觸點制造過程表面膜電阻對接觸電阻的影響

張 強，蔡旭龍，王建宏

(1．寧波漢博貴金屬合金有限公司浙江寧波315221;2．溫州利爾德繼電器有限公司浙江溫州325604)

1 引言

一對觸點相接觸通過一定的電流時，其接觸界面及其附近必然會出現電壓下降，這時的電阻叫接觸電阻。大量實驗和研究證明，接觸元件在接觸過程中產生的接觸電阻由收縮電阻和膜電阻二部分組成。一對閉合觸點沒有接觸電阻是不現實的，但如何使觸點的接觸電阻控制在可接收的范圍，并長時間保持穩定的低電阻，是衡量觸點性能的一個基本而重要的指標，它將直接影響電器元件的電性能和接觸可靠性。

2 觸點材料和接觸電阻

觸點材料本身的特性參數對接觸電阻的影響，主要與材質、成分、硬度有關，如不同材質的電阻率大小，銀成分的含量比例及材料的化學穩定性，直接影響接觸電阻的大小和穩定性。其次接觸電阻與硬度成正比，同一類材質觸點硬度高的觸點比硬度低的觸點接觸電阻高。材料本身的特性可通過新材料的研發，如在銀基材料中加入某些微量元素，提高電觸點材料自身的抗腐蝕能力等途徑來解決，在此不作詳細闡述。

3 觸點制作過程表面膜電阻

表面膜電阻是觸點表面因外來物污染和化學腐蝕等原因，而形成的一層導電性很差的物質，根據其形成的原因或化學成分，觸點制造過程表面膜大致可分為三種:即有機污染膜、無機污染膜和微粒污染膜。本文將重點闡述觸點表面膜層電阻對接觸電阻的影響。

4 有機污染膜

有機成分的表面膜通常是吸收周圍氣氛中的有機蒸汽而形成的，是一種物理吸附。這種薄膜和金屬表面的結合力較弱，任何金屬的表面暴露在大氣中，在很短的時間內就能產生這種氣體分子的吸附層，厚度一般有幾埃到幾十埃，由于具有物理結合特征，所以只能承受很小的壓力，在高接觸壓力下，吸附膜就會破裂。因此，有機吸附膜對接觸電阻影響較小。

5 無機污染膜

無機污染膜是一種氣體原子和金屬原子的化學結合物，如各種氧化物、硫化物、氯化物等就是這種無機膜。由于無機膜的電阻率高而且與金屬原子的結合力大，在高接觸負載下也可以保持不破裂。因此，無機膜產生的電阻比收縮電阻要大很多倍。也就是說，電觸點材料因化學腐蝕產生的無機膜是影響接觸電阻的主要原因之一。

大量實驗證明，觸點無機膜的形成和增長速度與環境濕度、溫度及時間有密切關系。如以應用最廣泛的純銀或銀基材料觸點材料為例，銀雖然在常溫中不易被氧化，但銀在貴金屬中最易被硫化，與氣體介質中的H2S、SO2反應，生成Ag2S薄膜，將會引起接觸電阻紊亂性增大。圖1為在常溫20小時條件下，濕度對硫化銀薄膜形成的影響。結果顯示，腐蝕程度與濕度成正比，但在低濕環境下增長速度緩慢，當相對濕度大于60%RH以上時，腐蝕量開始急劇增加。圖2為在207℃空氣中氧化銅和硫化銀薄膜的長大與時間的關系。結果顯示，氧化銅和硫化銀薄膜的長大均與時間成正比。硫化銀薄膜的厚度不一樣，顏色也不一樣，硫化銀薄膜的厚度和顏色如表1所示。

圖1 常溫下濕度對銀薄膜形成的影響

圖2 高溫下薄膜的長大與時間的關系

觸點在加工過程中無機污染膜的產生，主要來源于后處理工序、觸點分選工序和觸點的儲存環境。如后處理有酸洗工序，酸洗后的觸點殘留液未清洗干凈，或酸洗后觸點未及時干燥并流轉，均會受到酸性氣氛的腐蝕，而在外觀分選工序，潔凈的觸點有可能長時間暴露在空氣中，就必然會受到氣氛和灰塵的污染，特別是不良的儲存環境對膜電阻的形成影響也很大，往往潔凈的觸點放在空氣中或在庫房中儲存一段時間后，再檢查就發現接觸電阻不合格，這就是因為金屬與空氣中的氧、硫化氫進行化學反應，形成了金屬化合物薄膜，即金屬被腐蝕。

