高致密細(xì)晶W-25Cu觸頭材料的電接觸性能

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

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高致密細(xì)晶W-25Cu觸頭材料的電接觸性能

萬(wàn) 成1，李繼文1, 3，王 展1，馬竇琴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. 河南省耐磨材料工程技術(shù)研究中心，洛陽(yáng) 471003；3. 河南省有色金屬共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，洛陽(yáng) 471023)

由水熱?共還原法制備出的原位共生W-25Cu復(fù)合粉末，經(jīng)冷等靜壓、真空熱壓聯(lián)合包套擠壓工藝獲得相對(duì)密度大于98%，導(dǎo)電率為42.7%IACS，硬度為246HB的高致密細(xì)晶W-25Cu電觸頭材料。材料顯微組織中W相和Cu相分布均勻，顆粒細(xì)小(1~3 μm)。在JF04C型電接觸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行電接觸實(shí)驗(yàn)，研究其在直流、阻性負(fù)載條件下的電接觸性能。結(jié)果表明：提高鎢銅合金致密度、細(xì)化晶粒可以減小并穩(wěn)定接觸電阻；燃弧時(shí)間和燃弧能量均隨電壓的增大而增大，分?jǐn)噙^(guò)程燃弧能量和燃弧時(shí)間均小于閉合過(guò)程燃弧時(shí)間和能量。W-25Cu電觸頭材料經(jīng)電侵蝕后，材料表面主要由Cu、W和WO3三相組成。電接觸過(guò)程中發(fā)生的材料轉(zhuǎn)移以熔橋轉(zhuǎn)移、電弧轉(zhuǎn)移和噴濺蒸發(fā)等形式為主；隨著電壓的增大，發(fā)生材料轉(zhuǎn)移方向的轉(zhuǎn)變，即由陰極轉(zhuǎn)移變?yōu)殛?yáng)極轉(zhuǎn)移。

高致密；細(xì)晶；接觸電阻；電弧侵蝕；材料轉(zhuǎn)移

電觸頭是斷路器、開(kāi)關(guān)柜、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)的重要部件，擔(dān)負(fù)著接通和分?jǐn)嚯娏鞯娜蝿?wù)，對(duì)開(kāi)關(guān)電器的安全運(yùn)行起著決定性作用，其性能的好壞直接影響著開(kāi)關(guān)電器的開(kāi)斷容量、使用壽命以及運(yùn)行可靠性[1]。

理想的電觸頭材料必須滿(mǎn)足熱導(dǎo)率高、熱穩(wěn)定性好、蒸汽壓低；耐電弧燒蝕、接觸電阻低且穩(wěn)定；強(qiáng)韌性好、硬度高且具備良好的加工性能等[2?3]。在傳統(tǒng)的電接觸材料中，銀由于導(dǎo)熱性導(dǎo)電性以及加工性好，接觸電阻穩(wěn)定，因此銀基金屬氧化物如Ag/CdO和AgSnO2等電接觸材料發(fā)展迅速[4?7]。但隨著各類(lèi)產(chǎn)品向高精度和微型化發(fā)展，對(duì)電接觸元件的性能提出了更高的要求：小而穩(wěn)定的接觸電阻、高的化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨性和抗電弧燒蝕能力等。由于銀基觸頭材料接觸電阻較大，且銀基電接觸材料中含有Cd等毒性元素，使得銀基電接觸材料的應(yīng)用受到限制[8?9]。而W-Cu電接觸材料則兼具W的抗電蝕性、抗熔焊性和Cu的高電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)得以迅速發(fā)展[10?11]。但是由于W、Cu之間的潤(rùn)濕角極小，通過(guò)傳統(tǒng)的溶滲粉末冶金法難以制備出高致密度的的W-Cu電接觸材料，因此通過(guò)制備超細(xì)或者納米粉體來(lái)制備高致密W-Cu復(fù)合材料成為人們研究的重點(diǎn)。如張會(huì)杰等[12]用水熱法制備出了納米級(jí)W-Cu復(fù)合粉末，陳文革等[13]用機(jī)械化合金法制備出致密度為99.5%的納米晶鎢銅電接觸材料，LI等[14]通過(guò)粉末包套熱擠壓工藝成功制備出W-40Cu復(fù)合材料。熱擠壓工藝在較低的溫度就可以獲得高致密W-Cu觸頭材料,同時(shí)能夠抑制晶粒長(zhǎng)大,因此，本文作者采用水熱?共還原法制備了原位共生納米W-25Cu復(fù)合粉末，經(jīng)冷壓成塊、真空燒結(jié)預(yù)成型結(jié)合包套擠壓終致密化工藝制備出了高致密、細(xì)晶W-25Cu電接觸材料，并對(duì)電接觸材料進(jìn)行電接觸性能測(cè)試，研究了電壓、試驗(yàn)次數(shù)等因素對(duì)電接觸材料侵蝕性能的影響，分析了電接觸性能測(cè)試過(guò)程中接觸電阻、燃弧能量和時(shí)間的變化規(guī)律以及電侵蝕后物相變化和材料轉(zhuǎn)移方式等，為原位法制備鎢銅電接觸材料的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

