La2O3对Ag-8SnO2-2Bi2O3触点材料性能的影响

陈 勇, 李合琴, 冯旭强, 石松礼

(1.合肥工业大学 材料科学与工程学院,安徽 合肥 230009; 2.黄山旺荣汽车电子有限公司,安徽 黄山 245500)

在材料制造业中,稀土元素常被称为金属材料的“维生素”[1],已被广泛应用于多种材料。文献[2]研究了La对压铸铝合金力学性能的影响,添加0.32%La元素的铝合金的硬度、抗拉强度和伸长比原始材料都提高了50%以上。在冶金工业中,稀土元素还可起到净化溶体、改善组织、降低熔渣黏度的作用;文献[3]发现采用La-Ce混合稀土对不锈钢真空熔炼起到良好的脱硫效果;文献[4]在7055铝合金中加入Y元素,除了减少熔体中存在的N、H、O、S、Fe等杂质外,还细化了合金的铸态组织;文献[5]发现Ce2O3能降低钢液中熔渣的黏度,进而减少Al2O3夹杂。稀土除了应用在金属熔炼中,还可用在粉末冶金中。文献[6]在CNTs/Cu中添加La-Ce复合稀土,该复合稀土能够细化材料的组织,净化烧结颗粒边界,使CNTs在Cu基体中均匀分布,减少团聚;文献[7]发现La在Cu基粉末冶金摩擦材料中可形成稀土氧化物La2O3,具有良好的润滑作用。除了在Cu基材料中,稀土在Ti、Mo和Fe基材料中也得到了广泛应用[8-11]。在Ag基触点材料中,稀土除了具有上述常见作用以外,还可降低堆垛层错、增加位错密度[12],提高再结晶温度、抑制回复过程、抗自然时效软化。另外,稀土氧化物在电弧作用下的分解,可消耗电弧热和焦耳热。稀土还可降低触头材料的表面逸出功,使电弧斑点增大,降低电流密度[13-14]。文献[15]研究了La2O3和Ce2O3对Ag-SnO2触点材料的影响,稀土氧化物的加入使触头熔焊表面变得平坦,提高了材料的抗喷溅能力。

本实验将3种不同质量分数的La2O3添加到Ag-8SnO2-2Bi2O3材料中,通过复压复烧工艺制备出含稀土氧化物的触点材料,并对其力学性能和电弧侵蚀等方面性能进行了研究。

1 实 验

本文以Ag、SnO2、Bi2O3和La2O3粉体为原料,由于La2O3易在空气中吸收水分变成La(OH)3,将La2O3在800 ℃下烘干,使La(OH)3分解为La2O3。将原始粉末按一定比例分配成混合粉末,其成分见表1所列,与ZrO2球以质量比3∶1装入聚四氟乙烯球磨罐中,在空气气氛中进行球磨,磨球直径分别为10、7、5 mm,大、中、小球个数比为1∶2∶4。加入适量无水乙醇作为分散剂,运行方式为正反转交替运行,球磨速度和时间分别为300 r/min和6 h,每运行50 min停机10 min防止过热。球磨后的粉末烘干后用769YP-15A粉末压片机在300 MPa下进行压制,保压5 min。将压坯置于GSL-1 400 X真空管式炉中在Ar气气氛中850 ℃烧结2 h,取出后在600 MPa下复压5 min,再于600 ℃下复烧4 h制得最终触头材料。

表1 材料成分 单位：%

用X’Pert PRO MPD X-ray衍射仪(X-ray diffraction,XRD)对原始粉末进行物相结构分析;用阿基米德排水法测量并计算各样品的密度;用JSM-6490LV型扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观察制备金相样品的组织;用HBV-30A布氏硬度计测量烧结样品的硬度,载荷10 kg,保压30 s;用四点法测量样品的电阻率;用自制电弧侵蚀实验装置测试其电弧侵蚀性能,如图1所示。该装置由CJT1-20交流接触器、DH48S-S型双设定时间继电器、DH48J-11A型数显计数继电器、WX-DC2440型ACDC电源模块、滑动变阻器以及若干导线组成。交流接触器用于控制触头的闭合和分断,时间继电器用于设定接触器闭合和断开的时长,计数器用于记录循环测试次数,电源模块用于提供24 V电压,滑动变阻器用于改变电路中测试电流的大小。将制备的触头材料用线切割切成8.0 mm×8.0 mm×1.5 mm的小方块,测试面打磨并抛光后,用电烙铁将其焊在接触器原静触头上,动触头使用接触器原装触头。电弧侵蚀测试试验参数为24 V、5 A,阻性负载,频率为60 次/min,占空比为50%,进行2 000次循环实验。用JSM-6490LV型SEM镜观察样品表面电弧侵蚀坑形貌。

