1引言

現(xiàn)代汽車的發(fā)展越來越需要增加車載電氣設(shè)備的數(shù)量，而確保車輛和乘客安全穩(wěn)定的系統(tǒng)必須由高質(zhì)量的元器件組成。諸如電接觸件之類的元件是這些系統(tǒng)的非常重要的組成部分。因此，在電接觸件中用作接觸表面鍍覆的材料是許多研究實驗室極為關(guān)注的問題。長期以來，金一直是這種應(yīng)用的完美材料，并因其高貴的品質(zhì)和耐腐蝕性受到了許多研究人員的極大關(guān)注。埃文斯、安特勒和德羅茲多維奇是最早研究金得電接觸件響應(yīng)的人之一。盡管金表現(xiàn)出成為電接觸件應(yīng)用完美材料的所有特性，但其極為昂貴的價格很大程度上限制了它的廣泛應(yīng)用。

作為高價金鍍層的替代品，人們經(jīng)常使用低成本的錫鍍層。錫作為電接觸件材料的實用性引起了人們關(guān)注。Malucci對錫界面電接觸件表面形成的氧化膜的各種老化機(jī)制和范圍進(jìn)行了特征描述。布朗諾維克、諾埃爾和海莫維奇研究了金屬間相的形成和與鍍錫電接觸性能相關(guān)的其他現(xiàn)象。

(a)

(b)

圖1 電接觸性能量化分析方法圖示：(a)電接觸件有限和無限壽命行為的確認(rèn)，(b)使用指數(shù)形式量化電接觸件有限壽命域中的電壽命

帕克等人對此進(jìn)行了廣泛的研究，重點關(guān)注機(jī)械和環(huán)境影響，如溫度和腐蝕過程降低了電壽命(即電接觸電阻低于失效閾值時的微振次數(shù))。這些電接觸性能研究的一個主要結(jié)論是，由于錫所具有的非貴金屬性能和較差的耐腐蝕能力，它并不適用于微振磨損條件下的高可靠性電接觸件。

最有希望的替代品是銀，其性質(zhì)和價格介于金和錫之間。因此，卡斯曼·魯?shù)婪蚝脱鸥鞑忌?《滑動狀態(tài)對電接觸性能的影響》)、喬姆斯基(《腐蝕性環(huán)境的影響》)和伊姆雷爾(《腐蝕性環(huán)境中鍍層厚度的影響》)等人對鍍銀電接觸件進(jìn)行了廣泛的研究。最近，人們推出了一種定量研究方法，以更好地確定微型接觸件在微振磨損條件下的電壽命。電壽命與穩(wěn)定的微振滑動條件密切相關(guān)，如圖1所示。

只要保持局部的滑動微振條件，其內(nèi)部的條形金屬/金屬區(qū)就會正常工作，電接觸件界面之間就會保持一個低而穩(wěn)定的接觸電阻和，使之具有無限的電壽命。相比之下，位移振幅超出了這一閾值，它就會處于總體滑動條件下，使之形成了不良的導(dǎo)電氧化物碎屑，導(dǎo)致接觸電阻增加，最終形成有限的電壽命。因此，第一步就是確認(rèn)從局部滑動到總體滑動的躍遷，以建立無限和有限壽命的電接觸性能響應(yīng)之間的邊界。第二步就是使用指數(shù)形式將有限壽命域中的電壽命用公式進(jìn)行量化，見圖1b。

本研究的目的是通過研究不同銀鍍層厚度的電接觸性能響應(yīng)來轉(zhuǎn)換和簡化這種定量策略。因此，我們將從兩個方面進(jìn)行研究：

1)銀鍍層厚度如何影響滑動電接觸性能躍遷(即無限壽命到有限壽命邊界)，以及它是如何改變有限總滑移狀態(tài)下的電接觸性能壽命響應(yīng)?

2)如何通過公式用最為基礎(chǔ)的變量來量化微振位移振幅的增大所引起的電接觸性能電壽命的降低?

