Cómo afecta el material de contacto AgSnO2 al rendimiento eléctrico del relé de potencia

1. INTRODUCCIÓN

La seguridad y la fiabilidad de los relés de potencia desempeñan un papel crucial en los equipos eléctricos. Cuando un relé de potencia opera en condiciones selladas, capacitivas e inductivas, la energía del arco causada por la corriente es muy alta y el calor no se transmite fácilmente. Esto puede provocar fácilmente la fusión del contacto durante el servicio inicial, lo que puede provocar la falla del relé y, en casos graves, incendios u otras consecuencias graves. Por lo tanto, el estudio de la resistencia a la soldadura por fusión de los materiales de contacto eléctrico fue de gran importancia.

En la industria de materiales de contacto eléctrico , los ingenieros también han investigado materiales de contacto para relés de potencia. Con el aumento del contenido de Cu en los materiales de AgSnO₂, la microestructura cambia gradualmente de óxidos con filamentos cortos a estructuras fibrosas delgadas. Sin embargo, cuando el contenido de Cu supera el 6,8 %, se produce un fenómeno de segregación por disolución dentro de la estructura, donde una gran cantidad de partículas de óxido se agrega en los límites de grano y el tamaño de la microestructura aumenta. Algunos académicos señalan que a medida que aumenta la densidad de la raíz del arco, también aumenta la energía del arco, lo que genera cráteres de erosión más grandes y profundos en el área de agregación de SnO2. Como se mencionó anteriormente, una gran cantidad de arcos se concentran en la misma área, lo que resulta en un rápido aumento de la temperatura en esa área y la incapacidad de disiparse durante un largo tiempo. Debido al punto de fusión relativamente bajo de Ag (961 ℃), las partículas de Ag cerca de la zona de aglomeración se funden para formar un charco fundido, lo que resulta en una gran cantidad de gotas de Ag que salpican bajo la acción combinada del calor y la fuerza del arco.

En el uso real de relés de potencia sellados, a menudo ocurren problemas de soldadura causados ​​por la unión de contactos. Este artículo tiene como objetivo proporcionar referencias útiles para el desarrollo de materiales de contacto eléctrico para relés de potencia mediante el estudio de los parámetros de rendimiento eléctrico simulados entre materiales con diferentes contenidos de óxido, incluidos el tiempo, la energía del arco, la fuerza de soldadura y las características morfológicas de la superficie de contacto después de la prueba.

2. PROCESO Y MÉTODOS DE PRUEBA

El método de oxidación interna de aleación fue uno de los métodos más comunes para producir materiales de contacto eléctrico de óxido de plata y estaño. Los materiales preparados mediante este proceso presentan buena resistencia a la pérdida por quemado y a la soldadura por fusión, y tienen amplias aplicaciones en los productos de diversos fabricantes de relés en China.

Este artículo utiliza el método de oxidación interna de aleación para preparar tres materiales y compara sus propiedades. Los componentes específicos se muestran en la Tabla 1. Posteriormente, los tres materiales se transformaron en contactos con forma de remache y se realizaron pruebas de rendimiento eléctrico en una máquina de simulación de rendimiento eléctrico. Los tres puntos de contacto se ensamblaron en relés de potencia y se realizaron pruebas de vida útil eléctrica.

Categoría	Componente (% en peso)			Notas
	En	SnO2​	Aditivos
1#	90	Permanecer	1	-
2#	86	Permanecer	1	-
3#	84	Permanecer	1	-

El proceso de producción de las muestras de este estudio fue el siguiente: las materias primas se fundieron y extruyeron en caliente para producir una aleación de AgSn. Esta aleación se sometió a trefilado, corte, tratamiento de desaceitado, oxidación interna, prensado de lingotes, sinterización, extrusión en caliente de AgSnO₂ y trefilado del producto terminado para obtener las especificaciones requeridas de un alambre de φ1,92 [estado blando]. La microestructura del AgSnO₂ se analizó mediante microscopía electrónica de barrido SEM, la densidad se midió mediante el método de drenaje, la dureza se midió con el durómetro MICROH ARD-NESS MHV2000, la resistencia a la tracción y la elongación se midieron con la máquina de ensayos de materiales LJ-1000, y la resistencia eléctrica se midió con el probador de resistencia de CC inteligente TH2512B, convirtiéndola en resistividad eléctrica.

