銀氧化鎘材料退火狀態對氧化物聚集改善效果的研究

羅寶峰， 陳潺， 繆仁梁， 楊文濤， 劉占中， 萬岱

（浙江福達合金材料科技有限公司，浙江溫州 325025）

0 引言

觸頭材料是電器開關的關鍵功能材料，其質量直接影響著電器的使用壽命及工作可靠性。在低壓電器領域廣泛使用的銀金屬氧化物系觸頭材料，主要采用合金內氧化法生產，其中應用最為廣泛的為銀氧化鎘材料。內氧化工藝生產銀氧化鎘材料，先通過熔煉、擠壓、軋制和沖制制成銀鎘合金觸點，再在高溫、高壓環境下將其氧化，隨著氧氣向內滲透，氧化物顆粒首先在氧化前沿出現，然后向垂直于氧化前沿的方向增長。

內氧化過程中銀氧化鎘金相組織會出現金相聚集缺陷，這種缺陷是多種因素導致的。缺陷一般有兩種產生形式：一是在熔煉澆鑄后的合金組織中，鎘未完全分散于銀基體中，存在面積較大的鎘聚集區域，氧化后該處形成片狀氧化物聚集缺陷組織；二是合金氧化時氧優先沿晶界擴散，在晶界優先析出氧化物，當氧化前，合金組織中存在明顯晶界缺陷時，晶界上富集的氧化物會增多，嚴重的會形成連續的條狀氧化物聚集。而晶界缺陷一方面是由于其沖制形變前材料內部本身存在氣孔、縮孔或疏松缺陷；另一方面則是由于材料冷加工軋制變形后，晶格會發生畸變，晶粒被破壞、破碎或拉長，晶粒間發生相對滑移，同時產生加工硬化現象，使材料的硬度、強度增加，而延展性和塑性降低。當退火溫度或時間滿足不了其完全再結晶的要求時，料帶退火后不能完全消除冷加工硬化，晶粒未完全再結晶，不能達到改善成型塑性的目的，在沖制形變后，晶格間形成微裂紋等缺陷。諸如氣孔、縮孔、疏松或微裂紋等缺陷，在后續內氧化過程中，極易形成金相氧化物聚集缺陷。本研究主要通過試驗驗證不同退火溫度和時間對內氧化法銀氧化鎘材料沖制形變前晶粒再結晶效果、材料硬度和表面氧化層厚度的影響以及不同晶粒狀態下產品內氧化后晶界氧化物聚集情況，得出改善內氧化工藝銀氧化鎘材料條狀晶界氧化物聚集缺陷所需的優選退火方案。

1 不同退火溫度和時間對銀鎘合金材料晶粒再結晶效果的影響

1.1 試驗過程

（1）取同批次同厚度的銀鎘（15）合金材料，分別在450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃空氣氣氛中退火1 h，退火后金相組織對比見表1。

表1 銀鎘（15）合金材料在不同溫度條件下退火1 h金相組織

（2）取同批次同厚度的銀鎘（15）合金材料，分別在510 ℃、520 ℃、530 ℃、540 ℃空氣氣氛中退火1 h，退火后金相組織對比見表2。

表2 銀鎘（15）合金材料在溫度510 ℃～540 ℃區間退火1 h金相組織

（3）取同批次同厚度的銀鎘（15）合金材料，分別在450 ℃、500 ℃、550 ℃空氣氣氛中退火1 h、1.5 h、2 h，退火后金相對比見表3。

表3 銀鎘合金材料在不同溫度和時間條件下退火金相組織

1.2 試驗分析

通過上述對比試驗分析可以得出以下結論。

（1）在450 ℃～650 ℃之間保溫1 h的條件下，銀鎘（15）合金材料在溫度500 ℃以下退火，晶粒再結晶速度緩慢；在溫度500 ℃～550 ℃之間退火，晶粒再結晶速度隨溫度的升高而逐漸加快，退火溫度550 ℃時晶粒開始迅速再結晶；退火溫度高于550 ℃時，晶粒均完全再結晶，晶粒隨退火溫度的升高而逐漸變大。

（2）銀鎘（15）合金材料在退火溫度達到550 ℃以上時，晶粒在未完全再結晶時，增加退火時間，其晶粒再結晶比例增加，但增加效果有限；晶粒完全再結晶后，增加退火時間，其晶粒再結晶狀態變化不大。

2 退火溫度和時間對銀鎘（15）合金材料硬度的影響

2.1 試驗過程

取同批次不同初始硬度的銀鎘（15）合金材料，在空氣中以退火溫度和時間為變量進行交叉退火試驗，經試驗數據分析，得出銀鎘（15）合金材料退火后硬度變化趨勢如圖1～4。

圖1 銀鎘（15）合金材料在不同退火溫度條件下退火硬度的變化趨勢

圖2 銀鎘（15）合金材料在500 ℃條件下不同退火時間硬度變化趨勢

圖3 銀鎘（15）合金材料在550 ℃條件下不同退火時間硬度變化趨勢

圖4 銀鎘（15）合金材料在600 ℃條件下不同退火時間硬度變化趨勢

2.2 試驗分析

通過上述對比試驗分析可以得出以下結論。

（1）在一定溫度區間內，銀鎘（15）合金材料的硬度隨退火溫度的升高而呈線性下降趨勢。

（2）在一定溫度區間內，銀鎘（15）合金材料硬度隨退火時間的增加而逐漸減小，當達到一定退火時間后，退火硬度變化微小；隨退火溫度的增加，材料初始階段硬度的下降速率越快。

