Wie beeinflussen verschiedene Ni-Gehalte die elektrischen Eigenschaften von AgNi-Kontaktmaterialien?

I. EINLEITUNG

Unter allen Metallen weist reines Silber eine gute elektrische Leitfähigkeit und Wärmekapazität auf, lässt sich hervorragend bearbeiten und hat einen geringen Kontaktwiderstand, weshalb es häufig als Trägermaterial für elektrische Kontaktmaterialien verwendet wird. Reines Silber ist jedoch weich, lässt sich leicht schmelzschweißen und neigt zur Materialübertragung. Um diese Nachteile zu umgehen, wurden zahlreiche Studien zu Silbermatrix-Verbundwerkstoffen mit hohen mechanischen Eigenschaften durchgeführt. AgNi ist ein wichtiges elektrisches Kontaktmaterial mit geringem Kontaktwiderstand, guter Verarbeitungsleistung, guter Erosionsbeständigkeit und Ungiftigkeit usw., aber geringer Schweißbeständigkeit. Seit dem 1. Juli 2006 setzt die Europäische Union die Richtlinien RoHs 2002/95/EG und WEEE 2002/96/EG um, um die Verwendung von Pd, Hg, Cd usw. einzuschränken, was AgNi zu einem der Forschungsschwerpunkte bei elektrischen Kontaktmaterialien macht.

Um die geringe Schweißbeständigkeit von AgNi-Materialien zu umgehen, haben in- und ausländische Wissenschaftler zahlreiche Untersuchungen zum Einfluss des Ni-Gehalts durchgeführt. Die Untersuchungen von YL Deng, XW Huang et al. haben gezeigt, dass der Ni-Gehalt eine wichtige Rolle spielt. Bei zu hohem Gehalt steigt der Kontaktwiderstand und die elektrische Leitfähigkeit sinkt, während der Schweißwiderstand deutlich abnimmt. Konkrete Daten zum Nickelgehalt wurden jedoch nicht bereitgestellt. QF Luo et al. stellten AgNi10 und AgNi30 durch mechanisches Legieren her und analysierten deren Mikrostruktur, den Einfluss auf den Schweißwiderstand untersuchten sie jedoch nicht. Aus diesen Gründen wird in diesem Artikel die Verwendung der Pulvermetallurgie- Extrusions- und Ziehtechnologie zur Herstellung von elektrischen AgNi-Kontaktmaterialien mit unterschiedlichem Nickelgehalt vorgestellt. Mikrostruktur und elektrische Leistung wurden ebenfalls untersucht, um eine theoretische Orientierung für die zukünftige Auswahl elektrischer AgNi-Kontaktmaterialien zu bieten.

II. EXPERIMENT

Wir haben Ag-Pulver mit einer Reinheit von über 99,9 % und einer durchschnittlichen Partikelgröße von 10 μm sowie Ni-Pulver mit einer Reinheit von über 99,9 % und einer durchschnittlichen Partikelgröße von 3 μm ausgewählt. Zum Wiegen der Pulver verwendeten wir eine Analysenwaage BS124S mit einer Genauigkeit von 0,0001. Wir haben Ag-Pulver und Ni-Pulver mit unterschiedlichem Gehalt jeweils 1–3 Stunden lang fixiert und dann aus den gemischten AgNi-Pulvern mithilfe einer isostatischen Pressmaschine Φ90 Presslinge geformt. Die Presslinge haben wir 1–3 Stunden lang in einen Sinterofen bei 700–800 °C in H_2 gegeben. Die Presslinge wurden bei 750–850 °C zu Drähten mit Φ6 mm extrudiert. Die Drähte wurden durch Ziehen → Glühen (300–400 °C, 0,5–2 h) → Ziehen verarbeitet und dann zu Produkten mit Φ1,38 mm verarbeitet. Für die Materialprüfung verwendeten wir den Vickers-Härteprüfer VTA532, den intelligenten DC-Niederwiderstandsprüfer TH2512B, die metallurgische Mikroskopie L150 und das SEM JSM-6390A. Aus diesen Drähten fertigten wir Nieten mit den Spezifikationen F: 4×1 + 2×2 (0,4) und R: 4 × 1 + 2 × 2 (0,4) R20. Als stationäre Kontakte verwendeten wir Nieten mit flachen Oberflächen und als bewegliche Kontakte Nieten mit gekrümmten Oberflächen. Wir prüften diese Nieten mit einer elektrischen Leistungsprüfmaschine, die von meiner Firma und der Xi'an Jiaotong University entwickelt wurde. Die Spannung wurde auf 220 V Wechselstrom eingestellt, die Stromstärke betrug 20 A, der Arbeitszyklus 36 %, der Kontaktdruck 100 g, die stückweise Frequenz 40 Mal/min, der Kontaktabstand 2 mm, die Prüfhäufigkeit 100.000 Mal und die Last war Wechselstrom.

