添加稀土氧化物对 电接触材料抗熔焊性能的影响

朱艳彩，王景芹，安立强，王海涛

（1.河北工业大学 电磁场和电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130；2.河北建工集团，河北 石家庄 050000）

0 引言

早在1939年，F.RHensel率先开发了具有低且稳定的接触电阻和抗熔焊性能的Ag/CdO电接触材料，并在电子电器设备中广泛应用[1-3]．2003年欧盟颁布RoHS指令和WEEE指令限制电子电器设备中使用Cd等有害物质[4-5]．因此，寻求替代Ag/CdO的无毒、环保高性能触头材料已成为国内外电器领域研究的热点．从环境保护和人类健康角度出发，Ag/SnO2是近年发展较快的一种新型无毒电接触材料[6-13]．但是，Ag/SnO2材料在AC3条件下的抗熔焊性能差的缺点限制了Ag/SnO2触头材料的制造和推广应用[14-18]．

我国有大中型电器生产厂家一千多个，其中常熟开关制造有限公司、常熟富士电机有限公司、厦门宏发电器有限公司以及天津百利电气有限公司等是我国电器行业的重要大型企业．但是，目前上述某些生产厂家还在应用Ag/CdO材料作为接触器触头材料，部分合资企业应用从国外进口的Ag/SnO2-In2O3材料作为接触器的触头材料[19-21]．

因此，研究一种新型环保的纳米Ag/SnO2电触头材料，使其抗熔焊性能等方面优于现有的Ag/CdO和Ag/SnO2材料，达到提高电器产品的工作性能、提高我国电器产品的市场竞争力以及环境保护的作用具有十分现实的意义．

1 试验条件

采用溶胶-凝胶工艺和粉末冶金工艺制备了Ag/SnO2、Ag/SnO2-La2O3和Ag/SnO2-Ce2O3三种电接触材料，按照天津百利TJ40系列交流接触器触头规格加工成型并焊接至触桥上，将触桥安装到型号为TJ40-40的接触器上，依据国家标准GB14048.4-2010：《低压开关设备和控制设备第4-1部分：接触器和电动机起动器机电式接触器和电动机起动器（含电动机保护器）》要求在“天津市质量监督检验站第十三站”进行AC3条件下的额定接通和分断试验，试验条件如表1所示[22]．

表1 接通和分断试验条件Tab.1 Connecting and breaking test conditions

试验结束后，从接触器中取出触头，采用HitachiS-4800冷场发射扫描电子显微镜观察触头表面形貌和分布并采用EDS(Engery dipersivespectrometer)测定微区成分．

为了更深入地研究稀土氧化物对电触头材料抗熔焊性能的影响，将研制的电触头材料加工成铆钉型触头，并与支架铆接，用超声波清洗触头及支架，晾干，采用JF04C电接触触点材料测试仪对影响触头材料抗熔焊性能的电弧参数如燃弧时间、燃弧能量、熔焊力进行测试，测试条件如表2所示．

表2 触头材料电弧参数测试条件Tab.2 Arc parameters test conditions of contact materials

触头每动作100次测量一次接触电阻，20 000次试验结束后，对获取的电弧参数进行处理和分析．

2 试验结果及分析

2.1 微观形貌及微区成分分析

2.1.1 Ag/SnO2

试样Ag/SnO2触头材料的微观形貌和微区成分照片如图1～2所示．

图1 试样Ag/SnO2的微观形貌SEMFig.1 SEM microstructureof Ag/SnO2

图2 图1C试样表面成分EDS分析Fig.2 EDSanalysisof thepink frame(Fig.1C)

从图1可以发现，未加入稀土氧化物的Ag/SnO2试样熔焊表面大部分区域由凸起和凹坑组成，并分布着近似球形、尺寸大小不一的颗粒，颗粒之间有许多浆糊状尖峰，局部有块状龟裂，抗熔焊性能较差．这是由于在电弧作用下，触头表面大量的银变成熔融银，形成银的熔池，在温度降下来之后，这些熔融的银就在材料的表面形成Ag富集区．熔化的银在电弧和机械力的驱动下产生流动和喷溅，造成材料损耗，降低触点材料的电寿命．

从图2可以看出，图1中的较大凸起主要由Ag、Sn、C和O等元素组成，而且Ag、C和O所占的质量百分数比重较大．由此可见，触头熔焊表面的较大凸起是由熔融银飞溅造成的．

2.1.2 Ag/SnO2-La2O3

试样Ag/SnO2-La2O3触头材料的微观形貌和微区成分如图3～4所示．

图3 试样Ag/SnO2-La2O3的微观形貌SEMFig.3 SEM microstructureof Ag/SnO2-La2O3

图4 图3B试样表面成分EDS分析Fig.4 EDSanalysisof theblueframe(Fig.3B)

从图3可以看出，加入稀土元素La的Ag/SnO2-La2O3试样熔焊表面比较平坦，较大的凸起较少．这是因为在试样熔焊过程中，La2O3不易分解，悬浮在银熔池表面形成一层保护膜，熔化后的银液滴没有飞溅出去，而是均匀地向四周平铺．

从图4可以看出，图3中的较大凸起主要由Ag、Sn、La、C和O等元素组成，但是Ag所占的质量百分数相对较少，而La的质量百分数相对较大．由此可见，添加的稀土元素La被氧化生成的La2O3悬浮于熔融银表面，阻止银液的飞溅侵蚀．

