La2O3對(duì)Ag-8SnO2-2Bi2O3觸點(diǎn)材料性能的影響

陳 勇, 李合琴, 馮旭強(qiáng), 石松禮

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.黃山旺榮汽車電子有限公司,安徽 黃山 245500)

在材料制造業(yè)中,稀土元素常被稱為金屬材料的“維生素”[1],已被廣泛應(yīng)用于多種材料。文獻(xiàn)[2]研究了La對(duì)壓鑄鋁合金力學(xué)性能的影響,添加0.32%La元素的鋁合金的硬度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)比原始材料都提高了50%以上。在冶金工業(yè)中,稀土元素還可起到凈化溶體、改善組織、降低熔渣黏度的作用;文獻(xiàn)[3]發(fā)現(xiàn)采用La-Ce混合稀土對(duì)不銹鋼真空熔煉起到良好的脫硫效果;文獻(xiàn)[4]在7055鋁合金中加入Y元素,除了減少熔體中存在的N、H、O、S、Fe等雜質(zhì)外,還細(xì)化了合金的鑄態(tài)組織;文獻(xiàn)[5]發(fā)現(xiàn)Ce2O3能降低鋼液中熔渣的黏度,進(jìn)而減少Al2O3夾雜。稀土除了應(yīng)用在金屬熔煉中,還可用在粉末冶金中。文獻(xiàn)[6]在CNTs/Cu中添加La-Ce復(fù)合稀土,該復(fù)合稀土能夠細(xì)化材料的組織,凈化燒結(jié)顆粒邊界,使CNTs在Cu基體中均勻分布,減少團(tuán)聚;文獻(xiàn)[7]發(fā)現(xiàn)La在Cu基粉末冶金摩擦材料中可形成稀土氧化物L(fēng)a2O3,具有良好的潤(rùn)滑作用。除了在Cu基材料中,稀土在Ti、Mo和Fe基材料中也得到了廣泛應(yīng)用[8-11]。在Ag基觸點(diǎn)材料中,稀土除了具有上述常見作用以外,還可降低堆垛層錯(cuò)、增加位錯(cuò)密度[12],提高再結(jié)晶溫度、抑制回復(fù)過(guò)程、抗自然時(shí)效軟化。另外,稀土氧化物在電弧作用下的分解,可消耗電弧熱和焦耳熱。稀土還可降低觸頭材料的表面逸出功,使電弧斑點(diǎn)增大,降低電流密度[13-14]。文獻(xiàn)[15]研究了La2O3和Ce2O3對(duì)Ag-SnO2觸點(diǎn)材料的影響,稀土氧化物的加入使觸頭熔焊表面變得平坦,提高了材料的抗噴濺能力。

本實(shí)驗(yàn)將3種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的La2O3添加到Ag-8SnO2-2Bi2O3材料中,通過(guò)復(fù)壓復(fù)燒工藝制備出含稀土氧化物的觸點(diǎn)材料,并對(duì)其力學(xué)性能和電弧侵蝕等方面性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

本文以Ag、SnO2、Bi2O3和La2O3粉體為原料,由于La2O3易在空氣中吸收水分變成La(OH)3,將La2O3在800 ℃下烘干,使La(OH)3分解為L(zhǎng)a2O3。將原始粉末按一定比例分配成混合粉末,其成分見表1所列,與ZrO2球以質(zhì)量比3∶1裝入聚四氟乙烯球磨罐中,在空氣氣氛中進(jìn)行球磨,磨球直徑分別為10、7、5 mm,大、中、小球個(gè)數(shù)比為1∶2∶4。加入適量無(wú)水乙醇作為分散劑,運(yùn)行方式為正反轉(zhuǎn)交替運(yùn)行,球磨速度和時(shí)間分別為300 r/min和6 h,每運(yùn)行50 min停機(jī)10 min防止過(guò)熱。球磨后的粉末烘干后用769YP-15A粉末壓片機(jī)在300 MPa下進(jìn)行壓制,保壓5 min。將壓坯置于GSL-1 400 X真空管式爐中在Ar氣氣氛中850 ℃燒結(jié)2 h,取出后在600 MPa下復(fù)壓5 min,再于600 ℃下復(fù)燒4 h制得最終觸頭材料。

