DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s2.032
钌对铂合金接点材料抗熔焊性能的影响
邓忠民 吕贤勇 施安 刘建良 谢明
昆明贵金属研究所
昆明贵金属研究所 昆明650221
摘 要：
利用ASTM触头材料模拟试验机、高温质量损失、摄谱仪、SEM和WDS等研究了钌对铂合金接点材料的抗熔焊性能的影响。由于Ru易氧化生成比IrO2 更稳定的RuO2 , RuO2 的分解比IrO2 需要更多的分解热 , 因此 , 接点的温度升高受到限制。RuO2 增加了金属熔化液的粘度 , 减少了因电弧引起的接点腐蚀。此外 , 选择性的金属转移有利于提高Pt 10Ru 2Ir合金接点的抗熔焊性能。
关键词：
钌 ;铂合金接点材料 ;抗熔焊 ;
中图分类号： TG146.33
收稿日期： 2000-11-21
基金： 云南省自然科学基金资助项目 (1999E0 0 92M );
Effect of ruthenium on resistance to weld of platinum alloys contact materials
Abstract：
By means of simulated test machine of ASTM contact materials, mass loss at high temperature, spectrogragh, SEM and WDS, the effect of ruthenium on resistance to weld of platinum alloys contact materials was studied. The experimental results show that ruthenium increases the resistance to weld of platinum contact materials. Ruthenium is easily oxidized and produces RuO 2 which is stabler than IrO 2, the dissolution of RuO 2 need more heat than IrO 2, therefore, the temperature of contact was limited. Besides, RuO 2 increases the viscosity of metal melt, the erosion of contact caused by arc is reduced. In addition, the selection transfer of metals is beneficial to enhancing resistance to weld of Pt 10Ru 2Ir alloy contact. [
Keyword：
ruthenium; platinum alloy contact; resistance to weld;
Received： 2000-11-21
铂合金特别是Pt-Ir合金是广泛应用于精密电器和仪表中的弱电接触的接点材料, 例如, 航空发动机上的点火接点, 高灵敏度继电器和舰艇上的电螺经重力摆继电器, 以及微电机的接点。 随着铂中铱含量的增加, 合金的抗腐蚀性能增加, 所以Pt-25Ir (质量分数, %, 下同) 合金应用最广泛。 但是, 应用实践表明, Pt-25Ir合金接点在直流电路条件下, 因电弧腐蚀会产生较严重的金属转移, 形成严重的凸起和凹坑, 引起接点的熔焊, 影响了电器的电寿命和可靠性。 因此, 研究和开发新型的铂合金接点材料是有意义的。 已有报道表明, Pt-10Ru合金比Pt-25Ir合金有更好的抗熔焊性能, 可提高继电器的电寿命
[1 ,2 ]
。
作者研究了多个成分的Pt-Ru-Ir合金的性能、结构和电接触性能。 本文作者通过对Pt-Ru-Ir和Pt-25Ir合金的电接触性能、 高温质量损失、 电弧下合金元素挥发的摄谱以及电寿命试验后接点表面结构的SEM和WDS分析, 研究了钌对铂合金接点材料抗熔焊性能的影响。
1实验方法
采用高频感应炉, 氧化铝坩埚, 抽真空充氩后熔炼合金。 铸锭经热扎和冷扎成片, 再冲压成d 5.5 mm的接点片。 在ASTM触头材料模拟试验机上进行强电负载试验。 试验条件为: 将d 5.5 mm的接点片焊接在镀银的铜螺钉上, 直流电路110 V, 20 A, 接点间距离3 mm, 闭合力0.98 N, 分断力1.96 N, 分断频率2 Hz, 分断总次数3万次。 弱电负载试验是用Pt-10Ru-2Ir合金与Pt-25Ir合金做对比, 试验的技术条件为: 直流感性负载27 V, 2.5 A, 接点间距0.3 mm, 接触压力1.86～2.45 N, 分断频率571 Hz, 分断总次数1.5×108 次, 接点间并联灭弧电容C =0.35 μF。 用d 0.108 mm的丝在空气中于1 250 ℃下保温6 h, 利用热分析仪做高温质量损失试验。 选择Pt-25Ir合金为阳极, 石墨为阴极, Pt-10Ru-2Ir合金分别为阳极和阴极, 石墨分别为阴极和阳极, 直流220 V, 5 A条件下激发, 在PGS-2型光栅光谱上摄取光谱, 每隔10 s移板一次, 以研究电弧等离子区合金元素的含量。 用SEM和WDS研究电寿命试验后接点表面的结构和成分变化。
