（冶金工程专业论文）反应合成法制备银二氧化锡工艺及组织性能研究.pdf

昆明理t 大学工程硕士研究生学位论文摘要 摘要 a g c d o 材料由于其优良的抗电弧侵蚀性、抗熔焊性和较低的接触电 阻，长期以来被认为是最好的电接触材料。1 泛用于从几伏到上千伏的低 压电器中，曾被称为万能触点。金属镉和其化合物对有机体有毒害作用， 镉在人体内的生物学半衰期人约为1 0 3 0 年，聚集于肾脏、骨骼及血液 中，容易导致肝癌、前列腺癌和肺癌等疾病的发生。 近年米，由于人们环保意u 的加强，一些国家已限制a g c d o 材料的 使用。2 0 0 3 年2 月欧盟公布两项环保指令，其中关丁在电子电气设备 中禁止使用某些有害物质指令巾禁止铅、汞、镉、六价铬等6 种有害 物质吖i 能在电子信息产品中使用。该指令将从2 0 0 6 年7 月l 同起生效。 因此研制和开发新型的、具有环保功效和良好电接触性能的新型材料 就成为该领域的热门课题。a g s n 0 2 是该领域研究最多最有希单的新材 料。目前，国内外研制了许多牛产工艺。其中以合金内氧化法、粉末烧 结挤压法、合余粉末预氧化法、共沉淀法等运用较广，但是这些方法在 生产过程中大都存在材料强度、硬度高，加工硬化速率快等问题，给冷 加工带来较大的困难。 本研究用冶余热力学理论研究了反心合成法制备银基电接触材料的 反应机理，运用反应合成法成功制备出了a g s n 0 2 ( 1 0 ) 材料，并对制备工 艺和a g s n 0 2 ( 1 0 ) 材料的显微组织、力学性能、电学性能、直流条件烧损 后表面形貌进行了研究。 本研究采用4 5 度锥模、锭坯温度为7 5 0 、模具温度5 0 0 、挤压 速度为o 1 m m s 至0 2 m m s 的加工工艺，制备出了组织较好的a g s n 0 2 线坯。研究结果表明：通过反应合成，s n 兀素从a g s n 合金颗粒向外扩 散，并与a g s 也颗粒周围的o 元素结合生成s n 0 2 ，形成聚集带。s n 0 2 颗粒是在基体中反应生长而成的，且颗粒细少，体积分数相对较人，所 以表现在材料的力学性能上为抗拉强度高，硬度高。在透射电镜下观察， s n 0 2 颗粒约5 0 n m ，数个小颗粒互相连接形成一个大颗粒。且有少量银已 溶入到s n 0 2 颗粒中可能形成类似( s n 、a g ) 0 2 的化学结构，增强了s n 0 2 颗粒表面与a g 基体的界面结合能，提高了a g s n 0 2 ( 1 0 ) 材料的塑性和 加工性，退火态的最大延伸率为2 2 。经过压力加工，a g 基体被拉长、 拉细而形成纤维状、带状组织，分布在边界上的s n 0 2 颗粒随a g 基体作 相应的流动、转动，团聚的s n 0 2 颗粒和颗粒较大的s n 0 2 颗粒将发生破 昆叫_ i ! i ! t 人学t 程硕h 卅究生学位论文摘要 碎，并适当的调整自己的方位，沿着挤压变形方向形呈纤维状组织或带 状结构特征。随着a g 基体的变形，s n 0 2 颗粒会不断的嵌入到银基体中， 最终完成均匀弥散。“反应合成、细化颗粒、粗化基体、加工弥散”是反 应合成制备a g s n 0 2 的特点。 在电性能方面，反应合成法制备的a g s n 0 2 ( 1 0 ) 材料具有较低的电 阻率，远远低于有关幽家标准，实验测量的数值与理论计算基本相符。 具有抗转移强、电寿命、损耗低的特点，在相同的实验条件下，直流寿 命分别是机械合金法a g s n 0 2 ( 1 0 ) 和a g c d o ( 1 2 ) 的29 4 倍和2 4 9 倍， 交流寿命分别是后者的1 1 9 倍和1 7 2 倍。经过直流寿命实验后，触点表 面出现a g 富集区、s n 0 2 富集区、孔洞和气孔、裂纹等几种特征性直流 电侵蚀形貌。 研究结果还表明：a g s n 0 2 材料的电弧侵蚀机理与传统a g c d o 电接 触材料不同。在电弧的作用下，s n 0 2 不会发生分解，而是随熔融态的 a g 一起发生喷溅，被吹离燃弧区，材料表面失去a g 和s n 0 2 ，造成材料 表面结构变形，使接触情况变坏，导致材料触点的失效。另外，s n o ：颗 粒密度比熔融态a g 的密度低，颗粒悬浮在熔池巾，也会提高a g s n 0 2 材料的寿命。 反应合成法制备a g s n 0 2 材料是一种全新的研制a g m e o 电接触材 料的方法。该方法对实现a g s n 0 2 材料低成本规模化、商业化生产，拓 宽电接触材料研究领域，推厂a g m e o 电接触材料应用具有重要的理论 和实际意义。 