表1 材料成分 單位：%

用X’Pert PRO MPD X-ray衍射儀(X-ray diffraction,XRD)對(duì)原始粉末進(jìn)行物相結(jié)構(gòu)分析;用阿基米德排水法測(cè)量并計(jì)算各樣品的密度;用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察制備金相樣品的組織;用HBV-30A布氏硬度計(jì)測(cè)量燒結(jié)樣品的硬度,載荷10 kg,保壓30 s;用四點(diǎn)法測(cè)量樣品的電阻率;用自制電弧侵蝕實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試其電弧侵蝕性能,如圖1所示。該裝置由CJT1-20交流接觸器、DH48S-S型雙設(shè)定時(shí)間繼電器、DH48J-11A型數(shù)顯計(jì)數(shù)繼電器、WX-DC2440型ACDC電源模塊、滑動(dòng)變阻器以及若干導(dǎo)線組成。交流接觸器用于控制觸頭的閉合和分?jǐn)?時(shí)間繼電器用于設(shè)定接觸器閉合和斷開的時(shí)長(zhǎng),計(jì)數(shù)器用于記錄循環(huán)測(cè)試次數(shù),電源模塊用于提供24 V電壓,滑動(dòng)變阻器用于改變電路中測(cè)試電流的大小。將制備的觸頭材料用線切割切成8.0 mm×8.0 mm×1.5 mm的小方塊,測(cè)試面打磨并拋光后,用電烙鐵將其焊在接觸器原靜觸頭上,動(dòng)觸頭使用接觸器原裝觸頭。電弧侵蝕測(cè)試試驗(yàn)參數(shù)為24 V、5 A,阻性負(fù)載,頻率為60 次/min,占空比為50%,進(jìn)行2 000次循環(huán)實(shí)驗(yàn)。用JSM-6490LV型SEM鏡觀察樣品表面電弧侵蝕坑形貌。

圖1 電弧侵蝕裝置

2 結(jié)果與分析

2.1 球磨后混合粉體形貌

添加0.5%La2O3球磨后混合粉末的形貌及元素面分布如圖2所示。

從圖2a可看出,粉體顆粒呈任意多邊形,尺寸分布從幾微米至幾十微米不等,小顆粒的粉末可填充在大顆粒之間的空隙中,提高材料的致密度。圖2a方框區(qū)域的放大形貌圖如圖2b所示,結(jié)合元素面分布可看出,灰色大塊狀為基體Ag,白色SnO2顆粒均勻包覆在Ag上,Bi2O3在Ag顆粒界面上分布較多。La2O3添加量較少,較均勻地分布在Ag顆粒上。

圖2 Ag-8SnO2-2Bi2O3-0.5La2O3混合粉末形貌及元素面分布

2.2 顯微組織

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)La2O3樣品復(fù)壓復(fù)燒后SEM照片如圖3所示。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)La2O3Ag-8SnO2-2Bi2O3復(fù)壓復(fù)燒后形貌

