50Hz和 400Hz下银镍合金触头材料电弧侵蚀研究

李 靖,马志瀛,黄绍平,李建明

(1.西安交通大学电气工程学院,陕西西安 710049;2.湖南工程学院电气信息学院,湖南湘潭 411101）

50Hz和 400Hz下银镍合金触头材料电弧侵蚀研究

李 靖1,2,马志瀛1,黄绍平2,李建明2

(1.西安交通大学电气工程学院,陕西西安 710049;2.湖南工程学院电气信息学院,湖南湘潭 411101）

为研究低压、小电流、纯阻性负载下银基合金触头材料在交流 400Hz的电弧侵蚀特性,通过研制的小容量可变频 ASTM触头通断微机测试系统、SEM和 EDAX,测量与分析了 50Hz和 400Hz下触头开断过程中 AgNi、AgC和 AgW触头材料燃弧特征值,分析了 AgNi触头材料的表面形貌与微区组份,探讨了 50Hz和 400Hz两种交流频率下 AgNi合金触头材料电弧侵蚀的成因。

50Hz;400Hz;低压;小电流;银镍合金;触头材料;电弧侵蚀

1 引言

随着中频低压设备大量使用,掌握中频(如400Hz）电路通断过程中常用触头材料的电弧侵蚀特性变得十分迫切,其结论具有重要的工程价值。

AgCdO曾是低压电器使用最多的电触头材料,具有导电导热性好、接触电阻低而稳定、耐侵蚀性与抗熔焊性强等特点[1,2],但“镉毒”使其不得不被淘汰。目前,全世界都在积极寻找替代 AgCdO的最佳低压环保触头材料,其中,AgC、AgNi和 AgW是研究最多的合金材料。

本文以 CAgNi10为主要分析对象,通过研发的小容量、可变频电触头材料 ASTM触头通断微机测试系统[3],研究了 50Hz和 400Hz两种交流频率下电弧侵蚀过程中 AgNi、AgC和 AgW触头材料燃弧特征值,用 SEM和 EDAX测量与分析了 AgNi触头材料的表面形貌与微区组份,探讨了 50Hz和 400Hz两种交流频率下银镍合金触头材料电弧侵蚀的成因。

2 试验

根据低压交流小电流触头材料快速模拟电磨损试验的最佳负载为纯阻性、动静触头为非对称性配对等特点[4],本试验频率分别为 50Hz和 400Hz,电流分别为 6A、10A和 15A;非对称性配对的静触头分别为 CAgNi10、CAgW50和 CAgC4银基合金;触头表面形状为长方形或正方形,而动触头是半球形镀银铜基触头。

本文所用的 CAgNi10、CAgW50和 CAgC4静触头材料的物理现象参数如表 1所示[5]。

表 1 CAgN i10、CAgW 50和 CAgC 4材料的物理现象参数Tab.1 Parameters of physical phenomena for CAgNi10、CAgW 50 and CAgC4

3 结果与讨论

3.1 50Hz和 400Hz频率下材料燃弧特征值

触头材料的电接触物理现象包括“接触电阻、燃弧长度、燃弧能量、燃弧时间、材料转移、电侵蚀率”等[6,7]。本文利用 ASTM小容量触头材料微机测试系统完成了 CAgNi10、CAgW50和 CAgC4材料的“燃弧能量、燃弧时间、电弧长度和接触电阻”等参数的测量。表 2记录了 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数据知:① 50Hz时,CAgW50的平均燃弧能量最高,表明 CAgW50产生电弧最难;400Hz时,三者数值相近;② CAgW50、CAgNi10和 CAgC4的平均燃弧时间和平均电弧长度均较高,表示它们均有良好的抗电弧侵蚀能力。

3.2 触头材料的熔焊力

本文利用 ASTM触头材料通断试验微机测试系统测量了 50Hz和 400Hz下触头材料熔焊力。其中,10A试验电流下不同平均熔焊力的变化曲线如图 1所示,而 50Hz和 400Hz、10A时各触头材料的平均熔焊力如表 3所示。

图1 10A时各触头材料平均熔焊力的变化过程Fig.1 Changing process ofeach contactmaterial average welding force when I=10A

为反映不同材料平均熔焊力的波动情况,本文计算了“平均熔焊力的波动率”,其大小等于“熔焊力的最大值除以熔焊力的最小值”,结果如表 3所示。

表 3 50Hz和 400Hz、10A时各触头材料平均熔焊力及其波动率Tab.3 Average welding force and fluctuation rate of each contactmaterial at 50Hz and 400Hz when I=10A