关键词：反应合成法，银氧化锡，显微组织，力学性能，表而 形貌 昆l 圳删t 人学丁程预i 二耐 究生学位论义摘要 a b s t r a c t a g c d ow i t hg o o di n c o r r o d i b i l i t y t oa r c e r o s i o n ，h i g h r e s i s t a n c et o f u s i o nw e l d i n ga n dl o w e rc o n t a c tr e s i s t a n c e ，h a sb e e nr e g a r d a st h eb e s t c o n t a c tm a t e r i a lf o rl o n gt i m e i tw i d e l yu s e di nl o w - v o l t a g ef r o ms e v e r a l v o l t a g e su p t ok i l o sv o l t a g e s ，w a sc a l l e du n i v e r s a lc o n t a c tp o i n t m e t a l c a d m i u ma n di t sc o m p o u n d sa r et o x i cf o ro r g a n i s m b i o l o g i c a lh a l fp e r i o d i sa b o u t1 0 3 0y e a r si nh u m a nb o d i e s a g g r e g a t i o n ，i nk i d n e y ，s k e l e t o n a n db l o o d ，e a s i l yl e a dt os o m ed i s e a s e ss u c ha sl i v e rc a n c e r ，p r o s t a t ec a n c e r a n dl u n gc a n c e r r e c e n t l y w i t ht h ee n h a n c e m e n t o ne n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n c o n s c i o u s n e s s ，a g c d o m a t e r i a lh a sb e e nr e s t r i c t e dt o b e u s e di ns o m e c o u n t r i e s i nf e b 2 0 0 3 ，t w oe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni n j u n c t i o n s w e r e p u b l i c i z e di ne u a c c o r d i n gt o ，s u c ha sp b ，h g ，c da n d c r ”e t c ，s i xm a t t e ra r ep r o h i b i t e dt ou s ei ne l e c t r i c a li n f o r m a t i o np r o d u c t s ， w h i c hw i l lb ec a r r i e do u to nj u l yl “2 0 0 6 t h e r e f o r e ，d e v e l o p m e n t a n d e x p l o i t a t i o n o ft h en e wm a t e r i a l ，w i t h f r i e n d l y - e n v i r o n m e n tf u n c t i o na n dh i g he l e c t r i cc o n t a c tp r o p e r t y ，h a sb e e na h o tt o p i ci ni t sf i e l d f o r t u n a t e l y ，a g s n 0 2ism o s t l yr e s e a r c h e da n dt h em o s t p r o s p e c t i v em a t e r i a l a tp r e s e n t ，l o t so fp r o d u c t i o na r ed e v e l o p e di nn a t i v e a n da b r o a d ，i n c l u d i n gt h ep r o c e s s e so fa l l o y o x i d i z a t i o n ，p o w d e r - s i n t e r i n g e x t r u s i o n ，a l l o yp o w d e rp r e - o x i d i z a t i o n a n d c o p r e c i p i t a t i o n b u t ， i n p r o d u c t i v ep r o c e s s ，m o s t o ft h e mh a v es o m e p r o b l e m s ，s u c h a s h i g h m a t e r i a l i n t e n s i t y ，h a r d n e s s a n dl o wr a t eo fh a r d e n i n g e t c ，w h i c hb r i n g a b o u ts o m eh a r dd i f f