制備工藝對AgCuO電接觸材料組織和電壽命的影響_圖文

1、2005年9月 貴 金 屬 Sep. 2005第26卷第3期 Precious Metals Vol. 26, No. 3收稿日期：2004-06-23 基金項(xiàng)目：國家科技攻關(guān)項(xiàng)目（2001BA326C ）制備工藝對AgCuO 電接觸材料組織和電壽命的影響周曉龍1，曹建春2，陳敬超1，張昆華3，甘國友2，杜 焰1，李曉林2( 1. 昆明理工大學(xué)云南省新材料制備與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093；2. 昆明理工大學(xué)材料與冶金工程學(xué)院，云南 昆明 650093；3. 昆明貴金屬研究所，云南 昆明 650221 Effects of Preparation Method on Microst

2、ructure and Electrical Contact Performancefor AgCuO CompositesZHOU Xiaolong1，CAO Jianchun2，CHEN Jingchao1，ZHANG Kunhua3，GAN Guoyou2，DU Yan1， LI Xiaolin2 ( 1. Key Lab. of Advanced Materials of Yunnan Province,Kunming University of Science and Technology,Kunming, Yunnan 650093, China; 2. Faculty of Ma

3、terials and Metallurgy Engineering, Kunming University of Science andTechnology, Kunming, Yunnan 650093, China; 3. Kunming Institute of Precious Metals, Kunming, Yunnan 650221, China Abstract: In the present paper, the microstructure difference of AgCuO composite materials preparedby reactive synthe

4、sis and powder metallurgy was studied. It was found that the particles of copperoxide distributed in the silver matrix was smaller and finer in the AgCuO materials prepared byreactive synthesis, whereas the distribution of copper oxide particles was inclined to agglomerategather in the AgCuO materia

5、ls prepared by powder metallurgy. The service life test showed AgCuOmaterial prepared by reactive synthesis was two times longer than that prepared by powdermetallurgy.Keywords: Metal materials; Reactive synthesis; Powder metallurgy; AgCuO; Electrical contactmaterials ; Microstructure摘 要：研究了用2種方法制備的

6、AgCuO 材料的組織形貌，發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)合成法制備的AgCuO 材料中，生成的CuO 顆粒較細(xì)小，并沿著Ag 顆粒的邊界分布；而粉末冶金法獲得的AgCuO 材料發(fā)生CuO 顆粒的團(tuán)狀聚集，且孔隙較多。通過對接觸電壽命的測試，結(jié)果表明反應(yīng)合成法得到的AgCuO 材料的電壽命是粉末冶金法制備的2倍。關(guān)鍵詞：金屬材料；反應(yīng)合成；粉末冶金；AgCuO ；電接觸材料；顯微組織中圖分類號：TG146.3+2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-0676（2005）03-0025-05銀-金屬氧化物（AgMeO ）材料，特別是銀氧化鎘（AgCdO ），由于具有優(yōu)良的抗電弧侵蝕性、抗熔焊性和較低接觸電阻，應(yīng)用于

7、幾伏至數(shù)千伏的中、低壓電器中被稱為萬能觸點(diǎn)14，但由于其使用過程中不可避免地產(chǎn)生鎘毒，對人體及環(huán)境極為有害。材料科學(xué)家經(jīng)過多年努力，積極開發(fā)研制取代AgCdO 的其他銀-金屬氧化物觸頭材料513，如AgSnO 2、AgCuO 、AgZnO 、AgNiO 等。最近26 貴 金 屬 第26卷歐盟出臺的對含鎘材料的限制政策11，更加速了對無害銀-金屬氧化物的研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化；因此，對于國內(nèi)的觸頭材料產(chǎn)業(yè)，急需擁有自主知識產(chǎn)權(quán)和成熟工藝的銀-金屬氧化物材料來替代目前大量生產(chǎn)的AgCdO 。目前對AgCuO 材料的研究報道較少，僅見于前蘇聯(lián)14。其該類材料主要應(yīng)用于中等和重負(fù)荷低壓配電設(shè)備上的接觸器、磁

8、性開關(guān)、尾端開關(guān)、繼電器和控制器等方面，如在重負(fù)荷交流接觸器上采用AgCuO （20wt%CuO）作主觸頭，獲得良好的效果。粉末冶金法（PM ）是銀-金屬氧化物觸頭材料的主要制備方法之一，其生產(chǎn)工藝是將金屬和氧化物粉末經(jīng)過混合、壓制、燒結(jié)，然后通過擠壓、拉拔等制成需要的帶材、絲材，最后制備成各種觸頭材料。采用PM 法能夠獲得組織相對均勻、性能較穩(wěn)定的觸頭材料，但存在材料的密度較低、加工性較差、電阻率較高，以及氧化物顆粒與基體的界面潤濕性差、界面結(jié)合強(qiáng)度弱等缺點(diǎn)。作者所采用的反應(yīng)合成制備技術(shù)（RS ）1416的基本思想是根據(jù)熱力學(xué)基本原理，依靠材料設(shè)計，在一定條件引入原位化學(xué)反應(yīng)，在基體金屬內(nèi)反

