Cu-SiC-SnO2電接觸復(fù)合材料致密度及電燒損性能研究

莫金強(qiáng)，邢大偉

(1.太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司 先進(jìn)不銹鋼材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030003； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150001)

電流轉(zhuǎn)換是電能使用和分配過程的基礎(chǔ)，該過程一般由帶有電觸頭元件的各類轉(zhuǎn)換裝置完成[1]。電觸頭亦稱觸點(diǎn)或接點(diǎn)，是各類轉(zhuǎn)換裝置的核心部件，擔(dān)負(fù)著接通、承載和分?jǐn)嚯娏鞯娜蝿?wù)，其性能的好壞直接影響著開關(guān)電器的運(yùn)行可靠性和壽命。自上世紀(jì)30年代，國外就開始對(duì)電觸頭元件和材料進(jìn)行研究，而我國從50年代才開始研究和生產(chǎn)電觸頭材料，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，電觸頭材料從純的貴金屬到含銀合金以及銀基復(fù)合材料，逐漸發(fā)展到銅基觸頭材料，即用銅代替昂貴的銀來降低成本。隨著科技的不斷進(jìn)步，各相關(guān)行業(yè)對(duì)電觸頭材料的性能提出了更高的要求，因而近年來各國都積極開展新型電觸頭材料的研究以滿足市場(chǎng)需求[2-12]。

本文采用以銅為基體，添加碳化硅和二氧化錫粉末，采用混粉燒結(jié)結(jié)合包套擠壓成形工藝，研制一種新型的高性能無銀Cu-SiC-SnO2電觸頭復(fù)合材料，該材料具有較高的導(dǎo)電率和抗熔焊性以及良好的綜合性能，能滿足低壓電器中電觸頭的使用要求，新材料可以大大降低電觸頭元件的成本，推廣應(yīng)用后將具有較好的市場(chǎng)發(fā)展前景以及經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。作為系統(tǒng)性工作的一部分，本文主要研究Cu-1SiC-1SnO2復(fù)合材料的致密化工藝及電燒損性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 樣品的制備

采用的原料為電解銅粉(純度99.85%)，SiC顆粒(純度99.96%)，SnO2(純度99.99%)以及少量稀土元素。電解銅粉、SiC顆粒和SnO2顆粒的平均粒徑分別為45μm、5μm和0.1μm。其中，電解銅粉為基體相，SiC顆粒為增強(qiáng)相以提高材料強(qiáng)度，SnO2為金屬氧化物組元以提高材料抗電弧燒蝕性。制備的Cu-SiC-SnO2復(fù)合材料的成分質(zhì)量配比為，SiC1.5%，SnO20～1.5%，稀土0.05%，其余為Cu。

采用粉末冶金工藝制備Cu-1SiC-1SnO2電觸頭復(fù)合材料。制備時(shí)，首先將上述原料經(jīng)1h～6h的高能球磨，球料比為10∶1，轉(zhuǎn)速為250r/min；然后采用鋼模，經(jīng)200MPa～1000MPa的壓制力冷壓成型為Ф40mm×30mm的壓坯；接著將壓坯抽真空后用20#鋼進(jìn)行包套焊合并將其置于電阻爐中進(jìn)行等溫?zé)Y(jié)，采用的燒結(jié)溫度為900℃～1050℃，燒結(jié)時(shí)間為0.5h、1h和1.5h；最后，燒結(jié)的包套在擠壓溫度900℃～1050℃、擠壓比16和擠壓速度22mm/s條件下擠壓成型。

1.2 微觀組織觀察和性能測(cè)試

采用阿基米德浮力法測(cè)量樣品的密度；樣品經(jīng)鑲樣、打磨和機(jī)械拋光，采用FeCl3腐蝕液(配方為5g FeC13+15ml HC1+60ml H2O)腐蝕10s，再經(jīng)無水乙醇對(duì)樣品表面清洗并烘干制備金相試樣，然后采用Olympus金相顯微鏡和X500掃描電鏡觀察樣品電弧燒損前后的形貌和微觀組織；采用自制的模擬電壽命試驗(yàn)機(jī)，在220V、2A的條件下對(duì)樣品進(jìn)行10000次電接觸試驗(yàn)，試驗(yàn)后，采用型號(hào)為PHI5700型X光電子能譜分析儀(XPS)對(duì)樣品的原始狀態(tài)及電弧作用后的材料表面進(jìn)行成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 球磨時(shí)間和壓制壓力對(duì)致密度的影響

