第6章 電工合金和特殊電氣功能金屬材料[6]

6.1 電阻合金

119 電阻合金性能及要求

電阻合金一般性能：電阻溫度系數低，對銅熱電動勢小，力學性能和加工性能好，耐腐蝕。使用中要求合金電阻溫度系數小，電阻-溫度曲線的線性度好，穩定性高，對銅的熱電動勢低，耐腐蝕、抗氧化、易焊接，并有一定的耐熱性。

120 可變電阻和固定電阻用電阻合金

（1）可變電阻用電阻合金 有兩類電阻合金：1）普通調節電阻合金，用于制造變阻器材料，其作用是調節電流、電壓，普通調節電阻合金性能和特點見表3.6-1；2）貴金屬電阻合金，用于要求較高的儀表及精密電位器，貴金屬電阻合金常用合金及特點見表3.6-2。

（2）固定電阻用電阻合金 有兩類電阻合金：1）錳銅型電阻合金，主要用于電橋、電位差計、標準電阻器、電壓表、電流表、精密分流器中的電阻元件，性能和特點見表3.6-3；2）鎳鉻系高電阻率合金，用于高阻值電阻器、電阻箱及小型化電阻元件，見表3.6-4。

121 電阻元器件精度穩定性

（1）選擇合理的線徑，減小合金本身的電流熱效應，保證精度。

（2）元器件骨架膨脹系數應與電阻合金的接近，一般選用吸潮性小的陶瓷骨架，其外形輪廓應避免出現過大彎曲，以免繞制線材時破壞被覆層和增加應力。

（3）繞制電阻合金材料時，張力應最小的恒定值，應避免因振動電阻線而發生位移和松動。

（4）為了消除應力，應適當掌握老化穩定處理工藝。

（5）合金焊接要牢固，不允許出現假焊；500Ω以上采用銀焊、1～500Ω采用錫焊或銀焊、1Ω以下采用銀焊，焊劑選用中性，防止出現偏酸、偏堿現象，焊頭應清理干凈。

6.2 電熱合金

122 電熱合金特點

電熱合金用來制造電阻加熱裝置中的發熱元件，要求電阻率大，電阻溫度系數低，電性能長期穩定；具有較高的耐氧化性及對各種氣體的耐蝕性；具有較高的高溫強度及良好的加工性能。電熱合金的品種、性能和特點見表3.6-5。

123 電熱合金設計和使用

電熱合金的發熱能力一般用元件“單位允許表面負載a（W/cm2）”表示，ω是電熱元件設計時重要的數據。ω增大可減少元件數，但將提高元件溫度，縮短元件壽命。它的選用與電熱元件材質、規格、電熱設備構造、工作溫度、加熱介質、傳熱方式等密切相關。

使用電熱合金注意事項：1）最高使用溫度約高出被加熱物質或周圍介質溫度100℃以上，而電熱合金強度隨溫度升高而降低，因此為了保證其剛性，對元件的形狀和尺寸應合理選擇，防止螺旋圈軟化倒塌導致短路；2）為降低元件引出端溫度，減少電能損失和便于連接電源線，元件引出棒（或帶）的截面積至少應為元件截面積的3倍；3）鐵鉻鋁合金焊接，最好采用氬弧焊快速焊接，防止焊口因過熱而脆斷；鎳鉻合金元件可用電弧或氣焊焊接；4）鐵鉻鋁合金在空氣中抗氧化性能高，在含硫、氫的氣氛中也很穩定，但含硫的還原性氣氛會影響其使用壽命；純氫及分解氨對鐵路鋁合金無損害，但在部分燃燒的氨中耐用性較差；直接暴露在氮氣中使用，其使用壽命比在空氣中低；電熱合金不能在鹵素及其化合物中或其氣氛中使用；5）一般耐火材料中含有Fe₂O₃和SiO₂，在高溫下與鐵鉻鋁合金表面的保護膜心Al₂O₃形成低熔點化合物，加速電熱合金的損壞，故應采用Fe₂O₃（含量在1.5%以下）和Al₂O₃（含量在48%以上）的高鋁耐火磚；也可用氧化鎂耐火材料制品作爐襯，在較低溫度下可使用黏土磚。

6.3 觸頭材料[6.28]