以工業(yè)鎢酸鈉和硝酸銅為原料，按W-25Cu計(jì)算配料并分別配成溶液，將適量的氨水加入硝酸銅溶液中，再將其與鎢酸鈉溶液混合并調(diào)節(jié)pH值為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-25Cu復(fù)合粉末。還原介質(zhì)為H2/N2。

將W-25Cu復(fù)合粉末在280 MPa壓力下冷等靜壓，保壓30 min獲得冷壓坯；將冷壓坯(1050 ℃，1.5 h)保溫真空燒結(jié)預(yù)致密化；然后將坯料包45號(hào)鋼套進(jìn)行熱擠壓，鋼套內(nèi)徑35 mm，壁厚5.5 mm，孔隙部分用石墨粉填充，加熱溫度1050 ℃，保溫30 min，擠壓速率10 mm/s，擠壓比為7.72。

在JF04C型觸電試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行特定直流、阻性負(fù)載燃弧實(shí)驗(yàn)，電接觸所用觸頭尺寸為4 mm×1.5 mm。試驗(yàn)具體參數(shù)：電源電壓18~48 V，電源電流20 A，觸電間距1.0 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，操作次數(shù)為5000次。

采用D8 ADVANCE型X射線(xiàn)衍射分析儀進(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)粉末形貌以及材料顯微組織進(jìn)行表征。觸頭在測(cè)試前后在分析天平(0.1 mg)上稱(chēng)取質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 超細(xì)W-25Cu復(fù)合粉末形貌特征

圖1所示為水熱?共還原法制備的W-25Cu復(fù)合粉末的SEM像。由圖1(a)可知，復(fù)合粉末粒度細(xì)小、均勻。由圖1(b)可知，W相(亮色)和Cu相(暗色)分布均勻，W顆粒尺寸介于400~600 nm，較大的W顆粒則由小顆粒團(tuán)聚而成，同時(shí)可以看出W顆粒多呈現(xiàn)多邊形形貌，而Cu相大都為球狀，表面光滑。

2.2 高致密細(xì)晶W-25Cu觸頭材料的顯微組織及其相關(guān)性能

圖2所示為制備的高致密細(xì)晶W-25Cu觸頭材料顯微組織及斷口形貌。由圖2可知，W-25Cu觸頭材料組織呈現(xiàn)全致密化特征，細(xì)小的W顆粒(白色)幾乎完全被Cu相(灰色)包圍，W、Cu兩相分布均勻，W晶粒細(xì)小，介于1~3 μm之間，沒(méi)有出現(xiàn)熔滲法所特有的偏析現(xiàn)象。斷口呈現(xiàn)典型的韌窩斷口形貌。Cu相形成連續(xù)網(wǎng)狀骨架包圍W顆粒，斷裂過(guò)程中形成許多細(xì)密、彎曲的撕裂棱，斷口韌窩細(xì)小、稠密。

圖1 W-Cu復(fù)合粉末的SEM像

圖2 熱擠壓所獲得W-25Cu電觸頭材料的顯微組織及斷口形貌

研究表明[15?16]，具有Cu網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的W-25Cu電接觸材料為理想的電接觸材料，既發(fā)揮了W顆粒的細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用，又很好的利用了Cu的高導(dǎo)電性，使得制備的W-25Cu電接觸材料具有高硬度、良好的抗機(jī)械和電磨損性能的同時(shí)又具有良好的導(dǎo)電性。JOHNSON等[17]研究也發(fā)現(xiàn)，材料的顯微組織對(duì)其導(dǎo)電性有很大影響，晶粒的細(xì)化可以極大地提高其綜合性能。表1所示為所得到的W-25Cu電接觸材料的物理性能：致密度98.8%，硬度246HB，導(dǎo)電率42.7%IACS。上述性能不僅優(yōu)于羅昊等[18]用熔滲法制備W-25Cu電觸頭材料，同樣優(yōu)于同類(lèi)國(guó)標(biāo)W-Cu觸頭材料的性能[19]，表現(xiàn)出良好的綜合使用性能。

