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      摻雜對(duì)Cu/SnO2電觸頭材料的性能影響

      2015-09-12 07:07:26趙文杰王俊勃王瑞娟王彥龍劉松濤胡澤濤
      航空材料學(xué)報(bào) 2015年6期
      關(guān)鍵詞:磨時(shí)間電弧電導(dǎo)率

      趙文杰, 王俊勃, 王瑞娟, 王彥龍, 劉松濤, 胡澤濤

      (西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,西安 710048)

      電觸頭是電表儀器、電器開關(guān)中的重要接觸元件,主要承擔(dān)電路的接通和分?jǐn)啵?,2],隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,對(duì)其性能提出越來越高的要求[3~5]。Ag金屬在使用過程中能夠減少接觸焊接磨損和電弧燒蝕[6,7],目前使用較多的電觸頭材料是銀基電觸頭材料。我國屬于貧銀國家,銀價(jià)格昂貴,不易回收,因此開發(fā)節(jié)銀和代銀的電觸頭材料一直是電觸頭材料研究者的目標(biāo)[8]。銅資源豐富,價(jià)格低廉,具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和抗腐蝕性能,并具有與銀相似的導(dǎo)電性,因此研究Cu基電觸頭材料對(duì)于保護(hù)稀缺資源,降低電觸頭材料成本有很大的研究意義[9];但Cu強(qiáng)度低,抗變形能力差,需要加入第二相增強(qiáng)體改善其強(qiáng)度及高溫抗蠕變性能。Cu基電觸頭材料在空氣中易氧化,一般應(yīng)用于真空開關(guān)及真空接觸器。近年來,隨著航空業(yè)的發(fā)展,航空用的材料也隨之快速的發(fā)展[10];然而航空業(yè)作為一個(gè)特殊的行業(yè),對(duì)材料的具有很高的要求,目前采用的航空用材料都需要滿足密度小,耐高溫,耐疲勞,耐碰撞,耐磨損等優(yōu)越的性能。本研究采用SnO2作為Cu基體的第二相,制備Cu基電觸頭材料,從改善顆粒粉末的粒度和分布著手,采用高能球磨工藝獲得Cu/SnO2粉末,在模具中壓制成坯,在一定溫度下的真空燒結(jié)爐中燒結(jié),復(fù)壓成型,制備出Cu/SnO2電觸頭材料;采用同樣的方法制備摻雜Cu/SnO2電觸頭材料,研究分析了電觸頭材料的物理性能、微觀結(jié)構(gòu)以及電弧燒蝕形貌。

      1 實(shí)驗(yàn)

      1.1 樣品制備

      原料:Cu粉(200目,純度99.5%),無水乙醇(純度 99.7%),納米 SnO2,Al2O3,CuO,La2O3,石墨粉(C)。

      將 Cu 粉和 SnO2,SnO2+La2O3,SnO2+La2O3+CuO,SnO2+Al2O3+C分別按照一定比例(表1)混粉裝入高能球磨機(jī)中,球磨機(jī)中加入軸承鋼珠和無水乙醇,球料比為10∶1,球磨混粉。經(jīng)室溫?fù)]發(fā)干燥研磨后得到混合粉末。稱取一定量粉末,采用300MPa壓力在圓柱形鋼模中雙向壓制成坯。在氮?dú)獗Wo(hù)下,以5.2℃/min升溫至800℃燒結(jié),保溫2h爐冷,然后采用700MPa復(fù)壓,保壓8min。以5.5℃/min升溫至830℃復(fù)燒,保溫1h,經(jīng)1h退火至500℃,隨爐冷卻至室溫,得到Cu基復(fù)合電觸頭材料。

      表1 實(shí)驗(yàn)分組(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Experiment groups(mass fraction/%)

      1.2 樣品測(cè)試

      電導(dǎo)率:采用D60K型數(shù)字金屬電導(dǎo)率測(cè)量儀測(cè)試。硬度:采用MH-3型數(shù)字顯微硬度計(jì)測(cè)試。微觀形貌:利用SEM對(duì)電觸頭材料進(jìn)行觀察。耐電弧燒蝕性能:通過改裝TDR-40A單晶爐自制的真空滅弧室進(jìn)行測(cè)試。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 球磨時(shí)間對(duì)混粉的影響

      利用SEM和XRD分別觀察和評(píng)估了不同球磨時(shí)間Cu/SnO2混合粉末的微觀形貌,分析了不同混粉時(shí)間對(duì)Cu/SnO2混合粉末微觀形貌的影響。圖1為粉末微觀形貌,XRD圖譜如圖2所示。

      圖1a~d中隨球磨時(shí)間的延長,顆粒不斷均勻細(xì)化。球磨1h的Cu粉斷裂并變平;2h后顆粒組織斷裂細(xì)化,Cu粉和納米 SnO2顆粒形成片狀混合結(jié)構(gòu),由于 Cu和 SnO2互不相溶,脆性相繼續(xù)細(xì)化且彌散分布,粉末顆粒出現(xiàn)加工硬化;4h時(shí)顆粒呈球形形貌,平均粒徑為10μm左右,粒徑均一分散性良好,SnO2彌散分布在Cu基體上;球磨8h后,在機(jī)械作用下混合粉末進(jìn)一步細(xì)化,顆粒之間出現(xiàn)輕微團(tuán)聚現(xiàn)象,粉末顆粒分布不均,細(xì)化效果不明顯。

