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1、银氧化锡氧化铟电触头材料的加工及其特性牛弓一I./触砑屯银氧化锡氧化铟电触头材料的加工及其特性印度AmitabhVerma,AmitavaRoy.TandreR,Anantharaman.Verm/A排,7-J摘要评价了银氧化锝系触头材料的物理特性与其加工方式和微观结构的关系.这一类材料有可能取代银氧化锅材料.应用铸造,内氧化工艺和粉末冶金工艺(包括快速凝固,内氧化,饶结和复压等),制备了成份为Ag一7.6wt.NSnOt一4.81wt.NIn-O,的银氧化锝氧化铟台金.给出了密度,硬度和电导率等数据井依据台金微观结构予以说明.引言一般认为,在电流为5O5000安的范围内,开关装置上采用AgC
2、aO是合适的.然而,由于Ca.的毒性,人们已发展了其它类型的材料如AgSnO:,AgZnO,AgJriO等以取代AgCdO.由于AgSnO:具有优良的抗腐蚀和抗熔焊特性,该材料被认为是AgCdO很有希望的一种代用品2.AgSnO.材料优良的抗腐蚀性来源于SnO:的高度热稳定性.正是这种热稳定性,使之得以避免触头运动期间触头表面燃弧而引起的熔化和喷溅.一般采用二种工艺制备AgSnO:材料,即内氧化(I/O)和粉末冶金(P/M).I/O工艺包括以下步骤:在真空或惰性气氛中熔化Ag和sn,然后在含氧气氛中加热AgSn台金以使sn转化成SnO.由于SnO的热动力学稳定性高于Ag:0,所以sn氧化要先于
3、Ag的氧化.P/M工艺过程包括:在球磨机中使Ag和SnOz微细粉末充分混和,然后压形,预烧以提高密度.为使制品最终密度提高,二次加工如复压,烧结和挤压等是非常重要的.I/O工艺制取的材料具有微细晶粒结构,但沿样品横截面方向(深度方向)产生不均匀的微观结构.这反过来会影响材料的物理和接触性能.除微观结构的不均匀以43外,I/0法材料还有其它一些特点如有贫瘠区存在,晶界处有氧化物沉淀等.与此相反,P/M工艺制备的材料具有均匀的微观结构,但其密度,硬度较低,为了获得有利的物理,接触性能,P/M工艺需要采用微细的粉末颗粒.对触头材料而言,所选择的加工工艺既影响其物理性能,又影响其接触性能如腐蚀速率,电
4、弧运动和抗熔焊特性等.上述的两种工艺都不能实现触头特性的最优化.本文所描述的工艺可以看作是这两种工艺的综合,并称之为预氧化(P/O)工艺.该工艺利用了快速凝固的优点,使材料的晶粒细化,微观结构不出现偏析,避免了常规I/o工艺的缺点,使材料内部具有均匀结构,不会产生贫瘠区.本文的试验对舍金成份的选择是基于优化接触性能而决定的,这方面有许多资料可供参考.当sn的含量为4一lOwt.时其接触性能较好.若sn量少于4wt.,则抗熔焊性能变差;Sn量高于10wt.,则材料变脆,加工困难.从sn的氧化和改善材料加工性能的角度看,In的加入是必不可少的.一般认为,In的最大含量应在24wt.之间.若In量太
5、于4wt.,会使材料抗粘着性变差;若In量少于2wt.,则不能有效地促进sn的内氧化.真空感应熔化.【.一熔旋=二=Ihl球磨粉的部分内氧化T=550t=lhP:6.0Kg1,cm(02)球磨球磨粉的完全内氧化T=F0t=4hP=6.0Kg/m2<o2.真空均匀化退火T=60UJC【=12.0hI冲制成片016.Omm匣1.mmI5:75内0氧C化t:4hlP=6.0Kg/cm:(oJ:盛l氩气中烧结T=850.t:1,复压P=.235MPa氩气中退火450t=O.5hla图1工艺流程围:(a)预氧化工艺(P/O)(b)内氧化工艺(I/O)试验过程把组成为90wt.Ag6wt.Sn一4w
6、t.In的合金放入真空感应加热炉中熔化,铸成直径为14mm的棒材,然后使用一个熔旋装置把棒材熔化并快速凝固成4mm厚的带材.在一个行星球磨机中用WC滚子和研磨介质把淬火带材研磨两小时以制成粉末.将球磨后不同尺寸的粉末通过一个140目筛,然后在下列条件下进行部分内氧化:T=550,t;lh,氧压为6kg/cm,这样可增加粉末的脆性,有助于进一步球磨.部分内氧化粉末再球磨2小时后即可制得微细粉末,使之具有狭窄的粒度分布.为确保粉末的完全氧化,在650,6kg/em氧压下再将粉末氧化4小时.这里的内氧化时间及温度的选择是根据类似成份材料内氧化过程动力学的研究成果决定的.使用一个舣向液压机将内氧化后的
