制粒工藝對AgWC(12)C(3)電觸頭材料性能的影響

費家祥， 孔欣， 魏慶紅， 郭仁杰， 萬岱， 宋林云

（浙江福達合金材料科技有限公司，浙江溫州 325025）

0 引言

粉末冶金燒結(jié)工藝制成的AgWC(12)C(3)電觸頭因具有良好的抗熔焊性和導電導熱性，代替擠壓型AgC(5)，作為靜觸頭，通常與動觸頭AgW(50)或AgWC(40)配對，廣泛應(yīng)用于額定電流63 A及以上的各類斷路器中。JB/T 7779-2008《銀碳化鎢(12)石墨(3)電觸頭技術(shù)條件》規(guī)定了AgWC(12)C(3)電觸頭材料的硬度、密度、電阻率、成分和金相等技術(shù)要求和檢測方法。GB/T 14048.2—2020《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第2部分：斷路器》中規(guī)定了斷路器的電壽命、溫升、短路分斷能力等要求。以額定電流250 A的塑殼斷路器為例，標準要求電壽命不少于1000次，但近年來，隨著市場對斷路器性能要求的不斷提高，很多斷路器生產(chǎn)廠家都在研發(fā)具有更高電壽命的斷路器，如250 A塑殼斷路器，部分廠家對電壽命的要求達到8000次。電壽命試驗時，通常情況下電弧更多地侵蝕靜觸點，因此要提高斷路器的電壽命，必須要提高靜觸點的性能。

AgWC(12)C(3)電觸頭采用粉末冶金燒結(jié)工藝制造，制粉和燒結(jié)是影響其性能的關(guān)鍵工序，相關(guān)研究表明，化學包覆和真空燒結(jié)可明顯改善AgWC(12)C(3)觸頭的性能[1～2]。本研究主要從制粒工藝對AgWC(12)C(3)材料性能的影響進行探討。

1 試驗

1.1 AgWC(12)C(3)粉體制備

采用化學包覆法制備AgWC(12)C(3)粉體。原材料為Ag板：純度＞99.9%；Ag粉：-200目，純度＞99.9%；WC粉：費氏平均粒度3 μm；C粉：激光粒度d505 μm～7 μm，純度＞99.5%。

Ag板、WC粉和C粉按85∶12∶3質(zhì)量百分比配料。將Ag板用50%硝酸溶液溶解得到硝酸銀熔液，往溶液中加入氨水，然后加入WC粉和C粉，邊攪拌邊加入水合肼，還原出的銀包裹住WC粉和C粉形成沉淀，將沉淀清洗烘干后得到AgWC(12)C(3)包覆粉。

1.2 AgWC(12)C(3)粉體制粒

將上述AgWC(12)C(3)包覆粉分成3份，記為1#、2#和3#包覆粉，分別采用燒粉制粒、摻膠制粒和干法制粒制備出具有一定流動性的AgWC(12)C(3)混合粉。

燒粉制粒：將1#包覆粉用馬弗爐在氨分解氣保護下850 ℃恒溫燒結(jié)2 h，冷卻后，用搖擺式顆粒機強制過40目篩，得到1#AgWC(12)C(3)粉。

摻膠制粒：將粉末黏合劑加熱溶解到異丙醇溶劑中制得膠水，均勻摻入2#包覆粉中，膠與粉的比例約為1∶100，真空烘干后，過40目篩，得到2#AgWC(12)C(3)粉。

干法制粒：將3#包覆粉裝入膠套進行等靜壓壓錠，10 MPa壓力下保壓10 s，將錠子敲碎后，用搖擺式顆粒機強制過40目篩，得到3#AgWC(12)C(3)粉。

1.3 樣品制作

將上述3種制粒粉體采用完全相同的制備工藝分別得到1#、2#和3#樣品。工藝流程如圖1所示，主要工藝參數(shù)如表1所示。

表1 AgWC(12)C(3)樣品制備主要工藝參數(shù)

圖1 AgWC(12)C(3)樣品制備工藝流程

1.4 性能檢測

按GB/T 5586《電觸頭材料基本性能試驗方法》，用數(shù)顯布氏硬度計檢測樣品的硬度；根據(jù)阿基米德原理用電子密度計檢測樣品的密度；根據(jù)雙臂電橋原理用直流低電阻測試儀檢測樣品（尺寸50 mm×10 mm×2 mm）的體積電阻率；用萬能試驗機檢測樣品的抗彎強度；用FEI場發(fā)射掃描電鏡觀察樣品的斷口形貌；根據(jù)GB/T 26871《電觸頭材料金相試驗方法》，用金相顯微鏡觀察樣品的金相組織；最后將樣品焊接后組裝到250 A塑殼斷路器中測試其電性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學物理性能

