Wie stärkt AgCdO mit hohem Oxidgehalt die GMC-Schütze?

Angesichts der zunehmenden Umweltschutzanforderungen und des Silberpreisdrucks ist jedoch die Forschung und Entwicklung silbersparender, leistungsstarker AgCdO-Kontaktmaterialien in den Mittelpunkt der Industrieforschung gerückt. Forscher von Fudar Alloy haben die Anwendung und Leistung eines AgCdO-Kontaktmaterials mit hohem Oxidgehalt in GMC-50-AC-Schützen untersucht.

Warum sollte man AgCdO-Materialien mit hohem Oxidgehalt wählen?

AgCdO-Kontaktmaterial hat folgende Vorteile:

1. Starkes Antischmelzschweißen: Verhindert effektiv das Verkleben von Kontakten und verlängert die Lebensdauer der Ausrüstung.

2. Stabile elektrische Eigenschaften: Niedriger Kontaktwiderstand gewährleistet eine effiziente Stromübertragung.

3. Beständigkeit gegen Lichtbogenerosion: Die Kontaktoberfläche behält auch in Umgebungen mit hohem Strom eine gute Integrität.

Um den Silbergehalt weiter zu reduzieren und gleichzeitig die elektrischen Eigenschaften zu verbessern, fügten die Forscher dem herkömmlichen AgCdO-Material Spuren von Sn (Zinn) hinzu und optimierten die Organisation des Kontakts durch einen internen Oxidationsprozess.

Entwicklung von AgCdO-Materialien mit hohem Oxidgehalt

1. Die Rolle des hinzugefügten Sn-Elements
SnO₂-Partikel haben eine ausgezeichnete thermische Stabilität und können die Aggregation von CdO (Cadmiumoxid) an Korngrenzen reduzieren, wodurch verhindert wird, dass die Aggregation von Oxiden an den Korngrenzen zu Leistungseinbußen führt. Sn und CdO spielen eine ergänzende Rolle, um die Beständigkeit des Materials gegen Ausbrennen und Schmelzschweißen weiter zu verbessern. Die für diesen Test gewählte endgültige Formulierung ist in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1:

NEIN.	Bei	JEDER	SnO2+T
1#	Gleichgewicht	15	1.5
2#	Gleichgewicht	17	2
3#	Gleichgewicht	17	2.5

2. Leistungsvergleich des gleichen Materials bei unterschiedlichen internen Oxidationsprozessen
Um einen geeigneten internen Oxidationsprozess auszuwählen, wird zunächst Material 1# unter unterschiedlichen internen Oxidationsbedingungen oxidiert und die physikalischen Eigenschaften der Kontakte werden verglichen, um einen geeigneten Oxidationsprozess auszuwählen.

Tabelle 2:

NEIN.	Temperatur (℃)	Sauerstoffdruck (MPa)	Zeit (h)
Technologie A	700	0,5	—
TechnologieB	700	0,8	—
Technologie	750	0,8	—

Das Testmaterial Nr. 1 wurde unter den oben genannten Bedingungen einige Zeit lang innerlich oxidiert, bis die Probe oxidiert war. Die physikalischen Eigenschaften und die metallografische Anordnung der Kontakte wurden nach der Oxidation verglichen.

Metallografische Struktur

Die Kontaktkorngrenzen in Abb. 1 sind deutlich zu erkennen, was darauf hinweist, dass während des Oxidationsprozesses einige Oxide an den Korngrenzen abgeschieden werden; in Abb. 2 sind die Korngrenzen fein und es werden weniger Oxide an den Korngrenzen abgeschieden, und die Diffusionsrate von Cd wird bei höherem Sauerstoffdruck beschleunigt und die Oxidplasmen sind gleichmäßig innerhalb der Korngrenzen verteilt; in Abb. 3 sind die Korngrenzen unauffälliger und die Oxidpartikel in den Kontaktkorngrenzen werden gröber abgeschieden, was darauf hindeutet, dass eine Erhöhung von Temperatur und Druck die Cd-Diffusion beschleunigen kann, während bei höheren Temperaturen die abgeschiedenen Oxidpartikel gröber werden.

3. Optimierung von Technologien zur internen Oxidation
Die Studie vergleicht drei interne Oxidationsprozesse (A, B und C) zur Behandlung von AgCdO-Materialien bei unterschiedlichen Temperaturen und Sauerstoffdrücken und kommt letztendlich zu folgendem Ergebnis:

Härte

	Härte (HV0,3)
Technologie A	101
Technologie B	98
Technologie C	97

Die Härte des Testmaterials Nr. 1 unterschied sich zwischen den drei Oxidationsprozessen kaum.

