Wie beeinflusst das Kontaktmaterial AgSnO2 die elektrische Leistung des Leistungsrelais?

1. EINLEITUNG

Die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Leistungsrelais spielen in elektrischen Geräten eine entscheidende Rolle. Wenn ein Leistungsrelais unter abgedichteten, kapazitiven und induktiven Bedingungen arbeitet, ist die durch den Strom verursachte Lichtbogenenergie sehr hoch und die Wärme wird nur schwer übertragen. Dies kann leicht zu einem Schmelzen der Kontakte bei der Erstinbetriebnahme führen und so einen Relaisausfall verursachen. In schweren Fällen kann es zu Feuer oder anderen schwerwiegenden Folgen kommen. Daher war die Untersuchung der Schmelzschweißbeständigkeit von elektrischen Kontaktmaterialien von großer Bedeutung.

In der Industrie für elektrische Kontaktmaterialien haben Ingenieure auch Kontaktmaterialien für Leistungsrelais erforscht. Mit steigendem Cu-Gehalt in AgSnO2-Materialien verändert sich die Mikrostruktur allmählich von kurzen, whiskerartigen Oxiden zu dünnen, faserartigen Strukturen. Wenn der Cu-Gehalt jedoch 6,8 % übersteigt, tritt innerhalb der Organisation ein Phänomen der „Auflösungsseigerung" auf, bei dem sich eine große Menge von Oxidpartikeln an Korngrenzen ansammelt und die Größe der Mikrostruktur zunimmt. Einige Wissenschaftler weisen darauf hin, dass mit zunehmender Lichtbogenwurzeldichte auch die Lichtbogenenergie zunimmt, was zu größeren und tieferen Erosionskratern im SnO2-Aggregatbereich führt. Wie bereits erwähnt, konzentrieren sich viele Lichtbögen im selben Bereich, was zu einem schnellen Temperaturanstieg in diesem Bereich und einer langen Unfähigkeit zur Ableitung führt. Aufgrund des relativ niedrigen Schmelzpunkts von Ag (961 °C) schmelzen die Ag-Partikel in der Nähe der Agglomerationszone und bilden ein Schmelzbad, wodurch unter der kombinierten Wirkung von Lichtbogenhitze und -kraft viele Ag-Tropfen spritzen.

Beim praktischen Einsatz von abgedichteten Leistungsrelais treten häufig Schweißprobleme auf, die durch die Kontaktverklebung verursacht werden. Dieser Artikel soll nützliche Referenzen für die Entwicklung von elektrischen Kontaktmaterialien für Leistungsrelais liefern, indem die simulierten elektrischen Leistungsparameter zwischen Materialien mit unterschiedlichem Oxidgehalt untersucht werden, darunter Zeit, Lichtbogenenergie, Schweißkraft und morphologische Eigenschaften der Kontaktoberfläche nach dem Test.

2. TESTVERFAHREN UND -METHODEN

Die Methode der inneren Oxidation von Legierungen war eine der am häufigsten verwendeten Methoden zur Herstellung von elektrischen Kontaktmaterialien aus Silberzinnoxid. Die mit diesem Verfahren hergestellten Materialien weisen eine gute Beständigkeit gegen Abbrand und Schmelzschweißen auf und finden breite Anwendung in den Produkten verschiedener Relaishersteller in China. In

diesem Artikel wird die Methode der inneren Oxidation von Legierungen verwendet, um drei Materialien herzustellen und die Eigenschaften der beiden Materialien zu vergleichen. Die genauen Komponenten sind in Tabelle 1 aufgeführt. Anschließend wurden aus den drei Materialien nietenförmige Kontakte hergestellt und die elektrische Leistung auf einer simulierten Prüfmaschine für elektrische Leistung getestet. Die drei Kontaktpunkte wurden zu Leistungsrelais zusammengebaut und die elektrische Lebensdauer getestet.