i c u l t i e sf o rt h ef o l l o w i n gc o l d - f o r m i n gp r o c e s s a c c o r d i n g t o m e t a l l u r g i c a lt h e r m o d y n a m i c st h e o r y ，t h e r e a c t i o n m e c h a n i s mo fr e a c t i o ns y n t h e s i sp r e p a r a t i o nf o ra g b a s i cc o n t a c tm a t e r i a l s i sr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s t h em a t e r i a l a g s n 0 2 ( 10 ) w a sp r e p a r e d s u c c e s s f u l l yt h r o u g hr e a c t i o ns y n t h e s i sm e t h o d a n di t i ss t u d i e dt h a tt h e p r e p a r a t i o np r o c e s s ，t h em i c r o s c o p i cs t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lb e h a v i o r ， e l e c t r i c i t yp r o p e r t y a n ds u r f a c e t o p o g r a p h y a f t e r b u r n i n g l o s so ft h e 3 昆l 刿理t 大学t 程硕十1 i 究生学位论文摘要 m a t e r i a la g s n 0 2 ( 1 o ) ， i no u rr e s e a r c h ，t h eb e t t e r - s t r u c t u r a l a g s n 0 2 ( 10 ) i s y i e l d e d o nt h e c o n d i t i o n ：4 5t a p e rd i e 7 5 0 i n g o t 5 0 0 m o d ea n d0 1m m st o0 2m m s e x t r u s i o ns p e e d t h ec o n c l u s i o n ss h o w ：t h r o u g hr e a c t i o ns y n t h e s i sp r o c e s s ， e l e m e n ts nd i f f u s e so u t s i d ef r o mt h e a g s na l l o yp a r t i c l ea n dc o m b i n e st o p r o d u c es n 0 2w i t he l e m e n toa r o u n dt h ea g s np a r t i c l e ，w h i c hl e a dt ot h e d e v e l o p m e n to fa g g r e g a t i o nb a n d s n 0 2p a r t i c l e sa r ep r o d u c e db yr e a c t i o n g r o wi n t h e g r o u n dm a s sa n d h a v es m a l ls i z ea n dh a r d n e s so nm a t e r i a l m e c h a n i c a lp r o p e r t y t e md i a g r a ms h o w ss n 0 2p a r t i c l ed i a m e t e ri sa b o u t 5 0 n m ，s e v e r a ls m a l lp a r t i c l e s t o p o s s i b l yc o m p o u n d c h e m i c a ls t r u c t u r e s i m i l a rt o ( s n ，a g ) 0 2 ，w h i c hc a ni n c r e a s ei n t e r f a c i a le n e r g yb e t w e e nt h e s n 0 2p a r t i c l e s u r f a c ea n dt h e a g m a t r i xa n d i m p r o v ep l a s t i c i t y a n d m a l l e a b i l i t yo f t h em a t e r i a la g s n 0 2 ( 1 0 ) u l t i m a t ee l o n g a t i o n ，o na n n e a l i n g