Para reducir el uso de metales preciosos y optimizar los costos, los investigadores de
Fudar Alloys han desarrollado un nuevo tipo de material de contacto eléctrico que ahorra plata, un avance que abre nuevas oportunidades para la industria.
Principio de funcionamiento del fusible térmico y requisitos de material
La función básica de un fusible térmico es activar un dispositivo mecánico para cortar el circuito cuando la temperatura del equipo alcanza un valor establecido a través del material térmico interno. Según los diferentes materiales fundidos, los fusibles térmicos se dividen en dos categorías: tipo orgánico y tipo aleación, de los cuales los fusibles térmicos de tipo orgánico se utilizan ampliamente en electrodomésticos, equipos automotrices y otros campos. El
fusible térmico de tipo orgánico consta principalmente de plomo A/B, resina de sellado, cerámica, resorte A/B, contacto en estrella (contacto móvil, electrodo móvil, contacto en estrella), carcasa metálica y partículas térmicas, etc., la sección transversal del estado normal se muestra en la Figura 1. El electrodo móvil está en contacto con la superficie interior de la carcasa metálica conductora y se puede mover dentro de ella; el resorte de compresión A está ubicado entre el electrodo móvil y el material aislante cerámico, y el resorte de compresión B está ubicado entre el electrodo móvil y las partículas térmicas; En el estado normal, los resortes de compresión A y B están en estado comprimido y, debido a la mayor elasticidad del resorte de compresión B que la del resorte de compresión A, el electrodo móvil está sesgado hacia el material aislante cerámico y el electrodo móvil y el cable A están en contacto por presión y el cable A suele estar hecho de cobre plateado. Por lo tanto, cuando el cable A y el cable B y el cable del dispositivo electrónico entran en contacto, por ejemplo, la corriente del cable A al electrodo móvil, del electrodo móvil a la carcasa metálica y, a continuación, de la carcasa metálica al cable B para transmisión y conducción, el esquema de bucle de corriente se muestra en la Figura 2. El material sensible al calor es una sustancia orgánica, como el ácido adípico con un punto de fusión de 150 °C.
Figura 1 Fusible térmico orgánico antes de la acción
Figura 2 Bucle de corriente de preacción del fusible térmico de tipo orgánico
La sección transversal de un fusible térmico de tipo orgánico después de la acción se muestra en la Figura 3. Cuando se alcanza la temperatura de funcionamiento especificada, la pastilla térmica se ablanda o se funde y se deforma debido a la compresión del resorte de compresión. La presión del resorte de compresión B se libera. Debido a la expansión del resorte de compresión B, también se libera la compresión del resorte de compresión A; debido a la expansión del resorte de compresión A, el electrodo móvil se separará del conductor A, de modo que el circuito se corta, en esta condición, debe cambiar el fusible térmico. El diagrama esquemático del circuito de corriente después de la acción del corte térmico de tipo orgánico se muestra en la Figura 4.
Figura 3 Fusible térmico de tipo orgánico después de la acción
Figura 4 Bucle de corriente del fusible térmico de tipo orgánico después de la acción
La estructura típica anterior se utiliza principalmente en condiciones de corriente nominal menor o igual a 16 A, condiciones de aplicación de corriente nominal mayor o igual a 16 A, generalmente se agrega la estructura de remache del contacto flotante entre el cable A y el electrodo móvil, el material del contacto flotante es generalmente óxido de metal plateado, para garantizar la confiabilidad del proceso de corte. El esquema de la estructura se muestra en la Figura 5.
Figura 5 Estructura esquemática de fusibles térmicos de tipo organoléptico con corrientes nominales de 16 A o más
El componente clave del fusible térmico de tipo orgánico, el contacto en estrella, como núcleo de la conexión del circuito, debe cumplir los siguientes requisitos:
1. Alta temperatura de ablandamiento: garantiza un rendimiento de contacto estable en uso a largo plazo.
2. Baja resistencia de contacto: evita la generación de calor o la pérdida de función debido al aumento de la resistencia.
