AgW(65)觸頭材料斷口高溫高濕交變試驗性能研究

費玲娟，楊 輝，祁更新，沈 濤

（1.浙江大學 科研院，杭州 310000；2.溫州宏豐電工合金股份有限公司，浙江溫州 325000；3.浙江大學 材料科學與工程學院，杭州 310027；4.浙江大學 浙江加州國際納米研究院，杭州 310058）

引言

電觸頭即觸點或接點，在高、低壓電器開關、儀器儀表中作為電接觸元件，起著接通、分斷、導流、隔離等作用，是影響整個控制系統可靠性、穩定性、精確性及其使用壽命的關鍵元件之一。隨著社會科技及應用的發展，電子電器不斷更新換代，其對所選用電觸頭材料的相關性能如導熱導電性能、耐電弧燒蝕性能以及抗熔焊性能等，提出了更高的要求[1-8]。由于結合了銀的優良導電導熱性能，鎢的高硬度、高熔點以及高密度等特性，銀鎢(AgW)系觸頭材料具有較優的電壽命、耐電弧燒蝕性能以及抗熔焊性能，一直以來被廣泛應用于自動開關、大容量斷路器、塑殼斷路器等領域[9-14]。

在實際使用過程中，特別是當開關處于濕熱環境中，Ag與W的電位差較大，觸頭表面易發生電化學腐蝕，形成非導電層，導致觸頭間的接觸電阻劇增，甚至不導通，限制了AgW系觸頭材料的應用[15]。張家鼎等[15,16]研究發現在濕熱環境中由于Ag與W的電位差而導致AgW觸頭材料表面W被氧化腐蝕，形成以鎢酸鹽為主的氧化膜，同時表面粗糙度增加，通過添加鎳以及第四元素，發現腐蝕速率明顯降低。謝健全[9]采用粉末冶金法制備AgW(70)觸頭材料，制備出的觸頭材料密度為14.9 g/cm3～15.1 g/cm3，電阻率為3.6 μΩ·cm～3.8 μΩ·cm，同時200萬次機械壽命以及7周期的交變濕熱試驗亦能達到電力機車的使用要求。

考慮到材料表面狀態對AgW材料電接觸性能的影響較大，本研究通過采用不同介質進行球磨工序并研究在高溫高濕環境下材料斷面成分及物相的變化，探究球磨分散介質對材料抗氧化性能的影響。

1 試驗方法

將Ag粉(200目，純度99.95%)、W粉(300目，純度 99.99%)、Ni粉(300 目，純度 99.99%)按質量比20%∶79%∶1%稱取，手動攪拌后裝入混粉機進行混粉，然后將混合均勻后的粉體分為兩份，分別裝入兩個球磨罐進行球磨，球磨分散介質分別采用去離子水與無水乙醇、球磨結束后從球磨罐中取出粉體烘干，過100目篩，加入PVA膠水進行制粒，加膠比例為5%，將制粒后的粉體裝入Φ12 mm鋼模中壓制成厚度為2 mm的樣塊，脫膠后將樣塊加銀片熔滲，熔滲后將樣品進行表面處理。

采用日立SU1510場發射電子顯微鏡（FSEM）觀察微觀形貌及結構并統計電接觸材料內部顆粒以及熔滲通道分布，結合X射線能量色散譜儀（EDS）分析試樣微區元素成分；采用上海奧龍星迪檢測設備有限公司HBRVU-187.5型硬度儀檢測樣品硬度；采用梅特勒-托利多XS 104型精密分析天平測試密度（排水法）；采用化學滴定法測試樣品銀含量；采用XRD衍射分析儀分析試驗后的樣品微區物相；采用廣州五所環境儀器有限公司EL-10KA型溫濕度可控烘箱測試高溫高濕交變，測試流程為：樣品裝入烘箱，將烘箱溫度0.5 h內升至70℃，濕度95%以上，保持12 h，再將烘箱溫度降至-20℃，停止加濕，保持12 h。將樣品在此環境下如此循環3次后，檢測樣品斷面形貌及成分物相。

