王海濤，王連崢，王子相

(1.省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北工業(yè)大學(xué))，天津300130;2.河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北工業(yè)大學(xué))，天津300130)

汽車(chē)?yán)^電器是用于汽車(chē)電器控制的一類(lèi)繼電器，它廣泛用于控制汽車(chē)啟動(dòng)、空調(diào)、燈光、雨刮、導(dǎo)航以及汽車(chē)儀表的故障診斷等系統(tǒng)中［1－2］，其中觸點(diǎn)是汽車(chē)?yán)^電器接觸系統(tǒng)中最重要的部件，AgMeO型觸頭材料是一類(lèi)常用的汽車(chē)?yán)^電器觸點(diǎn)材料［3－8］，觸點(diǎn)的配對(duì)方式會(huì)對(duì)汽車(chē)?yán)^電器的電接觸性能和可靠性造成直接的影響，因此對(duì)汽車(chē)?yán)^電器用AgMeO觸點(diǎn)材料觸點(diǎn)配對(duì)方式的研究非常重要［9－12］.

目前，汽車(chē)?yán)^電器上使用的觸點(diǎn)都是材料對(duì)稱(chēng)配對(duì)的，即陰陽(yáng)極為同一種材料，由于觸點(diǎn)開(kāi)斷過(guò)程中各種因素的不對(duì)稱(chēng)，在直流的電弧作用之下會(huì)產(chǎn)生較大的材料轉(zhuǎn)移，在瞬時(shí)大電流的作用下會(huì)增加發(fā)生熔焊可能性，嚴(yán)重影響后期汽車(chē)?yán)^電器的性能［13］，另外目前汽車(chē)?yán)^電器觸頭材料多為銀氧化錫材料，所以同時(shí)存在接觸電阻偏大，溫升大的缺點(diǎn)［14－15］.

對(duì)于觸點(diǎn)不對(duì)稱(chēng)的研究，在斷路器上的應(yīng)用已獲得成功，AgNi和AgC非對(duì)稱(chēng)配對(duì)時(shí)可以提高限流型斷路器觸頭的抗熔焊性.但對(duì)于汽車(chē)?yán)^電器用AgMeO型觸點(diǎn)材料的非對(duì)稱(chēng)配對(duì)研究較少，因此選取AgMeO型觸點(diǎn)材料作為汽車(chē)?yán)^電器的觸點(diǎn)材料，具體為AgSnO2，AgCuO和AgZnO三種觸頭材料，進(jìn)行對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)觸點(diǎn)配對(duì)時(shí)的電接觸實(shí)驗(yàn)，探討不同觸點(diǎn)配對(duì)方式對(duì)汽車(chē)?yán)^電器電接觸性能的影響，對(duì)不同觸點(diǎn)配對(duì)方式時(shí)的接觸電阻，燃弧能量及材料轉(zhuǎn)移損耗情況進(jìn)行測(cè)量并分析.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 觸頭材料的制備及觸點(diǎn)配對(duì)方式的確定

采用粉末冶金法按表1觸頭材料成分及配比制備AgSnO2，AgCuO和 AgZnO 3種觸頭材料，制備流程如圖1.

表1 觸頭材料成分及配比Table 1 Composition and proportion of contact materials

圖1 觸頭材料制作過(guò)程Fig.1 Preparation process of contact materials

汽車(chē)?yán)^電器的配對(duì)方式具體有兩種，一種是對(duì)稱(chēng)觸點(diǎn)配對(duì)方式，一種是不對(duì)稱(chēng)觸點(diǎn)配對(duì)方式，其中對(duì)稱(chēng)觸點(diǎn)配對(duì)方式是陰陽(yáng)極觸點(diǎn)都是AgSnO2觸頭材料，不對(duì)稱(chēng)觸點(diǎn)配對(duì)方式是AgSnO2觸頭材料與另兩種觸頭材料分別組合作為陰陽(yáng)極，再顛倒陰陽(yáng)極形成另一種不對(duì)稱(chēng)觸點(diǎn)配對(duì)方式，共五種配對(duì)方式，且具體配對(duì)方式見(jiàn)表2.

