מחקר על היישום של חומרי מגע עם תחמוצת אבץ כסף בתנאי AC

Silver Contact Rivet הוא מרכיב מרכזי במכשירי חשמל במתח נמוך, וביצועיו משפיעים ישירות על היציבות והאמינות של פעולת המכשיר החשמלי. בין חומרי סגסוגת מגע חשמלית, חומרי סגסוגת כסף הם חומרי המגע החשמליים החשובים ביותר עם הכמות הגדולה ביותר של מתכות יקרות. על מנת לשפר את ביצועי המגעים החשמליים ולהשיג את מטרת החיסכון בכסף, פותחה סדרה של חומרי מגע חשמליים מבוססי כסף, לרבות AgCdO, AgSnO2, AgZnO, AgNi, AgW, AgC ועוד. בין רבים המבוססים על כסף חומרי מגע, חומרי מגע AgCdO נמצאים בשימוש נרחב בשל יתרונותיהם הרבים כגון עמידות בקשת, עמידות לריתוך, עמידות בפני שחיקה חשמלית ומכנית, עמידות בפני קורוזיה ועמידות נמוכה ויציבה למגע. ניתן להשתמש בהם במגוון מכשירים חשמליים במתח נמוך עם זרמים הנעים בין כמה אמפר לכמה אלפי אמפר, והם מכונים "מגעים אוניברסליים". עם זאת, מכיוון ש-Cd הוא רעיל ומהווה סכנה לגוף האדם במהלך הייצור והשימוש, השוק של האיחוד האירופי אסר את השימוש בחומרי מגע של AgCdO מאז יוני 2006.

AgZnO Electricalקשר כסףחומר הוא אחד החומרים החלופיים עבור AgCdO. זהו חומר מגע חשמלי ידידותי לסביבה שפותח בסוף שנות ה-60 ותחילת שנות ה-70. לחומר מגע חשמלי AgZnO יש מאפיינים של עמידות בפני שריפה, ריתוך, בלאי חשמלי, התנגדות מגע נמוכה ויציבה, עמידות בפני פגיעות זרם גדולות, ביצועי שבירה טובים, זמן קשת קצר, עמידות בפני קורוזיה חשמלית ואי-רעילות. לכן, נעשה בו שימוש במפסקי אוויר, מפסקי זליגה, מפסקי חשמל קטנים, מגע, מתגי ניתוק, מתגי העברה ומתגי הגנה. שיטת החמצון מראש של אבקת הסגסוגת מייצרת חומרי מגע עם תחמוצת אבץ כסף ידידותיים לסביבה. הוא קל לעיבוד ובעל תכונות חשמליות מצוינות. זהו סוג חדש של חומר מגע עם סיכויי שוק רחבים.
אבקות סגסוגת AgZnO עם תכולת כסף שונה הוכנו על ידי תהליך חמצון מראש של אבקת סגסוגת. חוטים עם מפרט מצב זהה התקבלו לאחר לחיצה איזוסטטית, סינטרה, שחול ושרטוט. הושוו המאפיינים המכניים והפיזיקליים, מבנים מטאלוגרפיים וכו', ונותחו ההבדלים במבנים מטאלוגרפיים ותכונות מכניות ופיזיקליות של חוטים בעלי תכולה שונה. המאפיינים החשמליים של המסמרות האינטגרליות העשויות מחוט נבדקו, ונותחו התכונות החשמליות של חומרי מגע AgZnO בעלי תכולה שונה, מה שמספק התייחסות לפיתוח ויישום של חומרי מגע של מערכת זו.

הבדיקה הוכנה באמצעות לוחות כסף של 99.99% ומטילי Zn של 99.99% מאותה אצווה. הדגימות הוכנו בשיטת חמצון מראש של אבקת סגסוגת, ועובדו לחוטים באמצעות ייצור אבקת אטומיזציה, חמצון מראש של אבקת סגסוגת, לחיצה איזוסטטית, סינטר, אקסטרוזיה, שרטוט ותהליכים אחרים. התכונות המכניות והפיזיקליות של החוטים נבדקו והשוו; המסמרות נעשו לאינטגרלמגע חשמלי כסףיצרן, והמפרטים של המסמרות היו: נקודה דינמית R3×0.5(0.25)+1.5×0.6SR10 נקודה סטטית F3×0.6(0.25)+1.5×0.6E, מורכבת לממסרים, ואורך החיים החשמלי אומת תחת AC 250 V/10 A.

