張文剛， 羅 劍， 蒙曉記， 胡小定， 韓錦暉， 謝清云

(西電避雷器有限責(zé)任公司，西安 710200)

0 引 言

氧化鋅非線性電阻片是金屬氧化物避雷器的核心元件，其性能對(duì)避雷器的整體性能有直接的影響。電阻片生產(chǎn)工藝復(fù)雜，共有12道生產(chǎn)工序，過(guò)程控制周期長(zhǎng)、難度大，電阻片性能只有在最終檢測(cè)時(shí)顯現(xiàn)，制造過(guò)程中各工序只能通過(guò)外觀檢查確認(rèn)產(chǎn)品質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)碰損等缺陷直接報(bào)廢，制造過(guò)程具有不可逆性[1-4]。氧化鋅電阻片制造過(guò)程中失效模式的種類較多，包括過(guò)程碰損、泄漏電流超標(biāo)、擊穿和閃絡(luò)等形式的失效。目前公司生產(chǎn)的電阻片全過(guò)程合格率在96%以上，其中擊穿占損失率1%，泄漏電流超標(biāo)占0.5%～1%，閃絡(luò)占0.5%～1%，過(guò)程碰損約占2%，其中過(guò)程碰損是氧化鋅電阻片制造過(guò)程中損失最大的失效模式之一[5-7]。

在氧化鋅非線性電阻片制備過(guò)程中，在電氣性能測(cè)試之前，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的過(guò)程控制非常有限。顯性的外觀碰損容易識(shí)別，對(duì)于在磨片和電測(cè)后發(fā)現(xiàn)的失效模式，在前面的工序不易發(fā)現(xiàn)，因而不能準(zhǔn)確地定位問(wèn)題件具體的失效時(shí)段和失效模式，所以稱為隱性開(kāi)裂。這種隱性開(kāi)裂的隱蔽性強(qiáng)、破壞程度大、失效形式多樣，嚴(yán)重影響電阻片生產(chǎn)質(zhì)量。隱性開(kāi)裂失效比例有一定的波動(dòng)性，平均占比約0.1%，失效模式主要集中在某些批次，個(gè)別批次占比達(dá)1%～2%，所以關(guān)于隱性開(kāi)裂問(wèn)題的研究，對(duì)解決此類過(guò)程損失具有很大的指導(dǎo)意義。

基于氧化鋅非線性電阻片隱性開(kāi)裂問(wèn)題，本研究通過(guò)分析隱性開(kāi)裂失效件的斷面形貌和開(kāi)裂機(jī)理，確定了隱性開(kāi)裂是電阻片制造過(guò)程中在特定階段受不同程度的外力磕碰引起的一類失效模式，為解決電阻片生產(chǎn)過(guò)程工程技術(shù)問(wèn)題提供理論指導(dǎo)和事實(shí)依據(jù)。

1 失效模式

電阻片在磨片工序和最終電氣性能測(cè)試時(shí)出現(xiàn)了幾種不同的失效模式見(jiàn)圖1，第1類是電阻片邊緣呈現(xiàn)圓圈狀向內(nèi)開(kāi)裂剝落的失效模式(a)；第2類是在電阻片邊緣出現(xiàn)長(zhǎng)約10～20 mm的圓弧狀裂紋(b)，這種開(kāi)裂形式是目前隱性開(kāi)裂問(wèn)題件中出現(xiàn)最多的外觀失效模式；第3類是在電阻片邊緣位置出現(xiàn)沿端面開(kāi)裂掉落(c)；第4類是類似于裂紋由側(cè)面一點(diǎn)萌生，兩條裂紋沿電阻片端面向內(nèi)部延伸的失效模式(d)。同時(shí)在方波篩選過(guò)程中出現(xiàn)了圖(e)和圖(f)兩種失效模式，在D5和D6等小規(guī)格電阻片中出現(xiàn)這兩種失效模式的比例較高，占到篩出比例的30%～40%，這兩種失效模式與(a)和(b)失效模式相似。