表2 汽車(chē)?yán)^電器觸點(diǎn)配對(duì)方式Table 2 Paring modes of automotive relays contact

1.2 物理性能實(shí)驗(yàn)

采用電導(dǎo)率測(cè)試儀(SIGMASCOPE SMP10)測(cè)量觸頭材料的電導(dǎo)率，采用排水法測(cè)量3種觸頭材料的密度，其主要理論依據(jù)是阿基米德定律，利用維氏硬度儀(HXD－1000TM)直接進(jìn)行維氏硬度測(cè)試.

1.3 電接觸實(shí)驗(yàn)

采用JF04C電接觸觸點(diǎn)材料測(cè)試系統(tǒng)，在直流電壓14 V電流10 A的條件下，按表2進(jìn)行不同觸點(diǎn)配對(duì)方式下的50 000次開(kāi)斷閉合電接觸實(shí)驗(yàn)，獲得接觸電阻和燃弧能量參數(shù).通過(guò)精確度為0.01 mg的Sartorius型電子天平稱(chēng)量實(shí)驗(yàn)前后陰陽(yáng)極的觸點(diǎn)質(zhì)量，獲得材料損失量和材料轉(zhuǎn)移量.

2 結(jié)果及分析

2.1 物理性能測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)于不同觸頭材料的電導(dǎo)率、密度和硬度的分別測(cè)量3次取平均值減少誤差，最終測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 不同觸頭材料的物理性能測(cè)試結(jié)果Table 3 Test result of contact materials'physical properties

由表3可知:對(duì)于電導(dǎo)率來(lái)說(shuō)，AgSnO2觸頭材料與AgCuO觸頭材料電導(dǎo)率較好，AgZnO觸頭材料的電導(dǎo)率性能最差.電能的傳導(dǎo)方式主要是依靠自由電子的定向傳導(dǎo)，電子的定向轉(zhuǎn)移會(huì)在界面的影響下發(fā)生散射和削弱，導(dǎo)致電導(dǎo)率降低，ZnO粉末與Ag粉通過(guò)粉末冶金結(jié)合在一起時(shí)，不同相之間原子擴(kuò)散程度降低也會(huì)使電導(dǎo)率降低，另外，觸頭材料的導(dǎo)電率會(huì)受孔隙影響，孔隙導(dǎo)電率很差，AgSnO2觸頭材料與AgCuO觸頭材料的密度較大，孔隙率較低，因此AgSnO2觸頭材料與AgCuO觸頭材料電導(dǎo)率較好.

對(duì)于密度來(lái)說(shuō)，AgSnO2觸頭材料密度最大，AgZnO觸頭材料密度最小.AgSnO2觸頭材料相對(duì)于其他兩種觸頭材料，其中作為彌散相的SnO2具有較高的彌散度，成分分布會(huì)相對(duì)均勻，且其表面能較高，化學(xué)活性大，再進(jìn)行粉末冶金時(shí)有利于原子擴(kuò)散，促進(jìn)顆粒之間的相互連接，從而降低孔隙率，提高材料密度，提高了材料的結(jié)合強(qiáng)度.另外，采用粉末冶金法制備的觸頭材料，其密度一定程度上取決于各原始成分的密度，原始SnO2粉末的密度大于CuO粉末和ZnO粉末.因此AgSnO2觸頭材料密度最大，AgCuO觸頭材料密度稍小一些，AgZnO觸頭材料密度最小.

對(duì)于硬度來(lái)說(shuō)，AgSnO2觸頭材料硬度最大，AgCuO觸頭材料硬度稍小一些，AgZnO觸頭材料硬度最小.從測(cè)量結(jié)果可以看出觸頭材料的密度和硬度，有一定關(guān)系，密度大的觸頭材料對(duì)應(yīng)其硬度也越大，因?yàn)槊芏仍酱?，孔隙率越低，觸頭材料的致密化程度越高，硬度越大.

2.2 電接觸實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

不同觸點(diǎn)配對(duì)方式時(shí)的汽車(chē)?yán)^電器觸點(diǎn)接觸電阻如圖2所示

圖2 不同觸點(diǎn)配對(duì)方式時(shí)的接觸電阻Fig.2 Contact resistance of different contact pairing modes

不同觸點(diǎn)配對(duì)方式下的接觸電阻變化范圍，平均接觸電阻和方差如表4所示，且接觸電阻均值和方差柱狀圖如圖3所示.

