银基非对称配对触点在密封继电器中的应用研究

银基非对称配对触点在密封继电器中的应用研究

张朝权,陶柳

贵州航天电器股份有限公司 贵州贵阳 550009

摘要：本文描述继电器寿命试验过程中出现金属转移析出及熔焊现象，通过对金属转移析出及熔焊现象进行了理论分析，确定了非对称配对触点的验证技术路线，得出了非对称配对触点抗熔焊性优于对称配对触点；触点的抗熔焊性主要取决于动触点，静触点影响很小；AgNi10和AgNi15在大电流下的抗熔焊性不如Ag(SnO2)12； Ag(SnO2)12（动触点）- AgNi15（静触点）配对为28Vd.c. 5A额定负载比较理想的触点组合的结论。

主题词：银基； 非对称； 触点；继电器；

1 前言

我公司28Vd.c.5A额定负载继电器动、静触点材料均为AgNi15，存在的问题是在+85℃及+125℃环境下进行寿命试验，试验至寿命试验后期，继电器开始出现失效，对寿命失效产品进行拆壳，发现部分组动、静触点已严重烧蚀粘接，见图1；大多数动触点上存在很多晶体状金属颗粒，并且在产品衔铁与轭铁之间也存在许多类似的金属颗粒，见图2及图3。对金属颗粒进行成分分析，主要成分为Ni。该问题严重影响该系列继电器产品质量。

图1 触点寿命失效图片

图2 触点寿命失效图片                                   图3 衔铁间金属颗粒

2 失效机理分析

由于寿命试验中继电器动作时电弧对触点的热力作用及转换过程中的机械作用，产生的电接触现象有接触电阻的变化、触点材料的温升和转移、触点侵蚀和熔焊等。该类电接触现象存在于电接触的产生、维持和消除等过程，一般伴随着电弧（等离子体）的产生和熄灭，又称为有弧电接触（arc contact）。寿命失效实际上就是两导体（触点材料）接触界面间及触点材料与电弧发生的交互作用过程中产生的接触电阻升高、温升加剧、材料转移、熔焊及电侵蚀和转移等导致继电器不能正常动作的现象。

2.1触点材料的温升

触点材料的温升是指触点闭合状态时触点间接触电阻引起的焦耳热使触点局部区域温度升高的现象。

触点材料一般为正电阻温度系数，随着温度的升高，接触电阻进一步升高，其焦耳热增大，导致材料氧化甚至局部熔化，使触点发生静熔焊现象。有时还会使触点分离初期液态金属桥体积增加，液桥转移量增大。

触点材料温升的影响因素主要有：负载类型及大小；触点材料间的接触电阻；触点热交换环境等。在负载及热交换环境确定之后，触点间的接触电阻是最为关键的因素。电弧重复作用于触点表面产生的侵蚀导致触点材料表面形貌和组织成分的改变是接触电阻升高的根本原因。表面形貌变化则包括在材料熔化、喷溅、熔液流动、蒸发、汽化及凝固过程中产生的触点表面微裂纹、气体喷发坑、孔洞、沟壑等；表面组织成分变化是指电弧熔池产生的高熔点第二相粒子的漂浮、沉降和富集、基体材料组元微区富集、表面膜污染等。

2.2触点材料的转移[1]

触点材料的转移主要有两种形式：一、桥转移。因液态金属桥温度分布不对称，最终造成桥拉断时材料由一极转向另一极。如图4所示。二、电弧转移。电弧的高温使触点表面材料熔化或气化，在强电流下猛烈的气化和电动力作用下，使熔化金属成滴状喷出而损失。

图4 桥转移示意图

触点工作过程中各种热力因素的不对称是产生材料转移的主要原因，这些不对称包括：产生的或输入的热能不对称、作用力不对称、电极热特性不对称、触点材料的不对称、触点尺寸和形状不对称、力学特性不对称、冷却条件不对称、外力作用不对称。

2.3触点材料的电弧侵蚀[2]

触点材料的电弧侵蚀是指电弧的热–力作用使触点材料以蒸发、液体喷溅、固态脱落等形式引起的材料损失。电弧侵蚀是触点材料耗损的主要形式。电弧侵蚀作用与负载特性、触点运动速度、触点间隙及环境气氛有关。而触点材料对所输入电弧热–力作用的响应则决定于材料的成分、组织结构及理化性能。电弧侵蚀有两种主要形式：汽化蒸发。在电弧能量的作用下，触点表面层材料发生固–液及液–气相变，以蒸发的形式脱离触点；液态喷溅。在电弧能量的作用下，触点表面微区熔化形成液池，液池内的金属液体在各种力的作用下，以微小液滴的形式飞溅离开触点。

尽管电弧侵蚀过程及机理极其复杂，但可以简化为高能密度热量短时作用于触点表面层的过程。触点材料电弧的热–力作用及以后的物理冶金过程主要为快速加热（软化）–相变（熔化、汽化）–流动–凝固等几个阶段。与单相均质触点材料相比，多组元触点材料因其成分和组织结构的多元化使其加热与冷却过程及流体力学特性呈现完全不同的结果。

