Einführung
Eisenbahnsignalrelais sind spezielle Schalter, die zum Schließen oder Öffnen von Signalsteuerkreisen verwendet werden. Sie sind eine der Schlüsselkomponenten in der Ausrüstung des Eisenbahnsystems. Daher waren die elektrische Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Relaisprodukten schon immer ein heißes Thema für Entwickler und Anwender. Forscher haben zahlreiche Untersuchungen zum Ausfallmechanismus von Relais durchgeführt. Laut industriellen Anwendungen und Teststatistiken wurde festgestellt, dass das während des Schaltvorgangs erzeugte Verschweißen des Kontaktmaterials eine der Hauptfehlerursachen ist.
SolideKupferkontaktesind eine der kritischsten Komponenten im Relaiskontaktsystem, daher wirkt sich ihre Antischweißleistung direkt auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Relais aus. Unter Kontaktmaterialschweißen versteht man das Phänomen, dass das Kontaktmaterial der beiden Pole unter Einwirkung der Wärmequelle schnell erhitzt und lokal geschmolzen wird und dann schnell abkühlt und erstarrt, um die beiden Pole zu einem zu verbinden, und durch die äußere Wiederherstellung nicht getrennt werden kann Gewalt. Es wird im Allgemeinen in statisches Schweißen und dynamisches Schweißen unterteilt. Statisches Schweißen wird durch die thermische Wirkung des Stroms beim Schließen des Kontakts verursacht. In der tatsächlichen Arbeit kommt es äußerst selten vor. Das dynamische Schweißphänomen, bei dem die Kontaktmaterialien aufgrund der durch die Lichtbogenentladung beim Schließ- oder Trennvorgang erzeugten Wärme miteinander verschweißt werden, ist die Hauptursache für Kontaktversagen.
Der Lichtbogen, der entsteht, wenn der Kontakt den Stromkreis unterbricht, ist der Schlüssel zum Auslösen des dynamischen Schweißens. Die Lichtbogenenergie bewirkt, dass das Kontaktmaterial teilweise schmilzt und einen geschmolzenen Bereich bildet. Anschließend kann durch die schnelle Erstarrung des geschmolzenen Bereichs eine Schweißnaht am Kontaktteil des Kontakts entstehen. Wenn die Schweißkraft größer als die Bruchkraft ist, kommt es zu einer dynamischen Verschweißung des Kontaktmaterials. Es wird allgemein angenommen, dass die Schweißfestigkeit des Materials umso schlechter ist, je größer die Schweißkraft des Kontaktmaterials ist. Unter bestimmten Anwendungsbedingungen hängt die Schweißbeständigkeit des Kontaktmaterials eng von seiner Zusammensetzung, Struktur, seinem spezifischen Widerstand, seiner Wärmeleitfähigkeit und anderen Eigenschaften ab. Sie beeinflusst einerseits die Entstehung und Intensität des Lichtbogens, andererseits den Schweißprozess und die Größe der Schweißkraft.
Es wurden umfangreiche und eingehende Untersuchungen zum Schweißverhalten von Silbermetalloxid-Kontaktmaterialien wie AgCdO, AgSnO2 und AgCuO durchgeführt und Schweißmodelle und -theorien vorgeschlagen. Die grundlegende Designidee dieses Materialtyps besteht darin, dass Silber als stromführende Phase zum Leiten von Strom und Wärme fungiert und die unlösliche Phase wie Oxid als Stabilisator zur Erhöhung der Viskosität der geschmolzenen Phase oder als Zersetzer fungiert Lichtbogenenergie zu verbrauchen. Mit der Leistungssteigerung stellen neue Relais jedoch höhere Anforderungen an die Schweißfestigkeit der Kontaktmaterialien. Herkömmliche Kontaktmaterialien können den Anforderungen nicht mehr gerecht werden und silberimprägnierte Graphitkontaktmaterialien finden aufgrund ihrer hervorragenden Leistung immer mehr Beachtung. Bei mit Silber imprägnierten Graphitkontaktmaterialien handelt es sich im Allgemeinen um Silber, das als stromführende Phase in das Graphitskelett imprägniert ist. Graphit als schwer lösliche Phase kann sowohl die Größe des Schmelzbads begrenzen als auch Lichtbogenenergie verbrauchen. Die Forschung zu silberimprägnierten Graphit-Kontaktmaterialien ist jedoch nicht tiefgreifend, insbesondere über die Forschung zu ihrem Schweißverhalten wird nur selten berichtet. Daher wurde in dieser Studie mit einem Schweißtestgerät das dynamische Schweißverhalten von vier mit Silber imprägnierten Graphit-Kontaktmaterialien bei unterschiedlichen Strömen und Spannungen untersucht und die Oberflächenmorphologie und Mikrostruktur der Kontakte systematisch beobachtet und charakterisiert. Durch eine vergleichende Analyse wurden die mit Silber imprägnierten Graphitkontaktmaterialien mit hervorragender Antischweißleistung ausgewählt.
