高性能继电器用AgNi触头材料的研究

2021-06-18杨昌麟张秀芳颜小芳柏小平张明江

电工材料 2021年3期

杨昌麟，张秀芳，颜小芳，柏小平，张明江

（福达合金材料股份有限公司，浙江温州 325025）

引言

继电器是通过触头的接通或断开控制电路，被广泛应用于自动控制系统、电力保护系统以及通信系统，起控制、检测、保护及调节作用，其接触系统中最主要的部件为触点，触点的性能将直接决定继电器的可靠程度和稳定性[1]。相关资料报道，继电器失效75%以上是由触点失效导致[2,3]。在中国制造2025的大环境下，对继电器的要求也逐渐提高，继电器逐渐向高负载、高频率、大功率、小型化、高可靠性等高性能方向发展[4]。故而，对作为继电器接触系统的核心部件－触点材料也提出更为苛刻的要求，具体表现为：①需具备更为优良的导电性能，表面不易悬浮导电性能较差的组分，以避免造成继电器产品不导通的异常；②应具备更好的抗粘结、抗熔焊性能，且触点材料的组元元素不易挥发；③应具备更好的耐电弧磨损性能。

在现有电接触领域，银基触头材料是目前应用最为广泛的一类材料。这是因为银具备高的导电、导热性、良好的机械加工特性；氧化银在高温下不稳定，易分解成单质银和氧气，故而能保证低而稳定的接触电阻。目前，银基触头材料主要分为3类：银金属氧化物、银基假合金，银基合金，其中，作为银基假合金的典型代表银镍触头材料，它在整个触头材料体系中占有重要的地位。银镍材料因具有良好的导电性、导热性以及低而稳定的接触电阻，被广泛应用于低压电接触领域，如小负荷接触器、继电器和控制开关等[5]。

随着电器产品向小型化、长寿命、高可靠性方向发展，近年来，电器制造商对银镍材料提出了更高的要求，希望其抗熔焊性能、耐电弧磨损性能得到提高。近年来，国内外对如何提升银镍材料电性能做了大量的工作。王塞北等[6]详细地介绍了粉末冶金法、机械合金化法、化学包覆法、共沉积法等制备工艺的发展现状及提高银镍触头材料抗熔焊性的最新研究及进展；Kail A等[7]研究表明，烧结挤压法制备的银镍触头材料，不仅可以有效提高材料的电导率，还能明显提高触点的耐电弧烧损特性；荣命哲等[8]对小容量电器用新型银镍触头材料进行了开发研究，结果显示：当镍纤维取向与工作面平行时，有利于获得更佳的性能。然而，关于镍含量、镍颗粒尺寸及添加物对银镍材料组织与性能的系统性研究却甚少。为此，本研究采用粉末冶金工艺制备出不同镍含量、不同镍颗粒尺寸及添加物银镍材料，系统地研究了镍含量、镍颗粒尺寸及添加物对银镍材料物理力学性能、电性能及烧损后触点形貌的影响，并探讨了其产生机理，为高性能继电器用的银镍触点材料的设计和开发提供一定的思路和方法。

1 试验

研究对象均采用粉末冶金工艺制备，其具体的制备工艺流程为：粉体混合（高熔点添加物预处理）→等静压→烧结→复压→热挤压→拉拔，试验材料的具体成分见表1。

表1中试验材料镍颗粒尺寸大小通过在粉体混合过程中采用不同费氏粒径的羰基镍粉实现。将上述试验材料拉拔至成品并进行金相和性能测试。将成品丝材制打成铆钉型触点，规格为：R2.8×0.4+1.5×0.8SR10E；R2.8×0.55+1.5×0.6SR10E，并在模拟电性能试验平台进行测试，测试条件：AC 250 V，5 A；接触频率30次/min；触点开距1 mm；接触压力30 g。采用BS124S型分析天平测量烧损后质量变化，采用JSM-6390A型扫描电镜观测试验后触点表面形貌。

表1 试验材料成分及颗粒尺寸

2 试验结果与分析

2.1 金相组织特点对比分析

图1为不同镍含量 AgNi(12)、AgNi(15)、AgNi(20)成品丝材横、纵截面金相组织对比。本组试验材料均采用费氏粒度相同的羰基镍粉制备而成。金相组织对比显示：随着镍含量的增加，镍颗粒数量也随之增加；但同时金相组织中出现的较大尺寸的团聚镍颗粒也增多（如图1(e)区域所示）。其原因为：随着镍含量的增加，混合粉体中，镍颗粒数量与银粉颗粒数量的比例增加，在混合过程中镍颗粒之间无法充分被银颗粒填充，最终引起镍颗粒团聚相对较多。

