合金组元对银基触头材料电性能影响的研究

1引言
电触头材料自问世以来广泛用于各种轻重负
荷的低压电器、家用电器、汽车电器、航空航天电器中[1]。

早期的电触头材料多为纯银，但由于Ag 的熔点低，硬度不高且不耐磨，在含S 或硫化物的介质中，表面易形成Ag 2S 薄膜，在直流电作用下易挥发，易形成电侵蚀尖刺，Ag 接触元件易形成电弧，发生
熔接。

为了克服纯银触头的种种缺点，人们发明了银合金触头材料，即通过在银中加入少量其他元素（如Cd 、Sn 、Zn 等）以克服Ag 的天然柔性，提高力学性能和耐腐蚀性，并保持较高的电导率。

AgCdO 、AgSnO 2和AgZnO 是目前使用最多的电触头材料，也是电触头行业的研究热点。

AgCdO 具有优良的抗电弧侵蚀性、抗熔焊性和较低的接触电阻，可应用于几伏至数千伏的中、低压电器中，应用十分广泛[2]。

AgSnO 2作为一种新型的银金属氧化物触头材料，在国际上已实现部分商业化。

它具有良好的电学性能，较高的抗熔焊性能及耐电弧性能，特别适
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基金项目：浙江省省级工业新产品项目（201201CC0012）
作者简介：李素华（1985-），女（汉族），湖南长沙人，助理工程师，从事触头材料检测与分析。

收稿日期：2013-08-13
合金组元对银基触头材料电性能影响的研究
李素华，王
珩，刘立强，李国伟
（福达合金材料股份有限公司，浙江温州325025）
摘要：采用预氧化法工艺制备AgCdO(10)、AgSnO 2(10)、AgZnO(10)三种电触头材料，在19V 、20A 直流感性负载下通过自主开发的模拟电性能试验机进行试验，用电光分析天平、SEM 和EDX 测量分析试验前后质量变化、试验后表面形貌与微区成分。

结果表明，三种材料中AgSnO 2(10)的致密度、硬度、电阻率最高，电磨损、燃弧能量、熔焊力、烧损面积最小，抗电弧侵蚀能力最好。

关键词：预氧化；电触头材料；表面形貌；电弧侵蚀中图分类号：TM201.4+4；TM501+.3；TG146.3+2文献标志码：A
文章编号：1671-8887（2014）01-0003-04
Study on Effects of Alloy Components on Electrical
Properties of Silver-based Contact Materials
LI Su-hua,WANG Heng,LIU Li-qiang,LI Guo-wei
(Fuda Alloy Materials Co.,Ltd.,Zhejiang Wenzhou 325025,China )
Abstract :Three kinds of electrical contact materials,including AgCdO(10),AgSnO 2(10)and AgZnO(10),were prepared by pre-oxidation.The materials were tested by analog electronic testing machine which was developed independently in 19V DC,20A
perceptual load.Electro-optic ana-lytical balance,SEM and EDX were applied to measure and analyse the mass change before and after the test,as well as the surface morphology and micro-ingredients.Results show that the AgSnO 2(10)possesses the best performance,including the maximum density,hardness,resistivity,the minimum electrical wear,arcing energy,welding power,burning,and the best arc erosion resistance.
Key words :pre-oxidation;contact material;surface morphology;arc erosion
研究·分析
用于大功率的接触器及低压开关[2]。

AgZnO 触头材料是在20世纪60年代末70年代初发展起来的触头材料。

ZnO 的热稳定性强，通过一定的技术手段使ZnO 均匀分布于银基体中，形成一种弥散强化的假合金。

AgZnO 触头材料以其抗大电流冲击、分断性能好、燃弧时间短、耐电弧腐蚀、无毒害性等一系列优点，逐渐在低压电器中得到应用。

目前，三种电触头材料电性能方面研究较少，为此本研究采用预氧化工艺制备AgCdO(10)、AgSnO 2(10)、AgZnO(10)三种电触头材料并进行电弧侵蚀研究，对比三种材料在直流感性负载下的模拟电性能，揭示不同合金组元对银基触头材料性能影响机理。

2
试验
采用预氧化工艺制备AgCdO(10)、AgSnO 2(10)、AgZnO(10)，工艺流程为：配料雾化成
氧
化
压制
烧结
压
拉
拔，最终墩制成规格为R4×1+2×2（0.5）的铆钉触
头。

