（材料加工工程专业论文）基于温压工艺的铜基电触头材料的制备及性能研究.pdf

p r e p a r a t i o na n d p e r f o r m a n c es t u d yo fc u - - b a s e d e l e c t r i c a lc o n t a c tm a t e r i a l sb a s e do n 腑r m c o m p a c t i o np r o c e s s b y f e n gs h as h a u n d e rt h es u p e r v i s i o no f g e n g h a o 砌n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo f j i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a j u n e ，2 0 1 2 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，独立进行研究所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：竭矽边 日期：别文铲 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 酗开口保密( 年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：渴边涉导师签名弛日期：二吖2 么。笋 济南大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 本课题研究的背景、目的和意义1 1 2 电触头材料的研究概况2 1 3 电触头材料的分类。3 1 3 1 银基触头材料3 1 3 2 铜基触头材料5 1 4 温压成形工艺的研究进展一6 1 5 温压工艺的特点7 1 6 温压工艺的影响因素7 1 6 1 温压粉末8 1 6 2 润滑剂8 1 6 3 压制温度1 0 1 7 温压工艺的致密化机理10 1 7 1 固体润滑膜的研究1 0 1 7 2 润滑理论的研究1 2 1 7 3 致密化的几种主导机制1 3 1 8 温压工艺的发展展望1 3 1 9 本课题的研究目的、意义及内容1 4 第二章实验方案设计。1 5 2 1 实验设备及药品1 5 2 1 1 主要试验设备1 5 2 1 2 主要实验材料1 5 2 2 实验方法1 6 2 2 1 实验设计流程图。1 6 2 2 2 实验方法1 7 第三章温压工艺的探索实验2 1 3 1 温压工艺的影响因素2 1 3 1 1 压力2 1 基于温压工艺的铜基电触头材料的制备及性能研究 3 1 2 温度2 1 3 1 3 润滑剂的种类和含量2 2 3 2 铜基电触头材料的制备2 2 3 2 1 铜基电触头材料成分的确定2 2 3 2 2 铜基电触头材料的成形和烧结2 2 3 3 正交实验因素水平的选取2 3 3 4 润滑剂含量和压制温度对电阻率、硬度和抗氧化性能的影响2 3 3 4 1 润滑剂含量和压制温度对电阻率的影响2 3 3 4 2 润滑剂含量和压制温度对硬度的影响2 8 3 4 3 润滑剂含量和压制温度对抗氧化性能的影响一2 8 3 5 小结2 9 第四章润滑剂对温压工艺参数的影响3 1 4 1 正交实验因素水平的选取3 1 4 2z s 和p s 润滑剂含量对电触头材料性能的影响3 2 4 2 1 润滑剂含量对材料密度的影响3 2 4 2 2 润滑剂含量对材料电阻率的影响3 5 4 2 3 润滑剂含量对材料抗氧化性的影响3 7 4 2 4 润滑剂含量对材料硬度的影响4 0 4 3 添加z s 或p s 时压制温度和压力对电触头材料性能的影响4 2 4 3 1 压制温度和压力对材料密度的影响4 2 4 3 2 压制温度和压力对材料电阻率的影响4 4 4 3 3 压制温度和压力对材料抗氧化性能的影响4 5 4 3 4 压制温度和压力对材料硬度的影响4 6 4 4 抗熔焊性能分析及研究4 8 4 5 温压工艺和冷压工艺性能的比较5 2 4 6 小结5 2 第五章稀土铜对材料性能的影响5 5 5 1 不同含量和种类稀土铜粉末的性能5 5 5 2 添加不同含量稀土铜材料的制备及性能研究5 8 5 3 添加不同含量稀土铜对材料性能的影响5 9 i i 济南大学硕士学位论文 5 3 1 稀土铜对电触头材料密度的影响5 9 5 - 3 2 稀土铜对电触头材料电阻率的影响6 0 5 3 3 稀土铜对电触头材料抗氧化性能的影响6 1 5 3 4 稀土铜对电触头材料抗电弧侵蚀的影响6 1 5 4 小结6 3 第六章结论6 5 6 1 结论6 5 6 2 创新点6 6 参考文献6 7 致谢7 3 附录7 5 i i i 基于温压工艺的铜基电触头材料的制备及性能研究 i v 济南大学硕士学位论文 摘要 电触头是电器开关的关键元件，其性能的好坏直接影响开关运行的可靠性和使用寿 命。随着触头制备方法的不断发展、种类的不断增加，节银触头材料的研究得到了人们 的关注。一般而言，提高粉末冶金零件性能最有效的手段是提高材料的密度，提高密度 的工艺方法有多种途径，如复压复烧、渗铜、热锻和温压等。研究表明，在提高相同密 度的条件下，温压工艺的生产成本最低，因此，它已经广泛应用于铁基材料的制备。 