3 不同退火溫度和時間對銀鎘（15）合金材料表層氧化程度的影響

3.1 試驗過程

（1）取同批次相同厚度的銀鎘（15）合金材料，在空氣中以退火溫度和時間為變量進行交叉退火試驗。經試驗數據分析，得出銀鎘材料退火后表面氧化層厚度如圖5～8。

圖5 銀鎘（15）合金材料在不同退火溫度條件下表面氧化層厚度變化趨勢

圖6 銀鎘（15）合金材料在500 ℃不同退火時間條件下表面氧化層厚度變化趨勢

圖7 銀鎘（15）合金材料在550 ℃不同退火時間條件下表面氧化層厚度變化趨勢

圖8 銀鎘（15）合金材料在600 ℃不同退火時間條件下表面氧化層厚度變化趨勢

3.2 試驗分析

通過上述對比試驗分析可以得出如下結論。

（1）在一定溫度區間內，銀鎘（15）合金材料表面氧化層厚度隨溫度的升高而呈線性增加趨勢。

（2）在一定溫度區間內，銀鎘（15）合金材料表面氧化層厚度隨著退火時間的增加而呈線性增加趨勢。

（3）銀鎘（15）合金材料表面氧化層厚度會影響其沖制形變后的外觀質量，需進一步采用退火過程氣體保護或退火后表面打磨等方法進行控制。

經驗證，當退火后表面氧化層厚度超過10 μm時，沖制成型時邊緣自然倒角位置會出現裂紋（如圖9～12），影響產品外觀。在保證退火處理過程中鎘蒸汽不會擴散至焊接銀層表面形成銀鎘合金層的條件下，使用保護氣保護退火，銀鎘（15）合金表面無氧化層。

圖9 輕微裂紋金相

圖10 輕微裂紋外觀

圖11 嚴重裂紋金相

圖12 嚴重裂紋外觀

4 不同晶粒再結晶狀態下銀鎘（15）合金材料內氧化后晶界氧化物聚集情況

4.1 試驗過程

（1）取同批次相同厚度的銀鎘（15）合金材料，分別在450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃空氣中退火1 h，沖制同規格動觸點，沖制后在700 ℃、0.95 MPa條件下進行內氧化后，金相聚集對比如表4。

表4 銀鎘（15）合金材料在不同溫度條件下退火1 h氧化物聚集情況

（2）取同批次相同厚度的銀鎘（15）合金材料，在空氣中以退火溫度和時間為變量進行交叉退火，沖制同規格動觸點并在同樣的條件下進行內氧化試驗，經試驗數據分析，得出金相聚集對比如圖13～15。

圖13 銀鎘（15）合金材料在500 ℃不同退火時間條件下金相聚集比例變化趨勢

圖14 銀鎘（15）合金材料在550 ℃不同退火時間條件下金相聚集比例變化趨勢

圖15 銀鎘（15）合金材料在600 ℃不同退火時間條件下金相聚集比例變化趨勢

4.2 試驗分析

通過上述對比試驗分析可以得出如下結論。

（1）在一定退火溫度區間內，銀鎘（15）合金材料退火溫度越高，產品聚集比例越低，金相聚集尺寸越小。

（2）銀鎘（15）合金材料氧化物聚集比例隨退火時間的增加而減少，退火時間1 h內減少幅度較大，1 h后減少幅度有限。

5 結論

（1）在一定溫度區間內，隨退火溫度的升高，銀鎘（15）合金材料內部晶粒再結晶效果越明顯，材料硬度呈線性下降趨勢；材料內部晶粒達到完全再結晶狀態后，延長退火時間，材料硬度變化不大。

（2）在一定溫度區間內，隨退火溫度升高和時間的增加，銀鎘（15）合金材料表面氧化層厚度呈線性增加趨勢。

（3）銀鎘（15）合金材料內部晶粒再結晶的程度與其退火后的硬度相關，再結晶程度越高，退火硬度越低，材料加工塑性越好，材料沖制成型時其內部晶界間形成的微裂紋等缺陷越少，內氧化后晶界間析出的氧化物聚集比例越小。

（4）銀鎘（15）合金材料在空氣中退火，隨著溫度的升高和時間的增加，表面氧化層厚度呈線性增加，表面氧化層厚度越厚，沖制形變時邊緣圓弧角開裂的現象越明顯。

（5）在綜合考慮生產成本及產品質量的前提下，銀鎘（15）合金材料在空氣狀態下退火溫度設置在500 ℃～550 ℃保溫1 h～1.5 h為宜。若不考慮生產成本，改善高溫退火銀鎘材料間擴散及表面氧化后，在一定溫度范圍內，退火溫度越高銀鎘（15）合金材料內氧化晶界間聚集比例越少。