简介概要

反应合成AgSnO2电接触材料的电接触性能研究

来源期刊：稀有金属2007年第4期

论文作者：刘方方陈敬超耿永红管伟明郭迎春

关键词：银氧化锡电接触材料; 反应合成; 电侵蚀; 熔焊力;

摘要：抗电侵蚀性能是衡量电接触材料品质的一个重要指标.对采用反应合成技术制备所得的银氧化锡电接触材料进行电接触试验,研究在直流、阻性负载条件下AgSnO2(10%,质量分数)的电接触性能.结果表明,反应合成法制备的AgSnO2(10%,质量分数)电接触材料在一定电流值范围内抗电侵蚀效果、抗熔焊能力好.在触点分断操作过程中电弧对材料的侵蚀效果要比闭合操作过程的侵蚀效果显著.

稀有金属 2007,(04),486-490 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2007.04.032

反应合成AgSnO₂电接触材料的电接触性能研究

陈敬超郭迎春耿永红管伟明

昆明理工大学云南省新材料制备与加工重点实验室,昆明理工大学云南省新材料制备与加工重点实验室,贵研铂业股份有限公司,贵研铂业股份有限公司,贵研铂业股份有限公司云南昆明650093,云南昆明650093,云南昆明650221,云南昆明650221,云南昆明650221

摘要：

抗电侵蚀性能是衡量电接触材料品质的一个重要指标。对采用反应合成技术制备所得的银氧化锡电接触材料进行电接触试验, 研究在直流、阻性负载条件下AgSnO2 (10%, 质量分数) 的电接触性能。结果表明, 反应合成法制备的AgSnO2 (10%, 质量分数) 电接触材料在一定电流值范围内抗电侵蚀效果、抗熔焊能力好。在触点分断操作过程中电弧对材料的侵蚀效果要比闭合操作过程的侵蚀效果显著。

关键词：

银氧化锡电接触材料;反应合成;电侵蚀;熔焊力;

中图分类号： TM504

作者简介：陈敬超 (E-mail:chenjingchao@kmust.edu.cn) ;

收稿日期：2006-10-06

基金：国家自然科学基金 (50361003);云南省重点基金 (2006E003Z) 联合资助项目;

Performances of AgSnO₂ Electrical Contact Materials Fabricated by Reactive Synthesis

Abstract：

Electrical erosion resistance is one of the most important parameter for evaluating performances of electrical contact materials.To research contact performances of AgSnO2 (10) some contact tests were carried out for silver tin oxide electrical contact materials which were fabricated by reactive synthesis under DC and resistance loads conditions.The results showed that the erosion resistance and welding resistance performances of the material fabricated by a reactive synthesis process were good working in a certain current range.The electrical erosion effect of arc on the material during the break operation was more significant than that during closed-cycle operation.

Keyword：

silver tin oxide electrical contact materials;reactive synthesis;electrical erosion resistance;welding resistance;

Received： 2006-10-06

电接触材料应用广泛, 如电气开关, 电路开关等, 是开关电器中直接承担接通和分断电路的元件, 对开关电器的安全运行起决定性作用。其性能好坏直接影响开关电器的开断容量、使用寿命及运行可靠性。电触点必须满足高的导电性、抗熔焊、低接触电阻和耐磨损等多方面的要求 ^[1,2,3,4,5] 。而银金属氧化物电接触材料由于其具有优良的抗熔蚀性、良好的焊接性、高导电率和高导热率, 使其在通用继电器上的应用越来越普遍 ^[6,7] 。银金属氧化物的制备方法有很多, 如合金内氧化法, 粉末冶金法和反应合成法 ^[8] 等。

电接触材料在工作过程中会受到一些侵蚀作用, 一般认为, 电触头的侵蚀主要包括机械磨损、环境腐蚀及电弧侵蚀3个部分。在实际生产生活中, 电弧侵蚀对电接触影响最大, 它是影响接触材料的电寿命和可靠性的最重要因素 ^[9,10,11] 。它对材料的影响可以表现在两个方面, 一是导致材料的表面的形态发生变化, 如表面凸凹程度、变形面积大小等; 二是材料成分的改变, 如成分含量前后变化、成分分布均匀性等。触头受到侵蚀后一旦损坏, 会造成接触点可靠性降低, 电寿命缩短等不良后果, 对生产生活带来危害。所以研究电接触材料的电接触性能非常重要。银金属氧化物中, AgSnO₂除了具有一般的银金属氧化物的特点外, 还具有较高的热稳定性、较高的抗熔焊性和低的材料转移特性, 使其得到了人们的关注 ^[12,13,14] 。

本文对反应合成技术法制备得到的AgSnO₂ (10%, 质量分数) 电接触材料进行电接触性能测试, 研究了电流、实验次数等因素对电接触材料的电侵蚀性能的影响, 分析了触头的质量转移、电接触过程的功率特性、熔焊趋势等, 可供用户参考。

1 实验

1.1 材料制备

采用反应合成法制备SnO₂含量为10%的AgSnO₂材料, 由混料→锭坯压结→锭坯合成反应→锭坯复压复烧→挤压→丝材拉拔与退火, 得到丝材。具体工艺细节可见于文献[8]。然后利用YFC-16冷墩复合触点机设备制备得到AgSnO₂/Cu复合触点样品。 AgSnO₂/Cu复合触点的外形尺寸分别为: Φ 3.0 mm×0.8 mm (R) +Φ 1.5 mm×1.6 mm (圆点) ; Φ 3.0 mm×0.8 mm (R) +Φ 1.5 mm×1.7 mm (平点) 。