采用福达合金材料股份有限公司与西安交通大学联合研制的电性能试验机进行试验，试验参数：电压19VDC ，电流20A ，占空比20%，接触压力100g ，触头开距2mm ，分断次数40000次，直流感性负载；采用VTA532型维氏硬度计测试硬度；采用TH2512B 型智能直流低电阻测试仪测试电导率；采用L150型金相显微镜和JSM-6390A 扫描电子显微镜观察微观组织。

3结果与分析3.1
微观组织
图1为三种电触头材料金相照片，图2为三种电触头材料中的金属氧化物粒度分布曲线图。

可以看到，SnO 2的颗粒尺寸最小且弥散分布，主要分布在1.525μm ；CdO 颗粒尺寸最大，主要分布在2.997μm ；ZnO 的颗粒尺寸居中，主要分布在1.89μm 。

图2
三种电触头材料中的金属氧化物粒度分布曲线图
3.2硬度、电阻率、致密度
表1给出了三种电触头材料的硬度、电阻率及致
密度。

可以看到，材料的硬度、电阻率、致密度值大小顺序均为：AgSnO 2(10)>AgZnO(10)>AgCdO(10)，这是因为在一定范围内，增强相颗粒尺寸越小，材
料弥散强化效果越明显，材料硬度就会提高；对于电触头材料来说，影响导电性最主要的一个因素是组成相的颗粒度和弥散程度，颗粒度越小，组成相越弥散，则电子穿越颗粒数目越多，所需能量就越大，所以电阻率越大。

粉体的致密化程度取决于挤压和轧制工序，粉体材料致密化过程的实质是排气过程，合金组元越弥散，排气通道越多，材料就越容易致密。

表1三种电触头材料硬度、电阻率和致密度数值
材料名称AgCdO （10）AgSnO 2（10）AgZnO （10）
硬度HV 9210296
电阻率,μΩ·cm
2.102.272.18
致密度,%99.299.799.4
(a)AgCdO(10)
(b)AgSnO 2(10)
(c)AgZnO(10)
图1
三种电触头材料的金相照片
3.3
电磨损、燃弧能量、熔焊力
触头材料的电接触物理现象包括电磨损、接触电阻、燃弧长度、燃弧能量、燃弧时间、熔焊力、接触电阻等[3]。

本研究主要分析了上述三种材料的电磨损、燃弧能量和熔焊力值，见图3。

由图3(a)可见，随着试验次数的增加，AgCdO(10)、AgSnO 2(10)、
AgZnO(10)的电磨损量均呈递增趋势，其中，AgSnO 2(10)电磨损量增大幅度最小，变化范围为2～16mg ，AgCdO(10)的电磨损量增大幅度最大，变化范围为3～38mg ，AgZnO(10)居于两者之间，变化范围为2～28mg ，由此说明电触头材料电磨损量与材料合金组元的弥散程度有关，
弥散程度越高材料
(a)电磨损
(b)燃弧能量
(c)熔焊力
图3
三种电触头材料电磨损、燃弧能量、熔焊力变化曲线
抗烧损性越好。

从图1的金相照片可见，AgSnO 2(10)的弥散程度最大，因此电磨损量最小；同时，含有SnO 2合金组元材料的热稳定性比CdO 、ZnO 合金组元材料的热稳定性高得多，在分断电弧的过程中，SnO 2很少分解，颗粒数目大体保持不变[4]。

所以，AgSnO 2电触头材料的优异抗电弧侵蚀能力是由于SnO 2的存在使液态金属之间呈较高的黏性。

由图3(b)可见，AgSnO 2(10)燃弧能量值波动较小，主要分布在300～400mJ ，而AgCdO(10)和AgZnO(10)燃弧能量值相对较分散，AgCdO(10)在350～650mJ 内波动，AgZnO(10)在320～550mJ 内波动。

由图3(c)可见，AgSnO 2(10)的熔焊力值最小，波动范围为5～10g ，AgCdO(10)波动最明显，波动范围在20～40g ，AgZnO(10)居于二者之间，在10～20g 内波动。