2具體實驗步驟

2.1實驗配置

我們?yōu)殡娊佑|性能研究設(shè)計并創(chuàng)建了一個原始實驗裝置。這臺設(shè)備可以模擬汽車發(fā)動機(jī)罩內(nèi)的環(huán)境條件。圖1是電接觸性能實驗配置示意圖。我們使用電磁振動器并通過柔性條固定的上端支架產(chǎn)生的振蕩運動。將上端樣品固定在上端支架上，而將第二個電接觸件樣品固定在下端工作臺，電接觸件微幅水平位移可在測試過程中用壓電負(fù)載傳感器測量其切向力。使用激光位移傳感器控制上端試樣的移動，其精度約為0.1μm。在上端支架放置一個配重，以確保電接觸件法向力負(fù)載(P=3N)。另外，我們采用基于Labview平臺的專用軟件提供所有必要的電接觸性能記錄和電接觸性能監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(a)

(b)

圖2(a)電接觸性能研究所用實驗裝置示意圖;(b)電接觸性能微振次數(shù)分析(總滑移條件)。

在每次電接觸性能試驗過程中可以記錄和控制的電接觸性能參數(shù)如下：電接觸件相對位移振幅δ*(±0.5~±40μm)，電接觸件頻率f[1～500Hz]，電接觸件法向力P(0.2～5N)，電接觸件相對濕度RH(從1%到99%)，電接觸件溫度T(20~160℃)。

2.2接觸件形狀和接觸電阻

本研究中使用的電接觸件樣品由兩個90°交叉的圓柱體組成(圖3)，每個圓柱體的半徑為2.3mm。為了在實驗過程中測量電接觸件接觸電阻，我們采用了四線法。電接觸件電流采用I=5A，電接觸件電壓為5V，而微米級電壓表可以測量電接觸件接觸電壓，電接觸件精度高達(dá)0.01μV。該電接觸件系統(tǒng)可測量10^-6-10³Ω的電阻。達(dá)到電接觸件接觸電阻閾值△R_c=0004Ω時的滑動循環(huán)次數(shù)就假設(shè)為電接觸件的壽命(圖4)。

圖3電接觸件樣品形狀和電阻測量系統(tǒng)

圖4 用于確認(rèn)電接觸件電壽命Nc的判定標(biāo)準(zhǔn)

2.3研究的材料和試驗條件

對于相同的電接觸性能試驗配置，我們已經(jīng)測試了電接觸性能同質(zhì)接觸情況(即類似的上下交叉圓柱體)。其界面結(jié)構(gòu)由4wt.%的錫(CuSn4)青銅合金基底組成，在該基底上沉積2μm的電解鎳中間層，以限制銅的擴(kuò)散。在此電接觸性能標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)上，使用專用電解工藝沉積四種不同厚度的純銀(即e=1.3、2、4和5μm)，使其擴(kuò)散層厚度低于0.05μm。所有電接觸性能測試對所采用的試驗條件相同：電接觸件溫度23℃，電接觸件相對濕度10%，電接觸件頻率30Hz，電接觸件法向力3N�？紤]赫茲彈性假說，這導(dǎo)致最大壓力P_o=780MPa，電接觸件半徑約為43μm。該電接觸件壓力非常高，使得電接觸件的可塑性被激活，從而擴(kuò)大了電接觸面積，并降低電接觸件峰值壓力。

3結(jié)果

3.1從有限電壽命到無限電壽命的躍遷

如前所述，量化電接觸性能的第一步就是確認(rèn)標(biāo)志從電接觸件有限電壽命響應(yīng)向無限電壽命響應(yīng)躍遷的PS/GS躍遷振幅。圖5是厚度為1.3μm的銀鍍層電壽命隨施加位移振幅的電接觸性能變化曲線。根據(jù)漸近外推法，可以推斷出一個δ*_ilt =±4μm的電接觸性能閾值振幅(即無限壽命振幅)。

