繼電器銀基觸點(diǎn)的失效形式及防護(hù)研究

黃義隆 鄧 晶 陳 歡 林道譚 張懌寧

(1.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 510670；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610)

電磁繼電器是一種用較小電流、較低電壓去控制較大電流、較高電壓為主要目的的自動(dòng)控制器件[1]。電磁繼電器具有高靈敏度、低功耗、小體積等優(yōu)點(diǎn)[2]，被廣泛地應(yīng)用于航天航空、工業(yè)自動(dòng)控制及通信等領(lǐng)域，以完成信號(hào)傳遞、執(zhí)行控制、系統(tǒng)配電等功能[3]。

觸點(diǎn)是繼電器的關(guān)鍵部件之一，其質(zhì)量是決定繼電器使用壽命的主要因素之一[4]。銀基觸點(diǎn)因其普遍具有良好的電性能，被廣泛應(yīng)用于各類繼電器中。為保證低接觸電阻及其他綜合性能，繼電器通常選用銀基合金作為觸點(diǎn)材料，主要包括Ag-Cu、Ag-Ni、Ag-Fe、Ag-W、Ag-Re、Ag-C、Ag-CdO、Ag-SnO2等材料。但有數(shù)據(jù)表明[5]，有30%以上的繼電器故障是由于觸點(diǎn)接觸電阻增大引起的，其中觸點(diǎn)硫化是引起觸點(diǎn)接觸不良的一個(gè)重要原因，因此探究銀基觸點(diǎn)硫化的腐蝕失效機(jī)理及防護(hù)有著重要的意義。

銀基觸點(diǎn)中Ag 易發(fā)生硫化，且生成的硫化銀電阻較大，使動(dòng)靜觸點(diǎn)間接觸電阻增大，導(dǎo)致電磁繼電器失效。韓春陽等[6]針對(duì)典型的銀基觸點(diǎn)材料，通過模擬研究，對(duì)比了不同材料的電性能參數(shù)，并對(duì)其失效機(jī)理做出了分析。白婭玲等[7]對(duì)銀基觸點(diǎn)利用抗硫化處理，可有效提高銀基觸點(diǎn)的抗硫化腐蝕能力。值得注意的是，當(dāng)前雖然針對(duì)觸點(diǎn)硫化開展了大量的工作，但是大部分集中于機(jī)理方面，對(duì)具體的失效案例分析及防護(hù)方法鮮有報(bào)道。

本文通過實(shí)際失效案例和工程應(yīng)用，對(duì)某電磁繼電器中的銀基觸點(diǎn)硫化失效現(xiàn)象進(jìn)行分析，并對(duì)失效現(xiàn)象進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)和確證，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)起到一定的借鑒和參考意義。

1 失效分析方法

對(duì)某一批市場(chǎng)返回失效電磁繼電器進(jìn)行失效分析，發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)能正常吸合動(dòng)作，其觸點(diǎn)接觸電阻偏大，有的阻值甚至達(dá)到為1 629 mΩ，遠(yuǎn)超出一般觸點(diǎn)接觸電阻50 mΩ 的規(guī)格。

基于以上背景，根據(jù)銀基觸點(diǎn)的性能，采用機(jī)械開封查看銀基觸點(diǎn)的形貌，通過ZEISS 公司制造的SUPRA55VP 掃描電子顯微鏡對(duì)其失效形貌進(jìn)行觀察及能譜分析，采用硫化試驗(yàn)箱進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，并利用紫外可見光分光光度計(jì)和Dionex 公司制造的ICS－1500 離子色譜儀進(jìn)行大氣環(huán)境下硫化腐蝕復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)。

2 失效分析

2.1 失效現(xiàn)象和失效模式

對(duì)失效樣品進(jìn)行開封內(nèi)部檢查，可明顯發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)接觸區(qū)域存在黑色斑點(diǎn)狀異物，光學(xué)形貌圖見圖1所示。

圖1 失效觸點(diǎn)表面存在黑斑

觸點(diǎn)接觸區(qū)域黑色異物SEM 放大形貌和EDS能譜分析結(jié)果見圖2 所示，圖2(a)SEM 形貌表明黑色異物呈疏松狀，圖2(b)EDS 測(cè)試結(jié)果表明黑色異物含有S 等元素，且S 和Ag 的原子比約為1 ∶2。說明Ag 基觸點(diǎn)表面發(fā)生硫化腐蝕，腐蝕產(chǎn)物主要為硫化銀(Ag2S)。硫化銀的導(dǎo)電性較差，隨著硫化銀腐蝕產(chǎn)物的增加，接觸電阻會(huì)隨之增高，甚至導(dǎo)致觸點(diǎn)無法接通而失效。

