密封繼電器推動球磨損原因初探

王 永，孫雪松，胡明興，彭澤輝

(貴州航天電器股份有限公司，貴陽小河，550009)

1 前言

密封繼電器的觸點切換是通過推動球快速推動簧片來實現的，每一次的推動，都會使推動球和簧片發生摩擦，從而產生磨損。推動球的材料為玻璃，一般選用DM305或能與可伐匹配封接的7052，通過自制或購買玻璃管，在高溫保護氣氛條件下燒結而成。推動球的成型是依靠玻璃的表面張力，在升溫的過程中，玻璃坯由圓柱狀逐步轉變為球體，其表面粗糙度Ra可達1nm。玻璃球與可伐合金封接、電鍍后，通過點焊，使推動桿與銜鐵牢固的焊接在一起，銜鐵在電磁力的作用下運動，帶動推動球一起運動，從而實現觸點的切換。推動球磨損后，產生非導電磨屑，當磨屑掉落在動靜簧片之間時，將導致觸點不通，使產品發生故障。

目前，國內對推動桿部件燒結工藝有一定的研究，章群仁等[1]研究了干粉壓制工藝、壓制模具、燒結模具結構設計和燒結工藝制定對推動桿部件成型和質量的影響；劉燕等[2]采用石墨板定位燒結的方法，實現了推動桿部件的規模化燒結和提高推動球燒結質量；王永等[3]對小型、超小型密封繼電器的推動桿組合燒結后的主要缺陷問題進行初步的分析探討。然而，對推動球磨損的研究鮮有報道。本文將對密封繼電器推動球磨損原因進行初步探討。

2 推動球磨損機理初探

繼電器在進行長時間機械壽命或振動后，時有反饋推動球磨損，推動球磨損后其磨屑在振動或推動的條件下，可能會遷移至動靜簧片接觸部位，導致繼電器時通時斷、接觸電阻增大甚至斷路。推動球磨損區直徑在0～200μm之間，推動球磨損高度在0～10 μm之間，繼電器封殼后無法在通過顯微鏡直接觀察推動球是否磨損，用X射線也很難檢測，且在生產過程中很難有效剔除，隱患及危害較大。因此對推動球磨損的研究，具有重要意義。

2.1 推動球磨損形貌

推動球磨損形貌見圖1，推動球磨損程度不同，有的輕微，有的嚴重。當推動球磨損輕微，表面磨屑較少，一般不會導致接觸電阻增加或斷路，對產品性能影響不大；當推動球磨損嚴重時，推動球表面能觀察到明顯的磨屑，這種情況下，有可能導致產品性能故障。

圖1 推動球磨損形貌

2.2 磨損原因初探

推動球磨損原因非常復雜，涉及到推動球的材料、推動球成型的質量、推動球的表面狀態、簧片的材質、電鍍層結構及厚度、簧片的表面的狀態和試驗條件等。

2.2.1 推動球的質量

推動球是由干粉壓制的玻璃坯在高溫下燒結而成，干粉壓制的玻璃坯，在玻化后內部及表面總會殘留少量的氣孔，在高溫燒結時，由于玻璃的粘度較大，且玻璃坯表面先受熱融化并致密，阻斷了內部氣泡排除的通道，導致燒結后推動球內部和表面都有一定的氣泡，氣泡的存在降低了玻璃推動球的強度。

玻璃推動球因在原材料中加入了氧化鉻而成綠色，氧化鉻與玻璃原粉是通過機械混合而成，很難保證混合完全均勻一致，燒結后，往往存在局部偏析，導致推動球表面性能不連續。

推動球與可伐的封接是通過石墨板定位，石墨質軟在燒結時，總有少量的石墨粉粘接在玻璃表面，石墨粉的存在使玻璃表面變得粗糙，降低了玻璃球局部表面硬度。

推動球表面還存在細小的微氣孔，在隨后的電鍍過程中，若電鍍的溶液未清洗干凈，將殘留的微氣孔中，在后續存放或使用過程中吸潮，會導致玻璃局部腐蝕，從而降低玻璃推動球的強度。

由此可見，推動球表面局部微缺陷的存在，使玻璃表面粗糙，降低了推動球強度，可能引起推動球磨損。

2.2.2 簧片的質量

簧片基體熱處理后的硬度在150HV左右，電鍍純金后，純金的硬度約80HV，硬度更低，而玻璃的硬度約530HV，在磨損的時候，較軟的金屬基體先發生磨損，一般電鍍后金層較為致密，表面較為平整，且純金本身較軟，自身強度低，在整個磨損過程中，起到減磨的作用，當金層磨損后，推動球將與簧片發生磨擦，此時的磨損與簧片表面狀態有關，表面越粗糙，或有硬質雜質粘附在簧片表面時，越容易引起推動球磨損。

金層的減磨作用與電鍍質量和厚度有關，在一定厚度范圍內，金層越厚減磨效果越好。當電鍍以金層為主的合金電鍍層時，由于硬度的提高，在與純金相同的電鍍厚度情況下，減磨效果提升。

2.2.3 接觸應力

固體的表面，從宏觀看是平整而光滑的，然而在顯微鏡下觀察時，卻凹凸不平，如圖2所示。粗糙表面的實際接觸面積，僅為名義面積的0.01%～0.1%，因此，固體表面的微觀受力情況，與宏觀不同。

圖2 固體表面示意圖

由于簧片與推動球之間的接觸壓力較小，推動球與簧片的接觸可采用圖3所示的模型(點接觸模型)，根據赫茲彈性接觸公式：

圖3 接觸模型

接觸區為圓形，其半徑為：

(1)

(2)

最大接觸壓應力位于接觸面的中心，其值為：

(3)

