Welchen Einfluss haben die elektrischen Eigenschaften des AgSnO₂-Materials auf magnetische Verriegelungsrelais

I. EINLEITUNG

Viele Forscher haben sich auch mit Kontaktmaterialien für magnetische Verriegelungsrelais befasst. Einige Studien zeigen, dass die Zugabe von WO₃ und CuO zu AgSnO₂-Materialien deren Kriechfestigkeit verbessern kann. CuO reduziert die Gesamtkriechmenge und die stationäre Kriechrate bei einer Spannung von 50 MPa um 55 % bzw. 40 % und verbessert gleichzeitig die Grenzflächenfestigkeit des AgSnO₂-Materials, wodurch die Entstehung und Ausbreitung von Rissen effektiv verringert wird. Andere Studien beschreiben, wie auf Basis des AgSnO₂-Materialverbundsystems die Morphologie und Struktur von SnO₂ gezielt beeinflusst und ein Raumskelettmodell entwickelt wurde, um das Dispersionsproblem von SnO₂ in der Ag-Matrix zu lösen. Die enge Verbindung von Ag und SnO₂ durch die Raumskelettstruktur verhindert das Ablösen von SnO₂ unter Langzeit-Lichtbogenerosion und somit die Leistungsverschlechterung durch SnO₂-Anreicherung an der Oberfläche des Kontaktmaterials. Einige Artikel untersuchten das Verschweißen der Kontakte von Magnetrelais im Betrieb. Das kontinuierliche Schließen und Öffnen der Kontakte verschlechtert während des Relaisbetriebs den Zustand der Kontaktoberfläche und führt zu vermehrtem Prellen beim nachfolgenden Schließvorgang. Mehrfaches Prellen erhöht die Lichtbogenzeit und -energie erheblich. Unter Einwirkung der hohen Lichtbogentemperatur bilden sich auf den beweglichen und statischen Kontakten Schmelzbäder unterschiedlicher Form und Größe. Beim erneuten Schließen des Kontakts kann es, wenn dieser mit einem Schmelzbad in Kontakt kommt, leicht zu statischem Verschweißen und damit zu einer Verklebung und somit zum Ausfall des Relais kommen. Im

praktischen Einsatz von Magnetrelais treten häufig Verschweißungsprobleme aufgrund von Kontaktverklebungen auf. In dieser Arbeit werden die simulierten elektrischen Leistungsparameter von herkömmlichen Silberzinnoxid-Materialien und Materialien, die durch spezielle Verfahren hergestellt wurden, untersucht. Zu den untersuchten Parametern gehören Lichtbogenzeit, Lichtbogenenergie, Schweißkraft und die Morphologie der Kontaktoberfläche nach dem Test. Die Ergebnisse sollen eine nützliche Referenz für die Forschung und Entwicklung von elektrischen Kontaktmaterialien für Magnetrelais liefern.

II. WEITERE EINLEITUNGEN

1. Prüfverfahren und Prozess:
Die Voroxidationsmethode ist eines der gängigsten Verfahren zur Herstellung von Silberzinnoxid-Kontaktmaterialien. Die so hergestellten Materialien weisen eine gute Durchbrennbeständigkeit und Schaltfestigkeit auf und finden breite Anwendung im Bereich magnetischer Verriegelungsrelais.

Durch die Optimierung konnte die Härte des Materials um ca. 10 HV, die Zugfestigkeit um ca. 15 MPa und die Bruchdehnung um 9 % erhöht werden. Der spezifische Widerstand lag um 0,0 μΩ·cm über dem des herkömmlichen Materials.



Die Materialaufbereitung erfolgte wie folgt: Das Rohmaterial wurde geschmolzen, anschließend wasseratomisiert und zu Pulver vermahlen. Danach wurde es getrocknet, voroxidiert, isostatisch gepresst und zu einem Rohling geformt. Anschließend wurde es extrudiert und gezogen, um den gewünschten Draht mit einem Durchmesser von φ1,9 mm (weich) zu erhalten. Der Ablauf der Voroxidation war: Schmelzen → Wasseratomisierung und Pulverisierung → Pulveroxidation → isostatisches Pressen → Extrusion → Ziehen des fertigen Produkts.

Die Mikrostruktur von AgSnO₂ wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht und analysiert. Die Dichte wurde mit dem Wasserverdrängungsverfahren bestimmt, die Härte mit einem Härteprüfgerät MICROH ARD-NESS MHV2000, die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung mit einer Materialprüfmaschine LJ-1000 und der spezifische Widerstand mit einem intelligenten Gleichstrom-Widerstandsmessgerät TH2512B.