圖1 電阻片在磨片和電測(cè)后出現(xiàn)的不同失效模式Fig.1 Different failure modes of the varistor after grinding and electrical testing

2 失效模式分析

2.1 失效斷面分析

從圖1可以看出，幾種失效模式均為受外力磕碰在電阻片邊緣沿側(cè)面或者端面出現(xiàn)不同形式的開(kāi)裂或剝落現(xiàn)象，受力方向以及大小可能直接影響失效模式。在電阻片制備過(guò)程中，包括設(shè)備、工裝以及人員操作不規(guī)范等問(wèn)題均可以使電阻片出現(xiàn)因外力磕碰導(dǎo)致不同程度的碰損。觀察發(fā)現(xiàn)，失效模式為圖1(a)的電阻片開(kāi)裂區(qū)域的輪廓高度一致，都是由端面出發(fā)延伸最后呈圓圈狀向內(nèi)開(kāi)裂掉落的模式。對(duì)開(kāi)裂斷面觀察發(fā)現(xiàn)，斷面從里到外分不同區(qū)域呈現(xiàn)一定的規(guī)律性特征，見(jiàn)圖2。電阻片局部受力后，在受力點(diǎn)萌生裂紋源，裂紋擴(kuò)展至rm半徑內(nèi)斷面光滑平整，在rm區(qū)域外側(cè)區(qū)域略微粗糙，在最外側(cè)區(qū)域內(nèi)，可以明顯看出，斷面形貌具有一定的方向性，裂紋呈放射狀向外延伸。通過(guò)對(duì)斷面分析，這種失效模式有鏡面斷裂的特征，是脆性材料斷裂失效的一種表現(xiàn)形式。M.Lindqvist[8]等研究結(jié)果顯示，脆性材料在斷裂失效后，其斷口表面的形態(tài)有3個(gè)不同的區(qū)域:鏡面區(qū)，霧狀區(qū)和羽狀區(qū)，鏡面區(qū)是一個(gè)相對(duì)光滑的區(qū)域，在緊鄰裂縫起源的位置，鏡面半徑rm與失效應(yīng)力(或強(qiáng)度)之間有一定的關(guān)系，這種形式的斷裂模式已在玻璃和鋼鐵材料中觀察到。

圖2 電阻片開(kāi)裂后界面形貌Fig.2 Interface morphology of the cracked varistor

從圖1(c)中可以看出，該類失效模式其裂紋外輪廓呈三角狀，且輪廓邊緣不整齊，界面顏色較深，且表面粗糙，與圖1(a)開(kāi)裂界面對(duì)比明顯不同。另外，圖1(c)裂紋是從側(cè)面萌生沿電阻片端面延伸最終開(kāi)裂，可能是受外力方向的不同導(dǎo)致了這種裂紋擴(kuò)展方向的差異。為了探究圖1(c)的斷面與圖1(a)斷面之間是否有一定的關(guān)系，運(yùn)用金相顯微鏡觀察了兩種失效模式界面的顯微形貌特征，圖3(a)是圖1(a)失效斷面的顯微形貌，可以看出斷面組織細(xì)小且均勻，其表面比較平整，顆粒邊界不明顯，沒(méi)有球狀顆粒形貌；圖3(b)是圖1(c)失效斷面的顯微形貌，其微觀組織主要是球狀的顆粒物，顆粒邊界明顯，且有一定的間隙，部分顆粒破碎呈現(xiàn)平面狀斷面。從圖3兩種不同失效模式的斷面顯微組織明顯可以看出，圖3(a)的失效模式應(yīng)屬于陶瓷材料的脆性斷裂，而圖3(b)斷裂過(guò)程中有一定的塑性變形，裂紋沿顆粒表面擴(kuò)展，開(kāi)裂形式應(yīng)屬于塑性斷裂。

圖3 兩種失效模式斷面顯微結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Microstructure of failure modes

