高牌號(hào)銀氧化錫觸頭材料在交流接觸器中的應(yīng)用研究

肖體鋒, 王 劍, 朱映平, 胡鈺佳

(浙江正泰電器股份有限公司, 浙江 樂(lè)清 325600)

0 引 言

交流接觸器是工業(yè)控制領(lǐng)域配電網(wǎng)中的重要組成元器件,承擔(dān)著各類供電電路的遠(yuǎn)距離通斷、頻繁起動(dòng)和控制交流電動(dòng)機(jī)的作用[1]。

作為交流接觸器的核心部件,觸點(diǎn)主要擔(dān)負(fù)著接通、分?jǐn)嚯娐芳柏?fù)載電流的任務(wù),其性能好壞直接影響開(kāi)關(guān)電器的可靠性、開(kāi)斷容量、使用壽命和穩(wěn)定性。作為觸頭部件的關(guān)鍵核心材料,AgNi、AgSnO2、AgCdO等觸點(diǎn)材料已經(jīng)在不同電流等級(jí)(6～2 000 A)的交流接觸器上得到大量應(yīng)用。其中,AgNi材料受自身性能限制,主要作為鉚釘觸頭,一般僅適用于電流25 A以下;AgCdO材料,如AgCdO(12)、AgCdO(15)、AgCdO(17),其工藝技術(shù)、應(yīng)用已趨于成熟,但由于鎘蒸氣有毒性且受歐盟《報(bào)廢電子電器設(shè)備指令》(WEEE)和《關(guān)于在電子電器設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)的指令》(RoHS)兩項(xiàng)指令的影響,而限制其進(jìn)一步應(yīng)用[2-4]。

對(duì)此,國(guó)內(nèi)外眾多研究學(xué)者對(duì)最有望替代AgCdO材料的理想材料AgSnO2開(kāi)展了大量研究[5-6]。張國(guó)慶[7]以粉為原料,采用工藝制備了顯微組織結(jié)構(gòu)均勻、力學(xué)性能和加工性能良好的電接觸材料,通過(guò)研究球磨過(guò)程中復(fù)合粉體的結(jié)構(gòu)變化,考察了工藝的作用機(jī)理。文獻(xiàn)[8]最先將化學(xué)共沉淀法用于電接觸材料的制備,將預(yù)先制備好的粉末與含銀的溶液(通常是銷酸銀溶液)混合,借助于異相成核進(jìn)行化學(xué)還原反應(yīng),使銀附著在顆粒上,復(fù)合粉末經(jīng)過(guò)濾、洗漆、烘干后再用粉末冶金法進(jìn)行加工成型。制備出的材料彌散均勻分布,電性能良好。昆明理工大學(xué)課題組[9]釆用反應(yīng)合成法原位合成電接觸材料,制備出的電接觸材料具有良好的力學(xué)性能,較小的電阻率和優(yōu)良的電壽命性能,可在變形量小的條件下進(jìn)行冷加工。

但是,目前AgSnO2觸點(diǎn)材料在貴金屬用量成本與接觸溫升高、電壽命服役循環(huán)壽命短等性能兩者關(guān)系方面仍然難以兼顧。

已有資料表明,目前電工行業(yè)中各大觸頭材料廠商希望能夠在穩(wěn)定AgSnO2的觸頭材料物理性能、電壽命服役性能的同時(shí)進(jìn)一步降低貴金屬用量成本。這表明,高牌號(hào)AgSnO2觸頭材料的應(yīng)用將成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

為此,本文采用內(nèi)氧化法與預(yù)氧化法制備了系列高牌號(hào)AgSnO2、AgCdO觸頭材料,對(duì)比分析了高牌號(hào)AgSnO2與AgCdO材料的物理性能及其微觀組織,同時(shí)在不同電流等級(jí)的交流接觸器上開(kāi)展了電壽命服役循環(huán)壽命、接觸溫升等性能評(píng)價(jià),并探究其電壽命失效微觀機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與主要設(shè)備

原料:Ag 板(純度99.99%)、Sn板(純度99.9%)、In板(純度99.9%)、Cd板(純度99.9%)、Ni板(純度99.9%)。

設(shè)備:100 kg熔煉爐、50 kg霧化機(jī)、2 000 T擠壓機(jī)、550復(fù)合軋機(jī)、60 T沖床、高壓內(nèi)氧化爐。

電壽命試驗(yàn)設(shè)備型號(hào):ZY2000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);測(cè)試方法參照IEC 60947-4-1:2018。

AC4電壽命測(cè)試條件和參數(shù)如表1所示。

表1 AC4電壽命測(cè)試條件和參數(shù)

1.2 AgMeO觸頭材料的制備

1.2.1 AgCdO觸頭材料的內(nèi)氧化法與預(yù)氧化法制備

(1) AgCdO(I.O.):采用內(nèi)氧化工藝(I.O.)制備了系列AgCdO(I.O.)觸頭材料。具體工藝流程:熔煉→車(chē)削→擠壓→表面處理→熱軋復(fù)銀→冷軋→退火→沖制→內(nèi)氧化→表面處理→點(diǎn)檢→成品。

