直流電弧對agsno2觸頭材料性能的影響

直流電弧對agsno2觸頭材料性能的影響

0ag/sno2電觸頭材料的制備及其性能測試ag-sno2觸頭材料具有良好的電導(dǎo)熱性、低接觸電阻、穩(wěn)定性、耐腐蝕性和耐焊接性等特點(diǎn)。它用于高壓電器中的隔離電流。由于液銀對SnO2的潤濕性差,SnO2難以懸浮于液銀熔池中,導(dǎo)致Ag/SnO2觸頭材料長期運(yùn)行時(shí)溫升過高,抗電弧侵蝕和抗熔焊性能不盡人意.為減小開關(guān)電器Ag/SnO2觸頭材料在高次數(shù)、連續(xù)操作中產(chǎn)生的高溫,觸頭材料生產(chǎn)企業(yè)常常采用添加熱穩(wěn)定性好的微量添加劑的辦法,來加強(qiáng)電弧作用下的粘度分散體系溶質(zhì)、改善液銀對SnO2的潤濕性,以有效降低Ag/SnO2觸頭材料的溫升.本文利用西安交通大學(xué)研制的小容量ASTM觸頭模擬動(dòng)作與電性能測試系統(tǒng),對直流14V、10A、燈負(fù)載條件下,利用霧化法、混粉法和化學(xué)法3種制備工藝生產(chǎn)的8種Ag/SnO2電觸頭材料,分別進(jìn)行了對稱性配對下45,000次連續(xù)性通斷試驗(yàn),測量了8種Ag/SnO2觸頭材料的質(zhì)量、燃弧能量、熔焊力、燃弧時(shí)間、觸頭溫度和接觸電阻;用SEM和EDAX測量與分析了它們的表面形貌與微區(qū)組份,探討了直流電弧對繼電器條件下制備工藝和微量添加劑不同的Ag/SnO2觸頭材料的侵蝕性能.1主要試驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)要求本試驗(yàn)主電路自電源到負(fù)載,主要包括單相開關(guān)電源、小容量ASTM觸頭模擬動(dòng)作與電性能測試系統(tǒng)以及單相試驗(yàn)負(fù)載阻抗等設(shè)備.1.1電源電氣參數(shù)選擇試驗(yàn)系統(tǒng)把電源其主要技術(shù)參數(shù)有輸入電源三相交流50Hz、380V(±10%),輸出單相交/直流0～50V、0～100A,最大輸出50V、100A、5,000W.本試驗(yàn)電源電氣參數(shù)采用直流14V、10A(穩(wěn)態(tài)電流),電源陽極接動(dòng)觸頭,陰極接靜觸頭.1.2最小生弧電流n該系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)包括模擬試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)作頻率60次/min,占空比45%;最小生弧電壓10V,最小生弧電流0.7A;接觸壓力100g;觸頭間隙1.5mm;熔焊力100g(若熔焊力連續(xù)5次大于設(shè)定值,判為失效).1.3單鏈試驗(yàn)負(fù)荷該負(fù)載為交直流共用,具有電阻和電感值精度高、范圍大的特點(diǎn).直流下,阻性負(fù)載允許偏差±5%,功率因數(shù)0.99～1.0.2材料的制備工藝和微添加劑2.1種制備工藝制備Ag/SnO2觸頭材料的工藝較多,本試驗(yàn)用Ag/SnO2觸頭材料由桂林電器科學(xué)研究院金格公司提供,分別采用混粉燒結(jié)擠壓法(簡稱混粉法)、化學(xué)共沉積法(簡稱化學(xué)法)和霧化合金粉末預(yù)氧化法(簡稱霧化法)3種工藝制備,各制備工藝的工藝流程如下:①混粉法:銀粉+氧化錫粉+添加劑→混合→等靜壓成型→燒結(jié)→擠壓→拉拔→退火→拉拔→加工鉚釘→后處理→最終產(chǎn)品.