I. INTRODUCCIÓN
Entre todos los metales, la plata pura posee una excelente conductividad eléctrica, capacidad térmica, excelente rendimiento de mecanizado y baja resistencia de contacto, por lo que se utiliza ampliamente como sustrato para materiales de contacto eléctrico. Sin embargo, la plata pura es blanda, fácil de soldar por fusión y tiene tendencia a la transferencia de material. Para subsanar estas deficiencias, se han realizado numerosos estudios sobre compuestos de matriz de plata con altas propiedades mecánicas. El AgNi es un material de contacto eléctrico principal que presenta baja resistencia de contacto, buen rendimiento de procesamiento, buena capacidad antierosión y no es tóxico, etc., pero baja resistencia a la soldadura. Desde el 1 de julio de 2006, la Unión Europea comenzó a implementar las directivas RoHs 2002/95/EC y WEEE 2002/96/EC para restringir la aplicación de Pd, Hg, Cd, etc., lo que convierte al AgNi en uno de los focos de investigación de los materiales de contacto eléctrico.
Para subsanar la baja resistencia a la soldadura de los materiales de AgNi, académicos nacionales e internacionales han realizado numerosas investigaciones sobre la influencia del contenido de Ni. La investigación de YL Deng, XW Huang et al. demostró que el contenido de Ni juega un papel importante. Cuando es demasiado alta, la resistencia de contacto aumenta y la conductividad eléctrica disminuye, mientras que la resistencia de soldadura disminuye obviamente. Sin embargo, no proporcionaron datos concretos sobre el contenido de Ni. QF Luo et al. prepararon AgNi10 y AgNi30 mediante aleación mecánica y analizaron su microestructura, pero no analizaron su influencia en la resistencia de soldadura. Por lo anterior, este artículo presenta el uso de la tecnología de extrusión y trefilado
mediante pulvimetalurgia para fabricar
materiales de contacto eléctrico de AgNi con diferentes contenidos de Ni. También se estudian tanto la microestructura como el rendimiento eléctrico, lo que puede proporcionar una guía teórica para la elección de materiales de contacto eléctrico de AgNi en el futuro.
II. EXPERIMENTO
Seleccionamos polvos de Ag con más del 99,9% de pureza y un tamaño de partícula promedio de 10 μm, polvos de Ni con más del 99,9% de pureza y un tamaño de partícula promedio de 3 μm. Usamos una balanza analítica BS124S con precisión de 0,0001 para pesar los polvos. Fijamos respectivamente los polvos de Ag y los polvos de Ni de diferente contenido en 1-3 h y luego convertimos los polvos de AgNi mezclados en compactos usando una máquina de prensado isostático de Φ90. Colocamos los compactos en un horno de sinterización a 700-800 ℃ en H_2 en 1-3 h. Extruimos los compactos en alambres de Φ6 mm a 750-850 ℃. Los alambres se procesaron mediante trefilado → recocido (300-400 ℃, 0,5- 2 h) → trefilado y luego se convirtieron en productos de Φ1,38 mm. Utilizamos el durómetro Vickers VTA532, el comprobador inteligente de baja resistencia de CC TH2512B, el microscopio metalúrgico L150 y el microscopio electrónico de barrido (SEM) JSM-6390A para las pruebas de materiales. Con estos alambres, convertimos los remaches en remaches con las siguientes especificaciones: F: 4×1 + 2×2(0,4) y R: 4×1 + 2×2(0,4) R20. Utilizamos remaches de superficie plana como contacto fijo y remaches de superficie curva como contacto móvil. Probamos estos
remaches con una máquina de prueba de rendimiento eléctrica, desarrollada por mi empresa y la Universidad de Xi'an Jiaotong. El voltaje se ajustó a 220 V CA, la corriente a 20 A, el ciclo de trabajo al 36 %, la presión de contacto a 100 g, la frecuencia de corte a 40 veces/min, la distancia de contacto a 2 mm, el tiempo de prueba a 100 000 veces y la carga a CA.
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
A. Influencia del contenido de Ni en la microestructura de los materiales de AgNi
La Fig. 1 muestra la metalografía de los alambres de AgNi con diferente contenido de Ni (sección longitudinal). Podemos ver que los alambres mostraron una microestructura distribuida uniformemente y las partículas de Ni mostraron una morfología filamentosa. Las partículas de Ni se estiraron bajo la acción de la tensión de tracción. A medida que aumentaba el contenido de Ni, la morfología filamentosa se hizo más obvia.
