纳米掺杂Ag/SnO2触头材料的制备及电弧侵蚀性能研究

刘松涛,王俊勃,杨敏鸽,思 芳,杨增超

(西安工程大学 机电工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

银氧化锡(Ag/SnO2)作为新型环保电接触材料广泛用在开关和继电器等低压电路中,而粉末冶金法制备的触头材料由于具备良好的抗熔焊性能得到广泛应用,近些年来,纳米科技和热挤压技术在粉末冶金工艺中的应用[1-4],极大地推动了粉末冶金工艺在银氧化锡触头材料中的应用.但是纳米氧化锡粉体的制备工艺复杂、成本较高,同时纳米颗粒易于团聚,在银基体中不容易形成均匀分布,尤其在电弧高温作用下,纳米氧化物粒子易于在触头材料的表面富集,增大接触电阻,使触头材料的电性能下降,严重地影响了触头材料的使用寿命[5-6].

本文以二氧化锡为原料,以氧化铜、三氧化二镧为掺杂剂,采用高能球磨法制备了掺杂纳米SnO2粉体,之后将该粉体与银粉通过球磨混粉工艺制成Ag/SnO2复合粉体,并采用热挤压工艺将Ag/SnO2复合粉体制为低银含量的纳米掺杂Ag/SnO2触头材料,大大改善了纳米氧化物粉体在银基体中的分散性.同时研究了触头材料的电性能,为工业化生产推广提供理论参考.

1 实 验

1.1 高能球磨法制备掺杂纳米复合SnO2粉体

将CuO(纯度≥99%)、La2O3(纯度≥99.5%)和SnO2(纯度≥99.5%)按一定比例混合,高能球磨制成掺杂氧化锡纳米粉体,然后将掺杂氧化锡纳米粉末和纯度为99.9%、粒径<74μm的Ag粉按质量比(wAg∶wMeO)88∶12经球磨混粉(MeO代表掺杂氧化物),制成Ag/SnO2复合粉体;将制得的Ag/SnO2复合粉体经过退火—等静压成型—烧结—热挤压—轧制—剪裁—表面处理，得Ag/SnO2触头材料.

1.2 测试分析

采用阿基米德排水法测量制得触头材料的密度,用涡流无损电导仪测量制得触头材料的电导率,采用MH-3维氏显微硬度计测试制得触头材料的硬度.

将制得的样品在220V、10A的交流电、空气氛围中进行电性能实验,测试电路图如图1所示.将样品固定在实验台上,用PC机控制试验机带动钨针上下运动,发生尖端放电,利用霍尔传感器采集电流,并使用LabVIEW程序对采集到的数据进行处理,计算电弧烧蚀速率,试样放电前后的微观组织用冷场发射扫描电子显微镜(FESEM)进行观察.

图1 放电试验测试原理图

2 结果与分析

2.1 纳米复合电接触材料微观组织和性能

图2为Ag/SnO2触头材料热挤压后拉伸断口形貌.由图中可以看出,拉伸断口由许多通过撕裂岭相连的韧窝组成.韧窝分布较均匀,说明拉伸断口形貌显示出典型的韧性断裂特征.

纳米复合Ag/SnO2电接触材料表面FESEM形貌如图3所示.

(a) 1 000倍 (b) 10 000倍图2 Ag/SnO2电接触材料拉伸断口形貌 图3 Ag/SnO2电接触材料表面显微组织

分别对图3(b)中箭头所指的1，2位置做EDS分析,能谱图如图4所示.从图4可以看出,图3(b)中区域1暗色位置主要为掺杂纳米氧化物聚集区,图3(b)中区域2亮色位置主要为银基体.可以看出,经球磨混粉和热挤压加工制得的Ag/SnO2电接触材料中氧化物分布很均匀,纳米氧化物均呈颗粒状,均匀分布在Ag基体中,没有明显的团聚现象.

图4 Ag/SnO2电接触材料表面能谱分析

表1 应用性能比较表

对制备的纳米复合Ag/SnO2电接触头材料的密度、电导率及硬度测试的测试结果与国标GBT20235—2006中银含量相同产品的性能进行比较,如表1所示.

由表1可以看出,经球磨混粉和热挤压工艺制得的纳米掺杂银氧化锡触头材料的密度、电导率、硬度全部超过国标规定的技术指标,具备优异的应用性能和良好的应用前景.

2.2 电弧侵蚀性能分析

将采集到的数据输入程序,计算出放电电量,称量出放电实验前后试样质量差,由公式V=Δm/Q计算得触头材料电弧烧蚀速率为103.65μg/C.式中V是电弧烧蚀速率,μg/C;Δm是试验前后质量差,μg;Q是放电总量,C.

