CN1113970C - 汽车继电器用电触点材料及使用该材料的汽车继电器 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供用于汽车用空调电磁离合器电感性负载的具备极好耐久性的汽车继电器用电触点材料，并提供具备以往所没有的高耐久性的汽车继电器。本发明的汽车继电器用电触点材料是以金属换算由5.0～10.0重量%的Sn、2.0～5.0重量%的In和余份的Ag组成的Ag-Sn-In合金经过内部氧化而获得的Ag-SnO2-In2O3合金，或以金属换算由5.0～10.0重量%的Sn、2.0～5.0重量%的In、0.01～0.50重量%的Ni和余份的Ag组成的Ag-Sn-In-Ni合金内部氧化而获得的Ag-SnO2-In2O3-NiO合金，且上述材料在密闭空间内使用。

Description

汽车继电器用电触点材料及使用该材料的汽车继电器
技术领域
本发明涉及对汽车用空调电磁离合器负载具有极好耐久性的汽车继电器用电触点材料，以及使用该材料的汽车继电器。
背景技术
通过机械方法使电路接通和断开的电接点一般被称为电触点。这种电触点通过金属和金属的接触，可靠地使电流及信号流过触点，或者在切断电路时可靠地断开。
众所周知，电触点的结构虽然比较简单，但在触点表面会了生各种物理或化学现象。例如，吸附、氧化、硫化、有机化合物的合成，甚至还有随着放电发生的熔融、蒸发、损耗和转移等。这种现象非常复杂，目前还有许多原理上不清楚的部分。
一旦这些现象出现就会阻碍电触点的接触性能，有时还会使触点性能丧失(例如，熔焊)，所以，它决定了装有电触点的电器产品等的性能和寿命。这意味着电触点是决定电器产品等的使用寿命和性能的重要元器件之一。
近年，随着电子及电气产品的发展，电触点的使用范围从电信电话及各种电子装置等弱电领域发展到了可切断大电流的电气设备等强电领域，应用范围很广。因此，所要求的性能也是千差万别，这就需要开发各种具备与使用目的相对应的特性的电触点，向市场提供大量不同种类的电触点。
这些电触点中，与本发明有关的汽车继电器和开关的电触点传统技术如下所述。装在继电器及开关中的电触点被称为所谓的开关触点。对于用于该开关触点的电触点材料，特别要求具有维持稳定的开关作用的耐损耗性和耐转移性，以及维持稳定接触状态的低接触电阻。
以往所知的用于汽车继电器和开关的电触点材料包括Ag-Cu(1～25重量％的Cu和余份的Ag组成的合金)、Ag-SnO2系(5～15重量％的SnO2和余份的Ag组成的合金)、Ag-SnO2-In2O3系等电触点材料。
这些电触点材料虽然也可单独直接使用，但大多数情况下使用的是被加工成在作为下层的Cu或Cu合金上层叠2层或3层金属包层的铆接触点，或在作为下层的Cu或Cu合金上层叠2层至5层金属包层的十字触点等。这种金属包层的铆接触点及金属包层的十字触点可装入继电器使用，继电器是通过直流、交流和脉冲等形式施加的电信号产生线圈磁通，利用其电磁力会吸引衔铁，随着衔铁动作使电触点接通或断开。
传统电触点材料虽然对于汽车上的直流负载要求的耐损耗性、耐转移性和低接触电阻都达到了可满足实用的程度，但它们又存在以下的新问题。首先，这些电触点材料不能够适应小型化的要求。随着汽车向高功能高性能化的发展，汽车所用的电气元器件数量有所增加，这就要求元器件本身小型化。因此，从成本方面考虑，虽然也要求继电器和开关本身向小型化发展，但传统的电触点材料不能够适应小型化的要求。
即，为了达到继电器的小型化，必须减小电触点材料的体积，但这样就导致单位体积材料在导通或断开时负荷增加，其结果是，造成传统材料本身提早产生熔焊现象。
此外，近年的汽车用继电器和开关除了小型化之外，还要求改进通用性和使用寿命。对于通用性，要求开发出适应于冲击电流的电灯负载(汽车前照灯负载和放电灯负载)、电阻负载(后窗除霜器负载)、使电弧持续时间延长的螺线管负载(电磁离合器负载)等多种负载的通用电触点材料。
