化學(xué)包覆與機(jī)械混合復(fù)合制備銀鎳材料工藝的研究

許福太，盤(pán)志雄，陳天來(lái)，鐘 華，溫國(guó)強(qiáng)

（佛山通寶精密合金股份有限公司，廣東佛山 528000）

引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，銀基電觸頭材料作為電器產(chǎn)品中的核心元件，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，應(yīng)用范圍也隨之不斷擴(kuò)展，應(yīng)用性能要求更是不斷提高——觸頭材料在分?jǐn)噙^(guò)程中不能發(fā)生熔焊，不能產(chǎn)生過(guò)高的溫升；在接觸過(guò)程中保持低且穩(wěn)定的電阻；耐磨損等。由于AgCdO 材料在高溫下CdO能分解吸熱、滅弧，電氣使用壽命長(zhǎng)，具有低而穩(wěn)定的接觸電阻，而且加工性能良好，被稱為“萬(wàn)能觸頭”，活躍在各種小電流到大電流的開(kāi)關(guān)、繼電器、接觸器等電觸頭器件中。但AgCdO 材料有一個(gè)致命性缺點(diǎn)，就是在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生Cd 蒸氣，人吸入后會(huì)產(chǎn)生Cd中毒，影響身體機(jī)能，造成損害，而且影響環(huán)境。因此，歐洲的部分國(guó)家先后出臺(tái)法律法規(guī)，禁止在家用電器中使用含Cd的觸頭材料[1-4]。

銀鎳材料是接觸器和繼電器最常用的電接觸材料，其具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，較低的電阻率與溫升，并有良好的延展性及切削加工能力，加工周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高精密、高靈敏的通信、電子、汽車等行業(yè)和領(lǐng)域[5]。

但是銀和鎳之間不浸潤(rùn)，采用常規(guī)粉末冶金法生產(chǎn)的銀鎳材料，銀與鎳之間的界面為簡(jiǎn)單的機(jī)械接觸[6]，可加工性能隨著鎳含量的增加，則變得越來(lái)越差，在生產(chǎn)鎳含量較高的銀鎳材料時(shí)往往不可避免地出現(xiàn)周期性裂紋，不僅影響了材料的加工性能，而且還會(huì)進(jìn)一步地影響材料的電氣性能。為此，研究采用化學(xué)與混粉相結(jié)合的方法，將過(guò)渡元素包覆在鎳粉的表面進(jìn)行改性，以改善兩種粉末的界面，從而解決兩種粉末都不浸潤(rùn)的問(wèn)題。

1 試驗(yàn)

材料制備工藝：鎳粉表面改性處理-粉末干燥-混粉-冷等靜壓-燒結(jié)-擠壓-拉拔，得到所需尺寸。

鎳粉表面處理工藝：將Ni粉放置于鋅鹽、銅鹽、銀鹽、鑭鹽的一種或幾種的混合溶液中，利用置換反應(yīng)使單質(zhì)鋅、單質(zhì)銅、單質(zhì)銀或單質(zhì)鑭中的一種或幾種包覆在Ni粉表面上。

對(duì)材料的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試以及金相組織和掃描電鏡觀察，并將其裝在繼電器上進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)了（10萬(wàn)次）測(cè)試要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉體表面處理前、后的形貌對(duì)比

圖1 為表面處理前粉體，由于鎳晶體為面心立方結(jié)構(gòu)，鎳粉的表面存在較多的棱角和尖銳的毛刺等。圖2 為表面處理后粉體。由圖2 可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換反應(yīng)，鎳粉的表面均勻包覆了一層過(guò)渡元素，鎳粉表面的棱角減少，趨于圓潤(rùn)。一方面，使得銀與鎳之間的界面不再是簡(jiǎn)單的機(jī)械接觸，多了一層保護(hù)層；另一方面，處理后的鎳粉趨于類球形。這兩個(gè)方面都保證了銀鎳材料的加工性能，并在理論上保證了銀鎳材料的導(dǎo)電性能。

圖2 表面處理后粉體形貌

2.2 粉體表面處理前、后的粒徑對(duì)比

利用島津激光粒度儀，測(cè)量表面處理前、后粉體的粒徑，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。由表1 可以看出，通過(guò)表面處理后，鎳粉的粒徑變小，其原因可能是經(jīng)過(guò)置換反應(yīng)，在鎳粉表面包覆了一層過(guò)渡元素的同時(shí)，也將鎳粉表面原有的銳角也去掉了一部分。

