不同添加劑對AgSnO2In2O3觸頭材料電性能的影響

李耀林，盧 菲，陳光明，蒙建洲，黃 晶

（1.桂林電器科學研究院有限公司，廣西桂林 541004；2.桂林金格電工電子材料科技有限公司，廣西桂林 541004）

引言

隨著人工智能、信息電子、汽車控制等技術的發展，對繼電器等控制元件的性能要求越來越高。觸頭是繼電器的核心元件，其在閉合和分斷過程中會產生電弧，電弧對觸頭材料產生的作用主要體現為觸頭的熔焊、電弧的侵蝕、觸頭的溫升等。觸頭材料的電壽命、熔焊力、電弧能量、燃弧時間、質量侵蝕率等電性能參數是評價觸頭材料優劣的重要指標。AgSnO2In2O3為常見的觸頭材料，主要應用于中大電流等級的繼電器。為改善其性能或滿足其“個性化”需求，制造商往往在材料制備時添加少量添加劑。本研究通過電性能試驗研究了不同添加劑對AgSnO2In2O3觸頭材料電性能的影響。

1 模擬繼電器工作原理與試驗方案

1.1 模擬繼電器工作原理

本企業自制的模擬繼電器試驗設備可檢測觸頭材料的電壽命、熔焊力、電弧能量、燃弧時間、質量侵蝕率等參數。模擬繼電器試驗設備的觸頭動作機構原理相對簡單，具體見圖1，它由電磁鐵、反力彈簧、銜鐵、觸頭等部件組成。當線圈兩端施加額定電壓時，鐵芯被磁化，進而對銜鐵產生電磁吸力，銜鐵在該吸力的作用下帶動觸頭吸合；當施加在線圈兩端的電壓撤消時，銜鐵在反力彈簧的作用下帶動觸頭斷開，觸頭的吸合和斷開分別實現了模擬繼電器在電路中接通和分斷電流的目的。

圖1 模擬繼電器觸頭動作機構原理圖

1.2 觸頭材料信息

針對應用于中大電流繼電器的AgSnO2In2O3觸頭材料，采用內氧化法工藝制備了不含添加劑及分別含添加劑CuO或TeO2的3種AgSnO2In2O3觸頭材料，成分和制造工藝見表1，通過拉拔和冷鐓等工序將材料制成鉚釘型觸頭。試驗前的3種Ag-SnO2In2O3觸頭表面均光亮、潔凈，觸頭材料金相組織見表2，由表2可見，3種材料的金相組織均勻，無明顯差別。

表1 觸頭材料成分和制造工藝

表2 金相組織圖片

1.3 試驗方案

應用模擬繼電器試驗設備對不含添加劑及分別含添加劑CuO或TeO2的3種AgSnO2In2O3觸頭材料進行3輪不同次數的試驗，試驗次數分別為2萬次、4萬次和直至樣品失效，試驗參數見表3，設備檢測觸頭材料的電壽命、熔焊力、電弧能量、燃弧時間、質量侵蝕率等電性能參數。每組試驗裝配6只模擬繼電器，試驗前對鉚釘觸頭標號、稱重，試驗后對鉚釘觸頭進行清洗、晾干和稱重，并對觸頭進行SEM形貌和金相組織分析。

表3 試驗參數

2 電性能試驗數據分析

2.1 電壽命結果

3種觸頭材料電壽命分布見圖2。由圖2可知，與不含添加劑的AgSnO2In2O3觸頭材料相比，添加劑CuO對材料的電壽命影響不大，而添加劑TeO2明顯提高了材料的電壽命。