1. Experimentieren
1.1 Leistung und strukturelle Charakterisierung von silberimprägnierten Graphitkontaktmaterialien
Eine Reihe von mit Silber imprägnierten Graphit-ElektrogerätenKupfernietenDie Materialien wurden durch ein heißisostatisches Pressverfahren unter Verwendung einer Graphitmatrix mit unterschiedlicher Porosität und Porenstruktur hergestellt. Die Leistungsindikatoren der Materialien sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Mikrostruktur der mit Silber imprägnierten Graphitkontaktmaterialien und die Oberflächenmorphologie nach dem Schmelzschweißleistungstest wurden mittels metallografischem Mikroskop und Rasterelektronenmikroskop beobachtet und charakterisiert.
1.2 Schweißleistungstest und Datenerfassung
Vier Arten von mit Silber imprägnierten Graphitkontaktmaterialien wurden zu statischen Kontakten mit einer Arbeitsfläche von 3,5 mm × 4,1 mm verarbeitet. Sie wurden mit elektrischen Kupfernieten aus metallischem Silber kombiniert. Die Schweißleistung der Kontaktmaterialien wurde unter den Bedingungen eines Laststroms von 80 A bis 100 A und einer entsprechenden Spannung von 80 V bis 100 V mit einem vom Harbin Institute of Technology entwickelten Schweißkrafttestgerät getestet (siehe Abbildung 1). Während des Tests wurde für jeden Test ein neuer Kontakt verwendet, um sicherzustellen, dass sich die Kontaktfläche im Ausgangszustand befand. Die Spannungs-, Strom- und Kontaktkraftsignale während des Kontaktschließvorgangs wurden mit einem Mehrkanaloszilloskop KEYSIGHT DSOX3024T erfasst.
Beim Testgerät handelte es sich um elektrostatisches KupferNietkontaktesind an der Drehvorrichtung befestigt, und die Drehvorrichtung ist über einen Isoliersitz am beweglichen Ende des Kraftsensors befestigt. Das statische Ende des Kraftsensors ist auf einem Einstellschlitten befestigt, der über einen Montagesitz die Position in Ebenenrichtung anpassen kann. Der Kraftsensor erfasst den Kraftzustand des statischen Kontakts, um den Kontaktdruck und die Schweißkraft zu ermitteln. Das Reed ist auf einem isolierenden festen Sitz befestigt und stützt sich auf den antreibenden Elektromagneten, um den zu prüfenden statischen Kontakt zu drücken und den Schließvorgang abzuschließen. Nachdem der antreibende Elektromagnet ausgeschaltet wurde, ist er zum Trennen auf seine eigene Steifigkeitsrückstellung angewiesen. Da der Hub des antreibenden Elektromagneten fest ist, ändert dieses Gerät die Kontaktkraft zwischen den Kontakten durch Anpassen der Position des antreibenden Elektromagneten. Während des Tests wird der Laser-Wegsensor verwendet, um die Verschiebung des Blattes zu messen und so den Kontakthub zu überwachen. Die festen Enden der oben genannten Teile sind an der Basis befestigt, um sicherzustellen, dass die relative Position jedes Teils stabil ist. Während des Tests treibt der Elektromagnet zunächst den beweglichen Kontakt und den statischen Kontakt an, um mit der Last mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu schließen, unterbricht dann die Laststromversorgung und bewegt den Kraftsensor, um den Schieber so einzustellen, dass die geschlossenen Kontakte langsam getrennt werden.
Die Kontaktkraftänderungskurve während des Kontakttrennvorgangs ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Kontakte, die sich im Ausgangszustand im geschlossenen Zustand befinden, halten den Kontakt unter einem bestimmten Druck aufrecht; Während sich der Schlitten bewegt, nimmt die Kontaktkraft von Punkt B aus allmählich ab und nimmt am Punkt E auf 0 ab, und die beweglichen und statischen Kontakte beginnen sich zu trennen. Wenn zwischen den Kontakten keine Schweißung stattfindet, trennen sich die Kontakte direkt und die Kontaktkraft beträgt 0. Kommt es zu einer Verschweißung zwischen den Kontakten, nimmt die Kontaktkraft weiter ab und die Kraft auf den statischen Kontakt ändert sich von Druck zu Spannung; Punkt W ist die Position, an der sich die verschweißten Kontakte zu trennen beginnen und der Spannungswert zu diesem Zeitpunkt das Maximum erreicht; Dann wird der Schweißbereich des Kontakts schnell auseinandergezogen, die Schweißkraft nimmt schnell ab und er wird am Punkt S vollständig getrennt. Während des gesamten Schweißbruchvorgangs beträgt die Differenz zwischen der minimalen dynamischen Kontaktkraft vor dem beweglichen und dem statischen Kontakt außer Kontakt sind (Punkt W) und die dynamische Kontaktkraft nach der Trennung (Punkt S) ist die maximale Schweißkraft, nachdem das Kontaktmaterial verschweißt wurde.
