11.10密封继电器触点接触电阻偏大的失效机理试验研究

1、 密封继电器触点接触电阻偏大的失效机理研究李继伟施明哲刘子莲（信息产业部电子第五研究所可靠性分析中心，广州，510610）摘要：本文用试验的方法研究了继电器触点接触电阻增大的失效机理。分别用扫描电镜和X射线能谱仪观察失效样品和正常样品的触点形貌并分析触点表面的元素成份。用红外光谱仪验证了触点污染物的来源。根据试验的分析结果，讨论了触点失效的机理，最后提出了改进的建议和可行的措施。本文对继电器失效的理论和模拟研究具有较大的参考价值，同时为改进触点材料和工艺制造过程提供试验依据。关键词：密封继电器触点接触电阻失效引言：常见的继电器多数都是一种低压控制器件，它具有控制系统和被控制系统，通常应用于自动

2、控制电路中。它实际上是用小信号去控制大信号，即用较低的电压去控制较高的电压的一种“自动开关”。故在电路中起着安全保护、转换电路等作用。触点是继电器的关键部件之一，其质量是决定继电器使用寿命的主要因素之一。随着现代工业化程度的不断提高，对触点接触的可靠性要求越来越高。现代大型电力、工业自动控制、通信以及航空航天等系统中触点电接触无处不在，触点数目常常数以万计，若其中某个或几个触点工作失效，就会导致整个系统工作瘫痪。触点接触的可靠性直接影响到所控制系统的可靠性。继电器外部的工作环境如振动、温度或湿度等变化均可引起继电器触点表面氧化、腐蚀和磨损，从而使其接触电阻增大，对所控电气性能产生不良影响，甚至

3、失效。因此，继电器触点失效机理的研究是当代工业自动化领域的一个重要课题，对提高继电器的可靠性乃至现代化工业生产具有重要意义。目前这方面已经开展了一系列的研究，如从可靠性的角度进行的研究1-4，从触点的力学特性（如碰撞、振动等）进行的研究5，6，从继电器周围的环境进行的研究7等。这些研究中，绝大部分都是从理论和模拟的方法分析了继电器的失效机理，取得了一系列的研究成果，但从试验的角度的深入分析研究的还不多。1、试验分析和讨论试验方法分为下列三个步骤：（1）用微欧计（MICRO-OHMMETER）测量常闭触点的接触电阻，比较失效品和正常品接触电阻的变化情况；（2）分别用扫描电镜（SEM）和X射线能谱

4、仪（EDS）观察触点的形貌和分析触点表面的元素成份，比较失效品和正常品触点形貌和表面元素成份的差异，找出可能的失效机理；（3）分析失效品触点污染物的来源。接触电阻测量试验选用的样品为某厂生产的型号为G5V-1的密封电磁继电器。分别抽取10支正常品和失效品，用微欧计测量常闭触点的接触电阻。测量结果如表1所示。表1正常品和失效品接触电阻测量结果(单位：mQ)编号12345678910正常品19.2522.1419.2320.0221.0522.3319.5122.3020.1221.74失效品22131250446123471706472582272122537082从表1中可以看出，正常品的接触

5、电阻介于19.23-22.33mQ之间，方差很小；而失效品的接触电阻基本上高于正常品两个量级，且方差很大。接触电阻偏大原因无外乎下列三种情况：触点材料表面氧化；触点材料表面化学腐蚀；触点表面附着污染物。触点间被污染所形成的表面膜会使接触电阻变得不稳定，严重地影响了继电器的工作可靠性。扫描电镜是观察材料微观形貌的一把利器，通过对触点形貌的观察，再结合X射线能谱仪对材料表面的元素分析，通常都可以迅速分析出触点的失效原因。1.2触点形貌观察和成份分析选取失效品中接触电阻较大的3#和10#样品以及1个正常品，分别用型号为PHILIPSXL30的扫描电镜(SEM)和EDAX公司DX-4i的X射线谱仪(E

6、DS)观察触点的形貌并分析表面的元素成份，结果如图1图3所示。从图3(a)可以清晰地看出，正常品触点呈现出完好的金属镀层，而失效品触点表面(图1(a)和2(a)不仅存在烧蚀和磨损痕迹，而且附有污染物；并且局部有出现烧蚀坑(图1(a)。这是由于触点在每次通、断瞬间弧光放电，产生了大量的焦耳热，导致表面局部烧蚀所致。为了进一步研究继电器的失效机理，必须考察正常品和失效品触点成份的差异。X射线能谱仪检测结果(图13(b)显示，正常品镀层成份为Au和少量的Ag，而失效品镀层成份除Au和Ag外，还含有C、O和Si等元素。各元素含量如表2所示。由此我们认为该种继电器的失效机理是：继电器生产或使用过程中触点

