鄧 方
(浙江陽明汽車部件有限公司,浙江 余姚 315490)
汽車轉(zhuǎn)向管柱上組合開關(guān),是裝配在汽車的轉(zhuǎn)向盤下方,固定在汽車轉(zhuǎn)向管柱上的一個(gè)集各種功能性控制開關(guān)于一體的組合型產(chǎn)品。汽車駕駛員通過操縱組合開關(guān)的操縱手柄可控制汽車轉(zhuǎn)向燈、前照燈、近遠(yuǎn)光燈、霧燈、小燈等燈光信號(hào)的開啟和關(guān)閉。而汽車燈光信號(hào)的正確與否,將直接影響到汽車的安全行駛。特別是在夜晚行駛汽車時(shí),如果控制近遠(yuǎn)光燈的開關(guān)失效,使汽車的近遠(yuǎn)光燈不能正常工作,其后果將不堪設(shè)想,嚴(yán)重時(shí)將產(chǎn)生特重大交通安全事故。
上述提到的汽車車燈,近遠(yuǎn)光燈是較大的負(fù)載,一般其電流都在10 A以上,車在夜晚行駛時(shí),該燈所使用的頻率極高,故近遠(yuǎn)光燈開關(guān)的可靠性問題,就成了組合開關(guān)制造單位的首要課題。
目前在汽車上控制近遠(yuǎn)光燈開啟和關(guān)閉的組合開關(guān)有以下兩種形式。
1)一種是由開關(guān)經(jīng)線束到中央控制器,再由中央控制器來控制近遠(yuǎn)光燈的開啟和關(guān)閉。這種方式的控制,對(duì)整車系統(tǒng)的要求較高,整車成本相應(yīng)增加,但對(duì)開關(guān)來說,開關(guān)所承受的負(fù)載只是中央控制器的弱小負(fù)載 (毫安級(jí)的電流)。該種開關(guān)的控制不在本文中進(jìn)行探討。
2)另一種是由開關(guān)經(jīng)線束直接到近遠(yuǎn)光燈,這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制方式,整車成本較低,售后服務(wù)也方便。就開關(guān)而言,開關(guān)在工作中將直接承受近遠(yuǎn)光燈的負(fù)載,也即開關(guān)的觸點(diǎn)在進(jìn)行分?jǐn)嗪团暮瞎ぷ鲿r(shí),要承受10A以上的工作電流,而如此強(qiáng)大的工作電流,使開關(guān)觸點(diǎn)在分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的白光 (即電弧),電弧的產(chǎn)生將會(huì)燒壞觸點(diǎn),從而導(dǎo)致開關(guān)失效。電器開關(guān)在工作中失效的原因雖有很多,其中最主要的是觸點(diǎn)的工作失效,在開關(guān)的工作電壓、電流、觸點(diǎn)的幾何形狀及尺寸、接觸形式、接觸壓力、分合速度、觸點(diǎn)間隙、工作環(huán)境等條件都不變的情況下,如何正確選擇觸點(diǎn)的材質(zhì)和材質(zhì)性能,對(duì)觸點(diǎn)在工作中電磨損承受能力的影響將是至關(guān)重要的。
老天津夏利汽車上所使用的組合開關(guān)近遠(yuǎn)光燈開啟和關(guān)閉控制方式,就是開關(guān)經(jīng)線束到近遠(yuǎn)光燈的直接控制方式,本文就以該產(chǎn)品為例,重點(diǎn)分析觸點(diǎn)的材質(zhì)和材質(zhì)性能對(duì)可靠性的影響,對(duì)開關(guān)觸點(diǎn)在試驗(yàn)中的失效進(jìn)行分析研究。