3. Rendimiento de soldadura antiestática: los contactos deben cortarse rápidamente durante la prueba de corte para evitar daños causados por la soldadura.
4. Dureza adecuada: en condiciones normales y después de la prueba de envejecimiento (220 ℃, 3 h), la dureza cumple con los requisitos estándar.
5. Resistencia adecuada al rendimiento de quemadura de arco y resistencia a la soldadura por fusión: bajo la condición de corriente nominal y voltaje nominal, se puede cortar normalmente una vez.
6. Plasticidad adecuada: el contacto en estrella no se romperá durante el moldeo, el ensamblaje y el uso.
Estructura de contacto estelar
Desarrollo de materiales de contacto eléctrico que ahorran plata
Para satisfacer las necesidades de rendimiento del fusible térmico y reducir los costos, los investigadores de Fudar Alloy han investigado dos materiales innovadores:
1. Material AgCuO de excelente plasticidad.
- Características del material:
Ventajas: AgCuO tiene buena conductividad eléctrica, resistencia moderada a la soldadura por fusión, baja resistividad, buena estabilidad térmica y resistencia a la transferencia de material.
Desventajas: Mala plasticidad, lo que afecta la eficiencia de procesamiento y la velocidad del material, el costo general es más alto.
Programa de mejora:
Diseño estructural: Se desarrolló un material compuesto con una estructura de tres capas AgCuO(15)/AgCu12/AgCuO(15), en la que la capa intermedia de AgCu12 proporciona una excelente plasticidad y la capa exterior mantiene buenas propiedades.
Proceso de preparación: Se utiliza un proceso de oxidación interna para optimizar la plasticidad, la resistencia y la conductividad eléctrica del material controlando el progreso de la oxidación y ajustando el tamaño de las partículas.
Efecto integral:
El material AgCuO mejorado equilibra la plasticidad y el rendimiento, lo que mejora la eficiencia del procesamiento y la utilización del material al tiempo que cumple con los requisitos de uso.
En las figuras 6 y 7 se muestra una comparación de la organización y la morfología de los materiales AgCuO(15)/AgCu12/AgCuO(15) y AgCuO(15) obtenidos mediante un proceso de oxidación interna convencional.
Figura 6 Organización y morfología de AgCuO(15)/AgCu12/AgCuO(15)500X
Figura 7 Organización y morfología de AgCuO(15) preparado mediante proceso de oxidación interna convencional 500X
En el campo de los fusibles térmicos de tipo orgánico, la temperatura de ablandamiento inicial del material de contacto eléctrico tiene una gran influencia en la estabilidad de la resistencia de contacto durante el uso real del fusible térmico, y la temperatura de ablandamiento generalmente se requiere para alcanzar más de 350 ℃. Los materiales de proceso convencional AgCuO (15) y los materiales AgCuO (15) / AgCu12 / AgCuO (15) en el estado recocido de la curva de ablandamiento del producto terminado como se muestra en la Figura 8, de acuerdo con la curva de ablandamiento se puede ver, AgCuO (15) la temperatura de ablandamiento inicial de aproximadamente 500 ~ 600 ℃. La temperatura del punto de ablandamiento inicial de la capa superficial AgCuO (15) / AgCu12 / AgCuO (15) compuesta por múltiples capas de AgCuO (15) también es de aproximadamente 500 ~ 600 °C, y la temperatura del punto de ablandamiento inicial de la capa intermedia AgCu12 es de aproximadamente 400 ~ 500 °C.
