Sono utilizzate soprattutto per la produzione di contatti elettrici grazie alla loro conducibilità elettrica, resistenza alla corrosione e all’erosione e per la loro resistenza all’incollaggio (effetto stick).
- Pseudo leghe in Tungsteno Argento – Caratteristiche e Applicazioni
- Pseudo leghe in Tungsteno Argento – Densità, durezza e proprietà elettriche al variare della composizione
- Pseudo leghe in Tungsteno Argento – Determinazione delle Caratteristiche in correlazione alla microstruttura
Caratteristiche e Applicazioni
Le pseudo-leghe in Tungsteno – Argento per contatti elettrici trovano varie applicazioni in campo elettromeccanico: si costruiscono interruttori elettrici, contattori, regolatori di tensione, rompi-arco e relè principalmente per circuiti in aria. I contatti elettrici in pseudo-lega sinterizzata, per la peculiarità della loro applicazione, devono garantire una buona combinazione di conducibilità elettrica, resistenza all’erosione, alla corrosione e all’effetto stick (resistenza all’incollaggio). In caso questa combinazione non sia garantita, i contatti si usurano, riducendo l’efficienza dell’apparecchio elettrico su cui vengono montati.
I contatti elettrici sono costituiti da una struttura, inizialmente porosa, in metallo refrattario (tungsteno) prodotto mediante metallurgia delle polveri, che viene “riempita” di argento.
Densità, durezza e proprietà elettriche al variare della composizione
I dati disponibili in letteratura [1] riguardo alle pseudo-leghe sinterizzate a base di argento W-Ag, ci mettono a disposizione le caratteristiche di conducibilità elettrica, durezza e microstruttura in funzione delle composizioni.
| Composizione della lega (% in massa) | Densità (g/cm3) | Durezza | Conducibilità (% IACS) |
| 20Ag-80W | 16,2 | 91-100 HRB | 35-40% |
| 25Ag-75W | 15,25-15,4 | 85-95 HRB | 40-50% |
| 30Ag-70W | 15 | 85-93 HRB | 40-50% |
| 35Ag-65W | 14,20-14,75 | 80-93 HRB | 45-53% |
Dall’osservazione della tabella si possono trarre le seguenti conclusioni:
- La conducibilità elettrica delle pseudo-leghe Tungsteno Argento (pseudo leghe W-Ag) aumenta con l’aumentare del contenuto di argento.
- La durezza delle pseudo-leghe Tungsteno Argento (pseudo leghe W-Ag) aumenta con l’aumentare del contenuto di tungsteno o carburo di tungsteno.
- La composizione delle pseudo-leghe Tungsteno Argento (pseudo leghe W-Ag) 75/25 presenta un ottimo compromesso tra durezza e conducibilità elettrica, entrambi elevati, il che rende il materiale molto attraente per la produzione di contatti elettrici utilizzati nei contattori, commutatori, interruttori di circuito ed elettrodi per scarica elettrica.
I materiali sono quindi sottoposti a notevoli e repentini cambiamenti delle condizioni di lavoro. I contatti ricevono violente sollecitazioni sia termiche che meccaniche: riveste dunque grande importanza determinare l’andamento delle caratteristiche meccaniche del materiale al variare delle condizioni termiche.
Determinazione delle Caratteristiche in correlazione alla microstruttura
La resistenza alla fatica del materiale è legata al comportamento elastico del contatto durante tutto il suo ciclo di funzionamento.
Le variazioni del modulo elastico, al variare della temperatura di esercizio, influiscono particolarmente sul comportamento del materiale, quando si giunge ad una parziale e localizzata fusione dell’argento infiltrato; condizione che si potrebbe verificare sulla superficie di contatto, durante la formazione di archi elettrici.
La resistenza all’erosione è legata principalmente alla variazione dei valori di durezza al variare delle temperatura.Il modulo elastico (modulo di Young), è una grandezza caratteristica del materiale, definita come il rapporto tra lo sforzo applicato e la deformazione elastica che ne deriva.
