添加稀土氧化物對 電接觸材料抗熔焊性能的影響

朱艷彩，王景芹，安立強，王海濤

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電磁場和電器可靠性省部共建重點實驗室，天津 300130；2.河北建工集團(tuán)，河北 石家莊 050000）

0 引言

早在1939年，F(xiàn).RHensel率先開發(fā)了具有低且穩(wěn)定的接觸電阻和抗熔焊性能的Ag/CdO電接觸材料，并在電子電器設(shè)備中廣泛應(yīng)用[1-3]．2003年歐盟頒布RoHS指令和WEEE指令限制電子電器設(shè)備中使用Cd等有害物質(zhì)[4-5]．因此，尋求替代Ag/CdO的無毒、環(huán)保高性能觸頭材料已成為國內(nèi)外電器領(lǐng)域研究的熱點．從環(huán)境保護(hù)和人類健康角度出發(fā)，Ag/SnO2是近年發(fā)展較快的一種新型無毒電接觸材料[6-13]．但是，Ag/SnO2材料在AC3條件下的抗熔焊性能差的缺點限制了Ag/SnO2觸頭材料的制造和推廣應(yīng)用[14-18]．

我國有大中型電器生產(chǎn)廠家一千多個，其中常熟開關(guān)制造有限公司、常熟富士電機有限公司、廈門宏發(fā)電器有限公司以及天津百利電氣有限公司等是我國電器行業(yè)的重要大型企業(yè)．但是，目前上述某些生產(chǎn)廠家還在應(yīng)用Ag/CdO材料作為接觸器觸頭材料，部分合資企業(yè)應(yīng)用從國外進(jìn)口的Ag/SnO2-In2O3材料作為接觸器的觸頭材料[19-21]．

因此，研究一種新型環(huán)保的納米Ag/SnO2電觸頭材料，使其抗熔焊性能等方面優(yōu)于現(xiàn)有的Ag/CdO和Ag/SnO2材料，達(dá)到提高電器產(chǎn)品的工作性能、提高我國電器產(chǎn)品的市場競爭力以及環(huán)境保護(hù)的作用具有十分現(xiàn)實的意義．

1 試驗條件

采用溶膠-凝膠工藝和粉末冶金工藝制備了Ag/SnO2、Ag/SnO2-La2O3和Ag/SnO2-Ce2O3三種電接觸材料，按照天津百利TJ40系列交流接觸器觸頭規(guī)格加工成型并焊接至觸橋上，將觸橋安裝到型號為TJ40-40的接觸器上，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB14048.4-2010：《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第4-1部分：接觸器和電動機起動器機電式接觸器和電動機起動器（含電動機保護(hù)器）》要求在“天津市質(zhì)量監(jiān)督檢驗站第十三站”進(jìn)行AC3條件下的額定接通和分?jǐn)嘣囼灒囼灄l件如表1所示[22]．

表1 接通和分?jǐn)嘣囼灄l件Tab.1 Connecting and breaking test conditions

試驗結(jié)束后，從接觸器中取出觸頭，采用HitachiS-4800冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察觸頭表面形貌和分布并采用EDS(Engery dipersivespectrometer)測定微區(qū)成分．

為了更深入地研究稀土氧化物對電觸頭材料抗熔焊性能的影響，將研制的電觸頭材料加工成鉚釘型觸頭，并與支架鉚接，用超聲波清洗觸頭及支架，晾干，采用JF04C電接觸觸點材料測試儀對影響觸頭材料抗熔焊性能的電弧參數(shù)如燃弧時間、燃弧能量、熔焊力進(jìn)行測試，測試條件如表2所示．

表2 觸頭材料電弧參數(shù)測試條件Tab.2 Arc parameters test conditions of contact materials

觸頭每動作100次測量一次接觸電阻，20 000次試驗結(jié)束后，對獲取的電弧參數(shù)進(jìn)行處理和分析．

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 微觀形貌及微區(qū)成分分析

2.1.1 Ag/SnO2

試樣Ag/SnO2觸頭材料的微觀形貌和微區(qū)成分照片如圖1～2所示．

圖1 試樣Ag/SnO2的微觀形貌SEMFig.1 SEM microstructureof Ag/SnO2

圖2 圖1C試樣表面成分EDS分析Fig.2 EDSanalysisof thepink frame(Fig.1C)

