直流电弧对制备工艺和添加剂不同的Ag／SnO2触头材料的侵蚀研究

李 靖，侯月宾，李 恒，蔡 毅，陈光明，李耀林

（1.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101；2.桂林电器科学研究院金格公司，桂林 541004）

0 引 言

Ag／SnO2触头材料具有导电导热性好、接触电阻低而稳定、耐侵蚀性与抗熔焊性强等特点，在高低压电器中担负通断电流的作用［1］.

由于液银对SnO2的润湿性差，SnO2难以悬浮于液银熔池中，导致Ag／SnO2触头材料长期运行时温升过高，抗电弧侵蚀和抗熔焊性能不尽人意.为减小开关电器Ag／SnO2触头材料在高次数、连续操作中产生的高温，触头材料生产企业常常采用添加热稳定性好的微量添加剂的办法，来加强电弧作用下的粘度分散体系溶质、改善液银对SnO2的润湿性，以有效降低 Ag／SnO2触头材料的温升［2－3］.

本文利用西安交通大学研制的小容量ASTM触头模拟动作与电性能测试系统［4］，对直流14V、10A、灯负载条件下，利用雾化法、混粉法和化学法3种制备工艺生产的8种Ag／SnO2电触头材料，分别进行了对称性配对下45，000次连续性通断试验，测量了8种Ag／SnO2触头材料的质量、燃弧能量、熔焊力、燃弧时间、触头温度和接触电阻；用SEM和EDAX测量与分析了它们的表面形貌与微区组份，探讨了直流电弧对继电器条件下制备工艺和微量添加剂不同的Ag／SnO2触头材料的侵蚀性能.

1 主要试验设备的技术条件

本试验主电路自电源到负载，主要包括单相开关电源、小容量ASTM触头模拟动作与电性能测试系统以及单相试验负载阻抗等设备.

1.1 单相开关电源

其主要技术参数有输入电源三相交流50Hz、380V（±10%），输出单相交／直流0～50V、0～100 A，最大输出50V、100A、5，000W.

本试验电源电气参数采用直流14V、10A（稳态电流），电源阳极接动触头，阴极接静触头.

1.2 小容量ASTM触头模拟动作与电性能测试系统

该系统的主要技术参数包括模拟试验台动作频率60次／min，占空比45%；最小生弧电压10V，最小生弧电流0.7A；接触压力100g；触头间隙1.5 mm；熔焊力100g（若熔焊力连续5次大于设定值，判为失效）.

1.3 单相试验负载

该负载为交直流共用，具有电阻和电感值精度高、范围大的特点.直流下，阻性负载允许偏差±5%，功率因数0.99～1.0.

2 Ag／SnO2材料的制备工艺和微量添加剂

2.1 Ag／SnO2的3种制备工艺

制备Ag／SnO2触头材料的工艺较多［5］，本试验用Ag／SnO2触头材料由桂林电器科学研究院金格公司提供，分别采用混粉烧结挤压法（简称混粉法）、化学共沉积法（简称化学法）和雾化合金粉末预氧化法（简称雾化法）3种工艺制备，各制备工艺的工艺流程如下：

①混粉法：银粉＋氧化锡粉＋添加剂→混合→等静压成型→烧结→挤压→拉拔→退火→拉拔→加工铆钉→后处理→最终产品.

②化学法：硝酸银＋添加剂溶液→氧化锡＋沉淀剂→共沉淀反应→粉末清洗→粉末烘干→等静压成型→烧结→挤压→拉拔→退火→拉拔→加工铆钉→后处理→最终产品.

③雾化法：银粉＋氧化锡粉＋添加剂→熔炼→雾化→筛分→内氧化→球磨→等静压成型→烧结→挤压→拉拔→退火→拉拔→加工铆钉→后处理→最终产品.

2.2 Ag／SnO2微量添加剂

试验所用8种Ag／SnO2触头材料添加的微量氧化物添加剂有 WO3、Bi2O3、CuO与In2O3.添加剂WO3和Bi2O3的润湿性较In2O3好，但热稳定性较In2O3低得多［3］.

2.3 Ag／SnO2的编号及牌号

试验用Ag／SnO2触头材料的编号及牌号如表1所示.为分析方便，文中将用编号1＃至8＃分别代表8种试验触头材料.

每种试验用动触头（阳极）的尺寸均为3×0.8＋1.5×1.5R8（球面），静触头（阴极）均为3×0.8＋1.5×1.5F（平面）.钉头直径φ3mm，钉头厚度0.8mm，钉脚直径φ1.5mm，钉脚长度1.5mm.

3 试验方法

3.1 试验前期准备

①将各试验触头与支架铆接，固定，标号；②先对触头与支架进行超声波清洗与空气晾干，接着用万分之一克的电子天平称重.

3.2 试验

每隔1，000次，用小容量ASTM触头模拟动作与电性能测试系统获取、处理并用波形显示一次触头的接触电阻、电弧特性参数等参数值.