7、负载电流过大，引起弧光放电而使表面局部出现烧蚀现象，镀层金属出现磨损，使得触点基体金属裸露，触点表面受污染和侵蚀，形成含有C、O和Si的污染物，致使触点接触电阻变大，甚至导致开路。(a)(b)图1失效品3#触点的形貌和成份分析。(a)SEM照片；(b)X射线能谱（a）（b）图2失效品10#触点的形貌和成份分析。（a）SEM照片；（b）X射线能谱a）b)图3正常品触点形貌和成份分析。（a）SEM照片；（b）X射线能谱表2正常品和失效品触点位置各元素重量百分比COSiAgAu正常品0008.591.5失效品3#5.09.719.25.061.1失效品10#4.58.024.43.659.51.3污

8、染物的来源密封继电器的内部多数都充有高纯度的氮以防止内部金属的氧化，但由于激励线圈所用的漆包线表面等有机物的挥发，使得继电器内部含有C、0、Si等杂质。这些杂质与烧蚀和磨损的触点表面相互作用，易形成了含有C、0、Si的化合物并沾附其表面。为了确定漆包线是否含有C、0和Si的有机物，我们用红外吸收光谱加以验证。把漆包线放入异丙醇浸泡24小时，将浸泡液过滤，并于80C的条件下烘干过滤液，使异丙醇完全挥发掉。然后用BRUKER公司的Tensor27&HYPERI0NTM2000显微红外光谱分析仪分析萃取物（滤液残渣）的化学成分。其结果如图4所示。从图4可以看出，在波数为11001020cm-i存在S

9、i-0-Si及Si-O-C的非对称振动吸收峰。12601250cm-i处存在Si-CH的对称变角振动吸收峰，800cm-i、870cm-i处存在Si（CH）?伸缩振动及摇摆振动吸收峰8。这说明漆包线表面存在有机硅化合物，与我们的推断相符。0010908070605040302%ecnatimsnarT-,269060Q67-1034000350030002500200015001000500Wavenumbercm-1图4漆包线萃取物的红外吸收光谱分析结果2、结论和改进措施Page1/1结论通过用试验的方法对该种继电器失效机理的研究，我们得出以下两点重要结论：（1）继电器触点负载电流过大引起弧

10、光放电，使其表面出现烧蚀现象，镀层金属出现磨损，触点基体金属裸露，表面受污染和侵蚀，形成含有c、O和Si的污染物，致使触点接触电阻变大；（2）污染物主要来源于激励线圈所有的漆包线表面有机物的挥发。改进措施通过对继电器触点接触失效的机理分析探讨，我们认为:继电器触点的接触电阻变大引起的失效是可以在设计和工艺制造中加以改进。根据本文的讨论提出以下几条改进措施:（1）设计方面a、选用尽可能低的磁系统的激励电压，以减轻弧光放电对触点表面的烧蚀和氧化；b、选用适当的触点压力和磁系统的激励电压，减轻冲击和滑动产生的磨损，减轻触点表面镀金层剥落，以防止触点环境受污染；c、改进触点表面材料，提高触点的硬度和耐

11、磨程度。有条件尽可能选用铂或金银铜合金提高触点的硬度；d、适当增加线径和匝数，减少漆包线的升温、改进漆包的材料，以尽可能减少有机物的挥发。（2）工艺制造方面继电器在生产过程中，为保证触点接触电阻稳定，一般采用超声波清洗、机械老练和高低温运行筛选等工艺。这三种工艺提高了密封继电器内部洁净度，保证触点接触电阻稳定和剔除因设计工艺缺陷的早期失效产品。但却有可能造成继电器触点接触电阻变大而失效的隐患。继电器因触点接触电阻故障失效，在生产、筛选试验和使用中时有发生。其根源就是这三种工艺引起触点表面磨损，因此，要在工艺制造方面加以改进。a选用合理的超声波清洗工艺，避免触点压力过大，减小因触点闭合引起的冲击磨损；b改进触簧系统的装配工艺，尽量减少机械老练的次数，最好做到一次调试成功；c选用合理的抽真空烘烤温度和密封充氮工艺，减少触点表面受有机物的污染。参考文献ZhaoJingying,ChenHongjiang,etal.JZhejiangUnivSciA20078(3):475-480刘帼巾，杨晨光，孙顺利，赵靖英，低压电器2007(9):6-8LIUGuojin,ZHAOJing-ying,etal.JZhejiangUnivSciA20078(3):481-484YEXuerong,LIANGHui-min,etal.JZhejiangUnivSciA20078(3