Avec la miniaturisation croissante des contacteurs et l'augmentation des exigences en matière d'endurance électrique, leurs
matériaux de contact doivent supporter des courants plus élevés et des dizaines, voire des centaines de milliers de cycles de commutation. Dans ces conditions, le soudage des contacts, le transfert de matière, l'érosion par arc électrique et la fissuration superficielle peuvent tous entraîner une défaillance prématurée. L'
alliage argent-nickel (AgNi) est largement utilisé dans les dispositifs de commutation basse tension en raison de sa bonne conductivité électrique, de sa résistance de contact stable, de sa résistance à l'érosion par arc électrique et de son aptitude à la production en grande série. Cependant, les alliages AgNi10 et AgNi12 conventionnels peuvent ne pas offrir une durabilité suffisante pour
les contacteurs CVC modernes , caractérisés par des courants nominaux plus élevés et des exigences de durée de vie plus longues.
Augmenter la teneur en nickel peut sembler une solution simple, mais les tests montrent qu'une
plus grande quantité de nickel n'améliore pas nécessairement les performances globales .
Le compromis lié à une teneur plus élevée en nickel
Le nickel a un point de fusion bien plus élevé que l'argent. Augmenter sa proportion dans un matériau AgNi peut donc améliorer sa résistance à la fusion et au soudage par contact.
Cependant, une teneur en nickel plus élevée affecte également d'autres propriétés :
- La résistivité électrique augmente
- La dureté et la résistance à la traction augmentent
- Une force plus importante peut être nécessaire pour ouvrir les contacts soudés.
- Le matériau peut devenir plus sensible à la fissuration superficielle et à la porosité sous l'effet d'arcs électriques répétés.
La formulation optimale doit donc équilibrer la résistance au soudage, la conductivité, la résistance mécanique, la stabilité de l'arc et le comportement à l'érosion plutôt que de simplement maximiser la teneur en nickel.
Comparaison de différentes formulations AgNi
Une étude comparative a évalué six formulations AgNi présentant différentes teneurs en nickel et en additifs à l'état de traces.
Composition des matériaux de contact AgNi (en % massique) :
| Échantillon |
Dans |
T₁ |
T₂ |
À |
| 1# |
10 |
0,5–1,0 |
0 |
Équilibre |
| 2# |
12 |
0,5–1,0 |
0 |
Équilibre |
| 3# |
15 |
0,5–1,0 |
0 |
Équilibre |
| 4# |
17 |
0,5–1,0 |
0 |
Équilibre |
| 5# |
20 |
0,5–1,0 |
0 |
Équilibre |
| 6# |
15 |
0,5–1,0 |
0,3–0,5 |
Équilibre |
T₁ est un additif mouillant conçu pour favoriser une répartition plus homogène de l'argent fondu et limiter la formation de fissures et de cavités. T₂ est un additif fragilisant destiné à réduire la résistance mécanique des jonctions soudées, facilitant ainsi leur séparation.
Les six matériaux ont été produits selon les mêmes procédés de mélange de poudres, de frittage, d'extrusion et de tréfilage. Ils ont ensuite été mis en forme pour réaliser
des contacts rivetés de dimensions identiques.
Les conditions de test électrique simulées étaient les suivantes :
- Tension : 220 V CA
- Courant : 30 A
- Charge : Résistive
- Fréquence de fonctionnement : 1 200 opérations/heure
- Cycle de service : 20 %
- Force de contact : 0,98 N
- Phases de test : 50 000 et 100 000 opérations
Les performances ont été évaluées en fonction de la résistivité électrique, de la dureté, de la résistance à la traction, de la variation de masse de contact, de l'énergie d'amorçage, de la force de rupture de la soudure (force nécessaire pour ouvrir les contacts soudés) et de la morphologie de surface après essai.
L'essai en laboratoire, utilisant une charge résistive, a principalement servi à comparer les différentes formulations dans des conditions contrôlées. Une validation au niveau des composants, dans des conditions de commutation de compresseur spécifiques à l'application, restait donc nécessaire.
Principales conclusions
Les six échantillons ont tous subi 50 000 cycles de commutation sans défaillance de contact.
Perte de masse des contacts, force de rupture de la soudure et énergie d'arc après 50 000 cycles :
| Échantillon |
Perte de masse mobile au contact
×10⁻³ g |
Perte de masse par contact stationnaire
×10⁻³ g |
Force moyenne de rupture de la soudure
× (9,8 × 10⁻³) N |
Force de rupture maximale de la soudure
× (9,8 × 10⁻³) N |
Énergie moyenne d'arc (mJ) |
Énergie d'arc maximale (mJ) |
| 1# |
−0,5 |
1.1 |
8 |
212 |
976 |
2 695 |
| 2# |
0,7 |
1 |
8.8 |
202 |
1 127 |
2 605 |
| 3# |
0,3 |
0,8 |
9.9 |
207 |
1 063 |
2 652 |
| 4# |
1.7 |
2.1 |
11,33 |
200 |
1 189 |
3 301 |
| 5# |
2.1 |
2.8 |
13,91 |
177 |
1 321 |
3 769 |
| 6# |
0,2 |
0,9 |
8.1 |
173 |
1 049 |
2 599 |
Remarque : Une valeur de perte de masse négative indique un gain de masse dû au transfert de matière.
Une teneur plus faible en nickel augmente les risques de soudage
La formulation AgNi10 a présenté une surface fondue relativement faible et une érosion apparente réduite après 50 000 opérations. Cependant, le contact mobile a pris du poids en raison d'un transfert de matière depuis le contact fixe.
