AgMeO电接触材料材料

2AgSnO 电接触材料及其异型复合的研究AgMeO 电接触材料属颗粒增强型复合材料,又称颗粒弥散强化材料,在冶金原理上同样遵循复合材料的强化机理[1]。

银基体承担导电导热的主要任务,强化相的状态和行为关系到电接触元件在服役期间抗电弧侵蚀能力和耐磨损性,因此弥散强化相的选择及用量是关键之一。

AgMeO 电接触材料中, AgCdO 在电子电器元件制造业中的应用最为广泛。

由于近年世界各国相继出台了有关法令法规,含)(CdO Cd 产品必须被替代,使业内科技工作者更加重视其它环保AgMeO 材料的质量改进和推广应用。

这些环保型AgMeO 电接触材料主要有2AgSnO 、AgZnO 、AgCuO 、32O AgF 、AgMgO 、32O AgCe 、32O AgIn 、32O AgRE 等,还有添加Ni 、32O Co 、3MoO 、2ZrO 、2HfO 、2TiO 、32O Bi 、2GeO 、3WO 、32O Sb 、32O In 、MnO 、32O Ce 、32O La 、MgO 、32O Gd 、32O Y 等作为改性剂的派生产品。

其制备工艺除了较为成熟的粉末冶金法、合金内氧化法外,还针对不同产品的特点研发了反应合成法、化学共沉积法、化学镀法等[2]。

实践证明,目前能够较好替代AgCdO 作为复合材料贵金属复层的AgMeO 主要是2AgSnO 及其派生产品。

2AgSnO 材料作为近年电触头材料研究的热点,在发达国家得到迅速发展,已逐步应用于交流、直流接触器、功率继电器和某些低压断路器等领域。

2SnO 虽然具有抗熔焊、耐磨损的特点,但因其抗电弧侵蚀能力差、几乎不被银基体润湿、较高的接触电阻和温升、与银基体热膨胀系数差别大、界面易生裂纹等缺点限制了其应用。

研究者从合金设计和工艺技术改进入手,研究出许多2AgSnO 派生品种和相应的生产工艺,试图满足不同使用条件下的电接触元件对此类材料的性能要求。

业内人士在新型AgMeO 电接触材料的研发中对界面结合状况给予了较多的关注,例如：(1)采用3WO 及32O Bi +CuO 添加剂对2SnO 进行表面改性,用以改善2SnO 表面与Ag 的润湿性,提高界面结合强度[3]；(2)采用添加剂32O Co 、32O Sb 、32O Cr ,分散剂聚乙二醇,以及采用2SnO 表面镀银的方法,在改善2SnO 与Ag 的润湿性、减少晶界析出、使2SnO 分布均匀以减少晶界电子散射、降低材料电阻率、提高材料力学物理性能方面有一定效果[4]；(3)采用一定的工艺方法,使2SnO 弥散强化相细化到纳米尺度,能改善2SnO 与Ag 的润湿性,可以使2SnO 弥散度更高,有助于提高材料的力学物理性能,电性能也有所提高[5]。

2AgSnO 触头材料中氧化物含量、氧化物颗粒大小以及添加物的种类共同影响着触头的电寿命。

工业应用实践表明,粉末中值粒径d=2~4μm 、粒径分布范围窄的添加物较适用于优质2AgSnO 触头材料的制备。

部分研究者从改善2AgSnO 触头材料氧化物的分布和粒度入手，采用化学共沉淀制备含Fe 元素的复合2SnO 纳米粉末，利用750℃常压烧结成型工艺制备出纳米复合Ag 基触头合金[6]。

耐电压性能和放电后表面形貌的测试分析表明该纳米复合电接触材料电阻率及硬度较高，密度偏低，原因应该是纳米颗粒（40nm 以下）的存在增加了组织中缺陷的数量。

与商用内氧化法制得的322O In AgSnO 和纳米复合2AgSnO 电接触材料相比氧化物粒子在Ag 基体中的弥散程度更高。

而商用触头氧化物粒子在晶界处沉积较多，而且在银晶粒内部存在氧化物粒子的团聚。

电击穿实验表明，商用电接触材料耐电压场强具有较大的分散性，在（3～11）×107V/m 范围内都有明显分布，而纳米复合电接触材料电压场强分布较集中，主要分布在（3～6）×107V/m 左右。