c o n d i t i o n ，i su pt o2 2 t h r o u g hp r e s sw o r k ，t h ea g m a t r i xi se l o n g a t e da n d a t t e n u a t e dt of o r mf i b r o u ss t r u c t u r ea n db a n d e ds t r u c t u r e s n 0 2p a r t i c l e s ， d i s t r i b u t e do nb o u n d a r yl a y e r ，f l o wa n dr o t a t e ，w i t ht h ea gm a t r i xd o n e ，a n d t h eu n i t es n 0 2p a r t i c l e sa n db i gp a r t i c l e sb ec r u s h e da n db e g i nt oa d j u s t t h e i r p o s i t i o n s a n df o r mf i b r o u ss t r u c t u r eo rb a n d e ds t r u c t u r e a l o n g e x t r u s i o nd e f o r m i n gd i r e c t i o n w i t ht h ed e f o r m a t i o no ft h ea gm a t r i x ，s n 0 2 p a r t i c l e sc a ni n s e r tc o n t i n u o u s l yi n t ot h ea g m a t r i xa n df i n a l l ya c c o m p l i s h t h e h o m o g e n o u sd i s p e r s i o n t h e c h a r a c t e r i s t i c ，o f r e a c t i o n s y n t h e s i s p r e p a r a t i o nf o ra g s n 0 2 ，i s “r e a c t i o ns y n t h e s i s ，p a r t i c l er e f i n e m e n t ，m a t r i x c o a r s e n e s s ，p r e s sd i s p e r s i o n ” o nt h ea s p e c te l e c t r i cp r o p e r t y ，t h em a t e r i a la g s n 0 2 ，p r e p a r e dt h r o u g h r e a c t i o ns y n t h e s i sm e t h o d ，h a st h el o w e rr e s i s t a n c em u c hl e s st h a nr e l a t e d n a t i o n a ls t a n d a r d s a n de x p e r i m e n t a lm e a s u r e dd a t aa r ec o n s i s t e n tw i t ht h e r e s u l to ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n a tt h es a m et i m e ，i th a sh i g hr e s i s t a n c et o t r a n s f e r ，l o n g e l e c t r i c a ll i f ea n dl o w c o n s u m p t i o n o n t h es a m e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，i t sd i r e c tc u r r e n tl i f e i s2 9 4t i m e so ft h em a t e r i a l a g s n 0 2 ( 1 0 ) sa n d2 4 9t i m e so f t h ea g c d o ( 1 2 ) sr e s p e c t i v e l yt h r o u g hm a m e t h o d ，a n da l t e r n a t i n gc u r r e n t l i f ei s r e s p e c t i v e l y 1 19t i m e sa n d17 2 t i m e so ft h el a t t e r s a f t e r e x p e r i m e n t s f o rd i r e c tc u r r e n tl i f e ，s e v e r a l 4 比l 叫删t 人学t 程颂l ：研究生学位论文 摘监 c h a r a c t e r i s t