Parallel dazu wurden die elektrischen Eigenschaften mit einem in Zusammenarbeit mit einer chinesischen Universität entwickelten elektrischen Lebensdauersimulationsgerät für Kontaktmaterialien geprüft. Die Simulationsanlage zur Prüfung elektrischer Eigenschaften des neuen Modells ist in der folgenden Abbildung dargestellt: Sie besteht im Wesentlichen aus XYZ-Verschiebern mit drei Achsen, einem Antriebssystem aus direktwirkendem Elektromagneten und Schubstange, einem elektromagnetischen Hubpositioniergestänge und einem Relaisgehäuse. Das System ermöglicht die Einstellung des Arbeitspunktes der Schubstange durch Verstellen der Verschieber in Z- und Y-Richtung. Der Verschieber in X-Richtung des elektromagnetischen Hubpositioniergestänges steuert den Endanschlag und somit den Leerlauf und den Überhub der Schubstange. Die Positioniergenauigkeit beträgt 10 µm. Die Anlage kann das Kontaktfedersystem verschiedener Relais für Simulationstests problemlos ersetzen und gleichzeitig Kontaktspannung, Stromstärke und Schweißkraft messen.


Alle oben genannten Testdaten, einschließlich Kontaktspannung, Kontaktstrom und dynamischer Kraft, werden mit dem kommerziellen Datenerfassungssystem (PCI1706, Advantech, Taiwan) erfasst, das eine Messauflösung von 16 Bit und eine Abtastfrequenz von 250 kHz aufweist. Das Gerät ist über die serielle Schnittstelle RS232 mit einem PC verbunden. Die Datenerfassung und -protokollierung werden von einem PC mithilfe der speziell dafür entwickelten Software LabVIEW gesteuert.



2. Testergebnisse und Diskussion
Zunächst wurden die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des herkömmlichen und des verbesserten Materials verglichen. Die spezifischen Daten sind in Tabelle 3 dargestellt. Es zeigte sich, dass die Härte und Zugfestigkeit des verbesserten Materials verbessert wurden, die Dehnung jedoch geringer war als die des herkömmlichen Materials.

Nach der Verbesserung erhöhte sich die Härte des Materials um etwa 10 HV, die Zugfestigkeit um etwa 15 MPa, die Dehnung verringerte sich um 9 % und der spezifische Widerstand war um 0,04 μΩ·cm höher als der des herkömmlichen Materials.




Abbildung 2 zeigt einen Vergleich der Mikrostrukturen von konventionellen und speziellen Werkstoffen. Es ist ersichtlich, dass die Oxidpartikel des herkömmlichen Werkstoffs relativ grob sind und die meisten Partikel größer als 1 μm sind, während die Oxidpartikel des in dieser Studie verbesserten Werkstoffs relativ fein sind und die meisten Partikel kleiner als 1 μm sind. Gemäß der bestehenden materialwissenschaftlichen Forschung kann die Zugabe einer zweiten Phase zu einem Metall dessen Festigkeit erhöhen. In dieser Studie war die Oxidpartikelgröße des konventionellen Werkstoffs größer, während die Partikelgröße des modifizierten Werkstoffs kleiner war und die meisten Partikel kleiner als 1 μm waren. Nach dem Prinzip der Dispersionshärtung erhöhen feine Partikel die Härte, Zugfestigkeit und andere Werkstoffeigenschaften. Daher waren die Härte und Zugfestigkeit der in dieser Studie hergestellten Werkstoffe höher als die von konventionellen Werkstoffen, ihre Dehnung jedoch geringer.

Die elektrischen Eigenschaften der beiden Materialien wurden in den Tabellen 4 und 5 verglichen. Das 95%-Konfidenzintervall der Weibull-Kurve für die simulierte elektrische Lebensdauer der konventionellen und der speziellen Materialien betrug 56.003 bzw. 118.161 Mal. Die durchschnittliche elektrische Lebensdauer des verbesserten Materials war etwa 62.158 Mal höher als die des konventionellen Materials. Tabelle 5 zeigt, dass die Relais-Testergebnisse für das herkömmliche und das verbesserte Material 3.664 bzw. 11.204 Mal höher waren. Die elektrische Lebensdauer des verbesserten Materials war somit etwa 7.540 Mal höher als die des konventionellen Materials. Aus den Daten geht hervor, dass die simulierte elektrische Leistung des verbesserten Materials und die tatsächliche elektrische Lebensdauer des Relais besser waren als die des herkömmlichen Materials. Beide Materialien zeigten im simulierten Test das gleiche Lebensdauerverhalten wie im realen Relais-Test. Daher können die Unterschiede zwischen den beiden Materialien anhand der Daten aus simulierten elektrischen Leistungstests detailliert untersucht werden.






Um die Gründe für die Unterschiede in der elektrischen Leistungsfähigkeit konventioneller und verbesserter Werkstoffe in simulierten elektrischen Eigenschaften- und Relaisprüfungen besser zu verstehen und ein umfassenderes Verständnis der Lichtbogencharakteristik zu erlangen, wurden in dieser Arbeit traditionelle und verbesserte Werkstoffe mit simulierten elektrischen Lebensdauern von 55.412 bzw. 102.546 Zyklen ausgewählt und Lichtbogenenergie, Lichtbogendauer, Schweißkraft und Kontaktmorphologie nach dem Durchbrennen verglichen und untersucht.

