汽車?yán)^電器用AgMeO電觸頭材料抗熔焊行為的研究.pdf

1、電觸頭是繼電器的關(guān)鍵部件之一，其性能直接關(guān)系到繼電器的工作壽命和可靠性。隨著歐盟環(huán)保指令的實(shí)施，以及汽車供電系統(tǒng)由14V升高到42V的趨勢，汽車?yán)^電器的服役條件對電觸頭材料提出了更加苛刻的要求。在觸頭的各種失效形式中，最為嚴(yán)重的是電弧放電導(dǎo)致的觸頭熔焊。對熔焊現(xiàn)象進(jìn)行理論上的分析，能夠?yàn)橛|頭材料的設(shè)計和生產(chǎn)提供指導(dǎo)。 為便于后續(xù)對觸頭材料進(jìn)行電性能測試，本文設(shè)計了一個電接觸模擬試驗(yàn)裝置，可用于模擬繼電器觸點(diǎn)工作狀態(tài)，測試觸頭材料的

2、抗熔焊能力。采用電磁鐵和彈簧配合作用控制觸頭的往復(fù)運(yùn)動，觸頭材料裝夾、電流和電壓信號采集方便。 本文在圓柱坐標(biāo)系中建立了AgMeO復(fù)合觸頭材料在電弧作用下傳熱與熔池流動過程的數(shù)學(xué)模型，并采用有限體積法計算了觸頭材料的溫度場、流速場和濃度場。詳細(xì)分析了觸頭材料熔池形貌及其演化過程特點(diǎn)，討論了基體材料及第二相金屬氧化物性質(zhì)對AgMeO觸頭材料抗熔焊能力的影響。 溫度場計算結(jié)果表明，電弧能量作用于觸頭材料后，觸頭材料經(jīng)歷了從室

3、溫至熔點(diǎn)、熔點(diǎn)至沸點(diǎn)、沸點(diǎn)至最高溫度點(diǎn)，然后開始冷卻至沸點(diǎn)、熔點(diǎn)，開始凝固直至冷卻到室溫五個不同的狀態(tài)階段。電弧作用是對觸頭材料“再加工”的物理化學(xué)冶金過程，因此極大改變了觸頭材料原有的成分、組織和性能。觸頭材料凝固過程具有易于形核、熔池溫度梯度大（107K·m-1）、冷卻速度極快（107 K·s-1）、易形成孔洞疏松結(jié)構(gòu)，甚至?xí)l(fā)生化學(xué)反應(yīng)等五個突出的特點(diǎn)。 對MeO體積分?jǐn)?shù)一定的AgMeO觸頭材料，改變MeO的熱導(dǎo)率、比熱容

4、、密度、分解溫度和分解焓，對觸頭材料的抗熔焊能力影響不大。增大MeO的體積分?jǐn)?shù)有助于提高觸頭材料的抗熔焊能力，但會增加觸頭材料的電阻率，為保證觸頭材料電性能，MeO體積分?jǐn)?shù)宜控制在20％以內(nèi)。 不同電弧輸入功率對觸頭材料熔焊力的影響巨大，輸入功率加倍，其相應(yīng)的熔池接觸面積亦加倍，熔焊力加倍，因此對不同材料產(chǎn)生和分散電弧性能的研究是觸頭材料抗熔焊性能研究的重點(diǎn)。 在小電流條件下，觸頭材料熔池中流體的流動主要受表面張力驅(qū)動，

5、其次是電磁力作用，而浮力的影響不大。電弧作用下熔池中流體流動方向由表面張力溫度系數(shù)所決定：具有負(fù)表面張力溫度系數(shù)的流體將從熔池中心向熔池邊緣流動，而具有正表面張力溫度系數(shù)的流體將從熔池邊緣向熔池中心流動。添加能增大液態(tài)銀表面張力溫度系數(shù)至零左右的合金元素，不僅可以減小觸頭材料噴濺概率，而且可減小觸頭材料熔池體積，從而有利于銀基觸頭材料的均勻、穩(wěn)定。 最后，本文討論了由于熔池流動造成MeO成分偏聚的現(xiàn)象。計算表明，熔池中流體流動會

6、使觸頭表面的MeO平均含量升高。觸頭表面MeO的富集使熔化面積增加，但熔焊強(qiáng)度下降，熔焊力下降，因此有利于觸頭材料抗熔焊。MeO的密度對成分分布的影響較小，但在MeO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時，選擇低密度的氧化物，能夠使其體積分?jǐn)?shù)增加，熔焊力下降。 總之，提高AgMeO觸頭材料的抗熔焊能力，應(yīng)優(yōu)先考慮添加合金元素提高AgMeO觸頭材料分散和熄滅電弧的能力；其次，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的情況下，選擇低密度的MeO雖然使熔池的面積增加，但是能夠降低觸頭