導入
鉄道信号リレーは、信号制御回路を開閉するために使用される特別なスイッチです。鉄道システム機器の重要なコンポーネントの 1 つです。したがって、リレー製品の電気的寿命と信頼性は、設計者とユーザーにとって常に注目のテーマです。研究者はリレーの故障メカニズムについて多くの研究を行ってきました。産業用途や試験統計によると、スイッチング動作中に発生する接点材料の溶着が主な故障モードの 1 つであることがわかっています。
固体銅接点はリレー接点システムの最も重要なコンポーネントの 1 つであるため、その耐溶着性能はリレーの信頼性と耐用年数に直接影響します。接点材料の溶着とは、2 つの極の接点材料が熱源の作用により局所的に急速に加熱され溶融し、その後急速に冷却されて固化して 2 つの極が 1 つに接続され、外部復元によって分離できなくなる現象を指します。力。一般的に静的溶接と動的溶接に分けられます。静的溶接は、接点が閉じる際の電流の熱影響によって発生します。実際の仕事では非常にまれです。接点不良の主な原因は、開閉時のアーク放電により発生する熱により接点材料同士が溶着する動的溶着現象です。
接点が回路を遮断するときに発生するアークが、ダイナミック溶接を開始するための鍵となります。アークエネルギーにより接点材料が部分的に溶融して溶融領域が形成され、その後、溶融領域が急速に凝固してコンタクトの接触部分に溶接が形成される場合があります。溶接力が破壊力よりも大きい場合、接触材料の動的溶接が形成されます。一般に、接触材料の溶着力が大きくなるほど、材料の耐溶着性は悪化すると考えられています。特定の使用条件下では、接点材料の耐溶着性は、その組成、構造、抵抗率、熱伝導率、その他の特性と密接に関係しています。一方で、アークの発生と強度に影響を与え、他方では、溶接プロセスと溶接力の大きさに影響を与えます。
AgCdO、AgSnO2、AgCuOなどの銀金属酸化物接点材料の溶接挙動について広範囲かつ詳細な研究が行われ、溶接モデルと理論が提案されてきました。このタイプの材料の主な設計思想は、銀が電気と熱を伝導する通電相として機能し、酸化物などの不溶相が溶融相の粘度を高める安定剤または分解剤として機能するというものです。アークエネルギーを消費します。しかし、出力の増加に伴い、新しいリレーでは接点材料の耐溶着性能に対する要求がさらに高まっています。従来の接点材料ではもはや要件を満たすことができず、銀含浸グラファイト接点材料はその優れた性能によりますます注目を集めています。銀含浸グラファイト接点材料には一般に、通電相としてグラファイト骨格に含浸された銀が含まれており、難溶解相としてのグラファイトは溶融池のサイズを制限し、アークエネルギーを消費する可能性があります。しかし、銀含浸グラファイト接点材料に関する研究は深くは行われておらず、特にその溶接挙動に関する研究はほとんど報告されていません。したがって、この研究では、溶接試験装置を使用して、異なる電流と電圧での 4 つの銀含浸グラファイト接点材料の動的溶接挙動を研究し、接点の表面形態と微細構造を系統的に観察して特徴付けました。比較分析により、耐溶着性に優れた銀含浸黒鉛接点材料を選定しました。
1. 実験
1.1 銀含浸グラファイト接点材料の性能と構造特性評価
銀含浸グラファイトシリーズ銅リベット材料は、異なる気孔率と細孔構造を持つグラファイトマトリックスを使用した熱間静水圧プレスプロセスによって調製されました。材料の性能指標を表 1 に示します。銀含浸グラファイト接点材料の微細構造と融着性能試験後の表面形態を金属顕微鏡と走査型電子顕微鏡で観察し、特性評価しました。
1.2 溶接性能試験とデータ収集
4 種類の銀含浸グラファイト接点材料を、3.5 mm × 4.1 mm の作動面を持つ静的接点に加工しました。それらは金属銀製の電気銅リベットと一致しました。ハルビン工業大学が開発した溶接力試験装置を用いて、負荷電流80A～100A、対応電圧80V～100Vの条件で接点材料の溶接性能を試験しました（図1参照）。テスト中は、接触面が初期状態にあることを確認するために、テストごとに新しいコンタクトが使用されました。接点閉鎖プロセス中の電圧、電流、および接触力信号は、KEYSIGHT DSOX3024T マルチチャンネル オシロスコープを使用して収集されました。
