不同添加劑對(duì)AgSnO2In2O3觸頭材料電性能的影響

李耀林，盧 菲，陳光明，蒙建洲，黃 晶

（1.桂林電器科學(xué)研究院有限公司，廣西桂林 541004；2.桂林金格電工電子材料科技有限公司，廣西桂林 541004）

引言

隨著人工智能、信息電子、汽車(chē)控制等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)繼電器等控制元件的性能要求越來(lái)越高。觸頭是繼電器的核心元件，其在閉合和分?jǐn)噙^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電弧，電弧對(duì)觸頭材料產(chǎn)生的作用主要體現(xiàn)為觸頭的熔焊、電弧的侵蝕、觸頭的溫升等。觸頭材料的電壽命、熔焊力、電弧能量、燃弧時(shí)間、質(zhì)量侵蝕率等電性能參數(shù)是評(píng)價(jià)觸頭材料優(yōu)劣的重要指標(biāo)。AgSnO2In2O3為常見(jiàn)的觸頭材料，主要應(yīng)用于中大電流等級(jí)的繼電器。為改善其性能或滿(mǎn)足其“個(gè)性化”需求，制造商往往在材料制備時(shí)添加少量添加劑。本研究通過(guò)電性能試驗(yàn)研究了不同添加劑對(duì)AgSnO2In2O3觸頭材料電性能的影響。

1 模擬繼電器工作原理與試驗(yàn)方案

1.1 模擬繼電器工作原理

本企業(yè)自制的模擬繼電器試驗(yàn)設(shè)備可檢測(cè)觸頭材料的電壽命、熔焊力、電弧能量、燃弧時(shí)間、質(zhì)量侵蝕率等參數(shù)。模擬繼電器試驗(yàn)設(shè)備的觸頭動(dòng)作機(jī)構(gòu)原理相對(duì)簡(jiǎn)單，具體見(jiàn)圖1，它由電磁鐵、反力彈簧、銜鐵、觸頭等部件組成。當(dāng)線(xiàn)圈兩端施加額定電壓時(shí)，鐵芯被磁化，進(jìn)而對(duì)銜鐵產(chǎn)生電磁吸力，銜鐵在該吸力的作用下帶動(dòng)觸頭吸合；當(dāng)施加在線(xiàn)圈兩端的電壓撤消時(shí)，銜鐵在反力彈簧的作用下帶動(dòng)觸頭斷開(kāi)，觸頭的吸合和斷開(kāi)分別實(shí)現(xiàn)了模擬繼電器在電路中接通和分?jǐn)嚯娏鞯哪康摹?/p>

圖1 模擬繼電器觸頭動(dòng)作機(jī)構(gòu)原理圖

1.2 觸頭材料信息

針對(duì)應(yīng)用于中大電流繼電器的AgSnO2In2O3觸頭材料，采用內(nèi)氧化法工藝制備了不含添加劑及分別含添加劑CuO或TeO2的3種AgSnO2In2O3觸頭材料，成分和制造工藝見(jiàn)表1，通過(guò)拉拔和冷鐓等工序?qū)⒉牧现瞥摄T釘型觸頭。試驗(yàn)前的3種Ag-SnO2In2O3觸頭表面均光亮、潔凈，觸頭材料金相組織見(jiàn)表2，由表2可見(jiàn)，3種材料的金相組織均勻，無(wú)明顯差別。

表1 觸頭材料成分和制造工藝

表2 金相組織圖片

1.3 試驗(yàn)方案

應(yīng)用模擬繼電器試驗(yàn)設(shè)備對(duì)不含添加劑及分別含添加劑CuO或TeO2的3種AgSnO2In2O3觸頭材料進(jìn)行3輪不同次數(shù)的試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)分別為2萬(wàn)次、4萬(wàn)次和直至樣品失效，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3，設(shè)備檢測(cè)觸頭材料的電壽命、熔焊力、電弧能量、燃弧時(shí)間、質(zhì)量侵蝕率等電性能參數(shù)。每組試驗(yàn)裝配6只模擬繼電器，試驗(yàn)前對(duì)鉚釘觸頭標(biāo)號(hào)、稱(chēng)重，試驗(yàn)后對(duì)鉚釘觸頭進(jìn)行清洗、晾干和稱(chēng)重，并對(duì)觸頭進(jìn)行SEM形貌和金相組織分析。

表3 試驗(yàn)參數(shù)

2 電性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 電壽命結(jié)果

3種觸頭材料電壽命分布見(jiàn)圖2。由圖2可知，與不含添加劑的AgSnO2In2O3觸頭材料相比，添加劑CuO對(duì)材料的電壽命影響不大，而添加劑TeO2明顯提高了材料的電壽命。

圖2 電壽命分布圖

以2萬(wàn)次和4萬(wàn)次試驗(yàn)比較3種觸頭材料的質(zhì)量侵蝕率（質(zhì)量侵蝕率為質(zhì)量總損失除以試驗(yàn)總次數(shù)），圖3和圖4分別為2萬(wàn)次試驗(yàn)和4萬(wàn)次試驗(yàn)質(zhì)量侵蝕率折線(xiàn)圖。