其中,导致 CAgNi10平均熔焊力较大的成因是:液银在触头表面铺展不足,形成富银区,导致无法利用液银的流动抑制孔洞和裂纹发展,从而降低了分散体系粘性,使触头熔焊后的平均熔焊力较大。

根据“触头材料熔焊力越小时,抗熔焊能力越强”[8,9]及表 3数据,可知 :无论 50Hz还是 400Hz,三种银基合金触头材料按抗熔焊性由强到弱的顺序均为“CAgW50、CAgNi10、CAgC4”。

3.3 50Hz和 400Hz的 CAgNi10材料表面形貌

因篇幅所限,仅以 CAgNi10为例,介绍银基合金材料的表面形貌和微区组份,探讨 50Hz和 400Hz两种交流频率下银基合金触头材料电弧侵蚀成因。

AgNi系列触头材料因无需附加焊接用银层、工艺性优秀,同时节银高达 40%[9],因此广泛用于中小电流的交直流继电器、指令开关、接触器、光控开关、温控器及洗衣机定时器等低压电器中,是一种小容量低压电器常用的重要触头材料[10,11]。

本试验获得的 CAgNi10材料表面特殊点的能谱分别用两种能谱仪获取。50Hz和 400Hz下 CAgNi10静触头与镀银铜基动触头的整体与局部的表面形貌对照图如图 2所示。其中,(a）图是 50Hz时的 CAg-Ni10静触头与镀银铜基动触头的电镜图,(b）图是400Hz时的。

限于篇幅,试验中动触头的电镜及能谱图仅供对比参考,不予深入分析。

图 2 50Hz和 400Hz下 CAgNi10静触头与镀银铜基动触头的整体与局部的表面形貌Fig.2 Overall surfacemorphologies and local surface morphologies of CAgNi10 static contactand Ag-plated copper-based dynamic contactat 50Hz and 400Hz

对图 2形貌成因的探讨:(1）50Hz时,虽然电弧基部形成熔化金属液池,出现强烈蒸发和熔化金属溅射,材料表面出现较大黑色烧损区和富集烧结区,但 CAgNi10材料良好的导电导热性使电弧在触头表面运动性好、弧根移动迅速,热量散失快、相变区大,因此电弧的侵蚀性相对较弱[12];(2）400Hz时,因 CAgNi10材料燃弧时间较 50Hz短,弧根运动性急降,导致电弧发生停滞灼烧,虽然烧损区域相对50Hz减小,但触头表面的侵蚀相对严重;(3）尽管CAgNi10材料表面在 50Hz时的烧蚀面积超过其总表面积的 80%,约为 400Hz时的 3倍,但笔者认为,50Hz的 CAgNi10材料的抗电弧侵蚀性能仍好于400Hz的。

3.4 50Hz和 400Hz时的 CAgNi10材料能谱

本文分别用西安有色研究院的 JSM6460和长沙中南矿冶研究院的 JSM-5600LV对各个 CAgNi10试品材料进行了能谱分析。其中,50Hz与 400Hz下各能谱分析点区域的表面形貌与各能谱点的组分重量百分比(或能谱）分别如图 3和图 4所示,其中,非对称性配对的动触头资料仅供参考。

图 3 50Hz时CAgNi10能谱分析区域的表面形貌与各能谱点的组分重量百分比Fig.3 Surfacemorphologies of ES analysis area and weight%comparison of each component of CAgNi10 materialat 50Hz

图4 400Hz时 CAgNi10能谱分析区域的表面形貌与各能谱点的组分重量百分比Fig.4 Surfacemorphologies of ESanalysis area and weight%comparison of each componentof CAgNi10 material at 400Hz

结合图 1和图 2,分析图 3和图 4,可得:

(1）50Hz时,CAgNi10触头烧损区旋流痕迹和大片深色熔融区非常明显,这是因为材料熔体烧损区在电弧作用力及机械力的共同作用下快速相变,在触头表面形成许多分散的小蚀坑、凹凸以及金属液滴形成和喷溅的痕迹;此外,由于存在温度梯度和涡流效应,使得触头表面出现熔融材料的旋流痕迹和内深外浅的颜色变迁。能谱结果表明,相比非熔融区接近 80%的 Ag而言,电弧高温引起的飞溅导致熔融区的 Ag重量百分比只有 45%。