III. ERGEBNISSE UND DISKUSSION

A. Einfluss des Ni-Gehalts auf die Mikrostruktur von AgNi-Materialien

Abb. 1 zeigt das Metallogramm von AgNi-Drähten mit unterschiedlichem Ni-Gehalt (Längsschnitt). Wir können erkennen, dass die Drähte eine gleichmäßig verteilte Mikrostruktur und die Ni-Partikel eine filamentartige Morphologie aufweisen. Unter Zugspannung wurden die Ni-Partikel gedehnt. Mit zunehmendem Ni-Gehalt wurde die filamentartige Morphologie deutlicher.

Abb. 2 zeigt die Rückstreu-EDS-Bilder von AgNi-Materialien mit unterschiedlichem Ni-Gehalt (Querschnitt). Wir können erkennen, dass die Ni-Partikelgröße mit zunehmendem Ni-Gehalt abnimmt, weil der relative Verschiebungswiderstand in der Ag-Matrix mit zunehmendem Ni-Gehalt abnimmt, die Ni-Phasen sich von dichten Bereichen in dünnere Bereiche bewegen und ihr Dispersionsgrad in der Ag-Matrix zunimmt. In den EDS-Bildern betrug das Massenverhältnis von Ag und Ni 92,30:7,70, 87,09:12,91, 82,71:17,29 und 72,21:27,79. Die Zahlen waren dieselben wie beim Pulvermischmoment.



B. Einfluss des Ni-Gehalts auf die relative Dichte von AgNi-Materialien.

Tabelle 1 zeigt die gemessene Dichte, die theoretische Dichte und die relative Dichte von AgNi-Materialien mit unterschiedlichem Ni-Gehalt. Wir können erkennen, dass die relative Dichte mit steigendem Ni-Gehalt zunimmt, weil die dispergierte Ni-Phase einen kornverfeinernden Einfluss auf die Ag-Matrix hat. Mit steigendem Ni-Gehalt verringerte sich die Korngröße von Ag und die Korngrenzen vergrößerten sich. Dadurch entstanden mehr Durchgänge für das Entweichen von Gasen und für die Diffusion von Ni zu Ag. Die Diffusionsaktivierungsenergie von Ni verringerte sich, der Verdichtungsprozess wurde beschleunigt und die relative Dichte von AgNi-Materialien erhöht. Mit zunehmender Korngrenze wurden extrudierte und gezogene AgNi-Materialien klebriger, was den Verdichtungsprozess beschleunigte.

Ni-Gehalt %	Gemessene Dichte g/cm 3	Theoretische Dichte g/cm 3	Relative Dichte %
10	10.23	10.31	99,2
15	10.16	10.22	99,4
20	10.09	10.14	99,5
30	9,95	9,96	99,9

C. Einfluss des Ni-Gehalts auf den spezifischen Widerstand und die Härte von AgNi-Werkstoffen.

Abb. 3 zeigt den spezifischen Widerstand und die Härte von AgNi-Werkstoffen mit unterschiedlichem Ni-Gehalt. Wir können erkennen, dass der spezifische Widerstand und die Härte mit steigendem Ni-Gehalt zunehmen. Die einzelnen AgNi-Komponenten können sich nicht zu einer festen Lösung verbinden, daher ist AgNi eine Art heterogene Legierung. Da es sich um eine heterogene Legierung handelt, sind die Haupteinflussfaktoren auf die elektrische Leitfähigkeit das Volumenverhältnis und der Dispersionsgrad der Phasen. Im Vergleich zu Ag hat Ni eine geringere elektrische Leitfähigkeit, daher steigt mit steigendem Ni-Gehalt das Volumenverhältnis von Ni zu Ag und der spezifische Widerstand von AgNi. Gleichzeitig sind die Phasen dispergierter, die Dispersionswahrscheinlichkeit der Elektronen an der Kristallgrenze ist höher und somit auch der spezifische Widerstand. Aufgrund dieser beiden Faktoren steigt der spezifische Widerstand von AgNi mit steigendem Ni-Gehalt. Auch das Volumenverhältnis und der Dispersionsgrad der Phasen haben entscheidenden Einfluss auf die Härte. Ni ist härter als Ag, und mit steigendem Ni-Gehalt steigt das Volumenverhältnis von Ni zu Ag und die Härte von AgNi nimmt zu. Innerhalb bestimmter Grenzen war die Partikelgröße der Zusammensetzungsphasen kleiner, der verteilte Verstärkungseffekt war deutlicher und die Härte höher.