图1 不同镍含量AgNi材料金相组织对比

图2为采用不同初始粒径羰基镍粉制备的AgNi(15)成品丝材横、纵截面金相组织对比。金相组织对比显示：随着初始羰基镍粉粒径的减小，镍颗粒数量增加，横截面金相组织观测到的镍颗粒数量增加，相应的镍颗粒尺寸减小；纵截面金相组织镍纤维长细比增加且呈颗粒状的镍颗粒分布也相对较多。

图2 不同颗粒尺寸AgNi15材料金相组织对比

图3为高熔点添加物的AgNi(15)成品丝材横、纵截面金相组织对比图片。金相组织对比显示：添加物的加入对材料横截面的颗粒尺寸影响较小，但可以有效缩短纵截面镍纤维的长度、颗粒状镍颗粒数量增加。这是因为高熔点添加物作为硬质颗粒可有效改变在塑性变形过程中镍的变形协调性，打断镍的连续性分布。

图3 添加物对AgNi(15)材料金相组织对比

2.2 物理力学性能对比分析

表2为冷加工变形量12%条件下，不同试验银镍材料的物理力学性能。从表2可以看出如下规律：①在相同冷加工变形量的前提下，随着镍含量的增加，材料的抗拉强度、硬度、电阻率逐渐增加，密度逐渐降低；②在相同的冷加工变形量和相同镍含量的条件下，随着镍颗粒的细化，材料的抗拉强度和硬度、电阻率逐渐增加；③在相同的冷加工量和银含量相同的条件下，高熔点添加物有助于提升材料的抗拉强度、硬度、密度，但同时电阻率也有所增加。表现出上述规律的主要机理如下：根据Ag-Ni合金相图可知，平衡条件下固态时镍在银基中的固溶量很小，为0.15%，故银镍材料为一种假合金材料[9-11]。其力学、物理性能是基体相Ag和增强相Ni按体积分数的加和。具体遵循如下公式[12]：

表2 不同试验AgNi材料物理力学性能对比

式中，σ为合金整体强度，σb、σw分别为基体相、增强相强度，fb、fw分别为基体相、增强相的组成体积。与基体相相比，增强相Ni具有更高的强度，随着镍含量的增加，增强相镍相的体积分数也增加，故而会表现出更高的强度和硬度；在材料成分相同的条件下，镍颗粒细化有利于增加镍颗粒数量，可以更为有效地增强基体Ag相的强度，故而随着镍的细化，银镍材料表现出更高的抗拉强度和硬度；此外，高熔点添加物的强化机理也与此原理相同。

2.3 电性能对比分析

2.3.1 燃弧时间、燃弧能量

利用电性能模拟试验平台对不同试验银镍材料进行电性能测试，测试总电寿命次数为10万，对每1万次测试的燃弧时间求均值，并作曲线。不同材料燃弧时间对比如图4所示。从图4可以看出以下规律：①随着镍含量的增加，触点材料测试过程中燃弧时间有所增加；②随着初始镍颗粒尺寸的降低，触点材料的燃弧时间也存在降低的倾向；③在银含量相同的条件下，高熔点添加物使燃弧时间有所增加。

图4 不同试验AgNi材料燃弧时间对比曲线

图5为不同试验银镍材料燃弧能量对比曲线，测试总电寿命次数为10万，对每1万次测试的燃弧能量求均值，并作曲线。触点材料的燃弧能量表现出的规律与燃弧时间存在正相关规律，具体表现如下：①随着镍含量的增加，触点材料在实际电寿命测试过程中燃弧能量相应增加；②随着初始镍颗粒尺寸的降低，触点材料的燃弧能量存在降低的倾向；③在银含量相同的条件下，高熔点添加物使得燃弧能量有所增加。

图5 不同试验AgNi材料燃弧能量对比曲线

触点分断过程中出现的电弧是造成触点材料工作性能下降以及引起电器产品失效的主要原因之一[13]。在电弧的作用下，触点材料发生侵蚀、转移，表面接触状况恶化，接触电阻增高，使触点材料的可靠性下降、电寿命缩短。因此，在触点材料的设计过程中，应尽可能地减缓材料燃弧特性，降低燃弧能量，以减少对材料的恶化。燃弧能量遵循如下公式[14]：

