润湿性对AgSnO2TiO2触头材料性能的影响

王海涛，文攀龙，梁 磊，朱艳彩，王幸伟



润湿性对AgSnO2TiO2触头材料性能的影响

王海涛，文攀龙，梁 磊，朱艳彩，王幸伟

（河北工业大学 电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130）

选取TiO2作为AgSnO2触头材料的添加剂，采用粉末冶金法制备了七种不同配比的AgSnO2触头材料，测量其润湿性及电导率、硬度、接触电阻等性能。结果表明，TiO2对AgSnO2触头材料润湿性的改善效果明显，且随着TiO2含量的增加，AgSnO2触头材料的润湿角呈现出先增大后减小的变化规律。当润湿角较小时，电导率较大，硬度也较大。接触电阻的变化趋势与润湿性的变化规律基本吻合；然而燃弧能量变化并不明显。

TiO2；AgSnO2触头材料；润湿性；电导率；硬度；接触电阻

AgSnO2材料是近年来发展较快的一种无毒环保新型触头材料。与传统的触头材料AgCdO相比，AgSnO2触头材料具有更优良的耐电弧侵蚀性、耐熔焊性和抗磨损性，但是AgSnO2触头材料自身存在一定的缺陷：一是接触电阻偏大，温升过高，严重影响电气性能；二是材料的塑性和延展性都较差[1-5]。查其原因，主要是因为AgSnO2触头材料在使用过程中，由于材料中的SnO2颗粒没有被熔融Ag很好地润湿，SnO2颗粒在受到电弧的多次作用时会从液态Ag中析出，然后富集在材料表面形成绝缘层，致使接触电阻急剧上升，温升也相应增大。同时Ag与SnO2之间润湿性差也导致AgSnO2的界面结合力不足，使得材料的塑性和延展性较差，加工成型也变得异常困难[6-8]。通过向AgSnO2中加入适量的添加剂可以改变SnO2与熔融银的表面张力特征，进而改善Ag对SnO2的润湿性，使氧化物粒子悬浮在银的熔融体中，减轻SnO2颗粒在接触面表层聚集的程度，达到改善其性能的目的[9-13]。

目前有关触头材料掺杂和制备方法的研究报道比较多[14-15]，而从润湿性的角度分析触头材料性能的研究还少有报道。本文选取TiO2作为AgSnO2触头材料的添加剂，采用座滴法测量加入TiO2的AgSnO2触头材料的润湿性，即测量TiO2与SnO2不同配比下Ag对SnO2的润湿角。而且还将触头材料的电导率、硬度、接触电阻和燃弧能量试验结果与润湿性试验结果进行了对比，并分析掺杂TiO2后，AgSnO2触头材料润湿性的变化规律对触头材料性能的影响。

1 实验

1.1 润湿性试验

配制原料粉末：将添加剂TiO2粉末和SnO2粉末按照表1所示的比例混合，单位为g。

表1 添加剂粉末和SnO2粉末混合比例

Tab.1 Additives and SnO2 powder mixture ratios

试验样品的制备过程如图1。

图1 试验样品制备流程图

银的熔点为961.93℃，为了保证在润湿过程中银处于液体状态，试验过程中必须保证环境温度在银的熔点以上。因此试验中选择加热温度为 1 050℃，保温时间30 min。为了减轻重力对试验结果的影响程度，选取银块质量为0.3 g。由于氧化银在300℃以上时会迅速分解成银和氧气，所以在此次试验中不考虑氧化银对润湿效果的影响。

润湿角测量：将冷却后的试验样品放置在接触角测量仪上进行拍照，在照片上进行试验样品轮廓描绘，并绘制基线和左右切线，标注出银与基片的润湿角。润湿角的大小能够反映银对该比例的氧化物润湿性的优劣。

1.2 电导率和硬度试验

采用粉末冶金法制备触头材料试样，试样成分及配比见表2，单位为g。将各组混合粉末置于XH三维混料机中进行充分混合后，利用普通模压法成形，成形总压力为38 MPa(23T)、5 min；压坯尺寸(20 mm×5 mm)。然后在真空烧结炉中进行烧结，经500℃、90 min烧结并冷却后，再进行复压58 MPa(35T)、5 min、复烧(500℃、90 min)，以进一步提高其密度和导电性。