②化學(xué)法:硝酸銀+添加劑溶液→氧化錫+沉淀劑→共沉淀反應(yīng)→粉末清洗→粉末烘干→等靜壓成型→燒結(jié)→擠壓→拉拔→退火→拉拔→加工鉚釘→后處理→最終產(chǎn)品.③霧化法:銀粉+氧化錫粉+添加劑→熔煉→霧化→篩分→內(nèi)氧化→球磨→等靜壓成型→燒結(jié)→擠壓→拉拔→退火→拉拔→加工鉚釘→后處理→最終產(chǎn)品.2.2氧化物添加劑試驗(yàn)所用8種Ag/SnO2觸頭材料添加的微量氧化物添加劑有WO3、Bi2O3、CuO與In2O3.添加劑WO3和Bi2O3的潤濕性較In2O3好,但熱穩(wěn)定性較In2O3低得多.2.3試驗(yàn)觸頭材料試驗(yàn)用Ag/SnO2觸頭材料的編號(hào)及牌號(hào)如表1所示.為分析方便,文中將用編號(hào)1#至8#分別代表8種試驗(yàn)觸頭材料.每種試驗(yàn)用動(dòng)觸頭(陽極)的尺寸均為3×0.8+1.5×1.5R8(球面),靜觸頭(陰極)均為3×0.8+1.5×1.5F(平面).釘頭直徑φ3mm,釘頭厚度0.8mm,釘腳直徑φ1.5mm,釘腳長度1.5mm.3測試方法3.1考試開始準(zhǔn)備①將各試驗(yàn)觸頭與支架鉚接,固定,標(biāo)號(hào);②先對觸頭與支架進(jìn)行超聲波清洗與空氣晾干,接著用萬分之一克的電子天平稱重.3.2測試每隔1,000次,用小容量ASTM觸頭模擬動(dòng)作與電性能測試系統(tǒng)獲取、處理并用波形顯示一次觸頭的接觸電阻、電弧特性參數(shù)等參數(shù)值.3.3試驗(yàn)結(jié)束后的處理連續(xù)試驗(yàn)完成后,先稱重,再拍電鏡照片、打能譜;然后分析處理試驗(yàn)系統(tǒng)獲取的接觸電阻等電弧特性參數(shù).4試驗(yàn)結(jié)果與分析4.18ag/sno2在ag/sno3試驗(yàn)和霧化法上的抗侵蝕性差異觸頭材料抗電弧侵蝕性能取決于觸頭材料的質(zhì)量變化.試驗(yàn)用8種Ag/SnO2動(dòng)觸頭(陽極)、靜觸頭(陰極)的平均質(zhì)量(含觸頭支架質(zhì)量)以及動(dòng)靜觸頭總損失率數(shù)據(jù)如表2所示.表中,數(shù)據(jù)前的正號(hào)表示質(zhì)量增加、負(fù)號(hào)對應(yīng)質(zhì)量減少.分析表2相關(guān)數(shù)據(jù),可知:(1)盡管對稱性配對的動(dòng)觸頭(陽極)材料發(fā)生轉(zhuǎn)移后,使2#、3#和8#的靜觸頭(陰極)質(zhì)量出現(xiàn)了增加,但8種Ag/SnO2觸頭經(jīng)45,000次連續(xù)通斷試驗(yàn)后,材料各自總的質(zhì)量均出現(xiàn)不同程度地減少.由數(shù)據(jù)可見,化學(xué)法制備8#的抗侵蝕性最好,而霧化法制備的3#材料最差.(2)分析表2中總損失率的大小關(guān)系可見,動(dòng)靜觸頭材料所用“添加劑(制備工藝)”按總損失率由小到大排列,依次為:CuO(化學(xué)法)→CuO(混粉法)→CuO+In2O3(化學(xué)法)→WO3(混粉法)→CuO+Bi2O3(混粉法),CuO+In2O3(化學(xué)法)→CuO+Bi2O3(霧化法)→CuO+In2O3(霧化法).