第6章 电工合金和特殊电气功能金属材料[6]

6.1 电阻合金

119 电阻合金性能及要求

电阻合金一般性能：电阻温度系数低，对铜热电动势小，力学性能和加工性能好，耐腐蚀。使用中要求合金电阻温度系数小，电阻-温度曲线的线性度好，稳定性高，对铜的热电动势低，耐腐蚀、抗氧化、易焊接，并有一定的耐热性。

120 可变电阻和固定电阻用电阻合金

（1）可变电阻用电阻合金 有两类电阻合金：1）普通调节电阻合金，用于制造变阻器材料，其作用是调节电流、电压，普通调节电阻合金性能和特点见表3.6-1；2）贵金属电阻合金，用于要求较高的仪表及精密电位器，贵金属电阻合金常用合金及特点见表3.6-2。

（2）固定电阻用电阻合金 有两类电阻合金：1）锰铜型电阻合金，主要用于电桥、电位差计、标准电阻器、电压表、电流表、精密分流器中的电阻元件，性能和特点见表3.6-3；2）镍铬系高电阻率合金，用于高阻值电阻器、电阻箱及小型化电阻元件，见表3.6-4。

121 电阻元器件精度稳定性

（1）选择合理的线径，减小合金本身的电流热效应，保证精度。

（2）元器件骨架膨胀系数应与电阻合金的接近，一般选用吸潮性小的陶瓷骨架，其外形轮廓应避免出现过大弯曲，以免绕制线材时破坏被覆层和增加应力。

（3）绕制电阻合金材料时，张力应最小的恒定值，应避免因振动电阻线而发生位移和松动。

（4）为了消除应力，应适当掌握老化稳定处理工艺。

（5）合金焊接要牢固，不允许出现假焊；500Ω以上采用银焊、1～500Ω采用锡焊或银焊、1Ω以下采用银焊，焊剂选用中性，防止出现偏酸、偏碱现象，焊头应清理干净。

6.2 电热合金

122 电热合金特点

电热合金用来制造电阻加热装置中的发热元件，要求电阻率大，电阻温度系数低，电性能长期稳定；具有较高的耐氧化性及对各种气体的耐蚀性；具有较高的高温强度及良好的加工性能。电热合金的品种、性能和特点见表3.6-5。

123 电热合金设计和使用

电热合金的发热能力一般用元件“单位允许表面负载a（W/cm2）”表示，ω是电热元件设计时重要的数据。ω增大可减少元件数，但将提高元件温度，缩短元件寿命。它的选用与电热元件材质、规格、电热设备构造、工作温度、加热介质、传热方式等密切相关。

使用电热合金注意事项：1）最高使用温度约高出被加热物质或周围介质温度100℃以上，而电热合金强度随温度升高而降低，因此为了保证其刚性，对元件的形状和尺寸应合理选择，防止螺旋圈软化倒塌导致短路；2）为降低元件引出端温度，减少电能损失和便于连接电源线，元件引出棒（或带）的截面积至少应为元件截面积的3倍；3）铁铬铝合金焊接，最好采用氩弧焊快速焊接，防止焊口因过热而脆断；镍铬合金元件可用电弧或气焊焊接；4）铁铬铝合金在空气中抗氧化性能高，在含硫、氢的气氛中也很稳定，但含硫的还原性气氛会影响其使用寿命；纯氢及分解氨对铁路铝合金无损害，但在部分燃烧的氨中耐用性较差；直接暴露在氮气中使用，其使用寿命比在空气中低；电热合金不能在卤素及其化合物中或其气氛中使用；5）一般耐火材料中含有Fe₂O₃和SiO₂，在高温下与铁铬铝合金表面的保护膜心Al₂O₃形成低熔点化合物，加速电热合金的损坏，故应采用Fe₂O₃（含量在1.5%以下）和Al₂O₃（含量在48%以上）的高铝耐火砖；也可用氧化镁耐火材料制品作炉衬，在较低温度下可使用黏土砖。

6.3 触头材料[6.28]