i cd c a p p e a r a n c e sa p p e a ro nt h ec o n t a c tp o i n ts u r f a c e ，s u c ha s a ge n r i c h i n gr e g i o n ，s n 0 2e n r i c h i n gr e g i o n ，v o i d s ，g a sh o l e sa n dc r a c k se t c t h er e s e a r c hr e s u l ta l s os h o w s ：t h ea r c c o r r o s i o n m e c h a n i s mo ft h e m a t e r i a l a g s n 0 2 i sd i f f e r e n tw i t ht h a to ft r a d i t i o n a l c o n t a c tm a t e r i a l a g c d o u n d e rt h e a r ce f f e c t ，s n 0 2 w h e n g a s0 2 r u no f f , m u c ha r ce n e r g y c a nb e d e c o m p o s e dt o s n oa n d0 2 a r ec o n s u m e d ，a n dg a s0 2c o m b i n et o p r o d u c es n 0 2p a r t i c l ea n e w ，w h i c hc o n d e n s eo nt h es u r f a c eo fa g s n 0 2 ，t h e n i n c r e a s ei t s v i s c o s i t y a n dp r o l o n gi t s l i f e a d d i t i o n a l l y ，b e c a u s eo fs n 0 2 p a r t i c l e s l o w e rd e n s i t yt h a nt h a to fm o l t e ns t a t e s i l v e r ，t h e ys u s p e n s ei n m o l t e nb a t ha n dc a np r o l o n gl i f eo ft h em a t e r i a la g s n 0 2 r e a c t i o ns y n t h e s i sp r e p a r a t i o nm e t h o df o rt h em a t e r i a l a g s n 0 2i s a n e wp r o c e s sf o r p r o d u c i n g c o n t a c tm a t e r i a l a g m e o t h em e t h o dh a s i m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a t i o no nr e a l i z i n gl o w - c o s t ，l a r g e s c a l ea n dc o m m e r c i a lp r o d u c t i o no ft h em a t e r i a la g s n 0 2 ，w i d e n i n gr e s e a r c h f i e l d so fc o n t a c tm a t e r i a l sa n ds p r e a d i n ga p p l i c a t i o no ft h ea g m e oc o n t a c t m a t e r i a l 5 7 j 【6 g 9 2 0 7 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：欷先牟 日 期：瑚午年) 月2 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 锄龇译碘论文作槲：嗽先乎 日期： 洌年年7 月 三 日 昆叫理工大学t 程坝i j 研究生学位论立第一章概述 第一章概述 1 1 电接触的基本原理【l 。9 电接触材料的制备和对其性能进行分析，是一项多基础学科和应用 学科相结合的综合工作，要求借助的学科包括物理学、物理化学、材料 学、粉末冶金学、电工学等，进行基本电接触现象的分析，有助于理解 电接触材料的设计原则和电接触材料制备工艺的选择。电接触材料的使 用特性主要取决于电接触材料在工作时发生的物理过程和与物理过程相 关的化学过程。对电接触材料来说，具有两种基本的工作状态： ( 1 ) 迅速接通电流，并在闭合状念通过额定电流； ( 2 ) 迅速分断电流。 这两种状念对接触材料产生不同的作用，因而也对电接触材料提出 了不同的要求。这就需要我们对电接触现象的物理和物理化学机理进行 深入的研究。 电接触是用来描述两个组件因带电接触而产生的一种状态，这两个 组件称为接触件，电触点的任务是产生或消除电接触。