Abb. 4 zeigt den Einfluss unterschiedlicher Ni-Gehalte auf die Schweißkraft von AgNi-Werkstoffen. Wir können erkennen, dass AgNi15 die geringste Schweißkraft aufweist, da die Schweißfestigkeit von AgNi zweifach beeinflusst wird. Einerseits sind bei steigendem Ni-Gehalt höhere Temperaturen und mehr Zeit erforderlich, damit Ni in die Ag-Matrix schmilzt. Beim Erstarren sammeln sich Ni-Oxide an der Oberfläche des elektrischen Kontakts. Daher ist die Schweißfestigkeit bei höherem Ni-Gehalt besser. Andererseits nehmen mit steigendem Ni-Gehalt Härte und Zugfestigkeit zu, aber auch die Schweißkraft. Diese beiden Faktoren schränken sich gegenseitig ein. Bei einem Ni-Gehalt unter 15 % beeinflusst die Ansammlung von Ni-Oxid die Schweißkraft am stärksten. Die Schweißkraft von AgNi15 ist geringer als die von AgNi10. Bei einem Ni-Gehalt über 15 % beeinflusst die Zugfestigkeit die Schweißkraft am stärksten. Die Schweißkraft von AgNi30, AgNi20 und AgNi15 steigt allmählich an. Gleichzeitig beträgt die Schweißkraft von AgNi15 5 g, was weniger ist als in anderen Literaturangaben angegeben. Die Schweißfestigkeit von AgNi-Elektrokontaktwerkstoffen wurde verbessert.


Abb. 5 zeigt den Einfluss unterschiedlicher Ni-Gehalte auf den Kontaktwiderstand. Wir können erkennen, dass der Kontaktwiderstand von AgNi mit steigendem Ni-Gehalt zunimmt. Dies liegt daran, dass sich beim Erstarren von AgNi Ni-Oxide an der Oberfläche des elektrischen Kontakts ansammeln, was den Oberflächenkontaktwiderstand erhöht. Je höher der Ni-Gehalt, desto größer der Oberflächenkontaktwiderstand. AgNi10 hat den Mindestwert, AgNi30 den Höchstwert.


Abb. 6 zeigt den Einfluss unterschiedlicher Ni-Gehalte auf die Morphologie der Lichtbogenerosion. In Abb. 6 (a), (c), (e) und (g) ist zu sehen, dass die Brennfläche von AgNi15 am kleinsten war, da der Ni-Gehalt die Lichtbogenerosion von AgNi-Werkstoffen in zweifacher Hinsicht beeinflusst. Einerseits sind Ni-Partikel normalerweise als winzige disperse Phase in der Ag-Matrix verteilt, was zu einer geringeren Lichtbogenerosion führt; je höher der Ni-Gehalt, desto kleiner die Brennfläche. Andererseits führt ein höherer Ni-Gehalt zu einem Anstieg des Kontaktwiderstands und ein Anstieg der Temperatur zu einer Vergrößerung der Brennfläche. Diese beiden Faktoren schränken sich gegenseitig ein; bei einem Ni-Gehalt von weniger als 15 % beeinflusst die disperse Ni-Phase die Verbrennung am stärksten. Die Brennfläche von AgNi15 ist kleiner als die von AgNi10. Bei einem Ni-Gehalt von mehr als 15 % beeinflusst der Kontaktwiderstand die Verbrennung am stärksten. Die Brennfläche von AgNi30, AgNi20 und AgNi15 nimmt nacheinander zu.

In Abb. 6 (b), (f) und (h) ist zu sehen, dass die Brennbereiche von AgNi10, AgNi20 und AgNi30 unter Einwirkung von Lichtbogen und mechanischer Kraft einen schnellen Phasenübergang erfuhren. Dadurch erschienen auf der Oberfläche des Kontaktanschlusses viele verstreute kleine Ätzgruben, konkav-konvexe Markierungen und Spuren, die durch flüssiges Metall und einen Spritzvorgang entstanden waren. Außerdem traten aufgrund von Temperaturgradienten und Wirbelstromeffekten Rotationsströmungsspuren und Farbänderungen des geschmolzenen Materials auf der Oberfläche des Kontaktanschlusses auf. In Abb. 6 (b) ist zu sehen, dass auf der Oberfläche des Kontaktanschlusses keine offensichtlichen Fließ- oder Strahlungsspuren vorhanden sind und der Brennbereich stabil ist und keine Drift von Rückflussspuren auftritt.

IV. SCHLUSSFOLGERUNG

• Verwendung der Pulvermetallurgie-Extrusions- und Ziehtechnologie zur Herstellung von elektrischen AgNi-Kontaktmaterialien mit unterschiedlichem Ni-Gehalt. Ni-Partikel zeigten eine filamentartige Morphologie und ihr Dispersionsgrad nahm mit steigendem Ni-Gehalt zu.
• Der Ni-Gehalt hat einen einzigen Einfluss auf die relative Dichte, Härte, den spezifischen Widerstand und den Kontaktwiderstand von AgNi-Materialien: Mit zunehmendem Ni-Gehalt nehmen sie alle zu.
• Der Ni-Gehalt hat einen doppelten Einfluss auf die Schweißkraft und die Lichtbogenerosion von AgNi-Werkstoffen: Die Schweißkraft und die Lichtbogenerosion sind bei AgNi15 am geringsten, bei AgNi10 größer und bei AgNi30 am stärksten.