制粒工藝對AgWC(12)C(3)電觸頭材料性能的影響

費家祥， 孔欣， 魏慶紅， 郭仁杰， 萬岱， 宋林云

（浙江福達合金材料科技有限公司，浙江溫州 325025）

0 引言

粉末冶金燒結工藝制成的AgWC(12)C(3)電觸頭因具有良好的抗熔焊性和導電導熱性，代替擠壓型AgC(5)，作為靜觸頭，通常與動觸頭AgW(50)或AgWC(40)配對，廣泛應用于額定電流63 A及以上的各類斷路器中。JB/T 7779-2008《銀碳化鎢(12)石墨(3)電觸頭技術條件》規定了AgWC(12)C(3)電觸頭材料的硬度、密度、電阻率、成分和金相等技術要求和檢測方法。GB/T 14048.2—2020《低壓開關設備和控制設備第2部分：斷路器》中規定了斷路器的電壽命、溫升、短路分斷能力等要求。以額定電流250 A的塑殼斷路器為例，標準要求電壽命不少于1000次，但近年來，隨著市場對斷路器性能要求的不斷提高，很多斷路器生產廠家都在研發具有更高電壽命的斷路器，如250 A塑殼斷路器，部分廠家對電壽命的要求達到8000次。電壽命試驗時，通常情況下電弧更多地侵蝕靜觸點，因此要提高斷路器的電壽命，必須要提高靜觸點的性能。

AgWC(12)C(3)電觸頭采用粉末冶金燒結工藝制造，制粉和燒結是影響其性能的關鍵工序，相關研究表明，化學包覆和真空燒結可明顯改善AgWC(12)C(3)觸頭的性能[1～2]。本研究主要從制粒工藝對AgWC(12)C(3)材料性能的影響進行探討。

1 試驗

1.1 AgWC(12)C(3)粉體制備

采用化學包覆法制備AgWC(12)C(3)粉體。原材料為Ag板：純度＞99.9%；Ag粉：-200目，純度＞99.9%；WC粉：費氏平均粒度3 μm；C粉：激光粒度d505 μm～7 μm，純度＞99.5%。

Ag板、WC粉和C粉按85∶12∶3質量百分比配料。將Ag板用50%硝酸溶液溶解得到硝酸銀熔液，往溶液中加入氨水，然后加入WC粉和C粉，邊攪拌邊加入水合肼，還原出的銀包裹住WC粉和C粉形成沉淀，將沉淀清洗烘干后得到AgWC(12)C(3)包覆粉。

1.2 AgWC(12)C(3)粉體制粒

將上述AgWC(12)C(3)包覆粉分成3份，記為1#、2#和3#包覆粉，分別采用燒粉制粒、摻膠制粒和干法制粒制備出具有一定流動性的AgWC(12)C(3)混合粉。

燒粉制粒：將1#包覆粉用馬弗爐在氨分解氣保護下850 ℃恒溫燒結2 h，冷卻后，用搖擺式顆粒機強制過40目篩，得到1#AgWC(12)C(3)粉。

摻膠制粒：將粉末黏合劑加熱溶解到異丙醇溶劑中制得膠水，均勻摻入2#包覆粉中，膠與粉的比例約為1∶100，真空烘干后，過40目篩，得到2#AgWC(12)C(3)粉。

干法制粒：將3#包覆粉裝入膠套進行等靜壓壓錠，10 MPa壓力下保壓10 s，將錠子敲碎后，用搖擺式顆粒機強制過40目篩，得到3#AgWC(12)C(3)粉。

1.3 樣品制作

將上述3種制粒粉體采用完全相同的制備工藝分別得到1#、2#和3#樣品。工藝流程如圖1所示，主要工藝參數如表1所示。

表1 AgWC(12)C(3)樣品制備主要工藝參數

圖1 AgWC(12)C(3)樣品制備工藝流程

1.4 性能檢測

按GB/T 5586《電觸頭材料基本性能試驗方法》，用數顯布氏硬度計檢測樣品的硬度；根據阿基米德原理用電子密度計檢測樣品的密度；根據雙臂電橋原理用直流低電阻測試儀檢測樣品（尺寸50 mm×10 mm×2 mm）的體積電阻率；用萬能試驗機檢測樣品的抗彎強度；用FEI場發射掃描電鏡觀察樣品的斷口形貌；根據GB/T 26871《電觸頭材料金相試驗方法》，用金相顯微鏡觀察樣品的金相組織；最后將樣品焊接后組裝到250 A塑殼斷路器中測試其電性能。

