W-30Cu電接觸材料直流電接觸行為

萬(wàn) 成，李繼文， 3，王 展，馬竇琴，張會(huì)杰，魏世忠，張國(guó)賞， 3，徐流杰

（1. 河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，洛陽(yáng) 471023；2. 河南科技大學(xué) 河南省耐磨材料工程技術(shù)研究中心，洛陽(yáng) 471003；3. 河南科技大學(xué) 河南省有色金屬共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，洛陽(yáng) 471023）

W-30Cu電接觸材料直流電接觸行為

萬(wàn) 成1，李繼文1， 3，王 展1，馬竇琴1，張會(huì)杰1，魏世忠2，張國(guó)賞1， 3，徐流杰2

（1. 河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，洛陽(yáng) 471023；
2. 河南科技大學(xué) 河南省耐磨材料工程技術(shù)研究中心，洛陽(yáng) 471003；
3. 河南科技大學(xué) 河南省有色金屬共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，洛陽(yáng) 471023）

采用水熱-共還原法制備W-30Cu（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）納米復(fù)合粉末，并通過(guò)冷壓制坯、真空燒結(jié)和包覆熱擠壓的工藝制備出納米W-30Cu電接觸材料，經(jīng)擠壓后致密度達(dá)到98.82%，硬度和導(dǎo)電率分別為224HB和44%IACS。利用 JF04C型電接觸試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行不同操作次數(shù)的電接觸性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，利用掃描電鏡（SEM）、能譜（EDS）等方法分析電弧侵蝕后觸頭表面微觀形貌和元素分布，探討材料在直流電弧下的轉(zhuǎn)移機(jī)理。結(jié)果表明：直流電弧引起陽(yáng)極材料轉(zhuǎn)移，Cu相向陰極轉(zhuǎn)移并在陰極沉積；材料轉(zhuǎn)移引起富Cu區(qū)和富W區(qū)的存在，同時(shí)產(chǎn)生孔洞、裂紋、珊瑚狀結(jié)構(gòu)等多種電弧侵蝕形貌。接觸電阻介于0.60～0.73 mΩ，W-30Cu電接觸材料表現(xiàn)出良好的綜合電性能。

水熱法；W-Cu電接觸材料；直流電??；電弧侵蝕

電路開(kāi)關(guān)、電器開(kāi)關(guān)等是開(kāi)關(guān)電器中直接承擔(dān)接通和分段電路的元件，其材料性能的好壞對(duì)開(kāi)關(guān)壽命有決定性影響。理想的電觸頭材料需滿足電阻率低、熱導(dǎo)率高、熔點(diǎn)和沸點(diǎn)高、融化熱和升華熱高、熱穩(wěn)定性好、熱容量大、蒸汽壓低、起弧最低電流和電壓高等要求，以達(dá)到耐電弧燒蝕的目的。同時(shí)，其力學(xué)性能還要保證高的室溫及高溫強(qiáng)韌性，有利于加工［1-4］。傳統(tǒng)的電接觸材料多采用銀金屬氧化物（AgMeO）［5］。有研究發(fā)現(xiàn)［6-7］，雖然AgMeO電接觸材料有良好的耐電弧侵蝕性和抗熔焊性，但是有毒的Cd元素使得其應(yīng)用得到限制；而 AgSnO2電接觸材料則由于其較大的接觸電阻而影響其使用性能。W-Cu電接觸材料則兼具W的抗電蝕性、抗熔焊性和Cu的高導(dǎo)電率等優(yōu)點(diǎn)得以迅速發(fā)展，同時(shí) Cu在高溫電弧下蒸發(fā)時(shí)可吸收大量的電弧能量，可有效地降低電弧溫度，起到降低電弧侵蝕作用［8-11］。但是由于W、Cu之間潤(rùn)濕角極小，通過(guò)傳統(tǒng)的熔滲粉末冶金方法難以制備出符合要求的W-Cu電接觸材料［12-14］。

