高牌号银氧化锡触头材料在交流接触器中的应用研究

肖体锋, 王 剑, 朱映平, 胡钰佳

(浙江正泰电器股份有限公司, 浙江 乐清 325600)

0 引 言

交流接触器是工业控制领域配电网中的重要组成元器件,承担着各类供电电路的远距离通断、频繁起动和控制交流电动机的作用[1]。

作为交流接触器的核心部件,触点主要担负着接通、分断电路及负载电流的任务,其性能好坏直接影响开关电器的可靠性、开断容量、使用寿命和稳定性。作为触头部件的关键核心材料,AgNi、AgSnO2、AgCdO等触点材料已经在不同电流等级(6～2 000 A)的交流接触器上得到大量应用。其中,AgNi材料受自身性能限制,主要作为铆钉触头,一般仅适用于电流25 A以下;AgCdO材料,如AgCdO(12)、AgCdO(15)、AgCdO(17),其工艺技术、应用已趋于成熟,但由于镉蒸气有毒性且受欧盟《报废电子电器设备指令》(WEEE)和《关于在电子电器设备中限制使用某些有害物质的指令》(RoHS)两项指令的影响,而限制其进一步应用[2-4]。

对此,国内外众多研究学者对最有望替代AgCdO材料的理想材料AgSnO2开展了大量研究[5-6]。张国庆[7]以粉为原料,采用工艺制备了显微组织结构均匀、力学性能和加工性能良好的电接触材料,通过研究球磨过程中复合粉体的结构变化,考察了工艺的作用机理。文献[8]最先将化学共沉淀法用于电接触材料的制备,将预先制备好的粉末与含银的溶液(通常是销酸银溶液)混合,借助于异相成核进行化学还原反应,使银附着在颗粒上,复合粉末经过滤、洗漆、烘干后再用粉末冶金法进行加工成型。制备出的材料弥散均匀分布,电性能良好。昆明理工大学课題组[9]釆用反应合成法原位合成电接触材料,制备出的电接触材料具有良好的力学性能,较小的电阻率和优良的电寿命性能,可在变形量小的条件下进行冷加工。

但是,目前AgSnO2触点材料在贵金属用量成本与接触温升高、电寿命服役循环寿命短等性能两者关系方面仍然难以兼顾。

已有资料表明,目前电工行业中各大触头材料厂商希望能够在稳定AgSnO2的触头材料物理性能、电寿命服役性能的同时进一步降低贵金属用量成本。这表明,高牌号AgSnO2触头材料的应用将成为未来发展的必然趋势。

为此,本文采用内氧化法与预氧化法制备了系列高牌号AgSnO2、AgCdO触头材料,对比分析了高牌号AgSnO2与AgCdO材料的物理性能及其微观组织,同时在不同电流等级的交流接触器上开展了电寿命服役循环寿命、接触温升等性能评价,并探究其电寿命失效微观机制。

1 实验内容

1.1 实验原料与主要设备

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

设备:100 kg熔炼炉、50 kg雾化机、2 000 T挤压机、550复合轧机、60 T冲床、高压内氧化炉。

电寿命试验设备型号:ZY2000数据采集系统;测试方法参照IEC 60947-4-1:2018。

AC4电寿命测试条件和参数如表1所示。

表1 AC4电寿命测试条件和参数

1.2 AgMeO触头材料的制备

1.2.1 AgCdO触头材料的内氧化法与预氧化法制备

(1) AgCdO(I.O.):采用内氧化工艺(I.O.)制备了系列AgCdO(I.O.)触头材料。具体工艺流程:熔炼→车削→挤压→表面处理→热轧复银→冷轧→退火→冲制→内氧化→表面处理→点检→成品。

(2) AgCdO(ASE):采用预氧化工艺(ASE)制备了系列AgCdO(ASE)触头材料。预氧化工艺(ASE)主要工艺流程:雾化→粉体氧化→等静压→烧结→挤压复银→热轧→退火→冷轧→冲制→表面处理→点检→成品。

1.2.2 AgSnO2触头材料的预氧化法制备

AgSnO2(ASE):采用预氧化工艺(ASE)制备了系列AgSnO2(ASE)触头材料。预氧化工艺(ASE)主要工艺流程:雾化→粉体氧化→等静压→烧结→挤压复银→热轧→退火→冷轧→冲制→表面处理→点检→成品。

所有工艺制备动触头和静触头尺寸都相同,具体如下:

(1) 32 A接触器,动触头尺寸φ5.5 mm×1.5 mm;静触头尺寸φ5.5 mm×1.2 mm。

(2) 95 A接触器,动触头尺寸φ10.0 mm×2.0 mm;静触头尺寸φ10.0 mm×1.8 mm。

2 试验研究

采用光学显微镜(OM)观察触头表面金相显微组织;采用硬度检测仪测试触头材料硬度;采用扫描电子显微镜(SEM)观察触头侵蚀表面微观形貌分析、采用电寿命试验设备进行装机AC4测试分析。

2.1 高牌号AgMeO材料的物理性能研究

2.1.1 高牌号AgCdO触头材料

对比研究内氧化和预氧化两种制备工艺、不同CdO含量的物理性能,结果表明随着氧化物含量增加,AgCdO硬度和电阻率逐渐升高,而密度逐渐降低,相同氧化物含量,不同工艺,其物理性能明显不同。AgCdO触头材料物理性能曲线如图1所示;AgCdO触头材料金相组织照片如图2所示。由图2可知,随着氧化物含量增加,组织结构更加均匀,且氧化物颗粒尺寸也更加细腻。