由圖3可知,隨著La2O3添加量的增多,尤其是添加1.0%La2O3的樣品,有明顯的燒結(jié)頸現(xiàn)象，Ag顆粒的邊界大部分被SnO2粒子包圍，由于Bi2O3的熔點(diǎn)為825 ℃,低于850 ℃燒結(jié)溫度,Bi2O3在此溫度下發(fā)生液相燒結(jié),流動(dòng)并填充到Ag顆粒間的縫隙。Ag顆粒上分布的SnO2熔點(diǎn)為1 630 ℃,固態(tài)SnO2顆粒在液相Bi2O3的流動(dòng)過(guò)程中重新分布并包圍在Ag顆粒邊界處。當(dāng)添加少量La2O3時(shí),Ag顆粒細(xì)化,SnO2較均勻地分布在Ag顆粒的周圍,由于稀土La2O3為表面活性物質(zhì)[16],燒結(jié)時(shí)易吸附在Ag顆粒的表面,阻止Ag的長(zhǎng)大。當(dāng)La2O3添加量為1.0%時(shí), SnO2顆粒明顯地聚集在Ag顆粒邊界處,填充了Ag顆粒間的孔隙,同時(shí)Ag顆粒粗化。這說(shuō)明過(guò)多加入La2O3會(huì)降低液態(tài)Bi2O3的黏度,增加其流動(dòng)性,提高了SnO2顆粒的黏性流動(dòng)傳質(zhì)速度[17],提高材料致密度的同時(shí),造成了SnO2在Ag顆粒邊界的偏聚。

Ag-8SnO2-2Bi2O3-1La2O3復(fù)壓復(fù)燒后的SEM形貌和元素分布面掃描圖如圖4所示。圖4a中銀白色區(qū)域?yàn)锳g基體,灰色區(qū)域?yàn)镾nO2、Bi2O3、La2O3顆粒,顆粒間有孔隙。圖4b中灰色顆粒主要為SnO2,尺寸約500 nm。Bi2O3、La2O3主要分布在右側(cè)灰色區(qū)域,尺寸比SnO2更加細(xì)小。另外,圖4d顯示Bi元素除了在右側(cè)灰色區(qū)域分布較為集中外,在整個(gè)Ag基體上均有分布,表明燒結(jié)過(guò)程中Bi元素發(fā)生了擴(kuò)散。

圖4 Ag-8SnO2-2Bi2O3-1La2O3復(fù)壓復(fù)燒SEM及元素面分布

2.3 物相結(jié)構(gòu)

圖5 燒結(jié)后Ag-8SnO2-2Bi2O3-1La2O3的XRD圖

2.4 力學(xué)及電學(xué)性能

添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)La2O3材料復(fù)壓復(fù)燒后的各項(xiàng)性能見表2所列。

由表2可知,隨著La2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,材料的致密度明顯增加,從未添加La2O3時(shí)的96.48% 到添加0.5%時(shí)的97.03%,最后增加到1.0%時(shí)的98.11%。La2O3的加入增加了熔融Bi2O3的流動(dòng)性,在毛細(xì)力的作用下氧化物顆粒易于填充到Ag顆粒之間的空隙,使燒結(jié)后材料的致密度提高,材料的布氏硬度也隨La2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。另外, La2O3使得材料中更多的La2O3粒子偏聚在Ag顆粒的界面處,能有效阻止Ag基體在外力作用下的變形,提高了材料的硬度。添加La2O3使材料的電阻率上升，致密度的上升能提高材料的電導(dǎo)率,但添加La2O3增加了SnO2粒子在Ag顆粒邊界的偏聚,增強(qiáng)了晶界對(duì)電子散射能力,阻礙了電子在電場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng),綜合效果是使材料的電阻率升高。

表2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)La2O3樣品復(fù)壓復(fù)燒后性能

2.5 電弧侵蝕形貌

添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)La2O3材料的觸頭電弧侵蝕后形貌如圖6所示。從圖6可以看出,侵蝕區(qū)呈橢圓形,隨著La2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,電弧侵蝕區(qū)域面積逐漸減小;未添加和添加少量La2O3時(shí),電弧侵蝕面積較大,侵蝕區(qū)域內(nèi)部表面粗糙,而且侵蝕區(qū)和基體之間存在過(guò)渡區(qū),說(shuō)明電弧腐蝕熱影響區(qū)較大;當(dāng)添加較多La2O3時(shí),電弧侵蝕面積有所減小,侵蝕區(qū)域表面較平坦。表明加入適量La2O3對(duì)材料的抗電弧侵蝕性能有所改善,但是添加1.0% La2O3時(shí),電弧腐蝕熱影響區(qū)面積較大,噴濺痕跡明顯,如圖6d方框所示。

