Cu-SiC-SnO2电接触复合材料致密度及电烧损性能研究

莫金强，邢大伟

(1.太原钢铁(集团)有限公司 先进不锈钢材料国家重点实验室，山西 太原 030003； 2.哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院 黑龙江 哈尔滨 150001)

电流转换是电能使用和分配过程的基础，该过程一般由带有电触头元件的各类转换装置完成[1]。电触头亦称触点或接点，是各类转换装置的核心部件，担负着接通、承载和分断电流的任务，其性能的好坏直接影响着开关电器的运行可靠性和寿命。自上世纪30年代，国外就开始对电触头元件和材料进行研究，而我国从50年代才开始研究和生产电触头材料，经过半个多世纪的发展，电触头材料从纯的贵金属到含银合金以及银基复合材料，逐渐发展到铜基触头材料，即用铜代替昂贵的银来降低成本。随着科技的不断进步，各相关行业对电触头材料的性能提出了更高的要求，因而近年来各国都积极开展新型电触头材料的研究以满足市场需求[2-12]。

本文采用以铜为基体，添加碳化硅和二氧化锡粉末，采用混粉烧结结合包套挤压成形工艺，研制一种新型的高性能无银Cu-SiC-SnO2电触头复合材料，该材料具有较高的导电率和抗熔焊性以及良好的综合性能，能满足低压电器中电触头的使用要求，新材料可以大大降低电触头元件的成本，推广应用后将具有较好的市场发展前景以及经济与社会效益。作为系统性工作的一部分，本文主要研究Cu-1SiC-1SnO2复合材料的致密化工艺及电烧损性能。

1 试验材料及方法

1.1 样品的制备

采用的原料为电解铜粉(纯度99.85%)，SiC颗粒(纯度99.96%)，SnO2(纯度99.99%)以及少量稀土元素。电解铜粉、SiC颗粒和SnO2颗粒的平均粒径分别为45μm、5μm和0.1μm。其中，电解铜粉为基体相，SiC颗粒为增强相以提高材料强度，SnO2为金属氧化物组元以提高材料抗电弧烧蚀性。制备的Cu-SiC-SnO2复合材料的成分质量配比为，SiC1.5%，SnO20～1.5%，稀土0.05%，其余为Cu。

采用粉末冶金工艺制备Cu-1SiC-1SnO2电触头复合材料。制备时，首先将上述原料经1h～6h的高能球磨，球料比为10∶1，转速为250r/min；然后采用钢模，经200MPa～1000MPa的压制力冷压成型为Ф40mm×30mm的压坯；接着将压坯抽真空后用20#钢进行包套焊合并将其置于电阻炉中进行等温烧结，采用的烧结温度为900℃～1050℃，烧结时间为0.5h、1h和1.5h；最后，烧结的包套在挤压温度900℃～1050℃、挤压比16和挤压速度22mm/s条件下挤压成型。

1.2 微观组织观察和性能测试

采用阿基米德浮力法测量样品的密度；样品经镶样、打磨和机械抛光，采用FeCl3腐蚀液(配方为5g FeC13+15ml HC1+60ml H2O)腐蚀10s，再经无水乙醇对样品表面清洗并烘干制备金相试样，然后采用Olympus金相显微镜和X500扫描电镜观察样品电弧烧损前后的形貌和微观组织；采用自制的模拟电寿命试验机，在220V、2A的条件下对样品进行10000次电接触试验，试验后，采用型号为PHI5700型X光电子能谱分析仪(XPS)对样品的原始状态及电弧作用后的材料表面进行成分分析。

2 结果与讨论

2.1 球磨时间和压制压力对致密度的影响

图1为球磨3h后Cu-1SiC-1SnO2坯料密实度与压制压力的关系曲线。可以看出，致密度随压制压力的增加而增大，当超过600MPa时，压力的增大对密度的增加影响不再明显，因此，选择600MPa为粉末的压制压力。

图1 致密度与压制压力的关系曲线Fig.1 Relation curve between density and pressure

图2为600MPa压制力下，Cu-1SiC-1SnO2坯料致密度与球磨时间的关系曲线。可以看出，致密度随着球磨时间延长而逐渐下降，当球磨时间为4h～5h时，致密度变化幅度较大，球磨时间为5h～6h时，变化趋于平缓。分析认为随着球磨时间增加，粉末的强度逐渐增加，产生了球磨硬化现象，使得球磨时间长的压坯致密度较低。

