基的合金是重要而经济的铂族金属接触材料。

由于钯的导电率和导热系数均比较低，不能用作强电流接触材料，而主要用作弱电接触材料，虽然钯有产生氧化膜的性质，但在一定条件下，其接触特性比铂好。

常用的钯基接触材料有Pd-Ir、Pd-Ag、Pd-Cu合金，由于有耐蚀性能好，不易生弧可用作断开触点和滑动触点。

钯多元合金[8]的耐蚀、耐磨损性好，可作为电位器的滑动电刷。

另外PdIr8和PdIr10合金也是常用的电接触材料，但其容易受到有机污染且价格昂贵，所以此类电接触材料的使用越来越少，一般只在电侵蚀较严重的产品和一些高精尖设备中才会使用此类合金。

3 展望
十三五期间我国的工业制造业、航空航天、军事领域势必会朝着更加高科技化、更加精密化发展，传统的二元或三元贵金属合金已不能满足发其所需的性能要求，因此需要发展四元及以上的多元化合金，探索在现有电接触材料中加入稀土元素以提高合金的综合性能。

新材料制备、新工艺、新加工技术的应用也将会促使贵金属电接触材料快速发展。

参考文献：
[1]博存继，谢明，杜文佳.贵金属基电接触材料的研究进展[J].材料导报，2014，28（04）：22-25.
[2]卢锦明，邢立华，李耀娥.精密导电滑环的关键技术及发展趋势[J].导航与制，2015，14（01）：20-25.
[3]马光，孙晓亮.银基电接触材料改性及制备工艺[J].稀有金属快报，2007，26：14-19.
[4]周新铭，李曲波.金的微量元素合金化[J].贵金属，1994，15（02）：1-9.
[5]孔令娇，李强，李翔.添加元素对Au-Cu合金强化影响的研究进展[J].贵金属，2014，35（04）：70-74.
[6]翁桅.我国低压电器用触头材料的现状和发展趋势[J].低压电器，1995（02）：49-52.
[7]张书仁，喻育东.钯银铜金铂锌六元合金的研究[J].贵金属，1983（03）：15-20.
作者简介：马晓东（1987-），男，陕西蒲城人，硕士，助理工程师，贵金属材料工艺员职位，主要从事贵金属合金板带材、丝材及管材加工。