圖2 失效觸點(diǎn)表面黑斑的SEM-EDS 圖

2.2 硫化試驗(yàn)故障復(fù)現(xiàn)

為了確認(rèn)銀基觸點(diǎn)在硫化環(huán)境中是否發(fā)生腐蝕，本研究取5 只正常銀基觸點(diǎn)放入硫化試驗(yàn)箱中，溫度85 ℃，濕度>90%，環(huán)境為蒸硫粉，試驗(yàn)過程不通電，試驗(yàn)一周(168 h)后取出樣品。

經(jīng)歷168 h 硫化試驗(yàn)后進(jìn)行外觀檢查，典型光學(xué)形貌圖見圖3 所示，觸點(diǎn)樣品表面均明顯變黑，呈現(xiàn)硫化腐蝕的形貌。

圖3 觸點(diǎn)硫化168 h 后光學(xué)形貌

經(jīng)歷168 h 硫化試驗(yàn)后觸點(diǎn)表面的腐蝕微觀SEM 形貌和EDS 能譜分析結(jié)果見圖4，圖4(a)中SEM 形貌表明表面存在疏松狀的腐蝕形貌，圖4(b)中EDS 測(cè)試結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物中S 和Ag 的原子比約為1 ∶2。硫化168 h 后觸點(diǎn)的腐蝕形貌和產(chǎn)物與失效觸點(diǎn)一致，故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)證實(shí)了銀基觸點(diǎn)在硫化環(huán)境中易發(fā)生硫化腐蝕，主要生成Ag2S 等腐蝕產(chǎn)物。

圖4 硫化168 h 后觸點(diǎn)表面黑斑的SEM-EDS 圖

銀基觸點(diǎn)在含硫大氣環(huán)境(如H2S，COS、CS2和SO2)中腐蝕的主要產(chǎn)物是硫化銀[8]。銀與硫化氫在干燥氣氛和濕潤氣氛條件下都能發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生硫化腐蝕，干燥氣氛條件下反應(yīng)如式(1)所示，濕潤氣氛條件下反應(yīng)如式(2)和式(3)所示[9]。在水溶液中HS－既可以直接與氧化后的銀離子反應(yīng)，也可以吸附到觸點(diǎn)表面，從而反應(yīng)生成硫化物。當(dāng)環(huán)境中存在氧化性物質(zhì)時(shí)(如氧氣、氯氣等)會(huì)加速這種腐蝕反應(yīng)。

2.3 大氣環(huán)境下硫化試驗(yàn)故障復(fù)現(xiàn)

(1)環(huán)境定性分析結(jié)果

為了確認(rèn)銀基觸點(diǎn)發(fā)生硫化腐蝕中含硫物質(zhì)的來源，對(duì)大氣環(huán)境中的硫進(jìn)行定性判斷。本研究取5 只銀片置于大氣環(huán)境中1 000 h，對(duì)試驗(yàn)前后的銀片進(jìn)行外觀檢查和成分分析。試驗(yàn)前銀片的典型形貌如圖5 所示，無變色等異常情況。

圖5 銀片初始狀態(tài)的形貌

銀片初始狀態(tài)的微觀形貌和成分如圖6 所示，無腐蝕等異常，能譜結(jié)果表明主要成分主要為Ag，無腐蝕性等異常元素的存在。

圖6 銀片初始狀態(tài)的SEM-EDS 圖

試驗(yàn)1 000 h 后銀片典型光學(xué)形貌圖如圖7 所示，銀片表面都存在明顯的變色，發(fā)生了腐蝕。

圖7 銀片1 000 h 后光學(xué)形貌

銀片1 000 h 試驗(yàn)后觸點(diǎn)表面的腐蝕形貌和成分見圖8，由圖8(a)可見，銀片表面都發(fā)生了硫化腐蝕，圖8(b)中EDS 測(cè)試結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物中含有S 元素。大氣環(huán)境中放置1 000 h 后的銀片發(fā)生硫化腐蝕，試驗(yàn)定性證實(shí)了大氣環(huán)境中存在一定的含硫物質(zhì)，能夠引起銀片的硫化腐蝕。

圖8 銀片1000 h 后狀態(tài)的SEM-EDS 圖

2.4 環(huán)境定量分析結(jié)果

為了確認(rèn)大氣環(huán)境中的主要含硫物質(zhì)，本研究利用紫外可見光分光光度計(jì)(VIS)對(duì)大氣環(huán)境中硫化物含量進(jìn)行測(cè)量，利用離子色譜儀對(duì)大氣環(huán)境中含硫離子的含量進(jìn)行測(cè)量。