組合開關(guān)中控制汽車遠(yuǎn)光、近光、超車信號(hào)的各開關(guān),具有相同的結(jié)構(gòu),均是通過組合開關(guān)操縱手柄的上、下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)滑板移動(dòng),而滑板的移動(dòng)又可控制開關(guān)動(dòng)觸點(diǎn)頂銷的上、下運(yùn)動(dòng),使各開關(guān)的動(dòng)靜兩觸點(diǎn)具有分合功能 (見圖1)。遠(yuǎn)光和超車 (因超車是遠(yuǎn)光燈發(fā)出瞬間即逝的閃光信號(hào))為一組動(dòng)靜觸點(diǎn),近光為另一組動(dòng)靜觸點(diǎn)。分析進(jìn)口產(chǎn)品樣件,兩組開關(guān)觸點(diǎn)的材質(zhì)均為:動(dòng)觸點(diǎn)材質(zhì)是CAgCdO(12)/Cu-QM3.8×0.8+2×1.5-0.3; 靜觸點(diǎn)材質(zhì)是黃銅板鍍銀8~12μm。
組合開關(guān)產(chǎn)品在進(jìn)行近遠(yuǎn)光燈開關(guān)可靠性的耐久性試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)條件要求如下:①工作電壓:直流13.5±0.5V;②工作電流:遠(yuǎn)光13.3A,近光12.5A,超車13.3 A;③負(fù)載性質(zhì):燈負(fù)載;④工作環(huán)境:室溫 (大氣中);⑤每次工作循環(huán)為:遠(yuǎn)光—近光—超車 (遠(yuǎn)光)—近光;⑥工作循環(huán)速度:每分鐘20次;⑦耐久性:10萬次;⑧電壓降:耐久性試驗(yàn)前開關(guān)觸點(diǎn)處電壓降不超過15 mV/A,耐久性試驗(yàn)后開關(guān)觸點(diǎn)處電壓降不超過25mV/A。
因遠(yuǎn)光燈和超車信號(hào)的開關(guān)控制為同一組觸點(diǎn),近光燈信號(hào)的開關(guān)控制為另一組觸點(diǎn),故近遠(yuǎn)光燈控制開關(guān)動(dòng)靜觸點(diǎn)的耐久性考核要求分別為各20萬次。根據(jù)耐久性的工作循環(huán)速度要求,各組動(dòng)靜觸點(diǎn)的工作速度即為每分鐘40次。
開關(guān) (產(chǎn)品)在首次試驗(yàn)中,工作到600次 (觸點(diǎn)分合1200次),發(fā)生不接通現(xiàn)象 (失效)。拆解產(chǎn)品分析,發(fā)現(xiàn)開關(guān)靜觸點(diǎn) (陽極)有輕微凹坑并發(fā)黑,頂銷零件熔化,測量靜觸點(diǎn)鍍銀層厚度只有2.8μm,初步分析是鍍銀層不合格所影響,將銀層厚度鍍到要求后 (即11μm),即進(jìn)行第2次試驗(yàn)。
開關(guān)在第2次試驗(yàn)中,產(chǎn)品工作到6280次 (觸點(diǎn)分合12560次),再一次失效,發(fā)生不接通現(xiàn)象。拆解產(chǎn)品分析,現(xiàn)象與首次一樣,只是程度比首次嚴(yán)重,且動(dòng)觸點(diǎn)具有凸起物并發(fā)黑。改善鍍銀層后,試驗(yàn)的耐久性次數(shù)雖比前次提高了近10倍,但離客戶標(biāo)準(zhǔn)要求還是相差甚遠(yuǎn)。
進(jìn)一步改善靜觸點(diǎn)的鍍銀層,將靜觸點(diǎn)的鍍銀改為復(fù)合鍍銀,復(fù)合鍍銀層厚度增加至20 μm,又進(jìn)行第3次試驗(yàn)。第3次開關(guān)工作到63880次 (觸點(diǎn)分合127760次),同樣發(fā)生不接通現(xiàn)象,拆解產(chǎn)品分析觀察動(dòng)、靜觸頭,現(xiàn)象與第2次試驗(yàn)情況幾乎一樣。產(chǎn)品耐久性次數(shù)雖又提高了近10倍,但還是達(dá)不到客戶標(biāo)準(zhǔn)要求。
分析以上3次的試驗(yàn)過程,發(fā)現(xiàn)開關(guān)在工作過程中,特別是在觸頭的分?jǐn)嗨查g,有弧光產(chǎn)生,這說明觸頭在分離過程中,有弧光放電現(xiàn)象,使觸點(diǎn)產(chǎn)生電磨損。
