熔滲法制備AgWC（30）觸頭材料

張 登，覃向忠，秦潤庚

（桂林金格電工電子材料科技有限公司，廣西桂林 541004）

引言

AgWC(30)觸頭材料具有高導電率、高硬度等優點，可以在大電流、高電壓條件下工作，常用于塑殼式雙電源開關及剩余電流保護斷路器[1]。AgWC(30)觸頭材料中WC的質量占比為30%，體積占比為22%，因此，固相燒結法為常用的制備方法。由于采用固相燒結法生產，觸頭產品內部不可避免地存在孔隙。孔隙是一種缺陷，它既不導熱，也不導電，破壞基體的連續完整，同時又是雜質的聚集處，孔隙的存在對AgWC(30)觸頭材料的各項性能均有不良影響。因此，縮小或消除觸頭材料的孔隙，提高產品的致密度，降低材料的電阻率，才能夠有效提高產品的性能，確保產品質量的穩定。與固相燒結法相比，熔滲法更容易制備出高致密的、高導電性的觸頭材料。本研究采用熔滲法制備AgWC(30)觸頭材料，通過對WC粉預處理，制備出潤濕性較好的骨架坯，經低溫熔滲后得到AgWC(30)觸頭材料，并結合復壓復燒工藝，使材料的性能進一步提升。

1 試驗

1.1 試驗方法

WC粉粒度的大小直接影響材料的性能及加工工藝。WC粉粒度小，材料具有較好的耐電弧侵蝕性能，但WC粉過細，成形性差，且容易造成顆粒聚集而形成閉孔；WC粉過粗，會降低材料的耐電弧侵蝕性能。本研究使用兩種不同粒度的WC粉，一方面，細顆粒的WC粉能提供更多的固相顆粒以支撐起整個骨架；另一方面，粗顆粒的WC粉能降低熔滲難度，保證材料的致密性。

選用平均粒度分別為0.8 μm～0.9 μm和3.3 μm～3.7 μm的兩種WC粉，按質量比為1∶1的比例并與少量添加劑混合，混合后的粉末在球磨機中濕磨12 h（球料質量比為4∶1），然后干燥、退火、過篩。再將Ag粉與預處理后的WC粉按質量比為60∶40的比例混合得到預制骨架所需的粉末，將混合粉末壓制成規格為50 mm×10 mm×3 mm的骨架坯。采用低溫熔滲的方式，熔滲溫度控制在超過Ag熔點100℃以內，將骨架坯與Ag片于保護氣氛中熔滲，制得AgWC(30)觸頭材料樣品。同時，結合復壓復燒結工藝，復燒是在與熔滲溫度相同的條件下進行，制得AgWC(30)觸頭材料樣品。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 熔滲法制備AgWC(30)觸頭材料工藝流程

為了對比分析AgWC(30)觸頭材料的性能，使用相同的原材料，同樣將兩種平均粒度的WC粉按質量比為1:1的比例混合，采用固相燒結法制備了相同成分的樣品，工藝流程為：WC粉、Ag粉混合→粉末還原→壓制成型→燒結→復壓→退火→樣品。

1.2 檢測

采用金相顯微鏡觀察金相組織，采用排水法測量密度，采用雙臂電橋檢測電阻率，采用布氏硬度計檢測硬度，采用掃描電鏡進行EDS元素面掃描分析。

2 結果與分析

本研究中采用熔滲法制備的AgWC(30)觸頭材料樣品如圖2所示。從圖2可見，樣品表面平整，棱角分明，無扭曲、塌陷、鼓泡、堆銀和變形等缺陷。

圖2 熔滲法制備的AgWC(30)觸頭材料樣品

AgWC(30)觸頭材料的金相組織如圖3～5所示。從圖3可以看出，滲法制備的AgWC(30)觸頭材料金相組織均勻，但存在細小孔隙，產生原因可能是細顆粒WC粉出現團聚而在粉末處理過程中無法破碎分散，壓制骨架坯時內部形成閉孔，熔滲時液態Ag無法進入其中。從圖4可以看出，熔滲法結合復壓復燒工藝制備的材料的金相組織明顯改善，這是因為復壓可使材料的體積略有縮小，復燒可使材料更加致密[2]，少量的WC顆粒聚集所形成的閉孔會在一定程度被破壞、消除，從而使孔隙縮小或消除。從圖5可以看出，采用固相燒結法制備的觸頭材料的金相組織不均勻，存在明顯的Ag聚集和WC聚集，而且存在較多孔隙，這是采用這種工藝方法無法避免的組織缺陷。

