銀觸點(diǎn)表面質(zhì)量對(duì)開(kāi)關(guān)溫升的影響及控制要點(diǎn)

萬(wàn)海元

（廣東聯(lián)塑電氣有限公司 廣東 528318）

引言

開(kāi)關(guān)溫升是決定開(kāi)關(guān)性能的重要參數(shù)，直接影響到開(kāi)關(guān)使用的可靠性和安全性。開(kāi)關(guān)中銀觸點(diǎn)的接觸電阻是影響溫升的主要參數(shù)，影響銀觸點(diǎn)接觸電阻的因素很多，除了接觸形式、接觸壓力和銀觸點(diǎn)自身材料特性等之外，還有銀觸點(diǎn)的表面質(zhì)量。在開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)定型和采購(gòu)選材確定以后，接觸形式、接觸壓力和銀觸點(diǎn)自身材料特性等就基本固定下來(lái)，但銀觸點(diǎn)表面質(zhì)量繼續(xù)受生產(chǎn)、包裝和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程的影響。在開(kāi)關(guān)使用過(guò)程中，如果銀觸點(diǎn)表面質(zhì)量不佳，則觸點(diǎn)間接觸電阻會(huì)增大，接觸部位容易發(fā)熱，產(chǎn)生較高溫升，從而發(fā)生觸點(diǎn)熔焊或粘連，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致開(kāi)關(guān)失效。特別是通過(guò)大電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高溫，快速減短產(chǎn)品的使用壽命。

本文從銀觸點(diǎn)表面質(zhì)量入手，通過(guò)分析其對(duì)開(kāi)關(guān)接觸電阻和溫升的影響，并通過(guò)對(duì)不同表面質(zhì)量的某規(guī)格銀觸點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，闡述其在開(kāi)關(guān)中的重要性，同時(shí)提出在生產(chǎn)、包裝、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)銀觸點(diǎn)的控制要點(diǎn)，以期為相關(guān)企業(yè)提供有益的參考。

1 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)開(kāi)關(guān)壽前溫升、壽命試驗(yàn)的要求

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16915.1-2014的相關(guān)要求有：

第15.3條：防潮，潮濕箱內(nèi)溫度為40 ±2 ℃，濕度為91～95%，時(shí)間48 h。

第17條：溫升，要求壽前、壽后溫升不超過(guò)45 K。

第18條：通斷能力。

第19條：正常操作（即壽命試驗(yàn)）。

開(kāi)關(guān)按第19.1、19.2、19.3條要求測(cè)試后，溫升不超過(guò)45 K[1]。

2 銀觸點(diǎn)表面質(zhì)量對(duì)接觸電阻的影響

1）開(kāi)關(guān)的接觸電阻。開(kāi)關(guān)的接觸電阻R，是指在開(kāi)關(guān)中，相互接觸的兩個(gè)銀觸點(diǎn)在接觸部位產(chǎn)生的電阻，由銀觸點(diǎn)接觸面上的集中電阻Rc、膜層電阻Rf和導(dǎo)體電阻Rj組成，即：R=Rc+Rf+Rj。

集中電阻Rc：開(kāi)關(guān)動(dòng)、靜觸頭接觸時(shí)，由于銀觸點(diǎn)機(jī)械加工表面的凹凸不平，電流會(huì)從截面積大的銀點(diǎn)實(shí)體流入很多小面積的接觸點(diǎn)，電流在此時(shí)會(huì)發(fā)生特別明顯的收縮現(xiàn)象，由于此收縮現(xiàn)象所表現(xiàn)出來(lái)的電阻有時(shí)也稱作收縮電阻。

膜層電阻Rf：在加工或儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中，銀點(diǎn)表面因各種化學(xué)腐蝕、粉塵等污染，在銀點(diǎn)表面形成導(dǎo)電性較差的物質(zhì)如拋光中的研磨劑、拋光劑、粉塵或其它無(wú)機(jī)、有機(jī)物殘留，由此形成的接觸電阻稱為膜層電阻。