(2）400Hz时,电流二次过零时间仅 2.5ms,单位时间内电流过零次数的增多使得二次过零时间缩短、电流过零产生的游离气体大大减少,弧隙中的电弧能量大大下降。随着触头表面快速冷却,热应力影响有限,因此触头表面无明显的流动状、辐射状痕迹。Ni熔入 Ag后黏度增大,使触头接触表面呈均匀弥散分布,表面润湿性非常好。能谱显示,Ag、Cu含量较高,Ni和 C较低。根据熔焊强度等于熔焊力除以熔焊面积,观察和分析表 3和图 2中 50Hz和400Hz的触头表面平均熔焊力与烧损面积,笔者认为:400Hz下 CAgNi10抗熔焊性强于 50Hz的。

4 结束语

(1）400Hz下,第二组元不同的银基合金触头的抗电弧侵蚀能力不同。其中,CAgC4喷溅最严重,抗侵蚀性最差;CAgNi10次之;CAgW50最好。

(2）400Hz时,由于电弧集中烧蚀导致材料喷溅损失增大,从而使动静触头的实际接触面积减小。低压小电流阻性负载下,CAgNi10触头材料在 400Hz的抗熔焊性能优于 50Hz的,但抗侵蚀性却较 50Hz的差。

References）:

[1]凌国平,薛天,倪孟良,等 (Ling Guoping,Xue Tian,Ni Mengliang,et al.）.银-金属氧化物触头材料电弧侵蚀产物的研究 (Research on arc erosion products on silvermetal oxide contactsmaterials）[J].贵金属 (Precious Metals）,2008,29(3）:1-5.

[2]李靖,马志瀛 (Li Jing,Ma Zhiying）.50Hz和 400Hz低压阻性小电流电弧对 AgMeO触头电弧侵蚀的研究(Research on arc erosion of 50Hz and 400Hz AgMeO contact with LV、resistive load and small current）[J].电工电能新技术 (Adv.Tech.of Elec.Eng.＆Energy）,2009,28(3）:11-14.

[3]李靖,马志瀛,张深基,等 (Li Jing,Ma Zhiying,Zhang Shenji,etal.）.中频开关电器触头材料耐弧侵蚀试验测试系统设计 (Design of test system about arc resistence erosion trials ofmedium frequency switching device contactmaterials）[J].低压电器 (Low Voltage Apparatus）,2007,21:46-48.

[4]刘向军,费鸿俊,张仁一 (Liu Xiangjun,Fei Hongjun,Zhang Renyi）.汽车灯负载下银基触头材料熔焊性能的研究 (Welding characteristic of Ag-based contact materialunder automobile lamp load）[J].电工电能新技术(Adv.Tech.of Elec.Eng.＆Energy）,2001,20(3）:33-37.

[5]堵永国,张为军(Du Yongguo,Zhang Weijun）.常用触点材料的物理性能 [J].电工材料 (Elec.Material）,2002,(1）:35-39.

[6]A凯尔,W A默尔(A Keil,W A Merl）.电接触和电接触材料(Elec.contact and elec.contactmaterial）[M].北京:机械工业出版社 (Beijing:CMP）,1993.230-266.

[7]荣命哲 (Rong Mingzhe）.电接触理论(Elec.contact theory）[M].西安:西安交通大学出版社 (Xi'an:Xi'an Jiaotong Univ.Press）,2004.23-27.

[8]荣命哲,冯建兴,杨武 (Rong Mingzhe,Feng Jianxin,Yang Wu）.低压电器电触头材料的电弧侵蚀 (Contact arc erosion of low voltage apparatus）[J].低压电器(Low Voltage Apparatus）,1998,(1）:13-16.

[9]Chen Z.Material transfer and contact resistance deterioration in lightduty elec.contact[D].Japan:Keio Univ.,1995.

[10]黄锡文,侯月宾 (Huang Xiwen,Hou Yuebin）.常用低压触点材料电性能研究 (Research of the electrical p roperties of the contactmaterials commonly used in lowvoltage devices）[J].电工材料 (Elec.Material）,2006,(4）:26-34.

[11]吴春萍,陈敬超,周晓龙,等 (Wu Chunping,Chen Jingchao,Zhou Xiaolong,etal.）.银基电接触材料 (Silver based electric contact material）[J].云南冶金(Yunnan Metallurgy）,2005,(12）:46-51.

[12]刘向军,费鸿俊 (Liu Xiangjun,Fei Hongjun）.开关电器触头表面金属熔池的行为特征分析 (Behaviour characteristics of metallic molten bath on surface of contact in switches）[J].电工电能新技术 (Adv.Tech.of Elec.Eng.＆Energy）,2003,22(4）:40-43.

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

湖南省自然科学基金资助项目 (05JJ40068）

李 靖 (1967-）,男,湖南籍,副教授,博士研究生,研究方向为电弧与电接触;

马志瀛 (1937-）,男,上海籍,教授/博导,研究方向为新型高压开关电器理论与开发。