大塑性变形加工工艺对银镍材料性能的影响

许福太，陈天来，盘志雄，卢小东

（佛山通宝精密合金股份有限公司，广东佛山 528000）

引言

电接触材料已有近100年的历史，最初使用纯银、纯金、纯铂作触头材料，20世纪40年代开始采用Ag、Cu、Au-Ag、Pt-Ir、Pd-Ag等合金，20世纪60年代以来发展了多元贵金属以及各种贵金属复合材料。银基电触头产品具有较好的耐电磨损、抗熔焊和导电性、接触电阻低且稳定，广泛用于各种轻重负荷的低压电器、家用电器、汽车电器、航空航天电器，是电触头行业中最为量大面广的产品[1-2]。

AgCdO材料曾经是中低压开关电器应用的主要电接触材料，它具有优良的灭弧性能，在中等负荷开关中拥有“万能触点”之称。然而，随着电器开关对电触点提出的小型化、高可靠性、长寿命等苛刻的性能要求，AgCdO材料不仅在抗磨损、抗熔焊、耐电弧浸蚀等性能指标上已显露明显不足，而且AgCdO触点燃弧产生的Cd蒸气有毒，不符合环保要求，已被欧盟出台文件禁止使用[3-6]。

与AgCdO，AgSn02等触头材料相比，银镍材料不仅具有生产工艺简单、加工周期短、成本低及良好的塑性与加工性能等优点，还具有良好的导电性，在整个电寿命周期表面接触电阻较之银氧化物要低且稳定，此外银镍材料含有的镍元素可以在任何情况下适于焊接。尽管银镍材料应用广泛，但常规的银镍产品硬度较低、强度低，材料的耐磨性、抗烧损性、抗熔焊性较差[7]，电气性能不稳定。因此，如何在不对环境造成威胁、不增加加工成本的基础上，研发出加工性能良好、强度高、抗熔焊性强的银镍材料，成为目前研究的难点和热点。

本研究的目的在于克服已有技术的不足，提出一种“大塑性变形”加工工艺，该工艺是在传统的“混粉—烧结—挤压”工艺的基础上的进一步优化与完善。

1 试验

传统工艺流程如下：混粉—真空等静压—烧结—挤压—拉拔—成品。本研究的简要工艺流程如下：混粉—真空等静压—烧结—挤压—大塑性变形加工—压锭—烧结—挤压—拉拔—成品。

试验采用MICROMET2003型显微硬度计测量线材硬度，采用CMT4304型电子万能试验机测量线材的抗拉强度与延伸率，采用TH2512A型直流电阻测试仪测量线材的电阻率，采用TG-328A型电光分析天平测量线材的密度，采用扫描电镜分析线材的金相组织，采用SD-30A型铆钉机分别打制成同规格的复合铆钉，并装配于继电器上，使用河北工大制造的型式试验平台测试电寿命。

2 结果与分析

2.1 力学物理性能

采用传统的烧结挤压工艺与本工艺分别制备银镍（10）材料，取样后按GB/T 5588—2017《银镍、银铁电触头材料技术条件》的要求进行测试各项性能，结果见表1。由表1可以看出：2#样品的密度、抗拉强度、硬度、延伸率等指标均优于1#样品，这是由于银镍材料经过大塑性变形后，材料的致密度增高，镍粉与银粉之间所形成的孔隙变得更小或更少，趋于理想的合金整体，材料的密度与延伸率升高；材料经过大塑性变形加工后，镍质点细化，纤维强化的作用明显，因而提高了材料的抗拉强度与硬度；可能是因为材料经过大塑性变形加工后，镍质点细化，产生了更多的镍质点均匀分布于银基体组织中，这些质点形成更多的节点，在电流通过的过程中，这些节点或许成为障碍，导致材料电阻率有所升高。

表1 不同工艺的银镍(10)材料力学物理性能对比

2.2 金相组织

采用传统的烧结挤压工艺与本工艺分别制备银镍（10）材料，材料的金相组织对比如图1～图4所示。由图1与图2可见，相比于传统工艺，本工艺制备的银镍(10)成品线材，在横截面上，镍质点更加细小，分布更加均匀，质点聚集的现象更少。由图3可看到，镍质点粗细不一，长短不一，聚集现象严重，分布不均匀。在图4中，虽然镍质点的分布不算十分均匀，但相比于图3，粗大的、长条状的镍质点聚集带消失，质点分散性更好。说明经过了大塑性变形加工之后，聚集的镍质点进一步分散，长条、粗大的聚集带，变成细小的短纤维，材料分布不均组织得到了较好的改善。材料的组织结构决定材料的性能，也可以说，经过大塑性变形加工之后，银镍材料的性能也得到了提升。

2.3 电气性能

2.3.1 电寿命

测试条件：AC 250 V/10 A，通断比1∶1，测试频率30次/min，纯阻性负载，以测试达到10万次作为通过标准。测试结果见表2。从表2可以看出，应用于密封型继电器，采用传统工艺制备的银镍(10)材料难以全部通过测试条件，测试结果波动大，非常不稳定；采用本工艺制备的银镍(10)材料，在本研究设置的试验条件下均能够通过测试，且表现稳定，说明经过大塑性变形加工后，材料的性能得到了较大改善。这再一次说明组织的均匀性对材料的电气性能具有重要影响。

表2 不同工艺的银镍（10）材料电寿命对比

2.3.2 触点表面形貌

图5与图6为传统工艺制备的银镍(10)材料动、静触点，测试失效的样品。

从图5、图6中可看到，失效样品的触点表面存在较多的银珠，且周围还有大量的黑色飞溅物。主要原因可能是继电器在通断过程中，产生的电弧造成环境与触点表面的温度持续升高，形成银的熔池，镍质点在分断力的作用下，向触点周围飞溅，使得触点表面的镍含量减少，而银含量增多，造成继电器粘结失效。

图7、图8为本工艺制备的银镍(10)材料动、静触点，由于触点材料本身的致密度、硬度等力学物理性能更高，在这种环境下，也有影响，但影响较小。虽然触点周围也有较多的飞溅物，但属于正常飞溅，触点表面较干净，没有银珠的形成，没有出现粘结失效的现象。

3 结论

（1）采用大塑性变形加工工艺，能够改善银镍材料的组织，使其镍质点更加细化，分布更加均匀，因而改善银镍材料力学物理性能。

（2）采用此工艺制备的银镍材料，电气性能更加优良。