表1 硫化銀薄膜的厚度和顏色

鈍化膜的影響:鈍化處理是后處理工序最后一道工藝步驟，也是關鍵的一步。其目的是在觸點表面形成一層極薄的具有導電性能的防護膜，厚度一般在幾十埃左右，鈍化膜實際上是一種無機金屬膜，可有效隔絕或延緩觸點材料在空氣中的腐蝕，對穩定接觸電阻有明顯作用，但必須認識到鈍化膜并不能減少接觸電阻。相反，由于其電阻率高于銀的電阻率好幾倍，反而會增加接觸電阻。因此，無論是何種鈍化工藝，都必須嚴格控制觸點在鈍化液中浸泡的時間，避免形成過厚的鈍化膜。

6 微粒污染膜

微粒污染膜是由各種外來吸附、沉淀或鑲嵌在觸點表面上的異物形成的。微粒污染物幾乎來源于觸點制造的全過程，如冷鐓工序吸附或鑲嵌在觸點表面的銅屑、油污，熱處理工序后沉積或擴散在觸點表面的碳化物，后處理球磨工序中吸附、沉淀或鑲嵌在觸點表面上的磨料粉粒、銅屑，以及在分選、搬運、放置、存儲過程時落在觸點表面的灰塵等外來污染物。微粒污染物形成的膜電阻是影響接觸電阻的主要因素之一，其污染程度與后處理工藝和環境等密切相關。

6．1 熱處理前的預處理影響

熱處理是觸點冷鐓后必不可少的一道工序，目的是為改善觸點結合強度和調整硬度，而熱處理前保證觸點表面的潔凈非常關鍵，這是因為在觸點鐓制后，觸點表面常常吸附有大量雜質，如油污、銅屑、灰塵等，這些雜質在熱處理前只是以物理吸附的狀態浮著在觸點表面，用一般的金屬清洗劑即可去除，但如果不預先進行清洗或清洗不徹底而直接熱處理，這些雜質在觸點表面的存在狀態將發生變化，如油脂燃燒形成碳顆粒，銅屑或塵土中離子會向觸點材料基體擴散，一旦發生這些變化，后道工序去除這些附在觸點表面的雜質的難度會大大增加，甚至球磨拋光也難以去除干凈。

6．2 球磨拋光工序的影響

球磨拋光工藝一般分粗拋和精拋，目的是為了去除觸點周邊毛刺，消除觸點表面上的微觀凸峰，最終得到微觀平整的高亮光潔的接觸面。觸點球磨拋光時需加入某種固體磨料，如氧化鋁、氧化鎂、氧化硅等研磨顆粒，依靠觸點與磨料之間的相對磨擦來改善觸點表面狀況。但由于在拋光過程中必然會產生大量的磨料粉粒和銅屑粉粒，這些極細的粉粒雜質，極易吸附、沉淀在觸點表面上，其殘留量與觸點表面粗糙度和磨料種類有關，將嚴重影響接觸電阻。如圖3 SEM電鏡掃描顯示，成品觸點表面存在有多種元素的異物雜質，檢測結果表明這些異物為磨料粉粒和灰塵。圖4 SEM圖片為磨料粉粒污染物。特別是當觸點表面粗糙時，殘留在微觀縫隙中的粉粒雜質，在后道精拋和酸洗工序都不易去除。圖5為粗糙的觸點表面上銅粉殘留物。

圖3 電鏡成分檢測:觸點表面異物含有 O，Si，Mg，Al，K，Fe，Ti元素成分

圖4 觸點SEM圖片

圖5 粗糙的觸點表面上銅粉殘留物

圖6 SEM圖片:觸點表面塵土污染物

6．3 生產環境中灰塵的影響

空氣中灰塵含有硅、鋁、鎂、鐵、鈉、鉀、鈣等成分，這些聚集在觸點表面的塵土形成的微粒污染膜，導致觸點有效接觸面積減小，接觸電阻增大。灰塵的污染在后處理清洗工序相對容易去除，關鍵是后處理以后防止灰塵的再污染不容忽視，特別要注意后處理完工的成品觸點要及時流轉，觸點分選工序、存儲過程中，要盡量避免觸點長時間暴露在空氣中。生產過程中，觸點極易受到灰塵的污染，用掃描電鏡和x射線能譜儀檢測，失效產品的觸點表面幾乎都有被塵土污染，如圖6 SEM圖片為觸點表面塵土污染物。