導(dǎo)體電阻Rj：引出線所用導(dǎo)體的電阻[2]。

2）銀觸點(diǎn)表面質(zhì)量。用肉眼觀察，銀觸點(diǎn)表面狀態(tài)十分光滑，但在顯微鏡下，仍能觀測(cè)到5～10 μm的凸起部分。說(shuō)明在銀點(diǎn)接觸時(shí)，實(shí)際上是銀點(diǎn)表面上很多微小的點(diǎn)接觸，而不是兩個(gè)接觸面接觸，實(shí)際的接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論接觸面積。而這個(gè)實(shí)際接觸面積又與銀點(diǎn)之間的接觸壓力和銀點(diǎn)表面的拋光程度相關(guān)，兩者可能相差巨大。實(shí)際上，在開(kāi)放的環(huán)境下，沒(méi)有真正干凈的銀點(diǎn)表面，即使密封及拋光狀態(tài)很好的銀點(diǎn)面，一旦進(jìn)入開(kāi)放的環(huán)境下，在銀點(diǎn)表面就會(huì)形成氧化膜，同時(shí)與空氣接觸形成氣體吸附膜，空氣中的粉塵也會(huì)吸附在銀點(diǎn)表面，形成形成沉積膜。因此，從微觀來(lái)說(shuō)，銀點(diǎn)表面并不是真正光滑和潔凈的。

3）銀觸點(diǎn)表面質(zhì)量主要包括銀觸點(diǎn)表面狀態(tài)、表面異物和表面膜，對(duì)開(kāi)關(guān)的接觸電阻都有一定程度的影響。

2.1 銀觸點(diǎn)表面狀態(tài)對(duì)接觸電阻的影響

銀觸點(diǎn)表面質(zhì)量影響因素包含表面粗糙度Ra和表面平坦度Rp。

表面粗糙度Ra是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷不平度，用肉眼難以區(qū)別，銀點(diǎn)的表面也是這樣。因此，實(shí)際在開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，銀點(diǎn)間的接觸只是銀點(diǎn)表面微小的凹凸點(diǎn)與點(diǎn)間的接觸而不是整個(gè)平面接觸。銀點(diǎn)表面的粗糙度越小，銀點(diǎn)表面越平滑，銀點(diǎn)間接觸面越大，集中電阻就越小。同時(shí)能減少表面形成有機(jī)膜或無(wú)機(jī)模等、也能減少空氣中粉塵或有害氣體的進(jìn)入。

表面平坦度Rp，主要由于制造銀點(diǎn)的模具表面不平或者模具表面處理不好，生產(chǎn)中變形，引起表面平坦度差。其對(duì)開(kāi)關(guān)接觸電阻的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表面粗糙度Ra對(duì)接觸電阻的影響。從這點(diǎn)來(lái)看，銀點(diǎn)制造公司質(zhì)量控制環(huán)節(jié)很重要，特別是對(duì)模具的管控。

2.2 銀觸點(diǎn)表面異物對(duì)接觸電阻的影響

銀觸點(diǎn)表面雜物對(duì)開(kāi)關(guān)的接觸電阻影響很大，輕微時(shí)引起電阻增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起接觸失敗。銀觸點(diǎn)表面異物產(chǎn)生的原因主要有：

1）在熱處理和表面處理過(guò)程中銀觸點(diǎn)化學(xué)添加劑污染；

2）制造過(guò)程中銀觸點(diǎn)表面受到的合金屑、銅屑及油污的污染；

3）組裝過(guò)程中受到的組裝相配的物料及油脂等的污染；

4）包裝和儲(chǔ)存過(guò)程中銀觸點(diǎn)表面受到的塵埃或與銀觸點(diǎn)可能接觸的相關(guān)物資污染。

多家開(kāi)關(guān)廠家在銀點(diǎn)使用過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)銀點(diǎn)表面因?yàn)橛须s物，引起接觸電阻增大，壽前溫升超標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)引起塑膠件熔化等現(xiàn)象，最后引起開(kāi)關(guān)沒(méi)使用多久就失效。