圖3 2萬(wàn)次試驗(yàn)質(zhì)量侵蝕率折線(xiàn)圖

圖4 4萬(wàn)次試驗(yàn)質(zhì)量侵蝕率折線(xiàn)圖

2.2 材料質(zhì)量損失及侵蝕率

由圖3和圖4可知，添加劑對(duì)觸頭材料質(zhì)量侵蝕率影響很大，含添加劑CuO或TeO2的兩種觸頭材料侵蝕率明顯大于不含添加劑的觸頭材料，其原因?yàn)橛|頭接通和分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生電弧，熱量傳導(dǎo)至觸頭表面，在接觸點(diǎn)形成熔融的金屬液池，在高溫下添加劑TeO2或CuO易分解產(chǎn)生氣體，氣體從熔融的金屬液池中噴出并帶走部分熔融的觸頭材料，因此，含添加劑TeO2或CuO的觸頭材料質(zhì)量侵蝕率更大。

2.3 熔焊力、電弧能量和燃弧時(shí)間

3種觸頭材料的電弧能量均值和熔焊力均值對(duì)比見(jiàn)圖5，由圖5可知，與不含添加劑的觸頭材料相比，含添加劑CuO或TeO2的兩種觸頭材料熔焊力均值和電弧能量均值更低。

圖5 電弧能量均值和熔焊力均值對(duì)比圖

繼電器失效常發(fā)生于其服役早期，以含添加劑TeO2的AgSnO2In2O3觸頭材料為例，檢測(cè)了該材料前5000次熔焊力，具體見(jiàn)圖6，由圖6可知，前5000次所有熔焊力的值都小于最大分?jǐn)嗔?.3 N，因此該材料不易發(fā)生早期失效。

圖6 含TeO2的觸頭材料前5000次熔焊力分布圖

燃弧時(shí)間是評(píng)價(jià)觸頭材料耐電弧燒蝕的重要參數(shù)，本研究比較了這3種材料在2萬(wàn)次和4萬(wàn)次試驗(yàn)的燃弧時(shí)間均值，其柱狀圖見(jiàn)圖7。由圖7可知，3種觸頭材料燃弧時(shí)間非常接近，即添加劑對(duì)觸頭材料的燃弧時(shí)間影響不明顯。

圖7 燃弧時(shí)間柱狀圖

3 試驗(yàn)后觸頭材料分析

3.1 試驗(yàn)后觸頭形貌

3種材料2萬(wàn)次試驗(yàn)后觸頭的形貌見(jiàn)表4。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，與不含添加劑的觸頭材料相比，含添加劑TeO2或CuO的觸頭周?chē)w濺物更多。

表4 2萬(wàn)次試驗(yàn)后觸頭形貌

使用掃描電鏡拍攝了4萬(wàn)次試驗(yàn)后觸頭的SEM形貌，其形貌圖見(jiàn)表5。由表5可知，試驗(yàn)后不含添加劑的AgSnO2In2O3觸頭材料表面相對(duì)平整，而含添加劑CuO或TeO2的觸頭材料表面分別存在裂紋和孔洞。

表5 4萬(wàn)次試驗(yàn)后SEM形貌

3.2 試驗(yàn)后觸頭金相組織

電弧作用于觸頭表面，接觸點(diǎn)的觸頭材料在電弧熱的作用下呈熔融狀態(tài)，并受到洛侖磁力、電場(chǎng)力和自身重力的作用，所以材料出現(xiàn)了不同的組織和侵蝕形貌。2萬(wàn)次和4萬(wàn)次試驗(yàn)后觸頭的金相圖片分別見(jiàn)表6和表7。由表6和表7可知，不含添加劑的AgSnO2In2O3觸頭表面材料在試驗(yàn)后出現(xiàn)了明顯的Ag聚集和SnO2聚集；而含添加劑CuO或TeO2的兩種觸頭材料聚集程度相對(duì)較輕，即添加劑一定程度上減弱了觸頭材料的聚集。

表6 2萬(wàn)次試驗(yàn)后觸頭的金相圖片

表7 4萬(wàn)次試驗(yàn)后金相圖片

4 結(jié)論

在本研究設(shè)定的試驗(yàn)條件下，采用模擬繼電器試驗(yàn)設(shè)備測(cè)試不含添加劑的AgSnO2In2O3材料、含添加劑CuO或TeO2材料的電性能，得到如下結(jié)論。

（1）與不含添加劑的AgSnO2In2O3材料相比，添加劑CuO對(duì)材料的電壽命影響不大，而添加劑TeO2明顯提高了材料的電壽命。

（2）含添加劑TeO2或CuO的兩種觸頭材料質(zhì)量侵蝕率比不含添加劑的觸頭材料的侵蝕率大。

（3）含添加劑TeO2或CuO的兩種觸頭材料熔焊力和電弧能量比不含添加劑的觸頭材料的低。

（4）添加劑TeO2或CuO可在一定程度上減弱AgSnO2In2O3觸頭材料在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的Ag聚集和SnO2聚集。