表1 表面處理前、后粉體的粒徑

2.3 銀鎳（10）觸頭材料的力學(xué)物理性能對(duì)比

用傳統(tǒng)混粉法和本方法分別制備銀鎳（10）材料，取樣后按GB/T 5588《銀鎳、銀鐵電觸頭材料技術(shù)條件》的要求測(cè)試各項(xiàng)性能，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，采用本方法制備的銀鎳（10）在密度、電阻率、延伸率等方面均高于傳統(tǒng)混粉法制備的銀鎳（10）材料，特別是延伸率，提高了73%左右，這表明采用本方法制備銀鎳（10）材料，改善了銀與鎳的界面以往簡(jiǎn)單的機(jī)械接觸情況，改善了銀與鎳之間的浸潤(rùn)性，進(jìn)而改善了銀鎳（10）材料的可加工性能。

表2 不同工藝的銀鎳（10）材料電壽命對(duì)比

表2 不同方法制備銀鎳（10）的力學(xué)物理性能對(duì)比

2.4 金相組織對(duì)比

采用傳統(tǒng)的燒結(jié)擠壓工藝與本工藝分別制備銀鎳（10）材料，其金相組織見(jiàn)圖3～圖6。由圖3～圖6可見(jiàn)，相比于傳統(tǒng)工藝，本工藝制備的銀鎳（10）成品線材，在橫截面上，鎳質(zhì)點(diǎn)更加細(xì)小；由于混粉與后續(xù)的工藝一樣，質(zhì)點(diǎn)的均勻性方面，無(wú)太大的區(qū)別。

圖3 傳統(tǒng)工藝銀鎳(10)(φ2.40,橫截面)

圖6 本工藝銀鎳(10)(φ2.40,縱截面)

2.5 銀鎳（10）觸頭材料的電氣性能對(duì)比

將傳統(tǒng)工藝與本工藝制備銀鎳（10）線材，分別打制成同規(guī)格的復(fù)合鉚釘，裝配在繼電器上，使用河北工業(yè)大學(xué)制造的型式試驗(yàn)平臺(tái)（型號(hào)：ACRL-40A阻性負(fù)載）進(jìn)行電壽命測(cè)試。

2.5.1 電壽命對(duì)比

測(cè)試條件：AC250V/10A，通斷比1∶1，測(cè)試頻率30 次/min，純阻性負(fù)載，以測(cè)試達(dá)到10 萬(wàn)次作為通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出，采用本方法制備的銀鎳（10）在電壽命優(yōu)于常規(guī)混粉法制備的銀鎳（10）材料，特別地，5組樣品不僅通過(guò)了10萬(wàn)次的電壽命測(cè)試，而且都達(dá)到了12 萬(wàn)次以上，電壽命更加穩(wěn)定。

圖4 本工藝銀鎳(10)(φ2.40,橫截面)

圖5 傳統(tǒng)工藝銀鎳(10)(φ2.40,縱截面)

2.5.2 觸點(diǎn)表面形貌對(duì)比

圖7 與圖8 為傳統(tǒng)工藝制備的銀鎳（10）材料，測(cè)試失效的樣品。

圖7 傳統(tǒng)工藝銀鎳10(動(dòng)觸點(diǎn))

圖8 傳統(tǒng)工藝銀鎳10(靜觸點(diǎn))

從圖中可看到，失效樣品的觸點(diǎn)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(guò)程中，產(chǎn)生的電弧造成環(huán)境與觸點(diǎn)表面的溫度持續(xù)升高，形成銀的熔池，鎳質(zhì)點(diǎn)在分?jǐn)嗔Φ淖饔孟?，向觸點(diǎn)周圍飛濺，使得觸點(diǎn)表面的鎳含量減少，而銀的含量增多，造成繼電器粘結(jié)失效。采用本工藝制備的銀鎳（10）材料如圖9、圖10 所示，由于觸點(diǎn)材料本身的致密度、硬度等力學(xué)物理性能更高，在測(cè)試環(huán)境下也有影響，但影響較小，觸點(diǎn)表面較干凈，沒(méi)有形成大量銀珠，因而沒(méi)有出現(xiàn)粘結(jié)失效的現(xiàn)象。

圖9 本工藝銀鎳（10）(動(dòng)觸點(diǎn))

圖10 本工藝銀鎳（10）(靜觸點(diǎn))

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)鎳粉表面改性處理，使得鎳粉的表面更加圓潤(rùn)。

（2）通過(guò)對(duì)鎳粉表面進(jìn)行化學(xué)處理，改善了銀粉鎳粉間的界面，不再是簡(jiǎn)單的機(jī)械接觸。

（3）采用本工藝制備的銀鎳觸頭材料，能夠改善銀鎳材料的加工性能，尤其是延伸率有較大的提升。

（4）采用此工藝制備的銀鎳材料，電氣性能更加優(yōu)良。