交流條件下銀氧化鋅觸頭材料應用研究

王美琪， 張秀芳， 金揚燈， 楊昌麟， 顏小芳， 柏小平

（福達合金材料股份有限公司，浙江溫州 325025）

0 引言

電觸頭是低壓電器中的關鍵元件，其性能直接影響到電器運行的穩定和可靠性[1]。在電接觸合金材料中，銀合金材料是最重要、貴金屬用量最大的電接觸材料。為了改善電觸頭性能以及達到節銀的目的，發展了一系列銀基電觸頭材料，包括AgCdO、AgSnO2、AgZnO、AgNi、AgW、AgC等。在眾多銀基觸頭材料中，由于AgCdO觸頭材料具有耐電弧、抗熔焊、耐電氣和機械磨損、耐腐蝕和低而穩定的接觸電阻等諸多的優點被廣泛應用，可以應用于電流從幾安培到幾千安培的多種低壓電器中，被稱為“萬能觸頭”。但是由于Cd有毒，在制造和使用過程中對人體構成危害，2006年6月起歐盟市場對AgCdO系觸頭材料全面禁用[2-3]。

AgZnO電觸頭材料作為AgCdO的替代材料之一是在20世紀60年代末、70年代初發展起來的一種環保型電觸頭材料。AgZnO電觸頭材料具有耐燒損、抗熔焊、耐電磨損、接觸電阻低且穩定等特性，同時具有抗大電流沖擊、分斷性能好、燃弧時間短、耐電腐蝕、無毒等特點，因此在空氣斷路器、漏電斷路器、小型斷路器、接觸器、切斷開關、轉換開關、保護開關等方面得到了應用[4-8]。合金粉末預氧化法生產環保型銀氧化鋅觸頭材料，其加工簡便，材料具有優越的電性能，是一種新型的觸頭材料，具有廣闊的市場前景[9]。

采用合金粉末預氧化工藝制備了不同銀含量的AgZnO合金粉末，進行等靜壓、燒結、擠壓、拉拔后得到同狀態規格的線材，對其機械物理性能、金相組織等進行了對比，分析了不同含量線材金相組織及機械物理性能的差異；對線材制打的整體鉚釘進行電性能測試，分析不同含量AgZnO觸頭材料的電性能表現，為該體系觸點材料的開發與應用提供參考。

1 試驗方法

試驗采用同批次99.99%銀板與99.99%Zn錠制備而成。采用合金粉末預氧化法制備樣品，經霧化制粉、合金粉體預氧化、等靜壓、燒結、擠壓、拉拔等工藝加工成線材，對線材機械物理性能進行檢測對比分析；制打成整體鉚釘，鉚釘規格為：動點R3×0.5(0.25)+1.5×0.6SR10靜點F3×0.6(0.25)+1.5×0.6E，組裝成繼電器，在AC 250 V/10 A條件下進行電壽命驗證。

采用TH2512B型智能電流低電阻組測試儀檢測樣品的電阻；采用L150金相顯微鏡分析材料的金相組織；采用DHV-1000Z視頻型顯微硬度計硬度計測量樣品硬度；采用電子萬能試驗機測量樣品抗拉強度；采用掃描電鏡(SEM)觀察試樣的顯微組織形貌和鉚釘樣品經試驗后的表面形貌；采用交流阻性負載試驗系統進行電壽命驗證。

2 結果與分析

2.1 金相組織分析

圖1為不同ZnO含量AgZnO(8)、AgZnO(10)、AgZnO(12)成品絲材橫、縱截面金相組織（a、b為AgZnO(8)，c、d為AgZnO(10)，e、f為AgZnO(12)）。對比可以看出，合金粉末預氧化法可以成功制備組織均勻的AgZnO(8～12)，ZnO在Ag基體中彌散均勻分布，但存在極少ZnO聚集。隨著ZnO含量的增加，單位面積上ZnO顆粒增多，材料內部顆粒聚集現象有增加的趨勢，但整體組織分布仍較為均勻。

2.2 機械物理性能分析

圖2為AgZnO(8)、AgZnO(10)、AgZnO(12)直徑1.920 mm退火狀態下的絲材機械物理性能分布概率。圖2(a)為其電阻率分布概率，可以看出，隨著ZnO含量的增加，其電阻率有明顯增大趨勢。銀金屬氧化物觸點材料電阻率由材料成分、氧化物體積分數、粒徑及其在Ag基體中的分布狀況等參數控制[10]。隨著ZnO含量的增加，ZnO體積分數增大，顆粒界面增多導致材料內部電子散射增大，材料體電阻逐漸增大；圖2(b)為其硬度分布概率，可以看出，隨著ZnO含量的增加，硬度有明顯增大趨勢。這是因為分布在Ag基體中金屬氧化物含量升高，顆粒彌散強化效果增強的效應。同理，彌散強化導致抗拉強度有明顯增大趨勢，如圖2(c)所示。綜合得出，隨著AgZnO材料中ZnO含量的增加，材料的電阻率、硬度及抗拉強度存在明顯的變大趨勢。