テストデバイス内の静電気銅線リベットコンタクトは回転治具に固定されており、回転治具は絶縁座を介して力覚センサの可動端に固定されている。力覚センサの静止端は、取付座を介して面方向の位置を調整できる調整スライドに固定されています。力センサは静的接触の力の状態を収集し、接触圧力と溶接力を取得します。リードは絶縁固定シートに固定されており、駆動電磁石に依存してテスト対象の静的接点を押して閉動作を完了します。駆動電磁石の電源がオフになった後は、自身の剛性リセットに依存して切断されます。本装置は駆動電磁石のストロークが固定されているため、駆動電磁石の位置を調整することで接点間の接触力を変化させます。テスト中、レーザー変位センサーを使用してリードの変位を測定し、接触ストロークを監視します。上記各部品の固定端はベースに固定されており、各部品の相対位置が安定しています。試験中は、まず電磁石が負荷により可動接点と静止接点を一定の速度で閉じるように駆動し、次に負荷電源を遮断し、力センサーを動かしてスライドを調整して閉じた接点をゆっくりと離します。
接点分離過程における接触力の変化曲線を図2に示します。初期状態で閉状態にある接点は、一定の圧力下では接触を維持しますが、初期状態では接点は閉状態にあります。スライドが移動すると、接触力は点 B から徐々に減少し、点 E では 0 まで減少し、可動接触と静的接触が分離し始めます。接点間に溶接がない場合、接点は直接分離し、接触力は 0 になります。接点間に溶着がある場合、接触力は減少し続け、静的接点にかかる力は圧力から張力に変化します。 W点は溶着した接点が剥離し始める位置であり、このときの張力値が最大となる。その後、コンタクトの溶接領域が急速に引き離され、溶接力が急速に減少し、点 S で完全に分離されます。溶接破壊プロセス全体で、可動コンタクトと静的コンタクトの前の最小動的接触力の差接触していない状態（W 点）、分離後の動的接触力（S 点）は、接触材料が溶接された後の最大溶接力です。
2 結果と考察
2.1 銀含浸黒鉛接点材料の微細構造
銀添着黒鉛銅銀の金属組織写真コンタクトリベット材料を図 3 に示します。明るい白色の領域は金属銀で、灰黒色の領域はグラファイト マトリックスです。熱間静水圧プレスによる銀含浸プロセスでは、グラファイトマトリックスの細孔を金属銀で完全に充填し、ネットワーク状の金属銀の相互接続構造を形成できます。ただし、グラファイトマトリックスの細孔構造と多孔度の違いにより、4 つの銀含浸グラファイトコンタクト材料の微細構造は大きく異なります。AgC (30) 材料のグラファイトマトリックスの細孔サイズは比較的均一であり、金属銀の領域のサイズは約数十ミクロンです。 AgC (40) 材料には 100 μm を超える大きな金属銀領域があります。また、AgC (50) および AgC (60) 材料には 10 μm 未満の金属銀領域が多数あります。
銀含浸グラファイト接点材料の微細構造の違いが、性能の違いの鍵となります。特に、炭素含有量が増加すると、AgC(60) は AgC(30) の 16 倍以上に達します。これは、通電相としての金属銀の含有量の減少に関連しています。ただし、材料の導電特性は金属銀の含有量と同等の比例関係を持ちません。したがって、銀含浸グラファイト接点材料の導電特性は、金属銀とグラファイトの相乗効果の結果であり、グラファイト材料の導電特性および細孔構造と密接に関連しています。
2.2 銀含浸黒鉛接点材料の溶接性能
銀含浸黒鉛接点材の電流に対する溶接力の変化を図4に示します。図4からわかるように、電流が80A以下では接点間の溶接現象は発生しません。 4つの接点材料のうち。電流が90 Aに増加すると、AgC(60)は0.8×10-3 Nの溶接力で溶接現象を示します。電流が95 Aに達すると、4つの接点材料すべてが溶接現象を示しますが、溶接力はばらつきます。大きさが大きく、段階的に配置されています。電流が 100 A に増加すると、AgC30 の溶接力は 1.5×10-3 N に達しますが、AgC(60) の溶接力は 6.61×10-3 N に増加します。
