化學包覆與機械混合復合制備銀鎳材料工藝的研究

許福太，盤志雄，陳天來，鐘 華，溫國強

（佛山通寶精密合金股份有限公司，廣東佛山 528000）

引言

隨著現代工業的發展，銀基電觸頭材料作為電器產品中的核心元件，發揮著越來越重要的作用，應用范圍也隨之不斷擴展，應用性能要求更是不斷提高——觸頭材料在分斷過程中不能發生熔焊，不能產生過高的溫升；在接觸過程中保持低且穩定的電阻；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，具有低而穩定的接觸電阻，而且加工性能良好，被稱為“萬能觸頭”，活躍在各種小電流到大電流的開關、繼電器、接觸器等電觸頭器件中。但AgCdO 材料有一個致命性缺點，就是在使用過程中容易產生Cd 蒸氣，人吸入后會產生Cd中毒，影響身體機能，造成損害，而且影響環境。因此，歐洲的部分國家先后出臺法律法規，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，其具有良好的導電性和導熱性，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、成本低等優點，廣泛應用于高精密、高靈敏的通信、電子、汽車等行業和領域[5]。

但是銀和鎳之間不浸潤，采用常規粉末冶金法生產的銀鎳材料，銀與鎳之間的界面為簡單的機械接觸[6]，可加工性能隨著鎳含量的增加，則變得越來越差，在生產鎳含量較高的銀鎳材料時往往不可避免地出現周期性裂紋，不僅影響了材料的加工性能，而且還會進一步地影響材料的電氣性能。為此，研究采用化學與混粉相結合的方法，將過渡元素包覆在鎳粉的表面進行改性，以改善兩種粉末的界面，從而解決兩種粉末都不浸潤的問題。

1 試驗

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-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，利用置換反應使單質鋅、單質銅、單質銀或單質鑭中的一種或幾種包覆在Ni粉表面上。

對材料的各項性能進行測試以及金相組織和掃描電鏡觀察，并將其裝在繼電器上進行測試，通過了（10萬次）測試要求。

2 結果與分析

2.1 粉體表面處理前、后的形貌對比

圖1 為表面處理前粉體，由于鎳晶體為面心立方結構，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，經過轉換反應，鎳粉的表面均勻包覆了一層過渡元素，鎳粉表面的棱角減少，趨于圓潤。一方面，使得銀與鎳之間的界面不再是簡單的機械接觸，多了一層保護層；另一方面，處理后的鎳粉趨于類球形。這兩個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、后的粒徑對比

利用島津激光粒度儀，測量表面處理前、后粉體的粒徑，對比結果見表1。由表1 可以看出，通過表面處理后，鎳粉的粒徑變小，其原因可能是經過置換反應，在鎳粉表面包覆了一層過渡元素的同時，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）觸頭材料的力學物理性能對比

用傳統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條件》的要求測試各項性能，結果見表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單的機械接觸情況，改善了銀與鎳之間的浸潤性，進而改善了銀鎳（10）材料的可加工性能。

表2 不同工藝的銀鎳（10）材料電壽命對比

表2 不同方法制備銀鎳（10）的力學物理性能對比

2.4 金相組織對比

采用傳統的燒結擠壓工藝與本工藝分別制備銀鎳（10）材料，其金相組織見圖3～圖6。由圖3～圖6可見，相比于傳統工藝，本工藝制備的銀鎳（10）成品線材，在橫截面上，鎳質點更加細小；由于混粉與后續的工藝一樣，質點的均勻性方面，無太大的區別。

圖3 傳統工藝銀鎳(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比

將傳統工藝與本工藝制備銀鎳（10）線材，分別打制成同規格的復合鉚釘，裝配在繼電器上，使用河北工業大學制造的型式試驗平臺（型號：ACRL-40A阻性負載）進行電壽命測試。

2.5.1 電壽命對比

測試條件：AC250V/10A，通斷比1∶1，測試頻率30 次/min，純阻性負載，以測試達到10 萬次作為通過標準。測試結果見表3。由表3可以看出，采用本方法制備的銀鎳（10）在電壽命優于常規混粉法制備的銀鎳（10）材料，特別地，5組樣品不僅通過了10萬次的電壽命測試，而且都達到了12 萬次以上，電壽命更加穩定。

圖4 本工藝銀鎳(10)(φ2.40,橫截面)

圖5 傳統工藝銀鎳(10)(φ2.40,縱截面)

2.5.2 觸點表面形貌對比

圖7 與圖8 為傳統工藝制備的銀鎳（10）材料，測試失效的樣品。

圖7 傳統工藝銀鎳10(動觸點)

圖8 傳統工藝銀鎳10(靜觸點)

從圖中可看到，失效樣品的觸點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程中，產生的電弧造成環境與觸點表面的溫度持續升高，形成銀的熔池，鎳質點在分斷力的作用下，向觸點周圍飛濺，使得觸點表面的鎳含量減少，而銀的含量增多，造成繼電器粘結失效。采用本工藝制備的銀鎳（10）材料如圖9、圖10 所示，由于觸點材料本身的致密度、硬度等力學物理性能更高，在測試環境下也有影響，但影響較小，觸點表面較干凈，沒有形成大量銀珠，因而沒有出現粘結失效的現象。

圖9 本工藝銀鎳（10）(動觸點)

圖10 本工藝銀鎳（10）(靜觸點)

3 結論

（1）通過對鎳粉表面改性處理，使得鎳粉的表面更加圓潤。

（2）通過對鎳粉表面進行化學處理，改善了銀粉鎳粉間的界面，不再是簡單的機械接觸。

（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，電氣性能更加優良。