Quelle influence les propriétés électriques du matériau AgSnO₂ ont-elles sur les relais à verrouillage magnétique

I. INTRODUCTION

De nombreux chercheurs ont également étudié les matériaux de contact pour relais à verrouillage magnétique. Certains articles indiquent que l'ajout de WO₃ et de CuO aux matériaux AgSnO₂ permet d'améliorer leur résistance au fluage. Le CuO réduit le fluage total et la vitesse de fluage en régime permanent de 55 % et 40 % respectivement sous une contrainte de 50 MPa, tout en renforçant l'interface AgSnO₂ et en limitant l'amorçage et la propagation des fissures. D'autres articles soulignent que, dans le cadre d'un système composite AgSnO₂, la morphologie et la structure du SnO₂ sont contrôlées et qu'un modèle de squelette spatial est conçu pour résoudre le problème de dispersion du SnO₂ dans la matrice d'argent. L'association étroite entre l'argent et le SnO₂, grâce à la contrainte exercée par le squelette spatial, limite la dispersion du SnO₂ lors d'une érosion par arc électrique prolongée, évitant ainsi la dégradation des performances due à l'accumulation de SnO₂ en surface du matériau de contact. Certains articles ont étudié le phénomène de soudage des contacts des relais magnétiques à verrouillage en service. Lors du fonctionnement du relais, les ouvertures et fermetures répétées des contacts dégradent l'état de leur surface, entraînant des rebonds plus importants lors des fermetures suivantes. Ces rebonds multiples augmentent considérablement la durée et l'énergie de l'arc électrique. Sous l'effet de la haute température de l'arc, la surface des contacts mobiles et statiques produit des bains de fusion de formes et de tailles variées. Lors de la fermeture d'un contact, si celui-ci entre en contact avec un bain de fusion, un soudage par fusion statique peut se produire, provoquant un collage et, par conséquent, une défaillance du relais.

En pratique, les relais magnétiques à verrouillage sont souvent confrontés à des problèmes de soudage dus à ce collage. Cet article compare les performances électriques simulées de matériaux à base d'oxyde d'argent-étain (ATO) classiques et de matériaux préparés par des procédés spéciaux, notamment la durée et l'énergie de l'arc électrique, la force de soudage et les caractéristiques morphologiques de la surface de contact après essai. Il vise à fournir des informations utiles pour la recherche et la conception de matériaux de contact électrique destinés aux relais magnétiques à verrouillage.

II. AUTRES INTRODUCTIONS

1. Méthode et procédé d'essai.
La méthode de pré-oxydation est l'une des plus couramment utilisées pour la préparation de matériaux de contact électrique en oxyde d'argent-étain. Les matériaux ainsi préparés présentent une bonne résistance à la combustion et d'excellentes propriétés de rupture, et sont largement utilisés dans le domaine des relais à verrouillage magnétique.

Après amélioration, la dureté du matériau a été augmentée d'environ 10 HV, sa résistance à la traction d'environ 15 MPa, son allongement a été réduit de 9 % et sa résistivité est supérieure de 0,0 μΩ·cm à celle du matériau traditionnel.



Le procédé de préparation des matériaux décrit dans cet article était le suivant : la matière première a été fondue, puis atomisée à l’eau pour obtenir une poudre, séchée, pré-oxydée, pressée isostatiquement et mise en forme en ébauche avant extrusion. L’extrusion et l’étirage ont permis d’obtenir le fil de diamètre 1,9 mm (souple). Le processus de pré-oxydation se déroulait comme suit : fusion → pulvérisation par atomisation à l’eau → oxydation de la poudre → pressage isostatique → extrusion → étirage du produit fini.

La microstructure de l’AgSnO₂ a été examinée et analysée par microscopie électronique à balayage (MEB). La densité a été mesurée par déplacement d’eau et la dureté à l’aide d’un duromètre MICROH ARD-NESS MHV2000. La résistance à la traction et l’allongement ont été mesurés avec une machine d’essai de matériaux LJ-1000 et la résistivité avec un ohmmètre intelligent TH2512B.

