周光華,龐杰林,馮朋飛,黎聯(lián)杰,盧 菲
(桂林金格電工電子材料科技有限公司,廣西桂林 541004)
銀氧化錫具有良好的抗熔焊性、耐電弧燒蝕性、抗磨損性且無(wú)毒無(wú)害等性能,這些性能使其成為可代替銀氧化鎘的最佳材料。但是目前銀氧化錫仍存在很大的不足,主要為:①在多次電弧接觸下,氧化錫將富集于觸頭表面,引起接觸電阻增大,溫升較快;②銀基體與氧化錫的浸潤(rùn)性差,氧化錫顆粒硬度高且較脆,銀氧化錫的成型及后續(xù)加工較困難;③氧化錫顆粒不能均勻分布在銀基體中,易形成團(tuán)聚,導(dǎo)致材料綜合性能下降。針對(duì)這些缺陷,研究人員正通過(guò)嘗試不同制備方法或添加不同微量元素來(lái)克服,以使其性能達(dá)到最優(yōu)[1]。
粉末冶金法是AgSnO2觸頭材料的主要制造方法之一[2],其優(yōu)點(diǎn)在于可添加任意類型和任意量的添加劑,材料組織結(jié)構(gòu)均勻,無(wú)“貧金屬氧化物區(qū)”;缺點(diǎn)是SnO2顆粒尺寸較粗大且容易出現(xiàn)團(tuán)聚,SnO2顆粒與Ag的結(jié)合力較弱,耐電弧燒蝕性較差[3]。粉末冶金法AgSnO2觸頭材料氧化物顆粒較粗大,材料經(jīng)擠壓后SnO2基本上位于銀顆粒界面上,呈帶、面狀聚集分布,降低了觸頭材料的使用性能[4]。
添加劑和制備工藝對(duì)銀金屬氧化物觸頭材料的運(yùn)行性能產(chǎn)生重大影響[5]。SnO2粒度顯著影響AgSnO2觸頭材料的力學(xué)性能和電接觸性能,通過(guò)選擇合適的SnO2粒度,可改善AgSnO2觸頭材料的性能[6]。SnO2顆粒形狀影響Ag基復(fù)合材料的力學(xué)性能[7]。
目前,AgSnO2材料主要研究方向是從添加劑以及第二相粒子SnO2顆粒大小及形貌等方面著手,研究其對(duì)AgSnO2材料性能的影響,而Ag粉顆粒大小及形貌對(duì)粉末冶金法AgSnO2材料性能的影響鮮有報(bào)道。本研究通過(guò)對(duì)比化學(xué)法超細(xì)Ag粉與霧化法Ag粉的粒度及形貌,研究Ag粉的粒度及形貌對(duì)粉末冶金法AgSnO2材料性能的影響。
原料為霧化法Ag粉、化學(xué)法超細(xì)Ag粉和SnO2粉,原料性能如表1所示。從表1可以看出,霧化法Ag粉粒度最大,SnO2粉粒度最小,粒度相差將近10倍;化學(xué)法超細(xì)Ag粉與SnO2粉的粒度相差約為3倍,粒度差距明顯減小。與霧化法Ag粉相比,化學(xué)法超細(xì)Ag粉的松比密度、粒度與SnO2粉的差距均變小。在混合過(guò)程中,大顆粒霧化法Ag粉之間存在較大的孔隙,小顆粒的SnO2粉容易在孔隙中扎堆形成聚集,不容易被大顆粒粉末打散。小顆?;瘜W(xué)法超細(xì)Ag粉之間孔隙變小,Ag粉與SnO2粉的接觸面積增加,在混合中更容易將SnO2粉分割打散,降低SnO2聚集程度,有利于組織均勻性。
表1 粉末性能表
霧化法、化學(xué)法超細(xì)Ag粉和SnO2粉形貌如圖1所示。從圖1可以看出,霧化法Ag粉與SnO2的粒度相差較大,化學(xué)法超細(xì)Ag粉與SnO2的粒度差距相對(duì)較小。霧化法Ag粉多為近球形結(jié)構(gòu),小顆粒的化學(xué)法超細(xì)Ag粉為鏈狀結(jié)構(gòu),小顆粒的SnO2粉也為鏈狀結(jié)構(gòu),鏈狀結(jié)構(gòu)的化學(xué)法超細(xì)Ag粉與SnO2粉在混粉時(shí)更容易相互搭接,有利于SnO2粉末混合打散,改善材料組織均勻性。