本文采用正交实验等方法手段，研究了温压工艺参数，即压制力、压制温度和润滑 剂含量对铜基电触头材料物理和力学性能的影响，通过对触头材料综合性能的分析，确 定出最佳的温压工艺参数。在最佳温压工艺条件下，研究添加不同量稀土铜中间合金 对铜基电触头材料性能的影响，制备出综合性能最佳的电触头材料。 在研究温压工艺参数对触头材料性能的影响中显示，在一定温度范围内，电阻率和 氧化增重随着压制温度的升高而减小，并在1 3 0 。c 时取得最小值。硬度随着温度的升高 先增大再减小，在1 6 0 。c 时获得最大硬度值。由电阻率和硬度正交实验的极差及误差分 析可知，压制温度是影响材料性能的主要因素，而润滑剂添加量是次要因素。初步确定 了温压工艺的最佳参数为：压制温度为1 3 0 ，润滑剂p s 添加量为o 7 。 从温压工艺的进一步试验可得，对于分别添加润滑剂z s 和p s 而言，随着压制力的 增加，试样的密度和硬度逐渐增加，而电阻率和氧化增重逐渐减小。在5 5 0 m p a 之前， 试样各种性能的变化较大，而在5 5 0 m p a 之后，变化趋势减弱。其次，随着压制温度的 升高，密度和硬度在一定范围内增加，随后随着温度的升高而减小；但电阻率和氧化增 重的变化趋势正好与之相反。由添加0 4 z s 试样的电强化试验分析可知，在1 2 0 压 制温度下，试样的电弧侵蚀图的微观组织形貌较平滑；而在其它压制温度下，熔焊区域 的微观组织形貌粗糙不平且存在很多微孔，即其抗电弧能力较差。 由正交实验对电触头材料性能的极差和方差分析可知，影响材料性能的因素从大到 小的顺序依次是：压制力、压制温度、润滑剂含量。添加z s 的最佳工艺参数是：压制温 度为1 2 0 。c 、润滑剂含量0 4 、压力6 5 0 m p a ；而添j 】i ：i p s 的最佳工艺参数是：压制温度为 1 4 0 、润滑剂含量0 7 、压力6 5 0 m p a 。并从理论上探讨了温压工艺的致密化机理。 通过比较温压和冷压试样的各种性能可知，温压试样的综合性能优于冷压试样的性 能；其次，添加p s 试样的性能要优于添加z s 试样的性能，这与润滑剂自身的特性密切相 关。对温压工艺而言，润滑剂种类不同，材料的性能也有所差异。因为随着温度的升高， v 基于温压工艺的铜基电触头材料的制备及性能研究 添加p s 粉末的流动性优于添加z s 粉末，而粉末的流动越好越有利于材料的致密化。 在最佳温压工艺参数下，通过研究稀土铜添加量对电触头材料性能的影响可知， 随着添加稀土铜总量的增加，试样的密度和硬度逐渐减小，电阻率逐渐增加。在添加 0 6 富l a 的稀土铜时，试样的氧化增重随着氧化天数的增加而增加；分别添加0 4 l a 和富c e 的稀土铜时，试样的氧化增重随着氧化天数的增加几乎不变；而分别添加 0 2 l a 和富c e 的稀土铜时，试样的氧化增重随着氧化天数的增加逐渐减小。此外， 触头材料的抗电弧能力随着稀土铜添加量的增加逐渐减弱。因此，随着稀土铜添加量 的增加，电触头材料的综合性能逐渐变差。 关键词：温压成形工艺；正交试验；润滑剂；稀土一铜 v i 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i c a lc o n t a c ti sv e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n to fe l e c t r i c a ls w i t c h e s s oi t sp e r f o r m a n c e s d i r e c t l yd e t e r m i n et h es w i t c h sr e l i a b i l i t ya n ds e r v i c el i f e w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a l c o n t a c tp r e p a r a t i o np r o c e s sa n dt h ei n c r e a s eo fv a r i e t y , p e o p l ep a y i m p o r t a n ta t t e n t i o nt ot h e r e s e a r c ho fs a v i n gs i l v e rc o n t a c tm a t e r i a l s g e n e r a l l ys p e a k i n g ，i n c r e a s i n gd e n s i t yi st h eb e s t w a yt oi n c r e a s et h ep e r f o r m a n c eo fp mp a r t s t h e r ea r es o m ep r o c e s s e st h a tc a ni n c r e a s e d e n s i t yo fp mp a r t s ，s u c ha sd o u b l ep r e s s d o u b l es i n t e r ( d p d s ) ，c ui n f i l t r a t i o n ，p o w d e r f o r g i n ga n dw a r mc o m p a c t i o n i ti sf o u n dt h a t ，f o ri m p r