Alcuni studi [2] analizzano come variano empiricamente le proprietà elastiche delle pseudo-leghe Tungsteno Argento (pseudo leghe W-Ag) al variare della temperatura, in particolare sopra e sotto il punto di fusione dell’argento, rispetto ai modelli teorici. Si possono individuare distintamente tre diverse zone di comportamento del modulo elastico:
- Nei valori di temperatura compresi tra 25°C e 800°C, il modulo di Young dipende dalla temperatura, seguendo la formulazione teorica variazionale dell’elasticità con un limite superiore ed uno inferiore al valore del modulo elastico di un materiale composito.
- Sopra 800 0C il modulo decresce molto più rapidamente di quanto previsto dalla teoria. Questa rapida diminuzione nel modulo è associata alla separazione dell’interfase tra le fasi di tungsteno e argento.
Sopra il punto di fusione dell’argento si osserva una grande discontinuità del modulo (variazioni superiori al 10%). Sopra i 960°C, il modulo relativo alla composizione studiata è circa uguale al modulo di un campione di tungsteno contenente una percentuale in volume di pori pari alla percentuale in volume di argento contenuta: l’argento allo stato fuso non influisce sulle proprietà elastiche del materiale.
Dagli stessi studi [2] si evince che le proprietà elastiche del materiale sono legate principalmente alla presenza di argento (metallo infiltrante) distribuito all’interno della matrice di tungsteno. Per avere delle buone proprietà elastiche, durante le sollecitazioni del contatto elettrico, l’argento deve quindi essere distribuito con continuità tra i grani di tungsteno. Una struttura eccessivamente porosa presenta discontinuità nella distribuzione dell’argento, che compromette quindi la resistenza meccanica del materiale.
La durezza è un’indicazione sulle caratteristiche di deformabilità plastica del materiale: indica la resistenza che il materiale oppone ad una deformazione permanente. Diversi studi, sia teorici che empirici [3], dimostrano che:
La durezza è strettamente correlata alla percentuale in massa di tungsteno contenuto.
Il metallo infiltrante (argento) ha la funzione di dare duttilità e continuità al materiale composito e quindi di ridurne la fragilità, ma non influisce sulla durezza del materiale composito.
A parità di composizione, i valori di durezza riscontrati sono tanto maggiori quanto la struttura in tungsteno, che ospita l’argento come infiltrato, è uniforme e compatta.
Se il materiale presenta zone arricchite in argento si avrà un calo della durezza in corrispondenza delle stesse.
Micrografia 200X: campione di Ag/W 25/75 che presenta agglomerati di argento di grandezza eccessiva (detti “isole” di Ag)
Per avere una buona resistenza alle sollecitazioni meccaniche, la struttura del contatto elettrico deve avere un buon grado di riempimento da parte dell’argento, che deve raggiungere dunque in modo regolare tutti i punti della struttura senza lasciare porosità.
Questo garantisce il mantenimento delle proprietà elastiche fino al punto di fusione dell’argento.
Per avere buone caratteristiche di durezza la struttura deve essere omogenea, senza “isole” di argento di dimensione troppo elevata, per evitare discontinuità nella durezza del materiale.Quindi le porosità che si presentano nella matrice di tungsteno, prima dell’infiltraggio, devono essere di dimensione regolare e tale da permettere la penetrazione per capillarità del metallo infiltrante in tutti i punti e garantire una buona omogeneità del materiale. In questo modo vengono garantite la resistenza sia del comportamento elastico sia della durezza. Dall’altro lato, l’argento allo stato liquido deve poter bagnare agevolmente la struttura in tungsteno.
Micrografia 200X: campione pseudo-leghe in Tungsteno – Argento (pseudo lega W – AG) 25/75 ottenuto in Italia Syntesalloys. Si nota in questa particolare struttura l’assenza sia di grossi agglomerati di argento (“isole”), sia di grosse porosità (zone non riempite dal metallo infiltrante): questo è stato possibile grazie all’ottenimento di una buona matrice di partenza in tungsteno.
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
[1] ASM Metals Handbook. Volume 7. Powder Metal Tecnologies and Applications
[2] Arc erosion phenomena in tungsten – silver composite contact materials – Kaliszuk K., Frydman K., Walczuk E., Borkowski P., Jakubowski J..
[3] Microstructure, hardness and electrical properties of silver-based refractory contact materials – Fehim Findik, Huseyin Uzun
Data di pubblicazione: 21/06/2023