而電弧放電是屬于氣體放電的一種形式,其氣體介質(zhì)放電又有2種基本形式:一是非自持放電,放電是依靠外界游離因子 (如紫外線、X射線、宇宙線等)來維持,一旦外界游離因子失去,放電即行停止,它是肉眼所不能觀察到的;另一種是自持放電,即使外界游離因子失去,在高電場強(qiáng)度作用下,仍能維持放電,如輝光放電和弧光放電便是這一種。電弧的形成是觸點(diǎn)間氣體游離的結(jié)果,其游離的方式又可分為表面發(fā)射和空間游離,而這兩種游離的方式,在實(shí)際中往往又是綜合表現(xiàn)。對(duì)圖2a直流電路來說,固定電極間氣體放電的伏安特性曲線如圖2b所示。
圖2b中的DE段即為弧光放電區(qū)域,對(duì)直流電路來說,當(dāng)被斷開電路的電流以及開斷后加在觸點(diǎn)間隙上的電壓,超過觸點(diǎn)在工作環(huán)境中的極限燃弧參數(shù),便可起弧。對(duì)上面所介紹的開關(guān)而言,由于觸點(diǎn)的材質(zhì)為銀,而電路中的負(fù)載又為燈負(fù)載,銀在空氣中的極限燃弧電壓 (Urh)為12V,極限燃弧電流 (Irh)為0.4A,故觸點(diǎn)在分?jǐn)噙^程中,一定間隙內(nèi)會(huì)產(chǎn)生電弧。
從上述開關(guān)觸點(diǎn)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),觸點(diǎn)在失效后,靜觸點(diǎn) (陽極)有凹坑產(chǎn)生,陰極上有凸起物,這說明開關(guān)觸點(diǎn)在分?jǐn)噙^程中有液橋產(chǎn)生。原因分析如下。
1)觸點(diǎn)在開始斷開時(shí),此時(shí)全部電流只通過一個(gè)在微觀上很小的區(qū)域,這時(shí)接觸電阻增加、電流密度極大,可產(chǎn)生高溫,而產(chǎn)生的高溫又使觸點(diǎn)金屬熔化,因而在觸點(diǎn)之間形成熔化的金屬橋即液橋。根據(jù)試驗(yàn)證明,液橋上的溫度分布是不對(duì)稱的,一般是陽極溫度高于陰極,液橋上的最高溫度點(diǎn)位于靠陽極的地方,而斷裂點(diǎn)就發(fā)生在最高溫度點(diǎn)的附近。
2)隨著觸點(diǎn)的繼續(xù)分開,液橋被拉斷,觸點(diǎn)表面產(chǎn)生很高的電場。如果此時(shí)觸點(diǎn)間的電壓和電流均超過工作中的觸點(diǎn)極限燃弧數(shù)值,便可發(fā)生電弧,發(fā)生電弧后,確定觸點(diǎn)侵蝕效應(yīng)的是電弧而不是液橋。此時(shí)電弧對(duì)陽極發(fā)生熱作用的結(jié)果是,使陽極熔化和氣化,而且觸點(diǎn)材料被大量轉(zhuǎn)移和噴濺,其中一部分材料被陰極所帶走,一部分材料被氣化和噴濺。故在陽極上產(chǎn)生凹坑,而在陰極上產(chǎn)生凸起 (并非針刺)。
從以上分析動(dòng)靜觸點(diǎn)的分?jǐn)噙^程可以看出,對(duì)組合開關(guān)產(chǎn)品中的近遠(yuǎn)光燈開關(guān)觸點(diǎn),在保持動(dòng)靜觸點(diǎn)的其他工作條件都不變的情況下,要想動(dòng)靜觸點(diǎn)在工作分?jǐn)鄷r(shí)不產(chǎn)生電弧是不可能的,只有考慮如何提高觸點(diǎn)在規(guī)定壽命次數(shù)內(nèi)的抗弧承受能力(即承載能力),以保證產(chǎn)品的性能。
根據(jù)上述對(duì)近遠(yuǎn)光燈控制開關(guān)分合式觸點(diǎn)在分?jǐn)噙^程中失效機(jī)理得出,產(chǎn)品在第1次可靠性試驗(yàn)600次失效,是由于靜觸點(diǎn)的鍍銀層太薄,承受不了觸點(diǎn)分?jǐn)嘀须娀〉臒齻?。?dāng)將靜觸點(diǎn)的鍍銀層加厚 (11 μm)后,產(chǎn)品工作到6280次再一次失效,而且都離產(chǎn)品的10萬次壽命要求相差甚遠(yuǎn),雖然銀的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能都很好,但總的來說鍍銀層和其它方法獲得的銀層 (如復(fù)合鍍銀層、碾壓銀層),在抗弧能力方面是有區(qū)別的。鍍銀層的銀層組織較松散,致密性差,抗弧能力差,在產(chǎn)生電弧時(shí),電極相對(duì)來說較容易產(chǎn)生表面發(fā)射。而電鍍又不可能將銀層鍍得很厚,鍍厚了,會(huì)產(chǎn)生很多電鍍?nèi)毕荩瑢?duì)觸點(diǎn)的接觸和分?jǐn)鄷?huì)更不利。
