CN1820335A - 密封式交流负荷用继电器以及其中使用的Ag系接点元件材料 - Google Patents

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柳原宣仁
坂口理
山本俊哉
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Abstract

提供了对于交流电压80V～300V、额定电流5～25A的电阻负荷，可实现优良的耐久性的密封式交流负荷用继电器，特别提供了在高温下耐久性也非常优良的密封式交流负荷用继电器。本发明是通过在密封空间内配置的Ag系接点元件来控制交流电压80V～300V、额定电流5～25A的电阻负荷的密封式交流负荷用继电器，所述继电器使用了含有铁的氧化物4.0～20.0重量％的，或者含有选自镁、铝、铟、镧、铈、钐的一种或两种以上的氧化物0.1～2.5重量％且余分为Ag的Ag系接点元件。

Description

密封式交流负荷用继电器以及其中使用的Ag系接点元件材料
技术领域
本发明涉及用于控制交流负荷的密封式继电器，特别涉及在高温气氛下，对于交流电压80V～300V、额定电流5～25A的电阻负荷可实现非常优良的耐久性的密封式交流负荷用继电器。
背景技术
机械地开关电路的电触点一般称为电接点，该电接点必须具有通过金属和金属接触在接点无障碍地传递流通的电流·信号的特性以及在断开金属时能无障碍的切断的特性。因此，虽然该电接点在结构上简单，但是已知在其接触表面上发生各种物理的或化学的现象，例如伴随有吸附、氧化、硫化、有机化合物的合成还有伴随放电的熔融、蒸发、消耗、转移等非常复杂的现象，在学术上无法被解释的方面很多。如果发生这些现象，则电接点的接触功能被阻碍，根据情况有可能丧失接触功能(例如，熔敷)，这决定着安装有电接点的电气制品等的性能和寿命。这意味着，电接点是决定电气制品等的寿命和性能的重要零件之一。
作为使用该电接点的电气制品的代表例的继电器，其使用范围可涉及从电信电话、各种电子机器等弱电领域到阻断强电流的电气设备等强电领域。因此对继电器功能的要求也千差万别，逐渐开发出并向市场供给很多种类的能实现适合使用目的的特性的电接点以及使用其的继电器。
使用该电接点的继电器是通过以直流、交流脉冲等形式负加电信号产生线圈磁通，通过该磁力吸引可动铁片，从而使电接点对应于可动铁片的活动而开关的继电器。其中，一般的交流负荷用的继电器被安装于家电、空调、音响、通信机器等各种负荷条件以及环境下，需要保证稳定的开关动作。近年来，伴随着家电、空调、音响、通信机器等的高功能·高性能化以及低耗电化，构成零件被迅速小型化，安装在这些制品中的继电器也不例外。为达到继电器的小型化，电接点自身也变得较小，结果导致接点接触力非常小，因此接点材料暴露的环境对于维持接点特性是非常苛刻的。
另外，交流负荷用继电器一般较多安装在印制电路基板(PCB)上使用。这称为PCB继电器，被安装在印制电路基板上后，通常为了清洗焊剂而进行整体浸没清洗。这时，为了防止清洗液等进入到继电器内部，多使用采用塑料外壳等、用密封剂等来密封继电器整体的密封式继电器。
从很早就知道Ag-CdO系电接点材料可作为装配在这些密封式继电器中的电接点材料，该Ag-CdO系接点材料在作为电接点材料应该具备的特性的耐熔敷性、耐损蚀性以及接触电阻稳定性上达到了良好的平衡。但是，Cd是对人体有毒的元素，考虑到当前以及以后的环境问题等，最好不制造及使用。另外，在欧洲预定从2006年7月开始禁止在本发明相关的交流负荷继电器中使用Cd系材料这样的电接点材料。因此，今后需要开发出用于该交流负荷用继电器的不含Cd的电接点材料。作为这种不含Cd的目前技术如下所示。
从很早就知道Ag-SnO2系(包括5～15重量％的SnO2和余分为Ag的合金)、Ag-SnO2-In2O3系和Ag-ZnO系等电接点材料可用于交流负荷用继电器。(专利文献1、2)这些Ag-氧化物系接点材料，由于其氧化物的高热稳定性，因此在产生较大接通电流的负荷条件下，在交流负荷用继电器中作为不含Cd的电接点材料而广泛使用。
专利文献1：日本专利特公昭55-4825号公报
专利文献2：国际公开WO00/65623号小册子