2.2 失效時(shí)段分析

電阻片在排結(jié)合劑前表現(xiàn)出一定的塑性，而在排結(jié)合劑后完全表現(xiàn)脆性材料特征。圖4是排結(jié)合劑前后斷面的宏觀形貌，可以看出，排結(jié)合劑前的電阻片斷面粗糙，裂紋擴(kuò)展呈河流狀，且有臺(tái)階感，而排結(jié)合劑后的斷面較平整光滑，這兩種斷面形貌類似于圖1(a)和圖1(c)失效模式下的斷面形貌。電阻片制造過(guò)程中，在排結(jié)合劑之前，電阻片內(nèi)部存在大量的有機(jī)結(jié)合劑和一定的水分，分子間結(jié)合力較小，電阻片在受力磕碰時(shí)，由于這些有機(jī)結(jié)合劑的存在會(huì)發(fā)生一定的塑性變形，表現(xiàn)塑性材料特征，受力磕碰后不直接表現(xiàn)出開(kāi)裂失效；在排結(jié)合劑之后，因電阻片中結(jié)合劑和水分蒸發(fā)，基體分子間結(jié)合力增大，表現(xiàn)為脆性材料特征，受力磕碰時(shí)易產(chǎn)生裂紋甚至開(kāi)裂[9-10]。

圖4 斷口宏觀形貌Fig.4 Macroscopic morphology of fracture

圖5(a)是排結(jié)合劑前失效斷口50倍顯微形貌照片，顆粒邊界明顯，基體表面不平整，顆粒不規(guī)則，大小不均勻，基體約有30%的坑洞，這些坑洞是開(kāi)裂兩側(cè)界面分離后顆粒留下的坑洞，經(jīng)放大到200倍后見(jiàn)圖5(b),可以看出明顯的坑洞，顆粒尺寸差異明顯，圖5(c)是排結(jié)合劑后失效斷口50倍顯微形貌照片，可以看出大部分顆粒已經(jīng)破碎，斷面平整光滑，與圖5(a)相比坑洞明顯減小，顆粒形狀統(tǒng)一均勻，邊界模糊[11-12]；圖5(d)是排結(jié)合劑后斷口放大200倍的顯微形貌照片，其基體無(wú)尺寸較大的坑洞，界面平整，顆粒大小一致且均勻。通過(guò)顯微形貌的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，排結(jié)合劑前后電阻片受外力失效的機(jī)理是不同的。

圖5 斷口顯微形貌Fig.5 Microstructure of fracture

圖6(a)是未經(jīng)壓制成型的氧化鋅造粒料的顯微形貌,微觀氧化鋅造粒料形貌呈球形顆粒狀，顆粒平均粒徑在100 μm，顆粒間有一定的間隙，在經(jīng)成型壓制后，球形顆粒會(huì)發(fā)生一定的變形，原始顆粒間的空隙減小，部分顆粒變形填充空隙，顆粒邊界呈不規(guī)則狀。未經(jīng)成型壓制的氧化鋅造粒料在直接燒結(jié)后，顆粒發(fā)生了一定程度的收縮，但收縮比例不大，其顯微形貌依然是球狀的顆粒見(jiàn)圖6(b)。