Ceci indique que le matériau à plus faible teneur en nickel est entré plus facilement en fusion. Lors de l'ouverture du contact, la matière fondue du contact fixe a adhéré au contact mobile.
Une surface de contact relativement lisse ou une faible perte de masse apparente n'indiquent donc pas nécessairement de meilleures performances. Le transfert de matière peut révéler un risque de soudage sous-jacent susceptible d'entraîner un collage du contact.
Lors du test prolongé de 100 000 opérations, la formulation AgNi10 a finalement cédé en raison d'une résistance au soudage insuffisante.
Une teneur excessive en nickel a provoqué des fissures et des arcs électriques instables.
Les formulations contenant environ 17 à 20 % de nickel ont développé davantage de fissures et de pores de surface visibles après des changements répétés. La formulation à 20 % de Ni a montré les fissures les plus importantes.
Images MEB des surfaces de contact de l'échantillon 4 après 50 000 opérations (500×)
Images MEB des surfaces de contact de l'échantillon 5 après 50 000 opérations (500×)
Ces défauts peuvent entraver la propagation de l'arc électrique à la surface de contact, augmentant ainsi le risque de réamorçage ou d'arcs continus. Les formulations à haute teneur en nickel ont montré une forte augmentation de l'énergie d'arc au cours des essais.
Évolution de l'énergie d'arc électrique lors de l'essai de 50 000 opérations
Ils ont également subi une érosion plus importante et des forces de rupture de soudure plus élevées. Lors du test de 100 000 cycles, la formulation à 20 % de Ni a cédé en premier, car la fissuration superficielle et les arcs électriques répétés ont accéléré la détérioration des contacts.
Ces résultats démontrent que l’augmentation de la teneur en nickel ne garantit pas à elle seule une meilleure endurance électrique.
Environ 15 % de nickel offraient le meilleur équilibre global
Parmi les matériaux testés, une formulation contenant environ 15 % de nickel a permis d'obtenir un meilleur compromis entre résistance au soudage et stabilité de l'arc.
L'ajout d'une faible quantité d'un matériau fragile a encore réduit la résistance mécanique des jonctions soudées temporaires. Comparé à une formulation similaire sans additif, le matériau optimisé a généré une force de rupture de soudure plus faible et plus stable.
Il a également présenté la plus faible variabilité d'énergie d'arc, témoignant d'un comportement de commutation plus constant. La formulation optimisée a réalisé 100 000 opérations simulées sans défaillance de contact.
Résultats du test d'endurance électrique étendu (Objectif : 100 000 opérations) :
|
Échantillon 1 |
Échantillon 5 |
Échantillon 6 |
| Opérations terminées |
96 087 |
78 609 |
100 000 |
| Mode de défaillance |
Défaillance de soudure |
Arc électrique/court-circuit persistant |
Aucun |
| Résultat du test |
Échoué |
Échoué |
Passer |
Validation selon les conditions AC-8b
La formulation AgNi optimisée a ensuite été évaluée par plusieurs fabricants de contacteurs CVC dans des conditions plus spécifiques à l'application :
- Courant nominal de fonctionnement : 25 A
- Catégorie d'utilisation : AC-8b
- Autonomie électrique requise : 100 000 cycles
Le matériau a passé avec succès les tests d'endurance électrique requis.
Lors d'essais précédents, dans des conditions comparables, des matériaux de référence à plus faible teneur en nickel ont présenté des problèmes de collage des contacts ou d'autres défaillances après environ 60 000 à 80 000 cycles de soudage. La formulation optimisée offre donc un meilleur compromis entre résistance au soudage, stabilité de l'arc et durabilité à long terme.
Quelles sont les implications pour le choix des matériaux AgNi ?
L'étude tire trois enseignements pratiques pour la conception des contacteurs CVC :
1. Optimiser la teneur en nickel plutôt que de la maximiser.
Un manque de nickel peut augmenter le soudage et le transfert de matière, tandis qu'un excès de nickel peut favoriser la fissuration, l'arc instable et des forces de rupture de soudure plus élevées.
2. Évaluer la composition ainsi que les additifs, la microstructure et le procédé de fabrication.
Même une faible quantité d'additif peut influencer considérablement la formation et la séparation des joints soudés. Les données d'érosion moyennes, à elles seules, peuvent ne pas révéler le transfert de matière, la fissuration de surface ou les fluctuations des performances de commutation.
3. Valider le matériau dans des conditions d'application réelles.
L'intensité nominale, la catégorie d'utilisation, la force de contact, la géométrie des contacts, la température de fonctionnement et l'endurance électrique cible doivent tous être pris en compte lors du choix des matériaux.
Conclusion
Pour l'application de contacteur CVC évaluée dans cette étude (avec un courant nominal d'environ 25 A et une durée de vie électrique cible de 100 000 cycles), une formulation AgNi contenant environ 15 % de nickel a offert les meilleures performances globales.
L'ajout d'une faible quantité d'un additif fragile a permis de réduire davantage la force de rupture de la soudure et d'améliorer la stabilité de commutation, permettant ainsi au matériau de réussir les tests d'endurance simulés et la validation AC-8b subséquente.
Ces résultats sont spécifiques à l'application, mais ils mettent en évidence un principe plus général : la fiabilité des contacts AgNi repose sur l'équilibre entre la composition, la microstructure, le procédé de fabrication et les conditions de fonctionnement, et non pas simplement sur l'augmentation de la teneur en nickel.
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