張曉輝,饒其峰,盧小東

(佛山通寶精密合金股份有限公司,佛山 528131)

電觸頭是繼電器等開關(guān)電器中承擔通斷功能的元器件。觸頭材料性能的優(yōu)劣對開關(guān)電器整體性能的可靠性起著關(guān)鍵作用。在低壓電器領(lǐng)域,銀氧化錫具有無毒性、良好的抗熔焊性和抗燒損性,廣泛應(yīng)用于接觸器、繼電器、斷路器等領(lǐng)域。

銀氧化錫材料中氧化錫的彌散分布狀態(tài)及其與銀基的界面狀態(tài)和制造工藝密切相關(guān)。研究[1]表明:在提高觸點材料電弧侵蝕等電性能方面,金屬熔池熔液的黏度越大,熔池飛濺越困難,金屬與第二相粒子間的結(jié)合力越大,潤濕性越好,黏度越大;在熔池的凝固特性方面,第二相粒子的體積分數(shù)越大,粒徑越小,形貌越復(fù)雜,則凝固缺陷越多。在相同氧化錫體積分數(shù)條件下,細化氧化錫的粒度及改善其與銀基體界面的結(jié)合程度有利于改善材料的抗熔焊及抗電燒蝕能力。

現(xiàn)行的銀氧化錫制造工藝分為兩大類:粉末冶金法及合金內(nèi)氧化法。合金內(nèi)氧化法是先將銀錫合金熔煉后加工成形,再對其進行后續(xù)的氧化及加工。由于在該工藝條件下,氧化錫的彌散質(zhì)點較為細小,且其與銀基體的界面結(jié)合較好,材料的抗電燒蝕、抗電沖擊、對電弧的抑制等性能較好。粉末冶金法是將混合好的銀氧化錫粉末加工成所需的觸頭材料,在材料的塑性加工及功能性添加物的引入上有一定優(yōu)勢。其中化學包覆工藝(粉末冶金法之一)在反應(yīng)過程中引入了超聲波能量,有助于分散氧化錫粉末,改善氧化錫與金屬基體的結(jié)合強度。堵永國等[2]認為超聲波能量引入的作用為超聲空化,可增強包覆銀層與氧化錫粉末的界面結(jié)合力;消除氧化錫顆粒團聚狀態(tài),使其均勻地彌散分布在反應(yīng)溶液中,這有利于單個氧化錫顆粒狀態(tài)的包覆,進而形成以氧化錫為核的復(fù)合粉體的生長。雖然該工藝已經(jīng)極大地改善了氧化錫與銀基體界面的結(jié)合程度,但與內(nèi)氧化工藝相比,還有較大的差距[3]。

固相擴散是對包覆后粉末進行還原、擴散、氧化等工藝處理,得到均勻細小分布的氧化物,材料顯微組織更為均勻。固相擴散處理有利于氧化物與銀基體界面結(jié)合方式的轉(zhuǎn)變,從而提升材料的電性能。

筆者將化學包覆AgSnO2(12)粉末進行固相擴散,再將其加工成絲材并打制成復(fù)合鉚釘,在電接觸性能測試裝置上對鉚釘進行了電性能模擬測試,并將鉚釘裝配成商用繼電器,在型式測試裝置上進行了電性能型式試驗,最后與未進行固相擴散材料制備的鉚釘進行比較。

1 材料制備與測試

1.1 材料制備

將包覆好的AgSnO2(12)粉末進行還原、擴散、氧化等固相擴散處理,得到成品粉末。將處理后的粉末經(jīng)過等靜壓、燒結(jié)、擠壓制成粗線徑絲材,并拉絲成所需的規(guī)格。常規(guī)包覆工藝(以下簡稱化學包覆)、包覆后固相擴散優(yōu)化(以下簡稱固相擴散)制備AgSnO2(12)的化學成分如表1所示。

表1 化學包覆、固相擴散制備AgSnO2(12)的化學成分 %

1.2 試驗條件

主要生產(chǎn)設(shè)備為化學制粉系統(tǒng)、冷等靜壓機、燒結(jié)爐、1250T有色金屬正反向擠壓機、拉絲機等。

采用Metallograph Versamet3型光學顯微鏡進行金相檢驗;采用MICROMET 2003型硬度計進行顯微硬度測試;采用排水法、分析天平進行線材密度測量;采用直流數(shù)字電阻測試儀進行電阻率測量;采用LG-1000型材料拉伸機進行抗拉強度及斷后伸長率檢測;采用電接觸性能測試裝置進行模擬電性能測試。電性能測試具體參數(shù)及測試條件如表2所示,共進行2組測試,每組10個繼電器,直至繼電器累計5次熔焊失效為止。