Figura 8 Curva de suavizado de AgCuO(15)/AgCu12/AgCuO(15) y AgCuO(15)
Otras propiedades físicas importantes de AgCuO(15)/AgCu12/AgCuO(15) y AgCuO(15)
Los materiales se muestran en la Tabla 1.
|
AgCuO(15) |
AgCuO(15)/ AgCu12/AgCuO(15)
|
| Resistividad eléctrica μΩ·cm |
2,35 ~ 2,40 |
2,33 ~ 2,38 |
| Densidad g/cm3 |
9.53 |
9,76 |
| Dureza de AgCuO de la capa de AgCuO antes del envejecimiento HV0.1 |
85 ~ 90 |
85 ~ 90 |
| Dureza de AgCuO de la capa de AgCuO después del envejecimiento HV0.1 |
80 ~ 90 |
80 ~ 90 |
| Dureza de AgCu de la capa de AgCu antes del envejecimiento HV0.1 |
— |
95 ~ 100 |
| Dureza de la capa de AgCu después del envejecimiento HV0.1 |
— |
90 ~ 100 |
Tabla 1 Datos de propiedades físicas de AgCuO(15)/AgCu12/AgCuO(15) y AgCuO(15) para AgCuO(15)/AgCu12/AgCuO(15) y AgCuO(15)
Compuestos ahorradores de plata (AgCuONiO/Cu/AgCuONiO)
Estructura del material:
Capa superficial: AgCuONiO se utiliza, preparada mediante un proceso de oxidación interna para proporcionar excelentes propiedades.
Capa central: Cu se utiliza en su lugar para reducir el coste del material.
Características del material:
Excelente conductividad eléctrica y térmica, resistencia de contacto baja y estable; resistente al desgaste, no es fácil de ablandar por el envejecimiento; resistencia a la erosión del arco, rendimiento fiable.
Proceso de preparación y optimización:
El proceso de oxidación interna se utiliza para ajustar el tamaño y la distribución de las partículas de óxido controlando los parámetros de oxidación para cumplir con los requisitos de rendimiento de diferentes aplicaciones.
Este material se basa en el principio de fortalecimiento por difusión de partículas de óxido, y se han llevado a cabo muchas investigaciones en China y en el extranjero sobre su mecanismo de oxidación interna y optimización de parámetros.
En el campo de los materiales compuestos, el equipo de investigación de Fudar Alloy ha desarrollado un material de contacto eléctrico AgCuO/Cu/AgCuO que ahorra plata. Los materiales AgCuONiO/ Cu/ AgCuONiO y AgCuO/ Cu/ AgCuO, con las capas superficiales de AgCuONiO y AgCuO, tienen las composiciones de material habituales de AgCuO(5)NiO(0,6) y AgCuO(15), y en las Figuras 9 y 10 se muestra una comparación de la organización y morfología general de los compuestos.
Figura 9 Organización y morfología de AgCuONiO/ Cu/ AgCuONiO 500X
Figura 10 Organización y morfología de AgCuO/ Cu/ AgCuO 500X
Las curvas de ablandamiento de los materiales AgCuONiO/ Cu/ AgCuONiO y AgCuO/ Cu/ AgCuO en el estado recocido terminado se muestran en la Figura 11. De acuerdo con las curvas de ablandamiento, se puede ver que la temperatura de punto de ablandamiento inicial de AgCuO(15) en la capa superficial es de aproximadamente 350~400 °C, la temperatura de punto de ablandamiento inicial de AgCuO(5)NiO(0.6) es de aproximadamente 350~400 °C, y la temperatura de punto de ablandamiento inicial de Cu en la parte central es de solo 200~250 °C, lo que es una gran diferencia entre ellos. En términos de temperatura de ablandamiento, el material AgCuO/ Cu/ AgCuO puede hacer lo mismo que el material AgCuONiO/ Cu/ AgCuONiO, y el efecto de ahorro de plateado es significativo debido al menor contenido de plata en la capa de trabajo.