此外，纳米复合电接触材料的平均场强基本比商用的低9.8%～29.7%。

纯2SnO 的纳米复合电接触材料随纳米氧化物焙烧制备温度的升高平均电压场强升高。

而含Fe 的纳米复合电接触材料正好相反，随纳米氧化物焙烧制备温度的升高平均电压场强下降。

电击穿（500次）实验表明：商用322O In AgSnO 合金表面熔融现象严重，蚀坑起伏较大，存在众多的小液滴。

这样就使商用电接触材料因表面粗糙度差，凸凹起伏程度高，电压场强统计分布分散。

比较而言，纳米复合2AgSnO 合金的表面电弧烧蚀形貌更加均匀，电弧蚀坑小而均匀，液滴数目少，烧蚀轻微。

因此纳米复合电接触材料的烧蚀轻微、蚀坑凸凹起伏程度小，电压场强的统计分布集中。

纳米复合电接触材料的平均电压场强基本都低于商用电接触材料，可能的原因是商用电接触材料采用内氧化法制备，合金密度高，而纳米电接触材料采用粉末冶金法制得，加上纳米化的影响，纳米复合电接触材料的致密度较低，降低了纳米电接触材料的平均耐电压强度。

同时，起弧电压取决于电接触材料的功函数和其蒸汽的电离电位，纳米粒度越细小，其合金材料表面功函数及其蒸汽的电离电位越小，易于引起触点间电击穿，降低耐电压强度，这对触点合金是不利的。

但Fe 掺杂的合金触点却正好相反，随纳米粒度的增加，耐电压强度减少，这可能是纳米第二相的热导率大大低于基体Ag ，Fe 元素的加入，进一步降低第二相颗粒的热导率，放电过程中热量不易从纳米颗粒向基体传导，容易发生热量集中导致击穿，并随着纳米颗粒尺寸的增大，向周围传导的能力进一步降低，使其耐电压强度下降[7]。

此外，采用复合添加剂是提高传统2AgSnO 触头材料性能的有效途径[8]。

如添加In 能显著改变2AgSnO 触头材料的电性能,对材料的热稳定性和电弧熔化区微观结构产生影响,有效降低开关操作过程中2AgSnO 触头材料的温升,提高2Ag S n O 触头材料的抗电弧侵蚀和抗熔焊性能。

内氧化法作为制备322O In AgSnO 触头材料的常用工艺方法存在的致命缺点是在触头中心存在“贫氧化物区”,且氧化物颗粒和化学成分不易控制。

近来有关文献提出采用气相法制备Sn In _氧化物复合粉末，并采用制得的Sn In _氧化物复合粉末作为添加剂,通过粉末冶金法制备2AgSnO 触头材料[9]。

气相法常用于纳米级复合粉末。

采用该方法制得的复合粉末圆整度高，粒径为1~2.5um ，粉末粒度分布范围窄。

粉末冶金法制备2AgSnO 触头材料的工艺路线为：:粉末表面改性→与银粉混合→后处理→等静压制锭→烧结→挤压→拉伸(轧制)→性能测试→镦制铆钉→电寿命试验。

采用Sn In _复合粉制备的2AgSnO 丝材的力学性能和导电性能均比纯2SnO 粉末（粒度与复合粉末基本一致）制备的丝材的性能高,综合性能良好。

这是因为添加In 改善了复合粉体与银基体的浸润性,复合粉颗粒与银基体结合牢固,从而改善和提高了2AgSnO 丝材的加工性能和力学性能[10]。

复合粉制备的2AgSnO 铆钉触头在超过10万次电寿命试验后,中心区域的Ag 含量从90%降低到87.89%,变化很小,同时,氧化物含量的变化也很小。

而纯2SnO 粉制备的2SnO 铆钉触头材料在经过仅2万多次的电寿命试验后,中心区域的Ag 含量从90%降低到71.73%,氧化物含量的变化也较大。

其原因在于添加In 能提高2SnO 与银界面的浸润性,提高了银熔池的粘度, 有效抑制了氧化物颗粒的偏聚和Ag 的转移,从而提高了材料的抗熔焊性,这是材料电寿命提高的根本原因。