对于延长使用寿命，其中最有代表性的是汽车用空调的使用状态变化，要求开发出具备以往电器使用状态所没有的可长时间使用的电触点材料。过去的汽车空调一般只在夏季使用，但现在成为自动空调后几乎一年都在使用。因此，不仅继电器和开关的使用频率有所增加，而且，使用时间也更长，希望开发出可适应于上述要求的开关触点用电触点材料。
现在，常用的汽车继电器包括ISO(International StandardizationOrganization)继电器、小型ISO继电器和微型ISO继电器等。通过使用Ag-SnO2系和Ag-SnO2-In2O3系等电触点材料，可实现小型化。但是，目前汽车空调的电磁离合器所用的汽车用继电器，耐久性不能满足要求，其通用性和使用寿命也不太理想。
具体来讲，作为汽车空调电磁离合器的电感性负载(50W)使用的汽车继电器是敞开型继电器，目前这种敞开型继电器只具备开关40万次左右的耐久性。因此，为了达到即使使用频率较高，也可实现完全实用化的目的，希望汽车继电器具备开关100万次以上的耐久性。
根据以上情况完成了本发明。本发明的目的是提供作为汽车空调电磁离合器的电感性负载使用的具备极好耐久性的汽车继电器用电触点材料。从而获得具备以往所没有的高耐久性的汽车继电器。
发明的揭示
为了解决上述问题，本发明者们对作为汽车空调电磁离合器的电感性负载使用的电触点材料的组成及其使用环境进行了各种试验和研究，制得了以下的汽车继电器。
首先，如权利要求1所述，作为汽车空调电磁离合器的电感性负载使用的汽车继电器用电触点材料的特征是，以金属换算，由5.0～10.0重量％的Sn、2.0～5.0重量％的In和余份的Ag组成的Ag-Sn-In合金内部氧化而获得Ag-SnO2-In2O3合金，在密闭空间内使用。
然后，如权利要求2所述，作为汽车空调电磁离合器的电感性负载使用的汽车继电器用电触点材料的特征是，以金属换算，由5.0～10.0重量％的Sn、2.0～5.0重量％的In、0.01～0.50重量％的Ni和余份的Ag组成的Ag-Sn-In-Ni合金内部氧化而获得Ag-SnO2-In2O3-NiO合金，在密闭空间内使用。
本发明的作为汽车空调电磁离合器的电感性负载使用的汽车继电器用电触点材料用于汽车空调电磁离合器的电感性负载时，其耐久性有了极大的提高，即使是作为电灯负载等汽车上的其他用途使用，也显示出与以往同样的耐久性，足以适应电触点材料长寿命和小型化的要求。
以微型ISO继电器为代表的汽车继电器的电触点材料是在电触点材料与大气接触的状态下使用的，即使用的是敞开型材料。但是，对这种以微型ISO继电器为代表的汽车继电器电触点材料的组成及使用环境进行研究后发现，具备权利要求1和权利要求2所述组成的电触点材料如果在密闭空间内使用，则用于汽车空调的电磁离合器负载时，具备以往2倍以上的耐久性。
本发明者们认为，本发明的汽车继电器电触点材料的耐久性有了极大提高的原因是，取决于用于空调用电磁离合器的电感性负载时的电触点材料的损耗形态。
一般，汽车电源下(直流14V)的电触点材料损耗形态分为以下2类。其中，(1)由于金属相电弧的作用，有时阳极材料作为磨损粉末向四周飞散，或出现材料从阳极向阴极转移的现象；另外(2)由于在金属相电弧后产生的气相电弧的作用，有时阴极材料作为磨损粉末向四周飞散，或出现材料从阴极向阳极转移的现象。
实际用途中，以汽车前照灯为代表的电灯负载和以后窗除霜器(驱散汽车后窗玻璃雾气的电热线)为代表的电阻负载为前者(1)的损耗状态，以汽车用空调电磁离合器为代表的电感性负载为后者(2)的损耗状态。