2.3 電壽命驗證

使用直徑1.920 mm退火狀態下的絲材制打鉚釘，鉚釘規格動點（R3×0.5(0.25)+1.5×0.6SR10）靜點（F3×0.6(0.25)+1.5×0.6E），對鉚釘進行后處理，鉚接后組裝成繼電器進行電壽命驗證。試驗測試條件如表1所示。圖3為AgZnO(8)、AgZnO(10)、AgZnO(12)三種材料繼電器電壽命數據?？梢钥闯?，在250 V、10 A條件下，在95%置信區間內，AgZnO(8)材料的電壽命最長，電壽命平均值為202 029次；AgZnO(10)材料的電壽命介于AgZnO(8)與AgZnO(12)之間，電壽命平均值為149 941次；AgZnO(12)材料的評價電壽命次數最少為98 665次。

表1 實驗條件/參數

圖3 AgZnO(8)、AgZnO(10)、AgZnO(12)觸點電壽命概率圖

綜合對比，在20 A以內小電流條件下,三種材料均可滿足10萬次電壽命要求，但隨著AgZnO觸點材料中ZnO含量的增加，其觸點電壽命呈下降趨勢。

2.4 失效觸點外觀分析

觸點閉合分斷過程中，由于電弧放電和焦耳熱的影響，致使觸點接觸面局部經歷熔化、凝固過程，造成觸點不能正常斷開的現象即為觸點的熔焊[10]。圖4為250 V/10 A條件下失效觸點外觀及能譜成分。圖4(a、d、g)分別為AgZnO(8)、AgZnO(10)和AgZnO(12)的壽命末期觸點外觀形貌SEM照片。圖4(b、e、h)分別為對應的失效位置，圖4(c、f、i)為失效區域能譜成分數據。對比可以看出，AgZnO(8)觸點失效位置處于觸點邊緣，該區域含有高含量Cu元素，觸點在壽命末期銀層已損耗完，銅層參與接觸，最終導致觸點熔焊失效。AgZnO(10)觸點失效位置靠近觸點邊緣，該區域含有高含量Cu元素。AgZnO(12)失效位置位于工作面內部，粘結位置含有高含量Cu元素。隨著觸點材料中ZnO含量的增加，其熔融狀態下熔池的粘度增大，不利于流動，失效位置存在由觸點工作面外側向內部移動的趨勢。

圖4 250 V/10 A條件下失效觸點外觀及能譜成分

觸點在閉合、斷開過程中表面發生電弧侵蝕，即觸點在電弧作用下因局部過熱導致材料的蒸發和噴濺所帶來的材料損耗。電弧侵蝕實質上就是觸點表面發生快速加熱、熔化、汽化、流動、凝固等物理冶金過程，導致觸點表面產生軟化、噴濺、流動、裂紋等現象[10-12]。觸點電弧侵蝕主要受熔化、氣化和凝固過程影響。熔化過程，觸點表層微區熔化后改變原有的組織結構，熔化了的金屬在電弧作用力及機械力等的驅動下，以一定的流速流動，產生噴濺，造成材料損耗[10]。

從圖4(a、d、g)可以看出，AgZnO(8)試驗后觸點表面燒蝕較為平整均勻，存在少數孔隙，工作面周圍噴濺物較多，堆積在觸點周圍。因試驗次數最多，故噴濺嚴重，導致觸點工作面銀層完全損耗，銅層參與接觸后導致失效。AgZnO(10)試驗后觸點表面存在明顯孔隙，觸點周圍存在較少噴濺物；AgZnO(12)試驗后觸點工作面嚴重開裂，銅基體熔化噴濺至工作面導致熔焊失效。對比圖4(a、d、g)可以看出，隨著ZnO含量的增加，觸點失效表面開裂趨勢增大，這是由于觸點冷卻收縮引起。電弧熄滅后，觸點表面迅速冷卻，表面熔池發生凝固，由液相轉變為固相，表面發生凝固收縮。有研究表明，銀金屬氧化物觸點表面形成的裂紋及孔洞，必然引起表面區域結構疏松，進而使電弧侵蝕量加大，接觸電阻升高[10]。隨著ZnO含量的增加，其裂縫及孔隙趨勢增大，電弧侵蝕量大，接觸電阻變高，溫升異常，內部結構疏松導致觸點失效。

綜合對比得出，隨著ZnO含量的增大，AgZnO(8-12)觸點材料失效時接觸位置由外部向工作面內部靠近，觸點表面裂紋、孔隙趨勢增加，導致觸點電壽命減小。

3 結論

合金粉末預氧化法能成功制備ZnO含量8%～12%的電接觸材料，隨著ZnO含量的增大，電阻率、硬度及抗拉強度呈增大趨勢，材料內部ZnO顆粒聚集現象有增加的趨勢；在20 A以內小電流條件下，隨著ZnO含量的增加，電壽命呈下降趨勢，AgZnO(8)材料觸點電壽命驗證表現最佳，可達20萬次以上；隨著ZnO含量增加，在電弧作用下，觸點表面開裂與孔隙趨勢增大，電壽命呈現減少趨勢。