表4 不同觸點(diǎn)配對(duì)方式時(shí)汽車(chē)?yán)^電器的接觸電阻數(shù)據(jù)Table 4 Contact resistance data for autometive relays contact resistance under different contact pairing modes

圖3 不同觸點(diǎn)配對(duì)方式時(shí)的接觸電阻均值及方差Fig.3 Mean and variance of contact resistances under different pairing modes

由表4可知，當(dāng)為AgSnO2觸點(diǎn)材料對(duì)稱(chēng)配對(duì)時(shí)，接觸電阻偏大，且與實(shí)際情況相符，AgSnO2觸點(diǎn)材料存在接觸電阻偏大的問(wèn)題，這會(huì)導(dǎo)致接觸溫升的提高，不利于觸點(diǎn)材料壽命的提高.接觸電阻一般包括兩部分，一部分是由于電流流經(jīng)導(dǎo)電斑點(diǎn)，電流線收縮產(chǎn)生的收縮電阻，另一部分是由于觸頭材料存在的表面膜產(chǎn)生的膜電阻.觸頭材料的接觸電阻一定程度上與觸頭材料的硬度有關(guān)，AgSnO2觸頭材料的硬度最大，當(dāng)閉合壓力相同時(shí)，觸點(diǎn)之間的實(shí)際接觸面積較小，導(dǎo)電斑點(diǎn)數(shù)目變少，從而導(dǎo)致接觸電阻的增大.另外，經(jīng)高溫電弧的持續(xù)作用使觸頭表面接觸斑點(diǎn)處的溫度迅速升高，Ag相熔化形成熔池，而由于Ag與SnO2間的潤(rùn)濕性較差，使SnO2極易從熔池中析出，從而出現(xiàn)SnO2的聚集，進(jìn)一步使接觸電阻增大.

由表4和圖3可知，不同觸點(diǎn)配對(duì)方式對(duì)汽車(chē)?yán)^電器觸點(diǎn)接觸電阻有很大影響，且當(dāng)固定的兩種觸點(diǎn)材料進(jìn)行組合時(shí)，顛倒陰陽(yáng)極觸點(diǎn)材料的種類(lèi)時(shí)，也表現(xiàn)出不同的接觸電阻特性，呈現(xiàn)出較大差別，通過(guò)選擇合適的觸點(diǎn)配對(duì)組合，可以達(dá)到減小接觸電阻的目的.當(dāng)?shù)冖蚍N配對(duì)方式時(shí)，即陽(yáng)極為AgSnO2陰極為AgCuO進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)配對(duì)時(shí)，接觸電阻和方差都最小，接觸電阻小而穩(wěn)定，具有較好的接觸電阻特性，明顯優(yōu)于其他觸點(diǎn)配對(duì)方式，但同樣為AgSnO2和AgCuO配對(duì)時(shí)，顛倒陰陽(yáng)極之后，接觸電阻有一定程度的增大，與AgSnO2觸頭對(duì)稱(chēng)配對(duì)時(shí)相比，仍有較小幅度的性能改善;當(dāng)?shù)冖舴N配對(duì)方式時(shí)，即陽(yáng)極為AgSnO2陰極為AgZnO時(shí)，接觸電阻性能有較小幅度的改變，顛倒陰陽(yáng)極材料后，即陽(yáng)極為AgZnO陰極為AgSnO2時(shí)，與AgSnO2觸頭對(duì)稱(chēng)配對(duì)時(shí)相比，接觸電阻性能不但沒(méi)有得到改善，反而接觸電阻變大.造成同樣的觸點(diǎn)材料配對(duì)方式，顛倒陰陽(yáng)極時(shí)，接觸電阻不同這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)兩種觸點(diǎn)材料進(jìn)行非對(duì)稱(chēng)配對(duì)時(shí)，與顛倒陰陽(yáng)極材料后進(jìn)行電接觸實(shí)驗(yàn)相比，產(chǎn)生的表面膜厚度不同，膜電阻不同，造成接觸電阻不同，問(wèn)題嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐山佑|電阻增大.

不同觸點(diǎn)配對(duì)方式時(shí)的汽車(chē)?yán)^電器燃弧能量如圖4所示

圖4 不同觸點(diǎn)配對(duì)方式時(shí)的燃弧能量Fig.4 Arc energy under different contact pairing modes

不同觸點(diǎn)配對(duì)方式下的燃弧能量變化范圍，燃弧能量均值和方差如表5所示，且燃弧能量均值和方差柱狀圖如圖5所示.