GERMAN［15］的研究表明，電接觸材料的電接觸性能特別是材料的抗電弧燒蝕性能與材料的致密度和材料成分分布的均勻性有很大關(guān)系。MORDIKE等［16］和陳文革等［17］的研究也表明，納米W-Cu復(fù)合粉末制備出的W-Cu電接觸材料具有良好的抗燒蝕性能。而采用水熱法可以制備出超細(xì)及納米級(jí)的 W-Cu復(fù)合粉末，有利于制備出高致密的電接觸材料，改善電接觸材料的力學(xué)性能和電接觸性能。本文作者采用水熱-共還原法制備出納米W-30Cu復(fù)合粉末，經(jīng)冷壓、真空燒結(jié)聯(lián)合包套熱擠壓工藝制備出高致密的 W-30Cu電接觸材料，在直流條件下進(jìn)行不同操作次數(shù)的電接觸實(shí)驗(yàn)，探討W-30Cu電接觸材料在直流條件下的材料轉(zhuǎn)移機(jī)制以及電弧形貌特征。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 鎢銅復(fù)合粉末的制備

以工業(yè)鎢酸鈉和硝酸銅為原料，按W和Cu質(zhì)量比7：3計(jì)算配料并分別配成溶液，將一定量的氨水加入硝酸銅溶液中，再將上述溶液混合并調(diào)節(jié)pH為5.5，放進(jìn)高壓反應(yīng)釜進(jìn)行水熱反應(yīng)。反應(yīng)時(shí)間為25 h，反應(yīng)溫度為180 ℃。將前驅(qū)粉體經(jīng)抽濾、洗滌和干燥后，500 ℃焙燒2 h 除去水分及雜質(zhì)元素，然后在推桿式還原爐中于800 ℃下反應(yīng)90 min即可獲得W-Cu復(fù)合粉末。還原介質(zhì)為H2/N2。

1.2 包套擠壓工藝

將水熱-共還原法制備的W-30Cu復(fù)合粉末在280 MPa壓力下冷等靜壓，保壓 30 min獲得冷壓坯；（1050 ℃， 1.5 h）保溫真空燒結(jié)預(yù)致密化；預(yù)致密化壓坯包45號(hào)鋼套進(jìn)行熱擠壓，鋼套內(nèi)徑35 mm，壁厚5.5 mm，孔隙部分用剛玉粉填充，加熱溫度1050 ℃，保溫30 min，擠壓速率10 mm/s，擠壓比為7.72。

1.3 性能與組織表征

采用阿基米德原理測(cè)定合金密度；采用FD101型數(shù)字便攜式渦流電導(dǎo)率儀測(cè)試導(dǎo)電率；布氏硬度采用THB-3000E型電子布氏硬度計(jì)測(cè)量。

在JF04C型觸電試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行特定直流、阻性負(fù)載燃弧測(cè)試。電源電壓48 V，電流20 A，觸電間距1 mm，閉合壓力0.6 N，接觸頻率為60次/min，操作方式為分?jǐn)?閉合，接觸次數(shù)：500次、1000次、2000次、5000次。

采用D8 ADVANCE型XRD分析儀進(jìn)行物相分析；利用鎢燈絲掃描電鏡（TESCAN，VEGA 3 SBH）和高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM，JEM-2100）對(duì)粉末形貌以及材料電弧侵蝕后顯微組織進(jìn)行表征。

2 分析與討論

2.1 納米W-30Cu復(fù)合粉末及電接觸材料性能

圖1所示為水熱共還原法制備的W-30Cu復(fù)合粉體XRD譜。圖1中僅有W、Cu的衍射峰，無(wú)其他雜峰，表明在H2/N2混合氣體氣氛中，在（800 ℃， 60 min）條件下，所有過(guò)程產(chǎn)物已全部還原為W和Cu。

圖2所示為水熱-共還原法制備的W-30Cu復(fù)合粉末的SEM像。由圖2可知，水熱-共還原法制備的復(fù)合粉體粒度細(xì)小、均勻。由 EDS分析可知，顆粒較小的圓球狀結(jié)構(gòu)多為銅，較大的多邊形結(jié)構(gòu)多為鎢。