圖6 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)La2O3材料的觸頭白電弧侵蝕形貌

圖6d方框中噴濺物放大圖如圖7所示,由圖7可知,該噴濺物里出現(xiàn)了大量犁溝,為典型的摩擦磨損形貌[7]，說(shuō)明交流接觸器觸點(diǎn)在工作時(shí),上下觸頭不光有垂直觸頭的法向運(yùn)動(dòng),還有平行觸頭的切向運(yùn)動(dòng)。法向運(yùn)動(dòng)存在于觸頭從斷開狀態(tài)到剛閉合之間,切向運(yùn)動(dòng)在觸頭接觸后發(fā)生,是從剛接觸的不穩(wěn)定狀態(tài)到完全閉合后的穩(wěn)定狀態(tài)之間的過(guò)渡?？梢园l(fā)現(xiàn)此處接觸區(qū)域的磨損現(xiàn)象嚴(yán)重,這是由于大電流使該接觸表面融化軟化,導(dǎo)致材料的硬度和耐磨性能下降。另外觸點(diǎn)在該區(qū)域多次作切向運(yùn)動(dòng),使運(yùn)動(dòng)方向前端的材料堆高,直至觸點(diǎn)材料從表面分離噴濺出來(lái)。

圖7 圖6d內(nèi)方框區(qū)域放大形貌

無(wú)添加和添加0.2%、0.5%、1.0%La2O3后電弧侵蝕中心區(qū)域形貌如圖8所示。圖8中孔洞的形成部分來(lái)自于材料內(nèi)部殘余氣體在觸頭接觸產(chǎn)生的高溫作用下逸出所致。此外,電弧侵蝕時(shí)熔融狀態(tài)的Ag會(huì)溶解吸收氧,在降溫過(guò)程中氧在Ag中的溶解度降低,析出形成孔洞[18]。添加0.5% La2O3的材料經(jīng)電弧侵蝕后,侵蝕區(qū)孔洞數(shù)量明顯較少,可能是由于適量的 La2O3對(duì)熔池材料的吸附作用,電磁力對(duì)熔池產(chǎn)生的攪拌作用小,環(huán)境中的氧不易溶于熔池。當(dāng) La2O3增加到1.0%時(shí),噴濺的Ag融滴變得細(xì)長(zhǎng),且出現(xiàn)分?jǐn)喱F(xiàn)象,造成了觸點(diǎn)材料的浪費(fèi)。這是由于加入過(guò)多的 La2O3造成材料熔融狀態(tài)下的黏度降低,融液各區(qū)域之間的結(jié)合力下降,噴濺的Ag融滴容易變得細(xì)長(zhǎng),并且不連續(xù)。未加 La2O3的材料由于黏度較高,Ag融滴各區(qū)域之間的黏度較大,在觸頭撞擊的作用下飛濺距離較短,處于中心的熔融Ag對(duì)飛濺部分的融滴具有較強(qiáng)的拖拽作用,限制了融滴的噴濺距離,不容易出現(xiàn)分?jǐn)?。綜上,不加 La2O3的材料電弧侵蝕區(qū)面積最大，但融滴噴濺距離較短且不易出現(xiàn)分?jǐn)喱F(xiàn)象。

圖8 電弧侵蝕中心區(qū)域形貌

3 結(jié) 論

在Ag-8SnO2-2Bi2O3中添加La2O3有利于Ag顆粒之間縫隙的填充,使材料的致密度和硬度升高。La2O3的加入會(huì)使第二相粒子在Ag顆粒邊界處聚集,限制電子在電場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng),使材料的電阻率升高,同時(shí)阻止了電弧侵蝕面積的增加。加入0.5%La2O3時(shí)Ag顆粒細(xì)小,密度、硬度和電阻適中。材料的電弧侵蝕熱影響區(qū)面積最小,電弧侵蝕區(qū)孔洞數(shù)量最少,侵蝕區(qū)表面較為平坦,是實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)最佳綜合性能的觸頭材料。