可見CuO(化學(xué)法)是抗侵蝕性最佳的“添加劑(制備工藝)”.(3)添加CuO的7#材料的總損失率值很低,僅為同樣制備工藝、添加CuO與Bi2O3的6#的22%,且動(dòng)靜觸頭質(zhì)量變化和總損失率亦很小,故其具有很強(qiáng)的抗電侵蝕性能.4.2不同ag/sno2材料的電弧特性觸頭材料電接觸物理現(xiàn)象包括接觸電阻、燃弧能量等.本文用ASTM觸頭模擬動(dòng)作與電性能測試系統(tǒng)獲得了直流14V、10A、燈負(fù)載條件下,45,000次連續(xù)通斷試驗(yàn)后,8種Ag/SnO2材料的“燃弧能量、熔焊力、燃弧時(shí)間、觸頭溫度和接觸電阻”等數(shù)據(jù),結(jié)果如表3所示(說明:各數(shù)據(jù)均指平均值).將表3數(shù)據(jù),結(jié)合測得的8種Ag/SnO2材料電弧特征參數(shù)變化波形(因篇幅有限,略),可知:(1)在相同制備工藝下,添加劑對燃弧能量值的影響不盡相同,如混粉法的1#和6#差異很大,霧化法則近乎相同.此外,SnO2含量的變化對電弧能量影響較小,如化學(xué)法制備的2#與5#.(2)熔焊力受材料制備工藝影響較大.值最大的是用霧化法制備、添加CuO和In2O3的3#,而值較小的是用化學(xué)法制備的2#和5#,其燒蝕表面存在大面積熔融的液銀是主要原因.制備工藝按熔焊力由大到小順序排列,為:化學(xué)法→混粉法→霧化法.(3)燃弧時(shí)間最短的是混粉法制備、添加WO3的1#,添加CuO的7#值亦很小,這都表明它們所受電弧侵蝕均較少.(4)接觸電阻值最小的,是用化學(xué)法制備、添加CuO的8#和混粉法制備、添加CuO的7#,原因是其表面因液銀飛濺,使觸頭表面產(chǎn)生了大量孔洞.用化學(xué)法制備、添加CuO與In2O3的5#接觸電阻很高(是8#的近24倍),且其燃弧時(shí)間長、觸頭溫度較高.5cio與bi2o3的熔噴法表面形貌對比用SEM觀測的直流14V、10A、連續(xù)通斷45,000次后的1#至8#動(dòng)、靜觸頭的表面形貌如表4所示.觀察表4可見,8種Ag/SnO2觸頭材料經(jīng)長期連續(xù)試驗(yàn)后,觸頭表面出現(xiàn)了諸如氣孔、富銀區(qū)、SnO2聚集區(qū)、裂紋等形貌.其中:(1)在用混粉法制備的三種材料中,添加WO3的1#的靜觸頭(陰極)表面出現(xiàn)了明顯的旋流痕跡,動(dòng)觸頭(陽極)表面留下了噴濺后的干涸燒蝕區(qū),燒蝕較嚴(yán)重.對比其他7種材料的燒蝕表面積,可知其動(dòng)、靜觸頭的燒蝕面積是其所有材料中最小的,原因與鎢骨架的高熔點(diǎn)有關(guān),其致使材料表面熔融金屬減少;在添加CuO與Bi2O3的6#和添加CuO的7#的靜觸頭表面均出現(xiàn)了丘陵?duì)钊廴诒砻嫘蚊?此形貌有利于全面改善材料電接觸性能,抑制觸頭材料表面溫升上升、降低接觸電阻,使SnO2能均勻懸浮于液銀中,從而保證分散體系粘性、提高抗電弧噴濺的能力.(2)在用化學(xué)法制備的三種材料中,添加CuO與In2O3的2#動(dòng)、靜觸頭表面均出現(xiàn)了大量液滴和漿糊狀溢出物,伴有少量坑洞,這些形貌表明此觸頭材料的表面潤濕性好.