2.1.3 Ag/SnO2-Ce2O3

Ag/SnO2-Ce2O3材料的电接触触头抗熔焊形貌和微区成分如图5～6所示．

从图5可以看出，加入稀土元素Ce的Ag/SnO2-Ce2O3试样熔焊表面比较平坦，没有明显的较大凸起．这是因为稀土元素Ce与O结合生成Ce2O3，降低了材料的电子逸出功，提高合金的电子发射能力，使两极间的电弧更为稳定．另外，Ce与S、C等杂质元素结合生成化合物，如果该化合物的熔点高于金属银的熔点，化合物则上浮成渣，悬浮或弥散分布在熔融体中，在凝固过程中形成异质晶核，阻止晶粒长大，使晶粒细化，进而提高了合金的抗熔焊能力．

从图6可以看出，图5中的较大凸起主要由Ag、Sn、Ce、C和O等元素组成，但是C和O所占的质量百分数相对较少，而其它元素所占的质量百分数相对较大．这是因为Ag/SnO2-Ce2O3合金中常含有O、S、Pb、C等杂质元素，这些元素常常沿晶界呈网状分布，增加了合金的热脆性．稀土元素Ce极易同这些杂质形成熔点高、比重轻的化合物，改变了杂质的形态，使杂质球化，降低了杂质的危害性．

2.2 电弧参数分析

图7～9分别为本研究制备的含不同稀土氧化物的纳米Ag/SnO2在设定的实验条件下进行20 000次电接触后的燃弧时间、燃弧能量及熔焊力和动作次数之间的关系曲线图．

由图7～9可以看出：

1）在触点断开时，添加剂为 La2O3和Ce2O3的纳米 Ag/SnO2触点燃弧时间较短，随动作次数增加，燃弧时间在3.0～4.5 ms之间变化，且变化比较平稳．这是因为添加La2O3和Ce2O3的纳米Ag/SnO2触头材料在初始几次燃弧时，电弧正常燃烧，随后由于La2O3和Ce2O3的熔点高，不易分解，添加的金属氧化物将会在触头表面聚集，减小电弧对触头的烧蚀，因此燃弧时间比较稳定．而不含添加剂的纳米 Ag/SnO2触点的最大燃弧时间较长，约为6.1 ms，且随动作次数的增加，燃弧时间不稳定，变化幅度较大．这是因为，开始燃弧时，触点表面破坏很小，因此电弧持续时间在初始几次燃弧时最短．随着燃弧次数的增多，产生大量的焦耳热，触头表面温度上升，触头被烧蚀后性能变差，导致燃弧时间变长．

2）在触点断开时，燃弧能量的变化和燃弧时间的变化趋于一致．这是因为在相同的电流电压下，燃弧时间的长短决定燃弧能量的大小．添加不同添加剂的材料，试验中所产生的电弧能量是不相同的，添加剂为La2O3和Ce2O3的纳米Ag/SnO2触点的燃弧能量值在260～310mJ之间变化；不含添加剂的纳米Ag/SnO2触点的最大燃弧能量为450 mJ，且不稳定．

图5 试样Ag/SnO2-Ce2O3的微观形貌SEMFig.5 SEM microstructureof Ag/SnO2-Ce2O3

图6 图5B试样表面成分EDS分析Fig.6 EDSanalysisof theblueframe(Fig.5B)

图7 断开时燃弧时间和动作次数之间的关系曲线图Fig.7 Thecurveof electrical arc timeand test number

图8 断开时燃弧能量和动作次数之间的关系曲线图Fig.8 Thecurveof electrical arc energy and test number

图9 断开时熔焊力和动作次数之间的关系曲线图Fig.9 Thecurveof puddlewelding force and test number

3）添加La2O3和Ce2O3的纳米Ag/SnO2触头材料的熔焊力曲线波动小，且数值较低．不含添加剂的纳米Ag/SnO2的触头材料的熔焊力曲线波动较大，且数值较高．对比图8和图9可知，断开燃弧能量大的触点在断开时的熔焊力就越大．这是由于较高的燃弧能量值导致触头熔焊面积增大，熔焊力增大，当触头带动的弹簧不能满足熔焊力时，就会导致接触器的损坏，降低了接触器的工作性能和使用寿命．

由此可得出：在电弧作用下La2O3和Ce2O3可以使弧根稳定，抑制了弧根斑点的移动，导致燃弧能量变化相对稳定．这是因为添加的稀土氧化物La2O3和Ce2O3很容易失去最外层电子而成为稳定的结构，可降低触头表面的电子逸出功，使电弧弧根斑点增大，降低了触头燃弧区单位面积上的热流密度，进而减少了触头材料的烧蚀．这也是添加La2O3和Ce2O3后提高触头的抗熔焊性能和降低接触电阻的重要原因．

3 结论

采用溶胶-凝胶和粉末冶金工艺制备了分别添加稀土氧化物La2O3和Ce2O3的Ag/SnO2电接触材料，通过电接触性能试验设备，结合微观分析手段，研究了稀土氧化物对Ag/SnO2复合材料抗熔焊性能的影响．结果表明：稀土氧化物的加入降低了影响电接触材料抗熔焊性能的电弧参数，而且使触头熔焊表面变得比较平坦，说明稀土氧化物提高了材料的抗喷溅能力，从而提高了Ag/SnO2电接触材料的抗熔焊性．

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