三種制粒工藝分別對應(yīng)三款樣品，分別記為1#樣—燒粉制粒、2#樣—摻膠制粒和3#樣—干法制粒，其力學物理性能如表2所示。

表2 不同制粒工藝制備的AgWC(12)C(3)樣品的力學物理性能

從表2數(shù)據(jù)可以看出，采用三種不同的制粒工藝制備的AgWC(12)C(3)樣品，硬度和密度差別不大，但電阻率和抗彎強度差別較大。電阻率方面，1#樣＞2#樣＞3#樣，與1#樣相比，3#樣電阻率降低了9.7%；抗彎強度方面，1#樣＜2#樣＜3#樣，與1#樣相比，3#樣的抗彎強度提高了23%。

作為斷路器的靜觸頭，相同材質(zhì)的情況下，電阻率越低，相應(yīng)的斷路器的溫升會更低；在滿足抗熔焊能力的前提下，相同材質(zhì)和相同生產(chǎn)工藝的材料，抗彎強度越高，相應(yīng)的斷路器的電壽命會更高。據(jù)此可對三種制粒工藝制備的樣品靜態(tài)性能進行對比：3#樣優(yōu)于2#樣，2#樣優(yōu)于1#樣。

2.2 金相組織

三款樣品金相顯微照片如圖2～4所示。

圖2 1#樣金相-燒粉制粒

圖3 2#樣金相-摻膠制粒

圖4 3#樣金相-干法制粒

圖2～4所示的金相顯微組織都比較均勻，這是化學包覆法制粉的優(yōu)勢。另外從圖中可以看到1#樣和2#樣存在少量氣孔，孔徑約20 μm，3#樣無明顯氣孔。從金相上不能直觀反映出制粒工藝對產(chǎn)品性能的影響。

2.3 斷口形貌

三款樣品抗彎強度檢測后的斷口形貌如圖5～7所示。

圖5 1#樣斷口形貌（燒粉制粒）

圖6 2#樣斷口形貌（摻膠制粒）

圖7 3#樣形貌（干法制粒）

從圖5～7所示的斷口形貌對比來看，1#樣斷口有較明顯的顆粒狀，說明1#樣燒結(jié)程度低，銀與銀沒有充分結(jié)合，因此它的電阻率高、抗彎強度低（見表2）。與之相比，3#樣斷口呈現(xiàn)光滑的細小顆粒，說明3#樣燒結(jié)程度高，銀與銀結(jié)合充分，這也是它電阻率明顯更低，抗彎強度明顯更高的原因。2#樣斷口介于兩者之間，它的電阻率和抗彎強度也是介于兩者之間，說明2#樣燒結(jié)程度介于兩者之間。

從以上力學物理性能、金相組織及斷口形貌對比可見，三種制粒工藝制備的樣品在靜態(tài)性能上，干法制粒優(yōu)于摻膠制粒，摻膠制粒優(yōu)于燒粉制粒，直觀表現(xiàn)在電阻率和抗彎強度的差別上，根本原因在于燒結(jié)程度不同。分析認為，燒結(jié)程度不同是由于粉體的燒結(jié)活性不同導致的，燒粉制粒工藝由于采用高溫燒結(jié)粉體，顆粒長大后相互結(jié)合形成團聚，比表面積降低，使粉體的燒結(jié)活性大幅降低；干法制粒工藝由于粉體未經(jīng)高溫加熱，顆粒與顆粒之間僅通過機械嚙合達到制粒目的，燒結(jié)活性高；而摻膠制粒工藝雖然未經(jīng)高溫燒結(jié)使其活性下降，但由于膠分解后總是會存在殘留，甚至會產(chǎn)生閉孔使膠分解的氣體不能徹底排出，從而降低了其燒結(jié)活性。

2.4 電性能試驗

將三款樣品（厚度2.5 mm）焊接后組裝到國內(nèi)某知名品牌250 A塑殼斷路器上進行電壽命測試，動點為熔滲工藝制備的AgW(50)電觸頭。1#樣電壽命4479次后失效，2#樣電壽命5980次后失效，3#樣電壽命8000次仍未失效。電壽命的試驗結(jié)果也印證了上述力學物理性能反映出的靜態(tài)性能對比結(jié)果。需要說明的是，硬度和抗彎強度的比較只有在同種材質(zhì)（包括粒度）、同種加工狀態(tài)的前提下才有意義，因為原材料的粒度、產(chǎn)品的軟硬態(tài)都會影響產(chǎn)品的硬度和抗彎強度。

3 結(jié)論

（1）采用不同的制粒工藝制備的AgWC(12)C(3)電觸頭，其密度和硬度差別不大，但電阻率和抗彎強度存在較明顯差別，綜合性能對比，干法制粒優(yōu)于摻膠制粒，摻膠制粒優(yōu)于燒粉制粒。

（2）采用不同的制粒工藝制備的AgWC(12)C(3)電觸頭，其電壽命差別明顯，干法制粒優(yōu)于摻膠制粒，摻膠制粒優(yōu)于燒粉制粒。

（3）與燒粉制粒相比，采用干法制粒制備的AgWC(12)C(3)電觸頭，其電阻率降低了約9.7%，抗彎強度提高了約23%，電壽命提高了78%以上。