燃弧能量的变化可能与弧根斑点有关。

弧根斑点一般会偏离触头中心位置，当弧根斑点移动到触头边缘时，会引起燃弧电压的急剧上升，电弧能量增大；反之则降低[5]。

燃弧能量的变化反映了AgCdO(10)、AgSnO 2(10)和AgZnO(10)弧根斑点移动的情况：在触点闭合过程中,AgCdO(10)发生弧根斑点由中心向边缘移动严重；AgSnO 2(10)发生弧根斑点由中心向边缘移动较轻；AgZnO(10)发生弧根斑点由中心向边缘移动较严重。

此外，由于CdO 和ZnO 的热稳定性比SnO 2差，在电弧作用下，燃弧介质中产生少量的Cd 2+
和Zn 2+
，延长了燃弧
时间，使得燃弧能量增大。

随着Cd 2+和Zn 2+的增加，燃弧能量也增大且波动增大，触头表面烧损更严
重，材料的熔焊力也增加。

所以，AgSnO 2表现出优
异的抗电弧侵蚀和抗熔焊性。

3.4
电弧侵蚀形貌
图4
所示为三种电触头材料电弧侵蚀后形貌。

(a)AgCdO(10)
(b)AgCdO(10)
(c)AgSnO 2(10)(d)AgSnO 2
(10)
(e)AgZnO(10)(f)AgZnO(10)
图4三种电触头材料电弧侵蚀后形貌
由图4(a)、(b)可知，AgCdO(10)烧损区在电弧作
用力及机械力共同作用下发生相变，使电触头表面形成许多分散的小蚀坑、凹凸，并有金属液滴形成的喷溅痕迹，表现出明显的液态金属凝固后形态，
且银基体有明显的流动痕迹，易发生熔焊；由图4(e)、(f)可知，与AgCdO(10)相比，AgZnO(10)烧损面积稍小，但也存在很多分散的小蚀坑、凹凸、小孔洞，以及金属液滴形成的喷溅痕迹；由图4(c)、(d)可知，AgSnO 2(10)表面比较平坦，存在个别小孔洞，这是因为电触头材料越致密，其电弧分散性越佳。

对于致密度最大的AgSnO 2(10)，在受到电弧热量冲击后，熔点沸点较低的Ag 部分蒸发，而SnO 2的熔点和沸点较高，电弧作用后侵蚀处SnO 2占有相当大的比例，并且SnO 2的电子逸出功较高，不容易燃弧[6]，因此下一次燃弧在Ag 含量高的区域发生的概率较大，即在触头的不同位置进行燃弧，避免了电弧在触头表面同一位置过度侵蚀，从而避免了大的侵蚀坑的形成，故AgSnO 2(10)表现出最佳的分散电弧性能，保证电弧在触头表面侵蚀均匀，从而使触头表面保持相对平整。

3.5
电弧侵蚀能谱
图5为三种电触头材料电弧表面能谱分析及各能谱点组成质量百分比。

从图5可以看出，AgCdO(10)材料试验后表面Ag 含量由中心向周边从55%增加到60%，Cd 含量由42%减少到38%；AgSnO 2(10)材料试验后表面Ag 含量由91%增加到92%，Sn 含量由6%减少到5%；AgZnO(10)材料试验后表面Ag 含量由77%增加到80%，Zn 含量由19%减少到16%。

由于SnO 2颗粒尺寸比CdO 和ZnO 小，在银基体中弥散分布，这就大大增加了粒子与液态银之间的接触面积，即增大了液体与粒子之间的摩擦力，从而提高了银液体的黏度。

所以，在电弧电磁搅拌力的作用下熔体没有向外喷溅，而是均匀铺展[7]，从而保证了触头表面成分变化不大。

4
结论
采用预氧化工艺制备的AgCdO(10)、AgZnO(10)、AgSnO 2(10)三种材料的硬度、电阻率、致密度呈递增趋势，在19V 、20A 直流感性负载下经4万次模拟电寿命试验表明，上述三种材料烧损面积、电磨损量、燃弧能量值和熔焊力值均呈现减小趋势，即AgSnO 2(10)表现出最佳的抗烧损性和抗
熔焊性。

(a)AgCdO(10)
(b)AgSnO 2
(10)
(c)AgZnO(10)
图5
三种电触头材料电弧表面能谱分析及各能谱点组成质量百分比
参考文献：
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[3]
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[6]
叶家健.AgMeO 触头材料制备及抗电弧侵蚀性能的研究[D].武汉:华中科技大学,2007.
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