直流電弧對(duì)制備工藝和添加劑不同的Ag／SnO2觸頭材料的侵蝕研究

李 靖，侯月賓，李 恒，蔡 毅，陳光明，李耀林

（1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101；2.桂林電器科學(xué)研究院金格公司，桂林 541004）

0 引 言

Ag／SnO2觸頭材料具有導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、接觸電阻低而穩(wěn)定、耐侵蝕性與抗熔焊性強(qiáng)等特點(diǎn)，在高低壓電器中擔(dān)負(fù)通斷電流的作用［1］.

由于液銀對(duì)SnO2的潤(rùn)濕性差，SnO2難以懸浮于液銀熔池中，導(dǎo)致Ag／SnO2觸頭材料長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)溫升過(guò)高，抗電弧侵蝕和抗熔焊性能不盡人意.為減小開(kāi)關(guān)電器Ag／SnO2觸頭材料在高次數(shù)、連續(xù)操作中產(chǎn)生的高溫，觸頭材料生產(chǎn)企業(yè)常常采用添加熱穩(wěn)定性好的微量添加劑的辦法，來(lái)加強(qiáng)電弧作用下的粘度分散體系溶質(zhì)、改善液銀對(duì)SnO2的潤(rùn)濕性，以有效降低 Ag／SnO2觸頭材料的溫升［2－3］.

本文利用西安交通大學(xué)研制的小容量ASTM觸頭模擬動(dòng)作與電性能測(cè)試系統(tǒng)［4］，對(duì)直流14V、10A、燈負(fù)載條件下，利用霧化法、混粉法和化學(xué)法3種制備工藝生產(chǎn)的8種Ag／SnO2電觸頭材料，分別進(jìn)行了對(duì)稱性配對(duì)下45，000次連續(xù)性通斷試驗(yàn)，測(cè)量了8種Ag／SnO2觸頭材料的質(zhì)量、燃弧能量、熔焊力、燃弧時(shí)間、觸頭溫度和接觸電阻；用SEM和EDAX測(cè)量與分析了它們的表面形貌與微區(qū)組份，探討了直流電弧對(duì)繼電器條件下制備工藝和微量添加劑不同的Ag／SnO2觸頭材料的侵蝕性能.

1 主要試驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)條件

本試驗(yàn)主電路自電源到負(fù)載，主要包括單相開(kāi)關(guān)電源、小容量ASTM觸頭模擬動(dòng)作與電性能測(cè)試系統(tǒng)以及單相試驗(yàn)負(fù)載阻抗等設(shè)備.

1.1 單相開(kāi)關(guān)電源

其主要技術(shù)參數(shù)有輸入電源三相交流50Hz、380V（±10%），輸出單相交／直流0～50V、0～100 A，最大輸出50V、100A、5，000W.

本試驗(yàn)電源電氣參數(shù)采用直流14V、10A（穩(wěn)態(tài)電流），電源陽(yáng)極接動(dòng)觸頭，陰極接靜觸頭.

1.2 小容量ASTM觸頭模擬動(dòng)作與電性能測(cè)試系統(tǒng)

該系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)包括模擬試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)作頻率60次／min，占空比45%；最小生弧電壓10V，最小生弧電流0.7A；接觸壓力100g；觸頭間隙1.5 mm；熔焊力100g（若熔焊力連續(xù)5次大于設(shè)定值，判為失效）.

1.3 單相試驗(yàn)負(fù)載

該負(fù)載為交直流共用，具有電阻和電感值精度高、范圍大的特點(diǎn).直流下，阻性負(fù)載允許偏差±5%，功率因數(shù)0.99～1.0.

2 Ag／SnO2材料的制備工藝和微量添加劑

2.1 Ag／SnO2的3種制備工藝

制備Ag／SnO2觸頭材料的工藝較多［5］，本試驗(yàn)用Ag／SnO2觸頭材料由桂林電器科學(xué)研究院金格公司提供，分別采用混粉燒結(jié)擠壓法（簡(jiǎn)稱混粉法）、化學(xué)共沉積法（簡(jiǎn)稱化學(xué)法）和霧化合金粉末預(yù)氧化法（簡(jiǎn)稱霧化法）3種工藝制備，各制備工藝的工藝流程如下：

①混粉法：銀粉＋氧化錫粉＋添加劑→混合→等靜壓成型→燒結(jié)→擠壓→拉拔→退火→拉拔→加工鉚釘→后處理→最終產(chǎn)品.

②化學(xué)法：硝酸銀＋添加劑溶液→氧化錫＋沉淀劑→共沉淀反應(yīng)→粉末清洗→粉末烘干→等靜壓成型→燒結(jié)→擠壓→拉拔→退火→拉拔→加工鉚釘→后處理→最終產(chǎn)品.