圖5 1.3μm銀鍍層電接觸件壽命變化曲線

遺憾的是，由于需要很長的電接觸性能試驗，我們不可能對更厚的電接觸鍍層進(jìn)行等效研究。然而，在之前的分析中，已經(jīng)證明了電接觸件壽命躍遷對應(yīng)于從部分滑動到總滑動的穩(wěn)定滑動躍遷。為了解決這種電接觸位移躍遷，我們采用了VDA(即可變位移振幅)測試方法，見圖6a所示。假設(shè)給定的電接觸幾何形狀和電接觸法向力，電接觸位移振幅從非常小的局部滑移條件逐漸增加，直到完全建立總體滑移條件。在電接觸性能研究中，電接觸階躍位移增量固定在Δδ*=1μm，而穩(wěn)定型階段則形成于ΔNc=15000次微振。以這種方式，通過確定電接觸件表征切向力比f=Q*/P變化的不連續(xù)性，以及通過計算能量，我們就可以在單個電接觸性能試驗中確定滑動躍遷振幅δ*_{t_VDA}。

A = Ed/(4.δ*.Q*) (1)

對于Ed，摩擦在電接觸微振過程中要耗散能量，見圖2b所示。事實證明，當(dāng)這一能量比高于一個常數(shù)值A(chǔ)_t=0.2時，電接觸件在總滑動條件下運行。對1.3μm銀鍍層的電接觸性能分析得出躍遷值δ*_{t_VDA}=±5μm，見圖6b。

(a)

(b)

圖6 (a)VDA方法圖示;(b)應(yīng)用VDA測試電接觸性能程序繪制Q*/P =f(δ*)和A=f(δ*)，以確定δ*_{t_VDA}滑動躍遷。

這讓人們很容易高估穩(wěn)定型躍遷振幅。通過比較VDA和參照CDA(即恒定位移振幅)電接觸性能測試，表明可以使用以下校正公式外推出穩(wěn)定的躍遷振幅(δ*t)：

(2)

通過采用這種電接觸校正程序，在表1中計算并匯編了不同的電接觸躍遷振幅。

令人驚訝的是，無論銀鍍層的厚度如何，都觀察到類似的電接觸躍遷振幅(δ*ilt =δ*t =4μm)。這一方面將在后面的討論章節(jié)做深入討論。

3.2銀鍍層厚度對有限耐久域的影響

現(xiàn)在分析的重點是電接觸件有限壽命領(lǐng)域。圖7a對比了在恒定δ*±12μm位移振幅條件下兩種不同厚度的銀鍍層(即e=1.3和3μm)接觸電阻的變化。

(a)

(b)

圖7(a)兩種鍍層厚度在類似δ*=±12μm位移振幅下的接觸電阻隨微振次數(shù)的變化情況;(b)有限壽命域(+/-4μm<δ*<+/-25μm)中研究的銀鍍層厚度壽命曲線NC=f(δ*)。

正如我們預(yù)期的那樣，最厚的鍍層顯示出最長的電壽命。這一分析在圖7b中進(jìn)行了概括。圖中描述了不同厚度的銀鍍層在不同位移振幅條件下的電壽命。所得電接觸件壽命曲線匯聚于一個類似的電接觸閾值位移振幅值(即=±4μm)，證實了先前對穩(wěn)定PS/GS躍遷的研究。不過，在以上，在有限的電接觸總滑動域中，可以清楚地看出銀鍍層越厚，電壽命越長。

表1 與銀鍍層的電壽命相關(guān)的電接觸性能定量數(shù)據(jù)

e：鍍層厚度“平均壽命”標(biāo)準(zhǔn)

如圖8a所示，量化有限電壽命的第一個策略是計算兩個電接觸振幅值δ*_X和δ*_Y之間的平均壽命。顯然，在該區(qū)間研究的所有條件都必須處于穩(wěn)定的電接觸總滑移條件下。因此，最小電接觸位移值必須高于δ*_ref，以限制電接觸性能試驗持續(xù)時間，而最高極限必須選擇足夠小，以便對各種鍍層進(jìn)行比較。在電接觸性能研究中，兩個位移邊界分別固定在δ*_X=+/-12μm(對應(yīng)于Nc_x)和δ*Y=+/-20μm(對應(yīng)于Nc_y)。然后，我們用以下公式計算出平均電壽命。

