基于漆包線潤滑劑對繼電器有機污染的技術(shù)初探

陳志君，文尚暉，張 琦，何 東

(桂林航天電子有限公司，廣西桂林，541002)

1 引言

電磁繼電器內(nèi)部的非金屬材料，特別是非金屬材料中的有機類材料，是繼電器內(nèi)部有機揮發(fā)氣氛的主要來源之一[1]。研究資料表明，潔凈的金屬材料以及無機類非金屬材料(如玻璃、陶瓷等)，在繼電器最高工作環(huán)境溫度下(一般不高于125℃)，其揮發(fā)出的有機氣氛不是觸點材料自身產(chǎn)生，而是來源于觸點材料表面吸附的外來有機污染[2]。因此，繼電器內(nèi)部非金屬材料，特別是有機類材料的揮發(fā)，是繼電器內(nèi)部有機氣氛需要關(guān)注的重點。

線圈組被稱為繼電器內(nèi)部最大的有機氣氛來源[7](不含繼電器內(nèi)部帶入的外來有機污染)，組成線圈組的非金屬零部件主要有骨架、安裝線、薄膜、漆包線等。前三者的主要類型有聚四氟乙烯骨架、AKF-200康銅線、LCP骨架、聚酰亞胺或聚四氟乙烯薄膜等，它們都具有耐高溫特性和顯著的熱穩(wěn)定性，所以僅有極輕微的揮發(fā)。而占整個線圈組質(zhì)量90%的漆包線，如常用的聚酰亞胺漆包線，盡管漆膜的主要成分聚酰亞胺也具有較強的耐高溫和熱穩(wěn)定性，但因其特殊加工工藝(見下文詳細敘述)，卻是其主要的有機氣氛來源[3]。因此，對線圈組漆包線漆膜(有機材料)揮發(fā)控制技術(shù)的研究是繼電器非金屬材料以及繼電器零部件的揮發(fā)控制技術(shù)研究的關(guān)鍵。

本文采用真空熱失重測試法、GC-MS氣相色譜質(zhì)譜檢測法、紅外光譜檢測法就各部件材料產(chǎn)生的有機氣氛對電磁繼電器有機污染的影響程度進行評定，并研究新工藝方法去污染。

2 漆包線的組成

目前，國內(nèi)繼電器行業(yè)多數(shù)使用QY-1的聚酰亞胺漆包線作為線圈組的繞組，QY-1型聚酰亞胺漆包線分為金屬線芯和漆膜兩部分。漆膜主要成分為聚酰亞胺絕緣漆，一般是由漆基、溶劑或稀釋劑和輔助材料三部分組成。將聚酰亞胺酯溶解在二甲苯、甲苯、酚類等溶劑或稀釋劑中，在高溫下發(fā)生聚合反應、脫水，冷卻后固化在金屬線芯上，部分廠家會通過添加有機硅這種物質(zhì)增強漆膜的流動性和附著力[4]。

漆包線生產(chǎn)時，還需要使用帶有一定粘性的潤滑劑來保證漆包線在上到線盤的過程中保持平整、緊密以及在運輸和使用過程中確保不發(fā)生松線、垮線。潤滑劑涂覆在漆膜外層，一般潤滑劑的基本組成為液體石蠟與120#溶劑汽油的混合物(石蠟與汽油比例約為5:100)，其中液體石蠟含量較少，但在潤滑劑中主要起到使漆包線之間保持一定粘性的作用。

采用紅外光譜測試方法對漆包線表面物質(zhì)進行檢測，詳見下圖：

圖1 QY-1漆包線萃取物紅外譜圖

由圖1可知，圖譜顯示2924cm-1、2854cm-1、1459cm-1等吸收峰均來自脂肪鏈-CH2-的紅外(IR)特征吸收，即石蠟的吸收峰信息，說明常用的QY-1漆包線外層含有石蠟，且占主要百分比。

3 漆包線潤滑劑對繼電器的有機污染

繼電器常用聚酰亞胺漆包線通常耐溫等級為220℃，在后續(xù)繼電器裝配過程的真空烘烤過程中，因線圈組焊頭和繼電器裝配(如磁鋼組掛錫、線圈組引出線與引出桿錫焊連接等)使用到錫焊工藝，需使用錫焊材料S-Sn40PbSbA，其固相溫度183℃，所以一般真空烘烤溫度不超過180℃；而繼電器的最高工作溫度按GJB65B或GJB2888均為125℃。

聚酰亞胺材料在(200～260)℃時連續(xù)使用材料性能不受影響，所以漆包線漆膜中的聚酰亞胺在繼電器裝配和使用過程性能較穩(wěn)定。但漆包線漆膜加工中用到的有機硅、有機溶劑等，經(jīng)蒸發(fā)和烘焙后仍會有極少量殘留在漆包線的漆膜中。這些溶劑在繼電器工作環(huán)境中受熱慢慢散發(fā)出來，在密封環(huán)境中吸附在繼電器觸點、軸孔等金屬組件表面，在電弧的作用下逐漸腐蝕這些金屬部件。由于觸點材料為金銀銅合金或鍍層采用鍍金層，金材料表面能較高，較易吸附有機氣體，且這種吸附作用隨貯存過程中的溫度升高而加強。

