50Hz和 400Hz下銀鎳合金觸頭材料電弧侵蝕研究

李 靖,馬志瀛,黃紹平,李建明

(1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,陜西西安 710049;2.湖南工程學(xué)院電氣信息學(xué)院,湖南湘潭 411101）

50Hz和 400Hz下銀鎳合金觸頭材料電弧侵蝕研究

李 靖1,2,馬志瀛1,黃紹平2,李建明2

(1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,陜西西安 710049;2.湖南工程學(xué)院電氣信息學(xué)院,湖南湘潭 411101）

為研究低壓、小電流、純阻性負載下銀基合金觸頭材料在交流 400Hz的電弧侵蝕特性,通過研制的小容量可變頻 ASTM觸頭通斷微機測試系統(tǒng)、SEM和 EDAX,測量與分析了 50Hz和 400Hz下觸頭開斷過程中 AgNi、AgC和 AgW觸頭材料燃弧特征值,分析了 AgNi觸頭材料的表面形貌與微區(qū)組份,探討了 50Hz和 400Hz兩種交流頻率下 AgNi合金觸頭材料電弧侵蝕的成因。

50Hz;400Hz;低壓;小電流;銀鎳合金;觸頭材料;電弧侵蝕

1 引言

隨著中頻低壓設(shè)備大量使用,掌握中頻(如400Hz）電路通斷過程中常用觸頭材料的電弧侵蝕特性變得十分迫切,其結(jié)論具有重要的工程價值。

AgCdO曾是低壓電器使用最多的電觸頭材料,具有導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、接觸電阻低而穩(wěn)定、耐侵蝕性與抗熔焊性強等特點[1,2],但“鎘毒”使其不得不被淘汰。目前,全世界都在積極尋找替代 AgCdO的最佳低壓環(huán)保觸頭材料,其中,AgC、AgNi和 AgW是研究最多的合金材料。

本文以 CAgNi10為主要分析對象,通過研發(fā)的小容量、可變頻電觸頭材料 ASTM觸頭通斷微機測試系統(tǒng)[3],研究了 50Hz和 400Hz兩種交流頻率下電弧侵蝕過程中 AgNi、AgC和 AgW觸頭材料燃弧特征值,用 SEM和 EDAX測量與分析了 AgNi觸頭材料的表面形貌與微區(qū)組份,探討了 50Hz和 400Hz兩種交流頻率下銀鎳合金觸頭材料電弧侵蝕的成因。

2 試驗

根據(jù)低壓交流小電流觸頭材料快速模擬電磨損試驗的最佳負載為純阻性、動靜觸頭為非對稱性配對等特點[4],本試驗頻率分別為 50Hz和 400Hz,電流分別為 6A、10A和 15A;非對稱性配對的靜觸頭分別為 CAgNi10、CAgW50和 CAgC4銀基合金;觸頭表面形狀為長方形或正方形,而動觸頭是半球形鍍銀銅基觸頭。

本文所用的 CAgNi10、CAgW50和 CAgC4靜觸頭材料的物理現(xiàn)象參數(shù)如表 1所示[5]。

表 1 CAgN i10、CAgW 50和 CAgC 4材料的物理現(xiàn)象參數(shù)Tab.1 Parameters of physical phenomena for CAgNi10、CAgW 50 and CAgC4

3 結(jié)果與討論

3.1 50Hz和 400Hz頻率下材料燃弧特征值

觸頭材料的電接觸物理現(xiàn)象包括“接觸電阻、燃弧長度、燃弧能量、燃弧時間、材料轉(zhuǎn)移、電侵蝕率”等[6,7]。本文利用 ASTM小容量觸頭材料微機測試系統(tǒng)完成了 CAgNi10、CAgW50和 CAgC4材料的“燃弧能量、燃弧時間、電弧長度和接觸電阻”等參數(shù)的測量。表 2記錄了 10A、50Hz和 400Hz下燃弧特征的平均值。

表 2 10A的材料燃弧特征平均值Tab.2 Average values of contactmaterial arcingcharacteristicswhen I=10A

由表 2數(shù)據(jù)知:① 50Hz時,CAgW50的平均燃弧能量最高,表明 CAgW50產(chǎn)生電弧最難;400Hz時,三者數(shù)值相近;② CAgW50、CAgNi10和 CAgC4的平均燃弧時間和平均電弧長度均較高,表示它們均有良好的抗電弧侵蝕能力。