124 電觸頭的種類及要求，觸頭的連接與組裝

電觸頭按工作狀態可分為開閉觸頭、滑動觸頭、接插件和固定觸頭四類。按觸頭所承受的負載不同，又可分為輕負載、中負載、重負載和真空觸頭四大類。對材料要求：1）體積電阻率小，硬度適中，能承受較大的接觸壓力以減小接觸電阻；2）化學性質穩定，表面不易生成化合物；耐電弧性能好，觸頭分合時產生的由放電引起的磨損變形小；3）應盡量選用高熔點或升華材料，以防止觸頭閉合時由于高溫而導致熔焊。

觸頭連接質量的好壞直接影響開關性能，常見的連接方法見表3.6-6。

125 銀基合金和銀氧化物觸頭材料

銀具有良好的導電、導熱性，除易硫化外，化學穩定性好。銀的熔點僅為960℃，硬度不高，在分合時易產生磨損或熔焊。在銀中添加少量其他金屬可使它的性能得到改善。銀氧化物熔點高，抗熔焊性好，經添加元素改性，使材料的電壽命及其他特性得到很大改善。常見銀基合金和銀氧化物觸頭材料的特性及用途見表3.6-7。

126 燒結觸頭材料

隨著粉末制備、混合、成形、燒結等方面新技術不斷發展，采用粉末燒結法制備的觸頭材料性能極大提高。常用燒結觸頭材料的特性見表3.6-8。

127 真空開關用觸頭材料

真空開關用觸頭材料屬重負載觸頭材料范圍。由于真空中觸頭表面特別干凈，比在空氣中更容易熔焊，因此要求具有更高的抗熔焊性。在真空斷路器中觸頭間的開距小電壓梯度大，容易引起電擊穿，因此要求觸頭材料具有足夠高的耐電壓強度，并要求盡量小的截止電流和極低的含氣量。常用的觸頭材料有CuBi、CuTe和CuCr系列合金，CuBi和CuTe合金主要用于制造電壓等級較低，分斷大電流的觸頭：CuCr合金適用于制造中高壓等級、分斷大電流的觸頭。

128 貴金屬觸頭、滑動觸頭和雙金屬觸頭材料

以貴金屬合金為基礎，觸頭材料特性見表3.6-9。

6.4 熔體材料

129 熔體材料及其選用

熔體是熔斷器的主要部件。當通過熔斷器的電流大于規定值時，熔體即熔斷而自動開斷電路，從而達到保護電力線路和電氣設備的目的。按使用條件和性能要求不同可分三類：1）快速熔體。特點是在正常工作條件下功率損耗較低，在過載或短路情況下則能迅速、準確地切斷故障電流，分斷能力一般大于50kA（有效值）。對快速熔體的要求是導電、導熱、抗氧化穩定性、與石英砂相容性好，熱容量、熔化潛熱及氣化潛熱小，易加工。銀、鋁等純金屬為常用快速熔體材料。2）一般熔體。特點是具有長期載流能力，能在故障時按規定時間分斷故障電流。采用鋅或鉛-錫類合金低熔點材料時，可分斷較小的過載電流和不很大的短路電流，反之則采用銅等高熔點金屬；保護電動機和電熱設備的熔體應具有較大的延時動作特性，小容量熔體多采用焊有低熔點金屬絲所構成的二元熔體，大容量熔體有時用銅等高熔點金屬，電熱設備可采用對溫度敏感的合金或化學物質作熔體。3）特殊熔體。特點是在大于100℃的溫度下的電阻值呈非線性突變，金屬鈉、鉀適用于制作自復熔斷器的特殊熔體。

130 純金屬熔體材料

常用的純金屬熔體材料為銀、銅、鋁、錫、鉛和鋅。特殊場合也可采用其他金屬。1）銀。銀具有高的電導率和熱導率，無論在空氣中或石英砂中均能良好地承受長期通電和連續過載；機械加工性和焊接性好，能制成精確尺寸和復雜外形的熔體；在電力和通信系統中，銀廣泛用作高質量、高性能熔斷器的熔體，但我國銀資源缺乏，因此目前正逐步以鋁或銅銀復合材料替代白銀作熔體材料。2）銅。銅也具有良好的導電、導熱性和可加工性，機械強度高，價比銀廉；但銅質熔體較高溫度時易氧化且對周期性變化的負載特別敏感，熔斷特性不夠穩定，適合做一般電力回路保護用的熔斷器熔體。3）鋁。鋁價格低廉，電導率和熱導率略低，但其熱電常數小，耐氧化性能好，電阻值比較穩定，熔斷特性也較穩定，在某些場合可部分代替純銀作熔斷器的熔體。4）鋅、錫和鉛。這些材料機械強度較低、熱導率小、熔化時間長，適宜用來保護小型電動機，也可焊在銀或銅絲上做成二元熔體用于延時熔斷器中。5）鎢絲等。材料本身加工精度高，用作儀表、通信設備中的小容量熔斷器。常用純金屬熔體材料的物理性能見表3.6-10。