图2 致密度与球磨时间的关系曲线Fig.2 Relation curve between density and ball brinding time

图3为在不同球磨时间经烧结挤压后的组织形貌，可以看出，球磨时间较短(1h)时，粉末混合的不均匀；球磨时间较长(4h)时，粉末混合的均匀性较好。分析认为，烧结过程中，粉末体内部空隙中的气体和硬脂酸等挥发气体都要排出，否则将影响粉末颗粒间的冶金结合程度，并在烧结过程中形成气孔，这将对材料的最终性能产生不利影响。研究表明[13]，压坯的致密度低于85%时，压坯中的空隙是连通的，有利于烧结时气体排出。采用短时间球磨复合粉压制时，压坯的质量好，而随着球磨时间增加，在相同压制条件下，压坯表面会产生裂纹，综合考虑不能选用长时间球磨。

(a)球磨1h；(b)球磨 4h图3 不同球磨时间经烧结挤压后的组织形貌Fig.3 Micro-morphologies after sintering and hot-extrusion in different ball grinding time

但是球磨时间太短，粉末混合的不均匀，在后续的加工过程中会出现颗粒的团聚。因此，在制备复合材料的压制坯料时，不宜追求极限状态的密实，烧结后的致密度一般控制在85%～90%较好。结合图1和图2，压制压力为600MPa时，球磨时间为3h～5h效果最佳，同时结合压坯的致密度与材料的均匀性，Cu-1SiC-1SnO2粉末压坯的合适制备工艺为压制压力600MPa，球磨时间4h。

2.2 烧结温度和烧结时间对致密度的影响

图4为烧结温度和烧结时间对致密度的影响，可以看出，随烧结温度提高及随烧结时间延长，材料致密度单调增加，但是，当烧结温度达到1050℃，烧结时间达到2h时，致密度达到90.8%。从图5的1050℃/2h烧结后的组织可以看出，材料中的第二相与基体相结合紧密度不好，空隙所占比例很大，还需后续的热挤压来进一步提高致密度。

图4 烧结温度和时间对Cu-1SiC-1SnO2坯料致密度的影响Fig.4 Effect of sintering temperature and time on consistency of Cu-1SiC-1SnO2 sample

图5 1050℃/2h烧结后的Cu-1SiC-1SnO2组织形貌Fig.5 Micro-morphologies of Cu-1SiC-1SnO2after sintering under the condition of 1050℃ and 2h

2.3 挤压参数对致密度的影响

对球磨4h的Cu-1SiC-1SnO2坯料，在挤压温度900℃～1050℃、挤压比16和挤压速度22mm/s条件下进行挤压成型。图6为挤压温度对Cu-1SiC-1SnO2致密度的影响，可以看出，在实验条件下，Cu-1SiC-1SnO2材料致密度达到了99%以上，整体效果较好。进一步分析可知，当挤压温度为900℃～1000℃时，致密度随着挤压温度升高而增加；1000℃～1050℃时，致密度随着挤压温度升高反而降低；1000℃时，材料的致密效果最好，达到99.49%。这是由于挤压时坯料在变形区处于三向不等压的应力状态，即静水压力与剪切应力的相互叠加所导致的结果。其中，静水压力促使孔隙体积减小，而剪切应力则使材料产生塑性变形，塑性变形时，孔隙处所受到的压力随静水压力增加而增加。挤压过程中，随着温度升高，材料的塑性变形抗力降低，有利于孔隙塑性焊合；但是随着温度升高，挤压力减小，导致空隙所受的静水压力减小，从而消弱了孔隙的焊合倾向，综合两方面的作用，致密度在1000℃时最高。

图6 挤压温度对Cu-1SiC-1SnO2致密度的影响Fig.6 Effect of hot-extrusion temperature on consistency of the Cu-1SiC-1SnO2