      圖1 不同球磨時(shí)間Cu/SnO2粉末SEM圖像Fig.1 SEM of Cu/SnO2powder after different ball-milling time (a),(e)1h;(b),(f)2h;(c),(g)4h;(d),(h)8h

      圖2 不同混粉時(shí)間的Cu/SnO2粉體XRD圖譜Fig.2 XRD of Cu/SnO2powder after different ball-milling time

      圖1e~h為Cu/SnO2混合粉末SEM圖像,隨球磨時(shí)間的延長,1h時(shí)粉末顆粒出現(xiàn)嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象,顆粒組織分布不均;球磨2h后團(tuán)聚的粉末顆粒開始分散,SnO2與基體Cu粉開始均勻分布;球磨4h后的SnO2粉體顆粒彌散分布,均勻細(xì)小,與加工硬化出現(xiàn)塑性變形的基體Cu顆粒結(jié)合在一起,顆粒組織均勻細(xì)化;隨時(shí)間的延長,球磨8h后顆粒之間產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力,納米SnO2與Cu粉分開,出現(xiàn)輕微團(tuán)聚現(xiàn)象,說明隨球磨時(shí)間的延長Cu/SnO2粉體并沒有得到進(jìn)一步的細(xì)化。

      圖2為 Cu/SnO2粉體 XRD圖譜,對(duì)照 Cu和SnO2標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片,從圖2看出,混合粉體中Cu(111),(200),(220)晶面的衍射峰強(qiáng)度隨球磨時(shí)間的延長先降低后升高,其中球磨4h的Cu粉體衍射峰最低,晶粒得到最佳細(xì)化。

      2.2 燒結(jié)溫度及摻雜對(duì)電觸頭材料的影響

      電觸頭材料分別在 800℃,850℃,900℃,950℃進(jìn)行燒結(jié),并測(cè)試了摻雜Cu/SnO2電觸頭材料的物理性能,結(jié)果如圖3所示。

      圖3 電觸頭材料的物理性能Fig.3 Mechanical performance of contact materials (a)conductivity;(b)hardness

      圖3表明了不同燒結(jié)溫度以及摻雜對(duì)Cu/SnO2電觸頭材料物理性能的影響。Cu/SnO2電觸頭材料的電導(dǎo)率和硬度在850℃時(shí)達(dá)到最大值49.0%IACS和122.0HV,850℃后電導(dǎo)率和硬度均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì);但添加摻雜的Cu/SnO2電觸頭材料呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì),尤其硬度在850℃后有明顯上升。電導(dǎo)率下降原因可能為樣品由粉末壓制而成,溫度過高導(dǎo)致材料局部熔化,產(chǎn)生細(xì)小孔隙,導(dǎo)致材料電導(dǎo)率下降。未摻雜的Cu/SnO2電觸頭材料硬度下降的原因可能是溫度過高使粒子活性增大,金屬離子擴(kuò)散能增高,擴(kuò)散活動(dòng)加劇,形成孔隙導(dǎo)致材料膨脹,致密度下降[11],從而降低硬度。加入La2O3和CuO的電觸頭材料的物理性能均比Cu/SnO2電觸頭材料低,加入Al2O3和石墨粉的電觸頭材料隨燒結(jié)溫度升高硬度增大,而電導(dǎo)率在850℃后卻開始下降,可能是因?yàn)楦邷責(zé)Y(jié)導(dǎo)致石墨氧化,引起顆粒組織疏松、組織分布不均勻、接觸界面處結(jié)合能力差,導(dǎo)致高溫?zé)Y(jié)后存在一些微觀缺陷,從而對(duì)電觸頭材料的導(dǎo)電性產(chǎn)生了負(fù)面影響。

      從圖3中可以看出,Cu/SnO2電觸頭材料的物理性能均比含摻雜元素的性能優(yōu)異,因此通過新物質(zhì)的添加,Cu/SnO2電觸頭材料的物理性能并未得到明顯提高。實(shí)驗(yàn)后期對(duì)電觸頭材料進(jìn)行了耐電性能測(cè)試以及電弧燒蝕形貌觀察,分析了電觸頭材料的耐電弧燒蝕性能。

      2.3 電觸頭材料耐電性能測(cè)試

      分別對(duì)采用最佳工藝制備的 Cu/SnO2,Cu/SnO2/La2O3,Cu/SnO2/La2O3/CuO,Cu/SnO2/Al2O3/C電觸頭材料在真空條件下施加50次6kV和10A的放電電擊實(shí)驗(yàn),測(cè)試不同摻雜電觸頭材料的放電性能,并觀察了電觸頭材料電弧燒蝕后的表面放電形貌。測(cè)試計(jì)算了不同摻雜Cu/SnO2電觸頭材料的平均耐電壓強(qiáng)度(見表2),耐電壓強(qiáng)度分布圖及分布統(tǒng)計(jì)圖如圖4。結(jié)果表明,放電后Cu/SnO2電觸頭材料的耐電壓強(qiáng)度分布比較集中,平均耐電壓強(qiáng)度最低,耐電擊穿能力最差。添加La2O3的Cu/SnO2電觸頭材料的平均耐電壓強(qiáng)度最高,說明Cu/SnO2/La2O3電觸頭材料具有良好的耐電弧燒蝕性能。

