Cependant, les contacts de relais doivent fonctionner dans des conditions électriques exigeantes. Lors de la commutation de charges résistives, comme les phares automobiles, le courant d'appel peut atteindre 5 à 10 fois le courant nominal, augmentant ainsi le risque de soudure des contacts. Lors de la commutation de charges inductives, comme les moteurs, la durée de l'arc électrique s'allonge et son extinction est plus difficile, ce qui entraîne une érosion importante de la surface de contact. Ces phénomènes réduisent directement la fiabilité des contacts, raccourcissent leur durée de vie et peuvent, à terme, affecter la sécurité et la stabilité de l'ensemble du système du véhicule.
Par conséquent, l'amélioration de la résistance à l'érosion par arc des
matériaux de contact électrique demeure un enjeu majeur dans le développement des relais automobiles. Parmi les matériaux de contact couramment utilisés, l'AgSnO₂ (oxyde d'étain et d'argent) a suscité un vif intérêt en raison de sa forte résistance à la soudure et au transfert de matière. Afin d'améliorer encore ses performances, des chercheurs ont étudié l'effet de l'ajout d'indium (In) à l'AgSnO₂ et évalué l'influence de différentes concentrations d'indium sur le comportement des contacts dans les conditions de fonctionnement du relais.
Objectif de la recherche
Cette étude visait à examiner l'influence de différentes teneurs en indium (1,5 %, 3,5 % et 5,5 %) sur les performances des matériaux de contact AgSnO₂ utilisés dans les relais automobiles.
En comparant des indicateurs clés de performance tels que la perte de masse, l'énergie d'arc, la force de soudage et la morphologie de surface, l'étude cherchait à identifier une plage de teneur en indium optimale et à fournir des données de référence pour l'optimisation des matériaux de contact des relais.
Méthode d'essai
Afin de simuler au mieux les conditions de fonctionnement réelles d'un relais automobile, des fils d'AgSnO₂ à teneur variable en indium ont été préparés par oxydation interne, puis transformés en contacts rivetés.
Les essais ont été réalisés sur une plateforme de simulation des performances des contacts électriques, capable de reproduire le mouvement des contacts et d'acquérir des données en temps réel, notamment l'énergie et la durée de l'arc électrique, ainsi que la force de soudage. Les paramètres d'essai ont été définis en fonction des conditions de fonctionnement d'un relais automobile représentatif.
La perte de masse a été calculée en comparant le poids des contacts avant et après essai. Par ailleurs, la microscopie électronique à balayage (MEB) a été utilisée pour analyser les surfaces de contact érodées et évaluer les modifications microstructurales après plusieurs cycles de fonctionnement.
Principaux résultats
Les résultats ont montré que la teneur en indium influence de manière claire et mesurable la résistance à l'érosion par arc des contacts AgSnO₂.
1. Diminution de la perte de masse avec une teneur en indium plus élevée
. L'augmentation de la teneur en indium a entraîné une diminution progressive de la perte de masse des contacts.
Ceci s'explique principalement par le fait que l'oxyde d'indium (In₂O₃), à point de fusion élevé, accroît la viscosité du bain de fusion. De ce fait, l'argent liquide est moins susceptible de se projeter hors de la surface de contact, réduisant ainsi les pertes de matière.
À 5,5 % d'indium, les contacts ont présenté la plus faible perte de masse. Les projections en surface étaient principalement constituées de fines particules plutôt que de grosses gouttelettes sphériques, ce qui indique une meilleure résistance à l'érosion par arc.
2. L'énergie d'arc dépend de
la teneur en indium. Pour des teneurs en indium de 1,5 % ou 3,5 %, l'énergie d'arc se stabilise progressivement avec l'augmentation du nombre de cycles de commutation, ce qui indique un comportement de contact relativement stable.
À 5,5 % d'indium, l'énergie d'arc augmente d'abord, puis diminue avant de se stabiliser. Cette tendance est probablement liée à la dureté accrue du matériau de contact pour des teneurs en indium plus élevées. Cette dureté accrue peut réduire la surface de contact initiale et favoriser les rebonds, ce qui augmente l'énergie d'arc en début de fonctionnement.
Au fur et à mesure des commutations, la surface de contact s'uniformise sous l'effet de l'érosion par l'arc, la surface de contact effective augmente et l'énergie d'arc se stabilise progressivement. Ceci indique que si une teneur en indium plus élevée améliore la résistance à l'érosion, des teneurs excessives peuvent affecter la stabilité de la commutation en phase initiale.
3. Une teneur plus élevée en indium améliore la résistance au soudage.
La force de soudage est un indicateur clé de la tendance des contacts à se coller en fonctionnement.
L'étude a montré que cette force était maximale à 1,5 % d'indium, atteignant environ 0,5 N. À mesure que la teneur en indium augmentait, la force de soudage diminuait significativement, chutant à environ 0,2 N à 5,5 %.
Ce résultat indique qu'une teneur plus élevée en indium peut améliorer sensiblement la résistance au soudage. Ceci s'explique notamment par le fait que l'In₂O₃ se sépare plus facilement de l'argent fondu, ce qui réduit la force de liaison à l'interface de contact et diminue le risque de soudage.
Une observation notable a été faite à 3,5 % d'indium : après 90 000 cycles électriques, la force de soudage a de nouveau augmenté pour atteindre près de 0,4 N. Le seuil de force de rupture des relais automobiles étant d'environ 0,4 N, cela suggère qu'en fonctionnement prolongé, un niveau d'indium de 3,5 % peut encore présenter un certain risque de soudage.
4. La morphologie de surface confirme les différences de performance.
L'analyse MEB a révélé des différences nettes dans la morphologie d'érosion.
À 1,5 % d'indium, la surface de contact présentait une fusion importante et de nombreuses projections grossières, indiquant une érosion par arc plus sévère.
À 5,5 % d'indium, la surface érodée montrait des zones fondues plus dispersées et des gouttelettes plus fines. Bien que la pulvérisation cathodique du métal persiste, l'augmentation de la viscosité du bain de fusion a contribué à réduire la perte de matière globale. Ces modifications microstructurales se sont directement répercutées sur les performances électriques macroscopiques des contacts.
Conclusion
Sur la base de l'analyse combinée de la perte de masse, de l'énergie de l'arc, de la force de soudage et de la morphologie de surface, plusieurs conclusions peuvent être tirées :
- L'augmentation de la teneur en indium contribue à réduire les projections et les pertes de matière, améliorant ainsi la résistance à l'érosion par arc électrique.
- Une teneur plus élevée en indium réduit également la force de soudage et améliore les performances anti-soudage.
- Une teneur en indium excessivement élevée peut augmenter le rebond initial au contact et accroître temporairement l'énergie de l'arc.
- Pour les applications de relais automobiles, compte tenu des performances électriques, des exigences en matière de force de coupure du relais et du contrôle des coûts, la plage de teneur en indium recommandée est de 3,5 % à 5,5 %.
Perspectives d'avenir
Face à l'évolution constante des systèmes électriques automobiles, les contacts de relais doivent offrir une fiabilité accrue et une durée de vie électrique prolongée. Cette étude fournit des éléments de référence utiles pour l'optimisation des matériaux de contact AgSnO₂, démontrant qu'une teneur appropriée en indium permet d'équilibrer la résistance au soudage, la stabilité de l'arc et l'usure du matériau.
Chez
Fudar Alloy , nous restons engagés dans l'innovation et l'optimisation continues des matériaux de contact électrique, afin de fournir des solutions fiables et performantes à l'industrie électrique et électronique.