图1 电弧侵蚀装置

2 结果与分析

2.1 球磨后混合粉体形貌

添加0.5%La2O3球磨后混合粉末的形貌及元素面分布如图2所示。

从图2a可看出,粉体颗粒呈任意多边形,尺寸分布从几微米至几十微米不等,小颗粒的粉末可填充在大颗粒之间的空隙中,提高材料的致密度。图2a方框区域的放大形貌图如图2b所示,结合元素面分布可看出,灰色大块状为基体Ag,白色SnO2颗粒均匀包覆在Ag上,Bi2O3在Ag颗粒界面上分布较多。La2O3添加量较少,较均匀地分布在Ag颗粒上。

图2 Ag-8SnO2-2Bi2O3-0.5La2O3混合粉末形貌及元素面分布

2.2 显微组织

不同质量分数La2O3样品复压复烧后SEM照片如图3所示。

图3 不同质量分数La2O3Ag-8SnO2-2Bi2O3复压复烧后形貌

由图3可知,随着La2O3添加量的增多,尤其是添加1.0%La2O3的样品,有明显的烧结颈现象，Ag颗粒的边界大部分被SnO2粒子包围，由于Bi2O3的熔点为825 ℃,低于850 ℃烧结温度,Bi2O3在此温度下发生液相烧结,流动并填充到Ag颗粒间的缝隙。Ag颗粒上分布的SnO2熔点为1 630 ℃,固态SnO2颗粒在液相Bi2O3的流动过程中重新分布并包围在Ag颗粒边界处。当添加少量La2O3时,Ag颗粒细化,SnO2较均匀地分布在Ag颗粒的周围,由于稀土La2O3为表面活性物质[16],烧结时易吸附在Ag颗粒的表面,阻止Ag的长大。当La2O3添加量为1.0%时, SnO2颗粒明显地聚集在Ag颗粒边界处,填充了Ag颗粒间的孔隙,同时Ag颗粒粗化。这说明过多加入La2O3会降低液态Bi2O3的黏度,增加其流动性,提高了SnO2颗粒的黏性流动传质速度[17],提高材料致密度的同时,造成了SnO2在Ag颗粒边界的偏聚。

Ag-8SnO2-2Bi2O3-1La2O3复压复烧后的SEM形貌和元素分布面扫描图如图4所示。图4a中银白色区域为Ag基体,灰色区域为SnO2、Bi2O3、La2O3颗粒,颗粒间有孔隙。图4b中灰色颗粒主要为SnO2,尺寸约500 nm。Bi2O3、La2O3主要分布在右侧灰色区域,尺寸比SnO2更加细小。另外,图4d显示Bi元素除了在右侧灰色区域分布较为集中外,在整个Ag基体上均有分布,表明烧结过程中Bi元素发生了扩散。

图4 Ag-8SnO2-2Bi2O3-1La2O3复压复烧SEM及元素面分布

2.3 物相结构

图5 烧结后Ag-8SnO2-2Bi2O3-1La2O3的XRD图

2.4 力学及电学性能

添加不同质量分数La2O3材料复压复烧后的各项性能见表2所列。

由表2可知,随着La2O3质量分数的增加,材料的致密度明显增加,从未添加La2O3时的96.48% 到添加0.5%时的97.03%,最后增加到1.0%时的98.11%。La2O3的加入增加了熔融Bi2O3的流动性,在毛细力的作用下氧化物颗粒易于填充到Ag颗粒之间的空隙,使烧结后材料的致密度提高,材料的布氏硬度也随La2O3质量分数的增加而增加。另外, La2O3使得材料中更多的La2O3粒子偏聚在Ag颗粒的界面处,能有效阻止Ag基体在外力作用下的变形,提高了材料的硬度。添加La2O3使材料的电阻率上升，致密度的上升能提高材料的电导率,但添加La2O3增加了SnO2粒子在Ag颗粒边界的偏聚,增强了晶界对电子散射能力,阻碍了电子在电场下的运动,综合效果是使材料的电阻率升高。