      由圖4看出Cu/SnO2電觸頭材料耐電壓強(qiáng)度剛開始在擊穿時(shí),隨擊穿次數(shù)的增加有增大的趨勢(shì),但隨擊穿次數(shù)的增加整體保持在恒定范圍內(nèi),大概集中在2×107V/m,如圖4a。Cu/SnO2/La2O3電觸頭材料的耐電壓強(qiáng)度隨擊穿次數(shù)的增加在一定的范圍內(nèi)有一定的浮動(dòng),但基本分布比較均勻,且耐電壓強(qiáng)度比較大,如圖4b。Cu/SnO2/La2O3/CuO電觸頭材料的耐電壓強(qiáng)度分布比較分散,電觸頭材料耐電壓強(qiáng)度與擊穿次數(shù)無明顯規(guī)律,如圖4c。圖4d為Cu/SnO2/Al2O3/C電觸頭材料的耐電壓強(qiáng)度,隨擊穿次數(shù)的增加總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。表2為不同摻雜電觸頭材料的平均耐電壓強(qiáng)度,其中 Cu/SnO2/La2O3電觸頭材料的耐電壓強(qiáng)度最大。

      表2 不同摻雜的Cu/SnO2電觸頭材料平均耐電壓強(qiáng)度Table 2 Average dielectric strength of electrical contact materials composed of Cu/SnO2with different dopants

      圖5為摻雜Cu/SnO2電觸頭材料在真空放電50次后表面的整體燒蝕形貌。其中 e,f,g,h為 a,b,c,d的放大圖。圖5a,e為 Cu/SnO2電觸頭材料整體燒蝕形貌,熔融的Cu噴濺形成糊狀尖峰,燒蝕區(qū)域集中,噴濺嚴(yán)重,燒蝕深度大,損失較大;圖5b,f中 Cu/SnO2/La2O3電觸頭材料燒蝕后,表面呈出現(xiàn)微小的島狀熔渣,燒蝕相對(duì)輕微,無明顯的金屬飛濺及熔池痕跡,燒蝕后表面相對(duì)平整,液滴噴濺現(xiàn)象很小,表明Cu/SnO2/La2O3電觸頭材料具有較好的耐電弧燒蝕性能;圖 5c,g為 Cu/SnO2/La2O3/CuO電觸頭材料的表面,燒蝕區(qū)域比較分散,周圍出現(xiàn)金屬熔融痕跡;同時(shí)看到較深的燒蝕坑,存在大量氣孔,易造成材料裂紋以及顆粒脫落,導(dǎo)致材料失效;圖5d,h為Cu/SnO2/Al2O3/C電觸頭材料表面,出現(xiàn)材料熔融和顆粒飛濺痕跡,同時(shí)液態(tài)金屬Cu噴濺比較激烈,甚至出現(xiàn)了熔池痕跡,電弧燒蝕使電觸頭材料表面產(chǎn)生的金屬液滴在電弧作用下向周圍噴濺,使材料容易產(chǎn)生突發(fā)性的損失。

      圖4 電觸頭材料耐電壓強(qiáng)度以及分布統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 Dielectric strength(1)and distribution(2)of electrical contact materials (a)Cu/SnO2;(b)Cu/SnO2/La2O3;(c)Cu/SnO2/La2O3/CuO;(d)Cu/SnO2/Al2O3/C

      圖5 不同成分Cu/SnO2電觸頭材料整體燒蝕形貌Fig.5 Whole corrosion morphology of different composition Cu/SnO2electrical contact (a),(e)Cu/SnO2;(b),(f)Cu/SnO2/La2O3;(c),(g)Cu/SnO2/La2O3/CuO;(d),(h)Cu/SnO2/Al2O3/C

      3 結(jié)論

      (1)球磨混粉4h獲得的Cu/SnO2粉體組織均勻細(xì)小,顆粒呈現(xiàn)球形形貌,粒徑均勻,分散性良好。

      (2)Cu/SnO2電觸頭材料的電導(dǎo)率和硬度隨燒結(jié)溫度的升高先增大后減小,850℃時(shí)其電導(dǎo)率和硬度均達(dá)到最大值49.0%IACS和122.0HV;但摻雜電觸頭材料850℃后硬度隨溫度的升高而增大,表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。

      (3)Cu/SnO2/La2O3電觸頭材料在真空電弧燒蝕下,耐電壓強(qiáng)度最大,電弧燒蝕輕微,電擊穿后表面相對(duì)光滑,添加La2O3有助于提高Cu/SnO2電觸頭材料的抗熔焊性能。

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