Utilizando una remachadora, se recalcó en frío el alambre obtenido mediante los pasos anteriores hasta alcanzar una especificación de contactos de remache R4 × 0,79 + 2 × 0,55 y, a continuación, se realizaron pruebas de rendimiento eléctrico simuladas. Al mismo tiempo, el equipo de simulación de rendimiento eléctrico se probó utilizando una máquina de prueba de simulación de vida útil eléctrica de material de contacto, desarrollada en cooperación con universidades nacionales. El dispositivo de prueba de simulación de rendimiento eléctrico se muestra en la siguiente figura 1, que incluye principalmente una mesa deslizante de desplazamiento de tres ejes XYZ, un mecanismo de accionamiento compuesto por un electroimán de acción directa y una varilla de empuje, un mecanismo de límite de recorrido del electroimán y un grupo base de relé. El sistema podía ajustar el punto de acción de la varilla de empuje mediante el ajuste de las mesas deslizantes de desplazamiento de los ejes Z e Y, y ajustar el bloque de límite de control de la mesa deslizante de desplazamiento del eje X del mecanismo de límite de recorrido electromagnético, ajustando así el ralentí y la sobrecarrera de la varilla de empuje. La precisión de ajuste de posición es de 10 μm. El dispositivo podía reemplazar fácilmente los sistemas de resorte de contacto de diferentes relés para pruebas de simulación y podía medir sincronizadamente la tensión, la corriente y la fuerza de soldadura de contacto. La Tabla 2 muestra las condiciones de prueba de simulación de rendimiento eléctrico.

Categoría	voltaje de CA	corriente alterna	Frecuencia de apertura y cierre	Tipo de carga	Notas
Condiciones de prueba de rendimiento eléctrico simuladas	250 V CA	15A	1s, encendido	Carga resistiva	-
			1s, apagado		-
Condiciones de prueba de vida eléctrica		16A	5s, encendido		-
			5 segundos, apagado		-

3. RESULTADOS DE LAS PRUEBAS Y ANÁLISIS

En primer lugar, se compararon las propiedades mecánicas y físicas de materiales con diferentes contenidos de óxido. Los datos específicos se muestran en la Tabla 3. Se observó que el material 1# presenta la resistividad eléctrica más baja, con una densidad aproximadamente 0,06 g/cm³ mayor que la del material 2#. La elongación fue la más alta de los tres materiales, alcanzando el 29%.

Categoría	Resistencia a la tracción (MPa)	Tasa de elongación (%)	Resistividad (μΩ.cm)	Densidad (g/ cm3 )	Dureza
1#	341	29	2.29	9.86	103
2#	344	24	2.41	9.80	110
3#	340	20	2.65	9.82	105

La Figura 2 muestra la microestructura de materiales con diferentes contenidos de óxido. Las fotos del microscopio electrónico de barrido SEM muestran que las partículas de óxido se distribuyen uniformemente en la matriz de plata, y que los tamaños de partícula de los tres materiales son similares, con la mayoría de las partículas en el rango de 1 μm. Según la investigación teórica en ciencia de materiales, la adición de un componente de segunda fase a un metal puede fortalecer el metal base. El principio consiste en utilizar estructuras de partículas dispersas para inhibir el movimiento de dislocaciones, mejorando así las propiedades mecánicas y físicas del material base. Por lo tanto, en este experimento, con el aumento del contenido de óxido, se mejoraron la dureza, la resistencia a la tracción y otros parámetros del material, pero la elongación del material mostró el patrón opuesto.


La comparación del rendimiento eléctrico de los tres materiales se muestra en las Tablas 4 y 5. Dentro del intervalo de confianza del 95%, la vida eléctrica de los tres materiales con diferentes contenidos de óxido fue 39342, 89314, 29345 veces, respectivamente. La vida eléctrica promedio del material 2# fue aproximadamente 62000 veces mayor que la del material 1#. De la Tabla 5, se pudo ver que en la prueba de vida eléctrica del relé real, el material con contenido 2# ha logrado un resultado de prueba de aproximadamente 94000 vidas eléctricas dentro del intervalo de confianza del 95%.

De los datos anteriores, se pudo ver que cuando el contenido de óxido alcanza una cierta proporción, el material de contacto eléctrico preparado exhibe buenos resultados de la prueba de vida eléctrica. Los tres materiales exhiben el mismo patrón de vida eléctrica que la máquina de prueba de simulación en la prueba real, por lo que el siguiente paso fue utilizar los datos capturados de la prueba de rendimiento eléctrico de simulación para comparar las diferencias entre los tres materiales.