o v i n gt h es a m ed e n s i t yo fp a r t s ，w a r m c o m p a c t i o ni sc o s te f f e c t i v e t h e r e f o r e ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ep r e p a r a t i o no f i r o n - b a s e d m a t e r i a l s i nt h i sp a p e r , i ti ss t u d i e dt h a tt h ec o m p a c t i n gp r e s s u r e ，c o m p a c t i n gt e m p e r a t u r ea n d l u b r i c a n tc o n c e n t r a t i o ni n f l u e n c e dt h e p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc u b a s e d e l e c t r i c a lc o n t a c tm a t e r i a l sb yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lm e t h o da ss oo n t h e nt h eo p t i m a l p r o c e s sp a r a m e t e r sw e r ei d e n t i f i e dt h r o u g ha n a l y s i so fc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo fc o n t a c t m a t e r i a l s a d d i t i o n a l l y , a tt h eo p t i m a lw a r mc o m p a c t i o nc o n d i t i o n ，i ti sr e s e a r c h e dt h a te f f e c t o fa d d e dd i f f e r e n tc o n t e n tr e - c uo nc u - b a s e de l e c t r i c a lc o n t a c tm a t e r i a l s f i n a l l y , t h eo p t i m a l c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r i c a lc o n t a c tm a t e r i a lw a sp r e p a r e d t h r o u g hs t u d y i n ge f f e c t so f w a r mc o m p a c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r so np r o p e r t i e so fc o n t a c t m a t e r i a l s ，i ti ss h o w n ，i nac e r t a i nt e m p e r a t u r er a n g e ，w i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e ，t h e r e s i s t i v i t ya n dg a i n i n gw e i g h td e c r e a s e d ，a n dt h em i n i m u mv a l u e so fr e s i s t i v i t ya n dg a i n i n g w e i g h tw e r eg a i n e da t 130 c h a r d n e s sf i r s ti n c r e a s e sa n dt h e nd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n g t e m p e r a t u r e ，a n dt h em a x i m u mh a r d n e s sv a l u ew a so b t a i n e da t16 0 。c t h r o u g ht h er a n g ea n d e r r o ra n a l y s i so fr e s i s t i v i t ya n dh a r d n e s s ，c o m p a c t i n gt e m p e r a t u r ei st h em a i nf a c t o r , a n d l u b r i c a n tc o n c e n t r a t i o ni sa s e c o n d a r yf a c t o r f i n a l l y , t h eo p t i m a lw a r mc o m p a c t i o np a r a m e t e r s w e r e p r e l i m i n a r i l y d