Kategorie	Komponente (Gew.-%)			Hinweise
	Bei	SnO 2	Zusatzstoffe
1#	90	Bleiben	1	-
2#	86	Bleiben	1	-
3#	84	Bleiben	1	-

Der Herstellungsprozess der Probenmaterialien in dieser Studie verlief wie folgt: Die Rohstoffe wurden geschmolzen und dann heiß extrudiert, um eine AgSn-Legierung herzustellen, die dann einem Legierungsziehen, Legierungsschneiden, einer Ölentfernungsbehandlung, innerer Oxidation, Barrenpressen, Sintern, AgSnO2-Warmextrusion und Ziehen des fertigen Produkts unterzogen wurde, um die erforderlichen Spezifikationen eines Drahtes mit φ1,92 [weichem Zustand] herzustellen. Die Mikrostruktur von AgSnO2 wurde mithilfe von SEM-Rasterelektronenmikroskopie analysiert, die Dichte mithilfe der Drainagemethode gemessen, die Härte mithilfe des Härteprüfgeräts MICROH ARD-NESS MHV2000 gemessen, Zugfestigkeit und Dehnung mithilfe der Materialprüfmaschine LJ-1000 gemessen und der elektrische Widerstand mithilfe des intelligenten Gleichstrom-Widerstandsprüfgeräts TH2512B gemessen und in spezifischen elektrischen Widerstand umgerechnet.

Verwenden Sie eine Nietmaschine, um den in den obigen Schritten erhaltenen Draht kalt auf eine Spezifikation von R4 × 0,79 + 2 × 0,55 Nietkontakten zu stauchen Gleichzeitig wurde die Ausrüstung zur Simulation der elektrischen Leistung mithilfe einer in Zusammenarbeit mit einheimischen Universitäten entwickelten Testmaschine zur Simulation der elektrischen Lebensdauer von Kontaktmaterialien getestet. Die in Abbildung 1 dargestellte Testvorrichtung zur Simulation der elektrischen Leistung besteht im Wesentlichen aus einem dreiachsigen XYZ-Verschiebetisch, einem Antriebsmechanismus bestehend aus einem direkt wirkenden Elektromagneten und einer Schubstange, einem elektromagnetischen Wegbegrenzungsmechanismus und einer Relaisbasisgruppe. Das System kann den Angriffspunkt der Schubstange durch Verstellen der Z- und Y-Achsen-Verschiebetische einstellen und den Steuerbegrenzungsblock des elektromagnetischen Wegbegrenzungsmechanismus für die X-Achsen-Verschiebung des Schiebetisches anpassen, wodurch Leerlauf und Nachlauf der Schubstange eingestellt werden. Die Positionseinstellungsgenauigkeit beträgt jeweils 10 μm. Das Gerät kann für Simulationstests bequem die Kontaktfedersysteme verschiedener Relais ersetzen und Kontaktspannung, Strom und Schweißkraft synchron messen. Tabelle 2 zeigt die Testbedingungen zur Simulation der elektrischen Leistung.

Kategorie	Wechselspannung	Wechselstrom	Öffnungs- und Schließfrequenz	Lasttyp	Hinweise
Simulierte elektrische Leistungstestbedingungen	250 V Wechselstrom	15A	1s, an	Ohmsche Last	-
			1 s, aus		-
Testbedingungen für die elektrische Lebensdauer		16A	5s, an		-
			5 s, aus		-

3. TESTERGEBNISSE UND ANALYSE

Zunächst wurden die mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Materialien mit unterschiedlichem Oxidgehalt verglichen. Die spezifischen Daten sind in Tabelle 3 dargestellt. Es zeigte sich, dass Material 1# den niedrigsten elektrischen Widerstand aufweist und eine um etwa 0,06 g/cm3 höhere Dichte als Material 2# aufweist. Die Dehnung war mit 29 % die höchste der drei Materialien.