圖6 造粒料形貌Fig.6 Morphology of ZnO granule

圖7是電阻片排結(jié)合劑前后斷裂機(jī)理示意圖，右圖為電阻片排結(jié)合劑前受外力失效開(kāi)裂的機(jī)理圖，排結(jié)合劑前的電阻片存在一定量的有機(jī)結(jié)合劑和水分，氧化鋅顆粒之間是通過(guò)結(jié)合劑物理粘接在一起，顆粒之間的結(jié)合力相對(duì)較小，此時(shí)顆粒內(nèi)部分子之間的結(jié)合力大于顆粒間的結(jié)合力，在受外力時(shí)，裂紋繞過(guò)顆粒延伸，不會(huì)穿過(guò)顆粒，所以開(kāi)裂后的斷面上，顆粒的形狀基本不會(huì)發(fā)生變化，界面由顆粒以及顆粒留下的坑洞組成，因而宏觀下表現(xiàn)為粗糙的界面[12]。排結(jié)合劑后的電阻片，由于有機(jī)結(jié)合劑消失，氧化鋅造粒料分子擴(kuò)散，其分子之間的結(jié)合力大于顆粒之間的粘接力，在斷裂失效后的鏡面區(qū)域，表現(xiàn)為裂紋直接穿過(guò)大部分顆粒延伸，在遇到小部分顆粒時(shí)會(huì)繞過(guò)顆粒延伸，因此其宏觀基本呈現(xiàn)平整光滑的斷面。

圖7 排結(jié)合劑前后斷裂機(jī)理示意圖Fig.7 Schematic diagram of fracture mechanism before and after binder removal

2.3 失效受力分析

從上述分析中可知，氧化鋅電阻片在整個(gè)制造過(guò)程中，以排結(jié)合劑為節(jié)點(diǎn)，前后分別表現(xiàn)塑性材料與脆性材料的特征，主要原因是有機(jī)結(jié)合劑的存在，使得氧化鋅造粒料顆粒之間的結(jié)合力與顆粒內(nèi)部分子間結(jié)合力在排結(jié)合劑前后有很大差異，所以在失效樣品中發(fā)現(xiàn)有兩種截然不同的斷面特征。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在所有失效樣品中，粗糙界面的失效樣品占的比例非常少，失效件主要表現(xiàn)為脆性材料的斷裂方式，其斷裂界面光滑平整，類似于圖2。由此得出，電阻片受力磕碰發(fā)生失效的階段是排結(jié)合劑工序以后，通過(guò)觀察裂紋形式，可以發(fā)現(xiàn)受力方式不同，裂紋擴(kuò)展路徑也就不同，受力方式為徑向時(shí)，裂紋由受力點(diǎn)兩側(cè)沿端面擴(kuò)展。受力方式為軸向時(shí)，裂紋由受力點(diǎn)兩側(cè)呈圓弧狀向下擴(kuò)展，電阻片邊緣軸向或徑向局部受力是導(dǎo)致開(kāi)裂的兩種主要的受力方式[13-15]。

2 失效模式驗(yàn)證

為了驗(yàn)證失效模式發(fā)生的時(shí)間段并復(fù)現(xiàn)問(wèn)題件的失效模式，分別取排結(jié)合劑前后以及燒結(jié)后的電阻片，在電阻片邊緣分別施加不同方向、不同大小的力，以獲得開(kāi)裂等失效模式。圖8分別是排結(jié)合劑前后以及燒成后，在電阻片邊緣軸向和徑向施加不同大小的力后出現(xiàn)的失效模式。可以看出，當(dāng)沿軸向或徑向施加力時(shí)，排結(jié)合劑前的電阻片受力開(kāi)裂，出現(xiàn)裂紋，如圖8(a)(b)，在受力點(diǎn)周圍存在一定程度的塑性變形，驗(yàn)證過(guò)程中，部分試驗(yàn)電阻片只發(fā)生塑性變形而未發(fā)現(xiàn)裂紋。實(shí)際調(diào)查過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)有裂紋但周圍區(qū)域有塑性變形區(qū)的問(wèn)題件。圖8(c)(d)分別是電阻片在排結(jié)合劑之后受力出現(xiàn)的失效模式，可以看出，其失效模式類似于圖1(a),在沿徑向受力時(shí)，樣品受力點(diǎn)出現(xiàn)了沿表面擴(kuò)展開(kāi)來(lái)的兩條微裂紋，這些裂紋極其隱蔽很難被觀察到，另外，產(chǎn)生這兩種失效模式所施加的力遠(yuǎn)小于出現(xiàn)圖8(a)(b)失效模式所施加的力，在失效驗(yàn)證過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)小規(guī)格的電阻片(D5和D6)由于疊放或單手拿取多于兩片時(shí)易出現(xiàn)這種形式的碰損。圖8(e)(f)分別是燒成后的電阻片在受力后出現(xiàn)的失效模式，燒成后的電阻片在受力磕碰后斷面呈綠色[16]，與圖1中失效件斷面顏色不同。另外，產(chǎn)生這兩種失效模式所施加力與圖8(a)(b)失效模式所施加的力接近，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，燒成后的電阻片在受力磕碰時(shí)，出現(xiàn)失效的情況基本是受力點(diǎn)直接開(kāi)裂掉落，而不會(huì)出現(xiàn)裂紋，且碰損的面積較小，要出現(xiàn)面積較大的碰損需要施加很大的力。

