Les contacts électriques sont au cœur du fonctionnement des relais, assurant l’ouverture et la fermeture du circuit externe. Lors des commutations répétées, l’arc électrique, l’échauffement localisé et l’usure mécanique peuvent éroder la surface de contact, augmenter la résistance de contact, provoquer un transfert de matériau ou même souder les contacts entre eux. Ces difficultés deviennent plus complexes à gérer à mesure que les composants électriques se miniaturisent et que les charges de commutation augmentent.
Les
matériaux de contact destinés aux relais scellés doivent donc associer conductivité électrique et résistance mécanique à une bonne résistance à l’érosion par arc, au soudage des contacts et à l’usure mécanique.
Pour étudier cet équilibre,
Fudar Alloy a comparé l’AgCdO12 conventionnel à une formulation modifiée afin d’évaluer l’impact des différences de composition et de microstructure sur la résistivité, la résistance à la traction, la perte de matériau, le comportement au soudage et la durée de vie électrique.
Matériaux et conditions d’essai
Les deux matériaux ont été produits par oxydation interne. Leurs compositions sont présentées dans le tableau 1.
Tableau 1. Composition des matériaux AgCdO12 conventionnel et modifié
| Matériau |
Ag (% en poids) |
CdO (% en poids) |
Additifs (% en poids) |
AgCdO12 conventionnel
|
88 |
12 |
Aucun |
| AgCdO12 modifié |
88 |
10.5 |
1.5 |
La formulation modifiée a conservé la même teneur en argent, en remplaçant 1,5 % en poids de CdO par des additifs sélectionnés. Les deux matériaux ont été transformés en
fil d’alliage d’argent, puis formés en
rivets de contact pour les essais.
L’évaluation comprenait :
- Examen métallographique de la microstructure
- Mesures de la résistance à la traction et de la résistivité électrique
- Essais de commutation électrique simulée
- Essais de durée de vie électrique dans des relais scellés assemblés
L’essai de commutation simulée a été réalisé sur 10 000 opérations sous une charge inductive de 250 VAC, 20 A. Il utilisait un rapport cyclique de 50 %, une force de contact nominale de 100 gf et un écartement des contacts de 2 mm.
Pour les essais au niveau du relais, les rivets de contact ont été assemblés dans des relais scellés et utilisés à température ambiante sous une charge résistive de 250 VAC, 10 A. L’essai utilisait un cycle de 1 s sous tension/1 s hors tension, avec un objectif de 100 000 opérations.
Une structure de particules d’oxyde plus grossières
Les figures 1 et 2 montrent une différence nette au niveau de la microstructure :
l’AgCdO12 modifié contient des particules d’oxyde plus grossières que le matériau conventionnel.
Figure 1. Microstructure de l’AgCdO12 conventionnel
Figure 2. Microstructure de l’AgCdO12 modifié
Lors de l’oxydation interne, les additifs réagissent plus lentement avec l’oxygène. Cela limite la formation de nouvelles particules d’oxyde, permettant aux particules qui se forment de croître davantage.
Une résistance à la traction plus élevée et une résistivité plus faible
Les essais mécaniques et électriques ont montré que
l’AgCdO12 modifié présentait une résistance à la traction plus élevée et une résistivité plus faible que le matériau conventionnel.
Les additifs favorisent une liaison plus efficace entre l’argent et le CdO lors du frittage, produisant un matériau plus dense avec moins de pores internes. Cette structure interne plus résistante contribue à expliquer l’augmentation de la résistance à la traction.
Dans un composite à matrice métallique, les électrons peuvent être diffusés aux interfaces entre la matrice d’argent et les particules d’oxyde. Les particules plus grossières peuvent réduire cette diffusion, permettant au courant de circuler plus facilement à travers la matrice d’argent.
En pratique, une résistivité plus faible contribue à limiter l’échauffement résistif, tandis qu’une liaison interne plus forte rend le contact moins sensible aux dommages mécaniques et à l’érosion par arc lors de la commutation.