圖1為球磨3h后Cu-1SiC-1SnO2坯料密實(shí)度與壓制壓力的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯旅芏入S壓制壓力的增加而增大，當(dāng)超過600MPa時(shí)，壓力的增大對(duì)密度的增加影響不再明顯，因此，選擇600MPa為粉末的壓制壓力。

圖1 致密度與壓制壓力的關(guān)系曲線Fig.1 Relation curve between density and pressure

圖2為600MPa壓制力下，Cu-1SiC-1SnO2坯料致密度與球磨時(shí)間的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，致密度隨著球磨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸下降，當(dāng)球磨時(shí)間為4h～5h時(shí)，致密度變化幅度較大，球磨時(shí)間為5h～6h時(shí)，變化趨于平緩。分析認(rèn)為隨著球磨時(shí)間增加，粉末的強(qiáng)度逐漸增加，產(chǎn)生了球磨硬化現(xiàn)象，使得球磨時(shí)間長(zhǎng)的壓坯致密度較低。

圖2 致密度與球磨時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve between density and ball brinding time

圖3為在不同球磨時(shí)間經(jīng)燒結(jié)擠壓后的組織形貌，可以看出，球磨時(shí)間較短(1h)時(shí)，粉末混合的不均勻；球磨時(shí)間較長(zhǎng)(4h)時(shí)，粉末混合的均勻性較好。分析認(rèn)為，燒結(jié)過程中，粉末體內(nèi)部空隙中的氣體和硬脂酸等揮發(fā)氣體都要排出，否則將影響粉末顆粒間的冶金結(jié)合程度，并在燒結(jié)過程中形成氣孔，這將對(duì)材料的最終性能產(chǎn)生不利影響。研究表明[13]，壓坯的致密度低于85%時(shí)，壓坯中的空隙是連通的，有利于燒結(jié)時(shí)氣體排出。采用短時(shí)間球磨復(fù)合粉壓制時(shí)，壓坯的質(zhì)量好，而隨著球磨時(shí)間增加，在相同壓制條件下，壓坯表面會(huì)產(chǎn)生裂紋，綜合考慮不能選用長(zhǎng)時(shí)間球磨。

(a)球磨1h；(b)球磨 4h圖3 不同球磨時(shí)間經(jīng)燒結(jié)擠壓后的組織形貌Fig.3 Micro-morphologies after sintering and hot-extrusion in different ball grinding time

但是球磨時(shí)間太短，粉末混合的不均勻，在后續(xù)的加工過程中會(huì)出現(xiàn)顆粒的團(tuán)聚。因此，在制備復(fù)合材料的壓制坯料時(shí)，不宜追求極限狀態(tài)的密實(shí)，燒結(jié)后的致密度一般控制在85%～90%較好。結(jié)合圖1和圖2，壓制壓力為600MPa時(shí)，球磨時(shí)間為3h～5h效果最佳，同時(shí)結(jié)合壓坯的致密度與材料的均勻性，Cu-1SiC-1SnO2粉末壓坯的合適制備工藝為壓制壓力600MPa，球磨時(shí)間4h。

2.2 燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間對(duì)致密度的影響

圖4為燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間對(duì)致密度的影響，可以看出，隨燒結(jié)溫度提高及隨燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，材料致密度單調(diào)增加，但是，當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1050℃，燒結(jié)時(shí)間達(dá)到2h時(shí)，致密度達(dá)到90.8%。從圖5的1050℃/2h燒結(jié)后的組織可以看出，材料中的第二相與基體相結(jié)合緊密度不好，空隙所占比例很大，還需后續(xù)的熱擠壓來進(jìn)一步提高致密度。

圖4 燒結(jié)溫度和時(shí)間對(duì)Cu-1SiC-1SnO2坯料致密度的影響Fig.4 Effect of sintering temperature and time on consistency of Cu-1SiC-1SnO2 sample