Elektrischer Widerstand

	Elektrischer Widerstand (µΩ·cm)
Technologie A	3.12
Technologie B	2,91
Technologie C	2,76

Der niedrigste elektrische Widerstand bei Technologie C für interne Oxidation ist darauf zurückzuführen, dass die Korngrenzen der Kontakte bei Technologie C am wenigsten ausgeprägt sind, während Technologie A die höchste Verteilung von Kornoxiden aufweist.

Bei Technologie C, 750 °C und einem Sauerstoffdruck von 0,8 MPa sind die Oxidpartikel gleichmäßig verteilt und die Kontakthärte und der spezifische Widerstand zeigen die beste Leistung. Mit dieser Technologie konnte die Lichtbogenerosion der Kontakte erheblich verringert werden, während die elektrischen Eigenschaften stabil blieben.

4. Vergleich der Leistung verschiedener Materialien bei derselben Technologie für interne Oxidation
Der Prozess der internen Oxidation wurde unter Verwendung von Technologie C ausgewählt. Drei Testmaterialproben wurden im selben Ofen einer internen Oxidation unterzogen und die Leistung verschiedener Materialformulierungen unter diesen Oxidationsbedingungen verglichen.

Metallografische Struktur

Bei derselben Oxidationstechnologie C variiert die metallografische Organisation nach der Oxidation innerhalb verschiedener Formulierungen erheblich. Im Vergleich zu Abb. 4 ist die nadelartige Ausfällung von Oxidpartikeln in Abb. 5 deutlicher, und eine solche geordnete Anordnung nadelförmiger Oxide kann die Rolle der Faserverstärkung spielen, was zu einer besseren Durchbrennbeständigkeit des Materials führt. In Abb. 6 trat nach der Oxidation der Formulierung 3# eine starke Oxidaggregation auf, die die weitere Oxidation des Materials verhinderte, und aus der metallografischen Struktur ist ersichtlich, dass sich der Oxidaggregationsbereich um die Korngrenzen herum befindet. Beim Gießen bevorzugt Sn die Abscheidung von Cd an den Korngrenzen. Wenn der Sn-Gehalt jedoch höher ist, scheidet sich ein Teil des Sn in der Nähe der Korngrenze ab, sodass im Prozess der inneren Oxidation die Diffusion von Sauerstoff von der Korngrenze ins Innere der Korngrenze verlangsamt wird. In der Umgebung der Korngrenze reagiert es mit Cd und Sn und bildet Oxide. Im Verlauf der Oxidation wird das Phänomen der Oxidaggregation schwerwiegender und der Durchgang von Sauerstoffatomen wird schwieriger. Schließlich bildet sich wie in Abb. 6 gezeigt eine schwerwiegende Aggregation in der Nähe der Korngrenzen, wodurch der innere Oxidationsprozess nicht fortgesetzt werden kann und die metallografische Organisation nicht fortgesetzt werden kann. Ein solches Phänomen kann durch Erhöhen des Sauerstoffdrucks erreicht werden, um eine reibungslose Oxidation zu erreichen. Aufgrund der Einschränkungen der inländischen Ausrüstung kann jedoch kein Oxidationstest unter einem höheren Druck durchgeführt werden.

Härte

	Härte (HV0,3)
Formulierung 1#	104
Formulierung 2#	97,4

Da die Formulierung 3# nicht erfolgreich oxidiert werden konnte, wurde die Härte nur für die Formulierungen 1# und 2 getestet, die sich nicht sehr voneinander unterschieden.

Elektrischer Widerstand

	Elektrischer Widerstand y (μΩ·cm)
Formulierung 1#	2,76
Formulierung 2#	2,92

Der spezifische Widerstand wurde für Formulierung 3# nicht getestet, da er nicht erfolgreich oxidiert werden konnte. Aus den Daten ist ersichtlich, dass der spezifische Widerstand von Formulierung 2# hoch ist, was auf den höheren Oxidgehalt von Formulierung 2# zurückzuführen ist.

Durch Vergleich der metallografischen Organisation, Härte und des spezifischen Widerstands und unter Berücksichtigung des Silbergehalts der Formulierung wurde Formulierung 2# für die Formulierung der AC-Schützversorgungsproben der GMC-Serie ausgewählt, während Technologie C für den internen Oxidationsprozess ausgewählt wurde.