Une perte de matériau plus faible lors de la commutation simulée
Les arcs électriques répétés peuvent faire fondre ou vaporiser le matériau à la surface du contact, entraînant un transfert de matériau, la formation de fissures et une perte progressive de matériau.
La figure 3 montre une perte de masse moyenne de 11,3 mg pour l’AgCdO12 conventionnel et de 8,9 mg pour le matériau modifié. Dans les mêmes conditions d’essai, cela représente
une réduction d’environ 21 %.
Figure 3. Perte de masse moyenne lors de la commutation simulée
La figure 4 illustre l’érosion par arc d’un contact en oxyde métallique d’argent (AgMeO). Lorsque le bain fondu refroidit après l’extinction de l’arc, les différences de dilatation thermique entre les différentes phases génèrent des contraintes internes. Cela peut amorcer ou prolonger les fissures de surface, fragiliser la structure proche de la surface et augmenter la perte de matériau.
Figure 4. Modèle physique de l’érosion par arc dans un matériau de contact AgMeO
Dans ce contexte, trois caractéristiques du matériau modifié peuvent contribuer à expliquer sa plus faible perte de masse :
- Une liaison interne plus forte contribue à résister aux dommages mécaniques provoqués par l’arc.
- Les phases supplémentaires formées par les additifs augmentent la viscosité de la zone fondue, la rendant moins fluide et réduisant l’écoulement, les projections et le transfert de matériau.
- Une meilleure mouillabilité permet à l’argent fondu de s’étaler sur la matrice et de remplir les fissures, réduisant ainsi la concentration des contraintes au niveau des pointes de fissures et ralentissant leur propagation.
Ensemble, ces mécanismes contribuent à réduire la perte de matériau lors des arcs électriques répétés.
Une force de soudage plus faible et plus stable sur 100 000 opérations
Pour l’AgCdO12 conventionnel, la force de soudage est passée de 14 à 69 gf au cours des cycles. Si elle dépasse la force disponible pour ouvrir le relais, les contacts peuvent ne pas s’ouvrir de manière fiable.
Pour le matériau modifié, la force de soudage variait de 3 à 12 gf et restait généralement inférieure à 10 gf.
À haute température, le CdO du matériau conventionnel peut se décomposer et former une couche d’alliage AgCd présentant une résistance plus élevée. À mesure que cette couche s’accumule, elle augmente l’échauffement localisé et le risque de soudage des contacts.
Dans le matériau modifié, une résistivité plus faible contribue à réduire l’échauffement, tandis qu’une couche d’oxyde fragile formée par les additifs peut se fissurer lors de la fermeture du contact et exposer du matériau frais. Ensemble, ces effets contribuent à maintenir une force de soudage plus faible et plus stable.
Les relais scellés équipés des rivets de contact en AgCdO12 modifié ont atteint l’objectif de durée de vie électrique de 100 000 opérations dans les conditions d’essai indiquées.
Ce que les résultats signifient pour la conception des matériaux de contact
Les résultats montrent que la composition seule ne détermine pas les performances de l’AgCdO. Le procédé de fabrication influence également la taille des particules d’oxyde, les liaisons internes, la présence de pores internes et la manière dont l’argent fondu se répartit dans le matériau.
Globalement, le matériau modifié présentait des particules d’oxyde plus grossières, une résistance à la traction plus élevée, une résistivité plus faible, une perte de masse moyenne réduite d’environ 21 % et une force de soudage plus stable. Les relais scellés équipés des contacts modifiés ont également atteint l’objectif de durée de vie électrique de 100 000 opérations dans les conditions indiquées.
Ces résultats sont spécifiques aux matériaux et aux conditions d’essai évalués ici. Les performances réelles dépendent également de la conception du relais, de la charge de commutation, de l’environnement de fonctionnement et de la qualité de la fixation. Des essais adaptés à chaque application restent donc essentiels.
Fudar Alloy accompagne les applications de relais scellés grâce à la sélection des matériaux, à la conception des contacts, à la fabrication et à la validation. Contactez notre équipe pour discuter de vos besoins
