2019, Vol. 27
2. 河北省电磁场与电器可靠性重点实验室(河北工业大学)，天津 300130
2. Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability of Hebei Province(Hebei University of Technology), Tianjin 300130, China
汽车继电器是用于汽车电器控制的一类继电器，它广泛用于控制汽车启动、空调、灯光、雨刮、导航以及汽车仪表的故障诊断等系统中[1-2]，其中触点是汽车继电器接触系统中最重要的部件，AgMeO型触头材料是一类常用的汽车继电器触点材料[3-8]，触点的配对方式会对汽车继电器的电接触性能和可靠性造成直接的影响，因此对汽车继电器用AgMeO触点材料触点配对方式的研究非常重要[9-12].
目前, 汽车继电器上使用的触点都是材料对称配对的，即阴阳极为同一种材料，由于触点开断过程中各种因素的不对称，在直流的电弧作用之下会产生较大的材料转移，在瞬时大电流的作用下会增加发生熔焊可能性，严重影响后期汽车继电器的性能[13]，另外目前汽车继电器触头材料多为银氧化锡材料，所以同时存在接触电阻偏大，温升大的缺点[14-15].
对于触点不对称的研究，在断路器上的应用已获得成功，AgNi和AgC非对称配对时可以提高限流型断路器触头的抗熔焊性.但对于汽车继电器用AgMeO型触点材料的非对称配对研究较少，因此选取AgMeO型触点材料作为汽车继电器的触点材料，具体为AgSnO2, AgCuO和AgZnO三种触头材料，进行对称和不对称触点配对时的电接触实验，探讨不同触点配对方式对汽车继电器电接触性能的影响，对不同触点配对方式时的接触电阻，燃弧能量及材料转移损耗情况进行测量并分析.
1 实验 1.1 触头材料的制备及触点配对方式的确定采用粉末冶金法按表 1触头材料成分及配比制备AgSnO2, AgCuO和AgZnO 3种触头材料，制备流程如图 1.
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表 1 触头材料成分及配比 Table 1 Composition and proportion of contact materials |
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图 1 触头材料制作过程 Fig.1 Preparation process of contact materials |
汽车继电器的配对方式具体有两种，一种是对称触点配对方式，一种是不对称触点配对方式，其中对称触点配对方式是阴阳极触点都是AgSnO2触头材料，不对称触点配对方式是AgSnO2触头材料与另两种触头材料分别组合作为阴阳极，再颠倒阴阳极形成另一种不对称触点配对方式，共五种配对方式，且具体配对方式见表 2.
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表 2 汽车继电器触点配对方式 Table 2 Paring modes of automotive relays contact |
采用电导率测试仪(SIGMASCOPE SMP10)测量触头材料的电导率，采用排水法测量3种触头材料的密度，其主要理论依据是阿基米德定律，利用维氏硬度仪(HXD-1000TM)直接进行维氏硬度测试.
1.3 电接触实验采用JF04C电接触触点材料测试系统，在直流电压14 V电流10 A的条件下，按表 2进行不同触点配对方式下的50 000次开断闭合电接触实验，获得接触电阻和燃弧能量参数.通过精确度为0.01 mg的Sartorius型电子天平称量实验前后阴阳极的触点质量，获得材料损失量和材料转移量.
2 结果及分析 2.1 物理性能测试结果及分析对于不同触头材料的电导率、密度和硬度的分别测量3次取平均值减少误差，最终测量结果见表 3.
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表 3 不同触头材料的物理性能测试结果 Table 3 Test result of contact materials' physical properties |
由表 3可知：对于电导率来说，AgSnO2触头材料与AgCuO触头材料电导率较好，AgZnO触头材料的电导率性能最差.电能的传导方式主要是依靠自由电子的定向传导，电子的定向转移会在界面的影响下发生散射和削弱，导致电导率降低，ZnO粉末与Ag粉通过粉末冶金结合在一起时，不同相之间原子扩散程度降低也会使电导率降低，另外，触头材料的导电率会受孔隙影响，孔隙导电率很差，AgSnO2触头材料与AgCuO触头材料的密度较大，孔隙率较低，因此AgSnO2触头材料与AgCuO触头材料电导率较好.
对于密度来说，AgSnO2触头材料密度最大，AgZnO触头材料密度最小.AgSnO2触头材料相对于其他两种触头材料，其中作为弥散相的SnO2具有较高的弥散度，成分分布会相对均匀，且其表面能较高, 化学活性大，再进行粉末冶金时有利于原子扩散，促进颗粒之间的相互连接，从而降低孔隙率，提高材料密度，提高了材料的结合强度.另外，采用粉末冶金法制备的触头材料，其密度一定程度上取决于各原始成分的密度，原始SnO2粉末的密度大于CuO粉末和ZnO粉末.因此AgSnO2触头材料密度最大，AgCuO触头材料密度稍小一些，AgZnO触头材料密度最小.