e t e r m i n e d ： c o m p a c t i n gt e m p e r a t u r ei s 13 0 ，a n dt h el u b r i c a n t c o n c e n t r a t i o no fa d m i x e dp si so 7 t h r o u g ht h ef u r t h e rt e s t s ，i ti ss u g g e s t e d ，f o ra d m i x e dl u b r i c a n tz sa n dp s ，埘t 1 1t h e i n c r e a s eo fc o m p a c t i n gp r e s s u r e ，t h ed e n s i t ya n dh a r d n e s sg r a d u a l l yi n c r e a s e d ，w h i l et h e r e s i s t i v i t ya n dg a i n i n gw e i g h td e c r e a s e d a n dt h e r ew a sl a r g ec h a n g e si nt h es a m p l ep r o p e r t i e s v i i 基于温压工艺的铜基电触头材料的制各及性能研究 b e f o r e5 5 0 m p a ，t h et r e n dg o tw e a k e na f t e r5 5 0 m p a s e c o n d l y , w i t ht h ei n c r e a s eo f c o m p a c t i n g t e m p e r a t u r e ，d e n s i t ya n dh a r d n e s si n c r e a s ew i t h i nac e r t a i nr a n g e ，a n dt h e nd e c r e a s e s t h e t r e n do fr e s i s t i v i t ya n dg a i n i n gw e i g h ti st h eo p p o s i t e i ti si n d i c a t e dt h a t ，t h r o u g ht h ea r c e r o s i o no fa d m i x e d0 4 z s ，t h em i c r o s c o p i cm o r p h o l o g yo fs a m p l ea r ce r o s i o nw a ss m o o t h e r a t12 0 。c c o m p a c t i n gt e m p e r a t u r e a to t h e rc o m p a c t i n gt e m p e r a t u r e ，t h em i c r o s t r u c t u r e m o r p h o l o g yw a sv e r yr o u g h a n dt h e r ea r em a n yp o r o u si nw e l d i n gr e g i o n ，t h a ti st os a yt h a ta r c r e s i s t a n c ei sp o o r b yt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lr a n g ea n dv a r i a n c ea n a l y s i s ，i ti ss h o w e dt h a tt h ed e g r e e o fe f f e c to fw a r mc o m p a c t i o nc o n d i t i o n so np r o p e r t i e si si nt u r nf r o mb i gt os m a l lf o l l o w e da s ： t h ec o m p a c t i n gp r e s s u r e ，c o m p a c t i n gt e m p e r a t u r ea n dl u b r i c a n tc o n c e n t r a t i o n t h eo p t i m u m p a r a m e t e r so fa d m i x e dz sa r e12 0 。c ，0 4 a n d6 5 0 m p a ；w h i l et h eo p t i m a lp a r a m e t e r so f a d m i x e dp sa r e14 0 。