汽車繼電器用AgMeO觸點材料不同配對方式時的性能

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家重點實驗室(河北工業(yè)大學(xué))，天津300130;2.河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室(河北工業(yè)大學(xué))，天津300130)

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

目前，汽車繼電器上使用的觸點都是材料對稱配對的，即陰陽極為同一種材料，由于觸點開斷過程中各種因素的不對稱，在直流的電弧作用之下會產(chǎn)生較大的材料轉(zhuǎn)移，在瞬時大電流的作用下會增加發(fā)生熔焊可能性，嚴重影響后期汽車繼電器的性能［13］，另外目前汽車繼電器觸頭材料多為銀氧化錫材料，所以同時存在接觸電阻偏大，溫升大的缺點［14－15］.

對于觸點不對稱的研究，在斷路器上的應(yīng)用已獲得成功，AgNi和AgC非對稱配對時可以提高限流型斷路器觸頭的抗熔焊性.但對于汽車繼電器用AgMeO型觸點材料的非對稱配對研究較少，因此選取AgMeO型觸點材料作為汽車繼電器的觸點材料，具體為AgSnO2，AgCuO和AgZnO三種觸頭材料，進行對稱和不對稱觸點配對時的電接觸實驗，探討不同觸點配對方式對汽車繼電器電接觸性能的影響，對不同觸點配對方式時的接觸電阻，燃弧能量及材料轉(zhuǎn)移損耗情況進行測量并分析.

1 實驗

1.1 觸頭材料的制備及觸點配對方式的確定

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 觸頭材料制作過程Fig.1 Preparation process of contact materials

汽車繼電器的配對方式具體有兩種，一種是對稱觸點配對方式，一種是不對稱觸點配對方式，其中對稱觸點配對方式是陰陽極觸點都是AgSnO2觸頭材料，不對稱觸點配對方式是AgSnO2觸頭材料與另兩種觸頭材料分別組合作為陰陽極，再顛倒陰陽極形成另一種不對稱觸點配對方式，共五種配對方式，且具體配對方式見表2.

表2 汽車繼電器觸點配對方式Table 2 Paring modes of automotive relays contact

1.2 物理性能實驗

采用電導(dǎo)率測試儀(SIGMASCOPE SMP10)測量觸頭材料的電導(dǎo)率，采用排水法測量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)直接進行維氏硬度測試.

1.3 電接觸實驗

采用JF04C電接觸觸點材料測試系統(tǒng)，在直流電壓14 V電流10 A的條件下，按表2進行不同觸點配對方式下的50 000次開斷閉合電接觸實驗，獲得接觸電阻和燃弧能量參數(shù).通過精確度為0.01 mg的Sartorius型電子天平稱量實驗前后陰陽極的觸點質(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 物理性能測試結(jié)果及分析

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

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

由表3可知:對于電導(dǎo)率來說，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粉通過粉末冶金結(jié)合在一起時，不同相之間原子擴散程度降低也會使電導(dǎo)率降低，另外，觸頭材料的導(dǎo)電率會受孔隙影響，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.

對于密度來說，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，成分分布會相對均勻，且其表面能較高，化學(xué)活性大，再進行粉末冶金時有利于原子擴散，促進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.

對于硬度來說，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應(yīng)其硬度也越大，因為密度越大，孔隙率越低，觸頭材料的致密化程度越高，硬度越大.

2.2 電接觸實驗結(jié)果及分析

不同觸點配對方式時的汽車繼電器觸點接觸電阻如圖2所示

圖2 不同觸點配對方式時的接觸電阻Fig.2 Contact resistance of different contact pairing modes

不同觸點配對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 不同觸點配對方式時汽車繼電器的接觸電阻數(shù)據(jù)Table 4 Contact resistance data for autometive relays contact resistance under different contact pairing modes

圖3 不同觸點配對方式時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，當為AgSnO2觸點材料對稱配對時，接觸電阻偏大，且與實際情況相符，AgSnO2觸點材料存在接觸電阻偏大的問題，這會導(dǎo)致接觸溫升的提高，不利于觸點材料壽命的提高.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，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，當閉合壓力相同時，觸點之間的實際接觸面積較小，導(dǎo)電斑點數(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間的潤濕性較差，使SnO2極易從熔池中析出，從而出現(xiàn)SnO2的聚集，進一步使接觸電阻增大.

由表4和圖3可知，不同觸點配對方式對汽車繼電器觸點接觸電阻有很大影響，且當固定的兩種觸點材料進行組合時，顛倒陰陽極觸點材料的種類時，也表現(xiàn)出不同的接觸電阻特性，呈現(xiàn)出較大差別，通過選擇合適的觸點配對組合，可以達到減小接觸電阻的目的.當?shù)冖蚍N配對方式時，即陽極為AgSnO2陰極為AgCuO進行不對稱配對時，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)于其他觸點配對方式，但同樣為AgSnO2和AgCuO配對時，顛倒陰陽極之后，接觸電阻有一定程度的增大，與AgSnO2觸頭對稱配對時相比，仍有較小幅度的性能改善;當?shù)冖舴N配對方式時，即陽極為AgSnO2陰極為AgZnO時，接觸電阻性能有較小幅度的改變，顛倒陰陽極材料后，即陽極為AgZnO陰極為AgSnO2時，與AgSnO2觸頭對稱配對時相比，接觸電阻性能不但沒有得到改善，反而接觸電阻變大.造成同樣的觸點材料配對方式，顛倒陰陽極時，接觸電阻不同這種現(xiàn)象的原因是當兩種觸點材料進行非對稱配對時，與顛倒陰陽極材料后進行電接觸實驗相比，產(chǎn)生的表面膜厚度不同，膜電阻不同，造成接觸電阻不同，問題嚴重時甚至?xí)斐山佑|電阻增大.

