%a7%a6头材料的表面劣化及抗熔焊性能分析

中国电机工程学报990413中国电机工程学报PROCEEDINGSOFTHECHINESESOCIETYFORELECTRICALENGINEERING1999年第4期No.41999银金属氧化物触头材料的表面劣化及抗熔焊性能分析张逸成　李震彪　程礼椿　张学康　　摘要　阐述了电触头材料表面劣化的分类，对AgNi，AgCdO，AgSnO2及其不同配对时的抗熔焊性能进行了对比实验；分析了交流电弧作用下材料成分含量分布变化规律与金属θmCpρmλ间的关系。研究了电弧对AgCdO等材料微观形貌的影响规律及其与熔焊概率的关系；指出了由于金属氧化物在高温下分解而使AgCdO和AgSnO2表现为AgCd和AgSn的抗熔焊特性，且材料非对称配对时抗熔焊能力表现出“中间效应”。　　关键词　电触头材料　银金属氧化物　表面劣化　抗熔焊　　中图分类号　O614.12CONTACTSURFACEDETERIORATIONANDWELDINGRESISTANCEOFAgMeOCONTACTMATERIALSZhangYichengShanghaiTiedaoUniversity，Shanghai,200331ChinaLiZhenbiao　ChengLichunHuazhongUniversityofScienceandTechnology，Wuhan,430074ChinaZhangXuekangShanghaiHugongAutomotiveApparatusInc.Shanghai,200081China　　ABSTRACT　ThispaperintroducedthetypesofsurfacedeteriorationofelectricalcontactmaterialsandfinishedtheexperimentsofweldingresistanceforAgCdO,AgSnO2,AgNiandtheirdifferentpairings,analysedthechangesofsurfacecompositionanddistributionaswellastherelationshipbetweencomponentdistributionandthethermalparameterθmCpρmλ.TheauthorsfurtherlystudiedtheinfluenceofalternatearcingonmorphologyofAgMeOcontactsurfaceandtheactionofmorphologyonweldingresistance.ItispointedoutthatAgCdO,AgSnO2willbehavelikeAgCd,AgSnalloyinanti-weldingaspectduetothedecompositionofCdOandSnO2underthehightemperatureofarcing,differentmaterialpairing(suchasAgNivsAgSnO2etc.)willhave“intermediateeffect”inweldingresistance.　　KEYWORDS　electricalcontactmaterial;AgMeO;surfacedeterioration;weldingresistance　　电触头材料的表面劣化现象会造成触头接触可靠性降低，电寿命缩短等不良后果。引起表面劣化的主要原因是在电弧或接触焦耳热的作用下，触头表面受热而引起熔化、变形和材料成分变化等，进而破坏了触头的正常工作。因此表面劣化规律的研究对于新型触头材料的研制及电器可靠性的提高有重要意义［1］。　　表面劣化现象有两个方面：一是表面形貌的变化，如表面凹凸程度、变形面积大小等；二是材料成分的改变，如成分含量的前后变化、成分分布的均匀性等。　　AgMeO材料(即银金属氧化物材料，Me代表所有金属元素，MeO是金属氧化物的通称)是继电器、接触器等低压控制电器中最常用的触头材料，其中AgSnO2和AgCdO是AgMeO中的典型代表。以往的研究中，许多学者偏重于研究AgMeO抗侵蚀能力及其机理，如比较不同AgMeO及其不同添加物时的侵蚀量file:///E|/qk/zgdjgcxb/zgdj99/zgdj9904/990413.htm（第1／8页）2010-3-2314:50:42万方数据中国电机工程学报990413大小和MeO对表面粘性的影响等等［2～5］。而对于材料表面劣化规律，尤其是材料成分含量及分布上的变化，表面劣化与熔焊的关系等研究较少。本文主要分析在交流电弧作用下，AgMeO材料的表面劣化规律及其抗熔焊性。