(3)

圖8b比較了作為銀鍍層厚度函數(shù)的Nc的變化情況。我們觀察到具有兩種不同磨損現(xiàn)象特征的不連續(xù)變化。在閾值殘余厚度e<er_m≈1.66μm以下(階段I)，其壽命非常短。當(dāng)殘余厚度大于1.66μm時，我們觀察到鍍層厚度與鍍層壽命之間存在著線性相關(guān)性(階段II)。我們可以據(jù)此推導(dǎo)出一個預(yù)測電壽命的基本公式(4)：

，式中，(4)

式中，K_m=8.89X10⁵(次/μm)，而e_{r_m}=1.66μm。

(a)

(b)

圖8(a)“平均壽命方法”圖示;(b)平均壽命值Ncm(±12μm≤δ*<±20μm)隨銀鍍層厚度的變化情況。

從這項研究中我們得出一個有趣的結(jié)論：為了有效，銀鍍層必須比閾值(e_{r_m})厚，否則，其電壽命將非常短。此外，超過這一閾值厚度，則可以假設(shè)其電壽命隨著鍍層厚度的增大而呈直線上升。

“平均壽命方法”的一個主要關(guān)注點是提供一個穩(wěn)定而有代表性的對位于滑動躍遷邊界正上方的有限壽命域描述。不過，它需要大量的測試，這可能會大大增加這種研究的試驗持續(xù)時間和成本。為了解決這一問題，我們提供一種替代策略，以確定給定單個δ*_ref參照位移振幅值的電阻壽命，見圖9a。該參照位移振幅需要明顯大于δ*_ilt，以實現(xiàn)總滑移有限壽命條件，但也要足夠小，以提供各種鍍層之間具有代表性的對比。在本研究中，我們考慮參照位移振幅等于δ*_ref =+/-14μm。

該值可定義為躍遷振幅加上10μm整個滑動分量之和。

(5)

(a)

(b)

圖9 (a)“參照壽命方法”圖示;(b)參照壽命值Nc_ref=Nc(δ=±14μm)與銀鍍層厚度變化(根據(jù)圖7計算)函數(shù)關(guān)系圖。

圖9b比較了不同鍍層厚度下獲得的電壽命。我們再一次觀察到兩種不同磨損現(xiàn)象的不連續(xù)變化。當(dāng)閾值殘余厚度e<e_{r_ref}≈1.5μm時，其壽命可忽略不計(階段I)。高于e_{r_ref}時，電壽命隨鍍層厚度呈線性增加(階段II)。由此，我們得出如下等效壽命公式：

，式中，(6)

式中，K_ret =7.98X10⁵(次/μm)，e_{r_ref} =1.5μm。

基于參照位移δ*_ref的分析，我們得出了與根據(jù)平均值分析推導(dǎo)的等效結(jié)論。我們定義了一個類似的公式，涉及等效系數(shù)值，即e_{r_ref}≈e_{r_m}和K_ref≈K_m。這種相關(guān)性表明，快速“參照壽命”策略，其模式非常穩(wěn)定，完全可以說明有限壽命域的全局電接觸壽命。

4 討論

對無限壽命邊界的分析表明，無論鍍層厚度如何，δ*_ilt在±4μm附近保持不變。這一結(jié)果令人頗為驚訝，因為考慮到界面的塑性應(yīng)變，δ*_ilt躍遷振幅應(yīng)該與鍍層厚度存在函數(shù)關(guān)系。實際上，滑動躍遷處的總位移可以表達(dá)為彈性和塑性位移貢獻(xiàn)量之和。

(7)

圖10 滑動躍遷時無量綱球面/平面微振次數(shù)對比：——彈性(Mindlin)公式;——彈-塑性公式(結(jié)合了彈性和運動學(xué)的塑性剪切應(yīng)變變形)。