表1所列為熱擠壓獲得W-30Cu電接觸材料與傳統(tǒng)熔滲法獲得的 W-30Cu電接觸材料相關(guān)性能的對(duì)比。由表1可知，水熱-共還原法制備的W-Cu復(fù)合粉末經(jīng)冷壓制坯、真空燒結(jié)和熱擠壓后獲得的 W-30Cu電接觸材料各項(xiàng)綜合性能都得到極大提高，擠壓法獲得的W-30Cu電接觸材料的致密度達(dá)到98.82%，硬度達(dá)到224HB，導(dǎo)電率提高到44%IACS。

圖1 W-30Cu復(fù)合粉末的XRD譜Fig. 1 XRD pattern of W-Cu composite powders

圖2 W-Cu復(fù)合粉末的SEM像及EDS分析Fig. 2 SEM image（a） and EDS analysis（（b）， （c）） of W-Cu composite powder

表1 熱擠壓與溶滲工藝制備的W-30Cu觸頭材料的性能Table 1 Properties of W-30Cu electrical contact material by hot extrusion and infiltration process

圖 3所示為利用熱擠壓工藝制備的高致密W-30Cu合金顯微組織。由圖 3可以看到，坯料組織細(xì)密，沒(méi)有明顯的孔洞，W、Cu兩相分布均勻，W顆粒均勻分布在Cu基體中。RYU等［19］的研究表明，互不相溶體系內(nèi)，不同顆粒組分（如W-Cu顆粒）之間的結(jié)合界面對(duì)材料的性能影響很大，粉體壓坯的致密化不僅取決于粉末本身的粒度，還取決于粉末混合的均勻程度。由于水熱共還原法制得的W-30Cu復(fù)合粉末顆粒細(xì)小，達(dá)到了納米級(jí)別，粉末活性大，大大增強(qiáng)了W顆粒重排的驅(qū)動(dòng)力（表面張力和毛細(xì)管力）進(jìn)而縮短重排距離［20］。同時(shí)，在熱擠壓保溫過(guò)程中，擠壓溫度在Cu的熔點(diǎn)附近，銅相處于熔融軟化或近液態(tài)，流動(dòng)性良好的Cu相能迅速填充到W-W顆粒之間的孔隙，形成完整的 Cu網(wǎng)絡(luò)，從而有效提高致密化程度和燒結(jié)體組織均勻性。

圖3 熱擠壓所獲得W-30Cu觸頭材料的SEM和TEM像Fig. 3 SEM（a） and TEM（b） images of W-30Cu contact material

2.2 W-30Cu電接觸材料的電接觸行為

2.2.1 W-30Cu電接觸材料的質(zhì)量轉(zhuǎn)移機(jī)制

觸頭材料損耗程度用多次操作后的質(zhì)量改變（Dm）來(lái)衡量。圖4所示為W-30Cu陰、陽(yáng)兩極觸頭在不同工作次數(shù)下的質(zhì)量變化圖。由圖4可知，在48 V、20 A工作條件下，觸頭質(zhì)量隨操作次數(shù)變化的規(guī)律是陽(yáng)極質(zhì)量損失，陰極質(zhì)量增加，操作次數(shù)的變化未引起材料轉(zhuǎn)移方向的變化，材料轉(zhuǎn)移方向均是從陽(yáng)極轉(zhuǎn)向陰極，即觸頭侵蝕是典型的陽(yáng)極型電弧侵蝕。同時(shí)還可發(fā)現(xiàn)，隨著工作次數(shù)的增加，材料轉(zhuǎn)移量越來(lái)越大，陽(yáng)極材料質(zhì)量損失越大，陰極材料質(zhì)量增加越大，但質(zhì)量損失速率逐漸減小，整體質(zhì)量呈現(xiàn)逐漸減少趨勢(shì)。