ההתנגדות של הדגימות נבדקה על ידי בודק קבוצת התנגדות נמוכה של זרם אינטליגנטי TH2512B; המבנה המטאלוגרפי של החומרים נותח על ידי מיקרוסקופ מטאלוגרפי L150; הקשיות של הדגימות נמדדה על ידי DHV-1000Z video microhardness tester; חוזק המתיחה של הדגימות נמדד על ידי מכונת בדיקה אוניברסלית אלקטרונית; מורפולוגיה המיקרו-מבנה של הדגימות ומורפולוגיה פני השטח של דגימות המסמרות לאחר הבדיקה נצפו על ידי מיקרוסקופ אלקטרוני סורק (SEM); החיים החשמליים אומתו על ידי מערכת בדיקת עומס התנגדות AC.

2.1 ניתוח מבנה מטאלוגרפי
איור 1 מציג את המבנים המטאלוגרפיים של החתך והחתך האורך של החוטים המוגמרים של AgZnO(8), AgZnO(10) ו-AgZnO(12) עם תכולת ZnO שונה (a ו-b הם AgZnO(8), c ו d הם AgZnO(10), ו-e ו-f הם AgZnO(12)). לשם השוואה, ניתן לראות ששיטת החמצון מראש של אבקת הסגסוגת יכולה להכין בהצלחה AgZnO(8-12). ZnO מפוזר ומפוזר באופן שווה במטריצת Ag, אך יש מעט מאוד צבירת ZnO. עם העלייה בתכולת ה-ZnO, מספר חלקיקי ה-ZnO ליחידת שטח גדל, ותופעת צבירת החלקיקים בתוך החומר נוטה לגדול, אך פיזור הרקמה הכללי עדיין אחיד יחסית.

2.2 ניתוח מאפיינים מכניים ופיזיקליים
איור 2 מציג את הסתברות ההתפלגות של תכונות מכניות ופיזיקליות של חוטים בקוטר של 1.920 מ"מ במצב חישול. איור 2(א) מציג את הסתברות התפלגות ההתנגדות. ניתן לראות שעם העלייה בתוכן ZnO, להתנגדות שלו יש מגמת עלייה משמעותית. ההתנגדות של תחמוצת מתכת כסףנקודות מגע כסףהחומר נשלט על ידי פרמטרים כמו הרכב החומר, שבר נפח התחמוצת, גודל החלקיקים והפיזור שלו במטריצת Ag [10]. עם העלייה בתכולת ה-ZnO, חלק הנפח של ה-ZnO גדל, הגידול בממשקי החלקיקים מוביל לפיזור מוגבר של אלקטרונים בתוך החומר, והתנגדות גוף החומר עולה בהדרגה; איור 2(ב) מציג את הסתברות התפלגות הקשיות. ניתן לראות שעם העלייה בתכולת ה-ZnO, לקשיות יש מגמת עלייה משמעותית. הסיבה לכך היא שתכולת תחמוצות המתכת המופצת במטריצת Ag עולה, והאפקט המחזק את פיזור החלקיקים מוגבר. באופן דומה, חיזוק הפיזור מוביל למגמת עלייה משמעותית בחוזק המתיחה, כפי שמוצג באיור 2(ג). לסיכום, עם העלייה בתכולת ה-ZnO בחומר AgZnO, להתנגדות, לקשיות וחוזק המתיחה של החומר יש מגמת עלייה משמעותית.