2 Ergebnisse und Diskussion
2.1 Mikrostruktur silberimprägnierter Graphitkontaktmaterialien
Das metallografische Foto des mit Silber imprägnierten Graphits Kupfer-SilberKontaktieren Sie RivetDas Material ist in Abbildung 3 dargestellt, wobei der hellweiße Bereich metallisches Silber und der grauschwarze Bereich die Graphitmatrix darstellt. Der heißisostatische Pressungsprozess mit Silber kann die Poren der Graphitmatrix vollständig mit metallischem Silber füllen und eine netzwerkartige, miteinander verbundene Struktur aus metallischem Silber bilden. Aufgrund der Unterschiede in der Porenstruktur und Porosität der Graphitmatrix sind die Mikrostrukturen der vier silberimprägnierten Graphitkontaktmaterialien jedoch deutlich unterschiedlich: Die Porengröße der Graphitmatrix des AgC (30)-Materials ist relativ einheitlich, und die Größe des metallischen Silberbereichs beträgt etwa zehn Mikrometer; im AgC (40)-Material gibt es großflächige metallische Silberbereiche von mehr als 100 μm; und es gibt viele metallische Silberbereiche mit einer Größe von weniger als 10 μm in den Materialien AgC (50) und AgC (60).
Der Unterschied in der Mikrostruktur von mit Silber imprägnierten Graphit-Kontaktmaterialien ist der Schlüssel zu ihren Leistungsunterschieden. Insbesondere erreicht AgC(60) mit steigendem Kohlenstoffgehalt mehr als das 16-fache von AgC(30), was mit der Abnahme des Gehalts an metallischem Silber als stromführender Phase zusammenhängt. Allerdings stehen die Leitfähigkeitseigenschaften des Materials nicht im gleichen Verhältnis zum Gehalt an metallischem Silber. Daher sind die Leitfähigkeitseigenschaften des mit Silber imprägnierten Graphitkontaktmaterials das Ergebnis der synergistischen Wirkung von metallischem Silber und Graphit und stehen in engem Zusammenhang mit den Leitfähigkeitseigenschaften und der Porenstruktur des Graphitmaterials.
2.2 Schweißleistung von silberimprägnierten Graphitkontaktmaterialien
Die Änderung der Schweißkraft von mit Silber imprägnierten Graphit-Kontaktmaterialien bei Strom ist in Abbildung 4 dargestellt. Wie aus Abbildung 4 ersichtlich ist, tritt bei einem Strom unter 8 0 A kein Schweißphänomen zwischen den Kontaktpunkten auf der vier Kontaktmaterialien. Wenn der Strom auf 90 A ansteigt, zeigt AgC(60) ein Schweißphänomen mit einer Schweißkraft von 0,8×10-3 N. Wenn der Strom 95 A erreicht, zeigen alle vier Kontaktmaterialien ein Schweißphänomen, aber die Schweißkraft variiert Größe und ist stufenförmig angeordnet. Wenn der Strom auf 100 A ansteigt, erreicht die Schweißkraft von AgC30 1,5×10-3 N, während die Schweißkraft von AgC(60) auf 6,61×10-3 N ansteigt.
Abbildung 5 zeigt die Oberflächenmorphologie von vier mit Silber imprägnierten Graphit-Kupfer-Elektrokontakten nach dem Schmelzschweißen bei einem Strom von 100 A. Wie aus Abbildung 5 ersichtlich ist, ist der Lichtbogenerosionsbereich aller Materialien schwarz in der Mitte und weiß am Rand, aber Größe und Mikrostruktur des Erosionsbereichs verschiedener Materialien sind unterschiedlich. Der durch den Lichtbogen erodierte Bereich der AgC(30)-Oberfläche ist mit einem Durchmesser von etwa 0,943 mm am kleinsten. Bei der Kante handelt es sich um die Silberpartikel, die dadurch entstehen, dass das Metall Silber im zentralen Bereich unter der Wirkung des Lichtbogens schmilzt und während des dynamischen Schmelzschweißprozesses um die Kontaktstelle herumspritzt. Mit abnehmendem Ag-Gehalt nimmt die Größe der gesputterten Silberpartikel allmählich ab. Der sekundäre Erosionsbereich beginnt in der Mitte des Lichtbogenerosionsbereichs von AgC zu erscheinen (50). Der sekundäre Erosionsbereich auf der Oberfläche von AgC (60) ist deutlicher und entwickelt sich in das Innere des Materials. Dies zeigt, dass während des dynamischen Schmelzschweißprozesses, also des springenden dynamischen Schmelzschweißprozesses, mehrere Lichtbogenerosionsphänomene auftraten.