1　触头材料熔焊实验　　实验条件：通断电流70A(交流)，电压24.5V，负载特性为纯阻性，动作频率642次/h，占空比(即通电闭合时间与工作周期之比)0.5，触头直径Φ4mm，试品型号JQX-49F，触头材料AgCdO，AgSnO2，AgNi。　　实验方法：每种材料各自对称配对，然后三种不同材料两两非对称配对。每种配对组合取5对触头进行实验，记录其发生首次熔焊时的工作次数。实验结果列于表1。表1　AgCdO和AgSnO2等触头材料的熔焊实验结果Tab.1　WeldingexperimentresultofAgCdO，AgSnO2contactmaterials组别AgNi动AgCdO动AgSnO2动AgNi动AgNi静AgNi动AgNi静　AgNi静AgCdO静AgSnO2静AgSnO2静AgSnO2动AgCdO静AgCdO动发生熔焊时的平均工作次数18425363368867818591172　　注：“动”代表动触头，“静”代表静触头。　　表1结果表明，在本实验条件下触头材料抗熔焊能力大小顺序为：AgNi→AgNi/AgCdO→AgNi/AgSnO2→AgCdO→AgSnO2。其中，材料非对称配对时抗熔焊能力介于两种材料各自对称配对时抗熔焊能力之间，即“中间效应”。例如，AgNi对称配对时为1842次，AgSnO2对称配对时为336次，而AgNi/AgSnO2非对称配对时为886和781。2　表面劣化分析2.1　表面材料成分分布　　表2为利用能谱仪对AgCdO等材料发生熔焊后的表面成分变化的测试结果。AgNi中的Ni，AgCdO中的Cd及AgSnO2中的Sn含量在表面熔化变形区与光滑区发生了明显变化，且触头熔化区中Ni，Cd，Sn含量明显高于光滑区的含量。仅仅第一组中的AgNi动触头及第6组中的AgCdO静触头不符合这一规律。例如：AgCdO对称配对时，AgCdO动触头中的Cd含量从光滑区的10.6％变成熔化区的17.34％；AgCdO静触头中的Cd含量从光滑区的12.17％变成熔化区的42.44％。表2　触头材料的成分含量及其分布Tab.2　Contactmaterialcompositionanditsdistribution<<<<<<<<<<<<<<file:///E|/qk/zgdjgcxb/zgdj99/zgdj9904/990413.htm（第2／8页）2010-3-2314:50:42万方数据中国电机工程学报990413<<<<<<<<<<<<<<<<<<　材料熔化变形区光滑区1AgNi动Ag90.75%wt84.23%atAg79.44%wt67.78%at　　Ni9.25%wt15.77%atNi20.56%wt32.22%at<　AgNi静Ag90.59%wt83.97%atAg90.73%wt84.20%at<　　Ni9.41%wt16.03%atNi9.27%wt15.80%at<2AgCdO动Ag82.66%wt83.24%atAg89.40%wt89.79%at<　　Cd17.34%wt16.76%atCd10.60%wt10.21%at<　AgCdO静Ag57.65%wt58.56%atAg87.83%wt88.27%at<　　Cd42.44%wt41.44%atCd12.17%wt11.73%at<3AgSnO2动Ag66.58%wt68.31%atAg80.93%wt82.09%at<　　Cd5.93%wt5.84%atCd5.64%wt5.49%at<　　In6.71%wt6.74%atIn1.44%wt1.38%at<　　Sn20.79%wt19.38%atSn11.98%wt11.05%at<　AgSnO2静Ag69.09%wt70.08%atAg87.90%wt88.51%at<　　Cd4.44%wt4.37%atCd8.18%wt7.91%at<　　In5.84%wt5.62%atIn0.00%wt0.00%at<　　Sn20.63%wt19.21%atSn3.92%wt3.59%at<4AgSnO2动Ag75.14%wt76.61%atAg87.88%wt88.50%at<　　Cd3.79%wt3.71%atCd7.78%wt7.52%at<　　In5.04%wt4.83%atIn0.19%wt0.18%at<　　Sn16.02%wt14.85%atSn4.15%wt3.80%at<　AgNi静Ag87.40%wt79.06%atAg92.89%wt87.67%at<　　Ni12.60%wt20.94%atNi7.11%wt12.33%at<5AgCdO动Ag73.72%wt72.77%atAg86.36%wt86.84%at<file:///E|/qk/zgdjgcxb/zgdj99/zgdj9904/990413.htm（第3／8页）2010-3-2314:50:42万方数据中国电机工程学报990413　　