(2) AgCdO(ASE):采用預(yù)氧化工藝(ASE)制備了系列AgCdO(ASE)觸頭材料。預(yù)氧化工藝(ASE)主要工藝流程:霧化→粉體氧化→等靜壓→燒結(jié)→擠壓復(fù)銀→熱軋→退火→冷軋→沖制→表面處理→點(diǎn)檢→成品。

1.2.2 AgSnO2觸頭材料的預(yù)氧化法制備

AgSnO2(ASE):采用預(yù)氧化工藝(ASE)制備了系列AgSnO2(ASE)觸頭材料。預(yù)氧化工藝(ASE)主要工藝流程:霧化→粉體氧化→等靜壓→燒結(jié)→擠壓復(fù)銀→熱軋→退火→冷軋→沖制→表面處理→點(diǎn)檢→成品。

所有工藝制備動(dòng)觸頭和靜觸頭尺寸都相同,具體如下:

(1) 32 A接觸器,動(dòng)觸頭尺寸φ5.5 mm×1.5 mm;靜觸頭尺寸φ5.5 mm×1.2 mm。

(2) 95 A接觸器,動(dòng)觸頭尺寸φ10.0 mm×2.0 mm;靜觸頭尺寸φ10.0 mm×1.8 mm。

2 試驗(yàn)研究

采用光學(xué)顯微鏡(OM)觀察觸頭表面金相顯微組織;采用硬度檢測(cè)儀測(cè)試觸頭材料硬度;采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察觸頭侵蝕表面微觀形貌分析、采用電壽命試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行裝機(jī)AC4測(cè)試分析。

2.1 高牌號(hào)AgMeO材料的物理性能研究

2.1.1 高牌號(hào)AgCdO觸頭材料

對(duì)比研究?jī)?nèi)氧化和預(yù)氧化兩種制備工藝、不同CdO含量的物理性能,結(jié)果表明隨著氧化物含量增加,AgCdO硬度和電阻率逐漸升高,而密度逐漸降低,相同氧化物含量,不同工藝,其物理性能明顯不同。AgCdO觸頭材料物理性能曲線如圖1所示;AgCdO觸頭材料金相組織照片如圖2所示。由圖2可知,隨著氧化物含量增加,組織結(jié)構(gòu)更加均勻,且氧化物顆粒尺寸也更加細(xì)膩。

圖1 AgCdO觸頭材料物理性能曲線

圖2 AgCdO觸頭材料金相組織照片

2.1.2 高牌號(hào)Ag/SnO2觸頭材料

對(duì)比研究預(yù)氧化法制備不同SnO2含量配比的物理性能,結(jié)果表明電阻率隨著氧化物含量增加而變化趨勢(shì)與AgCdO(預(yù)氧化)材料基本相近,但是相同氧化物含量,AgSnO2硬度明顯比AgCdO要高。AgSnO2觸頭材料物理性能曲線如圖3所示;AgSnO2觸頭材料金相組織照片如圖4所示。由圖4可知,兩種不同氧化物含量觸頭,組織都比較均勻,氧化物顆粒分布一致,顆粒比較細(xì)膩。

圖3 AgSnO2觸頭材料物理性能曲線

圖4 AgSnO2觸頭材料金相組織照片

2.2 高牌號(hào)AgMeO觸頭材料的型式試驗(yàn)

分別在電流規(guī)格32 A和95 A的某交流接觸器上,采用預(yù)氧化工藝AgSnO2(15)觸頭材料,替代內(nèi)氧化工藝AgCdO(15)和AgCdO(12)觸頭材料(32 A規(guī)格同時(shí)進(jìn)行了觸頭體積小型化設(shè)計(jì),以提升經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性),進(jìn)行了AC4(不降容)類別下電壽命試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證。

(1) AC 32 A型交流接觸器:將不同工藝制備AgCdO(15)觸頭和預(yù)氧化AgSnO2(12)裝配CJX2-32型接觸器,進(jìn)行壽命測(cè)試和溫升測(cè)試。CJX2-32接觸器AC4測(cè)試條件如表2所示。

采用AgSnO2觸頭的產(chǎn)品壽命達(dá)到3.7萬(wàn)次以上,電壽命平均相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)氧化AgCdO(15)(I.O.)值提升了20%,比預(yù)氧化AgCdO(15)壽命提升一倍。CJX2-32接觸器不同觸頭材料AC4電壽命測(cè)試次數(shù)如表3所示;CJX2-32接觸器不同觸頭材料溫升測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可知,采用AgSnO2(15)觸頭材料溫升表現(xiàn)比較優(yōu)異,而內(nèi)氧化AgCdO(15)溫升最高。

表2 CJX2-32接觸器AC4測(cè)試條件

表3 CJX2-32接觸器不同觸頭材料AC4電壽命測(cè)試次數(shù)

表4 CJX2-32接觸器不同觸頭材料溫升測(cè)試數(shù)據(jù)