大氣環(huán)境檢測(cè)結(jié)果見表1 所示，由表中數(shù)據(jù)可知大氣環(huán)境中可以檢測(cè)到少量的硫化氫氣體，粉塵中含有較多的硫酸根離子。

表1 大氣環(huán)境中檢測(cè)結(jié)果

3 失效機(jī)理分析及防護(hù)策略

結(jié)合以上結(jié)果，電磁繼電器中銀基觸點(diǎn)失效是大氣中含硫物質(zhì)引發(fā)的硫化失效，腐蝕產(chǎn)物導(dǎo)致觸點(diǎn)電阻增大，甚至導(dǎo)致銀基觸點(diǎn)的閉合失效。大氣環(huán)境中含硫物質(zhì)以H2S 和為主。根據(jù)銀基觸點(diǎn)硫化腐蝕的機(jī)理，可采用以下幾種方法防護(hù)銀基觸點(diǎn)的硫化:(1)提高銀基觸點(diǎn)自身的耐腐蝕性；(2)增加耐腐蝕性較好的防護(hù)鍍層；(3)密封繼電器，隔絕腐蝕性氣體。

3.1 提高銀基觸點(diǎn)自身的耐腐蝕性

通過加入其他元素合金化來提高銀基觸點(diǎn)的抗腐蝕性能，研究表明[10]在銀銅合金中加入元素釩可明顯提高其抗硫化能力。例如，在銀銅合金中加入0.4%～1.0%的釩，就可以使銀銅合金在SO2和H2S氣氛中保持相對(duì)的化學(xué)穩(wěn)定性。

研究表明[10]在銀中通過金和鈀的合金化，可減少銀合金硫化腐蝕的速率。在實(shí)驗(yàn)室人造硫化氣氛中(溫度30±0.5 ℃，硫濃度6×10－9Vol/Vol，氮濃度20%，余為空氣)，當(dāng)含硫氣體以800 mL/min 的流速通過合金表面時(shí)，金和鈀的添加都能明顯降低硫化腐蝕速率，而且鈀比金抗硫化效果更好。

3.2 增加耐腐蝕性較好的防護(hù)鍍層

通常在銀基觸點(diǎn)表面鍍貴金屬鍍層，來防止銀基觸點(diǎn)硫化[11]。常見的是鍍金層，利用金元素較好化學(xué)穩(wěn)定性，在任何惡劣的環(huán)境下幾乎不被腐蝕，能夠保護(hù)銀基觸點(diǎn)不被硫化腐蝕。

3.3 密封

銀基觸點(diǎn)的硫化腐蝕是由周圍大氣中的含硫氣體引起的，只要把銀基觸點(diǎn)和周圍的大氣完全隔開，就可以有效防止銀基觸點(diǎn)的硫化腐蝕[12]。因此，解決問題的辦法是將銀基觸點(diǎn)周圍的空氣密封，甚至充以惰性氣體，成本允許的情況下制造工業(yè)級(jí)的密封繼電器。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)電磁繼電器中銀基觸點(diǎn)的失效案例進(jìn)行失效分析，對(duì)失效現(xiàn)象進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，定性判斷了硫化腐蝕來源于大氣中的含硫物質(zhì)，并確認(rèn)了大氣中主要含硫物質(zhì)為H2S 和。根據(jù)失效機(jī)理提出改善方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下:

(1)電磁繼電器中銀基觸點(diǎn)表面存在黑色腐蝕產(chǎn)物Ag2S，觸點(diǎn)間接觸電阻增大，發(fā)生硫化腐蝕；

(2)故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)證實(shí)了銀基觸點(diǎn)在硫化環(huán)境中易發(fā)生硫化腐蝕；

(3)環(huán)境定性分析結(jié)果表明硫化腐蝕來源于大氣中的含硫物質(zhì)；

(4)環(huán)境定量分析結(jié)果表明大氣環(huán)境中可以檢測(cè)到少量的硫化氫氣體，粉塵中含有較多的硫酸根離子。

為了預(yù)防銀基觸點(diǎn)的硫化腐蝕，可以在實(shí)際生產(chǎn)中從提高銀基觸點(diǎn)自身耐腐蝕性，增加防護(hù)涂層和采用密封繼電器等方面做出防護(hù)措施，提高電磁繼電器的可靠性。