Influence de la microstructure de l'AgSnO₂ sur l'érosion par arc électrique et la durée de vie électrique en relais sous les charges des lampes automobiles

AgSnO₂ est largement utilisé pour les contacts de relais, car il offre une combinaison intéressante de conductivité électrique, de résistance au soudage et de résistance à l’érosion par arc électrique. Cependant, la composition chimique seule ne détermine pas les performances. La taille et la répartition des particules d’oxyde, ainsi que la dureté et la teneur en additifs, influencent également le comportement des contacts lors de la commutation.

L’étude résumée ici a comparé un matériau AgSnO₂ conventionnel à une formulation modifiée dans les mêmes conditions de charge de lampe automobile. Le matériau modifié a obtenu une durée de vie caractéristique environ 60 % supérieure lors de l’essai de contact simulé et 46 % supérieure dans des relais complets. Les résultats montrent pourquoi la conception du matériau doit être adaptée à la charge réelle du relais.

Que comparait l’étude ?

Les deux matériaux ont été produits par oxydation interne, transformés en fil en alliage d’argent de 1,4 mm, puis formés à froid pour fabriquer des rivets de contact. Les deux matériaux contenaient 85,5 % en poids d’Ag et 4 % en poids d’In₂O₃, le SnO₂ constituant le reste. Ils utilisaient le même système d’additifs, mais le matériau modifié contenait 2 % en poids d’additifs, contre 1 % pour le matériau conventionnel.
Les rivets de contact ont été évalués lors d’un essai de contact simulé et dans des relais automobiles complets, avec le même profil de charge de lampe de 13,5 V. Les principales conditions d’essai et les critères de défaillance sont résumés dans le Tableau 1.

PARAMÈTRE D’ESSAI	CONDITION
Profil de charge	Charge de lampe automobile simulée
Tension	13,5 V CC
Courant	90 A à l’appel ; 20 A en régime permanent
Cycle de commutation	1 s activé / 1 s désactivé ; fonctionnement jusqu’à défaillance
Critères de défaillance	Essai simulé : force de soudage supérieure à 30 g pendant cinq opérations consécutives. Essai du relais : chute de tension supérieure à 1,35 V.

Qu’est-ce qui a changé dans le matériau modifié ?

La microscopie électronique à balayage a révélé une différence nette entre les deux matériaux. La plupart des particules d’oxyde du matériau conventionnel mesuraient moins de 1 µm. Le matériau modifié contenait une proportion plus élevée de particules plus grandes, notamment des particules d’environ 1 µm.



Cette modification de la répartition des particules a changé l’équilibre des propriétés du matériau. Le matériau conventionnel était plus dur et plus résistant. Le matériau modifié était plus souple mais plus ductile, avec un allongement passant de 17 % à 25 %. Il présentait également une résistivité électrique légèrement inférieure, indiquant une conductivité légèrement meilleure. La densité est restée inchangée.

PROPRIÉTÉ	CONVENTIONNEL	MODIFIÉ
Dureté (HV0.3)	120,7	101,3
Résistance à la traction (MPa)	382	330
Allongement (%)	17	25
Résistivité électrique (µΩ·cm)	2,47	2,40
Densité (g/cm³)	9,75	9,75

Pour les contacts de relais, une dureté plus élevée n’est pas nécessairement synonyme de meilleures performances. Un contact plus dur peut rebondir davantage lors de sa fermeture. Chaque rebond sépare brièvement les surfaces de contact avant de les reconnecter, créant ainsi des occasions supplémentaires de formation d’un arc électrique. Dans les conditions de cette étude, la dureté plus faible du matériau modifié a contribué à une fermeture plus stable du couple de contacts.

Une durée de vie plus longue sous la même charge de lampe

Cinq essais ont été réalisés pour chaque matériau dans les deux formats d’essai. L’analyse de la durée de vie a montré la même tendance dans les deux formats : le matériau modifié a présenté une durée de vie plus longue dans les deux cas.

Lors de l’essai de contact simulé, la durée de vie caractéristique est passée de 146 573 opérations pour le matériau conventionnel à 234 856 opérations pour le matériau modifié, soit une amélioration d’environ 60 %. Dans les relais complets, la durée de vie caractéristique est passée de 174 153 à 254 698 opérations, soit une amélioration de 46 %.

FORMAT D’ESSAI	CONVENTIONNEL	MODIFIÉ	GAIN
Essai de contact simulé	146 573 (139 585-153 908)	234 856 (230 279-239 977)	+60,2 %
Essai sur relais complet	174 153 (167 314-181 272)	254 698 (250 795-258 661)	+46,2 %

La concordance entre les deux méthodes d’essai est importante, car un essai de contact simulé ne peut pas remplacer la validation dans le relais final. Dans ce cas, cependant, les deux méthodes ont montré la même tendance générale, ce qui renforce les preuves que le matériau modifié offre un avantage réel en termes de performances sous la charge de lampe testée.