2实验结果
2.1强电负载下铂合金接点材料的抗熔焊性能
把一对接点在通电试验时粘在一起需要外力或冷却后才能分开的现象认定为熔焊; 如果不需外力或冷却, 仅比正常分断滞后, 则认定这一现象为粘结。 表1列出了试验合金在ASTM触头材料模拟试验机上, 直流110 V, 20 A, 分断3万次过程中发生第一次粘结或熔焊前的分断次数。 从表1看出, Pt-10Ir-5Ru合金的抗熔焊性能最差, 在分断712次时发生第一次粘接, 分断870次时发生第一次熔焊, 分断3万次过程中发生的熔焊、粘接次数最多。 而Pt-10Ru-2Ir合金的抗熔焊性能最好, 当分断2 165次时发生第一次粘接, 分断3万次过程中仅发生3次粘接, 没有发生熔焊现象。 从表1看到, 合金中的钌和铱含量对合金的抗熔焊性能影响大, 含钌多而含铱少的Pt-10Ru-2Ir合金抗熔焊性能最好。 在研究的这4种合金中, Pt-10Ru-10Ir合金的抗熔焊能力仅次于Pt-10Ru-2Ir合金的抗熔焊性能, 这可能与Pt-10Ru-10Ir合金的硬度很高有关。
表1 铂合金接点抗熔焊性能 (DC 110 V, 20 A)
Table 1 Resistance to weld of platinum alloy contact (DC 110 V, 20 A)
Coherence
Weld
1 062
1 237
2 165
-
712
870
2.2弱电负载下铂合金接点材料的抗熔焊性能
在直流电路, 27 V, 2.5 A, C =0.35 μF条件下, 用Pt-10Ru-2Ir合金和Pt-25Ir合金做对比模拟试验, 分断次数1.5×108 次, 结果如表2所示。 可见, Pt-25Ir合金接点在分断1.11×108 次时有接点发生熔焊, 而Pt-10Ru-2Ir合金接点分断1.514×108 次都没有发生熔焊, 还可以继续工作。 可见含钌的Pt-10Ru-2Ir合金接点比无钌的Pt-25Ir合金接点的抗熔焊性能好。 模拟试验后, Pt-10Ru-2Ir合金接点表面无明显的凸起和凹坑, 而Pt-25Ir合金接点的阴极严重凸起, 而阳极有严重的凹坑。
表2 铂合金接点的抗熔焊性能 (DC 27 V, 2.5 A, 0.35 μF)
Table 2 Resistance to weld of platinum alloy contact (DC 27 V, 2.5 A, 0.35 μF)
Coherence
Weld
1.11×108
Not
Not
2.3合金的高温质量损失
实验发现, 合金在1 250 ℃恒温期间其质量减少与恒温时间基本成直线关系。 图1所示是4种不同成分的Pt-Ru-Ir合金在1 250 ℃的质量损失与恒温时间的关系。 从图1看到, 合金质量损失与钌和铱的含量有关, Pt-10Ru-2Ir合金质量损失最多, 而Pt-10Ir- 2Ru合金的质量损失最少。
2.4电弧下金属元素的挥发
接点在直流220 V, 5 A条件下激发电弧, 用PGS-2型光栅光谱摄谱, 每隔10 s移板一次, 感光板经处理后测量合金元素谱线的黑度值S 。 将每次测量的黑度值的和与相应的时间和作图, 结果如图2, 3和4所示。 比较图2和图3, 当Pt-25Ir合金做阳极时, 铱的黑度值大于铂的黑度值, 可以定性的认为铱的挥发比铂的挥发严重。 当Pt-10Ru-2Ir合金做阳极时, 钌的挥发比铱的挥发严重。
图1 Pt-Ru-Ir合金在1 250 ℃的高温质量损失
Fig.1 Mass loss of Pt-Ru-Ir alloys at 1 250 ℃
比较图3和图4可见, Pt-10Ru-2Ir分别为阳极和阴极时, 由于阴极的温度低于阳极, 所以做阴极时各元素的挥发比做阳极时少。 上述实验表明, 由于各元素的蒸气压不同, 当用Pt-25Ir合金做接点时, 电弧区的等离子体中铱元素较多, Pt-10Ru-2Ir合金做接点时钌元素较多。
2.5电寿命试验后接点表面结构
图2 Pt-25Ir阳极挥发
Fig.2 Volatilization of Pt-25Ir anode
图3 Pt-10Ru-2Ir阳极挥发
Fig.3 Volatilization of Pt-10Ru-2Ir anode
图4 Pt-10Ru-2Ir阴极挥发
Fig.4 Volatilization of Pt-10Ru-2Ir cathode
用扫描电镜分析了Pt-10Ru-2Ir合金接点在直流110 V, 20 A条件下分断3万次后阳极和阴极接点表面的结构 (见图5和图6) 。 从阳极的形貌图看到表面不平整, 像起伏的山丘, 而且有因热应力引起的微细裂纹, 阴极有微细金属珠和微细裂纹。 接点表面上金属元素的分布是不均匀的, WDS分析的结果如表3所示。 由于接点在直流电路分断试验时发生金属转移, 在阻性负载时, 金属转移方向是从阴极向阳极转移; 当并联电容后, 金属转移方向反向, 金属转移方向是从阳极向阴极转移