1.2 电接触实验

采用贵研铂业股份有限公司自制的电接触测试设备对SnO₂含量为10%的反应合成AgSnO₂电接触材料进行测试。实验参数为: 直流阻性, 电压18 V, 电流分别为5, 10, 16, 20, 25, 30 A, 闭合力80 cN, 频率1 Hz, 触点间距1.30 mm, 实验次数5000次, 10000次。

2 结果与讨论

2.1 材料转移量

对试样实验前后的质量用北京光学仪器厂生产的DT-100 SINGLE PAN BALANCE进行称量, 然后计算出每次操作 (闭合、分断各一次) 触头质量的变化, 实验数据如表1所示。

由表1可知, 随电流的增大, 触点的侵蚀量也在不断变化, 阳极触点、阴极触点及其总的质量变化趋势可见于图1。

由图1可见, 当电流值介于20～25 A之间时, AgSnO₂的材料转移方式发生了改变, 电流≤20 A时, AgSnO₂电接触材料阳极质量增加, 阴极质量减少; 而电流>20 A时, 实验后阳极触点质量减少, 阴极质量增加, 即触点的转移方式由阴极转移变成了阳极转移, 而且在转移方式发生改变之后, 电侵蚀量急剧增大。

触点在分断前和闭合前的一瞬间, 由于接触力较小, 而实际接触面与导电面的面积很小, 使得接触电阻相应增大。如果供给触头的电压和电流超过一定值时, 能量将集中加热这个极小的面积的触头材料, 使其温度迅速上升引起金属爆炸性气化从而引燃电弧。随着电弧燃烧时间的延长, 供给触头的热量增量不能从触头导出, 而使触头温度升高, 引起材料熔化或蒸发。在触点闭合、分断过程中液态的材料发生黏附、喷溅等过程, 导致材料的增重和失重 ^[12,14,15] 。触点阳极输入的电弧能量大过阴极输入的电弧能量时, 发生了阳极材料向阴极材料的转移, 随电流值的增大, 电弧能量在两极上的能量输入分配发生了变化, 导致材料转移的方向也发生了相应变化。最后, 当全部触头表面熔化时, 可能出现不连续的烧损现象。同时, 即使电流增加很少, 侵蚀量也急剧增大。

表1 触点不同电流条件下的质量变化

Table 1Mass variations of contact material under different current values

Items	5 A	10 A	16 A	20 A	25 A
Anode mass change/ (ng/op.)	20	50	5	10	-82.5
Cathode mass change/ (ng/op.)	-27.5	-45	-17.5	-5	85
Sum mass change/ (ng/op.)	-7.5	5	-12.5	5	2.5

图1 触点阴极、阳极及总质量变化与电流的关系

Fig.1 Mass of anode, cathode and sum total

2.2 电弧的功率特性曲线

根据电弧的电压、电流数值进行分析, 可以作出不同试验条件下电弧作用过程的功率特性曲线, 如图2所示。

由图2可见, 无论是分断还是闭合过程, 电弧的功率峰值都在随电流的增大而升高。在闭合过程中, 触点起始间距较大, 触点之间还没有发生燃弧, 所以功率接近于零, 随触点间距的缩小, 在燃弧发生之后, 瞬时功率数值急剧升高, 当触点间距进一步缩小至触点发生接触时, 触点间电压迅速由开路电压转变为接触电阻引起的接触压降, 电流将趋于稳定, 从而使得功率值达到一个平稳区域。紧接着对触点进行分断操作, 在触点分离过程中, 未分离开之前, 触点之间接触面积、电压基本稳定, 故功率图显示出基本平稳状态, 在分离过程中, 触点之间的接触面会不断缩小, 最后甚至达到点接触形式, 导致电弧能量变大, 电弧电阻急剧增大, 从而功率值上呈现峰值, 当完全分离开之后, 电流也就迅速减小至零, 最终完成一次循环操作。功率数值越大, 电弧能量必然相对较大, 对触点的电侵蚀影响也就越大。

2.3 熔焊力变化

依据各实验过程中触点材料的熔焊力数值随操作次数增大而发生相应变化作出各电流条件下的趋势图, 并比较熔焊力随电流增大而发生的变化趋势如图3所示。

由图3可以得到以下结论, AgSnO₂ (反应合成) 材料的熔焊力在电流≤20 A的条件下数值比较平稳, 当电流>20 A时, 其触点熔焊力数值上明显呈现不稳定, 呈迅速增大趋势。当电流较小时, 电弧的能量不是很大, 材料发生熔焊的趋势不明显, 说明了在小电流情况下, 材料的抗熔焊能力较好, 但随电流的增大, 电弧能量的提高, 触点表面的温度升高, 触点表面材料的熔化会导致材料发生熔焊趋势明显, 从而使得分开两个触点的力也要相应增大, 所以熔焊力呈现增大且不稳定的趋势。

2.4 燃弧能量及燃弧时间的变化

对各种电流条件下的燃弧能量、燃弧时间进行分析, 作出图4, 5。

由图4, 5可见, 随电流值的增大, 燃弧能量有不断增大的趋势, 而燃弧时间变化不明显, 但可以看出, 分断过程的燃弧时间明显高于闭合过程的燃弧时间。这说明了在触点闭合的过程中电弧产生和持续的时间更短, 与分断过程相比, 闭合条件对材料的电侵蚀影响没有分断条件对材料的电侵蚀影响大。分断过程中触点所受到的电侵蚀更明显。