2.4 电烧损性能分析

2.4.1 电烧损后触头表面形貌

触头的电烧损性能是影响电器开关可靠性和使用寿命的主要因素，因此，对于制备的致密度为99.5%的Cu-1SiC-1SnO2材料进行了电接触试验。图7为经电寿命试验机经10000次电接触后，材料表面电弧烧损后的扫描照片，可以看出，依据烧损情况可将烧损区分为3个区域：电弧烧蚀区、电弧影响区和电弧未作用区。其中，电弧烧蚀区域特征最为明显，该处组织是电弧多次放电后在表面留下的痕迹，是电弧作用的叠加效果，形成过程比较复杂，见图7(a)。材料在电弧作用中心处烧蚀严重，烧损区的组织主要有喷溅物、微突起、孔洞、急冷组织以及微裂纹几种形式，见图7(b)。其中，喷溅物是融化斑内物质在电弧作用力的作用下快速流动和飞溅形成的，其成因是电弧燃烧时，当电弧弧根直径较大时，能量急剧上升，材料发生融化，在表面形成熔化斑，熔化斑内的液态金属在电弧作用下发生飞溅，形成喷溅物；孔洞主要是材料凝固过程中形成，触头表面及内部能否形成气孔，由凝固前沿生长速度与液体中气泡浮出速度之比决定；快冷组织是电弧熄灭后，金属材料表面熔化层迅速冷却形成。

(a) 低倍；(b)高倍A处-喷溅物；B处-微突起；C处-孔洞；D处-快冷组织；E处-裂纹图7 Cu-1SiC-1SnO2触头材料电弧烧蚀后表面形貌Fig.7 Micro-morphologies of Cu-1SiC-1SnO2 composite material after anti-arc erosion

2.4.2 SnO2对电烧损的影响

添加不同含量SnO2的触头材料经10000次电接触试验后的表面形貌如图8，可以看出，电弧侵蚀后，不加SnO2的表面烧损严重，电蚀表面呈现出较大的块状物，表现为明显的浆糊状山包，且分布也不规则，这是由于材料喷溅引起的流态层状，说明熔体向四周飞溅严重，材料的抗熔焊性能不好。随着SnO2量增加，材料表面逐渐变得平整，且熔化后的基体液滴没有发生喷溅而是均匀向四周平铺，这表明添加SnO2有利于减少熔体喷溅，进而增强材料的抗熔焊能力。

(a) Cu-1SiC；(b) Cu-1SiC-0.5SnO2；(c) Cu-1SiC-1SnO2；(d) Cu-1SiC-1.5SnO2图8 不同成分触头电侵蚀表面形貌Fig.8 Surface topography of different composition contact after electrical erosion

2.4.3 电烧损后触头表面成分分析

材料经过电接触作用后，由于电弧的烧损使表面覆盖了一层有别于基体组织的膜层，主要由冷却的金属液滴[14]、触头材料组元的氧化产物和大气中的微粒子组成。考虑到材料基体Cu和SiC在电弧作用下变化不大，仅分析Sn元素的变化。图9为电接触前后Cu-1SiC-1.5SnO2材料表面Sn3d的能谱图。可以看出，试验前，材料表面几乎没发现Sn；试验后，材料表面Sn含量增加，结合能在486.2eV左右，见图9(b)，说明Sn大都以SnO2形式存在，无单质Sn和SnO，说明SnO2没有分解。

电接触材料中第二相的作用主要有两个[15]：(1)第二相自身分解消耗能量，快速灭弧以降低触头材料的电弧能量，如在电触头材料中加入CdO；(2)第二相增加熔体中的液体粘度，降低喷溅量，如在Ag中添加SnO2即为提高Ag的粘度。从图8发现了材料表面有物质流动的现象，出现了分散的微突起、孔洞及喷溅物，说明在电弧的热和力综合作用下，触头材料表面发生了物质的传输，其过程既包括Cu也包括第二相添加物SnO2。由此可见，触头材料中SnO2的作用与Ag基触头中的作用类似，也是增加基体材料的粘度以降低喷溅，从而增强触头材料的抗熔焊性来提高其抗电弧烧损能力。

(a) 电接触试验前；(b) 电接触试验后图9 Cu-1SiC-1.5SnO2电接触前后材料表面Sn3d峰的能谱分析Fig.9 Sn3d XPS analyses for surfaces of the Cu-1SiC-1.5SnO2 before and after electrical swithing test

3 结论

(1)Cu-1SiC-1SnO2复合坯的致密度随压制压力的增加而增大，随球磨时间的延长而降低；随着烧结温度升高以及烧结时间延长，致密度呈单调增加趋势；

(2)复合坯的致密度随挤压温度的升高先增加后下降，这与挤压过程中坯料所受的静水压力与剪切应力的叠加状态有关；

(3)Cu-1SiC-1SnO2粉末经球磨4h、600MPa压制、1050℃烧结2h以及挤压温度1000℃、挤压比16和挤压速度22mm/s条件下，可获得高达99.49%的致密度；

(4)SnO2可提高电触头复合材料的粘度，减少电接触过程中的喷溅，增强材料的抗熔焊性从而提高抗电弧烧损性能。