圖1 粉末形貌
使用化學(xué)法超細(xì)Ag粉替代部分霧化法Ag粉進(jìn)行配粉,如表2中方案一所示,方案二作為對(duì)比試驗(yàn),不添加化學(xué)法超細(xì)Ag粉。
表2 AgSnO2(12)配比表
混合粉經(jīng)壓型、燒結(jié)、擠壓、拉絲制備成AgSnO2(12)線材。采用金相顯微鏡觀察兩種材料的顯微組織;按JB/T 7780-2008《鉚釘觸頭用線材機(jī)械物理性能試驗(yàn)方法》測(cè)試分析兩種材料的力學(xué)性能。
將材料加工成片材,進(jìn)行電壽命型式試驗(yàn)。并采用金相顯微鏡觀察兩種材料的顯微組織,評(píng)價(jià)兩種材料的電性能優(yōu)劣。
混合粉金相如圖2所示。由圖2可知,SnO2顆粒為脆性顆粒,不易變形,小顆粒的SnO2粉在混和過(guò)程中容易形成聚集,如圖中黑色斑點(diǎn)所示;方案一黑色斑點(diǎn)較少,組織均勻性較好;方案二有較多黑色斑點(diǎn),尺寸較大,組織均勻性較差,說(shuō)明添加了化學(xué)法超細(xì)Ag粉的方案一組織均勻性較好,引入的小顆?;瘜W(xué)法超細(xì)Ag粉填充于大顆粒霧化法Ag粉之間,在混粉時(shí)與SnO2粉接觸面增加,容易將SnO2粉團(tuán)聚分割打散,降低SnO2聚集程度,有利于SnO2粉的彌散分布,有利于組織的均勻性。
圖2 混合粉末金相組織
SnO2聚集在經(jīng)過(guò)擠壓拉絲后被拉拔成細(xì)長(zhǎng)的SnO2組織,如圖3中細(xì)長(zhǎng)條黑色部分所示,細(xì)長(zhǎng)條組織越長(zhǎng),SnO2聚集越大。從圖3中可以看出:方案一的組織均勻性優(yōu)于方案二,方案一中SnO2顆粒分布均勻,SnO2聚集數(shù)量較少,尺寸較?。环桨付械腟nO2聚集顆粒較多,尺寸較大,存在長(zhǎng)而寬的SnO2聚集現(xiàn)象。說(shuō)明添加了化學(xué)法超細(xì)Ag粉的材料中SnO2顆粒在銀基體上分散更均勻,化學(xué)法超細(xì)Ag粉的尺寸以及形貌更接近于SnO2粉,更有利于SnO2粉的分散,對(duì)材料的均勻性有一定的改善作用。
圖3 線材金相組織
AgSnO2線材的力學(xué)性能如表3所示,從表3中可以看出,方案一的電阻率低,斷后伸長(zhǎng)率高,方案一和方案二的硬度均值相當(dāng),方案一的硬度值方差較小,硬度波動(dòng)范圍小,方案一的力學(xué)性能總體上優(yōu)于方案二。添加了化學(xué)法超細(xì)Ag粉的材料中,SnO2粉末顆粒彌散分布,大顆粒SnO2聚集較少,材料應(yīng)力集中現(xiàn)象降低,材料的斷后伸長(zhǎng)率提高,硬度波動(dòng)變小。SnO2粒子可以很好地承擔(dān)載荷,起到強(qiáng)化效果。而當(dāng)SnO2粒子發(fā)生團(tuán)聚時(shí),粒子與基體之間傳遞載荷的能力變差,SnO2粒子不能很好地承擔(dān)載荷,起不到強(qiáng)化效果。且當(dāng)粒子發(fā)生團(tuán)聚而形成的空洞可以作為裂紋源,當(dāng)復(fù)合材料發(fā)生一定應(yīng)變時(shí),裂紋源就會(huì)擴(kuò)散開(kāi)來(lái),使材料力學(xué)性能大大降低[7]。
