交流条件下银氧化锌触头材料应用研究

王美琪， 张秀芳， 金扬灯， 杨昌麟， 颜小芳， 柏小平

（福达合金材料股份有限公司，浙江温州 325025）

0 引言

电触头是低压电器中的关键元件，其性能直接影响到电器运行的稳定和可靠性[1]。在电接触合金材料中，银合金材料是最重要、贵金属用量最大的电接触材料。为了改善电触头性能以及达到节银的目的，发展了一系列银基电触头材料，包括AgCdO、AgSnO2、AgZnO、AgNi、AgW、AgC等。在众多银基触头材料中，由于AgCdO触头材料具有耐电弧、抗熔焊、耐电气和机械磨损、耐腐蚀和低而稳定的接触电阻等诸多的优点被广泛应用，可以应用于电流从几安培到几千安培的多种低压电器中，被称为“万能触头”。但是由于Cd有毒，在制造和使用过程中对人体构成危害，2006年6月起欧盟市场对AgCdO系触头材料全面禁用[2-3]。

AgZnO电触头材料作为AgCdO的替代材料之一是在20世纪60年代末、70年代初发展起来的一种环保型电触头材料。AgZnO电触头材料具有耐烧损、抗熔焊、耐电磨损、接触电阻低且稳定等特性，同时具有抗大电流冲击、分断性能好、燃弧时间短、耐电腐蚀、无毒等特点，因此在空气断路器、漏电断路器、小型断路器、接触器、切断开关、转换开关、保护开关等方面得到了应用[4-8]。合金粉末预氧化法生产环保型银氧化锌触头材料，其加工简便，材料具有优越的电性能，是一种新型的触头材料，具有广阔的市场前景[9]。

采用合金粉末预氧化工艺制备了不同银含量的AgZnO合金粉末，进行等静压、烧结、挤压、拉拔后得到同状态规格的线材，对其机械物理性能、金相组织等进行了对比，分析了不同含量线材金相组织及机械物理性能的差异；对线材制打的整体铆钉进行电性能测试，分析不同含量AgZnO触头材料的电性能表现，为该体系触点材料的开发与应用提供参考。

1 试验方法

试验采用同批次99.99%银板与99.99%Zn锭制备而成。采用合金粉末预氧化法制备样品，经雾化制粉、合金粉体预氧化、等静压、烧结、挤压、拉拔等工艺加工成线材，对线材机械物理性能进行检测对比分析；制打成整体铆钉，铆钉规格为：动点R3×0.5(0.25)+1.5×0.6SR10静点F3×0.6(0.25)+1.5×0.6E，组装成继电器，在AC 250 V/10 A条件下进行电寿命验证。

采用TH2512B型智能电流低电阻组测试仪检测样品的电阻；采用L150金相显微镜分析材料的金相组织；采用DHV-1000Z视频型显微硬度计硬度计测量样品硬度；采用电子万能试验机测量样品抗拉强度；采用扫描电镜(SEM)观察试样的显微组织形貌和铆钉样品经试验后的表面形貌；采用交流阻性负载试验系统进行电寿命验证。

2 结果与分析

2.1 金相组织分析

图1为不同ZnO含量AgZnO(8)、AgZnO(10)、AgZnO(12)成品丝材横、纵截面金相组织（a、b为AgZnO(8)，c、d为AgZnO(10)，e、f为AgZnO(12)）。对比可以看出，合金粉末预氧化法可以成功制备组织均匀的AgZnO(8～12)，ZnO在Ag基体中弥散均匀分布，但存在极少ZnO聚集。随着ZnO含量的增加，单位面积上ZnO颗粒增多，材料内部颗粒聚集现象有增加的趋势，但整体组织分布仍较为均匀。

2.2 机械物理性能分析

图2为AgZnO(8)、AgZnO(10)、AgZnO(12)直径1.920 mm退火状态下的丝材机械物理性能分布概率。图2(a)为其电阻率分布概率，可以看出，随着ZnO含量的增加，其电阻率有明显增大趋势。银金属氧化物触点材料电阻率由材料成分、氧化物体积分数、粒径及其在Ag基体中的分布状况等参数控制[10]。随着ZnO含量的增加，ZnO体积分数增大，颗粒界面增多导致材料内部电子散射增大，材料体电阻逐渐增大；图2(b)为其硬度分布概率，可以看出，随着ZnO含量的增加，硬度有明显增大趋势。这是因为分布在Ag基体中金属氧化物含量升高，颗粒弥散强化效果增强的效应。同理，弥散强化导致抗拉强度有明显增大趋势，如图2(c)所示。综合得出，随着AgZnO材料中ZnO含量的增加，材料的电阻率、硬度及抗拉强度存在明显的变大趋势。