9、應(yīng)形核生成一種或幾種熱力學(xué)穩(wěn)定的對基體材料組織、性能有益的增強(qiáng)相。由于原位合成技術(shù)生成的增強(qiáng)相表面未受到污染，且避免了與基體浸潤不良的問題，因而與基體的結(jié)合良好。與傳統(tǒng)方法相比，RS 法制備的復(fù)合材料具有氧化物增強(qiáng)相為反應(yīng)生成及其與基體形成的界面新鮮、結(jié)合牢固等優(yōu)點(diǎn)。作者通過采用2種方法制備AgCuO 復(fù)合材料，對其組織形態(tài)和電壽命的差異進(jìn)行了研究。1 實(shí) 驗(yàn)1.1 樣品制備采用粒度為-200目、純度99.5%的Ag 粉、Cu 粉和氧化劑作為原料，通過RS 法制備含10wt%CuO的AgCuO 電接觸材料。原料經(jīng)過充分混合后置入Ö30mm的鋼模中雙向壓制成錠坯，壓力為350500MP

10、a ；再將錠坯放入燒結(jié)爐中，850保溫3h ，進(jìn)行反應(yīng)合成和燒結(jié)；燒結(jié)后的AgCuO材料擠壓成為Ö5mm的線坯。采用粒度為-200目、純度99.5%的Ag 粉和粒度為-300目、純度為99.99%的CuO 為原料，通過PM 法制備同樣含10wt%CuO的AgCuO 電接觸材料。原料經(jīng)過混合、壓制成錠坯后（壓制壓力、錠坯尺寸同RS 法），850保溫3h 燒結(jié)；燒結(jié)后的AgCuO 錠坯擠壓成為Ö5mm的線坯。2種方法制備的AgCuO 線坯經(jīng)冷拉拔、退火等工藝，加工成Ö1.35mm絲材，再與Ö1.35mm的Cu 線制成尺寸為Ö3.0×1.0

11、（0.4）+Ö1.5×1.5的AgCuO/Cu復(fù)合觸點(diǎn)進(jìn)行電壽命實(shí)驗(yàn)。1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及方法所制備樣品通過X 射線衍射（XRD ；德國BRUKER ，型號為D8ADVANCE ）進(jìn)行物相分析，用光學(xué)顯微鏡（OM ）和掃描電鏡（AEM ；荷蘭，型號為XL30 ESEM-TMP）進(jìn)行組織觀察，比較PM 與RS 兩種制備技術(shù)所得到的AgCuO 復(fù)合材料燒結(jié)態(tài)組織的差異。委托桂林電科所進(jìn)行了電壽命實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：交流：220V 、15A 、105次/min，閉合力100g ，分?jǐn)嗔?5g ，功率因子1；直流：24V ，15A ，105次/min，閉合力100g ，分?jǐn)嗔?5g ，

12、功率因子1。進(jìn)一步比較2種制備技術(shù)所獲得的AgCuO復(fù)合材料的使用壽命。2 結(jié)果與討論2.1 物相分析采用RS 和PM 兩種制備技術(shù)所獲得的AgCuO 復(fù)合材料的物相分析如圖1所示。從圖1可以看出，2種方法都能夠獲得AgCuO 復(fù)合材料，并且材料中只有Ag 基體和增強(qiáng)顆粒（CuO ）兩相存在。2.2 顯微組織分析第3期 周曉龍等：制備工藝對AgCuO 電接觸材料組織和電壽命的影響 27 圖1 RS法和PM 法制備AgCuO 復(fù)合材料的X 射線衍射圖Fig.1 XRD pattern of AgCuO composites prepared by reactive synthesis and p

13、owder metallurgy采用PM 法和RS 法制備的AgCuO 復(fù)合材料的燒結(jié)態(tài)、擠壓態(tài)、冷拉拔態(tài)的顯微組織分別如圖2a 5a 和圖2b 5b 所示。通過對比圖2a 與圖2b ，發(fā)現(xiàn)PM 法制備的AgCuO 材料中的CuO 形成團(tuán)狀聚集，并能夠清晰地看到孔隙的存在；而RS 法制備的AgCuO 材料中的CuO 沿著基體Ag 顆粒邊界分布，與基體的結(jié)合程度較好，且在基體中看不到孔隙的存在（如圖2b 所示）。比較圖3可看出圖2 AgCuO樣品燒結(jié)態(tài)組織的OM 圖象（200×）Fig.2 OM micrograph of the sintered AgCuO( a PM法，b RS法