③霧化法：銀粉＋氧化錫粉＋添加劑→熔煉→霧化→篩分→內(nèi)氧化→球磨→等靜壓成型→燒結(jié)→擠壓→拉拔→退火→拉拔→加工鉚釘→后處理→最終產(chǎn)品.

2.2 Ag／SnO2微量添加劑

試驗(yàn)所用8種Ag／SnO2觸頭材料添加的微量氧化物添加劑有 WO3、Bi2O3、CuO與In2O3.添加劑WO3和Bi2O3的潤(rùn)濕性較In2O3好，但熱穩(wěn)定性較In2O3低得多［3］.

2.3 Ag／SnO2的編號(hào)及牌號(hào)

試驗(yàn)用Ag／SnO2觸頭材料的編號(hào)及牌號(hào)如表1所示.為分析方便，文中將用編號(hào)1＃至8＃分別代表8種試驗(yàn)觸頭材料.

每種試驗(yàn)用動(dòng)觸頭（陽(yáng)極）的尺寸均為3×0.8＋1.5×1.5R8（球面），靜觸頭（陰極）均為3×0.8＋1.5×1.5F（平面）.釘頭直徑φ3mm，釘頭厚度0.8mm，釘腳直徑φ1.5mm，釘腳長(zhǎng)度1.5mm.

3 試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

①將各試驗(yàn)觸頭與支架鉚接，固定，標(biāo)號(hào)；②先對(duì)觸頭與支架進(jìn)行超聲波清洗與空氣晾干，接著用萬(wàn)分之一克的電子天平稱重.

3.2 試驗(yàn)

每隔1，000次，用小容量ASTM觸頭模擬動(dòng)作與電性能測(cè)試系統(tǒng)獲取、處理并用波形顯示一次觸頭的接觸電阻、電弧特性參數(shù)等參數(shù)值.

3.3 試驗(yàn)后期處理

連續(xù)試驗(yàn)完成后，先稱重，再拍電鏡照片、打能譜；然后分析處理試驗(yàn)系統(tǒng)獲取的接觸電阻等電弧特性參數(shù).

表1 Ag／SnO2材料的編號(hào)及牌號(hào)

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 8種Ag／SnO2材料的抗電弧侵蝕性

觸頭材料抗電弧侵蝕性能取決于觸頭材料的質(zhì)量變化［6］.試驗(yàn)用8種 Ag／SnO2動(dòng)觸頭（陽(yáng)極）、靜觸頭（陰極）的平均質(zhì)量（含觸頭支架質(zhì)量）以及動(dòng)靜觸頭總損失率數(shù)據(jù)如表2所示.表中，數(shù)據(jù)前的正號(hào)表示質(zhì)量增加、負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)質(zhì)量減少.

表2 直流14V、10A、45，000次連續(xù)通斷試驗(yàn)后Ag／SnO2試驗(yàn)材料的質(zhì)量變化及總損失率

分析表2相關(guān)數(shù)據(jù)，可知：

（1）盡管對(duì)稱性配對(duì)的動(dòng)觸頭（陽(yáng)極）材料發(fā)生轉(zhuǎn)移后，使2＃、3＃和8＃的靜觸頭（陰極）質(zhì)量出現(xiàn)了增加，但8種Ag／SnO2觸頭經(jīng)45，000次連續(xù)通斷試驗(yàn)后，材料各自總的質(zhì)量均出現(xiàn)不同程度地減少.由數(shù)據(jù)可見(jiàn)，化學(xué)法制備8＃的抗侵蝕性最好，而霧化法制備的3＃材料最差.

（2）分析表2中總損失率的大小關(guān)系可見(jiàn)，動(dòng)靜觸頭材料所用“添加劑（制備工藝）”按總損失率由小到大排列，依次為：CuO（化學(xué)法）→CuO（混粉法）→CuO＋I(xiàn)n2O3（化學(xué)法）→WO3（混粉法）→CuO＋Bi2O3（混粉法），CuO ＋I(xiàn)n2O3（化學(xué)法）→CuO ＋Bi2O3（霧化法）→CuO ＋I(xiàn)n2O3（霧化法）.可見(jiàn)CuO（化學(xué)法）是抗侵蝕性最佳的“添加劑（制備工藝）”.

（3）添加CuO的7＃材料的總損失率值很低，僅為同樣制備工藝、添加CuO與Bi2O3的6＃的22%，且動(dòng)靜觸頭質(zhì)量變化和總損失率亦很小，故其具有很強(qiáng)的抗電侵蝕性能.