圖3 熔滲法制備的試樣金相組織照片

圖4 熔滲法結合復壓復燒工藝制備的試樣金相組織照片

圖5 固相燒結法制備的試樣金相組織照片

表1為AgWC(30)觸頭材料力學物理性能的檢測結果。從表1可見，熔滲法制備的AgWC(30)觸頭材料相對密度較高、電阻率較低，這是因為熔滲溫度是在Ag熔點以上，液態Ag在毛細管力的作用下填充多孔骨架中的孔隙，形成致密度較高的材料，提高材料的導電性能，因此材料的電阻率較低。采用熔滲法結合復壓復燒工藝制備的材料性能更優，與單純的熔滲法制備的材料相比，相對密度提高了0.76%，電阻率降低了2.9%，這是因為復壓是彌補密度不足的主要工藝措施，對熔滲坯進行復壓，在壓力的作用下，材料內部的孔隙縮小或消除，復燒可使材料更加致密，從而進一步提高其致密度，材料獲得較高的導電性能，因此進一步降低材料的電阻率。與此對比，固相燒結法制備的AgWC(30)觸頭材料組織疏松、相對密度較低，最終造成材料電阻率偏高。

表1 AgWC（30）觸頭材料力學物理性能

采用熔滲法制備的AgWC(30)觸頭材料，其性能與WC粉預處理、誘導Ag加入量以及熔滲溫度有著密切的關系。

2.1 WC粉預處理的影響

熔滲法制備觸頭材料的關鍵之一是制備出潤濕性好的骨架坯。由于Ag對WC的潤濕角較大，潤濕性不好，根據毛細管作用原理[3]，潤濕角越大，液態Ag通過熔滲進入骨架的難度就越大。為了降低潤濕角，改善熔滲效果，通常在材料中加入少量添加劑來改善Ag對WC的潤濕性。將WC粉與添加劑經混合、均勻化球磨、退火等工序預處理。圖6為經預處理的WC粉末EDS元素面掃描結果，從圖中可以看出，添加劑均勻分散在WC粉中。將粉末進行高溫退火處理，使添加劑在WC粉表面進行擴散，利用添加劑對WC的粘結作用來改善WC粉的潤濕性，并消除粉末在球磨過程中產生的加工應力。再與適量Ag粉混合，壓制成型便得到潤濕性較好的骨架坯。

圖6 經預處理的WC粉EDS元素面掃描結果

2.2 誘導Ag加入量的影響

為了提高壓坯的成形性能，通常的辦法是加入成形劑，但是一旦成形劑脫除不干凈而殘留在骨架中，將會影響材料的電性能。本研究發現，通過提高誘導Ag的加入量，可以達到很好的成形效果，由此可以避免成形劑加入帶來的副作用。但應合理控制Ag粉的加入量，Ag粉含量過高，容易使骨架內部形成閉孔，影響熔滲效果；含量過低，成形性差，不能保證壓坯強度，易出現缺邊掉角的現象。試驗表明，當加入誘導Ag的質量分數為55%～65%時，粉末不但成形性好，而且熔滲效果較理想。

2.3 熔滲溫度的影響

在燒結過程中產生液相超過50%（體積比）時就不能保證燒結體的形狀和尺寸[3]。事實上，AgWC(30)觸頭材料熔滲過程中，液態Ag的含量（體積比）在78%，依然能保持原有的形狀。液態Ag的液體粘度會隨著溫度的升高而降低，那么，液態Ag的“黏性”或者熔滲溫度在熔滲過程中起著相當重要的作用。本研究選用低溫熔滲，液態Ag有一定的“黏性”，對WC粉預處理，降低了Ag對WC的潤濕角，有著較好的潤濕性，液態Ag在毛細管力的作用下滲入到壓坯的孔隙中“鍍復”[4]在WC顆粒表面。WC顆粒的存在，又增加了Ag的“黏性”，這些WC顆粒構成一個個大小不等的毛細管，具有相當大的吸引液態Ag的毛細管力，以致于在低溫熔滲下尚不足使液態Ag有足夠的流動性從骨架中流出從而保持原有的形狀。

3 結論

（1）熔滲法制備的AgWC(30)觸頭材料，液態Ag的“黏性”或者熔滲溫度在熔滲過程中起著相當重要的作用。

（2）熔滲法制備的AgWC(30)觸頭材料致密度高，相對密度可達到98.58%，材料金相組織均勻，電阻率低；

（3）熔滲法結合復壓復燒工藝制備的AgWC(30)觸頭材料性能更優，與熔滲法制備的材料相比，相對密度提高0.76%，電阻率降低2.9%。