Comment différentes teneurs en nickel affectent-elles les propriétés électriques des matériaux de contact AgNi ?

I. INTRODUCTION

Parmi tous les métaux, l'argent pur présente une excellente conductivité électrique, une bonne capacité thermique, d'excellentes performances d'usinage et une faible résistance de contact. Il est donc largement utilisé comme substrat pour les contacts électriques. Cependant, l'argent pur est tendre, facile à souder par fusion et a tendance à transférer de la matière. Pour pallier ces inconvénients, de nombreuses études ont été menées sur les composites à matrice d'argent aux propriétés mécaniques élevées. L'AgNi est un matériau de contact électrique de premier plan, caractérisé par une faible résistance de contact, de bonnes performances de mise en œuvre, une bonne résistance à l'érosion et une non-toxicité, mais une faible résistance au soudage. Depuis le 1er juillet 2006, l'Union européenne a mis en œuvre les directives RoHS 2002/95/CE et DEEE 2002/96/CE afin de restreindre l'utilisation du Pd, du Hg et du Cd, ce qui fait de l'AgNi un axe de recherche majeur pour les matériaux de contact électrique.

Pour pallier la faible résistance au soudage des matériaux AgNi, de nombreux chercheurs nationaux et étrangers ont mené de nombreuses recherches sur l'influence de la teneur en Ni. Les travaux de YL Deng, XW Huang et al. ont montré que la teneur en Ni joue un rôle important. Lorsqu'elle est trop élevée, la résistance de contact augmente et la conductivité électrique diminue, tandis que la résistance au soudage diminue évidemment, mais ils n'ont pas fourni de données concrètes sur la teneur en Ni. QF Luo et al. ont préparé AgNi10 et AgNi30 par alliage mécanique et ont analysé leur microstructure, mais n'ont pas analysé leur influence sur la résistance au soudage. Sur la base de ces arguments, cet article présente l'utilisation de la technologie d'extrusion et d'étirage par métallurgie des poudres pour fabriquer des matériaux de contact électrique en AgNi avec différentes teneurs en Ni. L'étude de la microstructure et des performances électriques fournit également des orientations théoriques pour le choix futur des matériaux de contact électrique en AgNi.

II. EXPÉRIENCE

Nous avons sélectionné des poudres d'Ag d'une pureté supérieure à 99,9 % et d'une granulométrie moyenne de 10 μm, ainsi que des poudres de Ni d'une pureté supérieure à 99,9 % et d'une granulométrie moyenne de 3 μm. Nous avons utilisé une balance analytique BS124S d'une précision de 0,0001 pour peser les poudres. Nous avons fixé respectivement les poudres d'Ag et les poudres de Ni à différentes teneurs en 1 à 3 heures, puis transformé les poudres AgNi mélangées en compacts à l'aide d'une presse isostatique Φ90. Nous avons placé les compacts dans un four de frittage à 700-800 °C dans H_2 pendant 1 à 3 heures. Les compacts ont été extrudés en fils de Φ6 mm à 750-850 °C. Les fils ont été traités par étirage → recuit (300-400 °C, 0,5 à 2 heures) → étirage, puis transformés en produits de Φ1,38 mm. Nous avons utilisé le duromètre Vickers VTA532, le testeur intelligent de faible résistance CC TH2512B, la microscopie métallurgique L150 et le microscope électronique à balayage JSM-6390A pour tester les matériaux. Nous avons transformé ces fils en rivets avec les spécifications suivantes : F : 4 × 1 + 2 × 2 (0,4) et R : 4 × 1 + 2 × 2 (0,4) R20. Nous avons utilisé des rivets à surface plane comme contact fixe et des rivets à surface courbe comme contact mobile. Nous avons testé ces rivets avec une machine d'essai de performance électrique développée conjointement par mon entreprise et l'Université Jiaotong de Xi'an. La tension était de 220 V CA, le courant de 20 A, le facteur de marche de 36 %, la pression de contact de 100 g, la fréquence par morceaux de 40 coups/min, la distance de contact de 2 mm, le temps de test de 100 000 coups et la charge était en CA.