4.2 電接觸性能

觸頭材料電接觸物理現(xiàn)象包括接觸電阻、燃弧能量等［1］.本文用ASTM觸頭模擬動(dòng)作與電性能測(cè)試系統(tǒng)獲得了直流14V、10A、燈負(fù)載條件下，45，000次連續(xù)通斷試驗(yàn)后，8種Ag／SnO2材料的“燃弧能量、熔焊力、燃弧時(shí)間、觸頭溫度和接觸電阻”等數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3所示（說(shuō)明：各數(shù)據(jù)均指平均值）.

表3 直流14V、10A、連續(xù)45，000次試驗(yàn)后Ag／SnO2試驗(yàn)材料的電接觸性能參數(shù)

將表3數(shù)據(jù)，結(jié)合測(cè)得的8種Ag／SnO2材料電弧特征參數(shù)變化波形（因篇幅有限，略），可知：

（1）在相同制備工藝下，添加劑對(duì)燃弧能量值的影響不盡相同，如混粉法的1＃和6＃差異很大，霧化法則近乎相同.此外，SnO2含量的變化對(duì)電弧能量影響較小，如化學(xué)法制備的2＃與5＃.

（2）熔焊力受材料制備工藝影響較大.值最大的是用霧化法制備、添加CuO和In2O3的3＃，而值較小的是用化學(xué)法制備的2＃和5＃，其燒蝕表面存在大面積熔融的液銀是主要原因.制備工藝按熔焊力由大到小順序排列，為：化學(xué)法→混粉法→霧化法.

（3）燃弧時(shí)間最短的是混粉法制備、添加 WO3的1＃，添加CuO的7＃值亦很小，這都表明它們所受電弧侵蝕均較少.

（4）接觸電阻值最小的，是用化學(xué)法制備、添加CuO的8＃和混粉法制備、添加CuO的7＃，原因是其表面因液銀飛濺，使觸頭表面產(chǎn)生了大量孔洞.用化學(xué)法制備、添加CuO與In2O3的5＃接觸電阻很高（是8＃的近24倍），且其燃弧時(shí)間長(zhǎng)、觸頭溫度較高.

5 表面形貌分析

用SEM觀測(cè)的直流14V、10A、連續(xù)通斷45，000次后的1＃至8＃動(dòng)、靜觸頭的表面形貌如表4所示.觀察表4可見(jiàn)，8種Ag／SnO2觸頭材料經(jīng)長(zhǎng)期連續(xù)試驗(yàn)后，觸頭表面出現(xiàn)了諸如氣孔、富銀區(qū)、SnO2聚集區(qū)、裂紋等形貌.其中：

（1）在用混粉法制備的三種材料中，添加 WO3的1＃的靜觸頭（陰極）表面出現(xiàn)了明顯的旋流痕跡，動(dòng)觸頭（陽(yáng)極）表面留下了噴濺后的干涸燒蝕區(qū)，燒蝕較嚴(yán)重.對(duì)比其他7種材料的燒蝕表面積，可知其動(dòng)、靜觸頭的燒蝕面積是其所有材料中最小的，原因與鎢骨架的高熔點(diǎn)有關(guān)，其致使材料表面熔融金屬減少；在添加CuO與Bi2O3的6＃和添加CuO的7＃的靜觸頭表面均出現(xiàn)了丘陵?duì)钊廴诒砻嫘蚊?，此形貌有利于全面改善材料電接觸性能，抑制觸頭材料表面溫升上升、降低接觸電阻，使SnO2能均勻懸浮于液銀中，從而保證分散體系粘性、提高抗電弧噴濺的能力.

（2）在用化學(xué)法制備的三種材料中，添加CuO與In2O3的2＃動(dòng)、靜觸頭表面均出現(xiàn)了大量液滴和漿糊狀溢出物，伴有少量坑洞，這些形貌表明此觸頭材料的表面潤(rùn)濕性好.

在添加CuO與In2O3的5＃的動(dòng)觸頭表面，因強(qiáng)烈噴濺作用，形成了一個(gè)盆形大坑，出現(xiàn)了本試驗(yàn)唯一的全滿溢現(xiàn)象.結(jié)合表2可知，其動(dòng)觸頭材料的損失大.

在8＃動(dòng)、靜觸頭的表面，局部都出現(xiàn)一些孔洞或噴濺燒蝕坑.其中，動(dòng)觸頭（陽(yáng)極）燒損區(qū)邊沿因噴濺燒蝕出現(xiàn)了坍塌，形成大量球形小顆粒；整體表面呈現(xiàn)熔融狀.結(jié)合表2數(shù)據(jù)可知，8＃觸頭材料的質(zhì)量損失最少，說(shuō)明CuO作為添加劑對(duì)提高其抗侵蝕性能幫助很大.