表1 W-25Cu電觸頭材料的性能

采用本工藝得到性能優(yōu)良的W-25Cu電接觸材料，與水熱法制備的原位共生超細(xì)W-25Cu復(fù)合粉體密不可分。由水熱法制備的W-25Cu復(fù)合粉末粒度細(xì)小，W 、Cu兩相分布均勻。粉末細(xì)小，擠壓過(guò)程粉末之間的接觸面積大，表面活性大，擠壓驅(qū)動(dòng)力大，擠壓溫度低，致密化過(guò)程快，制備的材料致密度高，綜合性能好。經(jīng)過(guò)冷等靜壓和真空熱壓燒結(jié)預(yù)成型的擠壓坯致密度已達(dá)到85%左右，在熱擠壓過(guò)程中軟融的Cu相可以很好地填補(bǔ)W、Cu兩相之間的孔隙，使得W-25Cu電接觸材料致密度高。同時(shí)，較低的擠壓溫度(1050℃)又可以很好地抑制W顆粒的長(zhǎng)大，使得材料晶粒細(xì)小。圖3所示為W-Cu電接觸材料的TEM圖片，可看出，細(xì)小W顆粒均勻分布在Cu基體中，極大地增強(qiáng)了材料的硬度、抗磨損等性能，同時(shí)組織內(nèi)含有的大量位錯(cuò)也提高了材料的強(qiáng)度。

2.3 電弧侵蝕過(guò)程接觸電阻變化

圖4所示為操作電流20A/5000次操作條件下接觸電阻隨電壓的變化曲線(xiàn)。由圖可以看出，高致密細(xì)晶W-25Cu觸頭材料接觸電阻很小，介于0.5~0.61 mΩ；同時(shí)還可發(fā)現(xiàn)，電壓的變化對(duì)接觸電阻的影響不大。電壓小于36 V時(shí)接觸電阻幾乎不變，保持在0.4995 mΩ左右；而當(dāng)電壓增加至48V時(shí)，接觸電阻僅增加了0.1054 mΩ。由此表明，提高W-25Cu觸頭材料致密度、細(xì)化晶?？梢越档筒⒎€(wěn)定接觸電阻，避免接觸溫度的大幅度升高，減小觸頭熔焊現(xiàn)象的發(fā)生，在工作過(guò)程中顯示出穩(wěn)定的電接觸性能。

研究表明[20]，影響材料電阻的因素很多，如材料組分、顆粒尺寸及分布、孔隙率、合金化程度等。粉末粒度細(xì)小，燒結(jié)性能越好，孔隙率越小，對(duì)降低復(fù)合材料的接觸電阻越有利；顆粒呈球形，橋接越小，孔隙率也最??；粉末組分元素分布越均勻，材料的接觸電阻越低。用水熱法?共還原法制備的W-25Cu復(fù)合粉末，粒度細(xì)小，W、Cu兩相分布均勻，經(jīng)后續(xù)工藝制備出的電接觸材料成分均勻、致密度高、孔隙率低，形成特殊的Cu網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，這都極大地降低了材料的接觸電阻。同時(shí)，W-25Cu復(fù)合粉末大都成近球形，也使得制備的電接觸材料孔隙率低，接觸電阻低。

圖3 W-25Cu電觸頭材料的TEM像

圖4 接觸電阻與電壓的關(guān)系

2.4 侵蝕過(guò)程燃弧能量及時(shí)間變化

圖5所示為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中W-25Cu觸頭材料在20 A/5000次操作條件下分?jǐn)?、閉合過(guò)程的燃弧能量變化曲線(xiàn)。由圖5可知，無(wú)論是分?jǐn)噙€是閉合過(guò)程，隨著電壓的增大，燃弧能量隨之增大，分?jǐn)噙^(guò)程能量均遠(yuǎn)小于閉合過(guò)程能量。在電壓小于36 V時(shí)，分?jǐn)噙^(guò)程能量值變化比較穩(wěn)定，閉合過(guò)程能量值在工作次數(shù)達(dá)到一定值時(shí)燃弧能量發(fā)生突變，且增大突變節(jié)點(diǎn)由18 V的3500次變?yōu)?4 V的1000次。而當(dāng)電壓大于36 V時(shí)，隨著工作次數(shù)的增加分?jǐn)噙^(guò)程能量值出現(xiàn)突變，能量值減小，且突變節(jié)點(diǎn)由36 V的4000次降到48 V的2500次，而閉合過(guò)程的能量值則減小。