此外，漆包線所用潤滑劑中，汽油是一種低沸點的有機溶劑，在后續(xù)的真空烘烤過程中容易揮發(fā)去除，不會殘留在繼電器內(nèi)部造成有機污染。而石蠟是一種常用的工業(yè)潤滑劑，屬于高分子碳氫化合物，沸點(200～300)℃，與汽油相比屬于一種高沸點的有機物，殘留在線圈內(nèi)部的幾率較大。在電磁繼電器試驗、存儲以及使用過程中，在高溫等環(huán)境因素作用下，殘留的石蠟就有可能緩慢揮發(fā)出有機污染氣氛，并逐漸吸附、聚集在繼電器觸點表面。

以上涉及的有機硅、有機溶劑、石蠟等漆包線中的有機殘留物的揮發(fā)氣體，當聚集在觸點表面的有機膜層厚度超過一定程度之后，若繼電器產(chǎn)品觸點壓力不足以克服觸點表面的有機膜層，就會導致觸點有機污染增大，以及在高溫運行狀態(tài)下有機膜層高溫降解形成碳化物質(zhì)，最終導致繼電器失效。[5]

圖2是阻性壽命后接觸電阻超差樣品失效觸點的形貌，可見接觸部位呈黑色，典型的有機膜污染物質(zhì)燒蝕碳化后的情況：

圖2 失效觸點接觸部位形貌

圖3 失效樣品測試位置邊緣紅外光譜圖

圖4 失效樣品測試位置中心紅外光譜圖

分別對樣品黑色區(qū)域邊緣及中心位置進行紅外光譜掃描，紅外光譜圖分別見圖3及圖4。紅外光譜圖結(jié)果顯示，中心位置透過率低(Y軸小)，譜圖峰特征弱，這通常是由于碳粒子的反射導致紅外信號減弱造成的，即中心位置存在碳類物質(zhì)成分。邊緣位置紅外光譜圖顯示，2916cm-1、2849cm-1、1468cm-1、717cm-1等吸收峰均來自脂肪鏈-CH2-的紅外特征吸收，其中在1739cm-1處為酯類油(脂肪酸多元醇酯)的特征吸收，1514cm-1、1411cm-1處為羧酸鹽的紅外特征吸收。即紅外光譜分析結(jié)果顯示，黑色區(qū)域顯示有機酸鹽增稠劑+礦物基礎油的潤滑脂特征，推測黑色區(qū)域成分為潤滑脂及其碳化物質(zhì)的可能性較高。

將失效觸點上的黑色異物取樣，對該黑色異物和漆包線表面潤滑劑蒸發(fā)殘渣一同進行紅外光譜對比測試，詳見圖5。

圖5樣品繼電器中簧片表面黑色異物紅外光譜圖(紅色)顯示，在1100-800cm-1區(qū)間出現(xiàn)明顯Si-O伸縮振動吸收峰，表明存在二氧化硅。同時譜圖低透過率顯示黑色異物中存在碳，即黑色異物主要存在碳及二氧化硅。

圖5樣品漆包線表面潤滑劑蒸發(fā)殘渣紅外光譜圖(藍色)表明，殘渣主要成份為烷基改性聚硅氧烷，若烷基改性聚硅氧烷在高溫下裂解，會同時產(chǎn)生裂解并分解出二氧化硅，此時成分信息與圖5樣品中黑色異物相近。

圖5 樣品繼電器中簧片表面黑色異物與漆包線表面潤滑劑蒸發(fā)殘渣紅外光譜對比圖

圖3、圖4接觸電阻超差樣品失效觸點萃取物紅外譜圖顯示，2916cm-1、2849cm-1、1468cm-1、717cm-1等吸收峰均來自脂肪鏈-CH2-的紅外(IR)特征吸收，即石蠟的吸收峰信息；其中在1739cm-1處為酯類油(脂肪酸多元醇酯C=O)的特征吸收，1514cm-1、1411cm-1處為羧酸鹽的IR特征吸收。存在有機酸鹽增稠劑+礦物基礎油(即液體石蠟)的潤滑脂特征，推測黑色區(qū)域成分為潤滑脂及其碳化物的可能性較高，極有可能來源于石蠟。

而圖5中漆包線表面潤滑劑蒸發(fā)殘渣紅外光譜圖(藍色)有多處吸收峰與圖5中失效觸點表面黑色異物紅外光譜圖(紅色)相近，兩張圖都有石蠟吸收峰信息和脂肪酸多元醇酯C=O信息；圖5的羧酸鹽IR特征說明也可能是潤滑脂類物質(zhì)(潤滑脂類物質(zhì)同時含有石蠟和羧酸鹽)。所以推測極有可能兩者來源于同一種物質(zhì)(混合物)，均含石蠟。