図 5 は、100 A の電流で溶融溶接した後の 4 つの銀含浸グラファイト銅電気接点の表面形態を示しています。図 5 からわかるように、すべての材料のアーク浸食領域は黒色です。中央は白く、端は白ですが、異なる材料の侵食領域のサイズと微細構造は異なります。アークによって侵食される AgC (30) 表面の面積は最も小さく、直径は約 0.943 mm です。エッジは、動的溶融溶接プロセス中にアークの作用により中央領域の金属銀が溶け、接触点の周囲でスパッタリングすることによって形成された銀粒子です。 Ag 含有量が減少するにつれて、スパッタリングされた銀粒子のサイズは徐々に減少します。 AgC(50)のアークエロージョン領域の中心に二次エロージョン領域が現れ始める。 AgC (60) の表面の二次侵食領域はより明白であり、材料の内部にまで発展します。これは、動的溶融溶接プロセス、つまりバウンシング動的溶融溶接プロセス中に複数のアークエロージョン現象が発生したことを示しています。
溶接力は、材料内で溶けて冷却プロセス中に結合する金属銀の断面積に比例します。電流が増加すると、アーク侵食領域が増加し、その領域内の溶融銀の含有量が増加します。したがって、冷却過程で相互に接続する金属銀の断面積も増加し、それに応じて溶接力が増加します。ただし、アークの発生と強度は、材料の微細構造と特性に密接に関係しています。導電率が向上すると、アークによって生成される電圧が増加します。したがって、９０Ａに相当する９０Ｖの電圧条件では、最も抵抗率の高いＡｇＣ（６０）のみが溶着現象を起こすことになる。金属銀を分離するグラファイトのサイズ効果は、接触面上のアークの分布に影響を与える可能性があります。同時に、グラファイトの酸化によって生成される CO2 によって引き起こされるパージ効果がアーク分布に影響を及ぼし、アーク強度を低下させる可能性があります。材料の熱伝導率とともに、アーク分布と強度に対するこれら 2 つの効果の複合効果については、さらなる体系的な研究が必要です。現在の研究結果は、グラファイトの気孔率と気孔サイズを小さくしても耐溶着性能は向上しないことを示しています。銀の質量分率が40%未満で気孔径が10μm未満の場合、低電流条件でも溶接現象が発生し、溶接力が3倍以上増加します。
文献調査によると、AgCuO 接点材料の溶接力は、電圧 12 V、電流 10 A ～ 25 A で {{0}}.2 N ～ 0.4 N です。この実験条件下でテストされたスイッチ材料用の銀含浸グラファイト銅銀接点の動的溶接力はすべて 0.01 N 未満であり、従来の AgMeO 接点材料の溶接力よりも 2 桁低くなります。したがって、銀添着黒鉛接点材料は、AgMeO接点材料と比較して、初期溶接電流が高く、溶接力が極めて低く、耐溶着性能に優れた電気接点材料である。溶接力とアークエロージョン領域の形態の比較分析により、AgC(30) が最高の耐溶接性能を備えていることがわかりました。
3 結論
(1) 銀含浸黒鉛接点材の初期溶接電流は 90 A、溶接力は 0.01 N 以下で耐溶着性に優れています。
(2) 同じ銀含浸グラファイト接点材料の場合、電流が増加すると溶接力が増加します。接触電流を低減することで溶着力を低減でき、耐溶着性が向上します。
(3) さまざまな銀含浸グラファイト接点材料の場合、溶接力は炭素含有量の増加とともに増加します。これはグラファイト マトリックスの構造と特性に密接に関係しています。この研究では、AgC(30) 材料が最高の耐溶着性能を持っています。
当社の製品
電気銅線リベットコンタクトは優れた性能を備えた接続製品です。まず、銅ネイルは高品質の純銅で作られており、電気伝導性と熱伝導性に優れています。電子機器、電気システムなどの分野では、単一の銅釘で電流と熱を効率よく伝達し、機器の安定した動作を確保できます。第二に、銅釘は優れた耐食性を示します。湿気の多い環境でも、さまざまな化学物質と接触しても、銅釘は安定した性能を維持でき、錆びたり損傷したりしにくく、耐用年数を大幅に延長します。