分别使用SIGMASCOPE SMP10金属电导率测试仪和HXD-1000TM显微硬度计对试验材料的电导率和硬度进行测量。

表2 触头材料成分配比

Tab.2 Contact material composition proportion

1.3 接触电阻和燃弧能量试验

为了能与电接触触点材料测试仪的夹具相匹配，将制作好的触头材料片材切割成直径4.5 mm、厚3.5 mm的简单触点。

使用JF04C电接触触点材料测试仪对试验材料的电接触性能进行测试，触点接触方式为面接触，设定测试系统的电流为直流恒流13 A，电压为DC24 V，接触压力为86 cN，每对触头进行25 000次电接触，每100次电接触后测量一次接触电阻。分别得到25 000个燃弧能量值和250个接触电阻值，求出各对触头经25 000次电接触试验后的接触电阻平均值和燃弧能量平均值。

2 结果与分析

2.1 润湿性试验

考虑到试验数据太多，下面只列出试样1的润湿角测量图，如图2所示；对润湿角测量结果取平均值并归总于表3。根据表3绘制电导率与润湿角对比图，如图3所示。

图2 试样1的润湿角

表3 不同试样的触头材料物理性能试验数据

Tab.3 Test values of different sample physical properties

由表3可知，未加添加剂时，Ag对SnO2的润湿角为97.75°。当加入添加剂TiO2后，Ag对SnO2的润湿角有了明显的变化。由图3中的润湿角变化曲线可知，Ag对SnO2的润湿角随着TiO2含量的增加呈现出先增大后减小的变化规律，并且在试样2时达到最低，润湿角为61.85°，在试样Ⅵ时达到最高，润湿角为94.30°。根据润湿性试验结果可以发现AgSnO2触头材料的润湿性与添加剂TiO2含量有直接的关系。

图3 触头材料润湿角与电导率对比图

2.2 电导率

将各组试样测量5次，测量结果取5次的平均值，并将结果归总于表3。

当AgSnO2触头材料的润湿角处于61°~71°时，电导率的变化主要保持在29.5~31.0 mS/m，而当AgSnO2触头材料的润湿角处于78°~95°时，电导率的变化主要保持在25.5~28.5 mS/m。

根据图3以及表3中的试验数据可以看出：润湿角较小时电导率较大，润湿角较大时电导率相对较小。

2.3 硬度

将各组试样测量5次，测量结果取5次的平均值，并将结果归总于表3。根据表3绘制硬度与润湿角对比图，如图4所示。

图4 触头材料润湿角与硬度对比图

根据图4以及表3中的试验数据可以看出：没有加入任何添加剂时，AgSnO2触头材料的硬度为68.656 HV。添加TiO2之后，AgSnO2触头材料的硬度比无添加剂时要大。而且润湿角较小的触头材料的硬度明显比润湿角较大的触头材料的硬度要大。

2.4 接触电阻

考虑到试验数据太多，下面只列出试样I触头材料的接触电阻试验结果图，如图5所示。

图5 试样I触头材料接触电阻试验结果

试样的平均接触电阻及接触电阻变化范围如表4所示；根据表3、表4绘制接触电阻与润湿角对比图，如图6所示。

图6 触头材料润湿角与平均接触电阻对比图

当AgSnO2触头材料的润湿角处于61°~71°时，接触电阻的变化主要保持在0.3~1.3 mΩ，25 000次电接触的平均接触电阻在0.7 mΩ左右。且在润湿角为71.25°（TiO2质量分数为2.5%）时，平均接触电阻明显变小。

当AgSnO2触头材料的润湿角为94.30°和79.50°（TiO2质量分数为3%和3.5%）时，接触电阻主要保持在1~2 mΩ，平均接触电阻在1.3 mΩ左右。

如果当AgSnO2触头材料的润湿角为78.00°（TiO2质量分数为4%）时，接触电阻主要在0.5~1.5 mΩ，平均接触电阻0.85 mΩ。

根据图6以及表4中的试验数据可以看出：没有加入任何添加剂时，AgSnO2触头材料的平均电阻为0.542 mΩ。添加TiO2之后，AgSnO2触头材料的平均接触电阻比无添加剂时偏高；但是其润湿性与接触电阻的曲线基本吻合。且在润湿角为71.25°时，平均接触电阻明显较小。

