繼電器銀基觸點的失效形式及防護研究

黃義隆 鄧 晶 陳 歡 林道譚 張懌寧

(1.中國南方電網超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 510670；2.工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610)

電磁繼電器是一種用較小電流、較低電壓去控制較大電流、較高電壓為主要目的的自動控制器件[1]。電磁繼電器具有高靈敏度、低功耗、小體積等優點[2]，被廣泛地應用于航天航空、工業自動控制及通信等領域，以完成信號傳遞、執行控制、系統配電等功能[3]。

觸點是繼電器的關鍵部件之一，其質量是決定繼電器使用壽命的主要因素之一[4]。銀基觸點因其普遍具有良好的電性能，被廣泛應用于各類繼電器中。為保證低接觸電阻及其他綜合性能，繼電器通常選用銀基合金作為觸點材料，主要包括Ag-Cu、Ag-Ni、Ag-Fe、Ag-W、Ag-Re、Ag-C、Ag-CdO、Ag-SnO2等材料。但有數據表明[5]，有30%以上的繼電器故障是由于觸點接觸電阻增大引起的，其中觸點硫化是引起觸點接觸不良的一個重要原因，因此探究銀基觸點硫化的腐蝕失效機理及防護有著重要的意義。

銀基觸點中Ag 易發生硫化，且生成的硫化銀電阻較大，使動靜觸點間接觸電阻增大，導致電磁繼電器失效。韓春陽等[6]針對典型的銀基觸點材料，通過模擬研究，對比了不同材料的電性能參數，并對其失效機理做出了分析。白婭玲等[7]對銀基觸點利用抗硫化處理，可有效提高銀基觸點的抗硫化腐蝕能力。值得注意的是，當前雖然針對觸點硫化開展了大量的工作，但是大部分集中于機理方面，對具體的失效案例分析及防護方法鮮有報道。

本文通過實際失效案例和工程應用，對某電磁繼電器中的銀基觸點硫化失效現象進行分析，并對失效現象進行故障復現和確證，對實際生產起到一定的借鑒和參考意義。

1 失效分析方法

對某一批市場返回失效電磁繼電器進行失效分析，發現觸點能正常吸合動作，其觸點接觸電阻偏大，有的阻值甚至達到為1 629 mΩ，遠超出一般觸點接觸電阻50 mΩ 的規格。

基于以上背景，根據銀基觸點的性能，采用機械開封查看銀基觸點的形貌，通過ZEISS 公司制造的SUPRA55VP 掃描電子顯微鏡對其失效形貌進行觀察及能譜分析，采用硫化試驗箱進行故障復現實驗，并利用紫外可見光分光光度計和Dionex 公司制造的ICS－1500 離子色譜儀進行大氣環境下硫化腐蝕復現實驗。

2 失效分析

2.1 失效現象和失效模式

對失效樣品進行開封內部檢查，可明顯發現觸點接觸區域存在黑色斑點狀異物，光學形貌圖見圖1所示。

圖1 失效觸點表面存在黑斑

觸點接觸區域黑色異物SEM 放大形貌和EDS能譜分析結果見圖2 所示，圖2(a)SEM 形貌表明黑色異物呈疏松狀，圖2(b)EDS 測試結果表明黑色異物含有S 等元素，且S 和Ag 的原子比約為1 ∶2。說明Ag 基觸點表面發生硫化腐蝕，腐蝕產物主要為硫化銀(Ag2S)。硫化銀的導電性較差，隨著硫化銀腐蝕產物的增加，接觸電阻會隨之增高，甚至導致觸點無法接通而失效。

圖2 失效觸點表面黑斑的SEM-EDS 圖

2.2 硫化試驗故障復現

為了確認銀基觸點在硫化環境中是否發生腐蝕，本研究取5 只正常銀基觸點放入硫化試驗箱中，溫度85 ℃，濕度>90%，環境為蒸硫粉，試驗過程不通電，試驗一周(168 h)后取出樣品。

經歷168 h 硫化試驗后進行外觀檢查，典型光學形貌圖見圖3 所示，觸點樣品表面均明顯變黑，呈現硫化腐蝕的形貌。

圖3 觸點硫化168 h 后光學形貌

經歷168 h 硫化試驗后觸點表面的腐蝕微觀SEM 形貌和EDS 能譜分析結果見圖4，圖4(a)中SEM 形貌表明表面存在疏松狀的腐蝕形貌，圖4(b)中EDS 測試結果表明腐蝕產物中S 和Ag 的原子比約為1 ∶2。硫化168 h 后觸點的腐蝕形貌和產物與失效觸點一致，故障復現試驗證實了銀基觸點在硫化環境中易發生硫化腐蝕，主要生成Ag2S 等腐蝕產物。

圖4 硫化168 h 后觸點表面黑斑的SEM-EDS 圖

銀基觸點在含硫大氣環境(如H2S，COS、CS2和SO2)中腐蝕的主要產物是硫化銀[8]。銀與硫化氫在干燥氣氛和濕潤氣氛條件下都能發生反應而產生硫化腐蝕，干燥氣氛條件下反應如式(1)所示，濕潤氣氛條件下反應如式(2)和式(3)所示[9]。在水溶液中HS－既可以直接與氧化后的銀離子反應，也可以吸附到觸點表面，從而反應生成硫化物。當環境中存在氧化性物質時(如氧氣、氯氣等)會加速這種腐蝕反應。