圖5 1050℃/2h燒結(jié)后的Cu-1SiC-1SnO2組織形貌Fig.5 Micro-morphologies of Cu-1SiC-1SnO2after sintering under the condition of 1050℃ and 2h

2.3 擠壓參數(shù)對(duì)致密度的影響

對(duì)球磨4h的Cu-1SiC-1SnO2坯料，在擠壓溫度900℃～1050℃、擠壓比16和擠壓速度22mm/s條件下進(jìn)行擠壓成型。圖6為擠壓溫度對(duì)Cu-1SiC-1SnO2致密度的影響，可以看出，在實(shí)驗(yàn)條件下，Cu-1SiC-1SnO2材料致密度達(dá)到了99%以上，整體效果較好。進(jìn)一步分析可知，當(dāng)擠壓溫度為900℃～1000℃時(shí)，致密度隨著擠壓溫度升高而增加；1000℃～1050℃時(shí)，致密度隨著擠壓溫度升高反而降低；1000℃時(shí)，材料的致密效果最好，達(dá)到99.49%。這是由于擠壓時(shí)坯料在變形區(qū)處于三向不等壓的應(yīng)力狀態(tài)，即靜水壓力與剪切應(yīng)力的相互疊加所導(dǎo)致的結(jié)果。其中，靜水壓力促使孔隙體積減小，而剪切應(yīng)力則使材料產(chǎn)生塑性變形，塑性變形時(shí)，孔隙處所受到的壓力隨靜水壓力增加而增加。擠壓過程中，隨著溫度升高，材料的塑性變形抗力降低，有利于孔隙塑性焊合；但是隨著溫度升高，擠壓力減小，導(dǎo)致空隙所受的靜水壓力減小，從而消弱了孔隙的焊合傾向，綜合兩方面的作用，致密度在1000℃時(shí)最高。

圖6 擠壓溫度對(duì)Cu-1SiC-1SnO2致密度的影響Fig.6 Effect of hot-extrusion temperature on consistency of the Cu-1SiC-1SnO2

2.4 電燒損性能分析

2.4.1 電燒損后觸頭表面形貌

觸頭的電燒損性能是影響電器開關(guān)可靠性和使用壽命的主要因素，因此，對(duì)于制備的致密度為99.5%的Cu-1SiC-1SnO2材料進(jìn)行了電接觸試驗(yàn)。圖7為經(jīng)電壽命試驗(yàn)機(jī)經(jīng)10000次電接觸后，材料表面電弧燒損后的掃描照片，可以看出，依據(jù)燒損情況可將燒損區(qū)分為3個(gè)區(qū)域：電弧燒蝕區(qū)、電弧影響區(qū)和電弧未作用區(qū)。其中，電弧燒蝕區(qū)域特征最為明顯，該處組織是電弧多次放電后在表面留下的痕跡，是電弧作用的疊加效果，形成過程比較復(fù)雜，見圖7(a)。材料在電弧作用中心處燒蝕嚴(yán)重，燒損區(qū)的組織主要有噴濺物、微突起、孔洞、急冷組織以及微裂紋幾種形式，見圖7(b)。其中，噴濺物是融化斑內(nèi)物質(zhì)在電弧作用力的作用下快速流動(dòng)和飛濺形成的，其成因是電弧燃燒時(shí)，當(dāng)電弧弧根直徑較大時(shí)，能量急劇上升，材料發(fā)生融化，在表面形成熔化斑，熔化斑內(nèi)的液態(tài)金屬在電弧作用下發(fā)生飛濺，形成噴濺物；孔洞主要是材料凝固過程中形成，觸頭表面及內(nèi)部能否形成氣孔，由凝固前沿生長(zhǎng)速度與液體中氣泡浮出速度之比決定；快冷組織是電弧熄滅后，金屬材料表面熔化層迅速冷卻形成。

(a) 低倍；(b)高倍A處-噴濺物；B處-微突起；C處-孔洞；D處-快冷組織；E處-裂紋圖7 Cu-1SiC-1SnO2觸頭材料電弧燒蝕后表面形貌Fig.7 Micro-morphologies of Cu-1SiC-1SnO2 composite material after anti-arc erosion