2.5 燃弧能量

考虑到试验数据太多，下面只列出试样I触头材料的燃弧能量试验结果图，如图7所示。

图7 试样I触头材料燃弧能量试验结果

试样的平均燃弧能量及燃弧能量变化范围如表4所示；根据表3、表4绘制燃弧能量与润湿角对比图，如图8所示。

当AgSnO2触头材料润湿角为61.85°和78.00°（TiO2质量分数为1%和4%）时，燃弧能量变化趋势比较接近，数值主要保持在180~190 mJ，平均燃弧能量在185 mJ左右，是添加剂中燃弧能量相对较小的两组。

图8 触头材料润湿角与平均燃弧能量对比图

表4 不同试样时触头材料润湿角与电性能试验数据

Tab.4 Test values of different sample contact material wetting angles and electrical properties

当AgSnO2触头材料的润湿角为68.35°，71.25°，94.30°和79.50°（TiO2质量分数为2%，2.5%，3%和3.5%）时，燃弧能量变化趋势比较接近，数值保持在180~195 mJ，平均燃弧能量在187 mJ左右。

从试验数据中可以看出：润湿角的变化对AgSnO2TiO2触头材料燃弧能量的影响并不明显。

3 结论

选取TiO2作为AgSnO2触头材料的添加剂，选取七种不同比例的AgSnO2触头材料的润湿性进行测量。然后使用粉末冶金工艺将AgSnO2TiO2触头材料加工成触头，对其进行性能试验。根据试验结果，分析AgSnO2触头材料的润湿性与电导率、硬度、接触电阻和燃弧能量之间的关系。

（1）根据润湿性的试验结果可知，未加添加剂时，AgSnO2的润湿角为97.75°，润湿性差。当加入添加剂TiO2，AgSnO2的润湿角随TiO2含量的增加呈现出先增大后减小的变化规律。

（2）将润湿性测量结果与电导率和硬度试验结果进行综合对比分析，可以发现：当触头材料润湿角较小时，电导率较大，硬度也较大。而当触头材料润湿角较大时，电导率变小，硬度也变小。

（3）将润湿性测量结果与接触电阻和燃弧能量试验结果进行综合对比分析，可以发现：触头材料接触电阻变化趋势与润湿性的变化规律基本吻合，当触头材料润湿角较小时，接触电阻数值的主要变化范围较低，稳定性也更好，而当触头材料润湿角较大时，接触电阻数值的主要变化范围更高，并且更加频繁地出现大阻值，稳定性也较差。润湿角的变化对触头材料燃弧能量的影响并不明显。

（4）当润湿角为71.25°（(Ag):(SnO2):(TiO2) = 88:9.5:2.5）时，AgSnO2TiO2触头材料的各种性能相对较优。

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（编辑：陈渝生）

Effect of wettability on properties of AgSnO2TiO2contact material

WANG Haitao, WEN Panlong, LIANG Lei, ZHU Yancai, WANG Xingwei

(Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

TiO2was selected as an additive of AgSnO2contact material. The wettability, conductivity, hardness, contact resistance, etc. of AgSnO2contact materials with seven different proportions of the additive were studied. The results show that TiO2can improve the wettability of AgSnO2contact material obviously, and the wetting angle of AgSnO2contact material increases firstly and then decreases with the increase of TiO2content. When the wetting angle is small, the conductivity and the hardness are large. The changing trend of the contact resistance is basically consistent with the change of wettability, but the change of arc energy is not obvious.

TiO2; AgSnO2contact material; wettability; conductivity; hardness; contact resistance

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.07.019

TM501

A

1001-2028（2016）07-0080-04

2016-05-19

文攀龙

河北省自然科学基金项目资助（No. E2016202106）；天津市高等学校科技发展基金计划项目资助（No. 20140419）；河北省高等学校科学技术研究项目资助（No. ZD2016078）

王海涛（1973－），女，河北秦皇岛人，博士，教授，主要研究电器可靠性与检测技术，电器与电接触，E-mail: wanght@hebut.edu.cn ；

文攀龙（1990－），男，河南许昌人，研究生，研究方向为电器可靠性与检测技术，E-mail: 838584236@qq.com。

2016-07-01 10:50:51

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160701.1050.018.html