2 試驗結果及分析

2.1 測試前性能

兩種工藝條件制備的樣品的銀含量及物理性能如表1所示，兩種球磨分散介質制備的銀點在銀含量及物理性能略有不同，但無較大差異。圖1為試驗前不同工藝制備的AgW(65)材料斷面氧化前后掃描電鏡以及能譜圖。從圖1可以看出，兩種不同工藝制備的AgW(65)材料斷面微觀結構中均未發現較大孔洞、銀或鎢聚集等異常。在AgW(65)材料微觀結構中，W顆粒被Ag熔液所包裹且相互隔離，未發現異常長大的W顆粒。相對去離子水濕磨后的材料，酒精濕磨后的材料斷面銀通道分布更為均勻，這可能是由于酒精分子極性小于水分子，對于分散在其中的粉體顆粒來說，團聚的可能性更小，從而分散更為均勻。從能譜分析中可以看出，兩種不同工藝制備的AgW(65)材料斷面成分略有不同，但主要元素均為Ag與W，無明顯的O元素，表明未進行高溫高濕交變試驗測試前材料斷面未有氧化或氧化程度較低。

表1 不同工藝制備的AgW(65)物理性能及銀含量

圖1 試驗前AgW(65)材料斷面氧化前后掃描電鏡以及能譜

2.2 高溫高濕斷口分析

圖2為高溫高濕交變試驗后不同工藝制備的AgW(65)材料斷面氧化前后掃描電鏡以及能譜圖。在進行高溫高濕交變試驗后，兩種工藝制備的AgW(65)材料斷面的成分以及形貌都差異較大，采用去離子水濕磨后的AgW(65)材料(c)，試驗前斷面主要元素含量與酒精濕磨樣品相近，但試驗后斷面出現層疊交錯的片狀物質，與其它樣品差異較大。通過能譜分析發現該物質主要為W、O元素，Ag元素含量較低，而采用酒精濕磨后的AgW(65)材料(d)，試驗后斷面的主要元素依舊為Ag、W，同時O元素含量有所增加。

圖2 高溫高濕交變試驗后AgW(65)材料斷面掃描電鏡以及能譜

圖3為試驗后AgW(65)材料斷面微區的XRD，樣品(c)斷面的片層狀物質可能含有多種物相，主要物相為鎢酸銨類，(NH4)10W12O41與(NH4)2WO4·xH2O，以及少量的Ag2WO4。而樣品(d)斷面的主要物相為單質Ag、W，僅含有少量(NH4)2WO4·xH2O。這可能與粉體球磨過程中的氧化程度有關，通過前期測試發現，采用去離子水作為介質，球磨后W可能存在一定程度的氧化，粉體氧含量最高達0.81%。而乙醇作為介質，粉體氧含量約0.02%。在熔滲前期，低溫還原階段，氧化程度較低的W顆?？杀籋2還原，而氧化程度略高的W顆粒可能僅有一定厚度的表面被H2還原，高溫致密度的變化導致氫氣在胚體中擴散難度增加，因此材料內部可能還是氧化狀態。在此情況下，兩種工藝制備的AgW(65)材料在高溫高濕環境中的電化學腐蝕程度發生明顯差異。

圖3 試驗后AgW(65)材料斷面微區XRD

3 結論

通過能譜檢測發現，在其他條件不變時，球磨介質的選擇對AgW(65)材料在高溫高濕環境下的抗氧化性能存在顯著的影響；采用去離子水濕磨后的AgW(65)材料斷面在高溫高濕環境下形成的片層狀結晶，主要物相為鎢酸銨類，(NH4)10W12O41與(NH4)2WO4·xH2O，以及少量的 Ag2WO4。采用乙醇濕磨后的AgW(65)材料斷面在高溫高濕環境下表現相對良好，主要物相為單質Ag、W，僅含有少量(NH4)2WO4·xH2O。