表2 電性能測試條件及參數(shù)

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 材料的組織及性能

化學包覆、固相擴散制備AgSnO2(12)的顯微組織形貌如圖1所示,由圖1可知:固相擴散處理后AgSnO2(12)粉末的顯微組織有了明顯變化,固相擴散后的氧化錫質(zhì)點重新分布,氧化物的質(zhì)點更為細小,平均粒度約為1μm,分布更均勻。

圖1 化學包覆、固相擴散制備AgSnO2(12)的顯微組織形貌

化學包覆、固相擴散制備AgSnO2(12)絲材的物理性能、力學性能如表3所示,由表3可知:細質(zhì)點的彌散強化作用很明顯,固相擴散優(yōu)化后材料的抗拉強度與硬度增大;材料的斷后伸長率為15%,相對于優(yōu)化前略有降低,但仍保持了較好的加工塑性。

表3 化學包覆、固相擴散制備AgSnO2(12)絲材的物理性能、力學性能

工藝方法對材料性能的影響最大,對于固相擴散材料,雖然也是通過包覆法形成了形式上的復(fù)合材料,在初始組織的微觀結(jié)構(gòu)上,氧化錫與銀之間的界面完全是物理性質(zhì)上力的結(jié)合,而通過后續(xù)的固相擴散引起一系列的物理及化學變化,加上包覆粉體的特殊形貌及結(jié)構(gòu),固相擴散時合金更容易形成與氧化,特別有利于固相擴散過程中氧元素的擴散,便于形成均勻而細小的氧化物質(zhì)點,而較細的質(zhì)點也產(chǎn)生了較強的彌散強化作用,對材料的力學性能影響明顯。

2.2 電性能測試

2.2.1 模擬電性能測試

化學包覆、固相擴散工藝制備的AgSnO2(12)模擬電性能測試結(jié)果如表4所示。由表4可知:經(jīng)過固相擴散優(yōu)化后的銀氧化錫有著更低的燃弧能量、溫升和燒損,但過程熔焊力則相對較大一些,這是由于經(jīng)過固相擴散處理之后,較細的氧化物質(zhì)點及更加均勻分布的組織結(jié)構(gòu)使熔池的動態(tài)均勻性更好,黏度也更高,在一定程度上影響了過程中電弧的動態(tài)變化,另一方面也有利于降低材料的電磨損;同時,由于材料具有較高的抗拉強度,熔焊力也相對高一些。

表4 化學包覆、固相擴散工藝制備的AgSnO2(12)模擬電性能測試結(jié)果

2.2.2 型式電性能測試

在電流為25 A條件下,固相擴散法材料的最高累計熔焊失效次數(shù)為15萬次,最早的首次熔焊失效次數(shù)為13.5萬次;包覆材料最高的累計熔焊失效次數(shù)為11.5萬次,最早的首次熔焊失效次數(shù)為7.5萬次。

圖2是裝配了固相擴散與化學包覆材料的SFK型商用繼電器壽命測試失效后的宏觀形貌。由圖2可知:化學包覆材料的觸點有明顯的燒蝕坑洞,四周飛濺物顆粒粗大;而固相擴散優(yōu)化后材料的觸點表面相對平整,四周的飛濺物較為細小。

圖2 化學包覆、固相擴散材料的SFK型商用繼電器壽命測試失效后宏觀形貌

3 結(jié)論

(1)固相擴散材料組織中的第二相氧化物質(zhì)點細化,同時質(zhì)點分布更加均勻,具備了與內(nèi)氧化材料類似的微觀組織結(jié)構(gòu)。

(2)在相同成分的條件下,固相擴散材料基本保持了與化學包覆法材料類似的塑性加工性能,抗拉強度、硬度等力學性能得到明顯提升。

(3)在阻性負載條件下,固相擴散材料的綜合電性能優(yōu)于化學包覆法材料。