继电器银基触点的失效形式及防护研究

黄义隆 邓 晶 陈 欢 林道谭 张怿宁

(1.中国南方电网超高压输电公司检修试验中心，广东 广州 510670；2.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610)

电磁继电器是一种用较小电流、较低电压去控制较大电流、较高电压为主要目的的自动控制器件[1]。电磁继电器具有高灵敏度、低功耗、小体积等优点[2]，被广泛地应用于航天航空、工业自动控制及通信等领域，以完成信号传递、执行控制、系统配电等功能[3]。

触点是继电器的关键部件之一，其质量是决定继电器使用寿命的主要因素之一[4]。银基触点因其普遍具有良好的电性能，被广泛应用于各类继电器中。为保证低接触电阻及其他综合性能，继电器通常选用银基合金作为触点材料，主要包括Ag-Cu、Ag-Ni、Ag-Fe、Ag-W、Ag-Re、Ag-C、Ag-CdO、Ag-SnO2等材料。但有数据表明[5]，有30%以上的继电器故障是由于触点接触电阻增大引起的，其中触点硫化是引起触点接触不良的一个重要原因，因此探究银基触点硫化的腐蚀失效机理及防护有着重要的意义。

银基触点中Ag 易发生硫化，且生成的硫化银电阻较大，使动静触点间接触电阻增大，导致电磁继电器失效。韩春阳等[6]针对典型的银基触点材料，通过模拟研究，对比了不同材料的电性能参数，并对其失效机理做出了分析。白娅玲等[7]对银基触点利用抗硫化处理，可有效提高银基触点的抗硫化腐蚀能力。值得注意的是，当前虽然针对触点硫化开展了大量的工作，但是大部分集中于机理方面，对具体的失效案例分析及防护方法鲜有报道。

本文通过实际失效案例和工程应用，对某电磁继电器中的银基触点硫化失效现象进行分析，并对失效现象进行故障复现和确证，对实际生产起到一定的借鉴和参考意义。

1 失效分析方法

对某一批市场返回失效电磁继电器进行失效分析，发现触点能正常吸合动作，其触点接触电阻偏大，有的阻值甚至达到为1 629 mΩ，远超出一般触点接触电阻50 mΩ 的规格。

基于以上背景，根据银基触点的性能，采用机械开封查看银基触点的形貌，通过ZEISS 公司制造的SUPRA55VP 扫描电子显微镜对其失效形貌进行观察及能谱分析，采用硫化试验箱进行故障复现实验，并利用紫外可见光分光光度计和Dionex 公司制造的ICS－1500 离子色谱仪进行大气环境下硫化腐蚀复现实验。

2 失效分析

2.1 失效现象和失效模式

对失效样品进行开封内部检查，可明显发现触点接触区域存在黑色斑点状异物，光学形貌图见图1所示。

图1 失效触点表面存在黑斑

触点接触区域黑色异物SEM 放大形貌和EDS能谱分析结果见图2 所示，图2(a)SEM 形貌表明黑色异物呈疏松状，图2(b)EDS 测试结果表明黑色异物含有S 等元素，且S 和Ag 的原子比约为1 ∶2。说明Ag 基触点表面发生硫化腐蚀，腐蚀产物主要为硫化银(Ag2S)。硫化银的导电性较差，随着硫化银腐蚀产物的增加，接触电阻会随之增高，甚至导致触点无法接通而失效。

图2 失效触点表面黑斑的SEM-EDS 图

2.2 硫化试验故障复现

为了确认银基触点在硫化环境中是否发生腐蚀，本研究取5 只正常银基触点放入硫化试验箱中，温度85 ℃，湿度>90%，环境为蒸硫粉，试验过程不通电，试验一周(168 h)后取出样品。

经历168 h 硫化试验后进行外观检查，典型光学形貌图见图3 所示，触点样品表面均明显变黑，呈现硫化腐蚀的形貌。

图3 触点硫化168 h 后光学形貌

经历168 h 硫化试验后触点表面的腐蚀微观SEM 形貌和EDS 能谱分析结果见图4，图4(a)中SEM 形貌表明表面存在疏松状的腐蚀形貌，图4(b)中EDS 测试结果表明腐蚀产物中S 和Ag 的原子比约为1 ∶2。硫化168 h 后触点的腐蚀形貌和产物与失效触点一致，故障复现试验证实了银基触点在硫化环境中易发生硫化腐蚀，主要生成Ag2S 等腐蚀产物。

图4 硫化168 h 后触点表面黑斑的SEM-EDS 图

银基触点在含硫大气环境(如H2S，COS、CS2和SO2)中腐蚀的主要产物是硫化银[8]。银与硫化氢在干燥气氛和湿润气氛条件下都能发生反应而产生硫化腐蚀，干燥气氛条件下反应如式(1)所示，湿润气氛条件下反应如式(2)和式(3)所示[9]。在水溶液中HS－既可以直接与氧化后的银离子反应，也可以吸附到触点表面，从而反应生成硫化物。当环境中存在氧化性物质时(如氧气、氯气等)会加速这种腐蚀反应。