La Fig. 2 muestra las imágenes EDS de retrodispersión de materiales de AgNi con diferente contenido de Ni (sección transversal). Podemos ver que el tamaño de partícula de Ni disminuía con el aumento del contenido de Ni, porque la resistencia relativa al desplazamiento en la matriz de Ag disminuía con el aumento del contenido de Ni, las fases de Ni se movían del área densa al área dispersa y su grado de dispersión se hacía más alto en la matriz de Ag. Mientras tanto, en las imágenes EDS, la relación de masas de Ag y Ni fue 92,30: 7,70, 87,09: 12,91, 82,71: 17,29 y 72,21: 27,79, los números fueron los mismos que el momento de mezcla del polvo.
Fig. 1. Microestructuras de materiales de AgNi con diferente contenido de Ni (sección longitudinal)
(a)10% (b)15% (c)20% (d)30%
Fig. 2. Imágenes EDS de retrodispersión de materiales de AgNi con diferente contenido de Ni (sección transversal)
(a)10% (b)15% (c)20% (d)30%
B. Influencia del contenido de Ni en la densidad relativa de los materiales de AgNi
La Tabla 1 muestra la densidad medida, la densidad teórica y la densidad relativa de los materiales de AgNi con diferente contenido de Ni. Podemos ver que la densidad relativa aumentaba con el aumento del contenido de Ni, esto porque la fase de Ni dispersa tiene influencia de refinamiento de grano en la matriz de Ag. A medida que aumentaba el contenido de Ni, el tamaño de grano de Ag disminuía, el límite de grano aumentaba. Eso produjo más pasajes para el escape de gases y para la difusión de Ni a Ag. Redujo la energía de activación de la difusión de Ni, aceleró el proceso de densificación y aumentó la densidad relativa de los materiales de AgNi. Cuando el límite de grano aumentó, los materiales de AgNi extruidos y estirados se volvieron más pegajosos, lo que provocó que el proceso de densificación fuera más rápido.
TABLA I. DENSIDADES DE MATERIALES AGNI CON DIFERENTE CONTENIDO DE NI
| Contenido de Ni % |
Densidad medida g/ cm3 |
Densidad teórica g/ cm3 |
Densidad relativa % |
| 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. Influencia del contenido de Ni en la resistividad y dureza de los materiales de AgNi
La Fig.3 muestra la resistividad y dureza de los materiales de AgNi con diferente contenido de Ni. Podemos ver que la resistividad y dureza aumentaron con el aumento del contenido de Ni. Cada componente de AgNi no se puede combinar en una solución sólida, por lo que AgNi es un tipo de aleación heterogénea. Al ser una aleación heterogénea, los principales factores que afectan la conductividad eléctrica son la relación de volumen y el grado de dispersión de las fases de composición. En comparación con Ag, Ni tiene una conductividad eléctrica más débil, por lo que con el aumento del contenido de Ni, la relación de volumen de Ni a Ag aumentó y la resistividad de AgNi aumentó. Al mismo tiempo, las fases de composición fueron más dispersas, la probabilidad de dispersión del electrón en el límite del cristal fue mayor y la resistividad también fue mayor. Con base en los dos factores, la resistividad de AgNi aumentó con el aumento del contenido de Ni. La relación de volumen y el grado de dispersión de las fases de composición también influyeron decisivamente en la dureza. El Ni es más duro que Ag, con el aumento del contenido de Ni, la relación de volumen de Ni a Ag aumentó y la dureza de AgNi aumentó. Dentro de ciertos límites, el tamaño de partícula de las fases de composición era menor, el efecto de fortalecimiento disperso era más obvio y la dureza era mayor.
Fig. 3. Influencia del contenido de Ni en la resistividad y dureza de materiales de AgNi.