Cd23.58%wt22.33%atCd13.64%wt13.16%at<　　Ni2.70%wt4.90%atNi0.00　<　AgNi静Ag68.41%wt58.37%atAg82.52%wt77.19%at<　　Cd10.55%wt8.64%atCd8.83%wt7.92%at<　　Ni21.05%wt33.00%atNi8.66%wt14.88%at<6AgNi动Ag63.00%wt54.69%atAg80.55%wt76.24%at<　　Cd17.97%wt14.97%atCd12.12%wt11.01%at<　　Ni19.02%wt30.34%atNi7.33%wt12.75%at<　AgCdO静Ag86.12%wt83.82%atAg74.77%wt74.31%at<　　Cd10.11%wt9.45%atCd23.36%wt22.28%at<　　Ni3.77%wt6.73%atNi1.86%wt3.40%at　　注：%wt代表重量百分比；%at代表原子百分比。　　在AgSnO2动触头与AgNi静触头配对中，Sn含量从4.15%变成16.02%；Ni含量从7.11%变成12.6%等等。　　文献［6～8］研究指出：触头表面温升与材料的值有密切关系(θm，Cp，ρm，λ分别代表熔点、比热、密度及热导率)。值越大，则金属越难熔化。Ag，Ni，Cd等的值见表3。表3　Ag和Ni等金属的值Tab.3　ThevalueofAgandNimetals金属Ag/×103Ni/×103Cd/×103Sn/×10337.3527.655.743.31　　由表3表明，Ni，Cd，Sn金属的值比Ag的要小许多，所以Ni，Cd，Sn与Ag相比属于易熔化金属。注意，此处“易熔化金属”的概念不是传统意义上仅按熔点高低而论，而是包括了金属的导热性质等。在电弧作用下，易熔金属Ni，Cd等熔化后在触头表面一定区域内流动，从而覆盖了部分Ag金属，故表面成分中Ni，Cd等含量增高而Ag含量降低。2.2　AgMeO的DTA及TGA特性　　图1、图2为CdO和SnO2在空气中的热重分析(ThermalGravimetricAnalysis，TGA)和差热分析(DifferentialThermalAnalysis，DTA)的结果。图1　空气中的热量分析file:///E|/qk/zgdjgcxb/zgdj99/zgdj9904/990413.htm（第4／8页）2010-3-2314:50:42万方数据中国电机工程学报990413Fig.1　TGA,inAir图2　空气中差热分析Fig.2　DTA,inAir　　图1表明从950～1212℃，CdO损失了约21.5%(重量)，而图2表明在此期间CdO发生了吸热反应。SnO2在低于1200℃时既无重量消耗也未发生吸热反应。文献［9］研究表明，当温度升到2187℃时SnO2损失约12%，CdO和SnO2的分解温度分别为1360℃和2373℃。　　　　在电弧的热作用下，触头表面尤其是弧根作用的区域温度一般远超过2373℃，所以在此高温下SnO2和CdO均可分解成Sn及Cd单金属。另外，即使在低于分解温度时也有部分氧化物分解，例如在温度达2187℃时约有12%的SnO2已分解［9］。　　CdO或SnO2分解后将形成合金AgCd及AgSn，同时亦有部分Cd和Sn在分解时蒸发损耗。因此在弧根作用下的金属熔化区，SnO2和CdO的作用已几乎不存在。DTA及TGA的分析结果再次说明了表面熔化变形区中为何Cd和Sn含量会明显增多。X射线衍射结果也证明了上述分析。2.3　触头表面形貌分析　　AgNi，AgSnO2，AgCdO及其不同配对时，其熔焊发生后的触头表面熔化变形面积没有明显的区别，如图3(a)(c)和图4(a)(c)所示。在微观形貌上，AgSnO2不论与AgNi配对还是与AgCdO配对时，均显示出了较明显的喷溅凹坑，且周围有块状物。而材料AgNi表面虽有少数凹坑，但比AgSnO2要均匀得多。AgCdO表面呈现出多处不规则的凹坑，好似材料缺陷或局部裂痕。在AgCdO和AgNi的凹坑周边，分布着密密麻麻的微小浅坑。这些都表明材料发生了明显喷溅，微观形貌上有所差异。如图3(b)(d)和图4(b)(d)所示。