表5 不同觸點(diǎn)配對(duì)方式時(shí)汽車(chē)?yán)^電器的燃弧能量數(shù)據(jù)Table 5 Automotive relay arc energy under different pairing modes

由表5可知，當(dāng)不同觸點(diǎn)配對(duì)時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)不同燃弧能量特性.當(dāng)AgSnO2觸點(diǎn)對(duì)稱(chēng)配對(duì)時(shí)，燃弧能量最大為80.27 mJ，燃弧能量主要是受燃弧電壓，燃弧電流還有燃弧時(shí)間的影響，觸頭間的電弧主要是金屬蒸氣態(tài)電弧和氣體態(tài)電弧，在高溫的電弧作用下觸頭之間易形成液態(tài)金屬橋，接觸電阻對(duì)于液態(tài)金屬橋兩端的電壓有較明顯的影響，接觸電阻越大兩觸點(diǎn)間的電壓越大，且此電壓與燃弧電壓近似相等，因此當(dāng)接觸電阻較大時(shí)，燃弧電壓也較大，對(duì)于AgSnO2觸頭材料對(duì)稱(chēng)配對(duì)，此時(shí)的平均接觸電阻值最大，會(huì)造成兩觸點(diǎn)之間的燃弧電壓較大，最終導(dǎo)致這種對(duì)稱(chēng)配對(duì)時(shí)的燃弧能量最大，燃弧能量大會(huì)使觸頭材料局部過(guò)熱，造成觸頭材料的蒸發(fā)和噴濺等不利影響.

圖5 不對(duì)稱(chēng)觸點(diǎn)配對(duì)方式時(shí)的燃弧能量均值及方差Fig.5 Mean and variance of arc energy under different pairing modes

由表5和圖 5可知，當(dāng) AgSnO2與 AgCuO、AgZnO觸點(diǎn)材料兩兩進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)組合配對(duì)時(shí)，對(duì)汽車(chē)?yán)^電器觸點(diǎn)燃弧能量有一定影響，呈現(xiàn)出一定差別，但不同不對(duì)稱(chēng)觸點(diǎn)配對(duì)對(duì)燃弧能量的影響差別不大，燃弧能量均值都在78到80 mJ之間，與AgSnO2觸頭材料對(duì)稱(chēng)配對(duì)相比，都有較小幅度改善，但改善效果不太明顯.與第Ⅲ種配對(duì)方式時(shí)，即陽(yáng)極為AgCuO陰極為AgSnO2時(shí)，燃弧能量最小78.81 mJ，但此時(shí)方差較大，說(shuō)明此時(shí)燃弧能量雖小但是穩(wěn)定性不足，有較大波動(dòng).

不同觸點(diǎn)配對(duì)方式下的陰陽(yáng)極觸點(diǎn)質(zhì)量變化，材料損失如表6所示，通過(guò)陰陽(yáng)極觸點(diǎn)質(zhì)量的變化得出材料轉(zhuǎn)移，最后通過(guò)材料轉(zhuǎn)移和材料損失得到柱狀圖如圖6所示.

表6 不同觸點(diǎn)配對(duì)時(shí)的陰陽(yáng)極觸點(diǎn)質(zhì)量變化和材料損失情況Table 6 Cathode and anode weiqht change and transfer loss under differeut pairing modes

圖6 不同觸點(diǎn)配對(duì)時(shí)的材料轉(zhuǎn)移和材料損失Fig.6 Material transfer and loss under different contact matching modes

由表6和圖6可知，不同觸點(diǎn)配對(duì)方式對(duì)材料轉(zhuǎn)移和材料損失有很大的影響，選擇合適觸點(diǎn)配對(duì)方式可以使觸點(diǎn)的材料轉(zhuǎn)移小且材料損失小，陰極質(zhì)量減小損失材料，陽(yáng)極質(zhì)量增加獲得材料，其中陰極損失的材料，一部分轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極為材料轉(zhuǎn)移，一部分損失到空氣中為材料損失，在觸頭進(jìn)行開(kāi)斷操作時(shí)，兩觸頭間都會(huì)有材料的互相轉(zhuǎn)移，在這種相互轉(zhuǎn)移不能抵消時(shí)就會(huì)出現(xiàn)材料凈轉(zhuǎn)移.當(dāng)AgSnO2對(duì)稱(chēng)觸點(diǎn)配對(duì)時(shí)材料轉(zhuǎn)移最大，材料損失較大.觸頭材料的材料轉(zhuǎn)移和材料損失會(huì)受到材料本身的理化特性，電弧特性以及液橋過(guò)程等多方面因素的制約，其中燃弧能量的大小可以直接影響到觸點(diǎn)材料的轉(zhuǎn)移和損失，燃弧能量越高觸點(diǎn)材料越容易發(fā)生蒸發(fā)和噴濺，而燃弧能量與接觸電阻有一定關(guān)系，接觸電阻越大燃弧能量越高，在AgSnO2觸頭材料對(duì)稱(chēng)配對(duì)時(shí)接觸電阻較大，燃弧能量最大，所以導(dǎo)致觸頭材料的蒸發(fā)噴濺較大，因此AgSnO2觸頭材料對(duì)稱(chēng)配對(duì)時(shí)，材料轉(zhuǎn)移和材料損失均為較大.