6．4 微粒污染物的局部原電池現象

聚集在觸點表面的銅屑、磨料及灰塵粉粒污染物，存在很大的質量隱患，當在一定的高濕環境條件下，這些微粒的某些成分會熔于水，在接觸表面形成電解液，與基底金屬發生反應，即造成局部原電池現象，形成電化學腐蝕。腐蝕主要發生在兩種不同金屬相互接觸的邊線附近。如鑲嵌在觸點表面的銅屑微粒，在高濕環境下，銅屑極易形成電解質溶液，較活潑的銅電子將向銀方向移動，即發生局部原電池現象，隨著時間的增長，銀觸點的腐蝕加劇，嚴重時將產生銅綠，使觸點接觸電阻明顯增加和不穩定。

7 穩定接觸電阻的預防對策

由以上分析可知，影響接觸電阻的因素諸多，因此解決接觸電阻問題是個相當復雜的系統工程。但最主要是如何避免和減少生產過程中微粒污染膜和無機污染膜的產生。從觸點生產工藝和環境控制方面考慮，可采取的預防對策很多，在此不一一列舉，僅舉以下幾點為例:

7．1 可在冷鐓機設備上安裝吹氣裝置，避免粘附在模具內的銅屑等異物鑲嵌在觸點上。

7．2 在熱處理工序前增加顯微鏡外觀觀察檢測點，可及時準確的判定預處理后觸點表面異物情況，確保熱處理后的觸點表面清潔無異物。

7．3 選擇正確的后處理球磨拋光磨料，如選用KC－1切削研磨材料，該磨料為氧化鐵粉磨料，具有硬度高、切削力強，不含Si、Mg、Al成分等特點，球磨時磨料一次性定量使用，球磨拋光后觸點表面平整光滑，明顯優于常規磨料。目前許多廠家從降低生產成本角度考慮，仍使用傳統的石英砂、剛玉類光飾磨料，則必須注意對磨料進行清洗和控制使用次數。

7．4 實現后處理清洗自動化，淘汰落后的手工操作方式，是生產工藝技術的一大進步。如在后處理粗拋后選用自動清洗設備清洗，可做到酸洗、清洗、鈍化、干燥等工藝參數的量化及封閉式操作，生產現場無酸性氣氛，清洗質量的一致性、鈍化膜厚度可有效控制。最大程度的減少了人為因素造成的清洗質量不穩定現象。

7．5 調整分選工序流程是十分有效的工藝措施之一，即將原來最后一道分選工序，調整到在后處理精拋工序之前進行，這樣即可以去除分選工序產生的各種觸點污染，同時又確保后處理結束后可立即進行真空包裝，大大縮短了成品觸點在空氣中的暴露時間，減少觸點被環境污染的機會。

7．6 建立干凈整潔的生產現場和干燥、通風、防塵的庫房存儲環境，是必不可少的基礎工作。對存儲環境重點是關注環境濕度的控制，由于材料在發生電化學腐蝕時都有一個臨界濕度，高于這個臨界濕度時腐蝕速度會急劇加快，尤其在南方的梅雨季節，環境相對濕度往往高達80%以上，金屬被化學腐蝕的風險概率非常大。因此要求庫房濕度必須控制在臨界濕度以下，即存儲環境的相對濕度至少保持在60%以下。

下圖7、圖8、圖9、圖10為整潔的生產現場。

圖7 整潔的觸點冷鐓生產現場

圖8 整潔的觸點后處理球磨拋光現場

圖9 整潔的觸點分選現場

圖10 封閉式觸點自動清洗設備現場

8 結束語

合理、先進的后處理工藝，良好的生產環境，是有效消除觸點表面污染，提高接觸電阻穩定性的關鍵途徑，觸點小而穩定的接觸電阻，是衡量和體現觸點生產商的生產工藝水平和質量控制水平的重要指標。