不同添加剂对AgSnO2In2O3触头材料电性能的影响

2021-03-06李耀林陈光明蒙建洲

电工材料 2021年1期

李耀林，卢菲，陈光明，蒙建洲，黄晶

（1.桂林电器科学研究院有限公司，广西桂林 541004；2.桂林金格电工电子材料科技有限公司，广西桂林 541004）

引言

随着人工智能、信息电子、汽车控制等技术的发展，对继电器等控制元件的性能要求越来越高。触头是继电器的核心元件，其在闭合和分断过程中会产生电弧，电弧对触头材料产生的作用主要体现为触头的熔焊、电弧的侵蚀、触头的温升等。触头材料的电寿命、熔焊力、电弧能量、燃弧时间、质量侵蚀率等电性能参数是评价触头材料优劣的重要指标。AgSnO2In2O3为常见的触头材料，主要应用于中大电流等级的继电器。为改善其性能或满足其“个性化”需求，制造商往往在材料制备时添加少量添加剂。本研究通过电性能试验研究了不同添加剂对AgSnO2In2O3触头材料电性能的影响。

1 模拟继电器工作原理与试验方案

1.1 模拟继电器工作原理

本企业自制的模拟继电器试验设备可检测触头材料的电寿命、熔焊力、电弧能量、燃弧时间、质量侵蚀率等参数。模拟继电器试验设备的触头动作机构原理相对简单，具体见图1，它由电磁铁、反力弹簧、衔铁、触头等部件组成。当线圈两端施加额定电压时，铁芯被磁化，进而对衔铁产生电磁吸力，衔铁在该吸力的作用下带动触头吸合；当施加在线圈两端的电压撤消时，衔铁在反力弹簧的作用下带动触头断开，触头的吸合和断开分别实现了模拟继电器在电路中接通和分断电流的目的。

图1 模拟继电器触头动作机构原理图

1.2 触头材料信息

针对应用于中大电流继电器的AgSnO2In2O3触头材料，采用内氧化法工艺制备了不含添加剂及分别含添加剂CuO或TeO2的3种AgSnO2In2O3触头材料，成分和制造工艺见表1，通过拉拔和冷镦等工序将材料制成铆钉型触头。试验前的3种Ag-SnO2In2O3触头表面均光亮、洁净，触头材料金相组织见表2，由表2可见，3种材料的金相组织均匀，无明显差别。

表1 触头材料成分和制造工艺

表2 金相组织图片

1.3 试验方案

应用模拟继电器试验设备对不含添加剂及分别含添加剂CuO或TeO2的3种AgSnO2In2O3触头材料进行3轮不同次数的试验，试验次数分别为2万次、4万次和直至样品失效，试验参数见表3，设备检测触头材料的电寿命、熔焊力、电弧能量、燃弧时间、质量侵蚀率等电性能参数。每组试验装配6只模拟继电器，试验前对铆钉触头标号、称重，试验后对铆钉触头进行清洗、晾干和称重，并对触头进行SEM形貌和金相组织分析。

表3 试验参数

2 电性能试验数据分析

2.1 电寿命结果

3种触头材料电寿命分布见图2。由图2可知，与不含添加剂的AgSnO2In2O3触头材料相比，添加剂CuO对材料的电寿命影响不大，而添加剂TeO2明显提高了材料的电寿命。

图2 电寿命分布图

以2万次和4万次试验比较3种触头材料的质量侵蚀率（质量侵蚀率为质量总损失除以试验总次数），图3和图4分别为2万次试验和4万次试验质量侵蚀率折线图。

图3 2万次试验质量侵蚀率折线图

图4 4万次试验质量侵蚀率折线图

2.2 材料质量损失及侵蚀率

由图3和图4可知，添加剂对触头材料质量侵蚀率影响很大，含添加剂CuO或TeO2的两种触头材料侵蚀率明显大于不含添加剂的触头材料，其原因为触头接通和分断时产生电弧，热量传导至触头表面，在接触点形成熔融的金属液池，在高温下添加剂TeO2或CuO易分解产生气体，气体从熔融的金属液池中喷出并带走部分熔融的触头材料，因此，含添加剂TeO2或CuO的触头材料质量侵蚀率更大。

2.3 熔焊力、电弧能量和燃弧时间

3种触头材料的电弧能量均值和熔焊力均值对比见图5，由图5可知，与不含添加剂的触头材料相比，含添加剂CuO或TeO2的两种触头材料熔焊力均值和电弧能量均值更低。

图5 电弧能量均值和熔焊力均值对比图

继电器失效常发生于其服役早期，以含添加剂TeO2的AgSnO2In2O3触头材料为例，检测了该材料前5000次熔焊力，具体见图6，由图6可知，前5000次所有熔焊力的值都小于最大分断力0.3 N，因此该材料不易发生早期失效。

图6 含TeO2的触头材料前5000次熔焊力分布图

燃弧时间是评价触头材料耐电弧烧蚀的重要参数，本研究比较了这3种材料在2万次和4万次试验的燃弧时间均值，其柱状图见图7。由图7可知，3种触头材料燃弧时间非常接近，即添加剂对触头材料的燃弧时间影响不明显。

图7 燃弧时间柱状图

3 试验后触头材料分析

3.1 试验后触头形貌

3种材料2万次试验后触头的形貌见表4。通过对比发现，与不含添加剂的触头材料相比，含添加剂TeO2或CuO的触头周围飞溅物更多。

表4 2万次试验后触头形貌

使用扫描电镜拍摄了4万次试验后触头的SEM形貌，其形貌图见表5。由表5可知，试验后不含添加剂的AgSnO2In2O3触头材料表面相对平整，而含添加剂CuO或TeO2的触头材料表面分别存在裂纹和孔洞。

表5 4万次试验后SEM形貌

3.2 试验后触头金相组织

电弧作用于触头表面，接触点的触头材料在电弧热的作用下呈熔融状态，并受到洛仑磁力、电场力和自身重力的作用，所以材料出现了不同的组织和侵蚀形貌。2万次和4万次试验后触头的金相图片分别见表6和表7。由表6和表7可知，不含添加剂的AgSnO2In2O3触头表面材料在试验后出现了明显的Ag聚集和SnO2聚集；而含添加剂CuO或TeO2的两种触头材料聚集程度相对较轻，即添加剂一定程度上减弱了触头材料的聚集。