2 結果與分析

2.1 力學物理性能

三種制粒工藝分別對應三款樣品，分別記為1#樣—燒粉制粒、2#樣—摻膠制粒和3#樣—干法制粒，其力學物理性能如表2所示。

表2 不同制粒工藝制備的AgWC(12)C(3)樣品的力學物理性能

從表2數據可以看出，采用三種不同的制粒工藝制備的AgWC(12)C(3)樣品，硬度和密度差別不大，但電阻率和抗彎強度差別較大。電阻率方面，1#樣＞2#樣＞3#樣，與1#樣相比，3#樣電阻率降低了9.7%；抗彎強度方面，1#樣＜2#樣＜3#樣，與1#樣相比，3#樣的抗彎強度提高了23%。

作為斷路器的靜觸頭，相同材質的情況下，電阻率越低，相應的斷路器的溫升會更低；在滿足抗熔焊能力的前提下，相同材質和相同生產工藝的材料，抗彎強度越高，相應的斷路器的電壽命會更高。據此可對三種制粒工藝制備的樣品靜態性能進行對比：3#樣優于2#樣，2#樣優于1#樣。

2.2 金相組織

三款樣品金相顯微照片如圖2～4所示。

圖2 1#樣金相-燒粉制粒

圖3 2#樣金相-摻膠制粒

圖4 3#樣金相-干法制粒

圖2～4所示的金相顯微組織都比較均勻，這是化學包覆法制粉的優勢。另外從圖中可以看到1#樣和2#樣存在少量氣孔，孔徑約20 μm，3#樣無明顯氣孔。從金相上不能直觀反映出制粒工藝對產品性能的影響。

2.3 斷口形貌

三款樣品抗彎強度檢測后的斷口形貌如圖5～7所示。

圖5 1#樣斷口形貌（燒粉制粒）

圖6 2#樣斷口形貌（摻膠制粒）

圖7 3#樣形貌（干法制粒）

從圖5～7所示的斷口形貌對比來看，1#樣斷口有較明顯的顆粒狀，說明1#樣燒結程度低，銀與銀沒有充分結合，因此它的電阻率高、抗彎強度低（見表2）。與之相比，3#樣斷口呈現光滑的細小顆粒，說明3#樣燒結程度高，銀與銀結合充分，這也是它電阻率明顯更低，抗彎強度明顯更高的原因。2#樣斷口介于兩者之間，它的電阻率和抗彎強度也是介于兩者之間，說明2#樣燒結程度介于兩者之間。

從以上力學物理性能、金相組織及斷口形貌對比可見，三種制粒工藝制備的樣品在靜態性能上，干法制粒優于摻膠制粒，摻膠制粒優于燒粉制粒，直觀表現在電阻率和抗彎強度的差別上，根本原因在于燒結程度不同。分析認為，燒結程度不同是由于粉體的燒結活性不同導致的，燒粉制粒工藝由于采用高溫燒結粉體，顆粒長大后相互結合形成團聚，比表面積降低，使粉體的燒結活性大幅降低；干法制粒工藝由于粉體未經高溫加熱，顆粒與顆粒之間僅通過機械嚙合達到制粒目的，燒結活性高；而摻膠制粒工藝雖然未經高溫燒結使其活性下降，但由于膠分解后總是會存在殘留，甚至會產生閉孔使膠分解的氣體不能徹底排出，從而降低了其燒結活性。

2.4 電性能試驗

將三款樣品（厚度2.5 mm）焊接后組裝到國內某知名品牌250 A塑殼斷路器上進行電壽命測試，動點為熔滲工藝制備的AgW(50)電觸頭。1#樣電壽命4479次后失效，2#樣電壽命5980次后失效，3#樣電壽命8000次仍未失效。電壽命的試驗結果也印證了上述力學物理性能反映出的靜態性能對比結果。需要說明的是，硬度和抗彎強度的比較只有在同種材質（包括粒度）、同種加工狀態的前提下才有意義，因為原材料的粒度、產品的軟硬態都會影響產品的硬度和抗彎強度。

3 結論

（1）采用不同的制粒工藝制備的AgWC(12)C(3)電觸頭，其密度和硬度差別不大，但電阻率和抗彎強度存在較明顯差別，綜合性能對比，干法制粒優于摻膠制粒，摻膠制粒優于燒粉制粒。

（2）采用不同的制粒工藝制備的AgWC(12)C(3)電觸頭，其電壽命差別明顯，干法制粒優于摻膠制粒，摻膠制粒優于燒粉制粒。

（3）與燒粉制粒相比，采用干法制粒制備的AgWC(12)C(3)電觸頭，其電阻率降低了約9.7%，抗彎強度提高了約23%，電壽命提高了78%以上。