触点润滑剂工作原理及实际使用效果
电器开关的电触点是电接触系统中重要部位之一,文章通过对触点失效因素和失效机理的分析,详细地论述了触点保护和润滑新工艺对电接触点可靠性的改善效果和改善机理,同时提出了触点润滑剂的选择和使用原则。
影响触点表面间电流导通量的因素:在了解触点润滑剂对提高触点电气性能的作用机理之前,必须首先了解下列影响触点表面间电流导通量的几个主要因素。
1. 触点本身的污染腐蚀
通常情况下,触点是工作在密封或非密封环境中。触点工作在非密封环境时,因空气中含有不同性质的污染物质,使外露的金属表面必然会受到不同程度的污染。即使工作在密封环境中的触点,由于工作介质的自身特性同样会分解释放出不同含量和性质的有机气体,因此也会引起触点表面不同程度的污染。
触点表面的污染所带来的直接危害就是,由污染物所形成的表面膜使触点表面的接触电阻明显增加。为了使承担载流工作的电接触系统能正常工作,必须有效地去除这种保护膜。
2. 触点间的电弧腐蚀
在电接触系统中,当触点闭合或打开负载时,对电流强度约在1A以上的开关装置通常发生弧光放电现象。由于弧光放电会使触点表面产生瞬间的局部高温,而造成金属表面的熔化、气化及变形,同时还会使空气中或电接触系统内部气体中的杂质污染金属表面,而形成一层有机或无机膜。弧光放电现象将引起触点接触表面的接触电阻增大。
弧光放电也会在触点表面之间的空气中引起电化学反应并产生硝酸,先是在触点表面产生腐蚀膜,然后再形成一层不导电的金属化合物
触点表面之间的空气在弧光放电的作用下产生的电离以及电离后产生的高温,同时伴随着触点表面之间金属离子的“迁移”现象。这类电化学现象在完成直流电路的载流过程中表面的尤为突出。这种因弧光放电而产生的“迁移”现象主要表面为触点产生的“尖头”和“火山口”型弧光放电腐蚀损伤。
这里应特别指出的是:除了上述触点载流密度是引起弧光放电的原因外,触点表面的光洁度也是引起弧光放电的原因。不论是固定或非固定式触点,由于两个触点表面之间的粗糙不平而引起的弧光放电,也会使触点表面过早地遭受弧光放电腐蚀。
在弧光放电腐蚀中,阻性负载对触点的危害是最小的。由于阻性负载相对比较固定,触点在进行载流工作时电流不受脉动影响。而感性负载(例如马达等)在起动时产生的起动电流是正常工作电流的近十倍,使触点在进行这种存在电流密度突变的载流工作时,受到的弧光放电腐蚀的危害更大。急速增加的电流密度同样会使触点的发热量加剧,也会使弧光放电腐蚀及触点表面的熔结更为严重。对于容性负载(如钨丝灯等),它具有与感性负载相类似的起动电流,如何保护触点则必须给予认真对待。
就上面的论述而言,凡是进行载流工作的电接触系统,如果它工作的环境存在弧光放电腐蚀的可能,则在设计电接触系统时必须要特别关注,并采取必要的措施,使弧光放电腐蚀控制在最低限度。
3. 触点接触面间的机械磨损腐蚀
众所周知,不论是化学涂敷还是机械加工,都无法制造出表面绝对光洁平滑的触点,即使在客观上用肉眼观察其表面是非常光滑的,但在微观上触点表面仍存在许多微小的凹凸。这就是说,触点的实际接触面积总是小于理论接触面积,也正是由于实际接触面积的减小而使触点表面工作温度上升、载流效率下降,这是触点烧损的主要原因之一。这种现象在功率开关系统中表现得尤其明显。
机械结构的电接触系统在完成载流信号的转换过程中必然会伴随接触磨损现象,通常情况下,磨损是一个与被接触表面的光洁度有着密切关系的物理现象。而磨损又必须在一定的摩擦阻力下产生。对于移动式或滑动式触点,由于自身的工作特性而在电子器件的设计时就充分考虑到触点的润滑和磨损。对于继电器、接触器等所用的触点,在设计、制造和使用过程中则往往忽略了对触点的润滑和磨损,而在设计与制造过程中则对触点的材质和载流能力倾注了主要精力。因此,电子器件在设计、制造和使用的全过程中对触点的清洁和润滑必须引起特别的关注。
电子器件中触点的磨损程度将主要受以下五种因素的影响:
(1). 触点在工作中产生磨损的方式主要取决于触点本身的形状,而不同的触点形状则在不同程度上影响着触点磨损量的大小。