由于电接触现象 的存在，势必会在接触面产生接触电阻，接触电阻是触点材料的基本的 重要的性能之1 。 1 1 1 接触电阻的构成 接触电阻是指当两个触点接触时在接触部位产生的电阻，它是电接 触材料最基本的性能参数。从物理意义上看，固体表面总是凹凸不平的。 通过机械加工的极平滑表面，其表丽粗糙度为1 0 - s m 数量级。通常使用 的触头，其表面粗糙度在1 0 - 5 m 1 0 - 6 m 数量级。所以触头间的相互接触 只能是局部的。此外，一般认为金属表面全部或部分被厚度不等的表面 膜所覆盖，因此接触电阻由局部接触产生的金属接触状态电阻、收缩电 阻和表面膜电阻构成，根据h o l m 估算，金属接触电阻约为1 0 “q ，在这 昆叫理t 大学t 程硕十研究生学位论文第一章概述 里可不必考虑。所以接触电阻满足公式： r 。= r 。+ r f( 1 1 ) 式中：r 。为接触电阻、r 。收缩电阻、r f 为表面膜电阻。 1 1 1 1 收缩电阻 金属表面原则上是粗糙的，所以触点受机械负载引起的微观几何形 状变化不大，不足以产生完全布满微观尖峰的接触面。因此，电流导通 是经过大量的非均匀分布的微观面实现的，微观面的尺寸、数目和分布 与触点形状、接触压力、温度、晶格结构以及材料性能等有关。根据h o l m 公式，单点接触时的收缩电阻为： r e - 2 p i ( 1 - 2 ) 式中，a 为接触点的半径( m ) ；p 为触点材料的电阻率( 脚c m ) 。 通常情况下，实际接触面为多点接触，这时收缩电阻为： re。万i-i(1-3) 式中，n 为接触点的平均半径( m ) ；i 为接触点的数目。 学者g r e e n w o o d 论述了收缩电阻理论，该理论考虑了通过微观面的 电流的相互作用。根据该理论，某个接触点与相邻接触点相叠加，不同 接触点的半径采用平均值，则得到下列收缩电阻的表达式： 驴面p + 署若古 m 。， 当接触压力变化时，微观面的尺寸、数目和分布也发生变化。考虑 到压力因素，研究者h a r a d a 及m a n o 推导出从1 n 到1 0 0 0 n 接触压力范 围内收缩电阻的表达式： r e 2 端硭9 ( 1 _ 5 ) 式中p 为材料的电阻率：h 为触点材料硬度；l 为表面接触面直径； ( n l ) 0 为在平均尖峰高度时表面轮廓图中截面相对系数。 1 1 1 2 表面膜电阻 任何纯金属表面都覆盖着多层杂质分子。它们对接触电阻影响甚微。 较厚的沉积层称为表面膜，它能改变接触表面的性质，从而对接触电阻 产生明显影响。表面膜可分为：表面杂质；无机化学膜；有机表面膜等。 昆叫理t 大学t 程坝卜研究生学位论立第一章概述 若表面膜厚度小于l0 - 8 m ，在数量级为1 0 7 v c m 的电场作用f ，就 有可能发生隧道效应。当薄膜的厚度在电子的德布罗意波跃数量级叫， 隧道效应更易于发生。这种场致发射( f - 发射) 效应不需要外界供给能 量。当温度升高到1 0 0 0 k 至2 0 0 0 k 时，费米能界上的电子越过势垒而逸 出，产生热发射( t - 发射) 。 这两种效应及其叠加( f 、- f - 发射) 对薄膜的导电率起决定性作用。 电阻可以由这两部分电子的逸出几率确定。根据h o l m 的估算： r f = 之( 1 6 ) 式中d 为表面电阻的经验值：a 为接触半径。 有表面膜接触表面的接触电阻与接触压力满足： r 。= k p f l ( 1 7 ) 式中p 为触点材料的电阻率；f 为接触压力；k 表示触点表面状态， 光滑表面约为5 0 ，粗糙表面约为1 1 0 - 15 0 ；i 为系数，在o 9 - 1 0 之间。 1 1 2 影响接触电阻的因素 通过对接触电阻的讨论，我们【_ l _ 知道影响接触电阻的主要因素有材 料性能、工作条件和环境因素等。 1 1 2 1 材料性能 材料性能主要包括材料的物理、化学、电学和力学等方面性能，它 们都对电触点工作时接触电阻的稳定有直接影响。从式( 1 - 5 ) 可知，塑性 变形时，电阻率p 和硬度h 越低，收缩电阻越小，但有表面膜形成的情 况下，提高材料的硬度和增加接触压力可促使表面膜破裂，增大接触面 积，从而减小接触电阻，可见硬度的选择要根据接点实际工作条件来选 择，弹性模量的影响也同硬度类似。在任何情况下，高的热导率和再结 晶温度对保持接触电阻小和稳定性有利。 1 1 2 2 接触压力 由式( 1 2 ) 可看出，接触压力对接触电阻的影响可归纳为两方面：一 方面，压力使材料变形，从而增大有效接触面积，使收缩电阻减小；另 - 方面，压力可破坏表面膜，从而使表面膜电阻减小。因此，增大接触 压力对减小接触电阻是有利的。 昆明理工大学1 二程醐卜研究生学位论义 第一章概述 1 1 2 3 工作电流 工作电流对接触电阻的影响可归结为温度对接触电阻的影响：首先， 温升使电阻率升高，从而增大了接触电阻，温升到一定程度使材料软化， 增大了接触面积，从而接触电阻减小。继续升温使材料熔化，接触电阻 为零，即触点失效。工作电压对接触电阻的影响主要是使表面膜被击穿。 1 1 2 4 环境因素 环境的温度、湿度、有害气氛、尘埃均对接触电阻有影响。