c ，0 7 a n d6 5 0 m p a a n dt h ed e n s i f i c a t i o nm e c h a n i s mo fw a r m c o m p a c t i o nw a si n v e s t i g a t e di nt h e o r y c o m p a r e d t ot h ep e r f o r m a n c e so fw a r mc o m p a t i o na n dc o l dp r e s s ，i ti ss h o w e dt h a tt h e s a m p l ep r o p e r t i e s o fw a r mc o m p a t i o na r es u p e r i o rt ot h a to fc o l dp r e s s i na d d i t i o n ，t h e c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo fa d m i x e dp s i sb e t t e rt h a nt h a to fa d m i x e dz s ，w h i c hi sr e l a t e d t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fl u b r i c a n ti t s e l f f o rt h ew a r mc o m p a c t i o np r o c e s s ，t y p e so fl u b r i c a n t a r ed i f f e r e n t ，t h em a t e r i a lp r o p e r t i e sa r ea l s od i f f e r e n t b e c a u s ea st h et e m p e r a t u r er i s e s ，t h e p o w d e rf l u i d i t yo fa d m i x e dp si sb e t t e rt h a nt h a to fa d m i x e dz s t h eb e t t e rf l u i d i t yp o w d e r h a v e ，t h em o r ed e n s i f i c a t i o nt h es a m p l eg e t a tt h eo p t i m a lw a r mc o m p a c t i o nc o n d i t i o n s ，e f f e c to fr e - c uc o n t e n to ne l e c t r i c a l c o n t a c tm a t e r i a l si ss t u d i e d i ti sf o u n dt h a t ，t h ed e n s i t ya n dh a r d n e s sd e c r e a s e d 谢t 1 1t h e i n c r e a s eo fr e c uc o n t e n t ，b u tt h et r e n do fr e s i s t i v i t yi sr e v e r s e w i 也t h ei n c r e a s eo f o x i d a t i o nd a y s ，t h eg a i n i n gw e i g h to fs a m p l ea d d e dr e c uo f0 6 l a - r i c hi n c r e a s e d ；w h e n r e s p e c t i v e l ya d d e dr e - c uo f0 4 l aa n dc e r i c h ，t h eg a i n i n gw e i g h ti s a l m o s tc o n s t a n t ； w h i l es e p a r a t e l ya d d e dr e - c uo f0 2 l aa n dc e - r i c h ，t h eg a i n i n gw e i g h to fs a m p l e g r a d u a l l yd e c r e a s e s i na d d i t i o n ，t h e a r ce r o s i o nc a p a c i t yo fc o n t a c tm a t e r i a lg r a d u a l l y w e a k e n e d 、析t hi n c r e a s eo fr e c uc o n t e n t t h e r e f o r e ，a si n c r e a s eo fr e - c uc o n t e n t ，t h e c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo f e l e c t r i c a lc o n t a c tm a t e r i a lb e c a m eb a d k e yw o r d s ：w a r mc o m p a c t i o np r o c e s s ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；l u b r i c a n t s ；r e - c u 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景、目的和意义 电触头材料是各种电器开关、仪器仪表的接触元件，直接承担着接通和断开电路， 它性能的好坏直接影响着电器和仪器仪表运行的可靠性和使用寿命【l 。3 j 。随着现代化工 业的快速发展，高压输电网络负荷的日益加重、电力系统和电子产品自动控制水平的不 断提高，故对电触头材料的性能提出了更高的要求【4 】。