14、 圖3 AgCuO樣品燒結(jié)態(tài)組織的SEM 圖象（200×）Fig.3 SEM micrograph of the sintered AgCuO( a PM法，b RS法 28 貴 金 屬 第26卷圖4 AgCuO樣品擠壓態(tài)組織的OM 圖象（200×）Fig.4 OM micrograph of the sintered AgCuO( a PM法，b RS法 圖5 AgCuO樣品拉拔態(tài)組織的OM 圖象（200×）Fig.5 OM micrograph of the sintered AgCuO( a PM法，b RS法 PM 法制備的AgCuO 材料中的CuO 顆粒

15、比RS 法制備的粗大。正是由于CuO 顆粒度的大小、及其其與Ag 基體結(jié)合程度的不同，決定了2種方法制備的同成分AgCuO 材料性能的差異。從擠壓態(tài)組織形貌來看（如圖4所示），擠壓后CuO 顆粒在Ag 基體中的分布都發(fā)生了明顯的變化，但是PM 法制備的AgCuO 材料（圖4a ）中的CuO 顆粒還是存在聚集的現(xiàn)象，而RS 法制備的AgCuO材料（圖4b ）中的CuO 顆粒較細(xì)小、且分布比較均勻；這種差異與燒結(jié)態(tài)CuO 顆粒的大小與分布有關(guān)：PM 法制備的AgCuO 燒結(jié)態(tài)中的CuO 顆粒較粗大且聚集，決定了擠壓變形過程不易使粗大聚集的CuO 顆粒彌散分布；但是隨著進(jìn)一步的冷拉拔變形，CuO 顆

16、粒較均勻分布（圖5）。從總體上講，PM 法制備的AgCuO 材料中的CuO 顆粒比RS 法制備的較為粗大。2.3 電壽命分析將2種方法制備的AgCuO 材料冷拉拔成Ö1.35mm的絲材，并與銅制成復(fù)合鉚釘進(jìn)行電壽命測試。測試結(jié)果表明：無論是直流還是交流條件，RS 法制備的AgCuO 材料的電壽命是PM 法制備的表1 AgCuO材料的電壽命測試Tab.1 Service life of AgCuO/Cu material prepared by RS and PM methods周期（×104 ）AC 220V、15A DC 24V、15A AgCuO/Cu（RS ）9.29

17、（平均重量損耗：-24.63mg ） 10.80（平均重量損耗：-29.63mg ） AgCuO/Cu（PM ）4.23（平均重量損耗：-36.90mg ） 5.86（平均重量損耗：-27.26mg ） *實(shí)驗(yàn)的其它參數(shù)有：接觸頻率105次/分；閉合力100g ；分?jǐn)嗔?5g ；2種方法制備的AgCuO 材料中CuO 的含量均為10wt%。第3期 周曉龍等：制備工藝對AgCuO 電接觸材料組織和電壽命的影響 292倍。RS 法制備的AgCuO 材料中，CuO 顆粒尺寸較小及氧化物增強(qiáng)相是反應(yīng)生成，與基體形成的界面新鮮、結(jié)合牢固，是其具有較長電壽命的主要原因之一。4 結(jié) 論（1）在相同的燒結(jié)溫度

18、和燒結(jié)時間條件下，RS 法獲得的AgCuO 材料中CuO 顆粒較小并沿著基體顆粒分布；而PM 法制備的AgCuO 材料存在很多孔隙，且CuO 顆粒發(fā)生聚集現(xiàn)象。（2）經(jīng)過多次變形處理，CuO 顆粒逐步形成均勻分布，2種方法所獲得的絲材的在組織形貌上的差別不大。（3）RS 法制備的AgCuO 材料的接觸電壽命是PM 法制備的2倍。參考文獻(xiàn)1 劉軍. 銀金屬氧化物電觸頭材料的發(fā)展及應(yīng)用J. 江蘇電器, 2000, 1: 29-32.2 Chen Jingchao, Sun Jialin, Zhang Kunhua, et al . Silver Tin Oxide Electrical Contact Material Fabricated byReactive SynthesisC. Zurich: ICEC, 2002. 447-451.3 陳敬超, 孫加林, 杜焰等. 銀氧化鎘材料的歐盟限制政策與其它銀金屬氧化物電接觸材料的發(fā)展J. 電工材料, 2002, 4: 41-44.6 Shibata A. Silver-metal Oxide Contact Materials by Internal Oxidation ProcessC. Proc.7 ICECP, Pairs. 1974.749-754.7 魏淑娟. 銀氧