Kategorie	Zugfestigkeit (MPa)	Dehnungsrate (%)	Spezifischer Widerstand （μΩ.cm）	Dichte (g/cm 3 )	Härte
1#	341	29	2.29	9,86	103
2#	344	24	2.41	9,80	110
3#	340	20	2,65	9,82	105

Abbildung 2 zeigt die Mikrostruktur von Materialien mit unterschiedlichem Oxidgehalt. Auf den SEM-Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen ist zu erkennen, dass die Oxidpartikel gleichmäßig in der Silbermatrix verteilt sind und die Oxidpartikelgrößen der drei Materialien ähnlich sind, wobei die meisten Partikel im Bereich von 1 μm liegen. Theoretischen Untersuchungen in der Materialwissenschaft zufolge kann die Zugabe einer zweiten Phasenkomponente zu einem Metall das Grundmetall stärken. Das Prinzip besteht darin, durch verteilte Partikelstrukturen die Bewegung von Versetzungen zu behindern und so die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Grundmaterials zu verbessern. In diesem Experiment verbesserten sich mit zunehmendem Oxidgehalt Härte, Zugfestigkeit und andere Parameter des Materials, die Dehnung des Materials zeigte jedoch das gegenteilige Muster.


Der Vergleich der elektrischen Leistung der drei Materialien ist in den Tabellen 4 und 5 dargestellt. Innerhalb des 95%-Vertrauensintervalls betrug die elektrische Lebensdauer der drei Materialien mit unterschiedlichem Oxidgehalt das 39342-, 89314- bzw. 29345-fache. Die durchschnittliche elektrische Lebensdauer von Material 2# war etwa 62000-mal höher als die von Material 1#. Aus Tabelle 5 ist ersichtlich, dass das Material mit dem 2#-Gehalt in tatsächlichen Tests der elektrischen Lebensdauer von Relais ein Testergebnis von etwa 94000 elektrischen Lebensdauern innerhalb des 95%-Vertrauensintervalls erreichte.

Aus den obigen Daten ist ersichtlich, dass das hergestellte elektrische Kontaktmaterial gute Ergebnisse im Test der elektrischen Lebensdauer zeigt, wenn der Oxidgehalt einen bestimmten Anteil erreicht. Die drei Materialien zeigen im tatsächlichen Test das gleiche elektrische Lebensdauermuster wie die Simulationsprüfmaschine. Der nächste Schritt bestand darin, die aus dem simulierten Test der elektrischen Leistung erfassten Daten zu verwenden, um die Unterschiede zwischen den drei Materialien zu vergleichen.

Kategorie	1	2	3	4	5	p0,95
1#	45265	46859	39685	44586	42598	39342
2#	99865	102562	100000	114785	102156	89314
3#	32562	41205	39568	34785	33568	29345

Kategorie	1	2	3	4	5	p0,95
1#	33026	28965	30254	29856	32564	26073
2#	102564	112563	105989	103654	100000	94426
3#	20356	25468	30215	31025	26874	20293

Um die genauen Gründe für die unterschiedlichen elektrischen Leistungen dreier Materialien mit unterschiedlichem Oxidgehalt bei simulierten Maschinentests und tatsächlichen Relaistests zu klären und die Eigenschaften der Erosion elektrischer Kontaktmaterialien während des Betriebs zu verstehen, wurden in diesem Artikel Materialien mit unterschiedlichem Oxidgehalt bei simulierten Tests der elektrischen Leistung ausgewählt, die 39.685-mal, 100.000-mal und 39.568-mal durchgeführt wurden. Die Ergebnisse zeigten eine vergleichende Studie der vier Parameter der Oberflächenmorphologie nach dem Kontakttest hinsichtlich Lichtbogenenergie, Lichtbogenzeit und Schweißkraft.