圖4 W-30Cu觸頭材料陰陽(yáng)兩極質(zhì)量變化Fig. 4 Mass change of W-30Cu contact material

圖5所示為W-30Cu合金觸頭在不同操作次數(shù)下電侵蝕后觸頭表面的三維形貌。由圖5可知，經(jīng)電侵蝕后陽(yáng)極表面均出現(xiàn)凹坑，陰極表面出現(xiàn)凸起；且隨著操作次數(shù)的增加，觸頭表面不平整度增加，陽(yáng)極表面凹坑增大增多，而陰極表面凸起同樣增多增大。由三維形貌圖同樣可以看出，在48 V、20 A條件下，觸頭材料的轉(zhuǎn)移方向是由陽(yáng)極轉(zhuǎn)向陰極。

圖6所示分別為電侵蝕前后觸頭表面的XRD譜，由圖6可看出，經(jīng)電侵蝕后，觸頭表面成分主要由Cu、W和WO3組成。與侵蝕前相比，Cu的衍射峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，表明電弧侵蝕后觸頭表面銅含量增多。同時(shí)發(fā)現(xiàn)陰極Cu的衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陽(yáng)極的，對(duì)侵蝕后的觸頭表面進(jìn)行能譜分析也表明（見(jiàn)圖7），陽(yáng)極表面Cu含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陰極表面Cu含量，表明在侵蝕過(guò)程中主要是Cu相由陽(yáng)極轉(zhuǎn)移到陰極從而引起陽(yáng)極質(zhì)量損失，陰極質(zhì)量增加。這與韓波等［21］的研究相一致。

分析認(rèn)為，在電接觸開(kāi)始階段由于電極表面的微小棱刺和氧化物臟污受到強(qiáng)烈的電子和離子轟擊而快速除去，使得開(kāi)始階段質(zhì)量損失較快，同時(shí)低熔點(diǎn)的Cu相先融化并形成熔池，增強(qiáng)相W顆粒尚未溶解到熔池中使得Cu相噴濺損失較多。隨著操作次數(shù)的增加，W顆粒逐漸溶解在熔池中并形成限制Cu相流動(dòng)的骨架，成為新的接觸面，由于W的高熔點(diǎn)和高抗侵蝕性，減少了材料的質(zhì)量損失，使得材料的耐蝕性增強(qiáng)。

圖5 W-30Cu觸頭在不同操作次數(shù)下材料侵蝕后三維形貌圖Fig. 5 Three dimensional topographies of W-30Cu alloy contact material： （a） Anode， operation times of 1000； （b） Cathode，operation times of 1000； （c） Anode， operation times of 2000； （d） Cathode， operation times of 2000； （e） Anode， operation times of 5000； （f） Cathode， operation times of 5000

2.2.2 W-30Cu觸頭電弧侵蝕后的表面形貌及形成機(jī)制

圖7及表2所示為W-30Cu觸頭材料5000次操作下電弧侵蝕后陽(yáng)極和陰極不同放大倍數(shù)的 SEM形貌及EDS分析。由圖7可以看出，陽(yáng)極表面出現(xiàn)多個(gè)凹坑（見(jiàn)圖 7（a）），而陰極表面相應(yīng)部分則有些微小凸起（見(jiàn)圖7（c）），顏色較暗區(qū)域?yàn)镃u相。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因?yàn)橛|頭接觸過(guò)程中陽(yáng)極因電弧熱作用形成熔池，Cu相通過(guò)汽化或噴濺脫離本體而形成凹坑；而脫離陽(yáng)極Cu相部分在陰極沉積產(chǎn)生微小凸起，對(duì)觸頭表面進(jìn)行能譜分析也表明陰極Cu含量明顯大于陽(yáng)極的。

圖6 W-30Cu觸頭材料電弧侵蝕前后表面XRD譜Fig. 6 XRD patterns of W-30Cu contact material before（a） and after（b） arc erosion