124 电触头的种类及要求，触头的连接与组装

电触头按工作状态可分为开闭触头、滑动触头、接插件和固定触头四类。按触头所承受的负载不同，又可分为轻负载、中负载、重负载和真空触头四大类。对材料要求：1）体积电阻率小，硬度适中，能承受较大的接触压力以减小接触电阻；2）化学性质稳定，表面不易生成化合物；耐电弧性能好，触头分合时产生的由放电引起的磨损变形小；3）应尽量选用高熔点或升华材料，以防止触头闭合时由于高温而导致熔焊。

触头连接质量的好坏直接影响开关性能，常见的连接方法见表3.6-6。

125 银基合金和银氧化物触头材料

银具有良好的导电、导热性，除易硫化外，化学稳定性好。银的熔点仅为960℃，硬度不高，在分合时易产生磨损或熔焊。在银中添加少量其他金属可使它的性能得到改善。银氧化物熔点高，抗熔焊性好，经添加元素改性，使材料的电寿命及其他特性得到很大改善。常见银基合金和银氧化物触头材料的特性及用途见表3.6-7。

126 烧结触头材料

随着粉末制备、混合、成形、烧结等方面新技术不断发展，采用粉末烧结法制备的触头材料性能极大提高。常用烧结触头材料的特性见表3.6-8。

127 真空开关用触头材料

真空开关用触头材料属重负载触头材料范围。由于真空中触头表面特别干净，比在空气中更容易熔焊，因此要求具有更高的抗熔焊性。在真空断路器中触头间的开距小电压梯度大，容易引起电击穿，因此要求触头材料具有足够高的耐电压强度，并要求尽量小的截止电流和极低的含气量。常用的触头材料有CuBi、CuTe和CuCr系列合金，CuBi和CuTe合金主要用于制造电压等级较低，分断大电流的触头：CuCr合金适用于制造中高压等级、分断大电流的触头。

128 贵金属触头、滑动触头和双金属触头材料

以贵金属合金为基础，触头材料特性见表3.6-9。

6.4 熔体材料

129 熔体材料及其选用

熔体是熔断器的主要部件。当通过熔断器的电流大于规定值时，熔体即熔断而自动开断电路，从而达到保护电力线路和电气设备的目的。按使用条件和性能要求不同可分三类：1）快速熔体。特点是在正常工作条件下功率损耗较低，在过载或短路情况下则能迅速、准确地切断故障电流，分断能力一般大于50kA（有效值）。对快速熔体的要求是导电、导热、抗氧化稳定性、与石英砂相容性好，热容量、熔化潜热及气化潜热小，易加工。银、铝等纯金属为常用快速熔体材料。2）一般熔体。特点是具有长期载流能力，能在故障时按规定时间分断故障电流。采用锌或铅-锡类合金低熔点材料时，可分断较小的过载电流和不很大的短路电流，反之则采用铜等高熔点金属；保护电动机和电热设备的熔体应具有较大的延时动作特性，小容量熔体多采用焊有低熔点金属丝所构成的二元熔体，大容量熔体有时用铜等高熔点金属，电热设备可采用对温度敏感的合金或化学物质作熔体。3）特殊熔体。特点是在大于100℃的温度下的电阻值呈非线性突变，金属钠、钾适用于制作自复熔断器的特殊熔体。

130 纯金属熔体材料

常用的纯金属熔体材料为银、铜、铝、锡、铅和锌。特殊场合也可采用其他金属。1）银。银具有高的电导率和热导率，无论在空气中或石英砂中均能良好地承受长期通电和连续过载；机械加工性和焊接性好，能制成精确尺寸和复杂外形的熔体；在电力和通信系统中，银广泛用作高质量、高性能熔断器的熔体，但我国银资源缺乏，因此目前正逐步以铝或铜银复合材料替代白银作熔体材料。2）铜。铜也具有良好的导电、导热性和可加工性，机械强度高，价比银廉；但铜质熔体较高温度时易氧化且对周期性变化的负载特别敏感，熔断特性不够稳定，适合做一般电力回路保护用的熔断器熔体。3）铝。铝价格低廉，电导率和热导率略低，但其热电常数小，耐氧化性能好，电阻值比较稳定，熔断特性也较稳定，在某些场合可部分代替纯银作熔断器的熔体。4）锌、锡和铅。这些材料机械强度较低、热导率小、熔化时间长，适宜用来保护小型电动机，也可焊在银或铜丝上做成二元熔体用于延时熔断器中。5）钨丝等。材料本身加工精度高，用作仪表、通信设备中的小容量熔断器。常用纯金属熔体材料的物理性能见表3.6-10。