由表6和圖6可知，陰極觸頭損失材料，陽(yáng)極觸頭獲得材料，此時(shí)為陰極型電弧轉(zhuǎn)移.當(dāng)?shù)冖舴N觸點(diǎn)配對(duì)方式時(shí)，即陽(yáng)極觸點(diǎn)是AgSnO2，陰極觸點(diǎn)是AgZnO進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)觸點(diǎn)配對(duì)時(shí)，材料轉(zhuǎn)移以及材料損失相比于其他觸點(diǎn)配對(duì)方式時(shí)都是最小的，說(shuō)明這種非對(duì)稱(chēng)配對(duì)時(shí)配對(duì)表現(xiàn)最好.電弧侵蝕的兩種主要形式是氣化蒸發(fā)和液態(tài)噴濺，且這兩種電弧侵蝕形式受燃弧能量影響較大，當(dāng)陽(yáng)極觸點(diǎn)是AgSnO2，陰極觸點(diǎn)是AgZnO時(shí)，燃弧能量較小，因此材料轉(zhuǎn)移和材料損失較小.在對(duì)稱(chēng)觸點(diǎn)配對(duì)時(shí)，由于電弧輸入兩極能量和能量密度存在固有的不對(duì)稱(chēng)，會(huì)造成觸頭的材料轉(zhuǎn)移和材料損失，此時(shí)存在極性轉(zhuǎn)移和熱特性轉(zhuǎn)移，一般會(huì)有顯著的材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象發(fā)生，但在第Ⅳ種配對(duì)方式時(shí)，由于兩觸點(diǎn)材料的熱特性不同，可能會(huì)導(dǎo)致熱特性轉(zhuǎn)移減少甚至轉(zhuǎn)移方向相反，從而有效的降低觸頭材料的材料轉(zhuǎn)移和材料損耗.另外，觸頭在開(kāi)斷時(shí)會(huì)存在液態(tài)金屬橋，并在溫度最高處斷裂，當(dāng)陽(yáng)極是AgSnO2，陰極是AgZnO進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)觸點(diǎn)配對(duì)時(shí)，液橋的最高溫截面發(fā)生偏移，在液橋斷裂時(shí)更趨向于抑制材料轉(zhuǎn)移和損耗.

3 結(jié)論

1)觸點(diǎn)配對(duì)方式對(duì)汽車(chē)?yán)^電器的接觸電阻性能和材料轉(zhuǎn)移性能影響較大，但是對(duì)燃弧能量影響較小，不同不對(duì)稱(chēng)觸點(diǎn)配對(duì)與AgSnO2對(duì)稱(chēng)配對(duì)相比，燃弧能量都有較小幅度改善，但改善效果不太明顯.

2)當(dāng)陽(yáng)極為AgSnO2陰極為AgCuO進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)配對(duì)時(shí)，表現(xiàn)出最好的接觸電阻性能，此時(shí)接觸電阻最小0.45 mΩ，且此時(shí)方差最小，明顯優(yōu)于其他觸點(diǎn)配對(duì)方式，接觸電阻小而穩(wěn)定，具有較好的接觸電阻特性.

3)當(dāng)陽(yáng)極為AgSnO2，陰極為AgZnO進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)配對(duì)時(shí)，與其他觸點(diǎn)配對(duì)方式相比時(shí)材料轉(zhuǎn)移以及材料損失都是最小的，此時(shí)可以有效的降低觸頭材料的材料轉(zhuǎn)移和材料損耗.