对于硬度来说，AgSnO2触头材料硬度最大，AgCuO触头材料硬度稍小一些，AgZnO触头材料硬度最小.从测量结果可以看出触头材料的密度和硬度，有一定关系，密度大的触头材料对应其硬度也越大，因为密度越大，孔隙率越低，触头材料的致密化程度越高，硬度越大.
2.2 电接触实验结果及分析不同触点配对方式时的汽车继电器触点接触电阻如图 2所示
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图 2 不同触点配对方式时的接触电阻 Fig.2 Contact resistance of different contact pairing modes |
不同触点配对方式下的接触电阻变化范围，平均接触电阻和方差如表 4所示，且接触电阻均值和方差柱状图如图 3所示.
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表 4 不同触点配对方式时汽车继电器的接触电阻数据 Table 4 Contact resistance data for autometive relays contact resistance under different contact pairing modes |
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图 3 不同触点配对方式时的接触电阻均值及方差 Fig.3 Mean and variance of contact resistances under different pairing modes |
由表 4可知，当为AgSnO2触点材料对称配对时，接触电阻偏大，且与实际情况相符，AgSnO2触点材料存在接触电阻偏大的问题，这会导致接触温升的提高，不利于触点材料寿命的提高.接触电阻一般包括两部分，一部分是由于电流流经导电斑点，电流线收缩产生的收缩电阻，另一部分是由于触头材料存在的表面膜产生的膜电阻.触头材料的接触电阻一定程度上与触头材料的硬度有关，AgSnO2触头材料的硬度最大，当闭合压力相同时，触点之间的实际接触面积较小，导电斑点数目变少，从而导致接触电阻的增大.另外，经高温电弧的持续作用使触头表面接触斑点处的温度迅速升高，Ag相熔化形成熔池，而由于Ag与SnO2间的润湿性较差，使SnO2极易从熔池中析出，从而出现SnO2的聚集，进一步使接触电阻增大.
由表 4和图 3可知，不同触点配对方式对汽车继电器触点接触电阻有很大影响，且当固定的两种触点材料进行组合时，颠倒阴阳极触点材料的种类时，也表现出不同的接触电阻特性，呈现出较大差别，通过选择合适的触点配对组合，可以达到减小接触电阻的目的.当第Ⅱ种配对方式时，即阳极为AgSnO2阴极为AgCuO进行不对称配对时，接触电阻和方差都最小，接触电阻小而稳定，具有较好的接触电阻特性，明显优于其他触点配对方式，但同样为AgSnO2和AgCuO配对时，颠倒阴阳极之后，接触电阻有一定程度的增大，与AgSnO2触头对称配对时相比，仍有较小幅度的性能改善；当第Ⅳ种配对方式时，即阳极为AgSnO2阴极为AgZnO时，接触电阻性能有较小幅度的改变，颠倒阴阳极材料后，即阳极为AgZnO阴极为AgSnO2时，与AgSnO2触头对称配对时相比，接触电阻性能不但没有得到改善，反而接触电阻变大.造成同样的触点材料配对方式，颠倒阴阳极时，接触电阻不同这种现象的原因是当两种触点材料进行非对称配对时，与颠倒阴阳极材料后进行电接触实验相比，产生的表面膜厚度不同，膜电阻不同，造成接触电阻不同，问题严重时甚至会造成接触电阻增大.
不同触点配对方式时的汽车继电器燃弧能量如图 4所示
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图 4 不同触点配对方式时的燃弧能量 Fig.4 Arc energy under different contact pairing modes |
不同触点配对方式下的燃弧能量变化范围，燃弧能量均值和方差如表 5所示，且燃弧能量均值和方差柱状图如图 5所示.
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表 5 不同触点配对方式时汽车继电器的燃弧能量数据 Table 5 Automotive relay arc energy under different pairing modes |
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图 5 不对称触点配对方式时的燃弧能量均值及方差 Fig.5 Mean and variance of arc energy under different pairing modes |
由表 5可知，当不同触点配对时，会呈现不同燃弧能量特性.当AgSnO2触点对称配对时，燃弧能量最大为80.27 mJ，燃弧能量主要是受燃弧电压，燃弧电流还有燃弧时间的影响，触头间的电弧主要是金属蒸气态电弧和气体态电弧，在高温的电弧作用下触头之间易形成液态金属桥，接触电阻对于液态金属桥两端的电压有较明显的影响，接触电阻越大两触点间的电压越大，且此电压与燃弧电压近似相等，因此当接触电阻较大时，燃弧电压也较大，对于AgSnO2触头材料对称配对，此时的平均接触电阻值最大，会造成两触点之间的燃弧电压较大，最终导致这种对称配对时的燃弧能量最大，燃弧能量大会使触头材料局部过热，造成触头材料的蒸发和喷溅等不利影响.