圖7 W-30Cu觸頭材料不同放大倍數(shù)下的侵蝕形貌Fig. 7 Arc erosion morphologies of W-30Cu contact material： （a） Anode， low magnification； （b） Detailed analysis of signed area of Fig. 7（a）； （c） Cathode， low magnification； （d） Detailed analysis of signed area of Fig. 7（c）

陽(yáng)極電弧侵蝕后能譜分析發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)表2），電侵蝕后陽(yáng)極觸頭分布著以區(qū)域2和3為代表的富W區(qū)，區(qū)域1為代表的富Cu區(qū)以及以區(qū)域4為代表的金屬氧化物混合區(qū)域組成。其中富W區(qū)分布著少許孔洞或氣孔，間或存在一些裂紋，而富Cu區(qū)面積則較小。而對(duì)陰極電弧侵蝕后能譜分析則可以看出（見(jiàn)表2），由于陽(yáng)極觸頭表面蒸發(fā)和噴濺后的材料大部分沉積在陰極觸頭表面上，使得陰極觸頭表面形成大量以區(qū)域1為代表性的富Cu區(qū)以及以區(qū)域2和4為代表性的富W區(qū)。與陽(yáng)極觸頭表面形貌相比，陰極表面富銅區(qū)面積顯著增大，Cu含量高，富W區(qū)明顯減小。這是因?yàn)?Cu的熔點(diǎn)低，液化汽化速度更快，更容易轉(zhuǎn)移到陰極觸點(diǎn)表面。

表2 能譜分析數(shù)據(jù)Table 2 EDS analysis of W-30Cu contact material

圖8 5000次操作條件下陰、陽(yáng)兩極富Cu區(qū)的SEM像Fig. 8 SEM images of rich Cu sample at 5000 operation times： （a） Pits of anode， low magnification； （b） Skeleton of Cu， detailed analysis of signed area of Fig. 8（a）； （c） Cu drops of cathode； （d） Cu spreading area of cathode； （e） Cu spreading area

對(duì)陰、陽(yáng)兩極的富Cu區(qū)和富W區(qū)進(jìn)一步分析，還可發(fā)現(xiàn)富Cu區(qū)和富W區(qū)各有不同的形貌特征。富Cu區(qū)形貌一般表現(xiàn)形式為Cu液滴、Cu液鋪展層和骨架狀（見(jiàn)圖8）。陽(yáng)極觸頭侵蝕后的形貌多以凹坑內(nèi)形成的骨架（見(jiàn)圖8（a）和（b））為主。這是因?yàn)樵谳^大電流作用下，陽(yáng)極觸頭材料表面發(fā)生熔化、蒸發(fā)以及液態(tài)金屬的噴濺侵蝕，使觸頭材料表面形成凹坑。凹坑底部的放大圖像，可以看到形成了骨架狀聯(lián)通結(jié)構(gòu)。分析認(rèn)為，大量銅的熔化致使部分鎢相與銅相脫粘、脫落，形成一個(gè)個(gè)近球形的孔洞；而陽(yáng)極熔融的未噴濺銅冷卻后形成疏松的連通骨架。而陰極富 Cu區(qū)形貌主要表現(xiàn)為Cu液滴和因噴濺形成的Cu液鋪展層。在觸點(diǎn)分?jǐn)嚅]合過(guò)程中，由于電弧的熱作用，造成 Cu相的融化，進(jìn)而發(fā)生噴濺。融化的 Cu相在毛細(xì)力的作用下聚集在一起，形成球狀（見(jiàn)圖8（c）），而飛濺的Cu液滴則在觸頭表面形成鋪展層，甚至有些地方因多次噴濺而形成多層Cu溶液鋪展層（見(jiàn)圖8（d））。同時(shí)，在觸頭某些邊緣部位，Cu相由于受熱較少，只軟化熔融聚集在觸頭表面而并未發(fā)生噴濺，形成大片Cu相鋪展區(qū)域（見(jiàn)圖8（e））。