(2). 触点表面的光洁程度是影响磨损的直接因素,因为触点表面不平整不仅引起磨损,而且磨损和腐蚀过程中产生的多余微粒将会聚集在触点表面的凹陷处,给触点工作表面的洁净度、触点的加速磨损及载流能力带来一定的隐患
(3).不同的触点材料具有不同的磨损特性。由于不同的金属材料耐磨损、抗锈蚀及抗氧化能力存在着一定程度上的差异,所以触点的材料既关系着电子器件的性能和成本,又直接影响着电子器件的使用寿命。而当两种不同金属材料作为触点相互接触时,其表面的润滑和磨损问题则显得更为重要。这是因为两个相互接触表面硬度的不对称性造成高硬度的触点表面过度磨损低硬度触点表面,使电器元件过早失效而影响控制系统的可靠性。对于采用电镀加工的触点表面,由于表面镀层容易产生剥离现象(电镀层比化学镀层更容易产生剥离现象),表面镀层的剥离将使表面接触电阻和多余物发生突变,从而加剧表面的磨损和温升,直至电器元件失效。
(4). 任何接触表面都存在一定的接触电阻,一定的接触电阻必然消耗一定的功率,而使触点表面产生一定的温升。触点在一个变化的温度场中工作时,由于金属材料自身的热胀冷缩物理特性而使触点表面产生热致微振磨损。这种热磨损现象将会随着配对触点材料的热胀冷缩特性差异的增大而增强,同时也会引起两触点间的相对移动量有所增加。基于同样的热磨损机理,温度的变化可以引起接触松紧程度的改变,这取决于两种材料热胀系数差异的大小。当接触由于温度变化而变松时,则使接触电阻增大并加剧发热,随着接触间隙的增大使接触表面更易污染。当接触变紧时,在每个触点表面之间发生的任何相对位移都会加重表面磨损。
(5). 接触压力(触电动合及静合压力):通常情况下,机械磨损正比于接触压力,在电接触系统中,为了达到降低接触电阻和提高接触可靠性的目的,其中重要的手段之一就是提高接触压力,因此,触点之间磨损现象的存在将是不可避免的。
4. 触点本身的回跳
任何一种机械结构的电接触系统,由于其自身的机械特性,触点在完成负载转换的工作中必然会伴随着触点回跳现象的产生。而在实际应用中,电接触系统均工作在频繁地启动和关闭状态中,这样不仅增加了触点回跳的频次,同时也加速了触点的磨损。更为严重的危害是每次触点的回跳都可能引起弧光放电,随着触点表面的不断靠近和闭合,放电强度越来越大,且持续的时间越来越长。
当电接触系统在电感性或电容性负载环境中工作时,触点回跳所带来的危害将会特别严重。触点回跳不仅会使触点表面反复发热而遭受高能电弧的破坏,而且还会使发生腐蚀和熔结的可能性增大。
触点回跳对除自身电接触系统之外所产生的其他危害则往往被人们忽视,然而随着科学技术的不断发展,对自动控制系统的可靠性要求越来越严格,因此触点回跳产生脉动电流冲击对控制电路的损害引起工程师的更多关注。另一方面,在精密电子测量仪器中,由于触点回跳使得控制电路不能干净利落地开启和关闭被检测对象,所以这种会跳往往会导致仪表指示出现假读数或得出错误的测量结果。
5. 触点实际使用环境中的微振
所谓的微振磨损是指一种幅度很小的接触运动,微振的幅度一般在几十微米至一百微米范围内。而引起微振的主要原因有以下几种:温度的变化;电磁感应振动;声波振动。在这方面,欧美的专家都进行了比较深入的研究。
微振现象必然会产生金属的“迁移”和磨损,当触点表面因磨损加剧或磨落的碎屑而导致进一步腐蚀时,称这一过程为摩擦腐蚀。对于不同材料的触点表面,所产生的微振磨损的结果和产生微振磨损的过程都是不同的。例如常见的触点材料—金,由于它的化学性质相对稳定,因而镀金的触点表面其金属一般只会遭受微振磨损和加剧后的碎屑磨损。但是,因镀金层气孔而引起的基底材料的摩擦腐蚀应予以关注。通常情况下,除金以外,其他触点材料如铜、锡、银或此类合金,均会发生摩擦腐蚀。
当配对触点采用了不同硬度的金属材料时,因金属“迁移”现象的单向性使摩擦腐蚀现象更加严重。对于铂族元素及其合金而言,经最新的研究表明,由于铂及铂合金的催化作用会使触点表面覆盖一层相当厚的、难以去除的有机聚合物,从而使触点表面的接触电阻大大增加。