開(kāi)關(guān)表面選用適當(dāng)厚度的銀點(diǎn)，開(kāi)關(guān)壽命會(huì)更長(zhǎng)，在使用大電流開(kāi)關(guān)通斷過(guò)程中，特別是現(xiàn)在的LED燈，啟動(dòng)電流大，銀層燒蝕后，一旦露銅，開(kāi)關(guān)很快就會(huì)失效。由于銅的接觸電阻大，當(dāng)銀點(diǎn)與銅接觸時(shí)，銅在開(kāi)關(guān)打火時(shí)由于電弧的作用，會(huì)生成銅鹽或者銅氧化物，銅鹽及銅的氧化物的電阻率都很高，從而引起銀點(diǎn)接觸電阻增大。同時(shí)如果在銀點(diǎn)生產(chǎn)中，如果銀層表面上含有銅屑，也會(huì)引起打火時(shí)產(chǎn)生銅鹽，引起電阻增大。在銀點(diǎn)后處理中，可以通過(guò)超聲波清洗，去除了銀點(diǎn)表面的銅等依附雜物和表面膜后，可以降低接觸電阻。

銀點(diǎn)如果防護(hù)不當(dāng)，直接存放在大氣中，特別是惡劣環(huán)境中，銀點(diǎn)表面會(huì)吸附空氣中的粉塵，水汽，空氣中的酸咸鹽等，這些物質(zhì)會(huì)對(duì)銀點(diǎn)進(jìn)行腐蝕，引起接觸電阻升高。置于空氣中的銀觸點(diǎn)表面的異物對(duì)銀觸點(diǎn)接觸電阻的影響很大，遠(yuǎn)高于銀觸點(diǎn)表面粗糙度對(duì)接觸電阻的影響。其接觸電阻極不穩(wěn)定，起伏較大。

2.3 銀觸點(diǎn)表面膜對(duì)接觸電阻的影響

銀觸點(diǎn)表面膜是觸點(diǎn)表面因外來(lái)污染物腐蝕等原因，產(chǎn)生的一層導(dǎo)電性能較差的薄膜，因而加大了接觸電阻。根據(jù)其形成的原因、化學(xué)成份和觸點(diǎn)制造過(guò)程，分為三種：

第一種是無(wú)機(jī)表面膜。這種膜是由銀點(diǎn)表面材料與空氣中的污穢雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在銀點(diǎn)表面形成一種連續(xù)的無(wú)機(jī)膜如氧化物、氯化物、硫化物等。

第二種為有機(jī)膜。

第三種為微粒污染膜。

銀點(diǎn)表面膜的輕重程度是導(dǎo)致銀點(diǎn)接觸電阻升高的主要因素。

3 改善銀觸點(diǎn)表面質(zhì)量的管控措施

為了達(dá)到開(kāi)關(guān)較低的接觸電阻，需要從銀點(diǎn)生產(chǎn)過(guò)程管控好，保證銀點(diǎn)出廠的表面質(zhì)量要求，另一方面，需要從銀點(diǎn)鉚接及開(kāi)關(guān)組裝過(guò)程中加以管控，將銀點(diǎn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)及開(kāi)關(guān)生產(chǎn)工藝相結(jié)合，確保提高銀點(diǎn)表面質(zhì)量的同時(shí)，搞好后續(xù)控制工藝要求，從而降低開(kāi)關(guān)觸頭的接觸電阻，提高開(kāi)關(guān)的可靠性，可采取以下措施：

3.1 銀觸點(diǎn)生產(chǎn)過(guò)程的管控

1）保證銀觸點(diǎn)所用模具的材質(zhì)和制作精度，做好模具維護(hù)；

2）做好銀觸點(diǎn)生產(chǎn)車間清潔、盡可能無(wú)塵；

3）及時(shí)清理和清除銀觸點(diǎn)制造過(guò)程中的加工屑；

4）合理選擇研磨等后續(xù)工藝，如超聲清洗，去除油脂和金屬碎屑等；

5）全程做好質(zhì)量管控，真空包裝和儲(chǔ)存。

3.2 觸頭鉚接及開(kāi)關(guān)組裝過(guò)程的管控

1）鉚接時(shí)確保與銅片鉚接良好，減少接觸電阻；

2）在開(kāi)關(guān)組裝過(guò)程中做好人體防護(hù)，盡量讓銀觸點(diǎn)等導(dǎo)電件不與人的皮膚等物質(zhì)接觸；

3）包裝、儲(chǔ)存盡量采用真空包裝；

4）開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)上保證上下銀觸點(diǎn)接觸良好，壓力適中。