彈性貢獻(xiàn)主要受控于主體結(jié)構(gòu)的彈性變形，可以通過Mindlin公式來表示。相比之下，塑性貢獻(xiàn)可以定義為在整個鍍層厚度上積分的塑性剪切應(yīng)變。假設(shè)界面剪切應(yīng)變?yōu)槌?shù)γ^P，則可以推出下列公式(8)：

(8)

由此，我們可以得出公式(9)：

(9)

因此，鍍層越厚，塑性應(yīng)變就越大，δ*ilt躍遷就越大�？梢钥紤]用不同的假設(shè)來解釋為什么我們的實驗分析沒有驗證這種趨勢：

● 所研究的鍍層與接觸面積相比非常薄(小于10%)。這就可以解釋為什么我們檢測不到預(yù)期的塑性應(yīng)變，而且躍遷振幅似乎也不受影響。

● 循環(huán)塑性應(yīng)變的應(yīng)用會引起銀鍍層的塑性硬化過程。這種硬化可能會增加鍍層的表觀剛度，使得塑性應(yīng)變變得很小，可忽略不計。

這兩個假設(shè)可能都與銀界面響應(yīng)有關(guān)�，F(xiàn)在需要結(jié)合優(yōu)化實驗分析和數(shù)值模擬進(jìn)行更深入的研究。

有限壽命響應(yīng)

對有限電接觸壽命域(即)的研究表明，界面磨損受控于一個不連續(xù)的過程。當(dāng)所謂的殘余銀鍍層厚度e低于1.5μm時，電壽命非常短(階段I)。大于此閾值厚度時，我們觀察到電壽命相與鍍層厚度呈現(xiàn)線性變化。這表明，界面磨損受控于一個漸進(jìn)的磨損過程(階段II)。

第二階段

(a)

(b)

圖11 2μm銀鍍層在δ*_ilt=±14μm磨損條件下的微振斑痕：(a)電接觸失效前(N=2.5X10³次微振)：SEM和EDX半定量分析，(b)電接觸失效后(N=3X10⁵次微振)，3D表面形貌，SEM和EDX半定量分析

圖11顯示在參照試驗條件下(δ*_fer=±14μm)，在2μm銀鍍層發(fā)生電接觸失效前后出現(xiàn)的微振斑痕。3D表面輪廓顯示其典型的“U”形微振磨損形態(tài)，代表了界面的漸進(jìn)磨損過程。SEM和EDX分析對比證實了之前的研究。這表明，電接觸劣化與界面中氧化物碎片沒有直接關(guān)系。實際上，在接觸件失效前，我們在微振磨斑中檢測到大量的氧原子。電接觸失效似乎是由界面(即碎屑層)中貴金屬銀元素的逐漸減少導(dǎo)致的：接觸界面的銀逐漸被亞層的鎳和銅元素及其相應(yīng)的氧化物所取代。由此推斷，第二階段壽命響應(yīng)中的電壽命可以通過下列評判標(biāo)準(zhǔn)來表示：

當(dāng)[Ag]_接觸件<[Ag]_閾≈5at%時，

Nc: ΔR>ΔRc=4X10³Ω (10)

另一方面，這表明只要氧化物碎片層中的貴金屬銀元素的原子濃度高于閾值[Ag]_閾，那就可以滿足電接觸電阻標(biāo)準(zhǔn)。此外，電壽命和鍍層厚度之間的線性相關(guān)性可用阿查德(Archard)定律來證明，參見圖9。考慮到銀磨損率常數(shù)K_A，銀鍍層磨損量可用下列公式(11)來表示：

(11)

式中，ΣW的阿查德荷載參數(shù)可定義為法向力和總滑動距離的乘積。

(12)

式中，δ*_g為試驗過程中的有效滑動振幅，見圖2b。微振磨損過程中涉及的總體銀量(包括兩個沉頭)由下列公式給出：

V=2.A.e (13)

式中，A為微振試驗過程中的微振面積。在電接觸失效時將公式(11)和(13)組合起來得出公式(14)：

(14)