在添加CuO與In2O3的5#的動(dòng)觸頭表面,因強(qiáng)烈噴濺作用,形成了一個(gè)盆形大坑,出現(xiàn)了本試驗(yàn)唯一的全滿溢現(xiàn)象.結(jié)合表2可知,其動(dòng)觸頭材料的損失大.在8#動(dòng)、靜觸頭的表面,局部都出現(xiàn)一些孔洞或噴濺燒蝕坑.其中,動(dòng)觸頭(陽極)燒損區(qū)邊沿因噴濺燒蝕出現(xiàn)了坍塌,形成大量球形小顆粒;整體表面呈現(xiàn)熔融狀.結(jié)合表2數(shù)據(jù)可知,8#觸頭材料的質(zhì)量損失最少,說明CuO作為添加劑對提高其抗侵蝕性能幫助很大.(3)在用霧化法制備、添加CuO與In2O3的3#靜觸頭(陰極)表面,呈現(xiàn)大面積熔融區(qū)及極少量的液球;在動(dòng)觸頭(陽極)表面出現(xiàn)波浪形、層疊的片狀熔融金屬以及小液滴.在添加CuO和Bi2O3的4#動(dòng)觸頭(陽極)整體表面出現(xiàn)部分滿溢現(xiàn)象;靜觸頭(陰極)呈現(xiàn)表面干涸的燒蝕區(qū),局部有燒蝕孔洞;局部放大后的靜觸頭(陰極)表面呈丘陵?duì)钊廴趨^(qū),因潤濕性強(qiáng)而無孔洞.6銀的含量測定c用JSM6460LV掃描電鏡和EDAX能譜儀獲取的8種Ag/SnO2觸頭材料部分特殊點(diǎn)的能譜如表5所示,分析如下.(1)觀察用混粉法制備、添加WO3的1#靜觸頭(陰極)表面的質(zhì)量百分比(圖1)發(fā)現(xiàn),A、B兩點(diǎn)5種元素的含量很接近,這表明此觸頭材料表面的潤滑作用良好.由1#動(dòng)觸頭(陽極)的能譜(圖2)可見,A處較B處銀的含量多、錫含量少,但相差不大.由添加CuO和Bi2O3的6#靜觸頭(陰極)質(zhì)量百分比(圖3)可見,銀的含量,A處60%、B處30%;錫的含量,B處55%、A處25%,表明,1#觸頭的侵蝕由液滴噴濺引起.由添加CuO的7#質(zhì)量百分比(圖5)可見,靜觸頭(陰極)上燒蝕孔孔壁處銀燒蝕較多,而其動(dòng)觸頭在試驗(yàn)前后,因表面受電弧侵蝕較少而變化很小.(2)由化學(xué)法制備、添加CuO與In2O3的2#動(dòng)觸頭(陽極)質(zhì)量百分比(圖6)可見,表面三個(gè)特殊點(diǎn)的材料組分變化明顯,如B處銀達(dá)40%(A、C處63%和56%),錫僅43%(A、C處23%和30%).由添加CuO的8#的動(dòng)觸頭(陽極)的質(zhì)量百分比(圖10)可知,A處與B處銀分別為47%和78%,錫為38%與14%.(3)霧化法制備的3#和4#兩種Ag/SnO2觸頭材料表面潤濕性好,有大片的熔融區(qū),抗熔焊性較低,但抗電弧噴濺能力較強(qiáng).添加CuO與In2O3的3#靜觸頭(陰極)亦因試驗(yàn)前后觸頭表面電弧侵蝕很少,其能譜數(shù)據(jù)為試驗(yàn)起始時(shí)觸頭材料的能譜.在動(dòng)觸頭(陽極)質(zhì)量百分比(圖12)中,A處與B處銀分別為85%和75%,錫為70%與52%.在添加CuO和Bi2O3的4#靜觸頭(陰極)質(zhì)量百分比(圖13)中,A處與B處銀分別為46%和58%,錫為42%與27%.在動(dòng)觸頭(陽極)A的質(zhì)量百分比(圖14)中,銀42%,錫35%,B點(diǎn)的銀85%,錫5%.數(shù)據(jù)顯示,添加物CuO與In2O3可起到緩解電弧燒損的作用.7ag/sno2基觸頭材料coa和coa的抗電弧侵蝕性能對比分析