Figura 11 Curvas de suavizado de AgCuO(15)/ Cu/ AgCuO(15) y AgCuONiO/Cu/AgCuONiO
Otras propiedades físicas principales de AgCuONiO/ Cu/ AgCuONiO y AgCuO/Cu/AgCuO
Los materiales se muestran en la Tabla 2.
|
Aglutinados/ Cu/ Aglutinados |
AgCuO(15)/Cu/AgCuO(15) |
| Resistividad eléctrica μΩ·cm |
1,90 ~ 1,95 |
2.08 ~ 2.13 |
Densidad g/cm3
|
9.44 |
9.20 |
Dureza de la capa superficial antes del envejecimiento HV0.1
|
85 ~ 90 |
85 ~ 90 |
| Dureza de la capa superficial después del envejecimiento HV0,1 |
80 ~ 90 |
80 ~ 90 |
| Dureza de la capa de Cu antes del envejecimiento HV0.1 |
78 ~ 83 |
78 ~ 83 |
| Dureza de la capa de Cu después del envejecimiento HV0.1 |
65 ~ 75 |
65 ~ 75 |
Tabla 2 Datos de propiedades físicas de AgCuO(15)/Cu/AgCuO(15)和AgCuONiO/Cu/AgCuONiO para AgCuO(15)/Cu/AgCuO(15) y AgCuONiO/Cu/AgCuONiO
Comparación completa
Aleación AgCu (reforzada con solución sólida):
- Ventajas: Excelente plasticidad, baja resistividad.
- Desventajas: Bajas temperaturas de fusión y ablandamiento (alrededor de 950 °C para AgCu1 y 850 °C para AgCu15), pobre estabilidad de la resistencia de contacto a altas temperaturas y en uso a largo plazo, y capacidad de corte inferior a la de los materiales a base de óxido de plata.
AgCuONiO y AgCuO (reforzada por difusión):
- Ventajas: Plasticidad apropiada, punto de fusión más alto (962 °C, igual que Ag), mayor temperatura de ablandamiento, mejor estabilidad de la resistencia de contacto a largo plazo, rango de temperatura más amplio, excelentes características eléctricas.
- Desventajas: Confiabilidad de contacto eléctrico ligeramente menor de las estructuras compuestas en comparación con los materiales monolíticos.
Compuestos de tres capas (capa superficial de AgCuONiO o AgCuO + capa central de Cu):
- Ventajas: Reducción significativa de costos, mejor plasticidad, menor resistividad, espesor ajustable de la capa superficial para adaptarse a diferentes escenarios.
- Desventajas: Temperatura de ablandamiento más baja de la capa central de Cu, temperatura de ablandamiento reducida de la capa superficial, resistencia eléctrica ligeramente más alta a altas temperaturas, la interfaz compuesta puede afectar la confiabilidad del contacto eléctrico.
Las aleaciones de AgCu son adecuadas para escenarios de baja temperatura y bajo costo; los materiales monolíticos AgCuONiO y AgCuO son adecuados para escenarios de alta temperatura y alto requisito de rendimiento; y los compuestos de triple capa logran un equilibrio entre rendimiento y costo, pero la confiabilidad en condiciones de alta temperatura necesita atención.
Desarrollo futuro
Para reducir aún más los costos y mejorar el rendimiento del material, el estudio recomienda:
1. Desarrollar materiales a base de plata con bajo contenido de plata: formulaciones eficientes de bajo contenido de plata como AgCuO (20).
2. Optimizar la capa central compuesta: utilizar aleaciones de cobre de alta resistencia y alta conductividad en lugar de cobre ordinario para aumentar la temperatura de ablandamiento general.
3. Mejora de la estructura de emparejamiento: agregar una capa de óxido de plata en el punto de contacto del contacto en estrella y el cable conductor para mejorar el rendimiento de la soldadura antifusión.
Conclusión
El desarrollo de materiales de contacto eléctrico que ahorran plata no solo cumple con los estrictos requisitos de confiabilidad y rendimiento de los fusibles térmicos, sino que también proporciona una solución viable para la reducción de costos y la eficiencia de los recursos. Con el avance continuo de la tecnología, estos materiales innovadores mostrarán su potencial en más campos para garantizar el funcionamiento seguro de los equipos eléctricos. Si tiene alguna pregunta sobre los materiales de contacto eléctrico que ahorran plata, no dude en contactarnos.