本发明者们研究后发现，用于汽车继电器的Ag系电触点材料对应于后者(2)的损耗状态以开放状态使用时，电弧集中在电触点材料的一部分，在开关初期，形成了朝向触点表面的突起和弧坑。这些突起和弧坑一旦形成，电弧会集中在突起处，促进突起和弧坑的成长。另外，突起和弧坑的成长使触点间距(触点间最小距离)变小，延长了电弧持续时间，又助长突起和弧坑的成长，加速了触点的劣化。然后，因锁住(突起和弧坑处于机械卡住状态)而出现故障，或容易引起熔焊。由于形成突起的部分是通过材料由阴极向阳极转移而形成的，所以，与初期的电触点材料的金属组织相比，形成了氧化物脱落的氧化物稀薄状态。耐熔焊性取决于电触点材料中的氧化物含量，这样氧化物处于稀薄状态的突起导致耐熔焊性下降，容易出现熔焊现象。
根据上述研究结果，为了消除在开关初期生成的突起和弧坑，对其组成和使用环境进行了研究，提出了在密闭空间内使用权利要求1及权利要求2所述组成的电触点材料。而且证实，在密闭空间内使用时，如果密闭空间内充满大气等含氧气体之外的非氧气体，则耐久性得到稳定提高。另外还确认，在实际使用时，该非氧气体最好为氩气和氮气。
本发明的汽车继电器用电触点材料能够消除开关初期生成的突起和弧坑，以下对其机理进行解释。
通常，在Ag系电触点材料以开放状态用于汽车继电器的情况下，由于继电器断开时产生的金属相电弧和随后产生的气相电弧，在触点表面产生了Ag的熔融部分。由于Ag中氧的固溶限度是熔融Ag中0.32重量％(960.5℃)，所以，熔融Ag可快速使氧固溶。然后，由于热量向周边部分扩散，所以，熔融的Ag开始凝固。固体Ag中氧的固溶限度是0.01重量％(939℃)，与熔融Ag的情况相比要低很多，所以，在凝固时不能够固溶于固体Ag的氧释放出来，导致气体产生。这时，Ag以发泡状态凝固。然后，继电器开或关又接着在发泡状态下Ag凝固的部分再次产生电弧，因气相电弧的作用，发泡的Ag从阴极转移至阳极，并堆积在阳极表面。最后，由于上述现象反复出现，在触点部位形成突起和弧坑。
但是，本发明的汽车继电器用电触点材料由于在密闭空间内使用，所以，不会出现上述Ag的发泡现象，也不会出现电弧集中。其结果是，不会形成突起和弧坑。因此使电触点材料的耐久性得到了大幅度提高。
本发明的汽车继电器用电触点材料是以Ag为基础的Ag系材料。以下对包含Sn、In、Ni等其他构成金属的效果及其含量范围的确定理由分别进行说明。
Sn在电触点材料中以SnO2的形式存在，在用于产生冲击电流的电灯负载时，对提高耐熔焊性有用。Sn的含量一般为5.0～10.0重量％。如果不足5.0％，则汽车继电器的电触点材料不能够维持实际使用时所需的耐熔焊性，这种情况在用于电灯负载时尤为明显。如果超过10.0重量％，则加工性较差，在触点制造上存在问题。在用于汽车用空调电磁离合器负载并在密闭空间使用时，如果Sn的含量在6.5～9.0重量％的范围内，则触点特性达到最佳。
In在电触点材料中以In2O3的形式存在，在用于空调用电磁离合器电感性负载时，对提高电触点材料的耐损耗性有用。In的含量一般为2.0～5.0重量％，如果不足2.0重量％，则用于空调用电磁离合器电感性负载时，电触点材料的耐损耗性下降，不能满足实用的耐久性要求。如果超过5.0重量％，则由于In的价格较高，产品成本将有所增加。在用于汽车用空调电磁离合器负载并在密闭空间使用时，如果In的含量在3.6～4.5重量％的范围内，则触点特性达到最佳。
Ni在Ag-SnO2-In2O3合金中的作用是，在进行内部氧化处理时，使Ag中的氧化物以微细状态析出，并使电触点材料的耐熔焊性和耐损耗性进一步提高。Ni的含量一般为0.01～0.50重量％，因为如果不足0.01重量％，则没有使氧化物以微细状态析出的效果。此外，由于Ag和Ni为熔融状态，处于二相分离状态，所以，如果超过0.50重量％，则熔解铸造时会出现Ni的偏析，从而导致品质不佳。在用于汽车用空调电磁离合器负载并在密闭空间使用时，如果Ni的含量在0.05～0.20重量％的范围内，则触点特性达到最佳。
当然，若采用本发明的汽车继电器用电触点材料构成密闭型汽车继电器，则即使用汽车用空调电磁离合器负载，也能够获得高于以往2倍以上的耐久性。