但是，目前公开的不含Cd的电接点材料虽然在开放式继电器中显示了与Ag-CdO系接点材料同样的耐久性，但是在密封式继电器中耐久寿命却显著降低。而且，这种趋势特别是在高温气氛下尤其显著。也就是说，由于使用继电器的电子·电气机器等所处的在使用环境或者通过继电器的自身发热而使电接点材料暴露于高温气氛下时，继电器的耐久寿命有进一步降低的趋势。另一方面，已知如果将耐熔敷性、耐损蚀性以及接触电阻稳定性达到良好的平衡的Ag-CdO系接点材料用于密封式继电器中，耐久寿命与上述不含Cd的电接点材料不同，不会降低。
发明的揭示
发明要解决的课题
对于这样的交流负荷的密封式继电器，耐久寿命降低的理由有很多不清楚的地方，也没有对该现象的明确对策。因此，例如PCB继电器中，有在印制基板的清洗之后特意在继电器的上部开孔，将其由密封式变为开放式来使用的情况。另外，对于印制基板的安装生产线上较难在PCB继电器的上部开孔的情况，将其直接作为密封式来使用，但此时必须在认可大大低于交流负荷用继电器原保证开关次数的状态的前提下使用。
另外，电子·电气机器等设置在屋外时，由于在接点表面会附着从继电器开口的孔进入该机器中的灰尘或虫子，或者腐蚀性的气体进入到继电器内，使接点表面污染或腐蚀，从而影响继电器的稳定性的事例多有发生。如果使用开口面积较大的交流负荷用继电器，不可避免上述污染或腐蚀问题的发生率将变大。
解决课题的方法
为了解决上述课题，本发明人经过反复的认真研究，终于发现了本发明涉及的密封式交流负荷用继电器。本发明是通过在密封空间中配置的Ag系接点元件控制交流电压80V～300V、额定电流5～25V的电阻负荷的密封式交流负荷用继电器，其特征在于，使用含有4.0～20.0重量％的铁的氧化物且余分为Ag的Ag系接点元件。
本发明涉及的密封式交流负荷用继电器，通过在密封空间使用如下的Ag系接点材料而提高其耐久寿命，该Ag系接点材料含有规定量的在金属状态比Ag的熔点高且在金属状态不与Ag形成固溶体的铁的氧化物，即氧化铁。另外，即使小型化本发明涉及的密封式交流负荷用继电器，也已确认接触可靠性、耐久性等继电器特性均优良。另外也已明确，本发明的密封式交流负荷用继电器即使在高温气氛下其耐久寿命也显著提高。
本发明人的研究显示，对于交流负荷用继电器，可决定耐久寿命的长短的主要因素是在接点表面发生的现象。一般，交流负荷用的开放式继电器中，在开关动作中，在接点断开时产生电弧，由于该电弧接点表面成为熔融状态。对于Ag-氧化物系材料的情况，当由于电弧接点表面成为熔融状态时，在一部分发生Ag与氧化物的分离，该接点的最表面与初期状态相比较成为氧化物粗大化的结构。但是，即使在这样粗大化的状态，也能保证氧化物在Ag基质中的分散的状态，只要没有接点损蚀造成的接触力的大幅降低，就不会引起熔敷故障。另一方面，对于交流负荷用的密封式继电器，已经确认在进行开关动作之后的Ag-系接点材料的接点最表面，氧化物基本不存在。因此，在开关动作的初期阶段极易引起熔敷故障。
本发明人着眼于上述现象，推测开放式和密封式的耐久寿命的差异是由于在接点表面的变质现象的不同而引起的。认为在开放式中，通过伴随接点开关产生的电弧的热，容易使接点表面的氧化物分解，之后被再氧化，从而在接点表面反复进行这样的还原·氧化的循环现象。
与此相对，认为在密封式中，电弧热使自作为用于密封电接点的封装材料的树脂产生的有机气体在继电器的密封空间内氧化分解，从而消耗在继电器中密封的氧气。因此，对于密封式继电器，虽然其接点表面的氧化物分解，但是由于有机气体的氧化分解来消耗氧气使继电器内部的氧气分压显著降低，因此推测不发生如上述开放式的在接点表面的氧化物的还原·氧化的循环现象。
认为，这样在密封式继电器中，维持在接点表面的氧化物被还原的状态，如果形成该氧化物的金属元素是易与Ag形成固溶体的元素，会使接点表面的材料熔点显著降低，这样在开关早期会引起熔敷故障。目前的Ag-SnO2系以及Ag-SnO2-In2O3系接点材料的确可以充当这种现象的典型例，并且被认为是限制交流负荷用的密封式继电器的耐久寿命的原因。
以本发明人的这些研究结果为基础，在本发明涉及的密封式交流负荷用继电器中，由于在密封空间使用了含有规定量的铁的氧化物的Ag系接点材料，即使在接点表面呈铁的氧化物被还原的状态，但因为铁在金属状态比Ag的熔点高，并且在金属状态不与Ag形成固溶体，结果不会使该接点表面的材料熔点降低。因此，早期引起的熔敷故障不再发生，可大幅提高其耐久寿命。
