大塑性變形加工工藝對銀鎳材料性能的影響

許福太，陳天來，盤志雄，盧小東

（佛山通寶精密合金股份有限公司，廣東佛山 528000）

引言

電接觸材料已有近100年的歷史，最初使用純銀、純金、純鉑作觸頭材料，20世紀40年代開始采用Ag、Cu、Au-Ag、Pt-Ir、Pd-Ag等合金，20世紀60年代以來發展了多元貴金屬以及各種貴金屬復合材料。銀基電觸頭產品具有較好的耐電磨損、抗熔焊和導電性、接觸電阻低且穩定，廣泛用于各種輕重負荷的低壓電器、家用電器、汽車電器、航空航天電器，是電觸頭行業中最為量大面廣的產品[1-2]。

AgCdO材料曾經是中低壓開關電器應用的主要電接觸材料，它具有優良的滅弧性能，在中等負荷開關中擁有“萬能觸點”之稱。然而，隨著電器開關對電觸點提出的小型化、高可靠性、長壽命等苛刻的性能要求，AgCdO材料不僅在抗磨損、抗熔焊、耐電弧浸蝕等性能指標上已顯露明顯不足，而且AgCdO觸點燃弧產生的Cd蒸氣有毒，不符合環保要求，已被歐盟出臺文件禁止使用[3-6]。

與AgCdO，AgSn02等觸頭材料相比，銀鎳材料不僅具有生產工藝簡單、加工周期短、成本低及良好的塑性與加工性能等優點，還具有良好的導電性，在整個電壽命周期表面接觸電阻較之銀氧化物要低且穩定，此外銀鎳材料含有的鎳元素可以在任何情況下適于焊接。盡管銀鎳材料應用廣泛，但常規的銀鎳產品硬度較低、強度低，材料的耐磨性、抗燒損性、抗熔焊性較差[7]，電氣性能不穩定。因此，如何在不對環境造成威脅、不增加加工成本的基礎上，研發出加工性能良好、強度高、抗熔焊性強的銀鎳材料，成為目前研究的難點和熱點。

本研究的目的在于克服已有技術的不足，提出一種“大塑性變形”加工工藝，該工藝是在傳統的“混粉—燒結—擠壓”工藝的基礎上的進一步優化與完善。

1 試驗

傳統工藝流程如下：混粉—真空等靜壓—燒結—擠壓—拉拔—成品。本研究的簡要工藝流程如下：混粉—真空等靜壓—燒結—擠壓—大塑性變形加工—壓錠—燒結—擠壓—拉拔—成品。

試驗采用MICROMET2003型顯微硬度計測量線材硬度，采用CMT4304型電子萬能試驗機測量線材的抗拉強度與延伸率，采用TH2512A型直流電阻測試儀測量線材的電阻率，采用TG-328A型電光分析天平測量線材的密度，采用掃描電鏡分析線材的金相組織，采用SD-30A型鉚釘機分別打制成同規格的復合鉚釘，并裝配于繼電器上，使用河北工大制造的型式試驗平臺測試電壽命。

2 結果與分析

2.1 力學物理性能

采用傳統的燒結擠壓工藝與本工藝分別制備銀鎳（10）材料，取樣后按GB/T 5588—2017《銀鎳、銀鐵電觸頭材料技術條件》的要求進行測試各項性能，結果見表1。由表1可以看出：2#樣品的密度、抗拉強度、硬度、延伸率等指標均優于1#樣品，這是由于銀鎳材料經過大塑性變形后，材料的致密度增高，鎳粉與銀粉之間所形成的孔隙變得更小或更少，趨于理想的合金整體，材料的密度與延伸率升高；材料經過大塑性變形加工后，鎳質點細化，纖維強化的作用明顯，因而提高了材料的抗拉強度與硬度；可能是因為材料經過大塑性變形加工后，鎳質點細化，產生了更多的鎳質點均勻分布于銀基體組織中，這些質點形成更多的節點，在電流通過的過程中，這些節點或許成為障礙，導致材料電阻率有所升高。

表1 不同工藝的銀鎳(10)材料力學物理性能對比

2.2 金相組織

采用傳統的燒結擠壓工藝與本工藝分別制備銀鎳（10）材料，材料的金相組織對比如圖1～圖4所示。由圖1與圖2可見，相比于傳統工藝，本工藝制備的銀鎳(10)成品線材，在橫截面上，鎳質點更加細小，分布更加均勻，質點聚集的現象更少。由圖3可看到，鎳質點粗細不一，長短不一，聚集現象嚴重，分布不均勻。在圖4中，雖然鎳質點的分布不算十分均勻，但相比于圖3，粗大的、長條狀的鎳質點聚集帶消失，質點分散性更好。說明經過了大塑性變形加工之后，聚集的鎳質點進一步分散，長條、粗大的聚集帶，變成細小的短纖維，材料分布不均組織得到了較好的改善。材料的組織結構決定材料的性能，也可以說，經過大塑性變形加工之后，銀鎳材料的性能也得到了提升。

2.3 電氣性能

2.3.1 電壽命

測試條件：AC 250 V/10 A，通斷比1∶1，測試頻率30次/min，純阻性負載，以測試達到10萬次作為通過標準。測試結果見表2。從表2可以看出，應用于密封型繼電器，采用傳統工藝制備的銀鎳(10)材料難以全部通過測試條件，測試結果波動大，非常不穩定；采用本工藝制備的銀鎳(10)材料，在本研究設置的試驗條件下均能夠通過測試，且表現穩定，說明經過大塑性變形加工后，材料的性能得到了較大改善。這再一次說明組織的均勻性對材料的電氣性能具有重要影響。

表2 不同工藝的銀鎳（10）材料電壽命對比

2.3.2 觸點表面形貌

圖5與圖6為傳統工藝制備的銀鎳(10)材料動、靜觸點，測試失效的樣品。

從圖5、圖6中可看到，失效樣品的觸點表面存在較多的銀珠，且周圍還有大量的黑色飛濺物。主要原因可能是繼電器在通斷過程中，產生的電弧造成環境與觸點表面的溫度持續升高，形成銀的熔池，鎳質點在分斷力的作用下，向觸點周圍飛濺，使得觸點表面的鎳含量減少，而銀含量增多，造成繼電器粘結失效。

圖7、圖8為本工藝制備的銀鎳(10)材料動、靜觸點，由于觸點材料本身的致密度、硬度等力學物理性能更高，在這種環境下，也有影響，但影響較小。雖然觸點周圍也有較多的飛濺物，但屬于正常飛濺，觸點表面較干凈，沒有銀珠的形成，沒有出現粘結失效的現象。

3 結論

（1）采用大塑性變形加工工藝，能夠改善銀鎳材料的組織，使其鎳質點更加細化，分布更加均勻，因而改善銀鎳材料力學物理性能。

（2）采用此工藝制備的銀鎳材料，電氣性能更加優良。