2.3 אימות חיים חשמליים
מסמרות יוצרו מחוט מחושל בקוטר 1.920 מ"מ, עם המפרט שלמגעים חשמליים כסופים: נקודה דינמית (R3×0.5(0.25)+1.5×0.6SR10) ונקודה סטטית (F3×{ {13}}.6(0.25)+1.5×0.6E). המסמרות עברו עיבוד אחר והורכבו לממסרים לאימות חיים חשמליים. תנאי הבדיקה מוצגים בטבלה 1. איור 3 מציג את נתוני החיים החשמליים של ממסרים עשויים AgZnO(8), AgZnO(10) ו-AgZnO(12). ניתן לראות כי בתנאים של 250 וולט ו-10 A, בתוך רווח הסמך של 95%, החיים החשמליים של חומר AgZnO(8) הם הארוכים ביותר, עם אורך חיים חשמלי ממוצע של פי 202,029; החיים החשמליים של חומר AgZnO(10) הם בין AgZnO(8) ל-AgZnO(12), עם אורך חיים חשמלי ממוצע של פי 149,941; מספר החיים החשמליים המוערכים של חומר AgZnO(12) הוא הקטן ביותר, בפי 98,665.

השוואה מקיפה מראה שבמצב של זרם קטן בטווח של 20A, כל שלושת החומרים יכולים לעמוד בדרישת החיים החשמליים של פי 100,000 אבל עם הגידול של תכולת ה-ZnO בחומר מגע AgZnO, מגעי הכסף שלו לממסר חיי החשמל מציגים מגמת ירידה.

2.4 ניתוח המראה של אנשי קשר כושלים
במהלך תהליך סגירת וניתוק המגע, עקב השפעת פריקת קשת וחום ג'ול, משטח המגע עובר תהליך התכה והתמצקות חלקי, וכתוצאה מכך כשל המגע בניתוק תקין, הנקרא ריתוך מגע [10]. איור 4 מציג את מרכיבי המראה וספקטרום האנרגיה של מגעים כושלים בתנאי 250 V/10 A. איורים 4 (a, d, g) הם תמונות SEM של מורפולוגיה של מראה המגע של AgZnO (8), AgZnO (10) ו-AgZnO (12) בסוף חייהם. איורים 4 (b, e, h) הם מיקומי הכשל המקבילים, ואיורים 4 (c, f, i) הם נתוני רכיבי ספקטרום האנרגיה של אזור הכשל. לשם השוואה, ניתן לראות שמיקום הכשל של מגע AgZnO (8) נמצא בקצה המגע, המכיל תכולה גבוהה של Cu. בתום חיי המגע, שכבת הכסף נצרכה לחלוטין, ושכבת הנחושת משתתפת במגע, מה שמוביל בסופו של דבר לכשל בריתוך מגע. מיקום הכשל של מגע AgZnO (10) קרוב לקצה המגע, המכיל תכולה גבוהה של Cu. מיקום הכשל של AgZnO (12) ממוקם בתוך משטח העבודה, ומיקום ההדבקה מכיל תכולה גבוהה של Cu. ככל שתכולת ה-ZnO בחומר המגע גדלה, הצמיגות של הבריכה המותכת עולה, דבר שאינו תורם לזרימה. עמדת הכשל נוטה לנוע מהחלק החיצוני של משטח העבודה המגע אל הפנים.

שחיקת קשת מתרחשת על פני המגע במהלך תהליך הסגירה והפתיחה, כלומר, אובדן החומר הנגרם מהאידוי והתזת החומר עקב התחממות יתר מקומית של המגע בפעולת הקשת. שחיקת קשת היא בעצם תהליך מתכתי פיזי כגון חימום מהיר, התכה, אידוי, זרימה והתמצקות על משטח המגע, וכתוצאה מכך ריכוך, התזה, זרימה, סדקים וכו' על משטח המגע [10-12]. שחיקת קשת המגע מושפעת בעיקר מתהליכי ההתכה, האידוי וההתמצקות. בתהליך ההיתוך, המיקרו-אזור של משטח המגע נמס ומשנה את המבנה המקורי. מונעת על ידי כוח הקשת והכוח המכני, המתכת המותכת זורמת בקצב זרימה מסוים, גורמת להתזות וגורמת לאובדן חומר.