放电实验后纳米复合Ag/SnO2电接触材料的工作面微观组织示意图如图5所示.由图5可以看出,电弧侵蚀试验后样品出现银液滴及空洞,没有出现氧化物大范围聚集.原因在于,在球磨混粉过程中,氧化物颗粒钉入较软的银基体中,银颗粒在球磨作用下经过反复的破碎、焊合,纳米氧化物微粒最终嵌入银基体中形成均匀分布.热挤压过程中,在三向挤压力作用下,银基体发生大塑性变形,纳米氧化物颗粒在银基体中作相应的流动,并适当的调整方位,不断地嵌入到银基体中,形成弥散分布[7-8],并提高了银基体和纳米氧化物微粒的界面结合强度,而且氧化镧的添加有效地控制了纳米氧化锡晶粒的长大和团聚,增大了电弧弧根面积,降低了触头材料表面的温升[9].同时银氧化锡触头材料表层在电弧高温作用下瞬间熔化,氧化铜作为润湿剂,增加了氧化锡颗粒在银基体中的润湿性[10-11].高能球磨制备的纳米氧化物粒径较小,形状不规则,具有较高的表面能,可有效地降低与银基体的接触角,提高纳米氧化锡粒子与银基体的亲和性,使氧化锡微粒更易于被银基体吞噬,并在银熔池中悬浮,形成固/液悬浮液胶体分散体系,而且纳米氧化物粒子扩散较慢,有较强的动力稳定性,有效地防止了氧化物粒子在液态银基体中的团聚,提高了胶体分散体系的热力学稳定性,降低了银液体的饱和蒸汽压,防止了银液体的气化.

图5 接触材料电弧侵蚀后表面显微组织

在电弧高温下,触头表面电弧处的银基体快速熔化,熔融的银从外界吸收大量氧气,在标准大气压下,熔融状态的银能溶解超过其体积20倍的氧气.吸收空气中的氧气,在电弧熄灭时,熔化区迅速冷却凝固,气体的过饱和度增大,银液体中的氧气逸出,在触头表面形成空洞[12];同时快速冷却过程中,熔化的银在电弧驱动下产生产生喷溅,部分气体残留在银基体中[13],随银的喷溅在触头表面形成银的液滴.

3 结束语

本文以SnO2和Ag为原料,CuO、La2O3为掺杂剂,通过高能球磨、球磨混粉和挤压工艺成功制备了纳米掺杂Ag/SnO2电触头材料.发现通过添加微量CuO、La2O3,可以显著改善氧化物微粒在银基体中的分散性和润湿性.制得的纳米掺杂Ag/SnO2电触头材料中氧化物的分布非常均匀,材料的密度、电导率、硬度分别为9.704 1g/cm3,104.2和75,均达到国标要求.且制得的触头材料经电弧侵蚀后没有出现氧化物的明显聚集,具有良好的应用前景.

参考文献：

[1] LIU Xiang-mei,WU S L,PAUL K,et.al Effects of coating process on the characteristics of Ag-SnO2contact materials[J].Materials Chemistry and Physics,2006,98:477-480.

[2] VLADAN Cosovic,ALEKSANDAR Cosovic,NADEZDA Talijan,et al.Improving dispersion of SnO2nanoparticles in Ag-SnO2electrical contact materials using template method[J].Journal of Alloys and Compounds,2013(567):33-39.

[3] ZHENG Ji,LI Song-lin,DOU Fu-qi,et al.Preparation and microstructure characterization of a nano-sized Ti4+-doped AgSnO2electrical contact material[J].Rare Metals,2009,28(1):19-23.

[4] LIN Zhi-jie,LIU Shao-hong,SUN Xu-dong,et al.The effects of citric acid on the synthesis and performance of silver-tin oxide electrical contact materials[J].Journal of Alloys and Compounds,2014,558:30-35.

[5] MILENKO B,VALERY V K,NIKOLAI K M.Electrical contacts fundamentals applications and technology[M].New York:CRC Press,2006:71-148.

[6] MAREK Galanty,PAWEL Kazanowski,PANYA Kansuwan,et al.Consolidation of metal powders during the extrusion process[J].Journal of Materials Science and Engineering A Processing Technology,2002,125-126:491-496.

[7] 吴春萍.Ag-Sn合金氧化机理与Ag-SnO2材料的高温塑性变形行为研究[D].长沙:中南大学,2009:171-180.

[8] XU Can-hui,YI Dan-qing,WU Chun-ping,et al.Microstructures and properties of silver-based contact material fabricated by hot extrusion of internal oxidized Ag-Sn-Sb alloy powders[J].Materials Science and Engineering A,2012,538:202-209.

[9] WANG Jun-bo,ZHANG Yan,YANG Min-ge,et al.Observation of arc discharging process of nanocomposite Ag-SnO2and La-doped Ag-SnO2contact with a high-speed camera[J].Materials Science and Engineering B,2006,131:230-234.

[10] WANG Jun,LIU Wei,LI Dong-mei,et al.The behavior and effect of CuO in Ag/SnO2materials[J].Journal of Alloys and Compounds,2014,558:378-383.

[11] JEMAA N B.Contacts conduction and switching in DC levels[C]//Proceedings of 48th IEEE Holm Conference on Electric Contacts.Orlando:IEEE,2002:1-15.

[12] DIDIER Jeannot,JACQUES Pinard,PIERRE Ramoni,et al.Physical and chemical properties of metal oxide additions to Ag-SnO2contact materials and predictions of electrical performance[J].IEEE Transactions on Components，Packaging,and Manufacturing Technology，Part A,1994，17(1):17-23.

[13] 张昆华,管伟明,孙加林,等.AgSnO2电接触材料的制备和直流电弧侵蚀形貌特征[J].稀有金属材料与工程,2005,34(6):924-927.