楊昌麟，張秀芳，顏小芳，柏小平，張明江

（福達(dá)合金材料股份有限公司，浙江溫州 325025）

引言

繼電器是通過觸頭的接通或斷開控制電路，被廣泛應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)、電力保護(hù)系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)，起控制、檢測、保護(hù)及調(diào)節(jié)作用，其接觸系統(tǒng)中最主要的部件為觸點，觸點的性能將直接決定繼電器的可靠程度和穩(wěn)定性[1]。相關(guān)資料報道，繼電器失效75%以上是由觸點失效導(dǎo)致[2,3]。在中國制造2025的大環(huán)境下，對繼電器的要求也逐漸提高，繼電器逐漸向高負(fù)載、高頻率、大功率、小型化、高可靠性等高性能方向發(fā)展[4]。故而，對作為繼電器接觸系統(tǒng)的核心部件－觸點材料也提出更為苛刻的要求，具體表現(xiàn)為：①需具備更為優(yōu)良的導(dǎo)電性能，表面不易懸浮導(dǎo)電性能較差的組分，以避免造成繼電器產(chǎn)品不導(dǎo)通的異常；②應(yīng)具備更好的抗粘結(jié)、抗熔焊性能，且觸點材料的組元元素不易揮發(fā)；③應(yīng)具備更好的耐電弧磨損性能。

在現(xiàn)有電接觸領(lǐng)域，銀基觸頭材料是目前應(yīng)用最為廣泛的一類材料。這是因為銀具備高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性、良好的機(jī)械加工特性；氧化銀在高溫下不穩(wěn)定，易分解成單質(zhì)銀和氧氣，故而能保證低而穩(wěn)定的接觸電阻。目前，銀基觸頭材料主要分為3類：銀金屬氧化物、銀基假合金，銀基合金，其中，作為銀基假合金的典型代表銀鎳觸頭材料，它在整個觸頭材料體系中占有重要的地位。銀鎳材料因具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及低而穩(wěn)定的接觸電阻，被廣泛應(yīng)用于低壓電接觸領(lǐng)域，如小負(fù)荷接觸器、繼電器和控制開關(guān)等[5]。

隨著電器產(chǎn)品向小型化、長壽命、高可靠性方向發(fā)展，近年來，電器制造商對銀鎳材料提出了更高的要求，希望其抗熔焊性能、耐電弧磨損性能得到提高。近年來，國內(nèi)外對如何提升銀鎳材料電性能做了大量的工作。王塞北等[6]詳細(xì)地介紹了粉末冶金法、機(jī)械合金化法、化學(xué)包覆法、共沉積法等制備工藝的發(fā)展現(xiàn)狀及提高銀鎳觸頭材料抗熔焊性的最新研究及進(jìn)展；Kail A等[7]研究表明，燒結(jié)擠壓法制備的銀鎳觸頭材料，不僅可以有效提高材料的電導(dǎo)率，還能明顯提高觸點的耐電弧燒損特性；榮命哲等[8]對小容量電器用新型銀鎳觸頭材料進(jìn)行了開發(fā)研究，結(jié)果顯示：當(dāng)鎳?yán)w維取向與工作面平行時，有利于獲得更佳的性能。然而，關(guān)于鎳含量、鎳顆粒尺寸及添加物對銀鎳材料組織與性能的系統(tǒng)性研究卻甚少。為此，本研究采用粉末冶金工藝制備出不同鎳含量、不同鎳顆粒尺寸及添加物銀鎳材料，系統(tǒng)地研究了鎳含量、鎳顆粒尺寸及添加物對銀鎳材料物理力學(xué)性能、電性能及燒損后觸點形貌的影響，并探討了其產(chǎn)生機(jī)理，為高性能繼電器用的銀鎳觸點材料的設(shè)計和開發(fā)提供一定的思路和方法。

1 試驗

研究對象均采用粉末冶金工藝制備，其具體的制備工藝流程為：粉體混合（高熔點添加物預(yù)處理）→等靜壓→燒結(jié)→復(fù)壓→熱擠壓→拉拔，試驗材料的具體成分見表1。