3.3 试验后期处理

连续试验完成后，先称重，再拍电镜照片、打能谱；然后分析处理试验系统获取的接触电阻等电弧特性参数.

表1 Ag／SnO2材料的编号及牌号

4 试验结果与分析

4.1 8种Ag／SnO2材料的抗电弧侵蚀性

触头材料抗电弧侵蚀性能取决于触头材料的质量变化［6］.试验用8种 Ag／SnO2动触头（阳极）、静触头（阴极）的平均质量（含触头支架质量）以及动静触头总损失率数据如表2所示.表中，数据前的正号表示质量增加、负号对应质量减少.

表2 直流14V、10A、45，000次连续通断试验后Ag／SnO2试验材料的质量变化及总损失率

分析表2相关数据，可知：

（1）尽管对称性配对的动触头（阳极）材料发生转移后，使2＃、3＃和8＃的静触头（阴极）质量出现了增加，但8种Ag／SnO2触头经45，000次连续通断试验后，材料各自总的质量均出现不同程度地减少.由数据可见，化学法制备8＃的抗侵蚀性最好，而雾化法制备的3＃材料最差.

（2）分析表2中总损失率的大小关系可见，动静触头材料所用“添加剂（制备工艺）”按总损失率由小到大排列，依次为：CuO（化学法）→CuO（混粉法）→CuO＋In2O3（化学法）→WO3（混粉法）→CuO＋Bi2O3（混粉法），CuO ＋In2O3（化学法）→CuO ＋Bi2O3（雾化法）→CuO ＋In2O3（雾化法）.可见CuO（化学法）是抗侵蚀性最佳的“添加剂（制备工艺）”.

（3）添加CuO的7＃材料的总损失率值很低，仅为同样制备工艺、添加CuO与Bi2O3的6＃的22%，且动静触头质量变化和总损失率亦很小，故其具有很强的抗电侵蚀性能.

4.2 电接触性能

触头材料电接触物理现象包括接触电阻、燃弧能量等［1］.本文用ASTM触头模拟动作与电性能测试系统获得了直流14V、10A、灯负载条件下，45，000次连续通断试验后，8种Ag／SnO2材料的“燃弧能量、熔焊力、燃弧时间、触头温度和接触电阻”等数据，结果如表3所示（说明：各数据均指平均值）.

表3 直流14V、10A、连续45，000次试验后Ag／SnO2试验材料的电接触性能参数

将表3数据，结合测得的8种Ag／SnO2材料电弧特征参数变化波形（因篇幅有限，略），可知：

（1）在相同制备工艺下，添加剂对燃弧能量值的影响不尽相同，如混粉法的1＃和6＃差异很大，雾化法则近乎相同.此外，SnO2含量的变化对电弧能量影响较小，如化学法制备的2＃与5＃.

（2）熔焊力受材料制备工艺影响较大.值最大的是用雾化法制备、添加CuO和In2O3的3＃，而值较小的是用化学法制备的2＃和5＃，其烧蚀表面存在大面积熔融的液银是主要原因.制备工艺按熔焊力由大到小顺序排列，为：化学法→混粉法→雾化法.

（3）燃弧时间最短的是混粉法制备、添加 WO3的1＃，添加CuO的7＃值亦很小，这都表明它们所受电弧侵蚀均较少.

（4）接触电阻值最小的，是用化学法制备、添加CuO的8＃和混粉法制备、添加CuO的7＃，原因是其表面因液银飞溅，使触头表面产生了大量孔洞.用化学法制备、添加CuO与In2O3的5＃接触电阻很高（是8＃的近24倍），且其燃弧时间长、触头温度较高.

5 表面形貌分析

用SEM观测的直流14V、10A、连续通断45，000次后的1＃至8＃动、静触头的表面形貌如表4所示.观察表4可见，8种Ag／SnO2触头材料经长期连续试验后，触头表面出现了诸如气孔、富银区、SnO2聚集区、裂纹等形貌.其中：

（1）在用混粉法制备的三种材料中，添加 WO3的1＃的静触头（阴极）表面出现了明显的旋流痕迹，动触头（阳极）表面留下了喷溅后的干涸烧蚀区，烧蚀较严重.对比其他7种材料的烧蚀表面积，可知其动、静触头的烧蚀面积是其所有材料中最小的，原因与钨骨架的高熔点有关，其致使材料表面熔融金属减少；在添加CuO与Bi2O3的6＃和添加CuO的7＃的静触头表面均出现了丘陵状熔融表面形貌，此形貌有利于全面改善材料电接触性能，抑制触头材料表面温升上升、降低接触电阻，使SnO2能均匀悬浮于液银中，从而保证分散体系粘性、提高抗电弧喷溅的能力.

（2）在用化学法制备的三种材料中，添加CuO与In2O3的2＃动、静触头表面均出现了大量液滴和浆糊状溢出物，伴有少量坑洞，这些形貌表明此触头材料的表面润湿性好.