对附图的简单说明
图1是从实施例7具有200万次耐久寿命的继电器中取出的动触点的截面照片。图2是从实施例7具有200万次耐久寿命的继电器中取出的静触点的截面照片。图3是从以往例子7具有80万次耐久寿命的继电器中取出的动触点的截面照片。图4是从以往例子7具有80万次耐久寿命的继电器中取出的静触点的截面照片。
实施发明的最佳状态
下面，通过实施例1～8对本发明的实施状态进行说明。实施例1～8用表1所示组成的电触点材料形成密闭型继电器。表1中记载的以往例子1～8是由与实施例组成相同的电触点材料形成的敞开型继电器。
                            表1
    内部氧化处理前的组成 继电器类型
  实施例1     Ag-6.5％Sn-4.0％In     密闭型
  实施例2     Ag-6.5％Sn-4.0％In-0.2％Ni     密闭型
  实施例3     Ag-8.0％Sn-4.0％In     密闭型
  实施例4     Ag-6.0％Sn-3.6％In     密闭型
  实施例5     Ag-6.5％Sn-4.0％In-0.1％Ni     密闭型
  实施例6     Ag-7.0％Sn-5.0％In-0.2％Ni     密闭型
  实施例7     Ag-8.0％Sn-4.0％In-0.2％Ni     密闭型
  以往例子8     Ag-6.0％Sn-3.6％In-0.2％Ni     密闭型
  以往例子1     Ag-6.5％Sn-4.0％In     敞开型
  以往例子2     Ag-6.5％Sn-4.0％In-0.2％Ni     敞开型
  以往例子3     Ag-8.0％Sn-4.0％In     敞开型
  以往例子4     Ag-6.0％Sn-3.6％In     敞开型
  以往例子5     Ag-6.5％Sn-4.0％In-0.1％Ni     敞开型
  以往例子6     Ag-7.0％Sn-5.0％In-0.2％Ni     敞开型
  以往例子7     Ag-8.0％Sn-4.0％In-0.2％Ni     敞开型
  实施例8     Ag-6.0％Sn-3.6％In-0.2％Ni     敞开型
用常用的高频熔解炉熔解各组成的Ag合金后，铸造成坯料，再通过热挤压加工制得φ6mm的线材，即为实施例1～8及以往例子1～8的电触点材料。然后，对该线材进行拉伸加工直至φ2mm，再切成2mm的长度，制得φ2mm×2mmL的小段。然后，在5个气压的氧压下，于750℃对该小段进行48小时的内部氧化处理，集中经过内部氧化处理的小段，再进行压缩加工制成φ50mm的圆柱型坯段。
在压缩加工后，于850℃进行4小时的烧结处理。反复进行4次该压缩加工和烧结处理。
经过该压缩加工和烧结处理的坯段再通过热挤压加工形成φ7mm的线材(挤压面积比约为51∶1)。然后，进行拉伸加工制得直径为2.0mm的线材，再通过镦锻机制得头部直径为2.8mm、头部厚度为0.6mm的铆接触点。
将以上制得的铆接触点装入实施例的密闭型继电器及以往例子的敞开型继电器，按照表2所示条件，用于汽车用空调电磁离合器负载，进行耐久性试验。该耐久试验最低限度用4台继电器进行，测定第1台最先出现故障时的开关次数，即为耐久性。除了实施例7之外，其它所有继电器具备100万次以上的开关次数时，在超过100万次时停止试验，将耐久寿命的开关次数作为100万次以上。实施例7进行了200万次试验。耐久试验的结果如表3所示。
              表2
    电压     14V
    电流     恒定4.3A
    负载功率     50W
    开关频率     0.5秒ON/2.5秒OFF
    环境温度     85℃
                    表3