131 低熔点合金熔体材料

锡、铅、铋和镉等为主成分的共晶型低熔点合金，对周围温度变化反应敏感，适合做保护电热设备用的各种熔断器熔体，使用中往往需借助附加弹簧等产生的机械应力作用来提高熔断器动作的灵敏度，同时熔体本身还要考虑应有相应的机械强度。代表性低熔点合金熔体材料的成分和熔点见表3.6-11。

132 熔体外形和结构

熔片形状：1）截面为圆的均匀丝状或截面为矩形的狭带状，用于额定电流在10A及以下熔体；2）变截面的片状，用于大于10A的熔体。线状熔体以空心螺旋形结构最理想，片状熔体以波浪形、锯齿形结构较好，因为它们均能吸收熔体在热胀冷缩中的部分变形。

熔体熔化时电流和线径有关，设圆截面熔体的直径为d（mm），则最低熔化电流I_min（A）为

在空气中时：

I _min=（d-0.005）/K₁（d=0.02～0.2mm）

I _min=K₂d1.5（d≥0.2mm）

铜熔体（线d为0.1～1.5mm）埋在石英砂中时：

I _min=7.8d1.2（熔体上无锡球时）

I _min=5.2d1.2（熔体上焊有锡球时）

式中 K₁、K₂——系数。

6.5 热双金属材料

133 热双金属材料的性能及特点

热双金属片是由两层或多层具有不同热膨胀系数的金属、合金或其他物质组成的复合材料。其中热膨胀系数较高的一层称为主动层；较低的一层称为被动层；在主动层和被动层之间有的还夹有铜或镍组成的中间层。热双金属材料一般制成片材或带材，当温度变化时，这种材料的曲率会发生变化，在弯曲受到限制时将产生推力，把热能转变为机械能。应用热双金属的这种特性，可以产生驱动、指示和调节，以及补偿等功能。

常用的热双金属元件一般分成三大类：螺旋形、条形和其他成型元件。螺旋形元件常用于需要做较大运动的场合，它可再分成平螺旋、直螺旋和双螺旋。平螺旋和直螺旋产生旋转运动，平螺旋适用于小空间十分紧凑的设计，直螺旋提供易受到热源的大表面面积；双螺旋产生沿着螺旋轴线的线性运动。条形元件用于需要小量运动的场合，简支梁提供线性运动，悬臂梁提供小位移的线性运动，大量用于热继电器、断路器、塑壳开关等自动开关中的热敏元件。其他成型元件中，在占有相同空间时，U形设计具有较大的位移量，用于禁止使用过长直条形空间的场合；蝶形用于快速的跳跃运动，能够方便地构成热敏开关。

热双金属片的主要特性参数：1）比弯曲，单位厚度的热双金属试样，每变化单位温度纵向中心线的曲率变化之半；2）线性温度范围，热双金属的实际挠度同比弯曲标称值算出的挠度相比，偏离不超过±5%的温度范围，在线性温度范围内，热双金属材料具有最大的热敏感性能；3）允许使用温度范围，在该温度范围内使用，热双金属性能不致发生永久性变化；4）弹性模量，是计算热双金属推力、力矩、内应力不可缺少的参数。热双金属的弹性模量由在机械负载下的悬臂梁挠度公式进行移项后得