(2) CJX2-95A型交流接觸器:將3種觸頭材料裝配于CJX2-95接觸器進(jìn)行AC4電壽命和溫升測(cè)試。CJX2-95接觸器不同觸頭材料AC4電壽命測(cè)試次數(shù)如表5所示;CJX2-95接觸器不同觸頭材料溫升測(cè)試數(shù)據(jù)表6所示。結(jié)果表明無(wú)論是AC4電壽命測(cè)試,還是溫升測(cè)試,AgSnO2(15)都優(yōu)于采用兩種工藝制備AgCdO觸頭。

表5 CJX2-95接觸器不同觸頭材料AC4電壽命測(cè)試次數(shù)

表6 CJX2-95接觸器不同觸頭材料溫升測(cè)試數(shù)據(jù)

2.3 電壽命失效微觀機(jī)制探究

將兩款產(chǎn)品的電弧侵蝕形貌以及成分EDS分析,進(jìn)行微結(jié)構(gòu)失效分析。

2.3.1 32 A型交流接觸器失效微觀分析

32 A型交流接觸器失效AgSnO2(15)動(dòng)觸頭試驗(yàn)微觀分析如圖5所示;32 A型交流接觸器失效AgSnO2(15)靜觸頭試驗(yàn)微觀分析如圖6所示。AgSnO2(15)動(dòng)觸頭試驗(yàn)后,殘留厚度0.86 mm;AgSnO2(15)靜觸頭試驗(yàn)后,殘留厚度0.80 mm。

圖5 32 A型交流接觸器失效AgSnO2(15)動(dòng)觸頭試驗(yàn)微觀分析

2.3.2 95 A型交流接觸器失效微觀分析

95 A型交流接觸器失效AgSnO2(15)動(dòng)觸頭試驗(yàn)微觀分析如圖7所示;95 A型交流接觸器失效AgSnO2(15)靜觸頭試驗(yàn)微觀分析如圖8所示。AgSnO2(15)動(dòng)觸頭試驗(yàn)后,殘留厚度占總厚度32%;AgSnO2(15)靜觸頭試驗(yàn)后,殘留厚度占總厚度35%。

圖6 32 A型交流接觸器失效AgSnO2(15)靜觸頭試驗(yàn)微觀分析

圖7 95 A型交流接觸器失效AgSnO2(15)動(dòng)觸頭試驗(yàn)微觀分析

圖8 95 A型交流接觸器失效AgSnO2(15)靜觸頭試驗(yàn)微觀分析

AgSnO2(15)動(dòng)觸頭試驗(yàn)后SEM觸頭表面照片如圖9所示;AgSnO2(15)靜觸頭試驗(yàn)后SEM觸頭表面照片如圖10所示。

圖9 AgSnO2(15)動(dòng)觸頭試驗(yàn)后SEM觸頭表面照片

圖10 AgSnO2(15)靜觸頭試驗(yàn)后SEM觸頭表面照片

在經(jīng)過(guò)AC4電壽命測(cè)試后,無(wú)論是小電流等級(jí)32 A,還是較大電流95 A,觸頭表面都有大量的銀聚集,同時(shí)也存在大量的微裂紋。這是由于AgSnO2材料在電弧作用下,基體因熔化而產(chǎn)生流動(dòng)匯集在一起,形成熔池,基體與SnO2之間的界面潤(rùn)濕性較差,熔池中的顆粒發(fā)生團(tuán)聚,而導(dǎo)致局部的純銀區(qū)形成。富區(qū)在電弧和機(jī)械力作用下容易產(chǎn)生流動(dòng)和噴戮,導(dǎo)致材料損耗加速,最終導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生失效。同時(shí),由圖9和圖10可見(jiàn),觸頭表面也存在大量裂紋和熔池,由于基體Ag與SnO2之間物理性能差異較大,界面潤(rùn)濕性較差,極易產(chǎn)生熱應(yīng)力,在反復(fù)的熔化、凝固熱冷循環(huán)作用下,材料表面組織變得疏松,進(jìn)而形成大量的熱應(yīng)力裂紋[10]。

3 小 結(jié)

(1) 相較于目前主流的AgSnO2(12)材料,Ag含量高牌號(hào)材料(如AgSnO2(15)),其銀含量更低(化學(xué)成分含量降低3%),在采用同樣制備工藝的前提下,材料成本更具優(yōu)勢(shì)。

(2) 高牌號(hào)銀氧化錫觸頭從材料性能、測(cè)試驗(yàn)證情況等方面分析對(duì)比,對(duì)交流接觸器的性能有一定的提升;隨著其制造工藝的趨于成熟,穩(wěn)定性的進(jìn)一步提升,同時(shí)加上其顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),在交流接觸器中應(yīng)用將更為廣泛。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了高牌號(hào)銀氧化錫觸頭材料的制備工藝、材料性能等,通過(guò)理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證,充分解析了其在交流接觸器中應(yīng)用的可行性,為交流接觸器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品性能的提升和改進(jìn)提供重要參考依據(jù)。