式中，t为触点的燃弧时间，u为燃弧电压，i为燃弧电流。随着镍含量的增加，触点间接触电阻增大，造成触点接触斑点区域温升增加；同时，镍含量的增加增强了镍形成导热性能较差的氧化镍的倾向，此层镍的氧化物通常悬浮于触点表面，阻止来自熔化表面组织的热量向触头材料内部扩散；在两者共同作用下，触头温升升高，基体银汽化损耗增大，触点的燃弧电压增高及燃弧时间增加，最终导致燃弧能量增大。镍颗粒细化增加镍的比表面积，在电弧高温作用下有利于快速固溶到基体银，形成蒸汽压力较纯银金属熔液蒸汽压力小的银镍合金熔液，有利于减少燃弧时间并降低燃弧能量[15-17]。高熔点添加物在电弧高温作用下，可快速地与镍固溶，形成熔点较低的中间相，增加材料燃弧时间的同时也提高燃弧能量。

2.3.2 熔焊力对比分析

图6为不同试验银镍材料熔焊力对比曲线，测试总电寿命次数为10万，对每1万次测试的熔焊力求均值，并作曲线。从图6可以看出：①随着镍含量的增加，触点材料熔焊力存在增加的趋势；②随着初始镍颗粒尺寸的降低，触点材料的熔焊力降低；③在银含量相同的条件下，高熔点添加物有利于降低触点材料的熔焊力。

图6 不同试验AgNi材料熔焊力对比曲线

触点在负载分离过程中，随着接触面积的减小，接触区域的电流密度急剧增大，在焦耳热的作用下接触区域触点材料熔化并形成熔池，随后冷却凝固，导致分断过程需要一定的力才可将触点正常分断。熔焊力与熔焊面积及其熔焊区的强度相关。镍含量的增加，导致接触温升增加，焦耳热作用更为明显，使熔化面积有所增加，故熔焊力也随之增加；镍颗粒的细化，增加镍的比表面积，增强镍与银固溶形成银镍合金，随后熔池冷却，镍弥散析出，增加材料的脆性，有利于降低熔焊力；高熔点添加物的加入，与增强相镍形成脆性的金属间化合物，进一步增强材料脆性，降低熔焊力。

2.4 试验后触点形貌对比分析

触头材料电弧侵蚀特征可以反映触头材料特征和电弧侵蚀程度。触头材料在使用过程中，触头表面出现裂纹会加快侵蚀速度，导致开关电器使用寿命大大缩短，因此深入研究触头材料电弧侵蚀形貌特征对触头材料应用有重要的实际意义[18-20]。不同镍含量触点烧损后触点表面电弧侵蚀形貌如图7所示。由图7可见，中等镍含量触点形成凹坑的现象较为明显，低镍和高镍含量触点烧损后触点表面较为平整。这是因为低镍含量触头中含银量较高，银熔点相对镍较低，在电弧热量作用下，形成液态熔池体积大，有利于填充电弧侵蚀形成的触点表面坑，使触点表面更为平整；高镍含量触点受电弧热量的作用更为明显，短时间熔化形成的熔池的量更大，利于触点表面的平整化。

图7 不同镍含量AgNi触点测试10万次后触点表面形貌

不同镍颗粒尺寸触点烧损后触点表面电弧侵蚀形貌如图8所示。由图8可见，随着镍颗粒的细化，触点烧损后触点表面较为平整，表面凹坑不明显。这是因为镍颗粒的细化，增加了镍的比表面积，增强镍与银固溶形成银镍合金的能力，有效提升熔池黏度，改善触点表面飞溅损耗，使表面形成的凹坑现象更不明显、触点表面更平整。

图8 不同颗粒尺寸AgNi(15)触点测试10万次后触点表面形貌

图9为含添加物AgNi(15)烧损后触点表面电弧侵蚀形貌对比。从图9可以看出，含添加物AgNi(15)触点表面更平整，且可观测到的孔洞数量较少。其原因为在电弧的作用下，触点表面迅速熔化，熔融状态的银从外界吸收大量氧气形成气泡，电弧熄灭后，触头表面温度迅速降低，氧气在银中的溶解度也随之降低，气泡从熔池内浮出，在表面张力作用下气泡在熔池表面破裂，从而在触头表面形成气孔或者孔洞；同时，添加物与镍在电弧的高温作用下形成熔点较低的金属间化合物，增加了熔池形成金属熔液的体积，有助于对孔隙的填充，最终使含添加物AgNi（15）材料触头表面孔洞较少且更平整。