閉合過(guò)程的能量均大于分?jǐn)噙^(guò)程的能量，是因?yàn)樵谟|頭間距逐漸縮小過(guò)程中，接觸初期只發(fā)生幾個(gè)凸起的少數(shù)尖峰上。當(dāng)電流由金屬導(dǎo)體流經(jīng)這些實(shí)際接觸點(diǎn)時(shí)，就會(huì)使得電流密度突然增大，產(chǎn)生較大的沖擊電流，使得瞬時(shí)功率急劇升高，產(chǎn)生的能量也比較大。在觸頭分?jǐn)噙^(guò)程中，隨著觸頭間距的增大，接觸力減小，接觸面積也減小，接觸電阻相應(yīng)增大，在接觸最后分離前的一瞬間，能量集中在最后離開(kāi)的幾個(gè)微小區(qū)域上，使其周?chē)臏囟妊杆偕咧两饘俚姆悬c(diǎn)而引起汽化并引起電弧。同時(shí)發(fā)生觸頭材料的熔融、汽化和噴濺,使得觸頭在分?jǐn)噙^(guò)程中產(chǎn)生的能量大部分以熱能和動(dòng)能的形式散失，造成分?jǐn)噙^(guò)程的能量值遠(yuǎn)小于閉合過(guò)程的能量值。

圖6所示為W-25Cu觸頭材料在20 A/5000次操作條件下分?jǐn)?、閉合過(guò)程中燃弧時(shí)間隨電壓的變化曲線(xiàn)。與燃弧能量的變化規(guī)律一樣，燃弧時(shí)間也是隨著電壓的增大而增大，閉合過(guò)程的燃弧時(shí)間大于分?jǐn)噙^(guò)程的燃弧時(shí)間。在電壓大于36 V時(shí)，分?jǐn)噙^(guò)程燃弧時(shí)間變化較小，閉合過(guò)程燃弧時(shí)間對(duì)著操作次數(shù)的增加出現(xiàn)突變而增大，并且隨著電壓的增大，突變節(jié)點(diǎn)由18 V的3500次降為24 V的1000次。當(dāng)電壓大于36 V時(shí)，分?jǐn)噙^(guò)程隨著操作次數(shù)的增加燃弧時(shí)間發(fā)生突變而減小，突變節(jié)點(diǎn)由36V的4000次變?yōu)?8V的2500次。閉合過(guò)程燃弧時(shí)間隨著操作次數(shù)的增加變化較小。

根據(jù)電弧能量公式可知，ar增加，ar增加，電壓不變或變化很小，則在滅弧能力保持不變的情況下，要熄滅較大能量的電弧，必須增加滅弧時(shí)間。因此燃弧時(shí)間與燃弧能量的變化規(guī)律一致。

式中：ar為燃弧能量，J；ar為燃弧時(shí)間，ms；ar為觸頭間電壓，V；ar為觸頭間電流，A。

2.5 W-25Cu電觸頭材料侵蝕后的物相變化及材料轉(zhuǎn)移

圖7所示為W-25Cu觸頭材料電弧侵蝕前后觸頭材料陽(yáng)極和陰極表面物相變化的XRD譜。可以看出，經(jīng)電弧侵蝕后，觸頭表面物相構(gòu)成除了Cu、W兩相外，又生成了新相WO3，表明W相經(jīng)電弧侵蝕后被氧化，而Cu則沒(méi)有被氧化。由XRD譜深入分析發(fā)現(xiàn)，電弧侵蝕后Cu的衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，表明電弧侵蝕后觸頭表面銅含量增多。圖8及表2所示為電弧侵蝕后陰陽(yáng)極觸頭表面的SEM形貌及EDS分析，由圖可知陰極灰色Cu相區(qū)域多于陽(yáng)極灰色Cu相區(qū)域，由此可知，經(jīng)電弧侵蝕后陰極表面銅含量增加較多。

圖5 觸頭分?jǐn)唷㈤]合條件下燃弧能量與電壓的關(guān)系

圖6 觸頭分?jǐn)?、閉合條件下燃弧時(shí)間與電壓的關(guān)系

圖7 W-25Cu觸頭材料電弧侵蝕前后表面XRD譜

分析認(rèn)為，由于W的熔點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Cu的熔點(diǎn)，電弧熱產(chǎn)生的高溫使得觸頭表面的Cu相率先融化并鋪展在觸頭表面，使得觸頭表面的Cu含量明顯高于W含量。同時(shí)，隨著接觸次數(shù)的增加，陽(yáng)極熱量逐步增加，使得陽(yáng)極表面融化并形成熔池，熔池中的金屬Cu在熱場(chǎng)、電子轟擊力和電場(chǎng)力共同作用下發(fā)生氣化和噴濺，產(chǎn)生大量的Cu液滴和蒸汽。韓波等[21]認(rèn)為，Cu在發(fā)生汽化和噴濺時(shí)脫離本體的速度方向具有分散性，一部分沉積在陰極；而進(jìn)入陰陽(yáng)極之間的Cu液滴在高溫作用下很快會(huì)被氣化成原子態(tài)的高溫蒸汽，蒸汽在電弧中電子的碰撞下部分蒸汽會(huì)電離成離子，在電場(chǎng)力的作用下向陰極移動(dòng)，使得陰極表面的Cu含量明顯多于陽(yáng)極。