图1 AgCdO触头材料物理性能曲线

图2 AgCdO触头材料金相组织照片

2.1.2 高牌号Ag/SnO2触头材料

对比研究预氧化法制备不同SnO2含量配比的物理性能,结果表明电阻率随着氧化物含量增加而变化趋势与AgCdO(预氧化)材料基本相近,但是相同氧化物含量,AgSnO2硬度明显比AgCdO要高。AgSnO2触头材料物理性能曲线如图3所示;AgSnO2触头材料金相组织照片如图4所示。由图4可知,两种不同氧化物含量触头,组织都比较均匀,氧化物颗粒分布一致,颗粒比较细腻。

图3 AgSnO2触头材料物理性能曲线

图4 AgSnO2触头材料金相组织照片

2.2 高牌号AgMeO触头材料的型式试验

分别在电流规格32 A和95 A的某交流接触器上,采用预氧化工艺AgSnO2(15)触头材料,替代内氧化工艺AgCdO(15)和AgCdO(12)触头材料(32 A规格同时进行了触头体积小型化设计,以提升经济适应性),进行了AC4(不降容)类别下电寿命试验测试验证。

(1) AC 32 A型交流接触器:将不同工艺制备AgCdO(15)触头和预氧化AgSnO2(12)装配CJX2-32型接触器,进行寿命测试和温升测试。CJX2-32接触器AC4测试条件如表2所示。

采用AgSnO2触头的产品寿命达到3.7万次以上,电寿命平均相对于传统内氧化AgCdO(15)(I.O.)值提升了20%,比预氧化AgCdO(15)寿命提升一倍。CJX2-32接触器不同触头材料AC4电寿命测试次数如表3所示;CJX2-32接触器不同触头材料温升测试数据如表4所示。由表4可知,采用AgSnO2(15)触头材料温升表现比较优异,而内氧化AgCdO(15)温升最高。

表2 CJX2-32接触器AC4测试条件

表3 CJX2-32接触器不同触头材料AC4电寿命测试次数

表4 CJX2-32接触器不同触头材料温升测试数据

(2) CJX2-95A型交流接触器:将3种触头材料装配于CJX2-95接触器进行AC4电寿命和温升测试。CJX2-95接触器不同触头材料AC4电寿命测试次数如表5所示;CJX2-95接触器不同触头材料温升测试数据表6所示。结果表明无论是AC4电寿命测试,还是温升测试,AgSnO2(15)都优于采用两种工艺制备AgCdO触头。

表5 CJX2-95接触器不同触头材料AC4电寿命测试次数

表6 CJX2-95接触器不同触头材料温升测试数据

2.3 电寿命失效微观机制探究

将两款产品的电弧侵蚀形貌以及成分EDS分析,进行微结构失效分析。

2.3.1 32 A型交流接触器失效微观分析

32 A型交流接触器失效AgSnO2(15)动触头试验微观分析如图5所示;32 A型交流接触器失效AgSnO2(15)静触头试验微观分析如图6所示。AgSnO2(15)动触头试验后,残留厚度0.86 mm;AgSnO2(15)静触头试验后,残留厚度0.80 mm。

图5 32 A型交流接触器失效AgSnO2(15)动触头试验微观分析

2.3.2 95 A型交流接触器失效微观分析

95 A型交流接触器失效AgSnO2(15)动触头试验微观分析如图7所示;95 A型交流接触器失效AgSnO2(15)静触头试验微观分析如图8所示。AgSnO2(15)动触头试验后,残留厚度占总厚度32%;AgSnO2(15)静触头试验后,残留厚度占总厚度35%。

图6 32 A型交流接触器失效AgSnO2(15)静触头试验微观分析

图7 95 A型交流接触器失效AgSnO2(15)动触头试验微观分析

图8 95 A型交流接触器失效AgSnO2(15)静触头试验微观分析

AgSnO2(15)动触头试验后SEM触头表面照片如图9所示;AgSnO2(15)静触头试验后SEM触头表面照片如图10所示。

图9 AgSnO2(15)动触头试验后SEM触头表面照片

图10 AgSnO2(15)静触头试验后SEM触头表面照片

在经过AC4电寿命测试后,无论是小电流等级32 A,还是较大电流95 A,触头表面都有大量的银聚集,同时也存在大量的微裂纹。这是由于AgSnO2材料在电弧作用下,基体因熔化而产生流动汇集在一起,形成熔池,基体与SnO2之间的界面润湿性较差,熔池中的颗粒发生团聚,而导致局部的纯银区形成。富区在电弧和机械力作用下容易产生流动和喷戮,导致材料损耗加速,最终导致产品发生失效。同时,由图9和图10可见,触头表面也存在大量裂纹和熔池,由于基体Ag与SnO2之间物理性能差异较大,界面润湿性较差,极易产生热应力,在反复的熔化、凝固热冷循环作用下,材料表面组织变得疏松,进而形成大量的热应力裂纹[10]。

3 小 结

(1) 相较于目前主流的AgSnO2(12)材料,Ag含量高牌号材料(如AgSnO2(15)),其银含量更低(化学成分含量降低3%),在采用同样制备工艺的前提下,材料成本更具优势。

(2) 高牌号银氧化锡触头从材料性能、测试验证情况等方面分析对比,对交流接触器的性能有一定的提升;随着其制造工艺的趋于成熟,稳定性的进一步提升,同时加上其显著的经济优势,在交流接触器中应用将更为广泛。

4 结 语

本文介绍了高牌号银氧化锡触头材料的制备工艺、材料性能等,通过理论分析及试验验证,充分解析了其在交流接触器中应用的可行性,为交流接触器的设计开发、产品性能的提升和改进提供重要参考依据。