表3 線材力學(xué)性能
將兩種方案制備的AgSnO2材料分別加工成直徑為φ6 mm的復(fù)合片材,裝配至額定電流為32 A的某型號(hào)交流接觸器,進(jìn)行AC-4電壽命型式試驗(yàn)。試驗(yàn)條件:電壓AC380 V,額定電流32 A,通斷頻率150次/h。材料的電壽命次數(shù)見(jiàn)表4,從表4中可以看出方案一的電壽命性能優(yōu)于方案二。
表4 AgSnO2(12)電壽命
失效觸點(diǎn)的形貌及金相如圖4所示,從圖4(a)、圖4(b)的觸點(diǎn)形貌可以看出材料燒蝕嚴(yán)重。從圖4(b)和圖4(e)的金相圖中可以看出,材料表面Ag和SnO2均出現(xiàn)明顯偏析聚集,對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)方案二的材料偏析現(xiàn)象更嚴(yán)重,燒蝕也更嚴(yán)重。從圖4(c)和圖4(f)的對(duì)比中也可以看出方案二的材料偏析更嚴(yán)重,圖4(f)顯示材料表面有一SnO2層,而圖4(c)中此現(xiàn)象較為輕微。由以上分析可知方案二的基體材料中存在更嚴(yán)重的SnO2聚集,在通斷過(guò)程中材料表面局部熔化,聚集的SnO2對(duì)Ag的釘扎作用減弱,以致Ag熔融后,SnO2和Ag容易分離,出現(xiàn)偏析現(xiàn)象,因此方案二的材料在通斷過(guò)程中偏析現(xiàn)象更為嚴(yán)重,進(jìn)而更容易引起材料失效。添加了化學(xué)法超細(xì)Ag粉的AgSnO2材料中,Ag和SnO2偏聚相對(duì)較輕,SnO2顆粒彌散分布對(duì)觸點(diǎn)的電壽命提高有著重要的作用。AgSn02觸頭材料屬于第二相粒子彌散強(qiáng)化基體的復(fù)合材料,SnO2粒子的顆粒尺寸、形狀以及在銀基體中的分布,均直接影響到材料的性能[8]。
圖4 失效后的觸點(diǎn)形貌及金相圖
20 000次電壽命試驗(yàn)后的觸點(diǎn)形貌及金相如圖5所示,從圖5(a)、圖5(b)的觸點(diǎn)形貌中可以看出材料存在燒蝕現(xiàn)象。從圖5(b)、圖5(e)的金相圖中可看出材料表面Ag和SnO2均出現(xiàn)明顯偏析聚集,方案二的觸點(diǎn)材料偏析現(xiàn)象更嚴(yán)重,從圖5(c)和圖5(f)的對(duì)比中也可以看出方案二的觸點(diǎn)材料偏析現(xiàn)象更為嚴(yán)重。復(fù)合材料中,SnO2粒子的分布對(duì)材料性能的影響非常大,球形顆粒均勻分布時(shí),材料的性能比隨機(jī)分布時(shí)好[7]。添加了化學(xué)法超細(xì)Ag粉的AgSnO2(12)材料,SnO2顆粒彌散分布,在電弧作用下,材料的表面形成熔池,彌散分布的SnO2顆粒更容易釘扎在材料中,從而減少材料偏析,增加材料的電壽命。
圖5 20 000次電壽命后的觸點(diǎn)形貌及金相圖
添加了化學(xué)法超細(xì)Ag粉的AgSnO2材料中SnO2聚集尺寸減小,SnO2彌散分布,材料的金相組織更均勻,表現(xiàn)出更優(yōu)異的力學(xué)性能和電性能。說(shuō)明Ag粉的粒度變小以及Ag粉為鏈狀結(jié)構(gòu)時(shí),Ag粉與SnO2的粒度及形貌差距在變小,利于SnO2粉彌散分布,改善了材料組織均勻性,有助于提高粉末冶金法AgSnO2材料的力學(xué)性能和電性能。