Comment le matériau de contact AgSnO2 affecte les performances électriques du relais de puissance

1. INTRODUCTION

La sécurité et la fiabilité des relais de puissance jouent un rôle crucial dans les équipements électriques. Lorsqu'un relais de puissance fonctionne dans des conditions étanches, capacitives et inductives, l'énergie de l'arc électrique est très élevée et la chaleur difficilement transmissible. Ceci peut facilement provoquer la fusion des contacts en début de service, entraînant une défaillance du relais et, dans les cas les plus graves, un incendie ou d'autres conséquences graves. Par conséquent, l'étude de la résistance au soudage par fusion des matériaux de contact électrique revêt une importance capitale.

Dans l' industrie des matériaux de contact électrique , des ingénieurs ont également mené des recherches sur les matériaux de contact pour relais de puissance. Avec l'augmentation de la teneur en cuivre des matériaux AgSnO₂, la microstructure évolue progressivement, passant d'oxydes courts et filiformes à des structures fibreuses fines. Cependant, lorsque la teneur en cuivre dépasse 6,8 %, un phénomène de « ségrégation par dissolution » se produit au sein de l'organisation, où une grande quantité de particules d'oxyde s'agrègent aux joints de grains et la taille de la microstructure augmente. Certains chercheurs soulignent qu'à mesure que la densité de la racine d'arc augmente, l'énergie de l'arc augmente également, ce qui entraîne des cratères d'érosion plus grands et plus profonds dans la zone d'agrégation de SnO2. Comme mentionné précédemment, un grand nombre d'arcs sont concentrés dans une même zone, ce qui entraîne une augmentation rapide de la température et une incapacité à se dissiper pendant une longue période. En raison du point de fusion relativement bas de l'argent (961 °C), les particules d'argent proches de la zone d'agglomération fondent pour former un bain de fusion, provoquant la projection d'un grand nombre de gouttelettes d'argent sous l'action combinée de la chaleur et de la force de l'arc.

Lors de l'utilisation réelle de relais de puissance étanches, des problèmes de soudage dus à la liaison des contacts sont fréquents. Cet article vise à fournir des références utiles pour le développement de matériaux de contact électrique pour relais de puissance en étudiant les paramètres de performance électrique simulés entre des matériaux présentant différentes teneurs en oxydes, notamment le temps, l'énergie de l'arc, la force de soudage et les caractéristiques morphologiques de la surface de contact après essais.

2. PROCESSUS ET MÉTHODES DE TEST

La méthode d'oxydation interne des alliages est l'une des méthodes les plus couramment utilisées pour la production de contacts électriques en oxyde d'étain et d'argent. Les matériaux ainsi obtenus présentent une bonne résistance à la perte par brûlure et au soudage par fusion, et trouvent de nombreuses applications dans les produits de divers fabricants de relais en Chine.

Cet article utilise la méthode d'oxydation interne des alliages pour préparer trois matériaux et en comparer les propriétés. Les composants spécifiques sont présentés dans le tableau 1. Les trois matériaux ont ensuite été transformés en contacts rivetés , et des tests de performances électriques ont été réalisés sur une machine d'essai de performances électriques simulée. Les trois points de contact ont été assemblés en relais de puissance, et des tests de durée de vie électrique ont été réalisés.

Catégorie	Composant (% en poids)			Remarques
	À	SnO2​	Additifs
1#	90	Rester	1	-
2#	86	Rester	1	-
3#	84	Rester	1	-

Français Le processus de production des échantillons de matériaux dans cette étude était le suivant : les matières premières ont été fondues puis extrudées à chaud pour produire un alliage AgSn, qui a ensuite été soumis à un étirage d'alliage, une découpe d'alliage, un traitement d'élimination d'huile, une oxydation interne, un pressage en lingot, un frittage, une extrusion à chaud d'AgSnO2 et un étirage du produit fini pour préparer les spécifications requises du fil φ1,92 [état mou]. La microstructure d'AgSnO2 a été analysée par microscopie électronique à balayage MEB, la densité a été mesurée par la méthode de drainage, la dureté a été mesurée avec le testeur de dureté MICROH ARD-NESS MHV2000, la résistance à la traction et l'allongement ont été mesurés avec la machine d'essai de matériaux LJ-1000, et la résistance électrique a été mesurée avec le testeur de résistance CC intelligent TH2512B et convertie en résistivité électrique.