2.3 大氣環境下硫化試驗故障復現

(1)環境定性分析結果

為了確認銀基觸點發生硫化腐蝕中含硫物質的來源，對大氣環境中的硫進行定性判斷。本研究取5 只銀片置于大氣環境中1 000 h，對試驗前后的銀片進行外觀檢查和成分分析。試驗前銀片的典型形貌如圖5 所示，無變色等異常情況。

圖5 銀片初始狀態的形貌

銀片初始狀態的微觀形貌和成分如圖6 所示，無腐蝕等異常，能譜結果表明主要成分主要為Ag，無腐蝕性等異常元素的存在。

圖6 銀片初始狀態的SEM-EDS 圖

試驗1 000 h 后銀片典型光學形貌圖如圖7 所示，銀片表面都存在明顯的變色，發生了腐蝕。

圖7 銀片1 000 h 后光學形貌

銀片1 000 h 試驗后觸點表面的腐蝕形貌和成分見圖8，由圖8(a)可見，銀片表面都發生了硫化腐蝕，圖8(b)中EDS 測試結果表明腐蝕產物中含有S 元素。大氣環境中放置1 000 h 后的銀片發生硫化腐蝕，試驗定性證實了大氣環境中存在一定的含硫物質，能夠引起銀片的硫化腐蝕。

圖8 銀片1000 h 后狀態的SEM-EDS 圖

2.4 環境定量分析結果

為了確認大氣環境中的主要含硫物質，本研究利用紫外可見光分光光度計(VIS)對大氣環境中硫化物含量進行測量，利用離子色譜儀對大氣環境中含硫離子的含量進行測量。

大氣環境檢測結果見表1 所示，由表中數據可知大氣環境中可以檢測到少量的硫化氫氣體，粉塵中含有較多的硫酸根離子。

表1 大氣環境中檢測結果

3 失效機理分析及防護策略

結合以上結果，電磁繼電器中銀基觸點失效是大氣中含硫物質引發的硫化失效，腐蝕產物導致觸點電阻增大，甚至導致銀基觸點的閉合失效。大氣環境中含硫物質以H2S 和為主。根據銀基觸點硫化腐蝕的機理，可采用以下幾種方法防護銀基觸點的硫化:(1)提高銀基觸點自身的耐腐蝕性；(2)增加耐腐蝕性較好的防護鍍層；(3)密封繼電器，隔絕腐蝕性氣體。

3.1 提高銀基觸點自身的耐腐蝕性

通過加入其他元素合金化來提高銀基觸點的抗腐蝕性能，研究表明[10]在銀銅合金中加入元素釩可明顯提高其抗硫化能力。例如，在銀銅合金中加入0.4%～1.0%的釩，就可以使銀銅合金在SO2和H2S氣氛中保持相對的化學穩定性。

研究表明[10]在銀中通過金和鈀的合金化，可減少銀合金硫化腐蝕的速率。在實驗室人造硫化氣氛中(溫度30±0.5 ℃，硫濃度6×10－9Vol/Vol，氮濃度20%，余為空氣)，當含硫氣體以800 mL/min 的流速通過合金表面時，金和鈀的添加都能明顯降低硫化腐蝕速率，而且鈀比金抗硫化效果更好。

3.2 增加耐腐蝕性較好的防護鍍層

通常在銀基觸點表面鍍貴金屬鍍層，來防止銀基觸點硫化[11]。常見的是鍍金層，利用金元素較好化學穩定性，在任何惡劣的環境下幾乎不被腐蝕，能夠保護銀基觸點不被硫化腐蝕。

3.3 密封

銀基觸點的硫化腐蝕是由周圍大氣中的含硫氣體引起的，只要把銀基觸點和周圍的大氣完全隔開，就可以有效防止銀基觸點的硫化腐蝕[12]。因此，解決問題的辦法是將銀基觸點周圍的空氣密封，甚至充以惰性氣體，成本允許的情況下制造工業級的密封繼電器。

4 結論

本文通過對電磁繼電器中銀基觸點的失效案例進行失效分析，對失效現象進行故障復現，定性判斷了硫化腐蝕來源于大氣中的含硫物質，并確認了大氣中主要含硫物質為H2S 和。根據失效機理提出改善方案。實驗結論如下:

(1)電磁繼電器中銀基觸點表面存在黑色腐蝕產物Ag2S，觸點間接觸電阻增大，發生硫化腐蝕；

(2)故障復現試驗證實了銀基觸點在硫化環境中易發生硫化腐蝕；

(3)環境定性分析結果表明硫化腐蝕來源于大氣中的含硫物質；

(4)環境定量分析結果表明大氣環境中可以檢測到少量的硫化氫氣體，粉塵中含有較多的硫酸根離子。

為了預防銀基觸點的硫化腐蝕，可以在實際生產中從提高銀基觸點自身耐腐蝕性，增加防護涂層和采用密封繼電器等方面做出防護措施，提高電磁繼電器的可靠性。