Cómo afectan el contenido de ZnO y el tamaño de las partículas a los materiales de contacto AgZnO

Los materiales de contacto de óxido de zinc y plata (AgZnO) combinan la conductividad eléctrica y térmica de la plata con partículas dispersas de óxido de zinc que ayudan a resistir la erosión por arco eléctrico y la soldadura de los contactos. El contenido de ZnO y el tamaño de las partículas influyen en el equilibrio entre la conductividad, la resistencia mecánica y el rendimiento de conmutación.

Este artículo compara tres materiales AgZnO sometidos a cargas resistivas de CA para mostrar cómo estos factores afectan al comportamiento del arco eléctrico, la fuerza de soldadura y la resistencia a la erosión.

Materiales AgZnO y condiciones de las pruebas de conmutación

Las muestras 1 y 2 tienen el mismo intervalo de tamaño de partículas de ZnO, pero diferentes contenidos de óxido. Las muestras 2 y 3 tienen el mismo contenido de óxido, pero diferentes intervalos de tamaño de partículas.

Tabla 1. Designaciones de los materiales AgZnO e intervalos de tamaño de las partículas de ZnO.

Los materiales se fabricaron mediante un proceso de preoxidación de polvos y, posteriormente, se extruyeron para obtener alambre de aleación de plata y se conformaron en remaches de contacto.

Los contactos se probaron a 250 V CA y 10 A con una carga resistiva, una fuerza de contacto estática de 1,5 N y una separación entre contactos de 0,5 mm. Cada ciclo de conmutación consistió en 1 segundo encendido y 1 segundo apagado. La erosión de los contactos se midió después de 100.000 ciclos.

Cómo afecta el contenido de ZnO al rendimiento de los contactos

Con partículas de ZnO de entre 1 y 3 μm, AgZnO(8) presentó una mayor dureza, resistencia a la tracción y resistividad eléctrica volumétrica que AgZnO(6). La resistividad volumétrica describe el grado en que un material se opone al paso de la corriente eléctrica.

El mayor contenido de ZnO aumentó el número de partículas dispersas en la matriz de plata, aunque también se observó una mayor tendencia a la aglomeración de partículas. El refuerzo proporcionado por las partículas y el refinamiento de los granos de plata ayudan a explicar la mayor dureza y resistencia a la tracción. Las interfaces adicionales también dificultan el transporte de electrones, lo que aumenta la resistividad volumétrica.

En las condiciones de ensayo con carga resistiva de CA, AgZnO(8) presentó una mayor duración del arco, una energía de arco más elevada y una mayor fuerza de soldadura. La mayor resistividad puede incrementar el calentamiento localizado y ampliar la zona fundida en la interfaz de contacto, lo que exige una mayor fuerza de separación tras la solidificación.

Cómo afecta el tamaño de las partículas de ZnO al rendimiento de los contactos

Con la misma composición de AgZnO(8), el aumento del intervalo de tamaño de las partículas de ZnO de 1-3 μm a 2-5 μm redujo la dureza, la resistencia a la tracción y la resistividad volumétrica. El examen microscópico también reveló una estructura más gruesa y una menor tendencia a la aglomeración de partículas.

Las partículas más gruesas proporcionan una menor superficie interfacial, lo que reduce su efecto de refuerzo y la dispersión de electrones. En las mismas condiciones de ensayo, el material con partículas más gruesas presentó una menor fuerza de soldadura, pero una mayor duración del arco y una energía de arco más elevada. La menor fuerza de soldadura puede estar relacionada con una reducción del calentamiento localizado debido a su menor resistividad volumétrica.

Erosión de los contactos AgZnO tras ciclos repetidos de conmutación

Después de 100.000 ciclos de conmutación, AgZnO(8) con partículas de ZnO de 1-3 μm presentó la menor pérdida por erosión, de 0,5 mg. Las pérdidas correspondientes fueron de 0,8 mg para AgZnO(6) con el mismo tamaño de partículas y de 1,3 mg para AgZnO(8) con partículas de 2-5 μm. En estas condiciones de ensayo, la pérdida por erosión aumentó al disminuir el contenido de ZnO o aumentar el tamaño de las partículas.

Figura 1. Pérdida por erosión de los contactos AgZnO después de 100.000 ciclos de conmutación.

Selección de AgZnO para aplicaciones de conmutación de baja tensión

En las condiciones resistivas evaluadas, AgZnO(8) con partículas de ZnO de 1-3 μm ofreció un equilibrio general favorable y la menor pérdida por erosión de los tres materiales. AgZnO(6) con el mismo tamaño de partículas produjo arcos más cortos y una menor energía de arco. El aumento del tamaño de las partículas de AgZnO(8) a 2-5 μm redujo la fuerza de soldadura, pero incrementó la pérdida por erosión.

Un mayor contenido de ZnO aumentó la dureza, la resistencia a la tracción y la resistividad volumétrica, mientras que las partículas más gruesas redujeron estas propiedades. La selección final del material debe equilibrar la resistencia mecánica, la conductividad y el rendimiento de conmutación, y su idoneidad debe confirmarse mediante pruebas en el dispositivo previsto.

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