表2 能譜分析數(shù)據(jù)

圖8中觸頭表面形貌較為平整，沒(méi)有明顯的裂紋及孔洞，也沒(méi)有明顯的大塊凸起或者凹坑，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)制備的高致密度細(xì)晶W-25Cu電接觸材料有良好的抗侵蝕性能。W-25Cu電接觸材料中的W、Cu兩相的原子比接近于1:1，使材料具有很好的導(dǎo)熱性，在電弧高溫下材料表面降溫較快，熔融部分可以較快凝固，同時(shí)彌散W顆粒發(fā)揮增強(qiáng)相作用，減少了材料的飛濺。而Cu網(wǎng)絡(luò)的存在使得材料具有良好的導(dǎo)電性，避免產(chǎn)生較多的焦耳熱，同樣降低了材料的因噴濺和蒸發(fā)而造成的損失。

圖9所示為W-25Cu觸頭材料電接觸過(guò)程中的質(zhì)量損耗變化曲線(xiàn)。由圖9可知，觸頭的侵蝕量隨著電壓的變化隨之變化，當(dāng)電壓小于36 V時(shí)，此時(shí)為陰極轉(zhuǎn)移，即陰極質(zhì)量減小，陽(yáng)極質(zhì)量增加，且隨著電壓的增大轉(zhuǎn)移量減小。當(dāng)電壓大于36 V時(shí)，觸頭材料發(fā)生轉(zhuǎn)移方向的轉(zhuǎn)變，由陰極轉(zhuǎn)移變?yōu)殛?yáng)極轉(zhuǎn)移，即陽(yáng)極失重陰極質(zhì)量增加，并且材料轉(zhuǎn)移量急劇增大。而總質(zhì)量變化平緩。由此前燃弧能量變化曲線(xiàn)分析可知，材料轉(zhuǎn)移方向的變化與燃弧能量的變化有著密切關(guān)系。

圖9 觸頭陽(yáng)極、陰極及總質(zhì)量變化與電壓的關(guān)系

引起材料轉(zhuǎn)移的主要原因有熔橋轉(zhuǎn)移和電弧侵蝕[22?23]。觸頭在分?jǐn)噙^(guò)程中，由于接觸力較小，承載電流的接觸斑點(diǎn)減小到一個(gè)或幾個(gè)，使得因電流收縮造成的歐姆熱急劇增大，引起收縮點(diǎn)附近的電極材料融化，從而形成一個(gè)個(gè)液態(tài)熔橋，隨著分離過(guò)程的進(jìn)行，熔橋的直徑減小，長(zhǎng)度增大，從而引起熔橋斷裂。

圖10 W-25Cu觸頭材料轉(zhuǎn)移方式

如果熔橋斷裂前完全對(duì)稱(chēng)受熱，則熔橋就在其幾何中心斷裂；由于熔橋受熱一般都偏離中心，其斷裂位置偏向某一電極，從而引起材料轉(zhuǎn)移。圖10(a)所示為在分段瞬間形成的熔層表面凹凸不平以及由于熔橋斷裂而形成的螺旋狀凝固物。而局部地區(qū)由于溫度下降較快，在觸頭分?jǐn)噙^(guò)程中由于粘連而出現(xiàn)凹坑，如圖10(b)所示。