Enfin, les propriétés électriques ont été testées à l’aide d’un banc d’essai de durée de vie électrique pour matériaux de contact, développé en collaboration avec une université chinoise. Le banc d'essai de simulation des propriétés électriques du nouveau modèle est présenté sur la figure suivante : il comprend principalement des curseurs de déplacement triaxiaux (XYZ), un système d'entraînement composé d'un électroaimant à action directe et d'une tige de poussée, un mécanisme de positionnement électromagnétique et un support de relais. Le système permet d'ajuster le point de fonctionnement de la tige de poussée en modifiant le déplacement des curseurs des axes Z et Y, et de contrôler la butée de fin de course grâce au curseur de déplacement de l'axe X du mécanisme de positionnement électromagnétique. La précision de positionnement est de 10 µm. L'appareil permet de remplacer facilement le système de ressort de contact de différents relais pour les tests de simulation et de mesurer simultanément la tension de contact, le courant et la force de soudage.


Toutes les données de test mentionnées ci-dessus, notamment la tension de contact, le courant de contact et la force dynamique, sont acquises par le système d'acquisition de données commercial (PCI1706, Advantech, Taïwan), qui offre une résolution de mesure de 16 bits et une fréquence d'échantillonnage de 250 kHz. L'instrument est connecté à un ordinateur via un port série RS232. L'acquisition et l'enregistrement des données sont pilotés par un PC grâce au logiciel LabVIEW, spécialement programmé à cet effet.



2. Résultats des essais et discussion.
Dans un premier temps, les propriétés mécaniques et physiques du matériau conventionnel et du matériau amélioré ont été comparées. Les données détaillées sont présentées dans le tableau 3. On constate que la dureté et la résistance à la traction du matériau amélioré sont supérieures, mais que son allongement est inférieur à celui du matériau conventionnel.

Après amélioration, la dureté du matériau a augmenté d'environ 10 HV, sa résistance à la traction d'environ 15 MPa, son allongement a diminué de 9 % et sa résistivité est supérieure de 0,04 μΩ·cm à celle du matériau conventionnel.




La figure 2 compare les microstructures des matériaux conventionnels et spéciaux. On observe que la taille des particules d'oxyde du matériau conventionnel est relativement importante, la plupart des particules ayant une taille supérieure à 1 µm, tandis que celle du matériau amélioré dans cette étude est relativement fine, la plupart des particules ayant une taille inférieure à 1 µm. Selon les recherches existantes en science des matériaux, l'ajout d'une seconde phase au métal permet de le renforcer. Dans cette étude, la taille des particules d'oxyde du matériau conventionnel est plus importante, tandis que celle du matériau modifié est plus fine, la plupart des particules ayant une taille inférieure à 1 µm. Conformément au principe de renforcement par dispersion, les particules fines augmentent la dureté, la résistance à la traction et d'autres propriétés des matériaux. Par conséquent, la dureté et la résistance à la traction des matériaux préparés dans cette étude sont supérieures à celles des matériaux conventionnels, mais leur allongement est inférieur.

Les propriétés électriques des deux matériaux ont été comparées dans les tableaux 4 et 5. On constate que l'intervalle de confiance à 95 % de la courbe de Weibull, ainsi que la durée de vie électrique simulée des matériaux conventionnels et spéciaux, étaient respectivement de 56 003 et 118 161 cycles. La durée de vie électrique moyenne du matériau amélioré était environ 62 158 fois supérieure à celle du matériau conventionnel. Le tableau 5 montre que les résultats des tests de relais pour le matériau traditionnel et le matériau amélioré étaient respectivement de 3 664 et 11 204 cycles. La durée de vie électrique du matériau amélioré était environ 7 540 fois supérieure à celle du matériau conventionnel. Ces données indiquent que les performances électriques simulées du matériau amélioré et la durée de vie électrique réelle du relais étaient supérieures à celles du matériau traditionnel. Les deux matériaux ont présenté une évolution similaire de leur durée de vie électrique sur la machine de test simulée et lors des tests de relais réels. Par conséquent, les différences entre les deux matériaux peuvent être étudiées en détail à partir des données issues des tests de performances électriques simulées.