3.2 觸頭材料的熔焊力

本文利用 ASTM觸頭材料通斷試驗微機測試系統(tǒng)測量了 50Hz和 400Hz下觸頭材料熔焊力。其中,10A試驗電流下不同平均熔焊力的變化曲線如圖 1所示,而 50Hz和 400Hz、10A時各觸頭材料的平均熔焊力如表 3所示。

圖1 10A時各觸頭材料平均熔焊力的變化過程Fig.1 Changing process ofeach contactmaterial average welding force when I=10A

為反映不同材料平均熔焊力的波動情況,本文計算了“平均熔焊力的波動率”,其大小等于“熔焊力的最大值除以熔焊力的最小值”,結(jié)果如表 3所示。

表 3 50Hz和 400Hz、10A時各觸頭材料平均熔焊力及其波動率Tab.3 Average welding force and fluctuation rate of each contactmaterial at 50Hz and 400Hz when I=10A

其中,導(dǎo)致 CAgNi10平均熔焊力較大的成因是:液銀在觸頭表面鋪展不足,形成富銀區(qū),導(dǎo)致無法利用液銀的流動抑制孔洞和裂紋發(fā)展,從而降低了分散體系粘性,使觸頭熔焊后的平均熔焊力較大。

根據(jù)“觸頭材料熔焊力越小時,抗熔焊能力越強”[8,9]及表 3數(shù)據(jù),可知 :無論 50Hz還是 400Hz,三種銀基合金觸頭材料按抗熔焊性由強到弱的順序均為“CAgW50、CAgNi10、CAgC4”。

3.3 50Hz和 400Hz的 CAgNi10材料表面形貌

因篇幅所限,僅以 CAgNi10為例,介紹銀基合金材料的表面形貌和微區(qū)組份,探討 50Hz和 400Hz兩種交流頻率下銀基合金觸頭材料電弧侵蝕成因。

AgNi系列觸頭材料因無需附加焊接用銀層、工藝性優(yōu)秀,同時節(jié)銀高達 40%[9],因此廣泛用于中小電流的交直流繼電器、指令開關(guān)、接觸器、光控開關(guān)、溫控器及洗衣機定時器等低壓電器中,是一種小容量低壓電器常用的重要觸頭材料[10,11]。

本試驗獲得的 CAgNi10材料表面特殊點的能譜分別用兩種能譜儀獲取。50Hz和 400Hz下 CAgNi10靜觸頭與鍍銀銅基動觸頭的整體與局部的表面形貌對照圖如圖 2所示。其中,(a）圖是 50Hz時的 CAg-Ni10靜觸頭與鍍銀銅基動觸頭的電鏡圖,(b）圖是400Hz時的。

限于篇幅,試驗中動觸頭的電鏡及能譜圖僅供對比參考,不予深入分析。

圖 2 50Hz和 400Hz下 CAgNi10靜觸頭與鍍銀銅基動觸頭的整體與局部的表面形貌Fig.2 Overall surfacemorphologies and local surface morphologies of CAgNi10 static contactand Ag-plated copper-based dynamic contactat 50Hz and 400Hz

對圖 2形貌成因的探討:(1）50Hz時,雖然電弧基部形成熔化金屬液池,出現(xiàn)強烈蒸發(fā)和熔化金屬濺射,材料表面出現(xiàn)較大黑色燒損區(qū)和富集燒結(jié)區(qū),但 CAgNi10材料良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性使電弧在觸頭表面運動性好、弧根移動迅速,熱量散失快、相變區(qū)大,因此電弧的侵蝕性相對較弱[12];(2）400Hz時,因 CAgNi10材料燃弧時間較 50Hz短,弧根運動性急降,導(dǎo)致電弧發(fā)生停滯灼燒,雖然燒損區(qū)域相對50Hz減小,但觸頭表面的侵蝕相對嚴重;(3）盡管CAgNi10材料表面在 50Hz時的燒蝕面積超過其總表面積的 80%,約為 400Hz時的 3倍,但筆者認為,50Hz的 CAgNi10材料的抗電弧侵蝕性能仍好于400Hz的。

3.4 50Hz和 400Hz時的 CAgNi10材料能譜

本文分別用西安有色研究院的 JSM6460和長沙中南礦冶研究院的 JSM-5600LV對各個 CAgNi10試品材料進行了能譜分析。其中,50Hz與 400Hz下各能譜分析點區(qū)域的表面形貌與各能譜點的組分重量百分比(或能譜）分別如圖 3和圖 4所示,其中,非對稱性配對的動觸頭資料僅供參考。