III. RÉSULTATS ET DISCUSSION

Français A. Influence de la teneur en Ni sur la microstructure des matériaux AgNi

La Fig. 1 montre le métallogramme de fils d'AgNi avec différentes teneurs en Ni (coupe longitudinale). Nous pouvons voir que les fils ont montré une microstructure uniformément distribuée et que les particules de Ni ont montré une morphologie filamentaire. Les particules de Ni ont été étirées sous l'action de la contrainte de traction. À mesure que l'augmentation de la teneur en Ni, la morphologie filamentaire est devenue plus évidente.

La Fig. 2 montre les images EDS de rétrodiffusion de matériaux AgNi avec différentes teneurs en Ni (coupe transversale). Nous pouvons voir que la taille des particules de Ni a diminué avec l'augmentation de la teneur en Ni, car la résistance relative au décalage dans la matrice d'Ag a diminué avec l'augmentation de la teneur en Ni, les phases de Ni sont passées d'une zone dense à une zone clairsemée et leur degré de dispersion est devenu plus élevé dans la matrice d'Ag. Pendant ce temps, dans les images EDS, le rapport de masse d'Ag et de Ni était de 92,30 : 7,70, 87,09 : 12,91, 82,71 : 17,29 et 72,21 : 27,79, les nombres étaient les mêmes que le moment mixte de la poudre.



B. Influence de la teneur en Ni sur la densité relative des matériaux AgNi

Le tableau 1 montre la densité mesurée, la densité théorique et la densité relative des matériaux AgNi avec différentes teneurs en Ni. Nous pouvons voir que la densité relative augmente avec l'augmentation de la teneur en Ni, ceci parce que la phase de Ni dispersée a une influence sur l'affinage des grains de la matrice Ag. À mesure que la teneur en Ni augmente, la taille des grains d'Ag diminue et le joint de grains augmente. Cela produit davantage de passages pour l'échappement des gaz et pour la diffusion du Ni vers l'Ag. L'énergie d'activation de la diffusion du Ni est réduite, le processus de densification est accéléré et la densité relative des matériaux AgNi est augmentée. Lorsque le joint de grains augmente, les matériaux AgNi extrudés et étirés deviennent plus collants, ce qui accélère le processus de densification.

Teneur en Ni %	Densité mesurée g/cm 3	Densité théorique g/cm 3	Densité relative %
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. Influence de la teneur en Ni sur la résistivité et la dureté des matériaux AgNi

La figure 3 montre la résistivité et la dureté des matériaux AgNi avec différentes teneurs en Ni. Nous pouvons voir que la résistivité et la dureté augmentent avec l'augmentation de la teneur en Ni. Chaque composant d'AgNi ne peut pas être combiné en solution solide, donc AgNi est un type d'alliage hétérogène. Étant un alliage hétérogène, les principaux facteurs d'influence sur la conductivité électrique sont le rapport volumique et le degré de dispersion des phases de composition. Comparé à Ag, Ni a une conductivité électrique plus faible, donc avec l'augmentation de la teneur en Ni, le rapport volumique Ni/Ag augmente et la résistivité d'AgNi augmente. Dans le même temps, les phases de composition étaient plus dispersées, la probabilité de dispersion de l'électron sur la frontière cristalline était plus élevée et la résistivité était également plus élevée. Sur la base de ces deux facteurs, la résistivité d'AgNi augmentait avec l'augmentation de la teneur en Ni. Le rapport volumique et le degré de dispersion des phases de composition ont également une influence décisive sur la dureté. Ni est plus dur que Ag, avec l'augmentation de la teneur en Ni, le rapport volumique Ni/Ag augmente et la dureté d'AgNi augmente. Dans certaines limites, la taille des particules des phases de composition était plus petite, l'effet de renforcement dispersé était plus évident et la dureté était plus élevée.