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，未加入稀土氧化物的Ag/SnO2試樣熔焊表面大部分區(qū)域由凸起和凹坑組成，并分布著近似球形、尺寸大小不一的顆粒，顆粒之間有許多漿糊狀尖峰，局部有塊狀龜裂，抗熔焊性能較差．這是由于在電弧作用下，觸頭表面大量的銀變成熔融銀，形成銀的熔池，在溫度降下來之后，這些熔融的銀就在材料的表面形成Ag富集區(qū)．熔化的銀在電弧和機械力的驅(qū)動下產(chǎn)生流動和噴濺，造成材料損耗，降低觸點材料的電壽命．

從圖2可以看出，圖1中的較大凸起主要由Ag、Sn、C和O等元素組成，而且Ag、C和O所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比重較大．由此可見，觸頭熔焊表面的較大凸起是由熔融銀飛濺造成的．

2.1.2 Ag/SnO2-La2O3

試樣Ag/SnO2-La2O3觸頭材料的微觀形貌和微區(qū)成分如圖3～4所示．

圖3 試樣Ag/SnO2-La2O3的微觀形貌SEMFig.3 SEM microstructureof Ag/SnO2-La2O3

圖4 圖3B試樣表面成分EDS分析Fig.4 EDSanalysisof theblueframe(Fig.3B)

從圖3可以看出，加入稀土元素La的Ag/SnO2-La2O3試樣熔焊表面比較平坦，較大的凸起較少．這是因為在試樣熔焊過程中，La2O3不易分解，懸浮在銀熔池表面形成一層保護(hù)膜，熔化后的銀液滴沒有飛濺出去，而是均勻地向四周平鋪．

從圖4可以看出，圖3中的較大凸起主要由Ag、Sn、La、C和O等元素組成，但是Ag所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)相對較少，而La的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)相對較大．由此可見，添加的稀土元素La被氧化生成的La2O3懸浮于熔融銀表面，阻止銀液的飛濺侵蝕．

2.1.3 Ag/SnO2-Ce2O3

Ag/SnO2-Ce2O3材料的電接觸觸頭抗熔焊形貌和微區(qū)成分如圖5～6所示．

從圖5可以看出，加入稀土元素Ce的Ag/SnO2-Ce2O3試樣熔焊表面比較平坦，沒有明顯的較大凸起．這是因為稀土元素Ce與O結(jié)合生成Ce2O3，降低了材料的電子逸出功，提高合金的電子發(fā)射能力，使兩極間的電弧更為穩(wěn)定．另外，Ce與S、C等雜質(zhì)元素結(jié)合生成化合物，如果該化合物的熔點高于金屬銀的熔點，化合物則上浮成渣，懸浮或彌散分布在熔融體中，在凝固過程中形成異質(zhì)晶核，阻止晶粒長大，使晶粒細(xì)化，進(jìn)而提高了合金的抗熔焊能力．

從圖6可以看出，圖5中的較大凸起主要由Ag、Sn、Ce、C和O等元素組成，但是C和O所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)相對較少，而其它元素所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)相對較大．這是因為Ag/SnO2-Ce2O3合金中常含有O、S、Pb、C等雜質(zhì)元素，這些元素常常沿晶界呈網(wǎng)狀分布，增加了合金的熱脆性．稀土元素Ce極易同這些雜質(zhì)形成熔點高、比重輕的化合物，改變了雜質(zhì)的形態(tài)，使雜質(zhì)球化，降低了雜質(zhì)的危害性．

2.2 電弧參數(shù)分析

圖7～9分別為本研究制備的含不同稀土氧化物的納米Ag/SnO2在設(shè)定的實驗條件下進(jìn)行20 000次電接觸后的燃弧時間、燃弧能量及熔焊力和動作次數(shù)之間的關(guān)系曲線圖．