Nc和e之間的這種線性相關(guān)性(公式6)證實，在第二階段，電壽命與從微振界面逐漸消失的銀元素的損耗有關(guān)。

第一階段

第一階段的響應(yīng)解釋起來更為復(fù)雜。我們所觀察到的偏移表明，低于閾值厚度e_r，磨損不再受控于一個漸進(jìn)過程，而是由快速的災(zāi)難性的失效過程。這種典型的演變過程以前在薄的硬質(zhì)鍍層的微振磨損研究中已經(jīng)觀察到。如圖6所示，當(dāng)剩余鍍層厚度變得太薄時，拉伸和剪切接觸載荷會使得亞層界面(即本研究的銀/鎳界面)應(yīng)力過大，并促使鍍層中的銀和鎳瞬時發(fā)生災(zāi)難性的分離。為了對這一現(xiàn)象進(jìn)行量化，筆者引入了“有效鍍層厚度”的概念，即漸進(jìn)磨損過程中所涉及的有效鍍層厚度，以便對鍍層壽命提供一個現(xiàn)實可行的預(yù)測。

圖12 有效磨損厚度概念示意圖

這一有效鍍層厚度可定義為標(biāo)稱鍍層厚度“e”和殘余鍍層厚度“e_r”之間的差值。因此，鍍層的使用壽命可表示如下：

，(15)

顯然，亞層界面越強(qiáng)，其殘余厚度就越薄，故其壽命就越長。對于非常強(qiáng)的界面來說，其有效厚度等于標(biāo)稱厚度，因此鍍層壽命可以使用公式(14)來表示。因此，考慮到采用由有效鍍層厚度引起的校正措施，公式(6)和(15)就完全相同了。

5結(jié)論

文章介紹了一種簡單快速的方法使鎳鍍銀電壽命可通過公式來量化分析。利用這種實驗策略，我們推導(dǎo)出了以下幾個方面。

-可通過公式使用兩個基本變量實現(xiàn)無限壽命域到有限壽命域的電壽命轉(zhuǎn)換(圖13);

δ*_ilt：局部滑動下保持接觸的位移振幅閾值，低于該閾值，則由于在內(nèi)部條形區(qū)域中保持導(dǎo)電的金屬/金屬交互作用而產(chǎn)生無限的電壽命。

Nc_rer：為參照位移振幅定義的一種“參照”微振循環(huán)壽命。它可以表征有限壽命總滑移條件下的微振響應(yīng)()。

圖13 電壽命與微振位移振幅函數(shù)關(guān)系定量分析：確定兩個關(guān)鍵因素δ*_ilt和Nc_ref，即微振磨損下接觸件無限和有限電壽命。

-應(yīng)用這一定量方法可以得出一個結(jié)論，δ*_ilt值似乎與銀鍍層厚度無關(guān)。因為銀鍍層的塑性應(yīng)變相對于接觸件和測試設(shè)備引起的彈性貢獻(xiàn)來說比較小。

-有限壽命域中的電壽命受控于界面磨損過程和從微振界面中銀元素的消失。與許多鍍層系統(tǒng)一樣，我們可以啟動一個兩步磨損過程：低于閾值鍍層厚度(e_r)，接觸應(yīng)力促進(jìn)Ag/Ni界面的災(zāi)難性分離。鍍銀層從界面上迅速消失，并且其電壽命非常短。超過這一厚度閾值，銀的損耗就受制于一種漸進(jìn)磨損過程。假設(shè)我們考慮的是“有效鍍層”厚度變量，而不是標(biāo)稱鍍層厚度，那么，這一過程可以使用一個基本的阿查德磨損公式進(jìn)行量化。因此，電壽命可表示如下：

E>e_r => Nc→0，

E<e_r => Nc=K.e_eff,e_eff =e-e_r

式中，殘余厚度e_r與Ag/Ni亞界面強(qiáng)度存在函數(shù)關(guān)系，而K系數(shù)于銀鍍層界面磨損率存在函數(shù)關(guān)系�，F(xiàn)在需要進(jìn)一步研究將優(yōu)化實驗和FEM仿真結(jié)合起來，以建立電壽命和銀/銀界面微振磨損過程之間的量化相關(guān)性。

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