耐久寿命次数 耐久寿命次数
实施例1  100万次以上 以往例子1     45万次
实施例2  100万次以上 以往例子2     48万次
实施例3  100万次以上 以往例子3     50万次
实施例4  100万次以上 以往例子4     38万次
实施例5  100万次以上 以往例子5     40万次
实施例6  100万次以上 以往例子6     55万次
实施例7  200万次以上 以往例子7     54万次
实施例8  100万次以上 以往例子8     42万次
从表3所示耐久试验结果可看出，本实施例的各组成的电触点材料具有以下特性。实施例1～8的电触点材料对应于汽车用空调电磁离合器的电感性负载，全部具有100万次以上的耐久性。另一方面，作为以往例子的敞开型继电器在第1台首次出现故障时的开关次数不足54万次，不具备作为目标的100万次以上的耐久性。
接着，对实施例2和实施例7进行电灯负载的耐久性试验。该电灯负载的耐久性试验也必须至少用4台继电器进行，测定第1台最先出现故障时的耐久寿命次数。当全部继电器都具备高于目标耐久寿命次数2倍以上的开关次数时，在超过开关次数2倍时停止试验，将耐久寿命次数定为超过目标耐久寿命次数2倍以上。电灯负载的耐久试验结果如表4所示。
                              表4
       耐久寿命次数
    负载   目标耐久寿命次数   实施例2   实施例7
  电灯负载(240W)      10万次 20万次以上 20万次以上
  电灯负载(120W)      20万次 40万次以上 40万次以上
  电阻负载(240W)      10万次 20万次以上 20万次以上
如表4所示，实施例2和实施例7中，对于电灯负载，继电器具备高于目标耐久寿命次数2倍的开关次数，这说明其耐久性极佳。
最后，对汽车用空调电磁离合器负载的继电器进行耐久试验时其触点状态的观察结果进行说明。图1及图2表示用实施例7进行继电器耐久性试验时，从具备200万次耐久寿命的继电器中取出的动触点及静触点的截面照片(倍率为25倍)。图3及图4表示用以往例子7进行继电器耐久性试验时，从耐久寿命次数最多具备80万次耐久寿命的继电器中取出的动触点及静触点的截面照片(倍率为25倍)。
从这些触点的截面照片可看出，敞开型的以往例子7的继电器虽然具备最好的耐久寿命，但在动触点有发泡状态的截面形状。与此对应的静触点出现触点材料的转移，产生弧坑状的截面形状。另外，在密闭型的实施例7中，完全未发现以往例子7的触点变形。
产业上利用的可能性
本发明的汽车继电器用电触点材料对于汽车用空调电磁离合器的电感性负载，具有前所未有的耐久性，可大幅度延长汽车用继电器的使用寿命。另外，作为电灯负载等其他用途使用时，也能够显示出与以往同样的耐久性，能够延长电触点材料的使用寿命，并实现小型化。

Claims (5)

1.汽车继电器用电触点材料，所述材料是用于汽车用空调电磁离合器负载的汽车继电器所用的电触点材料，其特征在于，所述材料是以金属换算包含5.0～10.0重量％的Sn、2.0～5.0重量％的In和余分的Ag的Ag-Sn-In系合金经过内部氧化而获得的Ag-SnO2-In2O3系合金，且所述材料在密闭空间内使用。
2.如权利要求1所述的汽车继电器用电触点材料，其特征还在于，Ag-Sn-In系合金中，以金属换算还包含0.01～0.50重量％的Ni。
3.如权利要求1或2所述的汽车继电器用电触点材料，其中，密闭空间内充满了非氧气体。
4.如权利要求3所述的汽车继电器用电触点材料，其中，非氧气体是氮气或氩气。
5.密闭型汽车继电器，其特征在于，使用了权利要求1～4的任一项所述的电触点材料。
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