L’étude a utilisé un nombre limité d’essais. Les valeurs exactes de durée de vie s’appliquent donc uniquement aux matériaux et aux conditions évalués. Elles ne doivent pas être considérées comme une durée de vie garantie pour tous les modèles de relais ou tous les environnements de fonctionnement.

Pourquoi le matériau modifié a-t-il duré plus longtemps ?

L’amélioration peut être expliquée par une simple chaîne d’événements. Comme le matériau modifié était plus souple, les contacts absorbaient davantage l’impact lors de la fermeture. Ils rebondissaient moins souvent et avaient donc moins d’occasions de se séparer et de produire un nouvel arc immédiatement après la fermeture.

Les arcs qui se produisaient étaient également moins sévères. Pendant la majeure partie de l’essai simulé, le matériau modifié présentait une énergie d’arc plus faible et une durée d’arc plus courte. La force de soudage était inférieure d’environ 0,04 N pendant une grande partie de l’essai. Les principales différences sont résumées dans le Tableau 4, tandis que la Figure 2 montre l’évolution de l’énergie et de la durée de l’arc au cours de l’essai.

INDICATEUR DE COMMUTATION	CONVENTIONNEL	MODIFIÉ
Rebond des contacts	Généralement 4-9 rebonds	Généralement 0-6 rebonds
Énergie d’arc	Environ 20-50 mJ	Environ 10-30 mJ
Durée de l’arc	Environ 1,7-2,0 µs	Environ 1,5-1,75 µs

En termes simples, le matériau modifié a suivi une chaîne de comportement plus favorable : un matériau de contact plus souple a entraîné moins de rebonds ; moins de rebonds ont réduit les arcs supplémentaires ; et une intensité d’arc plus faible a ralenti les dommages de surface. Cela n’a pas éliminé l’usure, mais a retardé le moment où les dommages ont commencé à déstabiliser la commutation.

Que révèlent les surfaces de contact ?

Les surfaces après essai ont montré que les deux matériaux ne s’usaient pas simplement à des vitesses différentes. Ils développaient des types de dommages différents.

Dans le matériau conventionnel, le matériau s’est déplacé du contact fixe vers le contact mobile. Cela a créé un dépôt surélevé d’un côté et une cavité correspondante de l’autre. Les surfaces rugueuses et irrégulières ont rendu les contacts plus susceptibles de se souder entre eux, ce qui est devenu la principale cause de défaillance.

Le matériau modifié a montré un transfert directionnel moindre. La perte de matériau s’est produite principalement sur le contact fixe et s’est répartie plus uniformément sur la zone de contact. La surface est restée relativement lisse au lieu de former le même motif marqué de dépôt et de cavité. Cela a contribué à retarder le soudage des contacts, même si l’usure a continué à s’accumuler.




Lors de l’essai simulé, la force de soudage du matériau modifié a commencé à augmenter après environ 100 000 opérations et a augmenté rapidement au-delà de 200 000 opérations. La défaillance finale était associée à une perte cumulée de matériau sur le contact fixe et à une force de soudage dépassant la limite de l’essai. Le matériau modifié a donc prolongé le délai avant défaillance, mais n’a pas empêché les dommages indéfiniment.

Qu’est-ce que cela signifie pour la conception des relais ?

Les résultats mettent en évidence trois enseignements pratiques pour les applications de relais automobiles et autres relais CC soumis à des courants d’appel élevés :

1. Concevoir en fonction du profil de charge. Un matériau performant sous une charge donnée peut ne pas offrir le même équilibre sous une autre charge. Les charges de lampe accordent une importance particulière à la stabilité des contacts et à la résistance au soudage.
2. Une dureté plus élevée ne signifie pas toujours une durée de vie plus longue. Dans cet essai, le matériau modifié plus souple a absorbé une plus grande partie de l’impact lors de la fermeture, réduisant ainsi les rebonds et les arcs supplémentaires susceptibles de se produire ensuite.
3. La sélection du matériau doit tenir compte de plusieurs propriétés. La conductivité, la dureté, la stabilité des contacts, la résistance à l’érosion et la résistance au soudage doivent être équilibrées en fonction des conditions réelles de commutation de l’application.

Conclusion

Sous la charge de lampe automobile de 13,5 V testée, le matériau AgSnO₂ modifié a présenté une durée de vie électrique plus longue, une énergie d’arc plus faible, une durée d’arc plus courte et un transfert de matériau moins important que le matériau conventionnel. Sa teneur plus élevée en additifs, sa répartition plus grossière des particules d’oxyde et sa dureté plus faible étaient associées à un fonctionnement plus stable des contacts et à un schéma différent de dommages de surface.

L’enseignement général est simple : le meilleur matériau pour contacts électriques n’est pas nécessairement l’option la plus dure ou la plus conductrice. Des performances fiables reposent sur un équilibre entre la composition, la microstructure et les propriétés mécaniques adapté à la charge réelle. Pour les relais soumis à des charges de lampe, la réduction des rebonds et la limitation de la sévérité de l’arc peuvent être tout aussi importantes que la conductivité de base du matériau.

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