最大拉應力位于接觸面的邊緣，其值為：

(4)

最大剪應力位置r=0,z=0.47a，其值為：

τmax≈0.310σZmax

(5)

可知，當外載荷為0.25N時，假設微凸起的半徑為5μm,其余代入典型數據，由公式(1)計算所得的接觸半徑α=3.43μm; 由公式(2)計算得到法向位移δ=3.2nm;最大接觸壓應力σzmax=2.88×109Mpa(原超過玻璃抗壓強度數量級為103Mpa)；接觸邊緣玻璃子所受的拉應力σrmax≈0.96×109Mpa(原超過玻璃抗拉強度僅幾十Mpa)；最大切應力 =0.89×109Mpa。

由上述計算可知，若簧片為理想的光滑剛性平面(光滑且硬度無限大)，玻璃球與其接觸時，在局部將產生巨大的壓力，該壓力可直接導致推動球局部破裂。實際上簧片的局部的平均硬度低于玻璃球，因此在接觸時，簧片會發生變形，使接觸的面積增加，玻璃球受的應力將明顯降低。局部的微凸起壓碎，使玻璃表面更加平整，由局部點接觸變為局部面接觸，使曲率半徑R明顯增加，當為平面時，R為無窮大。此時，公式(3)將不再適用，平均應力等于外力P除以接觸后的面積Aj,微觀的接觸區半徑約50μm,其壓應力為318Mpa,小于玻璃的抗壓強度。

2.4 激勵振動

在電激勵的情況，推動球與簧片接觸，剛接觸時接觸壓力等于常開觸點壓力+常閉觸點壓力，發生振動時，在振動沖擊的作用下會增大接觸壓力，接觸壓力增加的大小與振動加速的大小、振動幅值有關。振動時簧片將與推動球發生位移，進而產生磨損。此外銜鐵的竄動也會增加接觸壓力。振動時，由于推動球與簧片屬于干摩擦，必然會導致接觸點溫度升高，溫度增加會導致簧片軟化(退火)，以及降低推動球硬度，進而增加推動球磨損(粘著磨損)。

2.5 磨損形貌

圖4為發生嚴重磨損的推動球和簧片的表面形貌。由圖4(a)可知，磨損區域幾乎呈圓形，其直徑約100μm；對磨損區放大觀察發現，玻璃表面有相互垂直的溝槽即犁溝，表明玻璃的磨損屬于磨料磨損，如圖4(b)所示。

(a)磨損的推動球低倍形貌

簧片的磨損區域也幾乎呈圓形，其直徑也約100μm，如圖4(c)所示;放大后發現簧片表面有溝槽、麻坑和微裂紋等，屬于粘著-疲勞磨損，如圖4(d)所示。由表1可知，簧片上粘接有玻璃顆粒。

表1 簧片磨損區成分

2.6 磨損機理探討

一般情況下，當推動球磨損時，簧片一定磨損且磨損嚴重；當簧片輕微磨損時，推動球不會發生磨損。這是因為簧片的鍍金層很軟，塑性變形能力強，在與推動球接觸時容易變形，松弛了接觸應力。當簧片表面鍍金層磨損后，推動球將與簧片直接接觸，在進行振動或機械壽命試驗時，推動球與簧片會發生相對運動，使兩者相互摩擦而導致磨損。推動球的硬度在530 HV左右，而簧片的硬度≥145Hv。由于推動球的硬度比簧片高，在磨損初期(磨合期)，推動球表面微凸起和簧片表面微凸起接觸，其接觸應力很大，玻璃又是脆性材料，塑性幾乎為零，巨大的壓力可將玻璃表面的微凸起壓碎，使玻璃表面產生微裂紋及碎屑，碎屑將與簧片產生機械嵌合，而簧片由于具有較好的塑性，會發生塑性變形。實際上推動球的運動方向和簧片并不垂直，而是有一定的角度，在發生相對運動時(振動或推動時)，在切應力的作用下，玻璃的碎屑由于與簧片表面相互嵌合，而與玻璃表面分離形成磨屑。形成磨屑后，在接觸面形成磨料磨損，磨損速度將加快。

玻璃球簧片發生相對運動時，簧片除了發生變形外，在其表面還會有因玻璃球硬凸起劃過而產生的犁溝。在多次反復擠壓后，簧片表面的位錯密度增加，晶粒變小，發生形變硬化，最后形成微裂紋(疲勞裂紋)，分離出微片或顆粒，這些顆粒又嵌在玻璃球表面，在簧片上形成麻坑。

在磨損過程中產生的玻璃碎屑，其硬度和玻璃相當，在磨損時在玻璃表面不應形成明顯的溝槽。要形成明顯的溝槽應該有比玻璃更硬的磨粒存在。通過查閱相關資料，這種溝槽的產生可能與Cr2O3和MgO顆粒有關：(1)Cr2O3的硬度約1200Hv，它是玻璃的添加劑，由于其熔點很高(2435℃)，高溫燒結后不完全溶解的玻璃中，而是在玻璃中彌散分布。(2)MgO的硬度約700Hv。它是簧片最重要的彌散強化相，在簧片基體上彌散分布。因此磨損后，有時能觀察到縱橫交錯的溝槽。

3 結束語

推動球磨損的隱患和危害較大，在產品使用周期內，要減少或避免磨損，要從設計結構和工藝兩個方面入手，設計方面要優選摩擦副材料，選取高耐磨的材料制備推動球，合理的結構設計以保證組裝的產品有足夠的抗震性，合理的鍍層設計以減少磨損；工藝方面要優化工藝參數，以提高零件表面粗糙度，減少摩擦副零件的表面缺陷。