圖 3 50Hz時CAgNi10能譜分析區(qū)域的表面形貌與各能譜點的組分重量百分比Fig.3 Surfacemorphologies of ES analysis area and weight%comparison of each component of CAgNi10 materialat 50Hz

圖4 400Hz時 CAgNi10能譜分析區(qū)域的表面形貌與各能譜點的組分重量百分比Fig.4 Surfacemorphologies of ESanalysis area and weight%comparison of each componentof CAgNi10 material at 400Hz

結(jié)合圖 1和圖 2,分析圖 3和圖 4,可得:

(1）50Hz時,CAgNi10觸頭燒損區(qū)旋流痕跡和大片深色熔融區(qū)非常明顯,這是因為材料熔體燒損區(qū)在電弧作用力及機械力的共同作用下快速相變,在觸頭表面形成許多分散的小蝕坑、凹凸以及金屬液滴形成和噴濺的痕跡;此外,由于存在溫度梯度和渦流效應(yīng),使得觸頭表面出現(xiàn)熔融材料的旋流痕跡和內(nèi)深外淺的顏色變遷。能譜結(jié)果表明,相比非熔融區(qū)接近 80%的 Ag而言,電弧高溫引起的飛濺導(dǎo)致熔融區(qū)的 Ag重量百分比只有 45%。

(2）400Hz時,電流二次過零時間僅 2.5ms,單位時間內(nèi)電流過零次數(shù)的增多使得二次過零時間縮短、電流過零產(chǎn)生的游離氣體大大減少,弧隙中的電弧能量大大下降。隨著觸頭表面快速冷卻,熱應(yīng)力影響有限,因此觸頭表面無明顯的流動狀、輻射狀痕跡。Ni熔入 Ag后黏度增大,使觸頭接觸表面呈均勻彌散分布,表面潤濕性非常好。能譜顯示,Ag、Cu含量較高,Ni和 C較低。根據(jù)熔焊強度等于熔焊力除以熔焊面積,觀察和分析表 3和圖 2中 50Hz和400Hz的觸頭表面平均熔焊力與燒損面積,筆者認為:400Hz下 CAgNi10抗熔焊性強于 50Hz的。

4 結(jié)束語

(1）400Hz下,第二組元不同的銀基合金觸頭的抗電弧侵蝕能力不同。其中,CAgC4噴濺最嚴重,抗侵蝕性最差;CAgNi10次之;CAgW50最好。

(2）400Hz時,由于電弧集中燒蝕導(dǎo)致材料噴濺損失增大,從而使動靜觸頭的實際接觸面積減小。低壓小電流阻性負載下,CAgNi10觸頭材料在 400Hz的抗熔焊性能優(yōu)于 50Hz的,但抗侵蝕性卻較 50Hz的差。

References）:

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Research on arc erosion of AgNi alloy contactmaterials at 50Hz and 400Hz

LIJing1,2,MA Zhi-ying1,HUANG Shao-ping2,LI Jian-ming2
(1.School of Electrical Engineering,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,China;2.School of Electrical Information,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China）

Using a developed ASTM contactmaterial experimental system of small-capacity and variable frequency,the arc erosion characteristics of the Ag-based contactmaterial at 400Hz were investigated by means of SEM and EDAX during the electric contact currentmake-and-break testunder low voltage,pure resistive load and small current.The values of contactmaterial arcing characteristics of AgNi,AgC and AgW,the changes of AgNi contacts materials surface profile and micro-area constituentweremeasured and analysed.The surfacemorphologies and micro-area compositions of AgNi contactmaterialwere also analysed,and the reasons of arc erosion of AgNialloy contactmaterialat AC 50Hz and 400Hz were discussed.

50Hz;400Hz;low voltage;small current;AgNi alloy;contactmaterials;arc erosion

TM501+. 3;TM 241

A

1003-3076(2010）01-0004-04

2009-04-08

湖南省自然科學(xué)基金資助項目 (05JJ40068）

李 靖 (1967-）,男,湖南籍,副教授,博士研究生,研究方向為電弧與電接觸;

馬志瀛 (1937-）,男,上海籍,教授/博導(dǎo),研究方向為新型高壓開關(guān)電器理論與開發(fā)。