表1中試驗材料鎳顆粒尺寸大小通過在粉體混合過程中采用不同費(fèi)氏粒徑的羰基鎳粉實現(xiàn)。將上述試驗材料拉拔至成品并進(jìn)行金相和性能測試。將成品絲材制打成鉚釘型觸點，規(guī)格為：R2.8×0.4+1.5×0.8SR10E；R2.8×0.55+1.5×0.6SR10E，并在模擬電性能試驗平臺進(jìn)行測試，測試條件：AC 250 V，5 A；接觸頻率30次/min；觸點開距1 mm；接觸壓力30 g。采用BS124S型分析天平測量燒損后質(zhì)量變化，采用JSM-6390A型掃描電鏡觀測試驗后觸點表面形貌。

表1 試驗材料成分及顆粒尺寸

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 金相組織特點對比分析

圖1為不同鎳含量 AgNi(12)、AgNi(15)、AgNi(20)成品絲材橫、縱截面金相組織對比。本組試驗材料均采用費(fèi)氏粒度相同的羰基鎳粉制備而成。金相組織對比顯示：隨著鎳含量的增加，鎳顆粒數(shù)量也隨之增加；但同時金相組織中出現(xiàn)的較大尺寸的團(tuán)聚鎳顆粒也增多（如圖1(e)區(qū)域所示）。其原因為：隨著鎳含量的增加，混合粉體中，鎳顆粒數(shù)量與銀粉顆粒數(shù)量的比例增加，在混合過程中鎳顆粒之間無法充分被銀顆粒填充，最終引起鎳顆粒團(tuán)聚相對較多。

圖1 不同鎳含量AgNi材料金相組織對比

圖2為采用不同初始粒徑羰基鎳粉制備的AgNi(15)成品絲材橫、縱截面金相組織對比。金相組織對比顯示：隨著初始羰基鎳粉粒徑的減小，鎳顆粒數(shù)量增加，橫截面金相組織觀測到的鎳顆粒數(shù)量增加，相應(yīng)的鎳顆粒尺寸減??；縱截面金相組織鎳?yán)w維長細(xì)比增加且呈顆粒狀的鎳顆粒分布也相對較多。

圖2 不同顆粒尺寸AgNi15材料金相組織對比

圖3為高熔點添加物的AgNi(15)成品絲材橫、縱截面金相組織對比圖片。金相組織對比顯示：添加物的加入對材料橫截面的顆粒尺寸影響較小，但可以有效縮短縱截面鎳?yán)w維的長度、顆粒狀鎳顆粒數(shù)量增加。這是因為高熔點添加物作為硬質(zhì)顆?？捎行Ц淖冊谒苄宰冃芜^程中鎳的變形協(xié)調(diào)性，打斷鎳的連續(xù)性分布。

圖3 添加物對AgNi(15)材料金相組織對比

2.2 物理力學(xué)性能對比分析

表2為冷加工變形量12%條件下，不同試驗銀鎳材料的物理力學(xué)性能。從表2可以看出如下規(guī)律：①在相同冷加工變形量的前提下，隨著鎳含量的增加，材料的抗拉強(qiáng)度、硬度、電阻率逐漸增加，密度逐漸降低；②在相同的冷加工變形量和相同鎳含量的條件下，隨著鎳顆粒的細(xì)化，材料的抗拉強(qiáng)度和硬度、電阻率逐漸增加；③在相同的冷加工量和銀含量相同的條件下，高熔點添加物有助于提升材料的抗拉強(qiáng)度、硬度、密度，但同時電阻率也有所增加。表現(xiàn)出上述規(guī)律的主要機(jī)理如下：根據(jù)Ag-Ni合金相圖可知，平衡條件下固態(tài)時鎳在銀基中的固溶量很小，為0.15%，故銀鎳材料為一種假合金材料[9-11]。其力學(xué)、物理性能是基體相Ag和增強(qiáng)相Ni按體積分?jǐn)?shù)的加和。具體遵循如下公式[12]：

表2 不同試驗AgNi材料物理力學(xué)性能對比

式中，σ為合金整體強(qiáng)度，σb、σw分別為基體相、增強(qiáng)相強(qiáng)度，fb、fw分別為基體相、增強(qiáng)相的組成體積。與基體相相比，增強(qiáng)相Ni具有更高的強(qiáng)度，隨著鎳含量的增加，增強(qiáng)相鎳相的體積分?jǐn)?shù)也增加，故而會表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度和硬度；在材料成分相同的條件下，鎳顆粒細(xì)化有利于增加鎳顆粒數(shù)量，可以更為有效地增強(qiáng)基體Ag相的強(qiáng)度，故而隨著鎳的細(xì)化，銀鎳材料表現(xiàn)出更高的抗拉強(qiáng)度和硬度；此外，高熔點添加物的強(qiáng)化機(jī)理也與此原理相同。