2.4.2 SnO2對(duì)電燒損的影響

添加不同含量SnO2的觸頭材料經(jīng)10000次電接觸試驗(yàn)后的表面形貌如圖8，可以看出，電弧侵蝕后，不加SnO2的表面燒損嚴(yán)重，電蝕表面呈現(xiàn)出較大的塊狀物，表現(xiàn)為明顯的漿糊狀山包，且分布也不規(guī)則，這是由于材料噴濺引起的流態(tài)層狀，說明熔體向四周飛濺嚴(yán)重，材料的抗熔焊性能不好。隨著SnO2量增加，材料表面逐漸變得平整，且熔化后的基體液滴沒有發(fā)生噴濺而是均勻向四周平鋪，這表明添加SnO2有利于減少熔體噴濺，進(jìn)而增強(qiáng)材料的抗熔焊能力。

(a) Cu-1SiC；(b) Cu-1SiC-0.5SnO2；(c) Cu-1SiC-1SnO2；(d) Cu-1SiC-1.5SnO2圖8 不同成分觸頭電侵蝕表面形貌Fig.8 Surface topography of different composition contact after electrical erosion

2.4.3 電燒損后觸頭表面成分分析

材料經(jīng)過電接觸作用后，由于電弧的燒損使表面覆蓋了一層有別于基體組織的膜層，主要由冷卻的金屬液滴[14]、觸頭材料組元的氧化產(chǎn)物和大氣中的微粒子組成?？紤]到材料基體Cu和SiC在電弧作用下變化不大，僅分析Sn元素的變化。圖9為電接觸前后Cu-1SiC-1.5SnO2材料表面Sn3d的能譜圖?？梢钥闯觯囼?yàn)前，材料表面幾乎沒發(fā)現(xiàn)Sn；試驗(yàn)后，材料表面Sn含量增加，結(jié)合能在486.2eV左右，見圖9(b)，說明Sn大都以SnO2形式存在，無單質(zhì)Sn和SnO，說明SnO2沒有分解。

電接觸材料中第二相的作用主要有兩個(gè)[15]：(1)第二相自身分解消耗能量，快速滅弧以降低觸頭材料的電弧能量，如在電觸頭材料中加入CdO；(2)第二相增加熔體中的液體粘度，降低噴濺量，如在Ag中添加SnO2即為提高Ag的粘度。從圖8發(fā)現(xiàn)了材料表面有物質(zhì)流動(dòng)的現(xiàn)象，出現(xiàn)了分散的微突起、孔洞及噴濺物，說明在電弧的熱和力綜合作用下，觸頭材料表面發(fā)生了物質(zhì)的傳輸，其過程既包括Cu也包括第二相添加物SnO2。由此可見，觸頭材料中SnO2的作用與Ag基觸頭中的作用類似，也是增加基體材料的粘度以降低噴濺，從而增強(qiáng)觸頭材料的抗熔焊性來提高其抗電弧燒損能力。

(a) 電接觸試驗(yàn)前；(b) 電接觸試驗(yàn)后圖9 Cu-1SiC-1.5SnO2電接觸前后材料表面Sn3d峰的能譜分析Fig.9 Sn3d XPS analyses for surfaces of the Cu-1SiC-1.5SnO2 before and after electrical swithing test

3 結(jié)論

(1)Cu-1SiC-1SnO2復(fù)合坯的致密度隨壓制壓力的增加而增大，隨球磨時(shí)間的延長(zhǎng)而降低；隨著燒結(jié)溫度升高以及燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，致密度呈單調(diào)增加趨勢(shì)；

(2)復(fù)合坯的致密度隨擠壓溫度的升高先增加后下降，這與擠壓過程中坯料所受的靜水壓力與剪切應(yīng)力的疊加狀態(tài)有關(guān)；

(3)Cu-1SiC-1SnO2粉末經(jīng)球磨4h、600MPa壓制、1050℃燒結(jié)2h以及擠壓溫度1000℃、擠壓比16和擠壓速度22mm/s條件下，可獲得高達(dá)99.49%的致密度；

(4)SnO2可提高電觸頭復(fù)合材料的粘度，減少電接觸過程中的噴濺，增強(qiáng)材料的抗熔焊性從而提高抗電弧燒損性能。