表2 不同质量分数La2O3样品复压复烧后性能

2.5 电弧侵蚀形貌

添加不同质量分数La2O3材料的触头电弧侵蚀后形貌如图6所示。从图6可以看出,侵蚀区呈椭圆形,随着La2O3质量分数的增加,电弧侵蚀区域面积逐渐减小;未添加和添加少量La2O3时,电弧侵蚀面积较大,侵蚀区域内部表面粗糙,而且侵蚀区和基体之间存在过渡区,说明电弧腐蚀热影响区较大;当添加较多La2O3时,电弧侵蚀面积有所减小,侵蚀区域表面较平坦。表明加入适量La2O3对材料的抗电弧侵蚀性能有所改善,但是添加1.0% La2O3时,电弧腐蚀热影响区面积较大,喷溅痕迹明显,如图6d方框所示。

图6 不同质量分数La2O3材料的触头白电弧侵蚀形貌

图6d方框中喷溅物放大图如图7所示,由图7可知,该喷溅物里出现了大量犁沟,为典型的摩擦磨损形貌[7]，说明交流接触器触点在工作时,上下触头不光有垂直触头的法向运动,还有平行触头的切向运动。法向运动存在于触头从断开状态到刚闭合之间,切向运动在触头接触后发生,是从刚接触的不稳定状态到完全闭合后的稳定状态之间的过渡。可以发现此处接触区域的磨损现象严重,这是由于大电流使该接触表面融化软化,导致材料的硬度和耐磨性能下降。另外触点在该区域多次作切向运动,使运动方向前端的材料堆高,直至触点材料从表面分离喷溅出来。

图7 图6d内方框区域放大形貌

无添加和添加0.2%、0.5%、1.0%La2O3后电弧侵蚀中心区域形貌如图8所示。图8中孔洞的形成部分来自于材料内部残余气体在触头接触产生的高温作用下逸出所致。此外,电弧侵蚀时熔融状态的Ag会溶解吸收氧,在降温过程中氧在Ag中的溶解度降低,析出形成孔洞[18]。添加0.5% La2O3的材料经电弧侵蚀后,侵蚀区孔洞数量明显较少,可能是由于适量的 La2O3对熔池材料的吸附作用,电磁力对熔池产生的搅拌作用小,环境中的氧不易溶于熔池。当 La2O3增加到1.0%时,喷溅的Ag融滴变得细长,且出现分断现象,造成了触点材料的浪费。这是由于加入过多的 La2O3造成材料熔融状态下的黏度降低,融液各区域之间的结合力下降,喷溅的Ag融滴容易变得细长,并且不连续。未加 La2O3的材料由于黏度较高,Ag融滴各区域之间的黏度较大,在触头撞击的作用下飞溅距离较短,处于中心的熔融Ag对飞溅部分的融滴具有较强的拖拽作用,限制了融滴的喷溅距离,不容易出现分断。综上,不加 La2O3的材料电弧侵蚀区面积最大，但融滴喷溅距离较短且不易出现分断现象。

图8 电弧侵蚀中心区域形貌

3 结 论

在Ag-8SnO2-2Bi2O3中添加La2O3有利于Ag颗粒之间缝隙的填充,使材料的致密度和硬度升高。La2O3的加入会使第二相粒子在Ag颗粒边界处聚集,限制电子在电场下的运动,使材料的电阻率升高,同时阻止了电弧侵蚀面积的增加。加入0.5%La2O3时Ag颗粒细小,密度、硬度和电阻适中。材料的电弧侵蚀热影响区面积最小,电弧侵蚀区孔洞数量最少,侵蚀区表面较为平坦,是实验范围内最佳综合性能的触头材料。