E=4PL3/Abd3

式中 E——弹性模量（MPa）；

P——负载（N）；

L——标长（mm）；

A——试样挠度（mm）；

b——试样宽度（mm）；

d——试样厚度（mm）。

134 热双金属元件的选用和元件制造要点

（1）热双金属元件的选用

1）元件材料根据使用温度选择，元件的工作温度应在热双金属片的线性温度范围内，所选材料的允许使用温度的上、下限必须超过元件在工作中可能达到的最高和最低温度。

2）根据热双金属元件加热方式来选择，直接加热的方式需考虑热双金属元件的电阻值，以传导方式加热应选择导热性好的热双金属材料。

3）根据热双金属元件热敏感性要求选择。

4）元件形状的选择，元件的用材选定后，便可根据它的动作方式、位移量大小，允许空间和受力情况选用合适的元件形状。

5）元件尺寸的计算，选材和形状确定以后，如何使它具有最小的体积便是关键所在。常用热双金属片材和带材产品的尺寸规格见表3.6-12。

（2）热双金属元件制造中的注意事项

1）冲剪、弯折、卷绕和固定，热双金属片应沿片材轧制方向落料，冲剪后的元件边缘不应带毛刺。弯折半径不宜过小，以防表面出现裂纹。材料愈硬，愈容易折断。螺旋元件绕制时，要估计反弹力，以便保证达到要求的外形尺寸。元件可用铆钉、螺钉、点焊或钎焊法固定，焊接区的温度不应波及工作区。

2）元件的热处理，加工成型后的元件必须进行热处理，元件形状不同，处理方法也不同。较厚平板形元件，保温时间应长些，反复次数可少些；螺旋形、U形元件体积小，厚度薄，反复处理次数可增多些；对动作频繁、精确度高的元件，应增多热处理次数，不宜采用高的热处理温度，保温时间也不宜长；承受大负荷或兼作弹性元件的热双金属元件，应在相同的负荷条件下进行热处理。

3）表面处理，为了提高元件的热吸收率，其表面需经过各种不同的方法处理，表面处理方法有涂层法或氧化法，还有无光精整方法。低温环境中可用油漆或塑料涂层，高温环境中元件表面可电镀Ni、Cu、Sn等。对于恶劣条件（如腐蚀性气氛或水中）下工作的元件则应采用耐腐蚀热双金属片。

6.6 热电材料和热电偶

135 热电材料和热电偶

当两种成分不同的导体或半导体组成回路，两个接触点温度不同时，回路中就会出现电流，回路断开时在开路两端间有电动势（热电动势），该效应称为塞贝克（Seebeck）效应。温度每变化1℃所引起的热电动势变化量（塞贝克系数，μV/℃）值：金属为5～90，半导体可比金属高十多倍，聚合物半导体比一般半导体更高。

热电偶是由两种成分不同的导体或半导体端点焊接在一起所组成的感温元件。其焊接端部称为测温端或热端，另一端称为自由端或冷端。如自由端温度保持恒定，则热电动势成为工作温度的单值函数（即热电特性）。根据仪表所指示的热电动势即可查出对应的温度值，工作温度为3.2～3073K。

热电偶材料具备以下特性：1）热电温度函数连续、呈线性的单值函数关系，二次仪表能精确显示；2）热电特性、化学稳定性和抗氧化性能稳定，均匀性及重复性好；3）电阻温度系数低；4）高温下使用时熔点高，蒸气压低；5）加工和力学性能好等。

136 常用的标准型热电偶和补偿导线

国际电工委员会（IEC）制定的七种标准型热电偶，其分度号为S、R、B、K、T、E和J。我国国标还增加了镍铬-金铁、铜-金铁低温热电偶丝及分度表。各种型号热电偶中，塞贝克系数以E型最高（45～90μV/℃）。

标准型热电偶的分度表是温度和热电势之间的关系，由于它们之间不可能完全呈线性，应根据热电偶材料在不同温度区间内的特性，采用不同幂的多项式来表示。各种标准型热电偶的整百度热电动势值见表3.6-13，查表即可近似计算各温度的电动势值，例如K型热电偶405℃时的电动势值：

E₄₀₅=E₄₀₀+5×S₄₀₀=16.395+5×0.04222

≈16.606mV

工业应用的热电偶，其自由端常靠近热源。为了消除自由端温度变化所产生的误差，通常采用柔性的补偿导线把热电偶的自由端延伸到远离热源处。补偿导线的品种、性能和配用热电偶见表3.6-14。自由端温度如不为0℃，热电偶所测得的温度应加以修正。