这通常 是产生表面膜的外因。 1 1 3 电侵蚀 触点在工作过程中由于接触电阻和电弧放电而产生很大热量，使材 料发生熔化和蒸发，并导致触点熔焊、材料消耗、材料转移等现象，称 之为电侵蚀。其实质为机、电、热三种作用交叉的过程。电弧是气体自 持放电的一种形式，在触点分离的瞬间电场强度极高，此时由于阴极电 子发射( 在高电场和热的共同作用下) 及宇宙射线产生的气体电离化， 使得带电触点间隙总有少量的电子存在，在电场力作用下，电子向阳极 触点加速运动，并与中性气体分子或原子碰撞，使之分离为电子和正离 子。碰撞出来的电子继续碰撞，由此累积了大量电子，在电场作用下向 5 f l 极运动，这就是电弧产生和维持的基本原因。电侵蚀现象有以下几种 形式。 1 1 3 1 粘附 当无表面膜的两个金属触点表面相互接触，表面原子间距接近到晶 格距离时，就产生吸引力。这一效应与温度密切相关。对于多数接触系 统，两会属表面不可能完全接触，只存在微观尖峰接触。因此，要增大 这种粘附力，就必须施加足够的外加应力使接触面积增大，即金属表面 微观尖峰发生塑性变形。 当温度高于相互接触的金属材料的再结晶温度时，在接触区发生再 结晶过程，原来存在于接触区的晶界消失，使微观接触区的性能与整体 材料一致。上述两种因素构成了接触材料的粘附。 1 ，1 3 2 触点熔焊 熔焊是指触点在工作中，局部熔化而使两个触点焊接在一一起，不能 昆明挫工人学丁程硕士研究生学位论文笫一章概述 开启的现象。是有负载电流的接触面间发生的种物理变化。当电流经 过接触面时，由于接触面的微观尖峰接触，造成电流柬集而增加了流经 真正接触面的电流密度，从而使这些真正接触面强烈发热，导致局部金 属熔化，将接触面焊接在一起。 熔焊面的直径和电流强度符合以下关系式： a 。2 芷，。( 1 8 ) 式中：a 。为熔焊面，k 及。为常数，取决于接触材料、接触面形状 以及接触压力 从材料性能角度理解，每一种材料都有相应的熔焊值。导电性、导 热性、硬度以及熔点越高，材料越难于熔焊。同时，熔焊还与接触压力、 通电时间、表面状态等有关。 1 1 3 3 材料消耗 通电产生的焦耳热和电弧放电产生的热量可使触点局部熔化，产生 液桥，随着触点断开过程的延续，液桥横截面不断收缩，电流密度不断 增大，当焦耳热导致的材料升温达到基体材料的沸点时，液桥横截面最 小处发生汽化，液桥破断。此时阴、阳极表面的微小熔池中的液态金属 在电子的快速轰击下产生飞溅和会属蒸汽的挥发，将使触点材料不断消 耗，材料消耗造成表面成分和组织的恶化，从而导致接触电阻升高或接 触电阻不稳，并导致熔焊现象的发生等。材料消耗除和材料性能有关外 还和工作条件等有关。 1 1 3 4 材料转移 材料转移是直流电路所特有的电接触现象，材料转移的方向和电路 条件、触点材料、触点两极间的热平衡条件等有关。一般，低电压、大 电流时阳极材料向阴极转移；高电压、小电流时，则结果相反。材料转 移造成接触电阻不稳，严重时使触点不能断开，导致触点失效。 1 1 4 对电触点材料的基本要求 根据电接触现象与电接触材料的相关性分析，触点材料应具备如下 性能1 o j 【】：化学稳定性好，不易氧化、不易腐蚀、不易生成有害表面膜； 熔点、沸点高，蒸汽压低：导热性好，导电性好；电阻温度系数小，极 限电弧参数大：具有适当的硬度和弹性，耐磨性好；良好的加工性能和 昆明理i ：大学t 程坝l j 卅究生学位论立：锖一章概述 低的成本。 没有，一种材料能满足以上所有条件，因此，我们必须根据实际情况 台理选材和用材，使之既满足特定触点的使用性能要求，又经济可行。 1 2 银基电接触材料 1 2 1 简介 电触点是开关、仪器、仪表、继电器等的关键元件之一。主要负担 着接通、断开、导流、隔离电流的工作。其性能的好坏直接影响电器的 可靠性、稳定性、精确度和使用寿命。所以电接触材料既是电子、电器 的关键，又是其致命点，已成为电子技术中不可缺少的重要材料。随着科 学技术的迅速发展，电子、电器产品的更新换代，电接触材料的应用越 束越广泛，用量越来越大，同时也对电接触材料的研究和生产提出了更 高的要求。电接触材料的应用领域十分广阔，从电力设备、通讯器材、 各类接触器、继电器和精密电子仪器中的连接器，到各种开关等，为电 接触材料的研究和开发应用提供了广阔的空间。 表1 1 常用电接触材料基本物理性能”i 3 材料密度熔点沸点比热导热系数电阻系数 q m g c m o c。c j f k g k w ，m - k ( 1 0 8 ) 铜( c u ) 8 9 61 0 8 4 52 5 8 03 8 6 4 4 4 5 41 6 8 银( a g ) 1 0 4 99 6 1 92 2 1 02 3 4 04 1 8 ，71 ，5 9 金( a u ) 1 9 3 21 0 6 4 42 8 0 81 2 8 83 0 9 8 2 0 6 铂( p t ) 2 1 4 51 7 6 93 8 0 013 15 7 1189 8 5 钯( p d ) 1 2 0 21 5 5 52 9 0 02 4 4 57 5 3 6 9 9 3 电器开关按结构和工艺可分为：高压开关电器、低压开关电器、自 动电磁元件、成套电器和自动装置等。