化学包覆与机械混合复合制备银镍材料工艺的研究

2022-08-18许福太盘志雄陈天来温国强

电工材料 2022年4期

许福太，盘志雄，陈天来，钟华，温国强

（佛山通宝精密合金股份有限公司，广东佛山 528000）

引言

随着现代工业的发展，银基电触头材料作为电器产品中的核心元件，发挥着越来越重要的作用，应用范围也随之不断扩展，应用性能要求更是不断提高——触头材料在分断过程中不能发生熔焊，不能产生过高的温升；在接触过程中保持低且稳定的电阻；耐磨损等。由于AgCdO 材料在高温下CdO能分解吸热、灭弧，电气使用寿命长，具有低而稳定的接触电阻，而且加工性能良好，被称为“万能触头”，活跃在各种小电流到大电流的开关、继电器、接触器等电触头器件中。但AgCdO 材料有一个致命性缺点，就是在使用过程中容易产生Cd 蒸气，人吸入后会产生Cd中毒，影响身体机能，造成损害，而且影响环境。因此，欧洲的部分国家先后出台法律法规，禁止在家用电器中使用含Cd的触头材料[1-4]。

银镍材料是接触器和继电器最常用的电接触材料，其具有良好的导电性和导热性，较低的电阻率与温升，并有良好的延展性及切削加工能力，加工周期短、成本低等优点，广泛应用于高精密、高灵敏的通信、电子、汽车等行业和领域[5]。

但是银和镍之间不浸润，采用常规粉末冶金法生产的银镍材料，银与镍之间的界面为简单的机械接触[6]，可加工性能随着镍含量的增加，则变得越来越差，在生产镍含量较高的银镍材料时往往不可避免地出现周期性裂纹，不仅影响了材料的加工性能，而且还会进一步地影响材料的电气性能。为此，研究采用化学与混粉相结合的方法，将过渡元素包覆在镍粉的表面进行改性，以改善两种粉末的界面，从而解决两种粉末都不浸润的问题。

1 试验

材料制备工艺：镍粉表面改性处理-粉末干燥-混粉-冷等静压-烧结-挤压-拉拔，得到所需尺寸。

镍粉表面处理工艺：将Ni粉放置于锌盐、铜盐、银盐、镧盐的一种或几种的混合溶液中，利用置换反应使单质锌、单质铜、单质银或单质镧中的一种或几种包覆在Ni粉表面上。

对材料的各项性能进行测试以及金相组织和扫描电镜观察，并将其装在继电器上进行测试，通过了（10万次）测试要求。

2 结果与分析

2.1 粉体表面处理前、后的形貌对比

图1 为表面处理前粉体，由于镍晶体为面心立方结构，镍粉的表面存在较多的棱角和尖锐的毛刺等。图2 为表面处理后粉体。由图2 可见，经过转换反应，镍粉的表面均匀包覆了一层过渡元素，镍粉表面的棱角减少，趋于圆润。一方面，使得银与镍之间的界面不再是简单的机械接触，多了一层保护层；另一方面，处理后的镍粉趋于类球形。这两个方面都保证了银镍材料的加工性能，并在理论上保证了银镍材料的导电性能。

图2 表面处理后粉体形貌

2.2 粉体表面处理前、后的粒径对比

利用岛津激光粒度仪，测量表面处理前、后粉体的粒径，对比结果见表1。由表1 可以看出，通过表面处理后，镍粉的粒径变小，其原因可能是经过置换反应，在镍粉表面包覆了一层过渡元素的同时，也将镍粉表面原有的锐角也去掉了一部分。

表1 表面处理前、后粉体的粒径

2.3 银镍（10）触头材料的力学物理性能对比

用传统混粉法和本方法分别制备银镍（10）材料，取样后按GB/T 5588《银镍、银铁电触头材料技术条件》的要求测试各项性能，结果见表2。由表2可以看出，采用本方法制备的银镍（10）在密度、电阻率、延伸率等方面均高于传统混粉法制备的银镍（10）材料，特别是延伸率，提高了73%左右，这表明采用本方法制备银镍（10）材料，改善了银与镍的界面以往简单的机械接触情况，改善了银与镍之间的浸润性，进而改善了银镍（10）材料的可加工性能。

表2 不同工艺的银镍（10）材料电寿命对比

表2 不同方法制备银镍（10）的力学物理性能对比

2.4 金相组织对比

采用传统的烧结挤压工艺与本工艺分别制备银镍（10）材料，其金相组织见图3～图6。由图3～图6可见，相比于传统工艺，本工艺制备的银镍（10）成品线材，在横截面上，镍质点更加细小；由于混粉与后续的工艺一样，质点的均匀性方面，无太大的区别。

图3 传统工艺银镍(10)(φ2.40,横截面)

图6 本工艺银镍(10)(φ2.40,纵截面)

2.5 银镍（10）触头材料的电气性能对比

将传统工艺与本工艺制备银镍（10）线材，分别打制成同规格的复合铆钉，装配在继电器上，使用河北工业大学制造的型式试验平台（型号：ACRL-40A阻性负载）进行电寿命测试。

2.5.1 电寿命对比

测试条件：AC250V/10A，通断比1∶1，测试频率30 次/min，纯阻性负载，以测试达到10 万次作为通过标准。测试结果见表3。由表3可以看出，采用本方法制备的银镍（10）在电寿命优于常规混粉法制备的银镍（10）材料，特别地，5组样品不仅通过了10万次的电寿命测试，而且都达到了12 万次以上，电寿命更加稳定。

图4 本工艺银镍(10)(φ2.40,横截面)

图5 传统工艺银镍(10)(φ2.40,纵截面)

2.5.2 触点表面形貌对比

图7 与图8 为传统工艺制备的银镍（10）材料，测试失效的样品。

图7 传统工艺银镍10(动触点)

图8 传统工艺银镍10(静触点)

从图中可看到，失效样品的触点表面存在较多的银珠，且周围还有大量的黑色飞溅物。主要原因可能是继电器在通断过程中，产生的电弧造成环境与触点表面的温度持续升高，形成银的熔池，镍质点在分断力的作用下，向触点周围飞溅，使得触点表面的镍含量减少，而银的含量增多，造成继电器粘结失效。采用本工艺制备的银镍（10）材料如图9、图10 所示，由于触点材料本身的致密度、硬度等力学物理性能更高，在测试环境下也有影响，但影响较小，触点表面较干净，没有形成大量银珠，因而没有出现粘结失效的现象。