圖8 不同階段受力失效模式Fig.8 Failure modes of force at different stages

通過(guò)以上驗(yàn)證試驗(yàn)分析可知，在排結(jié)合劑之前，電阻片表現(xiàn)一定的塑性材料特征，在受力磕碰時(shí)，電阻片局部發(fā)生塑性變形，只有在外力增加到塑性變形的極限時(shí)，最終出現(xiàn)開(kāi)裂失效。在排結(jié)合劑之后，電阻片表現(xiàn)脆性材料特征，此時(shí)受力磕碰后易出現(xiàn)微裂紋，燒結(jié)以后，電阻片經(jīng)過(guò)高溫相變之后，基體表現(xiàn)脆性材料特征，同時(shí)剛性很大，邊緣易受力磕碰直接開(kāi)裂掉落，要產(chǎn)生與圖1(a)中尺寸大小相似的失效模式幾乎是不可能的。電阻片在排結(jié)合劑之后，作業(yè)過(guò)程中因操作失誤引起電阻片之間磕碰或者電阻片與工裝設(shè)備之間磕碰引起局部應(yīng)力集中，此時(shí)，微裂紋已經(jīng)出現(xiàn)，如圖8(d)所示，微裂紋極其隱蔽，作業(yè)者很難觀察到，從而流入到下一工序中，在經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，裂紋兩側(cè)區(qū)域基體背向收縮使得裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，燒結(jié)后電阻片表面顏色較暗，這些裂紋也不易觀察，在磨片過(guò)程中，因磨片剪切應(yīng)力的作用，開(kāi)裂較大的區(qū)域直接掉落，呈現(xiàn)圖1(a)類的失效模式，開(kāi)裂較小的表現(xiàn)為圖1(b)中邊緣開(kāi)裂的失效模式。另外，一些更微小的裂紋在磨片過(guò)程中也未被發(fā)現(xiàn)，直至最終電氣性能測(cè)試時(shí)被發(fā)現(xiàn)。

3 結(jié) 論

采用金相顯微鏡，通過(guò)對(duì)失效模式界面的形貌特征和受力方式進(jìn)行分析，驗(yàn)證了電阻片在成型之后到磨片過(guò)程中可能發(fā)生的失效模式及產(chǎn)生的方式，得到如下結(jié)論：

1)隱性開(kāi)裂界面形貌主要表現(xiàn)為脆性斷裂機(jī)理。

2)隱性開(kāi)裂產(chǎn)生的過(guò)程一般是在排結(jié)合劑之后因操作不規(guī)范使電阻片磕碰受力產(chǎn)生微裂紋，之后經(jīng)燒結(jié)過(guò)程裂紋延伸擴(kuò)展，最后經(jīng)磨片應(yīng)力或方波篩選時(shí)呈現(xiàn)顯性開(kāi)裂失效模式，包括直接開(kāi)裂掉落和出現(xiàn)裂紋兩種失效模式。

3)在排結(jié)合劑出爐至燒成裝爐前這一時(shí)段，通過(guò)避免電阻片間的直接接觸和規(guī)范操作可有效解決隱性開(kāi)裂問(wèn)題。