Utilisez une riveteuse pour refouler à froid le fil obtenu à partir des étapes ci-dessus jusqu'à une spécification de contacts de rivet R4×0,79+2×0,55, puis effectuez des tests de performances électriques simulés. Parallèlement, les performances électriques simulées ont été testées à l'aide d'une machine d'essai de simulation de la durée de vie électrique des matériaux de contact, développée en coopération avec des universités nationales. Le dispositif d'essai de performances électriques simulées, illustré à la figure 1, comprend principalement une table coulissante à déplacement triaxial XYZ, un mécanisme d'entraînement composé d'un électroaimant à action directe et d'une tige de poussée, un mécanisme de fin de course de l'électroaimant et un ensemble de base de relais. Le système permet d'ajuster le point d'action de la tige de poussée en ajustant les tables coulissantes à déplacement sur les axes Z et Y, et d'ajuster le bloc de commande de fin de course de la table coulissante à déplacement sur l'axe X du mécanisme de fin de course électromagnétique, ajustant ainsi le ralenti et la surcourse de la tige de poussée. La précision du réglage de position est de 10 μm. Le dispositif peut facilement remplacer les systèmes de ressorts de contact de différents relais pour les essais de simulation et peut mesurer de manière synchrone la tension de contact, le courant et la force de soudage. Le tableau 2 présente les conditions d'essai de performances électriques simulées.

Catégorie	tension alternative	courant alternatif	Fréquence d'ouverture et de fermeture	Type de charge	Remarques
Conditions de test de performances électriques simulées	250 VCA	15A	1s, activé	Charge résistive	-
			1 s, éteint		-
Conditions de test de durée de vie électrique		16A	5s, activé		-
			5s, éteint		-

3. RÉSULTATS DES TESTS ET ANALYSE

Tout d'abord, les propriétés mécaniques et physiques de matériaux présentant différentes teneurs en oxydes ont été comparées. Les données spécifiques sont présentées dans le tableau 3. On constate que le matériau 1# présente la résistivité électrique la plus faible, avec une densité supérieure d'environ 0,06 g/cm3 à celle du matériau 2#. L'allongement est le plus élevé des trois matériaux, atteignant 29 %.

Catégorie	Résistance à la traction (MPa)	Taux d'allongement (%)	Résistivité （μΩ.cm）	Densité (g/cm 3 )	Dureté
1#	341	29	2.29	9,86	103
2#	344	24	2.41	9,80	110
3#	340	20	2,65	9,82	105

La figure 2 montre la microstructure de matériaux présentant différentes teneurs en oxydes. Les photos prises au microscope électronique à balayage (MEB) montrent une répartition uniforme des particules d'oxyde dans la matrice d'argent, et des tailles de particules similaires pour les trois matériaux, la plupart étant de l'ordre de 1 μm. Selon des recherches théoriques en science des matériaux, l'ajout d'un composant de seconde phase à un métal pourrait renforcer le métal de base. Le principe consistait à utiliser des structures de particules dispersées pour entraver le mouvement des dislocations, améliorant ainsi les propriétés mécaniques et physiques du matériau de base. Ainsi, dans cette expérience, l'augmentation de la teneur en oxyde a amélioré la dureté, la résistance à la traction et d'autres paramètres du matériau, mais l'allongement du matériau a montré une tendance inverse.


La comparaison des performances électriques des trois matériaux est présentée dans les tableaux 4 et 5. Dans l'intervalle de confiance à 95 %, la durée de vie électrique des trois matériaux présentant des teneurs en oxyde différentes était respectivement de 39 342, 89 314 et 29 345 fois. La durée de vie électrique moyenne du matériau 2# était environ 62 000 fois supérieure à celle du matériau 1#. Le tableau 5 montre que, lors des tests de durée de vie électrique réels des relais, le matériau contenant 2# a atteint un résultat d'environ 94 000 durées de vie électrique dans l'intervalle de confiance à 95 %.

Les données ci-dessus montrent qu'à partir d'une certaine teneur en oxyde, le matériau de contact électrique préparé présente de bons résultats aux tests de durée de vie électrique. Les trois matériaux présentent la même durée de vie électrique que la machine d'essai de simulation lors des tests réels ; l'étape suivante consistait donc à utiliser les données issues des tests de performance électrique de simulation pour comparer les différences entre les trois matériaux.