(a)AgNi30倍　　　(b)AgNi1000倍file:///E|/qk/zgdjgcxb/zgdj99/zgdj9904/990413.htm（第5／8页）2010-3-2314:50:42万方数据中国电机工程学报990413(c)AgSnO230倍　　　(d)AgSnO21000倍图3　AgNi和AgSnO2配对时熔焊后的照片(SEM)Fig.3　TheSEMpicturesforweldedAgNiandAgSnO2inpairing(a)AgCdO30倍　　　(b)AgCdO1000倍(c)AgSnO230倍　　　(d)AgSnO21000倍图4　AgCdO和AgSnO2配对时熔焊后的照片(SEM)Fig.4　TheSEMpicturesforweldedAgCdOandAgSnO2pairing　　上述现象表明，AgSnO2的喷溅最严重，AgCdO次之，AgNi为最轻。表面熔化劣化程度上也有类似规律。喷溅现象将导致触头表面更加粗糙不平，进而易于产生触头熔焊；喷溅现象的发生表明材料表面已经产生了较严重的熔化，而金属熔化程度与材料的熔焊概率应该具有一定的对应关系。表1的熔焊实验结果与图3和图4的微观形貌(扫描电镜SEM)正好证明了上述关系。3　触头材料熔焊特性分析　　触头材料的抗熔焊能力与材料熔点、沸点、比热、密度、热导率、功函数及电离电位等参数有关。不同材料由于具有不同的热电参数而表现出不同的抗熔焊能力。　　根据表2的成分变化及AgMeO的TGA和DTA分析可知：AgCdO和AgSnO2在电弧作用下，CdO和SnO2分解形成合金AgCd和AgSn，CdO和SnO2此时已不再发挥作用。所以笔者认为，在较大功率电弧下材料AgMeO实际表现为AgMe的抗熔焊特性。　　以文献［6］的动熔焊能力判据为理论基础，可计算出AgNi等材料的抗熔焊能力的相对值，见表4。表4　AgNi等材料的抗熔焊能力KwTab.4　WeldingresistanceKwofcontactmaterialsforAgNiAgCd材料AgNiAgCdAgSnAgNi/AgCdAgNi/AgSnKw9.327.286.198.207.55file:///E|/qk/zgdjgcxb/zgdj99/zgdj9904/990413.htm（第6／8页）2010-3-2314:50:42万方数据中国电机工程学报990413　　Kw值愈大，表明此材料的抗熔焊能力愈强。表4中抗熔焊能力的大小顺序为：AgNi→AgNi/AgCd→AgNi/AgSn→AgCd→AgSn，且非对称配对时具有抗熔焊的“中间效应”。如AgNi/AgCd的Kw值8.2介于AgNi的9.32和AgCd的7.28之间。此顺序与表1中的顺序完全一致。表明前面的成分分析、氧化物分解分析及熔焊能力理论预测结果与实验相一致。　　值得指出的是，以前许多研究者认为AgCdO和AgSnO2的抗熔焊能力高于AgNi。如文献［2］［10］。其主要观点之一是CdO易于分解从而吸收电弧能量降低触头表面温度，进而减少金属熔化及蒸发；SnO2比CdO难于分解，固态的SnO2粒子能增强表面熔化银的粘性，减小喷溅，同时SnO2的存在使熔焊区的焊接强度降低，提高了抗熔焊能力。　　但应该说，当电弧功率不大，触头通电持续时间较短的情况下(如0.1s以下)，由于电弧能量不足以在短期内将SnO2及CdO加热到分解温度，CdO和SnO2颗粒仍大部分存在于银基体中时，上述结论是正确的。而文献［2，10］的实验条件正是这种情况。文献［2］的实验条件中触头闭合时间仅为0.5～5ms；文献［10］是按照AC4的条件进行实验，但IEC标准中对通电持续时间或占空比没有明确规定，所以一般其通电持续时间较短，如0.1s或以下。　　当电弧功率较大，尤其通电持续时间较长时，反复的电弧加热及闭合后的接触焦耳热有可能将SnO2和CdO局部加热到分解温度，从而出现局部氧化物贫化现象。因而在之后的通断操作中原有的氧化物将不复存在，AgCdO和AgSnO2的抗熔焊特性将取决于AgCd和AgSn，因此将低于AgNi的抗熔焊能力。本文的实验条件即属此种情况(占空比50%，通电时间2.8s)。　　所以实验条件对AgMeO的熔焊特性有重要影响。文献［2］［10］等认为AgMeO的抗熔焊能力比AgNi高的结论是有局限性的。4　结论　　(1)在较大功率交流电弧作用下，AgCdO和AgSnO2等材料的表面组分会发生变化；θmCpρmλ值较小的金属含量增多，Ag含量减少。　　(2)在相同的负载条件下，AgCdO，AgSnO2和AgNi触头表面的熔化变形面积差异不显著；在微观形貌上，AgSnO2喷溅侵蚀最为严重，AgCdO次之，AgNi为最轻。喷溅侵蚀程度与熔焊概率有一定对应关系。　　(3)电弧作用下，触头表面尤其是弧根区域的温度远远超过SnO2和CdO的分解温度，从而形成合金AgCd和AgSn；CdO和SnO2的分解使得AgCdO和AgSnO2在抗熔焊能力上表现为AgCd和AgSn的特性。DTA和TGA对AgMeO的分析也证明了这一观点。熔焊实验与理论预测结果相一致。　　(4)交流电弧下,触头材料非对称配对时抗熔焊能力存在“中间效应”，如AgNi/AgSnO2等等。　　