Afin de mieux comprendre les raisons des différences de performances électriques entre les matériaux conventionnels et améliorés lors de simulations de propriétés électriques et de tests de relais, et d'obtenir une compréhension plus complète des caractéristiques de l'amorçage d'arc, nous avons sélectionné des matériaux traditionnels et améliorés présentant des durées de vie électriques simulées de 55 412 et 102 546 cycles, respectivement. L'énergie et la durée de l'arc, la force de soudage et la morphologie des contacts brûlés ont ensuite été comparées et étudiées.

La figure 3 compare ces paramètres lors des simulations de performances électriques. On constate qu'à courant égal, l'énergie de l'arc du matériau amélioré est de 3 050,59 mJ (intervalle de confiance à 95 %), contre 2 950 mJ pour le matériau traditionnel. La durée de l'arc est de 8,801 ms pour le matériau amélioré (intervalle de confiance à 95 %), contre 8,764 ms pour le matériau traditionnel. La différence était très nette au niveau de la force de soudage, avec un intervalle de confiance de 95 %. La force de soudage du matériau amélioré était de 0,015 N, contre 0,124 N pour le matériau traditionnel. Ceci s'explique par la dureté supérieure du matériau amélioré, qui optimise la qualité du soudage lors du contact.



La figure 4 illustre la morphologie de surface du contact après l'arc électrique lors du test de performance électrique simulé. Comme on peut le constater, la surface de contact réalisée avec le matériau traditionnel présente des marques d'ablation très importantes. De plus, une large zone d'effondrement apparaît en périphérie du contact, ce qui affecte sa durée de vie électrique.

En conclusion, la durée de vie électrique du matériau amélioré est supérieure à celle du matériau traditionnel. Du fait de sa faible dureté, les contacts en matériaux traditionnels présentent une résistance à l'usure inférieure à celle des contacts en matériaux améliorés lors de l'utilisation, sous l'effet répété d'un courant élevé. Il en résulte l'apparition d'une large zone de micro-cavités au centre de la surface de contact. Le matériau au niveau du contact est consommé et de nombreux effondrements se produisent en périphérie, ce qui affecte la structure globale du contact riveté, réduit sa résistance à la rupture et entraîne la défaillance finale de la liaison.



D'après les résultats des tests mentionnés ci-dessus, l'amélioration de la résistance à l'usure électrique du matériau de contact du relais à verrouillage magnétique constitue l'un des principaux axes de recherche pour accroître sa durée de vie. Parallèlement, compte tenu des différentes conditions de charge et des diverses structures de relais, il est nécessaire d'étudier et d'ajuster la proportion d'additifs afin d'améliorer les performances de freinage et la résistance au soudage du matériau.

III. CONCLUSION

Sur la base des résultats et des discussions présentés ci-dessus, les conclusions suivantes ont été tirées :

1. Comparé au matériau traditionnel, le matériau amélioré présente une dureté supérieure, une résistance à la traction supérieure, un allongement inférieur et une résistivité supérieure.
2. L'intervalle de confiance à 95 % de la courbe de Weibull montre que les durées de vie électriques simulées du matériau traditionnel et du matériau amélioré étaient respectivement de 56 003 et 118 161 fois.
3. La défaillance des matériaux traditionnels était due à leur faible résistance à l'usure électrique, elle-même causée par la moindre dureté des contacts. Sous l'action répétée d'un courant élevé, une vaste zone de piqûres d'ablation apparaissait au centre de la surface de travail. Une partie du matériau de contact était consommée et de nombreux effondrements se produisaient en périphérie du contact, affectant la structure globale du rivet et réduisant sa résistance à la rupture. En revanche, grâce à sa meilleure résistance à l'usure électrique, le matériau amélioré pouvait atteindre une durée de vie plus longue avant défaillance.
4. La dureté accrue du matériau amélioré permet d'accroître la résistance à l'usure électrique du contact et de réduire l'érosion de la surface de contact sous courant élevé. Parallèlement, la forte teneur en additifs améliore efficacement la résistance à la fusion lors du soudage. De ce fait, le matériau présente des performances électriques supérieures en conditions de vie électrique simulées.