2.4触点的粘着与熔焊

粘着是指触点接触面发生粘附致使触点断开困难的现象。粘附则是指表面清洁的两触点金属表面原子非常靠近时由于热和压力的共同作用发生短程扩散而结合的现象。触点的粘着与温度、压力、真实接触面积、表面膜性质、材料的变形抗力等有关。

触点的熔焊是指由于电弧放电和焦耳热的影响，致使触点熔化、凝结，造成触点不能正常断开的现象。根据形成原因不同，分为静熔焊和动熔焊两种。

静熔焊指由接触电阻的发热使导电斑点及其附近的金属熔化、结合而不能断开的现象。触点处于闭合状态承载电流时，由于接触电阻的存在，使导电斑点区域有更多的电能转化为热能，引起导电斑点区域的触点材料温度明显升高，当温度达到触点材料的软化温度时，由于接触部位的应力集中，产生塑性变形，加剧触点表面材料间的原子相互短程扩散和结合。当温度达到触点材料的熔化温度时，则引起触点熔化、结合，即发生所谓的静熔焊。假设熔焊处的抗拉强度与触点材料的抗拉强度相等，则熔焊力取决于载流接触面积和触点材料的抗拉强度的大小，即

式中，F为熔焊力，σ为材料抗拉强度，A为载流接触面积。

动熔焊通常发生于闭合过程或断开过程，其热量来自于电弧对触点瞬时集中的热流输入。在闭合过程中，初始电弧和弹跳电弧使触点局部熔化。触点闭合后，熔化的金属冷却凝固，触点间有可能发生冶金结合。在此过程中，关键因素是弹跳电弧的存在，由触点弹跳引发较长时间的燃弧足以使触点材料微区熔化。在断开过程中，触点间电弧也会使触点在弧根区域熔化，当触点再次闭合时，熔化的触点结合。在此过程中触点断开速度是控制分断燃弧时间的关键。如果分断力不能使结合在一起的触点分离，则发生熔焊。由于上述熔焊现象发生于闭合和断开的动作过程，故称之为动熔焊。

2.5小结

综述所述，当电弧作用在触点表面上，产生瞬时而集中的热流输入时，触点表层将发生快速相变，即在极短的时间内发生熔化或气化过程，包括固态到液态、液态到气态的转变，甚至从固态直接到气态的相变。随着电弧的熄灭，触点表面迅速冷却，发生凝固过程，即从液态到固态的转变。金属转移现象发生在触点断开过程中还没有分离之前，金属导电的最后一个瞬间接触面很小，此时其压力下降，接触电阻上升引起高温，导致金属熔化和沸腾，使触点金属局部熔化，当两个触点逐渐分开时，熔化的金属就形成金属液桥。液桥现象也发生在触点闭合过程，即触点刚刚开始接触的时候，由于高密度电流可能引起金属熔化，并可能沸腾。之后，将立即形成强大的电子发射源和强大的带正电的离子化金属蒸发源，在电弧中的能量损耗是决定燃弧过程中金属转移量的主要因素。如果动、静触点间隙较大，电弧熄灭产生的固态颗粒小于触点间隙，则会出现金属转移；如果动、静触点间隙较小，电弧熄灭产生的固态颗粒大于触点间隙，则导致触点之间的动熔焊，与我公司继电器失效模式相吻合。

3．拟采取的技术措施路线

从触点材料转移，触点熔焊产生机理即电弧热力对触点的作用来看，提高触点材料抗熔焊性的主要方法有三个：一是采用电阻率小、抗拉强度小和融化温度高的材料；二是加入少量其它元素，在熔焊面形成脆性相；三是动、静触点采用不同材料，即采用非对称配对触点。对AgCdO12、AgCdO15、AgNi10、AgNi15及Ag(SnO2)12等材料分别进行不对称配对验证，验证方案见表1。

表1 试验验证方案

4．试验验证情况

结合四种配对触点的试验数据，得出+125℃、+85℃及+25℃温度条件下的寿命曲线，见下图。

图5 各温度条件下寿命曲线

结合理论分析及试验数据可以得出如下结论：非对称配对触点抗熔焊性优于对称配对触点；触点的抗熔焊性主要取决于动触点，静触点影响很小；AgNi10和AgNi15在大电流下的抗熔焊性不如Ag(SnO2)12； Ag(SnO2)12（动触点）- AgNi15（静触点）配对为28Vd.c. 5A额定负载比较理想的触点组合。

5．结束语

本文通过对某系列继电器寿命试验过程中出现的金属转移析出及触点熔焊现象进行理论分析，确定了非对称配对触点的技术验证路线，通过对AgCdO12- AgCdO15、AgNi10- AgNi15、Ag(SnO2)12- AgNi10及AgNi10-Ag(SnO2)12触点配对试验验证，得出Ag(SnO2)12- AgNi10触点配对为28Vd.c. 5A额定负载的理想触点组合，继电器能满足100000次寿命要求，试验后触点无晶体析出现象，较前期动、静触点均为AgNi15材料相比，大大提高了寿命次数，并且成功应用于批生产中，进而使整个工作得以闭环。希望本文能够为类似大功率继电器寿命失效故障提供参考。

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