张逸成　男，1951年生，博士，系副教授，从事电器电磁场、电触头材料和超声波等方面的研究。　　李震彪　男，1963年生，博士，教授，从事电器和电触头材料的研究。　　程礼椿　男，教授，从事电器电弧、电接触物理及应用等方面的研究。　　作者单位：张逸成（上海铁道大学，200331上海）　　　　　　　李震彪　程礼椿（华中理工大学，430074武汉）　　　　　　　张学康（上海沪工汽车电器公司，200081上海）参考文献　[1]　李震彪，程礼椿.AgNi等触头材料的表面劣化研究.华中理工大学学报，1995(10)　[2]　MichalRetal.Metallurgicalaspectsofsilver-basedcontactmaterialsforair-breakswitchingdevicesforpowerengineering.IEEETransonCHMT,1989,(1)　[3]　GengenbachBetal.Erosioncharacteristicsofsilver-basedcontactmaterialsinaDCcontactor.IEEETransonCHMT,1985,(1)　[4]　BehrensV.Anadvancedsilver/tinoxidecontactmaterial.IEEETransonCPMT,1994,(1)　[5]　荣命哲，鲍芳.银金属氧化物触头电弧侵蚀特性研究.电工技术学报，1997，(4)　[6]　李震彪，张冠生.电触头材料及其不同配对时抗动熔焊能力的研究.电工技术学报，1993，(3)file:///E|/qk/zgdjgcxb/zgdj99/zgdj9904/990413.htm（第7／8页）2010-3-2314:50:42万方数据中国电机工程学报990413　[7]　李震彪，张逸成等.论电器触头材料的理论研究问题.低压电器，1996，(6)　[8]　李震彪，张逸成等.电器热稳定性的理论分析.中国电机工程学报，1998，(1)　[9]　ShouY,GouldL,DTAandTGAStudiesoffourAG-MEOelectricalcontactmaterials.IEEETransonCHMT,1985,(3)　[10]　WalcaukE.Computercontrolledinvestigationsofthedynamicweldingbehaviorofcontactmaterials.Proc42IEEEHolmConferenceonElectricalContacts,1996,10.Chicago,USA　　收稿日期：1998-06-01；　改回日期：1998-10-12。file:///E|/qk/zgdjgcxb/zgdj99/zgdj9904/990413.htm（第8／8页）2010-3-2314:50:42万方数据银金属氧化物触头材料的表面劣化及抗熔焊性能分析作者：张逸成，李震彪，程礼椿，张学康，ZhangYicheng，LiZhenbiao，ChengLichun，ZhangXuekang作者单位：张逸成,ZhangYicheng(上海铁道大学,200331,上海)，李震彪,程礼椿,LiZhenbiao,ChengLichun(华中理工大学,430074,武汉)，张学康,ZhangXuekang(上海沪工汽车电器公司,200081,上海)刊名：中国电机工程学报英文刊名：PROCEEDINGSOFTHECHINESESOCIETYFORELECTRICALENGINEERING年，卷(期)：1999(4)被引用次数：13次参考文献(10条)1.WalcaukEComputercontrolledinvestigationsofthedynamicweldingbehaviorofcontactmaterials[外文会议]19962.ShouY;GouldLDTAandTGAStudiesoffourAG-MEOelectricalcontactmaterials1985(03)3.李震彪;张逸成电器热稳定性的理论分析[期刊论文]-中国电机工程学报1998(01)4.李震彪;张逸成论电器触头材料的理论研究问题1996(06)5.李震彪;张冠生电触头材料及其不同配对时抗动熔焊能力的研究1993(03)6.荣命哲;鲍芳银金属氧化物触头电弧侵蚀特性研究1997(04)7.BehrensVAnadvancedsilver/tinoxidecontactmaterial1994(01)8.GengenbachBErosioncharacteristicsofsilver-basedcontactmaterials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