[3 ]
。 从表3看到, 在阻性强电负载条件下, Pt-10Ru-2Ir合金的阴极接点钌和铱有所降低, 但阳极接点表面钌的含量大量增高, 铱也有所提高, 但不严重, 可见, 在分断试验中有很多钌从阴极转移到阳极。 从表3看到, 由于强电负载引起的高温, 接点受到镀银的铜螺钉的污染, 接点对的阳极和阴极都含银和铜, 而且由于氧化而含有氧。 在直流感性弱电负载并在接点间并联了灭弧电容以后, 由于金属转移方向反向, 发生了阳极金属转移到阴极。 比较Pt-25Ir合金和Pt-10Ru-2Ir合金接点阴极表面的化学成分看到, Pt-25Ir合金的阴极接点表面的铱含量达37.13%, Pt-10Ru-2Ir合金的阴极接点表面的钌为18.40%。 可见在直流电路接点分断过程中, 接点的合金元素转移是有选择性的, 其转移量是由元素的物理性能 (例如蒸气压、原子价等) 决定, 选择性转移使得接触由同一合金接点的接触变成不同合金的接触, 又影响合金的抗熔焊性能和电寿命。
3讨论
接点材料的烧损主要由电弧腐蚀引起。 接点的严重烧损引起接点的粘接和熔焊, 所以电弧腐蚀与接点的工作寿命和可靠性息息相关。 银合金的电弧腐蚀已有不少报导
[4 ,5 ,6 ,7 ,8 ]
, 而对铂合金的研究甚少。 铂合金的金属转移已有报导
[3 ]
, 本文作者讨论钌对铂合金接点材料抗熔焊性能的影响。 研究表明, Pt-10Ru-2Ir合金接点的抗熔焊能力优于其它Pt-Ru-Ir合金接点, 也优于Pt-25Ir合金接点, 可见钌对铂合金接点的抗熔焊性能有重要的影响。 众所周知, 接点接触时因表面不平整而形成点接触, 接触点的电流密度很大, 产生很高的温度, 使之达到熔化甚至汽化, 即接触是液桥接触, 此时合金的性能与常温下的性能完全不一样, 所以添加合金元素的物理化学性能对接点材料的抗电弧腐蚀起着决定性的作用。 钌比铱更易氧化, 钌在室温时就开始氧化, 随温度升高, 氧化加速
[9 ]
。 钌和氧化钌是一类好的电子导体, 可作电接触材料
[10 ]
。 RuO2 比IrO2 更稳定, RuO2 的最高分解温度为1 580 ℃, IrO2 的最高分解温度为1 124 ℃, 比RuO2 的分解温度低得多
[11 ]
。 因此, 钌对铂合金接点材料抗熔焊性能的影响在于: 一方面钌氧化后生成比IrO2 热稳定性更好的RuO2 , RuO2 分解时需要更多的分解热, 这样降低了接点的温度; 另一方面, 导电的RuO2 浮在接触点的金属熔池上, 与IrO2 相比较, 既不增加接触电压降, 又增加了液体金属的粘度, 减少了因电弧吹力引起的金属飞溅, 减少了电弧腐蚀, 因此, 在相同电参数试验后, Pt-10Ru-2Ir合金接点的表面平整, 而Pt-25Ir合金接点表面出现严重的凸起和凹坑。 高温质量损失、 摄谱和WDS的结果表明, 由于元素的蒸气压不同, 使得Pt-10Ru-2Ir合金接点在电的极性作用下有更多的钌元素转移, Pt-25Ir合金接点有更多的铱元素转移, 这种接点合金元素的选择性转移, 使接点配对由相同材料变成不同材料配对, 也有利于提高Pt-10Ru-2Ir合金接点的抗熔焊性能。
图5 试验后Pt-10Ru-2Ir合金阳极接点表面结构 (DC 110 V, 20 A)
Fig.5 SEM photograghs of anode contact surface of Pt-10Ru-2Ir alloy after testing (DC 110 V, 20 A)
图6 试验后Pt-10Ru-2Ir合金阴极接点表面结构 (DC 110 V, 20 A)
Fig.6 SEM photograghs of cathode contact surface of Pt-10Ru-2Ir alloy after testing (DC 110 V, 20 A)
表3 接点表面化学成份的WDS分析结果
Table 3 WDS results of chemical composition of contact surface (mass fraction, %)
Electrode
Pt
Ir
Ru
Ag
Cu
O
Remarks
Cathode
62.859
37.130
0.011
27 V, 2.5 A
Cathode
77.905
3.571
18.400
0.124
C =0.35 μF
Anode
71.153
3.242
17.848
6.055
1.588
0.144
110 V, 20 A
Cathode
87.480
1.828
8.641
1.494
0.462
0.095
110 V, 20 A
致谢
感谢刘智生、刘雄研究员在实验方面的帮助。
参考文献
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