131 低熔點合金熔體材料

錫、鉛、鉍和鎘等為主成分的共晶型低熔點合金，對周圍溫度變化反應敏感，適合做保護電熱設備用的各種熔斷器熔體，使用中往往需借助附加彈簧等產生的機械應力作用來提高熔斷器動作的靈敏度，同時熔體本身還要考慮應有相應的機械強度。代表性低熔點合金熔體材料的成分和熔點見表3.6-11。

132 熔體外形和結構

熔片形狀：1）截面為圓的均勻絲狀或截面為矩形的狹帶狀，用于額定電流在10A及以下熔體；2）變截面的片狀，用于大于10A的熔體。線狀熔體以空心螺旋形結構最理想，片狀熔體以波浪形、鋸齒形結構較好，因為它們均能吸收熔體在熱脹冷縮中的部分變形。

熔體熔化時電流和線徑有關，設圓截面熔體的直徑為d（mm），則最低熔化電流I_min（A）為

在空氣中時：

I _min=（d-0.005）/K₁（d=0.02～0.2mm）

I _min=K₂d1.5（d≥0.2mm）

銅熔體（線d為0.1～1.5mm）埋在石英砂中時：

I _min=7.8d1.2（熔體上無錫球時）

I _min=5.2d1.2（熔體上焊有錫球時）

式中 K₁、K₂——系數。

6.5 熱雙金屬材料

133 熱雙金屬材料的性能及特點

熱雙金屬片是由兩層或多層具有不同熱膨脹系數的金屬、合金或其他物質組成的復合材料。其中熱膨脹系數較高的一層稱為主動層；較低的一層稱為被動層；在主動層和被動層之間有的還夾有銅或鎳組成的中間層。熱雙金屬材料一般制成片材或帶材，當溫度變化時，這種材料的曲率會發生變化，在彎曲受到限制時將產生推力，把熱能轉變為機械能。應用熱雙金屬的這種特性，可以產生驅動、指示和調節，以及補償等功能。

常用的熱雙金屬元件一般分成三大類：螺旋形、條形和其他成型元件。螺旋形元件常用于需要做較大運動的場合，它可再分成平螺旋、直螺旋和雙螺旋。平螺旋和直螺旋產生旋轉運動，平螺旋適用于小空間十分緊湊的設計，直螺旋提供易受到熱源的大表面面積；雙螺旋產生沿著螺旋軸線的線性運動。條形元件用于需要小量運動的場合，簡支梁提供線性運動，懸臂梁提供小位移的線性運動，大量用于熱繼電器、斷路器、塑殼開關等自動開關中的熱敏元件。其他成型元件中，在占有相同空間時，U形設計具有較大的位移量，用于禁止使用過長直條形空間的場合；蝶形用于快速的跳躍運動，能夠方便地構成熱敏開關。

熱雙金屬片的主要特性參數：1）比彎曲，單位厚度的熱雙金屬試樣，每變化單位溫度縱向中心線的曲率變化之半；2）線性溫度范圍，熱雙金屬的實際撓度同比彎曲標稱值算出的撓度相比，偏離不超過±5%的溫度范圍，在線性溫度范圍內，熱雙金屬材料具有最大的熱敏感性能；3）允許使用溫度范圍，在該溫度范圍內使用，熱雙金屬性能不致發生永久性變化；4）彈性模量，是計算熱雙金屬推力、力矩、內應力不可缺少的參數。熱雙金屬的彈性模量由在機械負載下的懸臂梁撓度公式進行移項后得