由以上檢測結(jié)果可知，漆包線外層的潤滑劑對產(chǎn)品接觸電阻的失效有直接影響。

4 控制技術(shù)研究

由相關(guān)文獻[6]已知，在高于10-2Pa的真空度下，氣體會不斷地從材料表面釋放出來。漆包線表面釋放的有機氣體的來源主要有：

①初始在漆包線表面上吸附的氣體在真空狀態(tài)下從漆包線表面脫附；

②初始溶解于漆包線漆膜內(nèi)部的物質(zhì)以氣體形式在真空狀態(tài)下從漆包線漆膜內(nèi)部向真空邊界擴散，最后在界面上釋放，脫離漆包線；

③殘留、滲透在線圈組匝間的有機氣體從線圈組中釋放出來。

所以，烘烤的真空度越高，漆包線內(nèi)部有機氣體揮發(fā)得越充分。

高溫溫度的參數(shù)確定，首先要確定繼電器線圈組內(nèi)部實際溫度，使漆包線預烘烤的溫度大于繼電器線圈組內(nèi)部實際溫度才能有效完成預烘烤，避免線圈組實際使用過程中因預烘烤溫度未覆蓋實際使用溫度、二次揮發(fā)出有機氣體[7]；同時漆包線預烘烤的溫度小于漆包線的最高工作溫度220℃，才能保證漆包線性能不受破壞。

繼電器在實際使用過程中，除了要承受工作環(huán)境最高溫度之外，由于繼電器線圈組需要加電動作，因此，繼電器線圈組內(nèi)部的實際溫度為繼電器工作環(huán)境最高溫度與繼電器線圈組長期加電溫升之和[8][9]。為確定繼電器線圈組內(nèi)部實際溫度，選取典型繼電器產(chǎn)品進行試驗，詳見下文：

條目信息：對期刊全文和圖書做了大量碎片化加工，如期刊論文中的研究方法、研究前證據(jù)、材料、討論等；圖書加工到章節(jié)，包含條目的標題、摘要 、關(guān)鍵詞，DOI地址以及售價。

1)試驗設備

表5 試驗設備

2)試驗樣品

線圈組共準備了3個樣品，每個樣品安裝一個傳感器，傳感器分別放置在線圈的內(nèi)(記為1#)、中(記為2#)、外(記為3#)三個位置。

3)試驗環(huán)境

高溫環(huán)境下的溫度特性測試在公司試驗室進行。

測試場所的溫度27℃～30℃；相對濕度：20%～80%；大氣壓力：86kPa～106kPa。高溫：+125℃。

4)試驗過程

環(huán)境溫度達到125℃，線圈加額定電壓，每間隔10秒測試一次3個傳感器的溫度，得出平均溫度值；后續(xù)待線圈組內(nèi)部溫度基本恒定，適當加大間隔時間測試傳感器溫度值。

5)試驗結(jié)果及分析

線圈溫度測試數(shù)據(jù)及溫升曲線如下：

表6 線圈加電后溫度-時間對照表

圖8 線圈加電后溫度測試曲線

測試結(jié)果表明，高溫加電狀態(tài)下，產(chǎn)品線圈的平衡溫度則高不少，大約為174℃，其最高溫度可達到175℃左右。

所以，漆包線預烘烤的溫度須大于等于175℃，且小于聚酰亞胺漆包線的最高工作溫度220℃[10]。在這一溫度區(qū)間內(nèi)，溫度越高釋氣效果越好。

按照不同的高溫烘烤溫度、高真空預烘線圈組漆包線，與未經(jīng)高溫高真空烘烤的漆包線進行對比，使用HS-GC-MS(頂空進樣氣相色譜-質(zhì)譜)分析法測定線圈組漆包線中揮發(fā)性有機物的殘留量，詳見下表：

表7 檢測結(jié)果

從表7可知，高溫高真空預烘烤線圈組漆包線的參數(shù)確定為：烘烤溫度(190±5)℃、真空度<0.001Pa,在該條件預烘烤漆包線，可以更有效將漆包線中殘留的有機物質(zhì)進一步揮發(fā)去除。

5 結(jié)論

本文針對漆包線對電磁繼電器接觸電阻的影響進行工藝研究，針對漆包線潤滑劑對有機污染的影響進行試驗分析，采取工藝優(yōu)化方案，根據(jù)效果，得到以下結(jié)論：

(1)漆包線組成中殘留的二甲苯、甲苯、酚類等溶劑或稀釋劑，有機硅，表面潤滑劑，在后續(xù)的繼電器烘烤、加電過程中均會揮發(fā)出有機污染物，對繼電器接觸電阻造成不良影響。

(2)對漆包線進行高溫高真空預烘烤：烘烤溫度(190±5)℃、真空度<0.001Pa，可以更有效將漆包線中殘留的有機物質(zhì)進一步揮發(fā)去除；使繼電器實際工作溫度下，線圈組不再揮發(fā)出有機污染物造成觸點存在有機膜污染，避免觸點因接觸電阻大而失效。