由于触头在断开时会产生瞬间的 大电流和高电压，从而会引起触头材料的电弧烧蚀，在此过程中产生的现象也极其复杂， 故影响电触头材料的因素较多。理想的电触头材料必须具备良好的物理化学性能、电接 触性能、加工制造性能等【5 。10 1 。 根据电器的使用要求，可分为真空开关、油开关、空气开关、封闭开关和充气开关。 因为使用场合不同，对触头的性能要求也不同，如具有良好的导电和导热性，低而稳定 的接触电阻，较高的抗熔焊性和一定的机械强度。而早期的纯钨、纯钼、纯铜及贵金属 触头材料已不能满足这些要求【4 】。因此，可以采用粉末冶金工艺，把性能不同且不能互 相溶解或溶解度很小的多种金属组合在一起，制成一种新型的复合材料，并在实验过程 中不断调整原料配比，从而获得最佳综合性能的电触头材料【1 1 0 4 1 。 一般而言，中低压电器触头材料的主要成分是贵金属银，使其成为耗银量最大的行 业之一。但是我国的银储藏量很少且价格昂贵，为了节约银资源和降低触头材料的生产 成本，所以在世界范围内掀起了研究节银和无银触头材料的高潮1 5 。7 1 。而在2 0 世纪二、 三十年代产生了节银触头a g m e o 和镀层触头材料等，随后也发展了各种铜基的( c u w 、 c u c 和c u w c 等) 无银电触头材料，这为进一步发展铜基触头材料奠定了基础。但是铜 最大的缺点就是在空气中易氧化，生成导电性极差的c u o 和c u e 0 ，导致触头的接触电 阻大幅增加 1 8 ，l9 1 。为了满足触头在低压电器中的使用要求，本课题采用复合原理，添加 一些抗氧化元素，制备出综合性能较好的铜基电触头材料。 触头材料的主要制备工艺有粉末冶金法、合金内氧化法和预氧化合金粉末法三种。 而粉末冶金是一项集材料制备与零件成形于一体，节能、节材、高效、最终成形、少污 染的先进制造技术，并且制备的零件组织均匀、性能稳定，在材料和零件制造业中具有 不可替代的地位和作用【2 0 , 2 1 】。当提高粉末冶金零件的密度，它几乎所有的性能都能得到 基于温压工艺的铜基电触头材料的制备及性能研究 提高，因而提高粉末冶金件的密度已成为粉末冶金的主要研究对象之一。 提高粉末冶金零件密度的方法有多种，如高温烧结、渗铜、复压复烧、粉末锻造、 温压等【2 卜2 5 1 ，然而某些方法在提高密度的同时，也大大提高了生产成本。因此，用低成本 生产高密度、高强度、高精度、异形复杂的零件是粉末冶金厂家面临的一大难题，而粉 末冶金温压成形工艺为此提供了一个崭新的途径【2 6 , 2 7 】。温压工艺是将添加温压专用的润 滑剂粘结剂的混合粉末和模具，一起加热到特定的温度( 一般1 3 0 1 5 0 ) 再进行压制， 然后用传统的烧结工艺进行烧结。温压工艺只是对传统粉末冶金工艺的两个环节做了微 小调整，即加入特定的润滑剂、加热混合粉末和模具；但是在提高零件密度的生产成本 方面，虽比传统一次压制烧结工艺的相对成本提高了2 0 ，但比渗铜、复压复烧和粉末 锻造工艺的生产成本分别降低了2 0 、3 0 和8 0 【2 1 】；而较铸造、锻造、冲压、机加工 成本降低了3 0 9 0 ，故广泛应用于汽车、外科工具、工业泵等的制造。 1 2 电触头材料的研究概况 国外对触头元件及材料的研究已有七、八十年的历史，其种类不但繁多，而且制造 也向元件多元化发展【2 8 1 。而我国从五十年代末才开始研究电触头材料，生产的种类和水 平都不及国外。一些主要的工业国家对触头材料及元件的研究非常重视，既有国家的经 济资助，也有公司和用户的资助。同时，国外非常注重学术情报的交流，自1 9 5 3 年开 始，在美国俄克拉荷马州大学，每年召开一次继电器年会( r e l a yc o n f e r e n c e ) 。会议的主 要内容是研究触头材料的电弧理论、抗熔焊性和接触电阻等【6 】。其次，国外触头材料的 生产厂的规模都不大，但是其机械化和自动化的程度比较高，生产效率也比较高。 早期的触头材料大多是由纯钼、纯钨、纯铜和贵金属制造的，虽说纯银具有良好的 导电、导热性，但它的硬度和熔点较低，且耐磨性差，这使得纯银触头材料难以满足各 种场合的使用【1 7 1 。为了提高电触头材料的硬度、力学性能、耐磨性和抗熔焊性，通常向 纯银中添加c u 、v 、z n 等元素，从而出现了银合金电触头材料，如a g - w 、a g - n i 、a g - c 、 a g w c 等。 随着电器的发展，对触头材料的要求也越来越多，同时电器行业是耗银量最大的行 业之。而世界上银的储藏量是有限的，为了节约资源，研究者们开始从事节银和无银电 触头材料的研究。通过研究发现，金属铜和银的物理性能最相似 1 5 。1 7 ，2 9 1 ，所以产生了银 氧化物( a g m e o ) 触头材料和铜基触头材料。 在2 0 世纪3 0 年代末，由f r he n s e l 及合作者制造出世界上最早的a g c d o 触头材料， 2 济南大学硕士学位论文 但由于其制造工艺较复杂，直至t j l 9 5 0 年之后才被大规模的生产和使用。因a g c d o 材料 具有良好的抗电弧侵蚀性、抗熔焊性和较小的接触电阻等，曾被广泛使用并被称为万能 触点【3 0 ，3 1 1 。但由于镉元素的存在，使其在a g c d o l 拘 产、使用和回收过程中出现镉污染 的问题，所以很多国家开始限制a g c d o 的生产和使用。