（3）在用霧化法制備、添加CuO與In2O3的3＃靜觸頭（陰極）表面，呈現(xiàn)大面積熔融區(qū)及極少量的液球；在動(dòng)觸頭（陽(yáng)極）表面出現(xiàn)波浪形、層疊的片狀熔融金屬以及小液滴.

在添加CuO和Bi2O3的4＃動(dòng)觸頭（陽(yáng)極）整體表面出現(xiàn)部分滿溢現(xiàn)象；靜觸頭（陰極）呈現(xiàn)表面干涸的燒蝕區(qū)，局部有燒蝕孔洞；局部放大后的靜觸頭（陰極）表面呈丘陵?duì)钊廴趨^(qū)，因潤(rùn)濕性強(qiáng)而無(wú)孔洞.

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6 能譜分析

用JSM6460LV掃描電鏡和EDAX能譜儀獲取的8種Ag／SnO2觸頭材料部分特殊點(diǎn)的能譜如表5所示，分析如下.

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（1）觀察用混粉法制備、添加WO3的1＃靜觸頭（陰極）表面的質(zhì)量百分比（圖1）發(fā)現(xiàn)，A、B兩點(diǎn)5種元素的含量很接近，這表明此觸頭材料表面的潤(rùn)滑作用良好.由1＃動(dòng)觸頭（陽(yáng)極）的能譜（圖2）可見(jiàn)，A處較B處銀的含量多、錫含量少，但相差不大.

由添加CuO和Bi2O3的6＃靜觸頭（陰極）質(zhì)量百分比（圖3）可見(jiàn)，銀的含量，A處60%、B處30%；錫的含量，B處55%、A處25%，表明，1＃觸頭的侵蝕由液滴噴濺引起.

由添加CuO的7＃質(zhì)量百分比（圖5）可見(jiàn)，靜觸頭（陰極）上燒蝕孔孔壁處銀燒蝕較多，而其動(dòng)觸頭在試驗(yàn)前后，因表面受電弧侵蝕較少而變化很小.

（2）由化學(xué)法制備、添加CuO與In2O3的2＃動(dòng)觸頭（陽(yáng)極）質(zhì)量百分比（圖6）可見(jiàn)，表面三個(gè)特殊點(diǎn)的材料組分變化明顯，如B處銀達(dá)40%（A、C處63%和56%），錫僅43%（A、C處23%和30%）.

由添加CuO的8＃的動(dòng)觸頭（陽(yáng)極）的質(zhì)量百分比（圖10）可知，A處與B處銀分別為47%和78%，錫為38%與14%.

（3）霧化法制備的3＃和4＃兩種Ag／SnO2觸頭材料表面潤(rùn)濕性好，有大片的熔融區(qū)，抗熔焊性較低，但抗電弧噴濺能力較強(qiáng).添加CuO與In2O3的3＃靜觸頭（陰極）亦因試驗(yàn)前后觸頭表面電弧侵蝕很少，其能譜數(shù)據(jù)為試驗(yàn)起始時(shí)觸頭材料的能譜.在動(dòng)觸頭（陽(yáng)極）質(zhì)量百分比（圖12）中，A處與B處銀分別為85%和75%，錫為70%與52%.

在添加CuO和Bi2O3的4＃靜觸頭（陰極）質(zhì)量百分比（圖13）中，A處與B處銀分別為46%和58%，錫為42%與27%.在動(dòng)觸頭（陽(yáng)極）A的質(zhì)量百分比（圖14）中，銀42%，錫35%，B點(diǎn)的銀85%，錫5%.數(shù)據(jù)顯示，添加物CuO與In2O3可起到緩解電弧燒損的作用.

7 結(jié)束語(yǔ)

研究利用混粉法、化學(xué)法和霧化法制備工藝，添加 WO3、Bi2O3、CuO 與In2O3后的8種 Ag／SnO2觸頭材料的電接觸特性參數(shù)、表面相貌和特殊點(diǎn)微區(qū)組分后發(fā)現(xiàn)，合適的工藝方法和添加劑有利于提高液銀對(duì)觸頭表面的潤(rùn)濕作用，能促進(jìn)SnO2顆粒在液銀中的均勻分布，充分發(fā)揮Ag／SnO2基觸頭材料良好的抗電弧噴濺侵蝕能力.

對(duì)比分析以上8種Ag／SnO2觸頭材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可見(jiàn)用混粉法制備、添加CuO的7＃觸頭材料的抗電弧侵蝕和抗熔焊性能最好，達(dá)到了使用添加劑改善Ag／SnO2材料性能的目的.

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