不同觸點配對方式時的汽車繼電器燃弧能量如圖4所示

圖4 不同觸點配對方式時的燃弧能量Fig.4 Arc energy under different contact pairing modes

不同觸點配對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 不同觸點配對方式時汽車繼電器的燃弧能量數(shù)據(jù)Table 5 Automotive relay arc energy under different pairing modes

由表5可知，當不同觸點配對時，會呈現(xiàn)不同燃弧能量特性.當AgSnO2觸點對稱配對時，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間的電壓越大，且此電壓與燃弧電壓近似相等，因此當接觸電阻較大時，燃弧電壓也較大，對于AgSnO2觸頭材料對稱配對，此時的平均接觸電阻值最大，會造成兩觸點之間的燃弧電壓較大，最終導(dǎo)致這種對稱配對時的燃弧能量最大，燃弧能量大會使觸頭材料局部過熱，造成觸頭材料的蒸發(fā)和噴濺等不利影響.

圖5 不對稱觸點配對方式時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 AgSnO2與 AgCuO、AgZnO觸點材料兩兩進行不對稱組合配對時，對汽車繼電器觸點燃弧能量有一定影響，呈現(xiàn)出一定差別，但不同不對稱觸點配對對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觸頭材料對稱配對相比，都有較小幅度改善，但改善效果不太明顯.與第Ⅲ種配對方式時，即陽極為AgCuO陰極為AgSnO2時，燃弧能量最小78.81 mJ，但此時方差較大，說明此時燃弧能量雖小但是穩(wěn)定性不足，有較大波動.

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

表6 不同觸點配對時的陰陽極觸點質(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 不同觸點配對時的材料轉(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，不同觸點配對方式對材料轉(zhuǎn)移和材料損失有很大的影響，選擇合適觸點配對方式可以使觸點的材料轉(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，在觸頭進行開斷操作時，兩觸頭間都會有材料的互相轉(zhuǎn)移，在這種相互轉(zhuǎn)移不能抵消時就會出現(xiàn)材料凈轉(zhuǎn)移.當AgSnO2對稱觸點配對時材料轉(zhuǎn)移最大，材料損失較大.觸頭材料的材料轉(zhuǎn)移和材料損失會受到材料本身的理化特性，電弧特性以及液橋過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材料的轉(zhuǎn)移和損失，燃弧能量越高觸點材料越容易發(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觸頭材料對稱配對時接觸電阻較大，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觸頭材料對稱配對時，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，陽極觸頭獲得材料，此時為陰極型電弧轉(zhuǎn)移.當?shù)冖舴N觸點配對方式時，即陽極觸點是AgSnO2，陰極觸點是AgZnO進行不對稱觸點配對時，材料轉(zhuǎn)移以及材料損失相比于其他觸點配對方式時都是最小的，說明這種非對稱配對時配對表現(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，當陽極觸點是AgSnO2，陰極觸點是AgZnO時，燃弧能量較小，因此材料轉(zhuǎn)移和材料損失較小.在對稱觸點配對時，由于電弧輸入兩極能量和能量密度存在固有的不對稱，會造成觸頭的材料轉(zhuǎn)移和材料損失，此時存在極性轉(zhuǎn)移和熱特性轉(zhuǎn)移，一般會有顯著的材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象發(fā)生，但在第Ⅳ種配對方式時，由于兩觸點材料的熱特性不同，可能會導(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，觸頭在開斷時會存在液態(tài)金屬橋，并在溫度最高處斷裂，當陽極是AgSnO2，陰極是AgZnO進行不對稱觸點配對時，液橋的最高溫截面發(fā)生偏移，在液橋斷裂時更趨向于抑制材料轉(zhuǎn)移和損耗.

3 結(jié)論

1)觸點配對方式對汽車繼電器的接觸電阻性能和材料轉(zhuǎn)移性能影響較大，但是對燃弧能量影響較小，不同不對稱觸點配對與AgSnO2對稱配對相比，燃弧能量都有較小幅度改善，但改善效果不太明顯.

2)當陽極為AgSnO2陰極為AgCuO進行不對稱配對時，表現(xiàn)出最好的接觸電阻性能，此時接觸電阻最小0.45 mΩ，且此時方差最小，明顯優(yōu)于其他觸點配對方式，接觸電阻小而穩(wěn)定，具有較好的接觸電阻特性.

3)當陽極為AgSnO2，陰極為AgZnO進行不對稱配對時，與其他觸點配對方式相比時材料轉(zhuǎn)移以及材料損失都是最小的，此時可以有效的降低觸頭材料的材料轉(zhuǎn)移和材料損耗.