Die Schweißkraft ist proportional zur Querschnittsfläche des Metalls Silber, das im Material schmilzt und sich beim Abkühlvorgang miteinander verbindet. Mit steigendem Strom vergrößert sich die Lichtbogenerosionsfläche und der Gehalt an geschmolzenem Silber in der Fläche nimmt zu. Daher vergrößert sich auch die Querschnittsfläche des Metalls Silber, das sich während des Abkühlvorgangs miteinander verbindet, und die Schweißkraft erhöht sich entsprechend. Die Entstehung und Stärke des Lichtbogens hängen jedoch eng mit der Mikrostruktur und den Eigenschaften des Materials zusammen. Die verbesserte Leitfähigkeit erhöht die vom Lichtbogen erzeugte Spannung. Unter der Spannungsbedingung von 90 V entsprechend 90 A tritt daher nur bei AgC (60) mit dem höchsten spezifischen Widerstand ein Schweißphänomen auf. Der Größeneffekt des Graphit-Trennmetalls Silber kann die Verteilung des Lichtbogens auf der Kontaktfläche beeinflussen. Gleichzeitig kann der Spüleffekt durch CO2, das bei der Graphitoxidation entsteht, die Lichtbogenverteilung beeinflussen und die Lichtbogenintensität verringern. Die kombinierten Auswirkungen dieser beiden Effekte auf die Lichtbogenverteilung und -festigkeit sowie die Wärmeleitfähigkeit des Materials erfordern weitere systematische Untersuchungen. Die aktuellen Forschungsergebnisse zeigen, dass die Reduzierung der Graphitporosität und Porengröße die Antischweißleistung nicht verbessert. Wenn der Silbermassenanteil weniger als 40 % und die Porengröße weniger als 10 μm beträgt, tritt das Schweißphänomen bei niedrigeren Strombedingungen auf und die Schweißkraft erhöht sich um mehr als das Dreifache.
Laut Literaturrecherche beträgt die Schweißkraft von AgCuO-Kontaktmaterial {{0}},2 N bis 0,4 N bei einer Spannung von 12 V und einem Strom von 10 A bis 25 A. Die dynamische Schweißkraft des mit Silber imprägnierten Graphit-Kupfer-Silber-Kontaktmaterials für Schalter, das unter diesen Versuchsbedingungen getestet wurde, liegt allesamt unter 0,01 N, was zwei Größenordnungen niedriger ist als die Schweißkraft des herkömmlichen AgMeO-Kontaktmaterials. Daher weist das mit Silber imprägnierte Graphitkontaktmaterial im Vergleich zum AgMeO-Kontaktmaterial einen höheren Anfangsschweißstrom und eine extrem niedrige Schweißkraft auf und ist ein elektrisches Kontaktmaterial mit hervorragender Antischweißleistung. Eine vergleichende Analyse der Schweißkraft und der Morphologie des Lichtbogenerosionsbereichs zeigt, dass AgC(30) die beste Antischweißleistung aufweist.
3 Schlussfolgerungen
(1) Der anfängliche Schweißstrom des mit Silber imprägnierten Graphitkontaktmaterials beträgt 90 A und die Schweißkraft beträgt weniger als 0,01 N, was eine hervorragende Antischweißleistung bietet.
(2) Bei demselben Kontaktmaterial aus mit Silber imprägniertem Graphit steigt die Schweißkraft mit steigendem Strom. Eine Reduzierung des Kontaktstroms kann die Schweißkraft verringern und dadurch die Antischweißleistung verbessern.
(3) Bei verschiedenen mit Silber imprägnierten Graphitkontaktmaterialien steigt die Schweißkraft mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt, was eng mit der Struktur und den Eigenschaften der Graphitmatrix zusammenhängt. In dieser Studie weist AgC(30)-Material die beste Antischweißleistung auf.
Unsere Produkte
Elektrisches KupferNietkontakteist ein Verbindungsprodukt mit hervorragender Leistung. Kupfernägel bestehen zunächst aus hochwertigem Reinkupfer und weisen eine hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit auf. In den Bereichen elektronische Geräte, elektrische Systeme usw. können einzelne Kupfernägel die effiziente Übertragung von Strom und Wärme gewährleisten und den stabilen Betrieb von Geräten gewährleisten. Zweitens weisen Kupfernägel eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf. Ob in einer feuchten Umgebung oder bei Kontakt mit verschiedenen Chemikalien, Kupfernägel können ihre stabile Leistung beibehalten, sind nicht leicht zu rosten und zu beschädigen und verlängern ihre Lebensdauer erheblich.