Abbildung 3 zeigt den Vergleich von Lichtbogenenergie, Lichtbogenzeit und Schweißkraft von Materialien mit unterschiedlichem Oxidgehalt bei simulierten Tests der elektrischen Leistung. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass unter gleichen Stromstärkebedingungen die Spitzenlichtbogenenergie von Material mit 1#-Inhalt etwa 3000 mJ betrug, von Material mit 2#-Inhalt 3100 mJ, von Material mit 3#-Inhalt 3500 mJ und von Material mit 3#-Inhalt am höchsten war und 10 ms erreichte. Die Schmelzschweißkraft von Material mit 1#-Inhalt war am höchsten, was daran lag, dass mit zunehmendem Oxidgehalt des Materials auch der Materialwiderstand zunahm und die während des Testprozesses erzeugte Wärme ebenfalls zunahm, was sich letztendlich in unterschiedlicher Lichtbogenenergie und Lichtbogenzeit manifestierte.


Abbildung 4 zeigt die Oberflächenmorphologie der Kontakte nach dem Lichtbogenbrennen im simulierten elektrischen Leistungstest. Abbildung 4 zeigt, dass die Oberfläche des beweglichen Kontakts des Materials 2 nach dem Kontakttest relativ flach war. Darüber hinaus wiesen die Oberflächen der beiden anderen Materialien nach dem beweglichen Kontakttest deutliche Brandlöcher und anhaftende Silberflecken auf. Gleichzeitig kam es zu einem gewissen Einbruch an der Kontaktkante, was die elektrische Leistung der Kontakte beeinträchtigt.


Der obige Forschungsvergleich zeigt, dass die verschiedenen physikalischen Eigenschaften des elektrischen Kontaktmaterials Silberzinnoxid bei einem Oxidgehalt von 14 % relativ hervorragend sind. Aufgrund der hochschmelzenden Komponenten und der hohen Härte ist die Beständigkeit des Kontakts gegen Schmelzen und elektrischen Verschleiß unter Laststrom im Betrieb den beiden anderen Materialien überlegen. Material Nr. 1 weist aufgrund seines geringen Anteils an hochschmelzenden Oxidkomponenten eine schlechte Lichtbogenverschleißfestigkeit auf. Steigt der Oxidgehalt jedoch auf 16 %, erhöht sich aufgrund des übermäßigen Gehalts an Zweitphasenkomponenten der elektrische Widerstand des Materials deutlich. Im Test zeigt es eine schlechte Antibonding-Leistung, was die Leitfähigkeit der Kontakte beeinträchtigt und letztendlich zu Bondfehlern führt.

Basierend auf den obigen Versuchsergebnissen ist die Verbesserung der elektrischen Verschleißfestigkeit und der Haftfestigkeit von Kontaktmaterialien in Leistungsrelais eines der Hauptthemen zur Verlängerung der elektrischen Lebensdauer der Materialien. Gleichzeitig sind unter Berücksichtigung unterschiedlicher Lastbedingungen und Relaisstrukturen weitere Forschungen erforderlich, um den Anteil der Additive anzupassen und so die Schaltleistung und die Beständigkeit gegen Schmelzschweißen des Materials zu verbessern.

4. SCHLUSSFOLGERUNG

(1) Mit zunehmendem Oxidgehalt nehmen Zugfestigkeit und spezifischer Widerstand des Materials deutlich zu, während die Dehnung abnimmt.

(2) Das 95-%-Vertrauensintervall der Weibull-Kurve zeigt, dass elektrische Kontaktmaterialien aus Silberzinnoxid bei einem Oxidgehalt von 14 % die beste elektrische Lebensdauer auf der Prüfmaschine aufweisen, nämlich etwa 89.000-mal so lange.

(3) Bei der Prüfung von Leistungsrelais ist der Temperaturanstieg der Kontakte bei relativ hohem spezifischen Widerstand des Materials stark, was zu frühzeitiger Kontakthaftung und damit zu Ausfällen führen kann.

(4) Bei der Materialentwicklung müssen die tatsächlichen Prüfbedingungen und Einsatzszenarien des Elektrogeräts berücksichtigt und geeignete elektrische Kontaktmaterialien mit Silbergehalt ausgewählt werden.