La figure 4 illustre l'influence de différentes teneurs en Ni sur la force de soudage des matériaux AgNi. On constate que l'AgNi15 présente la force de soudage la plus faible, en raison d'une double influence sur la résistance au soudage de l'AgNi. D'une part, l'augmentation de la teneur en Ni nécessite une température et un temps de fusion plus élevés pour que le Ni fonde dans la matrice d'Ag. Lorsque le Ni se solidifie, des oxydes de Ni se rassemblent à la surface de contact électrique. Ainsi, une teneur en Ni plus élevée améliore la résistance au soudage. D'autre part, l'augmentation de la teneur en Ni entraîne une augmentation de la dureté et de la résistance à la traction, ainsi que de la force de soudage. Ces deux facteurs se limitent mutuellement : lorsque la teneur en Ni est inférieure à 15 %, la concentration d'oxydes de Ni influence le plus la force de soudage. La force de soudage de l'AgNi15 est inférieure à celle de l'AgNi10. Lorsque la teneur en Ni est supérieure à 15 %, la résistance à la traction influence le plus la force de soudage. La force de soudage des AgNi30, AgNi20 et AgNi15 augmente progressivement. Parallèlement, la force de soudage de l'AgNi15 est de 5 g, ce qui est inférieur aux données d'autres publications. Les performances de résistance au soudage des matériaux de contact électrique AgNi ont été améliorées.


La figure 5 illustre l'influence de différentes teneurs en Ni sur la résistance de contact. On constate que la résistance de contact d'AgNi augmente avec la teneur en Ni. En effet, lors de la solidification d'AgNi, des oxydes de Ni se sont accumulés à la surface du contact électrique, augmentant ainsi la résistance de contact. Plus la teneur en Ni est élevée, plus la résistance de contact est élevée. AgNi10 présente une valeur minimale et AgNi30 une valeur maximale.


La figure 6 montre l'influence de différentes teneurs en Ni sur la morphologie de l'érosion par arc. Les figures 6 (a), (c), (e) et (g) montrent que la zone de combustion d'AgNi15 est la plus petite, car la teneur en Ni a une double influence sur l'érosion par arc des matériaux AgNi. D'une part, les particules de Ni sont généralement réparties dans la matrice d'Ag sous forme de très petite phase dispersée, ce qui entraîne une diminution de l'érosion par arc ; plus la teneur en Ni est élevée, plus la zone de combustion est petite. D'autre part, l'augmentation de la teneur en Ni entraîne une augmentation de la résistance de contact et une augmentation de la température entraîne une augmentation de la zone de combustion. Ces deux facteurs se limitent mutuellement : lorsque la teneur en Ni est inférieure à 15 %, la phase de Ni dispersée influence le plus la combustion. La zone de combustion d'AgNi15 est inférieure à celle d'AgNi10. Lorsque la teneur en Ni est supérieure à 15 %, la résistance de contact influence le plus la combustion. La zone de combustion d'AgNi30, AgNi20 et AgNi15 augmente successivement.

Les figures 6 (b), (f) et (h) montrent que les zones de combustion d'AgNi10, AgNi20 et AgNi30 ont subi une transition de phase rapide sous l'action de l'arc et de la force mécanique. De ce fait, la surface de la borne de contact présente de nombreux petits trous de gravure dispersés, des marques et des traces concaves-convexes, résultant du métal liquide et du processus de projection. Par ailleurs, en raison du gradient de température et de l'effet des courants de Foucault, des traces d'écoulement rotationnel et des changements de couleur du matériau fondu sont apparus à la surface de la borne de contact. La figure 6 (b) montre qu'aucune trace d'écoulement ni de rayonnement n'est visible à la surface de la borne de contact, que la zone de combustion est stable et qu'aucune trace de reflux n'est observée.

IV. CONCLUSION

• Grâce à la technologie d'extrusion et d'étirage par métallurgie des poudres, des matériaux de contact électrique AgNi présentant différentes teneurs en Ni ont été préparés. Les particules de Ni ont présenté une morphologie filamentaire et leur degré de dispersion s'est accru avec l'augmentation de la teneur en Ni.
• La teneur en Ni a une influence unique sur la densité relative, la dureté, la résistivité et la résistance de contact des matériaux AgNi : avec l'augmentation de la teneur en Ni, elles ont toutes augmenté.
• La teneur en Ni a une double influence sur la force de soudage et l'érosion à l'arc des matériaux AgNi : la force de soudage et l'érosion à l'arc d'AgNi15 sont les plus faibles, d'AgNi10 est plus grande, d'AgNi30 est la plus grande.