Prüfung und Verifizierung der Materialleistung

Im GMC-50 AC-Schütz wurden die folgenden Leistungstests mit dem entwickelten Kontaktmaterial AgCdO mit hohem Oxidgehalt bei Temperaturen zwischen 5 °C und 35 °C, einer relativen Luftfeuchtigkeit von weniger als 85 % und einer Höhe von weniger als 2.000 Metern durchgeführt:

1. Temperaturanstiegstest

Verdrahtungsstecker	Temperatur vor dem Test	Temperatur nach dem Test	Vergleichsindex	Temperaturanstieg	Ergebnis
R	30.2	72,7	<70.000	42,5	OK
S	30.3	74,4		44.1	OK
T	30.3	80.1		49,8	OK
IN	30.2	72,4		42.1	OK
V	30.3	82,6		52,3	OK
IN	30.1	77,0		46,9	OK

Wie aus der obigen Tabelle ersichtlich, wurden die Proben mit Nennstrom betrieben und die gemessenen Temperaturanstiege lagen alle unter 70 K, was den Konstruktionsanforderungen entspricht.

2. Elektrischer Lebensdauertest
Tatsächliche Testschaltungsbedingungen

Prüfspannung (V)	Prüfstrom (A)	Leistungsfaktor	Einschaltzeit (ms)	Ausschaltzeit (ms)
450	192	0,35	100	9000

Unter AC-4-Testbedingungen (Spannung 450 V, Strom 192 A) erreichten die Proben eine elektrische Lebensdauer von über 56.000 Zyklen.

3. Anschluss- und Unterbrechungstests

Anschlusstest
Tatsächlicher Test Schaltungsbedingungen

Prüfspannung (V)	Prüfstrom (A)	Leistungsfaktor	Einschaltzeit (ms)	Ausschaltzeit (ms)
450	384	0,45	100	9000

Anschluss- und Unterbrechungstest

Tatsächliche Testschaltungsbedingungen

Prüfspannung (V)	Prüfstrom (A)	Leistungsfaktor	Einschaltzeit (ms)	Ausschaltzeit (ms)
450	320	0,45	100	9000

Nach 50 Zyklen hochintensiver Ein- und Ausschalttests zeigt die Kontaktoberfläche keine offensichtlichen Verbrennungen oder Anomalien und die Leistung ist stabil.

4. Dauertest
Tatsächliche Testschaltungsbedingungen

Prüfspannung (V)	Prüfstrom (A)	Leistungsfaktor	Einschaltzeit (ms)	Ausschaltzeit (ms)
450	192	0,45	100	9000

Die Isolationsfestigkeit und Spannungsfestigkeit der Proben erfüllen die Anforderungen nach 6.000 aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen unter den vereinbarten Betriebsbedingungen.

Anwendungen & Vorteile

1. Bemerkenswerte Silbereinsparung
Durch Zugabe von Sn-Elementen und Optimierung des Oxidationsprozesses reduzieren die neuen AgCdO-Kontakte die Silbermenge und erreichen oder übertreffen dabei die elektrischen Eigenschaften herkömmlicher AgCdO12- und AgCdO15-Materialien.

2. Hohe Anpassungsfähigkeit
Das Material kann stabil in GMC-50-AC-Schützen betrieben werden und eignet sich auch für andere Niederspannungsgeräte mit hohen Leistungsanforderungen.

3. Gleichgewicht zwischen Umweltschutz und Wirtschaftlichkeit
Obwohl die Umweltfreundlichkeit von CdO-Materialien umstritten ist, hat eine Optimierung wie die Zugabe von Sn die Flüchtigkeit der Kontaktmaterialien verringert, wodurch die Auswirkungen auf die Umwelt gemildert und gleichzeitig die Produktionskosten gesenkt werden.

Abschluss

Durch Zugabe von Sn-Elementen und Optimierung des internen Oxidationsprozesses kann das Kontaktmaterial AgCdO mit hohem Oxidgehalt die Mängel herkömmlicher Materialien beheben, wodurch nicht nur ein Silberspareffekt erzielt wird, sondern auch die elektrische Leistung deutlich verbessert wird. Als Kernkontaktmaterial des MC-50 AC-Schützes weist es eine hervorragende Stabilität und Haltbarkeit auf, was eine wichtige Richtung für die Verbesserung der elektrischen Kontakttechnologie darstellt.

In Zukunft werden diese Kontaktmaterialien mit der Entwicklung umweltfreundlicherer Materialien und Fortschritten in der Prozesstechnologie eine Schlüsselrolle in einer größeren Bandbreite elektrischer Geräte spielen. Wenn Sie Fragen zum Kontaktmaterial AgCdO haben, können Sie sich gerne an uns wenden.