富W區(qū)的表現(xiàn)形式則多為骨架、塊狀以及螺旋狀（見(jiàn)圖9），其中骨架狀結(jié)構(gòu)是材料表面Cu相融化飛濺蒸發(fā)，導(dǎo)致W顆粒聚集在一起并滲入少量Cu液而形成（見(jiàn)圖9（a）和（d））。塊狀富W區(qū)（見(jiàn)圖9（c）和（d）），由EDS分析知為W的氧化物，這是因表面銅相損耗之后，鎢相融化并被氧化重新結(jié)晶所致。螺旋狀凸起（見(jiàn)圖9（e）），這是由于陰、陽(yáng)兩極觸頭在分開(kāi)過(guò)程中液態(tài)鎢的對(duì)觸頭的粘著力所造成的。

在富Cu區(qū)和富W區(qū)形成過(guò)程中，由于各種應(yīng)力的綜合作用，同樣會(huì)形成其他一些特殊形貌，如圖10所示的孔洞、裂紋和珊瑚狀形貌等。

圖9 5000次操作條件下富W區(qū)的SEM像Fig. 9 SEM images of rich W sample at operation times of 5000： （a） W skeleton， low magnification； （b） W skeleton， detailed analysis of signed area of Fig. 9（a）； （c） WOx，low magnification； （d） WOx， detailed analysis of signed area of Fig. 9（c）； （e） W droplets

孔洞的出現(xiàn)是因?yàn)樵陔娀嶙饔孟?，融化的熔融金屬?gòu)耐饨缥沾罅康臍怏w所致。電弧燃弧時(shí)間極短，觸頭表面層弧根處金屬快速融化而溶解大量空氣；但是觸頭周圍溫度較低，引起融化層急劇冷卻，熔池中吸收的空氣來(lái)不及全部排出，在熔池結(jié)晶時(shí)，氣體溶解度減小，氣體從熔池內(nèi)部以氣泡的形式快速上浮，由于表面張力作用氣泡浮到液體表面就破裂，從而在觸頭表面形成氣孔［22］。在某些條件下，特別是電弧能量很大時(shí)，熔池內(nèi)的氣泡會(huì)急劇膨脹并在電弧消失后從熔池內(nèi)爆炸式逸出，同時(shí)高的蒸汽流從弧根處噴出，發(fā)出所謂“噴流”現(xiàn)象［23］。噴流過(guò)程中常伴隨著較大的液滴噴濺，發(fā)生噴流的觸頭表面將留下火山口式的較大的侵蝕凹坑（見(jiàn)圖10（a））。還有一種孔洞為擊穿型孔洞（見(jiàn)圖10（b）），這種孔洞常發(fā)生在Cu溶液鋪展層表面。由圖10（b）可看出，產(chǎn)生擊穿孔洞的地方大都分為雙層，在電弧熱作用下 Cu先發(fā)生軟化，在觸頭表面形成一層薄薄Cu軟化層，當(dāng)電壓高于Cu的擊穿電壓時(shí)，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)擊穿型孔洞。裂紋的形成主要分為兩種，空穴裂紋以及熱應(yīng)力裂紋（Thermal stress crack，TSC）?？昭鸭y的產(chǎn)生是因?yàn)槿鄢刂械臍馀菰诿撾x熔池的時(shí)候在熔池表面形成孔洞，經(jīng)過(guò)多次操作循環(huán)后，這些由氣泡破裂形成的材料空穴最終發(fā)展成裂縫，如圖10（a）中裂紋即為典型的空穴裂紋。空穴裂紋主要產(chǎn)生在陽(yáng)極。熱應(yīng)力裂紋是觸頭材料反復(fù)受到熱脹冷縮的作用下形成的。當(dāng)較大電弧能量作用于觸頭表面時(shí)，材料由于受熱膨脹，產(chǎn)生自電弧弧根指向周圍擴(kuò)散的力；當(dāng)電弧熄滅時(shí)，觸頭材料由于冷卻緊縮又產(chǎn)生從周圍指向弧根部位的收縮力。這種劇烈和重復(fù)的擴(kuò)張與收縮反復(fù)進(jìn)行容易引起觸頭材料的熱疲勞，如果這種擴(kuò)張或者收縮力超過(guò)材料本身的內(nèi)聚力，就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋［23］。熱應(yīng)力裂紋可以產(chǎn)生在晶界或相界，也可以產(chǎn)生在觸頭材料固有缺陷或孔洞聚集部位，如圖10（b）中裂紋即為典型的熱應(yīng)力裂紋。由圖10（b）可以看到，幾條裂紋產(chǎn)生于幾個(gè)擊穿型孔洞之間，孔洞周圍存在明顯的融化和汽化痕跡。在被擊穿過(guò)程中弧根周圍受熱，電弧熄滅后急劇冷卻，在弧跟處反復(fù)受到熱脹冷縮作用從而產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋。