當(dāng)觸頭逐漸閉合時(shí)，觸頭間的氣體被電離成氣體離子，產(chǎn)生氣相電弧。氣體陽(yáng)離子在轟擊陰極表面時(shí)造成陰極表面金屬熔融并發(fā)生飛濺，部分沉積在陽(yáng)極表面，此時(shí)發(fā)生陰極材料向陽(yáng)極轉(zhuǎn)移。由于發(fā)生氣相電弧的時(shí)間短，因此氣相引起質(zhì)量的遷移比較小。隨著電壓的增大，電流密度增大，產(chǎn)生的熱量增加，促進(jìn)電極表面材料的融化和蒸發(fā)，較多的金屬蒸汽進(jìn)入觸頭間隙，金屬原子被電離成離子并在電場(chǎng)的作用下向陰極移動(dòng)并沉積在陰極，而自由電子在電場(chǎng)力的作用下轟擊陽(yáng)極表面，產(chǎn)生金屬原子并把能量傳遞給金屬原子。當(dāng)能量足夠大時(shí)，金屬原子運(yùn)動(dòng)到陰極表面并在陰極表面沉積。因此在金屬蒸汽階段，材料的轉(zhuǎn)移方向是從陽(yáng)極轉(zhuǎn)向陰極。隨著操作次數(shù)增加，觸頭表面發(fā)生Cu相融化并經(jīng)液化、氣化后脫離陽(yáng)極表面，在到達(dá)陰極表面過(guò)程中吸收大量空氣并快速冷卻凝固而形成珊瑚狀形貌，如圖10(c)所示。在觸頭將要閉合時(shí)，觸頭速度較大，猛烈撞擊熔池內(nèi)部會(huì)造成熔池內(nèi)金屬溶液的飛濺，如圖10(d)所示。金屬溶液溶解很多空氣，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，這樣觸頭表面會(huì)留下火山口式的較大的噴發(fā)凹坑，如圖10(e)所示。因此在觸頭分?jǐn)嚅]合過(guò)程中，材料的轉(zhuǎn)移形式主要以熔橋轉(zhuǎn)移、電弧轉(zhuǎn)移和噴濺蒸發(fā)為主，其中熔橋轉(zhuǎn)移和粘連凹坑主要發(fā)生在觸頭分?jǐn)噙^(guò)程，而電弧轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在觸頭閉合過(guò)程中，而又以金屬蒸汽電弧和飛濺蒸發(fā)形式為主。

3 結(jié)論

1) W-25Cu復(fù)合粉末經(jīng)冷等靜壓、真空燒結(jié)預(yù)成型和熱擠壓終致密化工藝后，可得到高致密、細(xì)晶、電接觸性能良好的W-25Cu電觸頭材料。其相對(duì)密度為98.8% ，導(dǎo)電率為42.7%IACS，硬度為246HB。

2) W-25Cu電觸頭材料接觸電阻小且穩(wěn)定，提高銅合金致密度、細(xì)化晶粒可以降低并穩(wěn)定接觸電阻。燃弧時(shí)間和燃弧能量都隨著電壓的增大而增大，分?jǐn)噙^(guò)程燃弧能量和燃弧時(shí)間均遠(yuǎn)小于閉合過(guò)程燃弧能量和時(shí)間。

3) W-25Cu觸頭材料電侵蝕后主要由Cu、W和WO3三相組成。電接觸過(guò)程中表現(xiàn)出良好的抗侵蝕性能，隨著電壓的增大發(fā)生材料轉(zhuǎn)移方向的轉(zhuǎn)變即由陰極轉(zhuǎn)移變?yōu)殛?yáng)極轉(zhuǎn)移。材料轉(zhuǎn)移以熔橋轉(zhuǎn)移、電弧轉(zhuǎn)移和噴濺蒸發(fā)等形式為主。融橋轉(zhuǎn)移和噴濺蒸發(fā)形式主要發(fā)生在觸頭分?jǐn)噙^(guò)程，電弧轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在觸頭閉合過(guò)程中。

[1] 陶麒鸚, 周曉龍, 周允紅, 張 浩. AgCuO電接觸材料的電接觸性能[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2015, 25(5): 1244?1249. TAO Qi-ying, ZHOU Xiao-long, ZHOU Yun-hong, ZHANG Hao. Electrical contact properties of AgCuO electrical contact materials[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25(5): 1244?1249.

[2] 陶麒鸚, 周曉龍, 周允紅, 張 浩. AgCuO電觸頭材料的接觸電阻及電弧侵蝕形貌分析[J]. 稀有金屬材料與工程, 2015, 44(5): 1219?1223. TAO Qi-ying, ZHOU Xiao-long, ZHOU Yun-hong ZHAN Hao. Contact resistance and arc erosion morphology of AgCuO electrical contact material[J]. Rare Metal and Materials and Engineering, 2015, 44(5): 1219?1223.

[3] WANG Song, ZHENG Ting-ting, XIE Ming, WANG Ya-xiong, ZHANG Ji-ming. Internal oxidation thermodynamics and isothermal oxidation behavior of AgSnO2electrical contact materials[J]. Rare Metal and Materials and Engineering, 2014, 43(4): 796?798.

[4] ZHU Yan-cai, WANG Jing-qin, AN Li-qiang, WANG Hai-tao. Preparation and study of nano-Ag/SnO2electrical contact material doped with titanium element[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2014, 43(7): 11?14.