在添加CuO与In2O3的5＃的动触头表面，因强烈喷溅作用，形成了一个盆形大坑，出现了本试验唯一的全满溢现象.结合表2可知，其动触头材料的损失大.

在8＃动、静触头的表面，局部都出现一些孔洞或喷溅烧蚀坑.其中，动触头（阳极）烧损区边沿因喷溅烧蚀出现了坍塌，形成大量球形小颗粒；整体表面呈现熔融状.结合表2数据可知，8＃触头材料的质量损失最少，说明CuO作为添加剂对提高其抗侵蚀性能帮助很大.

（3）在用雾化法制备、添加CuO与In2O3的3＃静触头（阴极）表面，呈现大面积熔融区及极少量的液球；在动触头（阳极）表面出现波浪形、层叠的片状熔融金属以及小液滴.

在添加CuO和Bi2O3的4＃动触头（阳极）整体表面出现部分满溢现象；静触头（阴极）呈现表面干涸的烧蚀区，局部有烧蚀孔洞；局部放大后的静触头（阴极）表面呈丘陵状熔融区，因润湿性强而无孔洞.

?

6 能谱分析

用JSM6460LV扫描电镜和EDAX能谱仪获取的8种Ag／SnO2触头材料部分特殊点的能谱如表5所示，分析如下.

?

（1）观察用混粉法制备、添加WO3的1＃静触头（阴极）表面的质量百分比（图1）发现，A、B两点5种元素的含量很接近，这表明此触头材料表面的润滑作用良好.由1＃动触头（阳极）的能谱（图2）可见，A处较B处银的含量多、锡含量少，但相差不大.

由添加CuO和Bi2O3的6＃静触头（阴极）质量百分比（图3）可见，银的含量，A处60%、B处30%；锡的含量，B处55%、A处25%，表明，1＃触头的侵蚀由液滴喷溅引起.

由添加CuO的7＃质量百分比（图5）可见，静触头（阴极）上烧蚀孔孔壁处银烧蚀较多，而其动触头在试验前后，因表面受电弧侵蚀较少而变化很小.

（2）由化学法制备、添加CuO与In2O3的2＃动触头（阳极）质量百分比（图6）可见，表面三个特殊点的材料组分变化明显，如B处银达40%（A、C处63%和56%），锡仅43%（A、C处23%和30%）.

由添加CuO的8＃的动触头（阳极）的质量百分比（图10）可知，A处与B处银分别为47%和78%，锡为38%与14%.

（3）雾化法制备的3＃和4＃两种Ag／SnO2触头材料表面润湿性好，有大片的熔融区，抗熔焊性较低，但抗电弧喷溅能力较强.添加CuO与In2O3的3＃静触头（阴极）亦因试验前后触头表面电弧侵蚀很少，其能谱数据为试验起始时触头材料的能谱.在动触头（阳极）质量百分比（图12）中，A处与B处银分别为85%和75%，锡为70%与52%.

在添加CuO和Bi2O3的4＃静触头（阴极）质量百分比（图13）中，A处与B处银分别为46%和58%，锡为42%与27%.在动触头（阳极）A的质量百分比（图14）中，银42%，锡35%，B点的银85%，锡5%.数据显示，添加物CuO与In2O3可起到缓解电弧烧损的作用.

7 结束语

研究利用混粉法、化学法和雾化法制备工艺，添加 WO3、Bi2O3、CuO 与In2O3后的8种 Ag／SnO2触头材料的电接触特性参数、表面相貌和特殊点微区组分后发现，合适的工艺方法和添加剂有利于提高液银对触头表面的润湿作用，能促进SnO2颗粒在液银中的均匀分布，充分发挥Ag／SnO2基触头材料良好的抗电弧喷溅侵蚀能力.

对比分析以上8种Ag／SnO2触头材料的试验数据，可见用混粉法制备、添加CuO的7＃触头材料的抗电弧侵蚀和抗熔焊性能最好，达到了使用添加剂改善Ag／SnO2材料性能的目的.

［1］荣命哲.电接触理论［M］.西安：西安交通大学出版社，2004.

［2］刘向军，费鸿俊，张仁义.汽车灯负载下银基触头材料熔焊性能的研究［J］.电工电能新技术，2001，（3）：33－37.

［3］荣命哲，王江文，王其平.含微量添加剂的Ag／SnO2触头材料电弧侵蚀机理［J］.西安交通大学学报，1997，31（11）：1－7.

［4］王小华，彭 翔，胡正勇，等.双工位电触头电性能测试装置的开发［J］.低压电器，2010，（10）：21－24，34.

［5］张昆华，管伟民，孙加林.Ag／SnO2电接触材料的制备和直流电弧侵蚀形貌特征［J］.稀有金属材料与工程.2005，34（6）：924－927.

［6］A凯尔，W.A.默尔，E.维纳里库.电接触和电接触材料［M］.北京：机械工业出版社，1993.