2.3 電性能對比分析

2.3.1 燃弧時間、燃弧能量

利用電性能模擬試驗平臺對不同試驗銀鎳材料進(jìn)行電性能測試，測試總電壽命次數(shù)為10萬，對每1萬次測試的燃弧時間求均值，并作曲線。不同材料燃弧時間對比如圖4所示。從圖4可以看出以下規(guī)律：①隨著鎳含量的增加，觸點材料測試過程中燃弧時間有所增加；②隨著初始鎳顆粒尺寸的降低，觸點材料的燃弧時間也存在降低的傾向；③在銀含量相同的條件下，高熔點添加物使燃弧時間有所增加。

圖4 不同試驗AgNi材料燃弧時間對比曲線

圖5為不同試驗銀鎳材料燃弧能量對比曲線，測試總電壽命次數(shù)為10萬，對每1萬次測試的燃弧能量求均值，并作曲線。觸點材料的燃弧能量表現(xiàn)出的規(guī)律與燃弧時間存在正相關(guān)規(guī)律，具體表現(xiàn)如下：①隨著鎳含量的增加，觸點材料在實際電壽命測試過程中燃弧能量相應(yīng)增加；②隨著初始鎳顆粒尺寸的降低，觸點材料的燃弧能量存在降低的傾向；③在銀含量相同的條件下，高熔點添加物使得燃弧能量有所增加。

圖5 不同試驗AgNi材料燃弧能量對比曲線

觸點分?jǐn)噙^程中出現(xiàn)的電弧是造成觸點材料工作性能下降以及引起電器產(chǎn)品失效的主要原因之一[13]。在電弧的作用下，觸點材料發(fā)生侵蝕、轉(zhuǎn)移，表面接觸狀況惡化，接觸電阻增高，使觸點材料的可靠性下降、電壽命縮短。因此，在觸點材料的設(shè)計過程中，應(yīng)盡可能地減緩材料燃弧特性，降低燃弧能量，以減少對材料的惡化。燃弧能量遵循如下公式[14]：

式中，t為觸點的燃弧時間，u為燃弧電壓，i為燃弧電流。隨著鎳含量的增加，觸點間接觸電阻增大，造成觸點接觸斑點區(qū)域溫升增加；同時，鎳含量的增加增強(qiáng)了鎳形成導(dǎo)熱性能較差的氧化鎳的傾向，此層鎳的氧化物通常懸浮于觸點表面，阻止來自熔化表面組織的熱量向觸頭材料內(nèi)部擴(kuò)散；在兩者共同作用下，觸頭溫升升高，基體銀汽化損耗增大，觸點的燃弧電壓增高及燃弧時間增加，最終導(dǎo)致燃弧能量增大。鎳顆粒細(xì)化增加鎳的比表面積，在電弧高溫作用下有利于快速固溶到基體銀，形成蒸汽壓力較純銀金屬熔液蒸汽壓力小的銀鎳合金熔液，有利于減少燃弧時間并降低燃弧能量[15-17]。高熔點添加物在電弧高溫作用下，可快速地與鎳固溶，形成熔點較低的中間相，增加材料燃弧時間的同時也提高燃弧能量。

2.3.2 熔焊力對比分析

圖6為不同試驗銀鎳材料熔焊力對比曲線，測試總電壽命次數(shù)為10萬，對每1萬次測試的熔焊力求均值，并作曲線。從圖6可以看出：①隨著鎳含量的增加，觸點材料熔焊力存在增加的趨勢；②隨著初始鎳顆粒尺寸的降低，觸點材料的熔焊力降低；③在銀含量相同的條件下，高熔點添加物有利于降低觸點材料的熔焊力。