经过多年的努力，研究者们制备 出了代替a g c d ol 拘a g m e o 触头材料，包括a g z n o 、a g n i o 和a g s n 0 2 等。随着触头材料 的不断发展，在满足电器使用要求的前提下，利用复层技术和贵金属镀层技术可以生产 各种节银触头材料阎，女n a g c u 、a g n y c u 和a g s n 0 2 c u 等。由于稀土元素特殊的物理 和化学性能，学者们开始研究稀土元素对触头材料性能的影响，其研究己涉及到稀土贵 金属触头材料、稀土铜基触头材料和稀土氧化物触头材料3 3 。3 5 】。在取代a g c d o 触头材料 上，研究出了具有巨大潜力的a g s n 2 0 3 _ r e 触头材料。目前对稀土银合金电触头材料的 研究主要有：( 1 ) 进一步研究稀土的作用机理，包括稀土的分布、形态及多稀土的共乘 作用机理；( 2 ) 研究银基稀土合金的多元化，即合理选择合金种类，使材料成分呈多元 化，充分发挥添加合金的互补优势；( 3 ) 选择最佳的稀土添加量。 1 3 电触头材料的分类 随着触头材料制备方法的多元化，如粉末冶金法、合金内氧化法、合金粉末预氧化 法、复层及电镀等，其种类也不断增加。而二元和多元复合触头材料的出现，使触头材 料的种类已有数百种，但是深入研究的主要包括a g m e o 、a g n i 、a g w 、a g c 、c u w 3 6 3 9 】 和c u c r 等几个系列。 1 3 1 银基触头材料 1 3 1 1 银氧化物( a g m e o ) 触头材料 目前主要的银氧化物触头材料有：a g c d o 、a g s n 0 2 、a g z n o 和a g r e o 。2 0 世 纪3 0 年代末，由f r he n s e l 及合作者制造出世界上最早的a g c d o 触头材料，但由于制 造工艺复杂，直到1 9 5 0 年之后才被大规模的生产和使用。其次，a g c d o 材料具有良 好的抗电弧侵蚀性、抗熔焊性及较小的接触电阻，曾被称为万能触点。但由于c d 元素 有毒，这使a g c d o 面临着“镉毒”的污染问题，因此各国政府开始从法律上限制a g c d o 的生产和使用，学者们开始致力于a g c d o 替代材料的研究。 在2 0 世纪7 0 年代中期，a g s n 0 2 触头材料开始被广泛关注。而在8 0 年代时，德国 的d e g u e e s a 公司采用先进的粉末冶金法，成功的研制出了性能良好的a g s n 0 2 触头材料， 基于温压工艺的铜基电触头材料的制各及性能研究 并在某些电器上成功的代替了a g c d o 。a g s n 0 2 和a g c d o 的电性能相当，并且具有更 好的抗熔焊性和抗电弧损失，以及较小的磨损率【4 0 都】。但由于a g s n 0 2 材料的接触电阻 较大和温升高等缺点严重影响了电器的使用性能，因此常在a g s n 0 2 材料中添加一些金 属氧化物来改善它的电接触性能【3 8 1 。 研究表明，虽然a g s n 0 2 材料可在较大范围内替代a g c d o 材料，但a g s n 0 2 材料的 电接触性能远远低于a g z n o 触头材料m 却】。z n o 是一种热稳定性高的氧化物，熔点达 到1 9 7 5 。c ，当z n o 均匀分布于银基体中时，a g z n o 材料具有抗大电流冲击、分断性能 好、燃弧时间短、耐电腐蚀、无毒害性等一系列优点【4 3 】。 随着触头材料的发展，研制出了稀土氧化物触头，并已取得了一些进展【4 8 彤】。稀土 氧化物具有高熔点和高稳定性，是很好的弥散剂，所以a g r e o 具有优良的抗电弧侵蚀 性和低而稳定的接触电阻等优点，使其成为一类用途广泛的触头材料。研究认为，稀土 氧化物在银基体中的主要作用有：细化晶粒；提高再结晶温度及合金的稳定性； 稀土氧化物在银基体中起弥散强化的作用，从而提高材料的力学性能。目前研究较多的 a g r e o 触头材料是a g l a 2 0 3 ，一般l a 2 0 3 的的含量为8 1 2 之间【5 0 5 1 1 。 1 3 1 2a g w 触头材料 在1 9 3 5 年，由于具有良好的导电导热性、耐电腐蚀性和抗熔焊性等优点，a g w 触 点材料广泛应用与自动开关、大容量和塑壳继电器中。在a g w 材料中，钨粉的粒度大 小影响触头的抗电弧腐蚀性能。a g w 材料的主要缺点是接触电阻不稳定，产生此现象 的原因是，在开关工作时，a g w 材料的表面会生成氧化钨和钨酸银，导致材料的电导 性降低【5 2 1 。为了解决此问题，可在触头材料中添加镉、锌、镁和铁族元素。其中添加钴 可以明显降低触头材料的接触电阻，但磨损率变大，耐电侵蚀行降低。添加镍元素可以 改善材料的润湿性，且添加6 5 镍的触头材料具有最稳定的接触电阻；当镍添加量小 于1 3 时，随着镍含量的增加，材料的硬度和耐电蚀性增加，但其抗熔焊性将会降低。 1 3 1 3a g - n i 触头材料 在1 9 3 9 年时，a g n i 触头材料已经应用于大负荷的继电器中，其中镍含量一般为 1 0 3 0 之间【5 3 1 ，当它与a g c 配对使用时，具有更好的抗熔焊性。a g n i 触头材料的 制备可以采用粉末冶金和沉积两种方法，沉积法制备的a g n i 材料具有较高的导电性、 抗熔焊性、耐磨性和低而稳定的接触电阻，此外还有良好的塑性和