圖2 電壽命分布圖

以2萬次和4萬次試驗比較3種觸頭材料的質量侵蝕率（質量侵蝕率為質量總損失除以試驗總次數），圖3和圖4分別為2萬次試驗和4萬次試驗質量侵蝕率折線圖。

圖3 2萬次試驗質量侵蝕率折線圖

圖4 4萬次試驗質量侵蝕率折線圖

2.2 材料質量損失及侵蝕率

由圖3和圖4可知，添加劑對觸頭材料質量侵蝕率影響很大，含添加劑CuO或TeO2的兩種觸頭材料侵蝕率明顯大于不含添加劑的觸頭材料，其原因為觸頭接通和分斷時產生電弧，熱量傳導至觸頭表面，在接觸點形成熔融的金屬液池，在高溫下添加劑TeO2或CuO易分解產生氣體，氣體從熔融的金屬液池中噴出并帶走部分熔融的觸頭材料，因此，含添加劑TeO2或CuO的觸頭材料質量侵蝕率更大。

2.3 熔焊力、電弧能量和燃弧時間

3種觸頭材料的電弧能量均值和熔焊力均值對比見圖5，由圖5可知，與不含添加劑的觸頭材料相比，含添加劑CuO或TeO2的兩種觸頭材料熔焊力均值和電弧能量均值更低。

圖5 電弧能量均值和熔焊力均值對比圖

繼電器失效常發生于其服役早期，以含添加劑TeO2的AgSnO2In2O3觸頭材料為例，檢測了該材料前5000次熔焊力，具體見圖6，由圖6可知，前5000次所有熔焊力的值都小于最大分斷力0.3 N，因此該材料不易發生早期失效。

圖6 含TeO2的觸頭材料前5000次熔焊力分布圖

燃弧時間是評價觸頭材料耐電弧燒蝕的重要參數，本研究比較了這3種材料在2萬次和4萬次試驗的燃弧時間均值，其柱狀圖見圖7。由圖7可知，3種觸頭材料燃弧時間非常接近，即添加劑對觸頭材料的燃弧時間影響不明顯。

圖7 燃弧時間柱狀圖

3 試驗后觸頭材料分析

3.1 試驗后觸頭形貌

3種材料2萬次試驗后觸頭的形貌見表4。通過對比發現，與不含添加劑的觸頭材料相比，含添加劑TeO2或CuO的觸頭周圍飛濺物更多。

表4 2萬次試驗后觸頭形貌

使用掃描電鏡拍攝了4萬次試驗后觸頭的SEM形貌，其形貌圖見表5。由表5可知，試驗后不含添加劑的AgSnO2In2O3觸頭材料表面相對平整，而含添加劑CuO或TeO2的觸頭材料表面分別存在裂紋和孔洞。

表5 4萬次試驗后SEM形貌

3.2 試驗后觸頭金相組織

電弧作用于觸頭表面，接觸點的觸頭材料在電弧熱的作用下呈熔融狀態，并受到洛侖磁力、電場力和自身重力的作用，所以材料出現了不同的組織和侵蝕形貌。2萬次和4萬次試驗后觸頭的金相圖片分別見表6和表7。由表6和表7可知，不含添加劑的AgSnO2In2O3觸頭表面材料在試驗后出現了明顯的Ag聚集和SnO2聚集；而含添加劑CuO或TeO2的兩種觸頭材料聚集程度相對較輕，即添加劑一定程度上減弱了觸頭材料的聚集。

表6 2萬次試驗后觸頭的金相圖片

表7 4萬次試驗后金相圖片

4 結論

在本研究設定的試驗條件下，采用模擬繼電器試驗設備測試不含添加劑的AgSnO2In2O3材料、含添加劑CuO或TeO2材料的電性能，得到如下結論。

（1）與不含添加劑的AgSnO2In2O3材料相比，添加劑CuO對材料的電壽命影響不大，而添加劑TeO2明顯提高了材料的電壽命。

（2）含添加劑TeO2或CuO的兩種觸頭材料質量侵蝕率比不含添加劑的觸頭材料的侵蝕率大。

（3）含添加劑TeO2或CuO的兩種觸頭材料熔焊力和電弧能量比不含添加劑的觸頭材料的低。

（4）添加劑TeO2或CuO可在一定程度上減弱AgSnO2In2O3觸頭材料在試驗過程中出現的Ag聚集和SnO2聚集。