Catégorie	1	2	3	4	5	p0,95
1#	45265	46859	39685	44586	42598	39342
2#	99865	102562	100 000	114785	102156	89314
3#	32562	41205	39568	34785	33568	29345

Catégorie	1	2	3	4	5	p0,95
1#	33026	28965	30254	29856	32564	26073
2#	102564	112563	105989	103654	100 000	94426
3#	20356	25468	30215	31025	26874	20293

Afin de clarifier les raisons détaillées des différences de performances électriques de trois matériaux à teneurs en oxyde différentes lors des essais de simulation sur machine et des essais de relais réels, et de comprendre les caractéristiques de l'érosion des matériaux de contact électrique en service, cet article a sélectionné des matériaux à teneurs en oxyde différentes dans les résultats des essais de performance électrique de simulation de 39 685, 100 000 et 39 568 fois. Les résultats ont montré que l'énergie de l'arc, le temps d'arc et la force de soudage ont été comparés à quatre paramètres de morphologie de surface après essai de contact.

La figure 3 montre la comparaison de l'énergie de l'arc, du temps d'arc et de la force de soudage de matériaux à teneurs en oxyde différentes lors de l'essai de performance électrique simulé. On peut voir sur la figure que dans les mêmes conditions de niveau de courant, l'énergie de pointe de l'arc du matériau à teneur 1# était d'environ 3000 mJ, celle du matériau à teneur 2# était de 3100 mJ, celle du matériau à teneur 3# était de 3500 mJ et celle du matériau à teneur 3# était la plus élevée, atteignant 10 ms. La force de soudage par fusion du matériau à teneur 1# était la plus élevée, car à mesure que la teneur en oxyde du matériau augmente, la résistivité du matériau augmente également et la chaleur générée pendant le processus de test augmente également, ce qui se manifeste finalement par une énergie d'arc et un temps d'arc différents.


La figure 4 montre la morphologie de surface des contacts après brûlure par arc électrique lors du test de performance électrique simulé. On constate que la surface du point mobile du contact en matériau 2# était relativement plane après le test de contact. De plus, les surfaces des deux autres matériaux présentaient des piqûres de brûlure et des points d'argent adhésifs évidents après le test de contact mobile. Parallèlement, une zone d'affaissement a été observée au bord du contact, ce qui affecte les performances électriques des contacts.


La comparaison de recherche ci-dessus a montré qu'avec une teneur en oxyde de 14 % pour le matériau de contact électrique en oxyde d'étain et d'argent, ses diverses propriétés physiques étaient relativement excellentes. En service, grâce à ses composants à point de fusion élevé et à sa dureté élevée, la résistance du contact à la fusion et à l'usure électrique sous l'action du courant de charge était supérieure à celle des deux autres matériaux. Le matériau 1# présente une faible résistance à l'usure par arc électrique en raison de sa faible proportion d'oxydes à point de fusion élevé. Cependant, lorsque la teneur en oxyde atteint 16 %, en raison de la teneur excessive en composant de seconde phase, la résistivité électrique du matériau augmente significativement. Lors du test, il présente de faibles performances anti-adhésion, affectant la conductivité des contacts et provoquant finalement une rupture de liaison.

Sur la base des résultats expérimentaux ci-dessus, l'amélioration de la résistance à l'usure électrique et de la résistance à l'adhérence des matériaux de contact des relais de puissance était l'un des principaux axes d'amélioration de la durée de vie électrique des matériaux. Parallèlement, compte tenu des différents types de conditions de charge et de structures de relais, des recherches supplémentaires étaient nécessaires pour ajuster la proportion d'additifs afin d'améliorer les performances de rupture et la résistance au soudage par fusion du matériau.

4. CONCLUSION

(1) Avec l'augmentation de la teneur en oxyde, la résistance à la traction et la résistivité du matériau ont considérablement augmenté, tandis que l'allongement montre une tendance à la baisse.

(2) L'intervalle de confiance à 95 % de la courbe de Weibull indique que lorsque la teneur en oxyde est de 14 %, le matériau de contact électrique en oxyde d'étain et d'argent présente la meilleure durée de vie électrique sur la machine d'essai, environ 89 000 fois.

(3) Dans les tests de relais de puissance, lorsque la résistivité du matériau est relativement élevée, l'augmentation de la température des contacts est importante, ce qui est sujet à une liaison de contact précoce et à une défaillance.

(4) Lors de la conception des matériaux, il est nécessaire de prendre en compte les conditions de test réelles et les scénarios d'utilisation de l'appareil électrique, et de sélectionner des matériaux de contact électrique à teneur en argent appropriés pour l'adaptation.