熔渗法制备AgWC（30）触头材料

张 登，覃向忠，秦润庚

（桂林金格电工电子材料科技有限公司，广西桂林 541004）

引言

AgWC(30)触头材料具有高导电率、高硬度等优点，可以在大电流、高电压条件下工作，常用于塑壳式双电源开关及剩余电流保护断路器[1]。AgWC(30)触头材料中WC的质量占比为30%，体积占比为22%，因此，固相烧结法为常用的制备方法。由于采用固相烧结法生产，触头产品内部不可避免地存在孔隙。孔隙是一种缺陷，它既不导热，也不导电，破坏基体的连续完整，同时又是杂质的聚集处，孔隙的存在对AgWC(30)触头材料的各项性能均有不良影响。因此，缩小或消除触头材料的孔隙，提高产品的致密度，降低材料的电阻率，才能够有效提高产品的性能，确保产品质量的稳定。与固相烧结法相比，熔渗法更容易制备出高致密的、高导电性的触头材料。本研究采用熔渗法制备AgWC(30)触头材料，通过对WC粉预处理，制备出润湿性较好的骨架坯，经低温熔渗后得到AgWC(30)触头材料，并结合复压复烧工艺，使材料的性能进一步提升。

1 试验

1.1 试验方法

WC粉粒度的大小直接影响材料的性能及加工工艺。WC粉粒度小，材料具有较好的耐电弧侵蚀性能，但WC粉过细，成形性差，且容易造成颗粒聚集而形成闭孔；WC粉过粗，会降低材料的耐电弧侵蚀性能。本研究使用两种不同粒度的WC粉，一方面，细颗粒的WC粉能提供更多的固相颗粒以支撑起整个骨架；另一方面，粗颗粒的WC粉能降低熔渗难度，保证材料的致密性。

选用平均粒度分别为0.8 μm～0.9 μm和3.3 μm～3.7 μm的两种WC粉，按质量比为1∶1的比例并与少量添加剂混合，混合后的粉末在球磨机中湿磨12 h（球料质量比为4∶1），然后干燥、退火、过筛。再将Ag粉与预处理后的WC粉按质量比为60∶40的比例混合得到预制骨架所需的粉末，将混合粉末压制成规格为50 mm×10 mm×3 mm的骨架坯。采用低温熔渗的方式，熔渗温度控制在超过Ag熔点100℃以内，将骨架坯与Ag片于保护气氛中熔渗，制得AgWC(30)触头材料样品。同时，结合复压复烧结工艺，复烧是在与熔渗温度相同的条件下进行，制得AgWC(30)触头材料样品。具体工艺流程如图1所示。

图1 熔渗法制备AgWC(30)触头材料工艺流程

为了对比分析AgWC(30)触头材料的性能，使用相同的原材料，同样将两种平均粒度的WC粉按质量比为1:1的比例混合，采用固相烧结法制备了相同成分的样品，工艺流程为：WC粉、Ag粉混合→粉末还原→压制成型→烧结→复压→退火→样品。

1.2 检测

采用金相显微镜观察金相组织，采用排水法测量密度，采用双臂电桥检测电阻率，采用布氏硬度计检测硬度，采用扫描电镜进行EDS元素面扫描分析。

2 结果与分析

本研究中采用熔渗法制备的AgWC(30)触头材料样品如图2所示。从图2可见，样品表面平整，棱角分明，无扭曲、塌陷、鼓泡、堆银和变形等缺陷。

图2 熔渗法制备的AgWC(30)触头材料样品

AgWC(30)触头材料的金相组织如图3～5所示。从图3可以看出，渗法制备的AgWC(30)触头材料金相组织均匀，但存在细小孔隙，产生原因可能是细颗粒WC粉出现团聚而在粉末处理过程中无法破碎分散，压制骨架坯时内部形成闭孔，熔渗时液态Ag无法进入其中。从图4可以看出，熔渗法结合复压复烧工艺制备的材料的金相组织明显改善，这是因为复压可使材料的体积略有缩小，复烧可使材料更加致密[2]，少量的WC颗粒聚集所形成的闭孔会在一定程度被破坏、消除，从而使孔隙缩小或消除。从图5可以看出，采用固相烧结法制备的触头材料的金相组织不均匀，存在明显的Ag聚集和WC聚集，而且存在较多孔隙，这是采用这种工艺方法无法避免的组织缺陷。