电接触材料制成的电触头是这些 昆i 归理工大学t 程硕上研究生学位论文第一章概述 电器的核心元件。要求具有良好的导电性、导热性、低而稳定的接触电 阻、较高的耐损性、抗熔焊性和较好的机械性能。电接触材料已有1 0 0 多年的发展历史，最初的电接触材料为c u 、a g 、a u 、p t 等纯金属。后 来，以c u 、a g 、a u 、p t 、p d 为基材的合金、复合材料等广泛应用于电 触点。在所有金属中，a g 的导电率最高、导热性最好。并且具有相当高 的比热、良好机械加工性能等特点。在大气条件下不氧化，能保持稳定 的接触电阻。因此，a g 基材料是电子电器工业中应用最广的电接触材料。 具有关资料统计【1 4 0 ”，1 9 9 5 年我国仅低压电器行业年耗银量达到4 0 0 吨， 2 0 0 0 年达到6 0 0 吨，2 0 0 2 年将达到6 0 0 吨，预计2 0 0 5 年可能达到1 0 0 0 吨，平均增长率约为1 0 。 表卜2 铜和银的基本机械性能参数对比i ”1 3 铜( c u ) 银( a g ) 加l 态退火态铸态加r 态退火态铸态 屈服强度6 。 3 4 0 3 5 05 0 7 03 1 05 53 5 m p a 抗拉强度6 b 3 7 0 4 2 02 2 0 - 2 4 01 7 03 8 01 5 01 0 0 m p a 断面收缩率甲 3 0 5 4 5 06 5 0 7 5 09 0 06 7 0 伸长= 率6 4 0 6 04 5 0 5 0 03 0 5 0 4 3 0 5 0 0 布氏硬度h b 2 1 015 0 7 5 03 0 04 2 0 m p a 但纯a g 触点也有缺点：抗硫化能力差、硬度低、易冷熔焊、在直流 电f 工作有材料转移倾向。为此，人们研究了大量具有较高力学性能和耐 磨性能，而电学性能变化不大的a g 基合金材料和银基复合材料。来克服 上述缺点。上世纪4 0 年代以来采用a g c u 、a g a u 、a g c d 等合命。6 0 年 代以来发展了多元贵金属合金和各种形式的复合材料。现在，主要的a g 基电接触材料有细晶a g 、a g c 、a g n i 、a g w 、a g w o 、a g c u 、a g f e 、 a g c d 、a g s c l 、a g c d o 、a g s n 0 2 、a g z n o 等系列产品1 4 1 1 2 4 1 1 7 。2 5 1 。其 昆明理工夫学1 二程硕士研究生学位论文鹅一章概述 中，银一金属氧化物( 即a g m e o ) 电接触材料是应用量最大的产品。 表1 3 各类a g 基材料主要产品的性能与应用4 2 4 1 7 “ 密度电阻系数硬度软态 名称用途 g c m 3 n m ( 1 0 。8 )m p a 细晶银 10 51 8 0h b3 7 用于小负荷电器等。 适用于中等电流的滑动接点元 a g c ( 5 ) 8 5 0 2 7 5h b2 5 件：如小型转子的电刷等。 多用于灵敏的低压继电器和 a g c d ( 1 4 ) 1 0 42 9 0h v 3 5 轻、中载荷的接触器等。 用于高压和大电流继电器：如 a g c u ( 1 0 ) 1 021 9 0h v6 0 空气断路器、起动器等。 适用于起动频繁的重负荷交流 a g f e ( 1 0 、 1 0 02 2 0h b6 8 接触器等。 重负荷的开关、继电器和大型 a g m o ( 3 0 1 】o 52 0 0h b7 6 电机的起动器等。 常于a g c d o 等配对使用，用于 a g n l f l o 、 1 0 11 8 0h b5 0 低压电器。如汽车开关等。 重负荷的开关、继电器、空气 a g w ( 3 0 ) 1 1 92 3 0h v 6 0 断路器、大电流开关接点等。 适用于中等和大功率接触器、 a g c d o ( 12 ) 1 0 o2 1 0h v 8 5 继电器：如航空继电器等 a g s n 0 2 ( 1 o 、9 7 2 1 0h v】o o a g c d o 的替代产品 a g z n o ( 1 2 ) 9 6 02 1 0 部分替代a g c d o 1 2 2 银- 金属氧化物材料的特点及现状1 1 1 2 , 2 1 a g c d o 电接触材料 银- 金属氧化物( a g m e o ) 电接触材料中最典型的是a g c d o 材料。其特 点是：耐损蚀性好、抗熔焊能力强，接触电阻低而稳定，具有良好的使 用性能。广泛应用于电流从几十按到数千安，电压从几伏到上千伏的多 昆明理r 人学工程硕卜 i j 究生学位论文 第一章概述 种低压电器。主要领域应用于汽车接触器、彩电启动开关、家用电器开 ) 、凸轮开关、光控开关、室内恒温器、断流容量大的继电器以及航天、 航空工业用的各种开关等。一般c d o 的质量百分比为8 1 2 ，对要求 抗熔焊性特别高的应用场合也可使用c d o 高达1 5 的材料。 a g c d o 电接触材料自三十年代出现以来，人们对它进行了广泛细致 的研究。a g c d o 是一种弥散强化型