Abbildung 3 zeigt den Vergleich von Lichtbogenenergie, Lichtbogendauer und Schweißkraft des traditionellen und des verbesserten Werkstoffs in der simulierten elektrischen Leistungsprüfung. Aus der Abbildung geht hervor, dass die Lichtbogenenergie des verbesserten Werkstoffs bei gleichem Stromniveau innerhalb des 95%-Konfidenzintervalls 3050,59 mJ betrug, während die Lichtbogenenergie des traditionellen Werkstoffs 2950 mJ betrug. Die Lichtbogendauer des verbesserten Werkstoffs lag innerhalb des 95%-Konfidenzintervalls bei 8,801 ms, die des traditionellen Werkstoffs bei 8,764 ms. Der Unterschied in der Schweißkraft war innerhalb des 95%-Konfidenzintervalls deutlich erkennbar. Die Schweißkraft des verbesserten Materials betrug 0,015 N, die des herkömmlichen Materials 0,124 N. Dies ist auf die höhere Härte des verbesserten Materials zurückzuführen, wodurch die Schweißleistung der Kontaktstellen im Kontaktzustand deutlich verbessert wird.



Abbildung 4 zeigt die Oberflächenmorphologie des Kontakts nach dem Lichtbogenbrand im simulierten elektrischen Leistungstest. Wie aus Abbildung 4 ersichtlich, weist die mit dem herkömmlichen Material präparierte Kontaktoberfläche deutliche Abtragsspuren auf. Gleichzeitig tritt am Kontaktrand ein großflächiger Einbruch auf, was die elektrische Lebensdauer des Kontakts beeinträchtigt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die elektrische Lebensdauer des verbesserten Materials besser war als die des herkömmlichen Materials. Aufgrund seiner geringen Härte weisen die aus herkömmlichen Materialien gefertigten Kontakte im Betrieb unter wiederholter Einwirkung hoher Ströme eine schlechtere Verschleißfestigkeit auf als die der verbesserten Materialien. Dadurch entstehen in der Mitte der Kontaktfläche großflächige Vertiefungen. Das Material im Kontaktbereich wird verbraucht, und es kommt zu zahlreichen Einbrüchen am Rand. Dies beeinträchtigt die Gesamtstruktur des Nietkontakts, reduziert dessen Bruchfestigkeit und führt schließlich zum Versagen der Verbindung.



Den obigen Testergebnissen zufolge war die Verbesserung der elektrischen Verschleißfestigkeit des Kontaktmaterials bei magnetischen Verriegelungsrelais eine der wichtigsten Forschungsrichtungen zur Verlängerung der Lebensdauer des Materials. Gleichzeitig war es angesichts unterschiedlicher Lastbedingungen und Relaisstrukturen notwendig, das Verhältnis der Additive weiter zu untersuchen und anzupassen, um das Schaltverhalten und die Beständigkeit gegen Verschweißen des Materials zu verbessern.

III. SCHLUSSFOLGERUNG

Auf Grundlage der oben dargestellten Ergebnisse und Diskussionen wurden folgende Schlussfolgerungen gezogen:

1. Im Vergleich zum herkömmlichen Material weist das verbesserte Material eine höhere Härte, eine höhere Zugfestigkeit, eine geringere Dehnung und einen höheren spezifischen Widerstand auf.
2. Das 95%-Konfidenzintervall der Weibull-Kurve zeigt, dass die simulierten elektrischen Lebensdauern des herkömmlichen Materials und des verbesserten Materials das 56003-fache bzw. 118161-fache betrugen.
3. Das Versagen herkömmlicher Werkstoffe war auf die geringe elektrische Verschleißfestigkeit aufgrund der niedrigeren Härte der Kontakte zurückzuführen. Unter der wiederholten Einwirkung hoher Ströme bildeten sich großflächige Abtragungsnarben in der Mitte der Arbeitsfläche. Ein Teil des Kontaktmaterials wurde verbraucht, und es kam zu zahlreichen Ausbrüchen am Kontaktrand, was die Gesamtstruktur des Nietkontakts beeinträchtigte und dessen Bruchfestigkeit verringerte. Dank seiner besseren elektrischen Verschleißfestigkeit konnte der verbesserte Werkstoff jedoch eine höhere Lebensdauer erreichen, bevor es zum Ausfall kam.
4. Die höhere Härte des verbesserten Materials konnte die elektrische Verschleißfestigkeit des Kontakts erhöhen und den Materialverlust an der Kontaktfläche unter hohen Stromstärken reduzieren. Gleichzeitig verbesserte der hohe Additivgehalt die Beständigkeit des Materials gegen Verschmelzen beim Schweißen. Daher zeigte es unter simulierten elektrischen Lebensdauerbedingungen eine deutlich bessere elektrische Leistung.