基于AgMeO 电接触材料，由于银的成本较高，Cu AgMeO /合金复合材料的制备则可以充分发挥材料优良性能的同时降低成本。

Cu AgMeO /复层材料主要用于铁路信号继电器、控制继电器、温控器等电子元器件中的电接触组件的制作,承载负荷不大,主要是电讯号的传递,要求接触电阻低而稳定、安全使用寿命长,所以对复层材料的电接触性能和基体材料的力学性能都有较高的要求。

Cu AgMeO /合金复合材料适于在室温固相轧制复合材料生产线上进行批量生产。

具有极薄贵金属复层的产品可采用复合电镀的方式生产[11]，其工艺流程为：室温固相轧制复合：基带（外购）→矫平→开槽→脱脂→酸洗→复合→热处理→轧制→精轧→脱脂→纵剪→检验→包装出厂。

复合电镀：基带（外购）→矫平→脱脂→酸洗→表面活化→（复合电镀→热处理→精轧→脱脂→复合电镀）(循环)→纵剪→检验→包装出厂。

在电接触用精密异型复合触点带材方面，在现有的普遍采用的三层复合触点带材（金、金合金/银或银基材料/铜或铜基材料）中,中间层多为AgNi材料,该材料加工性能和综合电性能较好,但是当工作电流或功率增高时(冲击电流超过20 A), AgNi材料就不能满足要求,并且随着电器小型化、功能多样化、生产自动化的发展,异型复合触点带材的使用环境会逐步增多,所以有必要开发以AgMeO为中间层的带材,以满足市场的需要。

考虑到在制备AgMeO电接触材料时，内氧化法存在的内部贫氧化区，粉末冶金常压烧结存在的致密度不高问题，同时考虑纳米化增强颗粒和添加In等元素所起到的有利作用，可以在后期的成型工艺中选择热等静压法（HIP），热等静压法是热压成型的一种。

热等静压法用惰性气体加压，工件在各个方向上受到均匀压力的作用。

其工作原理是：在高压容器内设置加热器，将金属基体（粉末或箔）与增强材料（纤维、晶须、颗粒）按一定比例混合或排布后，或将预制片叠层后放入金属包套内，抽气密封后装入热等静压装置中加热、加压，复合成金属基复合材料[12]。

热等静压的主要参数为：温度、压力、保温保压时间。

温度一般低于热压温度，以防止严重的界面反应，一般为物料熔点的50%～70%，可在数百度到2000℃范围内选择；压力则根据基体金属在高温下变形的难易程度而定，以变形的金属压力选择低一些，难变形的金属则选择较高的压力，一般在100~200MPa。

保温时间则根据工件的大小来确定，工件越大保温时间越长，一般为30min到数小时。

热等静压法适合用于制造管、筒、柱状零件。

热等静压的优点是金属基体与增强物复合良好，组织细密，无缩孔、气孔等缺陷，形状、尺寸准确，性能均匀。

缺点是设备投资大，工艺周期长，成本高[13]。

对于CuAgMeO/和CuAu//复合触点带材，常规制备主要由两种复AgMeO合工艺组成,一是电接触层与中间层的复合,二是中间层与基体层的复合。

其中电接触层与中间层复合工艺主要有：沉积工艺(包括气相物理沉积、化学沉积、电化学沉积工艺等)、滚压焊工艺、爆炸复合工艺等。

中间层与基体层复合工艺主要有：轧制复合工艺、滚压焊工艺、爆炸复合工艺、扩散焊接工艺等。

两种复合工艺可以组合起来变化出多种异型复合触点带材制备工艺,目前较为成熟的有：滚压焊工艺、轧制-沉积复合工艺、爆炸复合工艺、轧制复合工艺、扩散焊接-PVD 复合工艺等[14]。