2.3 大气环境下硫化试验故障复现

(1)环境定性分析结果

为了确认银基触点发生硫化腐蚀中含硫物质的来源，对大气环境中的硫进行定性判断。本研究取5 只银片置于大气环境中1 000 h，对试验前后的银片进行外观检查和成分分析。试验前银片的典型形貌如图5 所示，无变色等异常情况。

图5 银片初始状态的形貌

银片初始状态的微观形貌和成分如图6 所示，无腐蚀等异常，能谱结果表明主要成分主要为Ag，无腐蚀性等异常元素的存在。

图6 银片初始状态的SEM-EDS 图

试验1 000 h 后银片典型光学形貌图如图7 所示，银片表面都存在明显的变色，发生了腐蚀。

图7 银片1 000 h 后光学形貌

银片1 000 h 试验后触点表面的腐蚀形貌和成分见图8，由图8(a)可见，银片表面都发生了硫化腐蚀，图8(b)中EDS 测试结果表明腐蚀产物中含有S 元素。大气环境中放置1 000 h 后的银片发生硫化腐蚀，试验定性证实了大气环境中存在一定的含硫物质，能够引起银片的硫化腐蚀。

图8 银片1000 h 后状态的SEM-EDS 图

2.4 环境定量分析结果

为了确认大气环境中的主要含硫物质，本研究利用紫外可见光分光光度计(VIS)对大气环境中硫化物含量进行测量，利用离子色谱仪对大气环境中含硫离子的含量进行测量。

大气环境检测结果见表1 所示，由表中数据可知大气环境中可以检测到少量的硫化氢气体，粉尘中含有较多的硫酸根离子。

表1 大气环境中检测结果

3 失效机理分析及防护策略

结合以上结果，电磁继电器中银基触点失效是大气中含硫物质引发的硫化失效，腐蚀产物导致触点电阻增大，甚至导致银基触点的闭合失效。大气环境中含硫物质以H2S 和为主。根据银基触点硫化腐蚀的机理，可采用以下几种方法防护银基触点的硫化:(1)提高银基触点自身的耐腐蚀性；(2)增加耐腐蚀性较好的防护镀层；(3)密封继电器，隔绝腐蚀性气体。

3.1 提高银基触点自身的耐腐蚀性

通过加入其他元素合金化来提高银基触点的抗腐蚀性能，研究表明[10]在银铜合金中加入元素钒可明显提高其抗硫化能力。例如，在银铜合金中加入0.4%～1.0%的钒，就可以使银铜合金在SO2和H2S气氛中保持相对的化学稳定性。

研究表明[10]在银中通过金和钯的合金化，可减少银合金硫化腐蚀的速率。在实验室人造硫化气氛中(温度30±0.5 ℃，硫浓度6×10－9Vol/Vol，氮浓度20%，余为空气)，当含硫气体以800 mL/min 的流速通过合金表面时，金和钯的添加都能明显降低硫化腐蚀速率，而且钯比金抗硫化效果更好。

3.2 增加耐腐蚀性较好的防护镀层

通常在银基触点表面镀贵金属镀层，来防止银基触点硫化[11]。常见的是镀金层，利用金元素较好化学稳定性，在任何恶劣的环境下几乎不被腐蚀，能够保护银基触点不被硫化腐蚀。

3.3 密封

银基触点的硫化腐蚀是由周围大气中的含硫气体引起的，只要把银基触点和周围的大气完全隔开，就可以有效防止银基触点的硫化腐蚀[12]。因此，解决问题的办法是将银基触点周围的空气密封，甚至充以惰性气体，成本允许的情况下制造工业级的密封继电器。

4 结论

本文通过对电磁继电器中银基触点的失效案例进行失效分析，对失效现象进行故障复现，定性判断了硫化腐蚀来源于大气中的含硫物质，并确认了大气中主要含硫物质为H2S 和。根据失效机理提出改善方案。实验结论如下:

(1)电磁继电器中银基触点表面存在黑色腐蚀产物Ag2S，触点间接触电阻增大，发生硫化腐蚀；

(2)故障复现试验证实了银基触点在硫化环境中易发生硫化腐蚀；

(3)环境定性分析结果表明硫化腐蚀来源于大气中的含硫物质；

(4)环境定量分析结果表明大气环境中可以检测到少量的硫化氢气体，粉尘中含有较多的硫酸根离子。

为了预防银基触点的硫化腐蚀，可以在实际生产中从提高银基触点自身耐腐蚀性，增加防护涂层和采用密封继电器等方面做出防护措施，提高电磁继电器的可靠性。