2.3 电寿命验证

使用直径1.920 mm退火状态下的丝材制打铆钉，铆钉规格动点（R3×0.5(0.25)+1.5×0.6SR10）静点（F3×0.6(0.25)+1.5×0.6E），对铆钉进行后处理，铆接后组装成继电器进行电寿命验证。试验测试条件如表1所示。图3为AgZnO(8)、AgZnO(10)、AgZnO(12)三种材料继电器电寿命数据。可以看出，在250 V、10 A条件下，在95%置信区间内，AgZnO(8)材料的电寿命最长，电寿命平均值为202 029次；AgZnO(10)材料的电寿命介于AgZnO(8)与AgZnO(12)之间，电寿命平均值为149 941次；AgZnO(12)材料的评价电寿命次数最少为98 665次。

表1 实验条件/参数

图3 AgZnO(8)、AgZnO(10)、AgZnO(12)触点电寿命概率图

综合对比，在20 A以内小电流条件下,三种材料均可满足10万次电寿命要求，但随着AgZnO触点材料中ZnO含量的增加，其触点电寿命呈下降趋势。

2.4 失效触点外观分析

触点闭合分断过程中，由于电弧放电和焦耳热的影响，致使触点接触面局部经历熔化、凝固过程，造成触点不能正常断开的现象即为触点的熔焊[10]。图4为250 V/10 A条件下失效触点外观及能谱成分。图4(a、d、g)分别为AgZnO(8)、AgZnO(10)和AgZnO(12)的寿命末期触点外观形貌SEM照片。图4(b、e、h)分别为对应的失效位置，图4(c、f、i)为失效区域能谱成分数据。对比可以看出，AgZnO(8)触点失效位置处于触点边缘，该区域含有高含量Cu元素，触点在寿命末期银层已损耗完，铜层参与接触，最终导致触点熔焊失效。AgZnO(10)触点失效位置靠近触点边缘，该区域含有高含量Cu元素。AgZnO(12)失效位置位于工作面内部，粘结位置含有高含量Cu元素。随着触点材料中ZnO含量的增加，其熔融状态下熔池的粘度增大，不利于流动，失效位置存在由触点工作面外侧向内部移动的趋势。

图4 250 V/10 A条件下失效触点外观及能谱成分

触点在闭合、断开过程中表面发生电弧侵蚀，即触点在电弧作用下因局部过热导致材料的蒸发和喷溅所带来的材料损耗。电弧侵蚀实质上就是触点表面发生快速加热、熔化、汽化、流动、凝固等物理冶金过程，导致触点表面产生软化、喷溅、流动、裂纹等现象[10-12]。触点电弧侵蚀主要受熔化、气化和凝固过程影响。熔化过程，触点表层微区熔化后改变原有的组织结构，熔化了的金属在电弧作用力及机械力等的驱动下，以一定的流速流动，产生喷溅，造成材料损耗[10]。

从图4(a、d、g)可以看出，AgZnO(8)试验后触点表面烧蚀较为平整均匀，存在少数孔隙，工作面周围喷溅物较多，堆积在触点周围。因试验次数最多，故喷溅严重，导致触点工作面银层完全损耗，铜层参与接触后导致失效。AgZnO(10)试验后触点表面存在明显孔隙，触点周围存在较少喷溅物；AgZnO(12)试验后触点工作面严重开裂，铜基体熔化喷溅至工作面导致熔焊失效。对比图4(a、d、g)可以看出，随着ZnO含量的增加，触点失效表面开裂趋势增大，这是由于触点冷却收缩引起。电弧熄灭后，触点表面迅速冷却，表面熔池发生凝固，由液相转变为固相，表面发生凝固收缩。有研究表明，银金属氧化物触点表面形成的裂纹及孔洞，必然引起表面区域结构疏松，进而使电弧侵蚀量加大，接触电阻升高[10]。随着ZnO含量的增加，其裂缝及孔隙趋势增大，电弧侵蚀量大，接触电阻变高，温升异常，内部结构疏松导致触点失效。

综合对比得出，随着ZnO含量的增大，AgZnO(8-12)触点材料失效时接触位置由外部向工作面内部靠近，触点表面裂纹、孔隙趋势增加，导致触点电寿命减小。

3 结论

合金粉末预氧化法能成功制备ZnO含量8%～12%的电接触材料，随着ZnO含量的增大，电阻率、硬度及抗拉强度呈增大趋势，材料内部ZnO颗粒聚集现象有增加的趋势；在20 A以内小电流条件下，随着ZnO含量的增加，电寿命呈下降趋势，AgZnO(8)材料触点电寿命验证表现最佳，可达20万次以上；随着ZnO含量增加，在电弧作用下，触点表面开裂与孔隙趋势增大，电寿命呈现减少趋势。