图3 熔渗法制备的试样金相组织照片

图4 熔渗法结合复压复烧工艺制备的试样金相组织照片

图5 固相烧结法制备的试样金相组织照片

表1为AgWC(30)触头材料力学物理性能的检测结果。从表1可见，熔渗法制备的AgWC(30)触头材料相对密度较高、电阻率较低，这是因为熔渗温度是在Ag熔点以上，液态Ag在毛细管力的作用下填充多孔骨架中的孔隙，形成致密度较高的材料，提高材料的导电性能，因此材料的电阻率较低。采用熔渗法结合复压复烧工艺制备的材料性能更优，与单纯的熔渗法制备的材料相比，相对密度提高了0.76%，电阻率降低了2.9%，这是因为复压是弥补密度不足的主要工艺措施，对熔渗坯进行复压，在压力的作用下，材料内部的孔隙缩小或消除，复烧可使材料更加致密，从而进一步提高其致密度，材料获得较高的导电性能，因此进一步降低材料的电阻率。与此对比，固相烧结法制备的AgWC(30)触头材料组织疏松、相对密度较低，最终造成材料电阻率偏高。

表1 AgWC（30）触头材料力学物理性能

采用熔渗法制备的AgWC(30)触头材料，其性能与WC粉预处理、诱导Ag加入量以及熔渗温度有着密切的关系。

2.1 WC粉预处理的影响

熔渗法制备触头材料的关键之一是制备出润湿性好的骨架坯。由于Ag对WC的润湿角较大，润湿性不好，根据毛细管作用原理[3]，润湿角越大，液态Ag通过熔渗进入骨架的难度就越大。为了降低润湿角，改善熔渗效果，通常在材料中加入少量添加剂来改善Ag对WC的润湿性。将WC粉与添加剂经混合、均匀化球磨、退火等工序预处理。图6为经预处理的WC粉末EDS元素面扫描结果，从图中可以看出，添加剂均匀分散在WC粉中。将粉末进行高温退火处理，使添加剂在WC粉表面进行扩散，利用添加剂对WC的粘结作用来改善WC粉的润湿性，并消除粉末在球磨过程中产生的加工应力。再与适量Ag粉混合，压制成型便得到润湿性较好的骨架坯。

图6 经预处理的WC粉EDS元素面扫描结果

2.2 诱导Ag加入量的影响

为了提高压坯的成形性能，通常的办法是加入成形剂，但是一旦成形剂脱除不干净而残留在骨架中，将会影响材料的电性能。本研究发现，通过提高诱导Ag的加入量，可以达到很好的成形效果，由此可以避免成形剂加入带来的副作用。但应合理控制Ag粉的加入量，Ag粉含量过高，容易使骨架内部形成闭孔，影响熔渗效果；含量过低，成形性差，不能保证压坯强度，易出现缺边掉角的现象。试验表明，当加入诱导Ag的质量分数为55%～65%时，粉末不但成形性好，而且熔渗效果较理想。

2.3 熔渗温度的影响

在烧结过程中产生液相超过50%（体积比）时就不能保证烧结体的形状和尺寸[3]。事实上，AgWC(30)触头材料熔渗过程中，液态Ag的含量（体积比）在78%，依然能保持原有的形状。液态Ag的液体粘度会随着温度的升高而降低，那么，液态Ag的“黏性”或者熔渗温度在熔渗过程中起着相当重要的作用。本研究选用低温熔渗，液态Ag有一定的“黏性”，对WC粉预处理，降低了Ag对WC的润湿角，有着较好的润湿性，液态Ag在毛细管力的作用下渗入到压坯的孔隙中“镀复”[4]在WC颗粒表面。WC颗粒的存在，又增加了Ag的“黏性”，这些WC颗粒构成一个个大小不等的毛细管，具有相当大的吸引液态Ag的毛细管力，以致于在低温熔渗下尚不足使液态Ag有足够的流动性从骨架中流出从而保持原有的形状。

3 结论

（1）熔渗法制备的AgWC(30)触头材料，液态Ag的“黏性”或者熔渗温度在熔渗过程中起着相当重要的作用。

（2）熔渗法制备的AgWC(30)触头材料致密度高，相对密度可达到98.58%，材料金相组织均匀，电阻率低；

（3）熔渗法结合复压复烧工艺制备的AgWC(30)触头材料性能更优，与熔渗法制备的材料相比，相对密度提高0.76%，电阻率降低2.9%。