כפי שניתן לראות באיור 4 (a, d, g), לאחר בדיקת AgZnO (8), משטח המגע הוסר שטוח ואחיד יחסית, עם מעט נקבוביות, והיו הרבה ניתזים סביב משטח העבודה, שהצטבר סביב המגעים. מכיוון שמספר הבדיקות היה הגדול ביותר, ההתזה היה רציני, וכתוצאה מכך אובדן מוחלט של שכבת הכסף על משטח העבודה של מגעי הכסף לממסר, ושכבת הנחושת נכשלה לאחר המגע. לאחר בדיקת AgZnO (10), היו נקבוביות ברורות על משטח המגע, והיו פחות ניתזים סביב המגעים; לאחר בדיקת AgZnO (12), משטח העבודה במגע נסדק קשות, ומטריצת הנחושת המומסת התיזה על משטח העבודה, וגרמה לכשל הריתוך. בהשוואת איורים 4 (a, d, g), ניתן לראות שעם העלייה בתכולת ה-ZnO, מגמת הפיצוח של משטח הכשל במגע גוברת, אשר נגרמת מהקירור וההתכווצות של המגע. לאחר כיבוי הקשת, משטח המגע מתקרר במהירות, הבריכה המותכת על פני השטח מתמצקת, והשלב הנוזלי הופך לשלב מוצק, והמשטח מתמצק ומתכווץ. מחקרים הראו שסדקים וחורים הנוצרים על פני מגעי תחמוצת מתכת כסף יגרמו בהכרח למבנה שטח הפנים להתרופף, מה שבתורו מגביר את כמות שחיקת הקשת ואת התנגדות המגע. עם העלייה בתכולת ה-ZnO, הנטייה לסדקים ולנקבוביות עולה, כמות שחיקת הקשת עולה, התנגדות המגע נעשית גבוהה יותר, עליית הטמפרטורה חריגה והמבנה הפנימי הרופף מוביל לכשל במגע.

השוואה מקיפה מראה שעם הגדלת תכולת ה-ZnO, כאשר חומר המגע של AgZnO (8-12) נכשל, תנוחת המגע נעה מהחוץ אל הפנים של משטח העבודה, והנטייה לסדקים ונקבוביות במגע. פני השטח גדלים, וכתוצאה מכך ירידה בחיים החשמליים של המגע.

שיטת החמצון מראש של אבקת הסגסוגת יכולה להכין בהצלחה חומרי מגע חשמליים עם תכולת ZnO של 8% עד 12%. עם העלייה בתכולת ZnO, ההתנגדות, הקשיות וחוזק המתיחה נוטים לעלות, והצטברות חלקיקי ZnO בתוך החומר נוטה לעלות; במצב של זרם קטן בטווח של 20A, עם עליית תכולת ה-ZnO, החיים החשמליים נוטים לרדת, וביצועי אימות החיים החשמליים של מגעי החומר AgZnO(8) הם הטובים ביותר, שיכולים להגיע ליותר מ-200,{{ 6}} פעמים; עם העלייה בתכולת ה-ZnO, תחת פעולת קשת, סדקי פני השטח והנקבוביות של מגעים חשמליים מכסף גדלים, ואורך החיים החשמלי נוטה לרדת.

 

המוצרים שלנו

שֶׁלָנוּמגעים חשמליים כסופיםהם מוצרים באיכות גבוהה מעוצבים בקפידה. הם עשויים מכסף בטוהר גבוה ובעלי מוליכות חשמלית מצוינת, המאפשרת העברת זרם חלקה ומפחיתה מאוד את אובדן האנרגיה. תהליך הייצור המעולה הופך את המגעים לשילוב הדוק עם חומר הבסיס, יציבים ואמינים, מסוגלים לעמוד בפעולות פתיחה וסגירה תכופות ואינם מעוותים או ניזוקים בקלות. בסביבות חשמליות מורכבות שונות, הם יכולים לתפקד ביציבות, בין אם בתנאי טמפרטורה גבוהה, לחות גבוהה או רעידות, הם יכולים להבטיח פעולה בטוחה ויציבה של ציוד חשמלי.