由表 5和图 5可知，当AgSnO2与AgCuO、AgZnO触点材料两两进行不对称组合配对时，对汽车继电器触点燃弧能量有一定影响，呈现出一定差别, 但不同不对称触点配对对燃弧能量的影响差别不大，燃弧能量均值都在78到80 mJ之间，与AgSnO2触头材料对称配对相比，都有较小幅度改善，但改善效果不太明显.与第Ⅲ种配对方式时，即阳极为AgCuO阴极为AgSnO2时，燃弧能量最小78.81 mJ，但此时方差较大，说明此时燃弧能量虽小但是稳定性不足，有较大波动.
不同触点配对方式下的阴阳极触点质量变化，材料损失如表 6所示，通过阴阳极触点质量的变化得出材料转移，最后通过材料转移和材料损失得到柱状图如图 6所示.
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表 6 不同触点配对时的阴阳极触点质量变化和材料损失情况 Table 6 Cathode and anode weiqht change and transfer loss under differeut pairing modes |
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图 6 不同触点配对时的材料转移和材料损失 Fig.6 Material transfer and loss under different contact matching modes |
由表 6和图 6可知，不同触点配对方式对材料转移和材料损失有很大的影响，选择合适触点配对方式可以使触点的材料转移小且材料损失小，阴极质量减小损失材料，阳极质量增加获得材料，其中阴极损失的材料，一部分转移到阳极为材料转移，一部分损失到空气中为材料损失，在触头进行开断操作时，两触头间都会有材料的互相转移，在这种相互转移不能抵消时就会出现材料净转移.当AgSnO2对称触点配对时材料转移最大，材料损失较大.触头材料的材料转移和材料损失会受到材料本身的理化特性，电弧特性以及液桥过程等多方面因素的制约，其中燃弧能量的大小可以直接影响到触点材料的转移和损失，燃弧能量越高触点材料越容易发生蒸发和喷溅，而燃弧能量与接触电阻有一定关系，接触电阻越大燃弧能量越高，在AgSnO2触头材料对称配对时接触电阻较大，燃弧能量最大，所以导致触头材料的蒸发喷溅较大，因此AgSnO2触头材料对称配对时，材料转移和材料损失均为较大.
由表 6和图 6可知，阴极触头损失材料，阳极触头获得材料，此时为阴极型电弧转移.当第Ⅳ种触点配对方式时，即阳极触点是AgSnO2，阴极触点是AgZnO进行不对称触点配对时，材料转移以及材料损失相比于其他触点配对方式时都是最小的，说明这种非对称配对时配对表现最好.电弧侵蚀的两种主要形式是气化蒸发和液态喷溅，且这两种电弧侵蚀形式受燃弧能量影响较大，当阳极触点是AgSnO2，阴极触点是AgZnO时，燃弧能量较小，因此材料转移和材料损失较小.在对称触点配对时，由于电弧输入两极能量和能量密度存在固有的不对称，会造成触头的材料转移和材料损失，此时存在极性转移和热特性转移，一般会有显著的材料转移现象发生，但在第Ⅳ种配对方式时，由于两触点材料的热特性不同，可能会导致热特性转移减少甚至转移方向相反，从而有效的降低触头材料的材料转移和材料损耗.另外，触头在开断时会存在液态金属桥，并在温度最高处断裂，当阳极是AgSnO2，阴极是AgZnO进行不对称触点配对时，液桥的最高温截面发生偏移，在液桥断裂时更趋向于抑制材料转移和损耗.
3 结论1) 触点配对方式对汽车继电器的接触电阻性能和材料转移性能影响较大，但是对燃弧能量影响较小，不同不对称触点配对与AgSnO2对称配对相比，燃弧能量都有较小幅度改善，但改善效果不太明显.
2) 当阳极为AgSnO2阴极为AgCuO进行不对称配对时，表现出最好的接触电阻性能，此时接触电阻最小0.45 mΩ，且此时方差最小，明显优于其他触点配对方式，接触电阻小而稳定，具有较好的接触电阻特性.
3) 当阳极为AgSnO2，阴极为AgZnO进行不对称配对时，与其他触点配对方式相比时材料转移以及材料损失都是最小的，此时可以有效的降低触头材料的材料转移和材料损耗.
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