圖6 不同試驗AgNi材料熔焊力對比曲線

觸點在負(fù)載分離過程中，隨著接觸面積的減小，接觸區(qū)域的電流密度急劇增大，在焦耳熱的作用下接觸區(qū)域觸點材料熔化并形成熔池，隨后冷卻凝固，導(dǎo)致分?jǐn)噙^程需要一定的力才可將觸點正常分?jǐn)?。熔焊力與熔焊面積及其熔焊區(qū)的強(qiáng)度相關(guān)。鎳含量的增加，導(dǎo)致接觸溫升增加，焦耳熱作用更為明顯，使熔化面積有所增加，故熔焊力也隨之增加；鎳顆粒的細(xì)化，增加鎳的比表面積，增強(qiáng)鎳與銀固溶形成銀鎳合金，隨后熔池冷卻，鎳彌散析出，增加材料的脆性，有利于降低熔焊力；高熔點添加物的加入，與增強(qiáng)相鎳形成脆性的金屬間化合物，進(jìn)一步增強(qiáng)材料脆性，降低熔焊力。

2.4 試驗后觸點形貌對比分析

觸頭材料電弧侵蝕特征可以反映觸頭材料特征和電弧侵蝕程度。觸頭材料在使用過程中，觸頭表面出現(xiàn)裂紋會加快侵蝕速度，導(dǎo)致開關(guān)電器使用壽命大大縮短，因此深入研究觸頭材料電弧侵蝕形貌特征對觸頭材料應(yīng)用有重要的實際意義[18-20]。不同鎳含量觸點燒損后觸點表面電弧侵蝕形貌如圖7所示。由圖7可見，中等鎳含量觸點形成凹坑的現(xiàn)象較為明顯，低鎳和高鎳含量觸點燒損后觸點表面較為平整。這是因為低鎳含量觸頭中含銀量較高，銀熔點相對鎳較低，在電弧熱量作用下，形成液態(tài)熔池體積大，有利于填充電弧侵蝕形成的觸點表面坑，使觸點表面更為平整；高鎳含量觸點受電弧熱量的作用更為明顯，短時間熔化形成的熔池的量更大，利于觸點表面的平整化。

圖7 不同鎳含量AgNi觸點測試10萬次后觸點表面形貌

不同鎳顆粒尺寸觸點燒損后觸點表面電弧侵蝕形貌如圖8所示。由圖8可見，隨著鎳顆粒的細(xì)化，觸點燒損后觸點表面較為平整，表面凹坑不明顯。這是因為鎳顆粒的細(xì)化，增加了鎳的比表面積，增強(qiáng)鎳與銀固溶形成銀鎳合金的能力，有效提升熔池黏度，改善觸點表面飛濺損耗，使表面形成的凹坑現(xiàn)象更不明顯、觸點表面更平整。

圖8 不同顆粒尺寸AgNi(15)觸點測試10萬次后觸點表面形貌

圖9為含添加物AgNi(15)燒損后觸點表面電弧侵蝕形貌對比。從圖9可以看出，含添加物AgNi(15)觸點表面更平整，且可觀測到的孔洞數(shù)量較少。其原因為在電弧的作用下，觸點表面迅速熔化，熔融狀態(tài)的銀從外界吸收大量氧氣形成氣泡，電弧熄滅后，觸頭表面溫度迅速降低，氧氣在銀中的溶解度也隨之降低，氣泡從熔池內(nèi)浮出，在表面張力作用下氣泡在熔池表面破裂，從而在觸頭表面形成氣孔或者孔洞；同時，添加物與鎳在電弧的高溫作用下形成熔點較低的金屬間化合物，增加了熔池形成金屬熔液的體積，有助于對孔隙的填充，最終使含添加物AgNi（15）材料觸頭表面孔洞較少且更平整。

圖9 含添加物AgNi(15)觸點測試10萬次后觸點表面形貌對比

3 結(jié)論

（1）鎳含量的增加有利于提升AgNi材料的力學(xué)性能，但同時使團(tuán)聚的鎳顆粒尺寸增大；對電性能的影響表現(xiàn)為材料的燃弧時間、燃弧能量及熔焊力也相應(yīng)增加。

（2）鎳顆粒細(xì)化增強(qiáng)了對基體銀的強(qiáng)化，使材料力學(xué)性能明顯提升；在電性能方面，顆粒細(xì)化有利于縮短燃弧時間、燃弧能量，減少熔焊力。

（3）微量高熔點添加物的加入對材料的力學(xué)性能影響甚微，但可改善縱向鎳顆粒的分布；在電性能方面，使材料的燃弧能量、燃弧時間增加。因添加物可與鎳形成脆性的金屬間化合物，使熔池脆性增加，可減少熔焊力。