復(fù)合鍍銀是使一些硬度高、具有滅弧作用的微粒均勻地嵌入銀層中,在電弧的高溫作用下自行分解,起自動(dòng)熄弧和消除電離的作用,在一定電流電壓條件下,基質(zhì)銀的熔焊傾向和電侵蝕都大為減小,提高了觸點(diǎn)的抗電弧承受能力。因此在上述試驗(yàn)產(chǎn)品的開關(guān)觸點(diǎn)中,將靜觸點(diǎn)鍍上復(fù)合銀層20μm后,雖然產(chǎn)品仍未達(dá)到所規(guī)定的10萬次壽命,但也提高到了63880次 (10多倍),其改善程度是明顯的。
為了使產(chǎn)品達(dá)到客戶要求的可靠性耐久次數(shù),根據(jù)上述開關(guān)觸點(diǎn)在工作中的失效機(jī)理,將靜觸點(diǎn)材質(zhì)改為用碾壓成形的覆銀紫銅板沖壓形成,用覆銀層代替鍍銀層,由于覆銀紫銅板的銅、銀層經(jīng)過碾壓,其板材強(qiáng)度、硬度顯著提高,產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。這是由于金屬在碾壓變形中,使晶體的滑移面產(chǎn)生位錯(cuò),造成位錯(cuò)密度的增大,而位錯(cuò)密度越大,金屬的變形抗力就越大,其強(qiáng)度和硬度就越高;并且在碾壓過程中使金屬組織具有 “變形織構(gòu)”,即組織結(jié)構(gòu)的有序化,產(chǎn)生各向異性。覆銀層組織的致密性是遠(yuǎn)非鍍銀層組織致密性所能比的,而且在碾壓過程中,覆銀紫銅板的銅、銀原子相互嵌入基體,其覆銀層與紫銅層的結(jié)合力也遠(yuǎn)非鍍銀層所能比,而且基體銅層的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能又優(yōu)于黃銅,碾壓銀層的厚度又可以達(dá)到數(shù)十微米以上。通過上述的分析,可以斷定,開關(guān)靜觸點(diǎn)材質(zhì)改用覆銀紫銅板后的抗電弧承受能力定優(yōu)于黃銅板加鍍銀材質(zhì)形成的靜觸點(diǎn)。
按上述的分析結(jié)果,實(shí)際中我們將靜觸點(diǎn)選用覆銀層厚度為80 μm的覆銀紫銅板材質(zhì)后,在開關(guān)試驗(yàn)條件均不變的情況下,組合開關(guān)產(chǎn)品近遠(yuǎn)光燈開關(guān)可靠性試驗(yàn)一次性就通過規(guī)定的10萬次耐久性要求,還超壽命做了21289次,即開關(guān)的耐久性試驗(yàn)實(shí)際做了121289次,觸點(diǎn)實(shí)際分合242578次,試驗(yàn)后開關(guān)仍能正常工作,電壓降也符合規(guī)定要求。
通過對(duì)該款組合開關(guān)產(chǎn)品的開發(fā),動(dòng)靜觸點(diǎn)為拍合式結(jié)構(gòu)工作的開關(guān),在產(chǎn)品的工作電壓、電流、觸點(diǎn)的幾何形狀及尺寸、接觸形式、接觸壓力、分合速度、觸點(diǎn)間隙、工作環(huán)境等其它條件都不變的情況下,正確選擇觸點(diǎn)的材質(zhì)和材質(zhì)性能,提高觸點(diǎn)的表面理化性能,將能大幅度提高觸點(diǎn)在工作中的電磨損承受能力。
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