[5] 劉方方, 陳敬超, 郭迎春, 耿永紅, 管偉明. 反應(yīng)合成AgSnO2電接觸材料的電接觸性能研究[J]. 稀有金屬, 2007, 31(4): 486?490. LIU Fang-fang, CHEN Jing-chao, GUO Ying-chun, GENG Yong-hong, GUAN Wei-ming. Performances of AgSnO2electrical contact materials fabricated by reactive synthesis[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2007, 31(4): 486?490.

[6] 王清周, 路東梅, 崔春翔, 徐 萌. Cu基電觸頭用摻雜SnO2納米粉體的制備[J]. 稀有金屬材料與工程, 2014, 43(8): 1979?1982.WANG Qing-zhou, LU Dong-mai, CUI Chun-xiang, XU Meng. Fabrication of doped SnO2powder used for Cu matrix electrical contact[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2014, 43(8): 1979?1982.

[7] 張昆華, 管偉明, 郭俊梅, 宋修慶. 大變形Ag/Ni20纖維復(fù)合電接觸材料電弧侵蝕及形貌特征[J]. 稀有金屬材料與工程, 2011, 40(5): 853?857.ZHANG Kun-hua, GUAN Wei-ming, GUO Jun-mei, SONG Xiu-qing. Arc erosion and morphological characters of Ag/Ni20 fiber electrical composites by severe plastic deformation[J]. Rare Metal Materials and Engineering,2011, 40(5): 853?857.

[8] SWINGLER J, SUMPTION A. Arc erosion of AgSnO2electrical contacts at different stages of a break operation[J]. Rare Metals, 2010, 29(3): 248?254.

[9] PONS F, CHERKAOUI M, ILALI I, DOMINIAK S. Evolution of the AgCdO contact material surface microstructure with the number of arcs[J]. Journal of Electronic Materials, 2010, 39(4): 456?463.

[10] 范景蓮, 朱 松, 劉 濤, 田家敏. 超細(xì)/納米 W-20Cu 復(fù)合粉末的液相燒結(jié)機(jī)制[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2011, 21(7): 1587?1593.FAN Jing-lian, ZHU Song, LIU Tao, TIAN Jia-min. Mechanism of ultrafine/nano W-20Cu composite powder during liquid sintering[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2011, 21(7): 1587?1593.

[11] 朱 松, 范景蓮, 劉 濤, 田家敏. 細(xì)晶W-Cu材料的導(dǎo)電性能[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2010, 20(7): 1360?1364. ZHU Song, FAN Jing-lian, LIU Tao, TIAN Jia-min. Electric conductivities of ultrafine W-Cu materials[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2010，20(7): 1360?1364.

[12] 張會(huì)杰, 李繼文, 魏世忠, 徐流杰, 馬小沖. 水熱共還原法制備W包Cu納米粉體的工藝研究及表征[J]. 稀有金屬, 2015, 39(5): 442?449.ZHANG Hui-jie, LI Ji-wen, WEI Shi-zhong XU Liu-jie, MA Xiao-chong. Process research and characterization of W coated Cu nanopowder prepared by hydrothermal Co-reduction technology[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2015, 39(5): 442?449.

[13] 陳文革, 丁秉鈞, 張 暉. 機(jī)械合金化制備的納米晶W-Cu電觸頭材料[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2002, 12(6): 1224?1228.CHEN Wen-ge, DING Bing-jun, ZHANG Hui. Nanocrystal W-Cu electrical contact material by mechanical alloying and hot pressed sintering[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2002, 12(6): 1224?1228.

[14] LI D R, LIU Z Y, YU Y, WANG E D. The influence of mechanical milling on the properties of W-40wt.%Cu composite produced by hot extrusion[J]. Journal of Alloys and Compounds 2008, 462(12): 94?98.

[15] 池永恒, 張瑞杰, 方 偉, 楊詩(shī)棣, 曲選輝. W-Cu液相燒結(jié)體系致密化行為的模擬[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2014, 24(2): 416?423. CHI Yong-heng, ZHANG Rui-jie, FANG Wei, YANG Shi-di, QU Xuan-hui. Simulation of densification process of W-Cu system during liquid-phase sintering[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2014, 24(2): 416?423.

[16] 萬(wàn) 成, 李繼文, 馬竇琴, 王 展, 張會(huì)杰. 水熱合成W-25Cu復(fù)合粉末的熱力學(xué)分析[J]. 稀有金屬與硬質(zhì)合金, 2015, 43(5): 16?22. WAN Cheng, LI Ji-wen, MA Dou-qin, WANG Zhan, ZHANG Hui-jie. Thermodynamic analysis for hydrothermal synthesis of W-25Cu composite powders[J]. Rare Metal and Cemented Carbides, 2015, 43(5): 16?22.