Categoría	1	2	3	4	5	p0,95
1#	45265	46859	39685	44586	42598	39342
2#	99865	102562	100000	114785	102156	89314
3#	32562	41205	39568	34785	33568	29345

Categoría	1	2	3	4	5	p0,95
1#	33026	28965	30254	29856	32564	26073
2#	102564	112563	105989	103654	100000	94426
3#	20356	25468	30215	31025	26874	20293

Para aclarar las razones detalladas de las diferencias en el rendimiento eléctrico de tres materiales con distintos contenidos de óxido en las pruebas de simulación de máquinas y en las pruebas reales de relés, y para comprender las características de la erosión de los materiales de contacto eléctrico durante el servicio, este artículo seleccionó materiales con diferentes contenidos de óxido en los resultados de las pruebas de simulación de rendimiento eléctrico de 39685, 100000 y 39568 veces. Los resultados mostraron un estudio comparativo de la energía del arco, el tiempo de arco y la fuerza de soldadura de cuatro parámetros de morfología superficial después de la prueba de contacto.

La Figura 3 muestra la comparación de la energía del arco, el tiempo de arco y la fuerza de soldadura de materiales con diferentes contenidos de óxido en la prueba de simulación de rendimiento eléctrico. Se puede ver en la figura que, bajo las mismas condiciones de nivel de corriente, la energía máxima del arco del material con contenido 1# fue de aproximadamente 3000mJ, el material con contenido 2# fue de 3100mJ, el material con contenido 3# es de 3500mJ y el material con contenido 3# fue el más alto, alcanzando 10ms. La fuerza de soldadura por fusión del material con contenido 1# fue la más alta, lo que se debió a que a medida que aumenta el contenido de óxido del material, también aumenta la resistividad del material y también aumenta el calor generado durante el proceso de prueba, lo que en última instancia se manifiesta como una energía de arco y un tiempo de arco diferentes.


La Figura 4 muestra la morfología superficial de los contactos tras la quema por arco en la prueba de simulación de rendimiento eléctrico. En la Figura 4 se observa que la superficie del punto móvil del contacto de material con contenido 2# era relativamente plana tras la prueba. Además, las superficies de los otros dos materiales presentan picaduras de quema evidentes y manchas de plata adhesiva tras la prueba de contacto móvil. Al mismo tiempo, se observó una zona de colapso en el borde del contacto, lo que afecta al rendimiento eléctrico de los contactos.


De la comparación de investigación anterior, se pudo observar que cuando el contenido de óxido del material de contacto eléctrico de óxido de plata y estaño era del 14%, sus diversas propiedades físicas eran relativamente excelentes. Durante el servicio, debido a sus componentes de alto punto de fusión y alta dureza, bajo la acción de la corriente de carga, la resistencia del contacto a la fusión y al desgaste eléctrico era superior a los otros dos materiales. El material 1# exhibe baja resistencia al desgaste por arco debido a su baja proporción de óxidos de componentes de alto punto de fusión. Sin embargo, cuando el contenido de óxido aumenta al 16%, debido al contenido excesivo del componente de segunda fase, la resistividad eléctrica del material aumentó significativamente. Durante la prueba, exhibe bajo rendimiento antiadherente, afectando la conductividad de los contactos y finalmente causando fallas de adhesión.

Con base en los resultados experimentales anteriores, mejorar la resistencia al desgaste eléctrico y la resistencia a la adhesión de los materiales de contacto en relés de potencia fue uno de los principales temas para mejorar la vida eléctrica de los materiales. Al mismo tiempo, considerando diferentes tipos de condiciones de carga y estructuras de relé, se necesitó más investigación para ajustar la proporción de aditivos para mejorar el rendimiento de rotura del material y la resistencia a la soldadura por fusión.

4. CONCLUSIÓN

(1) Con el aumento del contenido de óxido, la resistencia a la tracción y la resistividad del material han aumentado significativamente, mientras que el alargamiento muestra una tendencia decreciente.

(2) El intervalo de confianza del 95% de la curva de Weibull indica que cuando el contenido de óxido es del 14%, el material de contacto eléctrico de óxido de plata y estaño exhibe la mejor vida útil eléctrica en la máquina de prueba, aproximadamente 89000 veces.

(3) En las pruebas de relés de potencia, cuando la resistividad del material es relativamente alta, el aumento de temperatura de los contactos es grande, lo que es propenso a la unión prematura de los contactos y a la falla.

(4) Al diseñar materiales, es necesario considerar las condiciones de prueba reales y los escenarios de uso del aparato eléctrico, y seleccionar materiales de contacto eléctrico con contenido de plata apropiados para la adaptación.