珊瑚狀結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖 10（d））是一類細(xì)小顆粒的聚集體，主要產(chǎn)生在陽(yáng)極表面。珊瑚狀結(jié)構(gòu)的顆粒中的W、O含量都比較高，Cu含量較低。珊瑚狀形貌產(chǎn)生的原因是在電弧作用下，陽(yáng)極觸頭表面材料融化后，隨著溫度升高，W顆粒也逐漸融化，同樣會(huì)以蒸發(fā)形式脫離陽(yáng)極，在快速冷卻時(shí)形成小顆粒又重新沉積在陽(yáng)極，經(jīng)過(guò)多次電弧作用，顆粒逐漸堆積而形成珊瑚狀形貌。

圖10 W-30Cu觸頭的電侵蝕特征形貌Fig. 10 Erosion characteristic morphologies of W-30Cu contact： （a） Pores and cavitation cracks； （b） Pores and TSC； （c） Coral-like structure； （d） Coral-like structure， detailed analysis of signed area of Fig. 10（c）

2.2.3 W-30Cu觸頭電弧侵蝕過(guò)程中接觸電阻變化

圖11所示為W-30Cu觸頭材料電弧侵蝕過(guò)程中平均接觸電阻隨操作次數(shù)的變化規(guī)律。由圖11可知，由本方法制備出的W-30Cu觸頭材料的接觸電阻很小，介于0.60～0.73 mΩ之間，這是因?yàn)樵跀D壓過(guò)程中形成了很好的Cu網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得電阻較低。隨著操作次數(shù)的增加，接觸電阻增大，這是因?yàn)閃-30Cu觸頭材料在電弧熱的作用下表面易形成W和Cu的氧化物，使得觸頭材料導(dǎo)電率降低，接觸電阻變大，由表2能譜分析可知觸頭表明存在W和Cu的氧化物。文獻(xiàn)［21］研究也表明W-Cu觸頭表明經(jīng)電侵蝕后表面存在氧化鎢和鎢酸銅表面膜，因?yàn)楸砻婺ひ话銥榻^緣體或者半導(dǎo)體，當(dāng)觸頭表明存在表面膜時(shí)，使得接觸電阻降低。同時(shí)，觸頭表面由于Cu相的噴濺蒸發(fā)形成富W區(qū)，以及生成的裂紋及孔洞等都會(huì)造成觸頭接觸電阻增大，從而影響觸頭使用壽命。

有研究表明［24-25］，稀土及稀土氧化物能夠降低W-Cu觸頭材料中O等雜質(zhì)和晶界偏析，改善合金內(nèi)Cu相分布，使其分布細(xì)小均勻，避免局部Cu相損失嚴(yán)重，同時(shí)能夠增加Cu相和W相的邊界以及Cu的晶界以達(dá)到分散電弧的目的。楊曉紅等［26］制備出摻雜Y2O3的W-Cu觸頭材料，一方面能夠有效地細(xì)化晶粒，起到良好的細(xì)晶強(qiáng)化作用，同時(shí)彌散分布的Y2O3顆粒起到彌散強(qiáng)化作用，可以有效地增加W-Cu之間的結(jié)合能力；另一方面能有降低Cu相的富集現(xiàn)象。在電弧侵蝕過(guò)程中細(xì)小彌散分布的W顆粒和Y2O3顆?？梢杂行У卦黾尤鄢氐酿ぶΓ瑥亩档虲u相的飛濺，延長(zhǎng)觸頭材料的使用壽命。因此本課題組通過(guò)水熱法制備出納米La2O3摻雜W-Cu復(fù)合粉末［27］，并通過(guò)真空燒結(jié)和熱擠壓制備出高致密度、抗電弧侵蝕能力強(qiáng)的La2O3摻雜W-Cu合金，以期望提高其抗電弧侵蝕能力，具體電弧侵蝕機(jī)理還在進(jìn)一步研究中。