[17] JOHNSON J L, BREZOVSKY J J, GERMAN R M. Effects of tungsten particle size and copper content on densification of liquid-phase-sintered W-Cu[J].Metallurgical and Materials Transactions A, 2005, 36(10): 2810?2814.

[18] 羅 昊, 從善海, 程在望, 金佳斌. 不同配比電觸頭銅鎢合金的組織及性能[J]. 有色金屬工程, 2014, 4(2): 29?31. LUO Hao, CONG Shan-hai, CHENG Zai-wang, JIN Jia-bin. The organization and performance of copper tungsten alloy electrical contact in different ratio[J]. Nonferrous Metals Engineering, 2014, 4(2): 29?31.

[19] GB/T 8320—2003. 銅鎢及銀鎢電觸頭[S].GB/T 8320—2003. Copper-Tungsten and silver-Tungsten electrical contacts[S].

[20] 李震彪, 陳青松.電觸頭復(fù)合材料電導(dǎo)率的理論研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 1996, 16(3): 185?189.LI Zhen-biao, CHEN Qing-song. A theoretical research on electrical resistivity of composite contact materials[J]. Chinese Society for Electrical Engineering, 1996, 16(3): 185?189.

[21] 韓 波, 史慶南, 謝 明, 陳亮偉, 王效琪, 起華榮, 孟慶猛. 直流條件下W-15wt%Cu電接觸材料燃弧特性研究[J].稀有金屬材料與工程, 2012, 41(6): 994?997. HAN Bo, SHI Qin-nan, XIE Ming, CHEN Liang-wei, WANG Xiao-qi, QI Hua-rong, MENG Qing-meng. Arc erosion characteristics of W-15wt%Cu electric contact materials under DC condition[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2012, 41(6): 994?997.

[22] ISHIDA H, TANIGUCHI M, SONE H, INOUE H, TAKAGI T. Relationship between length and diameter of contact bridge formed under thermal equilibrium condition[J]. IEICE Transactions on Electronics, 2005, 88: 1566?1572.

[23] 郭迎春, 耿永紅, 陳 松, 張昆華, 管偉明. 電觸點(diǎn)直流電侵蝕研究[J]. 稀有金屬材料與工程, 2007, 36(3): 264?268.GUO Ying-chun, GENG Yong-hong, CHEN Song, ZHANG Kun-hua, GUAN Wei-ming. DC electric erosion of electric contacts[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2007, 36(3): 264?268.

(編輯 何學(xué)鋒)

Performances of high-density fine-grain W-25Cu electrical contact materials

WAN Cheng1, LI Ji-wen1, 3, WANG Zhan1, MA Dou-qin1, WEI Shi-zhong2, ZHANG Guo-shang1, 3, XU Liu-jie2

(1. School of Material Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China;2. Henan Engineering Research Center for Wear of Materials,Henan University of Science & Technology, Luoyang 471003, China;3. Henan province nonferrous metal Commonness Technology of Collaborative Innovation Center, Luoyang 471003, China)

The W-25Cu electrical contact material was fabricated by cold isostatic pressing process, presintering in vacuum and hot extrusion of W-Cu nanocomposite powders that was made by hydrothermal synthesis combined with co-reduction method. The relative density of W-25Cu electrical contact materiel is above 98%, the conductivity reaches 42.7%IACS, and the hardness is 246HB. The distribution of W phase and Cu phase are uniform and the particle size of W phase is fine (1?3 μm). The arc tests were carried out under DC and resistance load conditions through JF04C electrical material testing system. The results show that increasing the density and decreasing the grain size of tungsten copper alloy can reduce and stabilize the contact resistance. Arc time and energy increase along with the increasing of voltage, and the arc time and energy of break operation are less than that of make operation. The surface material mainly compose of Cu, W and WO3phases of W-25Cu electrical contact materials after being eroded. Melting bridge transfer, arc transfer and spray evaporation are mainly transfer forms, and the material transfer direction changes with the increasing of voltage, namely, the mass loss transfers from cathode to anode.

high density; fine grain; contact resistance; arc erosion; materials transfer

Project (111100910500) supported by the Key Scientific and Technological Project of Henan Province, China; Project (2010A43000) supported by the Natural Science Research Project of Education Department of Henan Province, China

2015-08-25; Accepted date: 2016-12-19

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

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.03.008

1004-0609(2017)-03-0504-10

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)

2015-08-25；

2016-12-19

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