4 產(chǎn)品測(cè)試對(duì)比

1）樣品準(zhǔn)備：

將同一規(guī)格、不同表面質(zhì)量狀態(tài)的銀觸點(diǎn)裝配在完全相同的開(kāi)關(guān)中，分為A、B、C、D四組，每組8個(gè)樣品。詳見(jiàn)表1。

表1 不同表面質(zhì)量樣品特征

2）接觸電阻測(cè)試

將組裝好的四組開(kāi)關(guān)樣品各8個(gè)樣品，采用電橋測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，對(duì)應(yīng)的電阻波動(dòng)曲線見(jiàn)圖1。

表2 四組產(chǎn)品的接觸電阻

圖1 電阻波動(dòng)特征

3）壽前溫升測(cè)試

按GB/T 16915.1-2014第15.3條規(guī)定，在潮濕箱里進(jìn)行，箱內(nèi)空氣溫度分別在（70±2）℃，試驗(yàn)168 h；（23±2）℃，濕度為50%，試驗(yàn)96 h；（40±2）℃，濕度為93%，試驗(yàn)48 h后測(cè)試壽前溫升，通過(guò)20 A電流測(cè)試，產(chǎn)品壽前溫升見(jiàn)表3，產(chǎn)品溫升曲線見(jiàn)圖2。

表3 四組產(chǎn)品壽前溫升

圖2 產(chǎn)品壽前溫升波動(dòng)曲線

4）測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)四種不同表面質(zhì)量狀態(tài)的銀觸點(diǎn)裝配在完全相同的開(kāi)關(guān)中測(cè)試，從開(kāi)關(guān)的接觸電阻及壽前溫升的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，D組的平均接觸電阻最小，壽前溫升最低，同時(shí)接觸電阻及壽前溫升波動(dòng)幅度也最小，A組接觸電阻平均值最大，壽前溫升最高，有部分產(chǎn)品已經(jīng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的45 K，同時(shí)波動(dòng)幅度較大，質(zhì)量控制難度也大。從這個(gè)結(jié)果來(lái)看，優(yōu)良的銀點(diǎn)制作工藝及無(wú)塵環(huán)境，配合上自動(dòng)化開(kāi)關(guān)生產(chǎn)作業(yè)，能夠?qū)y觸點(diǎn)表面質(zhì)量控制好，從而降低產(chǎn)品的接觸電阻，降低開(kāi)關(guān)產(chǎn)品的溫升，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

5 結(jié)論—銀觸點(diǎn)控制要點(diǎn)

從以上分析和測(cè)試結(jié)果，得出如下結(jié)論：

銀觸點(diǎn)是開(kāi)關(guān)中非常關(guān)鍵的零部件，其表面質(zhì)量直接影響開(kāi)關(guān)觸頭間接觸性能，若表面質(zhì)量不佳，會(huì)使接觸電阻變大，導(dǎo)致發(fā)熱引起溫升偏高，從而影響開(kāi)關(guān)的使用安全和使用壽命。銀觸點(diǎn)表面質(zhì)量受生產(chǎn)銀觸點(diǎn)所用模具、生產(chǎn)環(huán)境、包裝儲(chǔ)運(yùn)方式等多種因素影響。所以，要保證銀觸點(diǎn)表面質(zhì)量，需要做好以下控制要點(diǎn)。

1）銀觸點(diǎn)生產(chǎn)廠應(yīng)選用優(yōu)良的模具，并做好生產(chǎn)過(guò)程和日常的模具維護(hù)。

2）管控好沖壓和鉚接過(guò)程的生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)環(huán)境，做好產(chǎn)品表面拋光和清洗。

3）采用自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，保證產(chǎn)品表面質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性。

4）開(kāi)關(guān)組裝過(guò)程避免銀觸點(diǎn)沾染油脂、汗?jié)n等。

5）產(chǎn)品盡量采用真空包裝，能夠保證在周轉(zhuǎn)及運(yùn)輸中表面不受污染。

6）干凈整潔的生產(chǎn)環(huán)境、精細(xì)化質(zhì)量管理是保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的重要因素。