E=4PL3/Abd3

式中 E——彈性模量（MPa）；

P——負載（N）；

L——標長（mm）；

A——試樣撓度（mm）；

b——試樣寬度（mm）；

d——試樣厚度（mm）。

134 熱雙金屬元件的選用和元件制造要點

（1）熱雙金屬元件的選用

1）元件材料根據使用溫度選擇，元件的工作溫度應在熱雙金屬片的線性溫度范圍內，所選材料的允許使用溫度的上、下限必須超過元件在工作中可能達到的最高和最低溫度。

2）根據熱雙金屬元件加熱方式來選擇，直接加熱的方式需考慮熱雙金屬元件的電阻值，以傳導方式加熱應選擇導熱性好的熱雙金屬材料。

3）根據熱雙金屬元件熱敏感性要求選擇。

4）元件形狀的選擇，元件的用材選定后，便可根據它的動作方式、位移量大小，允許空間和受力情況選用合適的元件形狀。

5）元件尺寸的計算，選材和形狀確定以后，如何使它具有最小的體積便是關鍵所在。常用熱雙金屬片材和帶材產品的尺寸規格見表3.6-12。

（2）熱雙金屬元件制造中的注意事項

1）沖剪、彎折、卷繞和固定，熱雙金屬片應沿片材軋制方向落料，沖剪后的元件邊緣不應帶毛刺。彎折半徑不宜過小，以防表面出現裂紋。材料愈硬，愈容易折斷。螺旋元件繞制時，要估計反彈力，以便保證達到要求的外形尺寸。元件可用鉚釘、螺釘、點焊或釬焊法固定，焊接區的溫度不應波及工作區。

2）元件的熱處理，加工成型后的元件必須進行熱處理，元件形狀不同，處理方法也不同。較厚平板形元件，保溫時間應長些，反復次數可少些；螺旋形、U形元件體積小，厚度薄，反復處理次數可增多些；對動作頻繁、精確度高的元件，應增多熱處理次數，不宜采用高的熱處理溫度，保溫時間也不宜長；承受大負荷或兼作彈性元件的熱雙金屬元件，應在相同的負荷條件下進行熱處理。

3）表面處理，為了提高元件的熱吸收率，其表面需經過各種不同的方法處理，表面處理方法有涂層法或氧化法，還有無光精整方法。低溫環境中可用油漆或塑料涂層，高溫環境中元件表面可電鍍Ni、Cu、Sn等。對于惡劣條件（如腐蝕性氣氛或水中）下工作的元件則應采用耐腐蝕熱雙金屬片。

6.6 熱電材料和熱電偶

135 熱電材料和熱電偶

當兩種成分不同的導體或半導體組成回路，兩個接觸點溫度不同時，回路中就會出現電流，回路斷開時在開路兩端間有電動勢（熱電動勢），該效應稱為塞貝克（Seebeck）效應。溫度每變化1℃所引起的熱電動勢變化量（塞貝克系數，μV/℃）值：金屬為5～90，半導體可比金屬高十多倍，聚合物半導體比一般半導體更高。

熱電偶是由兩種成分不同的導體或半導體端點焊接在一起所組成的感溫元件。其焊接端部稱為測溫端或熱端，另一端稱為自由端或冷端。如自由端溫度保持恒定，則熱電動勢成為工作溫度的單值函數（即熱電特性）。根據儀表所指示的熱電動勢即可查出對應的溫度值，工作溫度為3.2～3073K。

熱電偶材料具備以下特性：1）熱電溫度函數連續、呈線性的單值函數關系，二次儀表能精確顯示；2）熱電特性、化學穩定性和抗氧化性能穩定，均勻性及重復性好；3）電阻溫度系數低；4）高溫下使用時熔點高，蒸氣壓低；5）加工和力學性能好等。

136 常用的標準型熱電偶和補償導線

國際電工委員會（IEC）制定的七種標準型熱電偶，其分度號為S、R、B、K、T、E和J。我國國標還增加了鎳鉻-金鐵、銅-金鐵低溫熱電偶絲及分度表。各種型號熱電偶中，塞貝克系數以E型最高（45～90μV/℃）。

標準型熱電偶的分度表是溫度和熱電勢之間的關系，由于它們之間不可能完全呈線性，應根據熱電偶材料在不同溫度區間內的特性，采用不同冪的多項式來表示。各種標準型熱電偶的整百度熱電動勢值見表3.6-13，查表即可近似計算各溫度的電動勢值，例如K型熱電偶405℃時的電動勢值：

E₄₀₅=E₄₀₀+5×S₄₀₀=16.395+5×0.04222

≈16.606mV

工業應用的熱電偶，其自由端常靠近熱源。為了消除自由端溫度變化所產生的誤差，通常采用柔性的補償導線把熱電偶的自由端延伸到遠離熱源處。補償導線的品種、性能和配用熱電偶見表3.6-14。自由端溫度如不為0℃，熱電偶所測得的溫度應加以修正。