7、粉末压制成直径为16mm的圆柱状坯块(P一618MPa),其压坯密度为9.Ig/cm(即相当于理论密度的92).然后把压坯在85O,空气环境中烧结1小时,在1235MPa压力下复压,然后在450C退火30分钟,抛光,测量其特性如电导率(涡流电流法),硬度,密度和微观结构.在第二种工艺的加工过程中,制备了具有相同尺寸,形状和成份的坯块,这种工艺是常规的内氧化工艺o/o).AgSnln合金的内氧化工艺条件:T=750,t=45h,氧压为6.0kg/cm.制得1.4mm厚的圆柱状坯块,相应也测量了其有关物理特性.在图l(a)和(b)中各自给出了PIO和I/O工艺流程图.粉末与材料的结构及特性在图2(
8、a)和(b)中分别给出了快速凝固带材和铸造合金的微观结构.图2(a)的微观结构表明,其中并没有第二相沉淀出现,该合金的冷却速率中等.事实上,当粉末冷却速率更高时,可获得更小的晶粒尺寸.带材研磨制取的粉末具有如图3所示的结梅外形.脆性带材研磨的机理似乎是遵循这样一个程序:加工硬化,裂纹形核及在研磨介质冲击下断裂.这样制得的粉末外形与粉碎制得的塑性粉末的外形非常相似.带材研磨法制得的粉末具有如图4所示的范围较宽的粒度分布.由图中频率曲线可见,粗颗粒占有较高的百分比其原因在于塑性颗粒的冷焊,如图5所示.然而,粉末的部分内氧化会使颗粒具有抗熔焊和粘附的特性,粉末的脆性增加.因此,第二次研磨减小了颗粒尺
9、寸,使粉末颗粒呈现狭窄的粒度分布.如图6所示.但第二次研磨并不明显的改44变粉末外形,见图7.图2(a)快速凝固AgSnlnP/M合金的徽观结构图2(b)常规铸造AgSnIn合金的徽观结构45图3研磨粉末的结构sO】:4o一1髓一图5有冷焊现象的研磨粉末的形态结构藏曩f,图6部分内氧化后颗粒的粒度分布IAg一6Sn-41n合金完全内氧化粉末的徽观结构示于图8.每一个颗粒都是一个单一晶体,其中均匀分布着sn和In的氧化物.测定了这些内氧化我们所观察到的较低导电度数值应归固于孔隙的存在和Ag的扩散特性.首先,该工艺并不能获得完全致密的结构,孔隙就会成为电荷载流子潜在的扩散中心,从而降低电导率.其次
10、,sn的内氧化过程总是伴随着材料基体的结构膨胀一最高可达60,这会使基体变形,增强了其扩散能力.观结构(抛光)表1氧化AgSnIn合金物理特性的比较性能预氧化内氧化导电度(IACS)6762硬度(HV)95.42.0114.20.8密度(g/n)9.69.9相对密度97%lOO富Ag相:结论图l1由预氧化工艺制备的样品的微观结构(抛光)Sn,In氧七掏本文介绍的新工艺<P/O)目前还不具备工业化生产的条件,但它确实有助于我们理解微观结构对AgSnO21nzOa电触头材料的影响.我们确信,通过减少晶界的氧化物沉淀,可以改善导电性能,降低接触电阻.由于Sn比CdO的稳定性高,使AgSnO:触
11、头材料的接触电阻较高,故AgSnO2导电性能的改善是极为有利的.此外,还可得出这样的结论,即顼氧化(P/O)工艺可使材料获得更好I.n.的特性.这一工艺从快速凝固和雾化合金粉末开始,然后进行热等静压,相对减少了加工步骤.该工艺可使材料内部的微观结构比较均匀,而在I/O法材料中总会存在贫瘠区.由于微细颗粒内氧化时间太为减少,P/O工艺在经济效益方面也是很有吸引力的.徽图13由常规内氧化工艺制备的样品的微47参考文献1.KarlHeinzSchroder,SilverMetalOxidesasContactMaterials.IEEETransactionsonCompcaents,Hybrids
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