AgW(65)触头材料断口高温高湿交变试验性能研究

费玲娟，杨 辉，祁更新，沈 涛

（1.浙江大学 科研院，杭州 310000；2.温州宏丰电工合金股份有限公司，浙江温州 325000；3.浙江大学 材料科学与工程学院，杭州 310027；4.浙江大学 浙江加州国际纳米研究院，杭州 310058）

引言

电触头即触点或接点，在高、低压电器开关、仪器仪表中作为电接触元件，起着接通、分断、导流、隔离等作用，是影响整个控制系统可靠性、稳定性、精确性及其使用寿命的关键元件之一。随着社会科技及应用的发展，电子电器不断更新换代，其对所选用电触头材料的相关性能如导热导电性能、耐电弧烧蚀性能以及抗熔焊性能等，提出了更高的要求[1-8]。由于结合了银的优良导电导热性能，钨的高硬度、高熔点以及高密度等特性，银钨(AgW)系触头材料具有较优的电寿命、耐电弧烧蚀性能以及抗熔焊性能，一直以来被广泛应用于自动开关、大容量断路器、塑壳断路器等领域[9-14]。

在实际使用过程中，特别是当开关处于湿热环境中，Ag与W的电位差较大，触头表面易发生电化学腐蚀，形成非导电层，导致触头间的接触电阻剧增，甚至不导通，限制了AgW系触头材料的应用[15]。张家鼎等[15,16]研究发现在湿热环境中由于Ag与W的电位差而导致AgW触头材料表面W被氧化腐蚀，形成以钨酸盐为主的氧化膜，同时表面粗糙度增加，通过添加镍以及第四元素，发现腐蚀速率明显降低。谢健全[9]采用粉末冶金法制备AgW(70)触头材料，制备出的触头材料密度为14.9 g/cm3～15.1 g/cm3，电阻率为3.6 μΩ·cm～3.8 μΩ·cm，同时200万次机械寿命以及7周期的交变湿热试验亦能达到电力机车的使用要求。

考虑到材料表面状态对AgW材料电接触性能的影响较大，本研究通过采用不同介质进行球磨工序并研究在高温高湿环境下材料断面成分及物相的变化，探究球磨分散介质对材料抗氧化性能的影响。

1 试验方法

将Ag粉(200目，纯度99.95%)、W粉(300目，纯度 99.99%)、Ni粉(300 目，纯度 99.99%)按质量比20%∶79%∶1%称取，手动搅拌后装入混粉机进行混粉，然后将混合均匀后的粉体分为两份，分别装入两个球磨罐进行球磨，球磨分散介质分别采用去离子水与无水乙醇、球磨结束后从球磨罐中取出粉体烘干，过100目筛，加入PVA胶水进行制粒，加胶比例为5%，将制粒后的粉体装入Φ12 mm钢模中压制成厚度为2 mm的样块，脱胶后将样块加银片熔渗，熔渗后将样品进行表面处理。

采用日立SU1510场发射电子显微镜（FSEM）观察微观形貌及结构并统计电接触材料内部颗粒以及熔渗通道分布，结合X射线能量色散谱仪（EDS）分析试样微区元素成分；采用上海奥龙星迪检测设备有限公司HBRVU-187.5型硬度仪检测样品硬度；采用梅特勒-托利多XS 104型精密分析天平测试密度（排水法）；采用化学滴定法测试样品银含量；采用XRD衍射分析仪分析试验后的样品微区物相；采用广州五所环境仪器有限公司EL-10KA型温湿度可控烘箱测试高温高湿交变，测试流程为：样品装入烘箱，将烘箱温度0.5 h内升至70℃，湿度95%以上，保持12 h，再将烘箱温度降至-20℃，停止加湿，保持12 h。将样品在此环境下如此循环3次后，检测样品断面形貌及成分物相。

2 试验结果及分析

2.1 测试前性能

两种工艺条件制备的样品的银含量及物理性能如表1所示，两种球磨分散介质制备的银点在银含量及物理性能略有不同，但无较大差异。图1为试验前不同工艺制备的AgW(65)材料断面氧化前后扫描电镜以及能谱图。从图1可以看出，两种不同工艺制备的AgW(65)材料断面微观结构中均未发现较大孔洞、银或钨聚集等异常。在AgW(65)材料微观结构中，W颗粒被Ag熔液所包裹且相互隔离，未发现异常长大的W颗粒。相对去离子水湿磨后的材料，酒精湿磨后的材料断面银通道分布更为均匀，这可能是由于酒精分子极性小于水分子，对于分散在其中的粉体颗粒来说，团聚的可能性更小，从而分散更为均匀。从能谱分析中可以看出，两种不同工艺制备的AgW(65)材料断面成分略有不同，但主要元素均为Ag与W，无明显的O元素，表明未进行高温高湿交变试验测试前材料断面未有氧化或氧化程度较低。

表1 不同工艺制备的AgW(65)物理性能及银含量

图1 试验前AgW(65)材料断面氧化前后扫描电镜以及能谱

2.2 高温高湿断口分析

图2为高温高湿交变试验后不同工艺制备的AgW(65)材料断面氧化前后扫描电镜以及能谱图。在进行高温高湿交变试验后，两种工艺制备的AgW(65)材料断面的成分以及形貌都差异较大，采用去离子水湿磨后的AgW(65)材料(c)，试验前断面主要元素含量与酒精湿磨样品相近，但试验后断面出现层叠交错的片状物质，与其它样品差异较大。通过能谱分析发现该物质主要为W、O元素，Ag元素含量较低，而采用酒精湿磨后的AgW(65)材料(d)，试验后断面的主要元素依旧为Ag、W，同时O元素含量有所增加。

图2 高温高湿交变试验后AgW(65)材料断面扫描电镜以及能谱

图3为试验后AgW(65)材料断面微区的XRD，样品(c)断面的片层状物质可能含有多种物相，主要物相为钨酸铵类，(NH4)10W12O41与(NH4)2WO4·xH2O，以及少量的Ag2WO4。而样品(d)断面的主要物相为单质Ag、W，仅含有少量(NH4)2WO4·xH2O。这可能与粉体球磨过程中的氧化程度有关，通过前期测试发现，采用去离子水作为介质，球磨后W可能存在一定程度的氧化，粉体氧含量最高达0.81%。而乙醇作为介质，粉体氧含量约0.02%。在熔渗前期，低温还原阶段，氧化程度较低的W颗粒可被H2还原，而氧化程度略高的W颗粒可能仅有一定厚度的表面被H2还原，高温致密度的变化导致氢气在胚体中扩散难度增加，因此材料内部可能还是氧化状态。在此情况下，两种工艺制备的AgW(65)材料在高温高湿环境中的电化学腐蚀程度发生明显差异。

图3 试验后AgW(65)材料断面微区XRD

3 结论

通过能谱检测发现，在其他条件不变时，球磨介质的选择对AgW(65)材料在高温高湿环境下的抗氧化性能存在显著的影响；采用去离子水湿磨后的AgW(65)材料断面在高温高湿环境下形成的片层状结晶，主要物相为钨酸铵类，(NH4)10W12O41与(NH4)2WO4·xH2O，以及少量的 Ag2WO4。采用乙醇湿磨后的AgW(65)材料断面在高温高湿环境下表现相对良好，主要物相为单质Ag、W，仅含有少量(NH4)2WO4·xH2O。