由圖7～9可以看出：

1）在觸點斷開時，添加劑為 La2O3和Ce2O3的納米 Ag/SnO2觸點燃弧時間較短，隨動作次數(shù)增加，燃弧時間在3.0～4.5 ms之間變化，且變化比較平穩(wěn)．這是因為添加La2O3和Ce2O3的納米Ag/SnO2觸頭材料在初始幾次燃弧時，電弧正常燃燒，隨后由于La2O3和Ce2O3的熔點高，不易分解，添加的金屬氧化物將會在觸頭表面聚集，減小電弧對觸頭的燒蝕，因此燃弧時間比較穩(wěn)定．而不含添加劑的納米 Ag/SnO2觸點的最大燃弧時間較長，約為6.1 ms，且隨動作次數(shù)的增加，燃弧時間不穩(wěn)定，變化幅度較大．這是因為，開始燃弧時，觸點表面破壞很小，因此電弧持續(xù)時間在初始幾次燃弧時最短．隨著燃弧次數(shù)的增多，產(chǎn)生大量的焦耳熱，觸頭表面溫度上升，觸頭被燒蝕后性能變差，導(dǎo)致燃弧時間變長．

2）在觸點斷開時，燃弧能量的變化和燃弧時間的變化趨于一致．這是因為在相同的電流電壓下，燃弧時間的長短決定燃弧能量的大小．添加不同添加劑的材料，試驗中所產(chǎn)生的電弧能量是不相同的，添加劑為La2O3和Ce2O3的納米Ag/SnO2觸點的燃弧能量值在260～310mJ之間變化；不含添加劑的納米Ag/SnO2觸點的最大燃弧能量為450 mJ，且不穩(wěn)定．

圖5 試樣Ag/SnO2-Ce2O3的微觀形貌SEMFig.5 SEM microstructureof Ag/SnO2-Ce2O3

圖6 圖5B試樣表面成分EDS分析Fig.6 EDSanalysisof theblueframe(Fig.5B)

圖7 斷開時燃弧時間和動作次數(shù)之間的關(guān)系曲線圖Fig.7 Thecurveof electrical arc timeand test number

圖8 斷開時燃弧能量和動作次數(shù)之間的關(guān)系曲線圖Fig.8 Thecurveof electrical arc energy and test number

圖9 斷開時熔焊力和動作次數(shù)之間的關(guān)系曲線圖Fig.9 Thecurveof puddlewelding force and test number

3）添加La2O3和Ce2O3的納米Ag/SnO2觸頭材料的熔焊力曲線波動小，且數(shù)值較低．不含添加劑的納米Ag/SnO2的觸頭材料的熔焊力曲線波動較大，且數(shù)值較高．對比圖8和圖9可知，斷開燃弧能量大的觸點在斷開時的熔焊力就越大．這是由于較高的燃弧能量值導(dǎo)致觸頭熔焊面積增大，熔焊力增大，當(dāng)觸頭帶動的彈簧不能滿足熔焊力時，就會導(dǎo)致接觸器的損壞，降低了接觸器的工作性能和使用壽命．

由此可得出：在電弧作用下La2O3和Ce2O3可以使弧根穩(wěn)定，抑制了弧根斑點的移動，導(dǎo)致燃弧能量變化相對穩(wěn)定．這是因為添加的稀土氧化物L(fēng)a2O3和Ce2O3很容易失去最外層電子而成為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，可降低觸頭表面的電子逸出功，使電弧弧根斑點增大，降低了觸頭燃弧區(qū)單位面積上的熱流密度，進(jìn)而減少了觸頭材料的燒蝕．這也是添加La2O3和Ce2O3后提高觸頭的抗熔焊性能和降低接觸電阻的重要原因．

3 結(jié)論

采用溶膠-凝膠和粉末冶金工藝制備了分別添加稀土氧化物L(fēng)a2O3和Ce2O3的Ag/SnO2電接觸材料，通過電接觸性能試驗設(shè)備，結(jié)合微觀分析手段，研究了稀土氧化物對Ag/SnO2復(fù)合材料抗熔焊性能的影響．結(jié)果表明：稀土氧化物的加入降低了影響電接觸材料抗熔焊性能的電弧參數(shù)，而且使觸頭熔焊表面變得比較平坦，說明稀土氧化物提高了材料的抗噴濺能力，從而提高了Ag/SnO2電接觸材料的抗熔焊性．

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