La figura 4 muestra la influencia de los diferentes contenidos de Ni en la fuerza de soldadura de los materiales de AgNi. Podemos ver que AgNi15 tuvo la menor fuerza de soldadura, esto se debe a que existen dos influencias en el rendimiento de la resistencia de la soldadura de AgNi. Por un lado, cuando el contenido de Ni aumentaba, se necesitaba una temperatura más alta y un tiempo más largo para que el Ni se fundiera en la matriz de Ag; cuando se solidificaba, los óxidos de Ni se acumulaban en la superficie de contacto eléctrico, por lo que, a mayor contenido de Ni, mejor era el rendimiento de la resistencia de la soldadura. Por otro lado, con el aumento del contenido de Ni, la dureza y la resistencia a la tracción aumentaban, pero la fuerza de soldadura aumentaba. Los dos factores se restringieron mutuamente: cuando el contenido de Ni era inferior al 15%, la acumulación de óxido de Ni influía más en la fuerza de soldadura. La fuerza de soldadura de AgNi15 era menor que la de AgNi10. Cuando el contenido de Ni era superior al 15%, la resistencia a la tracción influía más en la fuerza de soldadura. La fuerza de soldadura de AgNi30, AgNi20 y AgNi15 aumentaba gradualmente. Mientras tanto, la fuerza de soldadura de AgNi15 es de 5 g, que es menor que los datos de otra literatura. Se mejoró el rendimiento de resistencia de soldadura de los materiales de contacto eléctrico de AgNi.
Fig. 4. Influencia del contenido de Ni en la fuerza de soldadura de materiales de AgNi
La figura 5 muestra la influencia de diferentes contenidos de Ni en la resistencia de contacto. Se observa que la resistencia de contacto del AgNi aumentó con el aumento del contenido de Ni. Esto se debe a que, al solidificarse el AgNi, los óxidos de Ni se acumularon en la superficie de contacto eléctrico, lo que incrementó la resistencia de contacto superficial. Cuanto mayor sea el contenido de Ni, mayor será la resistencia de contacto superficial. El AgNi10 presenta un valor mínimo y el AgNi30 un valor máximo.
Fig. 5. Influencia del contenido de Ni en la resistencia de contacto
La Fig. 6 mostró la influencia de diferentes contenidos de Ni en la morfología de la erosión del arco. De la Fig. 6 (a), (c), (e) y (g) podemos ver que el área de quema de AgNi15 fue la más pequeña, esto porque el contenido de Ni tiene una doble influencia en la erosión del arco de los materiales de AgNi. Por un lado, las partículas de Ni generalmente se distribuyen en la matriz de Ag como una fase dispersa muy pequeña, lo que llevó a la disminución de la erosión del arco; cuanto mayor sea el contenido de Ni, menor será el área de quema. Por otro lado, el aumento del contenido de Ni provocó un aumento de la resistencia de contacto y el aumento de la temperatura provocó un aumento del área de quema. Los dos factores se restringieron mutuamente, cuando el contenido de Ni era menor del 15%, la fase de Ni dispersa influyó más en la quema. El área de quema de AgNi15 es menor que la de AgNi10. Cuando el contenido de Ni fue mayor del 15%, la resistencia de contacto influyó más en la quema. El área de quema de AgNi30, AgNi20 y AgNi15 aumentó sucesivamente.
De las figuras 6 (b), (f) y (h) podemos ver que las áreas de quema de AgNi10, AgNi20 y AgNi30 presentaron una rápida transición de fase bajo la acción del arco y la fuerza mecánica. Esto hizo que la superficie del terminal de contacto apareciera una gran cantidad de pequeñas picaduras de grabado dispersas, marcas cóncavas-convexas y trazas que se hicieron en forma de metal líquido y proceso de salpicadura. Por otro lado, debido al gradiente de temperatura y al efecto de corrientes parásitas, hubo trazas de flujo rotacional y cambios de color del material fundido en la superficie del terminal de contacto. De la figura 6 (b) podemos ver que en la superficie del terminal de contacto no hay trazas obvias de flujo y radiación y que el área de quema es estable y no hay deriva de trazas de reflujo.
Fig. 6. Morfología de la erosión por arco de materiales de AgNi con diferente contenido de Ni (contacto móvil).
(a)(b)10% (c)(d)15% (e)(f)20% (g)(h)30%
IV. CONCLUSIÓN
- Utilizando tecnología de extrusión y trefilado mediante pulvimetalurgia para la preparación de materiales de contacto eléctrico de AgNi con diferentes contenidos de Ni, las partículas de Ni mostraron una morfología filamentosa y su grado de dispersión se incrementó con el aumento del contenido de Ni.
- El contenido de Ni tiene una influencia única en la densidad relativa, dureza, resistividad y resistencia de contacto de los materiales de AgNi: con el aumento del contenido de Ni, todos aumentaron.
- El contenido de Ni tiene una doble influencia en la fuerza de soldadura y la erosión del arco de los materiales de AgNi: la fuerza de soldadura y la erosión del arco de AgNi15 son las más pequeñas, la de AgNi10 es la más grande y la de AgNi30 es la más grande.
