AgCuOSnO2电触头材料的组织与性能的研究

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万能触点材料AgCdO由于镉元素含有剧毒已经逐渐被取代。在所有替代AgCdO的触点材料中,AgCuO与AgSnO2的性能较优异,由于CuO与银基体之间的润湿性好、价格低廉等特点得到广泛的关注,但AgCuO耐电弧侵蚀性能较差,所以在保证其界面润湿性的前提下科研人员对其添加微量元素改变其电弧侵蚀性能。AgSnO2由于其具有优异的抗熔焊性能、耐电弧侵蚀等性能得到了业内人士的广泛关注。但单一CuO或SnO2增强相的银基触头材料,依然难以满足对市场的需求。为此结合AgCuO与AgSnO2的优点,本文以二元合金(AgSn、AgCu)及三元合金(AgSnCu)为原料,采用反应合成方法制备出不同SnO2含量的AgCuO(10)SnO2(x,x=2,5,8)电触头材料,并对其热力学、力学、电接触等性能进行了分析与测试,得出以下结果:通过对AgCuOSnO2电触头材料热力学、氧分压以及不同温度下各组成元素在Ag基体中的扩散时间进行计算,发现Cu与Sn在发生氧化的过程中吉布斯自由能均小于零,表明在发生氧化的过程中Cu与Sn均可以自发发生氧化生成SnO2与CuO。通过计算扩散时间发现氧气扩散至锭坯心部需要36小时,Cu在整个工艺过程中扩散到表面的时间为21小时,Sn在整个工艺过程中扩散到表面的时间为25小时。通过对AgCuOSnO2电触头材料的显微组织分析,发现以AgSnCu三元合金为原料的样品由于Cu与Sn扩散速率不同,Cu先扩散到AgSnCu合金表面与O反应生成CuO颗粒,Sn后扩散到AgSnCu合金表面与O反应形成SnO2,导致后形成的SnO2颗粒破坏了CuO与Ag基体的界面结合状态,使界面结合处出现团聚、孔洞等,而且CuO与Ag的界面之间润湿性好于Ag与SnO2之间的界面润湿性,导致AgSnCu三元合金制备的AgCuO(10)SnO2(x,x=2,5,8)加工性能随着SnO2含量的增加而变差,在加工过程中易发生断裂。以AgSn、AgCu二元合金为原料而制备的样品中SnO2的生成不会破坏Ag与CuO的界面结合状态,其加工性能良好。对二元合金为原料制备的AgCuO(10)SnO2(x,x=2,5,8)电触头材料进行密度、硬度等力学性能测试,发现SnO2含量为8%样品的密度、硬度最高,SnO2含量为5%的样品硬度、密度最低。对电阻率进行分析发现,随着SnO2含量的增加,电阻率也随之增加。通过测试抗拉强度以及应力应变曲线发现,当SnO2含量为5%时,抗拉强度达到220MPa,AgCuOSnO2电触头材料韧性最高。对二元合金为原料制备的AgCuO(10)SnO2(x,x=2,5,8)电触头材料的熔焊力、接触电阻、材料转移以及电弧侵蚀形貌分析发现,当测试电压为12 V与18 V时,SnO2含量为2%的AgCuO(10)SnO2(2)电触头材料的熔焊力与接触电阻较小。从电弧侵蚀形貌可以看出,AgCuOSnO2电触头材料的阳极表现为凹坑,阴极表现为凸峰,材料的转移方向是从阳极至阴极。随着SnO2含量的增加,电弧侵蚀形成的凸峰与凹坑面积增加。观察添加与未添加SnO2后材料的损耗量与侵蚀形貌图发现,添加SnO2后对材料的耐电弧侵蚀性能有明显的改善作用。
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