圖11 平均接觸電阻隨操作次數(shù)的變化Fig. 11 Average contact resistance under different test numbers

3 結(jié)論

1） 納米W-30Cu復(fù)合粉末經(jīng)冷壓成型、真空燒結(jié)和包覆擠壓的工藝可得到致密度達(dá)98.82%的W-30Cu電觸頭材料，其導(dǎo)電率為44%IACS，硬度為224HB。

2） 在48 V、20 A條件下，W-30Cu電接觸材料為典型的陽(yáng)極侵蝕型材料，即隨著操作次數(shù)的增加直流電弧引起陽(yáng)極Cu相向陰極轉(zhuǎn)移并在陰極沉積觸頭，使得陽(yáng)極質(zhì)量損失，陰極質(zhì)量增加。

3） W-30Cu觸頭經(jīng)過(guò)電接觸實(shí)驗(yàn)后，觸頭陽(yáng)極表面出現(xiàn)凹坑，陰極表面則出現(xiàn)凸起，觸頭表面出現(xiàn)富W區(qū)、富Cu區(qū)以及孔洞、裂紋等多種特征電侵蝕形貌。

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（編輯 王 超）

Electrical contact behavior of W-30Cu contact material under direct current condition

WAN Cheng1， LI Ji-wen1， 3， WANG Zhan1， MA Dou-qin1， ZHANG Hui-jie1，WEI Shi-zhong2， ZHANG Guo-shang1， 3， XU Liu-jie2
（1. School of Material Science and Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471023， China；
2. Henan Engineering Research Center for Wear of Materials，Henan University of Science and Technology， Luoyang 471003， China；
3. Henan Province Nonferrous Metal Commonness Technology of Collaborative Innovation Center，Henan University of Science and Technology， Luoyang 471023， China）

The W-30Cu electrical contact material was fabricated by cold isostatic pressing process， vacuum sintering and hot extrusion with W-30Cu nanocomposite powder that was prepared by hydrothermal-coreduction method. The relative density can reach 98.82%， the hardness is up to 224HB and conductivity is 44%IACS. In order to search the transformation mechanism of W-30Cu electrical contact material， some contact tests were carried out through JF04C electrical material testing system. Scanning electron microscopy （SEM）， energy dispersive spectrometer （EDS） were employed to observe the microstructure and element distribution in contact surface after arc erosion. The results show that the direct current （DC） arc causes the transferring of anode material and depositing on the cathode surface； the transfer of materials leads to the existing of rich W region and rich Cu region， as well as the generating of the special morphology of pores， cracks and coral-like structure. The W-30Cu electrical contact material has small contact resistance in the range of 0.60-0.73 mΩ， which shows better performance under DC condition.

hydrothermal method； W-30Cu electrical contact material； direct current arc； arc erosion

Project（111100910500） supported by the Key Scientific and Technological Project of Henan Province China； Project（2010A430004） supported by the Education Department of Henan Province Natural science Research Project， China

data： 2015-06-09； Accepted data： 2015-11-20

LI Ji-wen； Tel： +86-13525983980； E-mail： ljwzq@163.com

1004-0609（2016）01-0126-11

TG146.41

A

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（111100910500）；河南省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目（2010A430004）

2015-05-06；

2015-12-03

李繼文，教授，博士；電話：13525983980；E-mail： ljwzq@163.com