而且，本发明人发现了，本发明涉及的密封式交流负荷用继电器特别是具有可大幅提高在高温气氛下的耐久寿命的效果。本发明涉及的密封式交流负荷用继电器在温度50℃～150℃范围的气氛温度中可以实现目前接点材料不能实现的实用耐久寿命。根据本发明人的研究，例如在交流负荷用的密封式继电器中使用目前的Ag88％-SnO212％的接点材料时，如在超过50℃的气氛温度下在10万次以下就有发生故障的趋势，不能实现实用的耐久寿命，但是确认采用本发明可，即使在50℃～150℃的高温气氛下，也可实现约是使用目前的接点材料的约8倍的耐久寿命。
本发明涉及的密封式交流负荷用继电器中，该Ag系接点材料中铁的氧化物的含有量较好在4.0～20.0重量％。如果未满4.0重量％，在由流向接点材料的冲流产生的电阻负荷下，有很难维持实用的耐熔敷性的趋势；如果超过20.0重量％，则加工性变差。在本发明人的研究中确认6.0～16.0重量％的范围为最适含有量。
另外，本发明人进行了进一步的研究结果发现，含有铁的氧化物4.0～20.0重量％、选自镁、铝、铟、镧、铈、钐的一种或二种以上的氧化物0.1～2.5重量％且余分为Ag的材料作为本发明涉及的密封式交流负荷用继电器中使用的Ag系接点元件的材料是有效的。在本发明涉及的Ag系接点元件材料中，通过添加氧化物生成的标准自由能低，即使在氧分压低的气氛下也难以被还原的氧化物，即选自镁、铝、铟、镧、铈、钐的一种或二种以上的氧化物可进一步提高密封式交流负荷用继电器的耐久寿命。这些氧化物如果含有量未满0.1重量％，则有不能进一步提高耐久寿命的趋势；如果超过2.5重量％，则加工性变差。在本发明人的研究中确认0.5～2.0重量％的范围为最适含有量。
发明的效果
通过本发明，可形成对交流80V～300V、额定电流5～25A的电阻负荷可实现前所未有的非常好的耐久性的密封式交流负荷用继电器，特别是形成了即使在高温气氛下也非常适宜的密封式交流负荷用继电器。
附图的简单说明
图1是显示开放式继电器耐久试验条件1的结果的图。
图2是显示开放式继电器耐久试验条件2的结果的图。
图3是显示密封式继电器耐久试验条件3的结果的图。
图4是显示密封式继电器耐久试验条件4的结果的图。
实施发明的最佳方式
基于以下所述的第一实施方式以及第二实施方式来说明本发明的较佳实施方式。
第一实施方式：在表1中显示了该第一实施方式中的实施例1～4的交流负荷用继电器中所用的含氧化铁(Fe2O3)的Ag系接点材料的组成。另外，表1的以往例1～3中显示了在目前交流负荷用继电器中一般采用的Ag系接点材料。另外，作为比较例1，采用Ag-CdO接点。
表1
  组成(wt％)
  实施例1   Ag 92.0-氧化铁8.0
  实施例2   Ag 90.0-氧化铁10.0
  实施例3   Ag 88.0-氧化铁12.0
  实施例4   Ag 86.0-氧化铁14.0
  以往例1   Ag 88.3-SnO2 11.7
  以往例2   Ag 88.0-SnO2 7.8-In2O3 4.0-NiO 0.2
  以往例3   Ag 91.0-ZnO 9.0
  比较例1   Ag 88.0-CdO 12.0
实施例1～4中的电接点材料是通过粉末冶金法制造的。首先，按照规定的配比计量作为原料粉末的平均粒径为3μm的Ag粉末和平均粒径为2μm的氧化铁粉末，在V型混合机中制成混合粉末。接着，压缩成形该混合粉末，制成φ50mm的圆柱坯料(billet)。与此相对应，以往例1～3、比较例1的电接点材料是使用普通的高频熔解炉来制造的。熔制各组成的Ag合金后铸成锭(ingot)，通过热挤压加工，形成直径为6mm的线材。接着在700℃锻烧该线材并进行拉制加工直到直径为2mm，切成长度为2mm，制成直径2mm×2mmL的小块(chip)，在氧压为5大气压、温度为750℃对该小块进行内部氧化处理48小时，收集内部氧化处理后的小块，进行压缩成形制成直径为50mm的圆柱坯料。
接着，在圆筒容器中收置经上述所得的各圆柱坯料，通过在圆柱的轴方向施加压力，压缩加工圆柱坯料。该压缩加工中，由于圆柱坯料的侧面被圆筒容器束缚，因此能在圆柱轴向发生变形，但是在与其垂直方向的圆柱侧面方向不能发生变形。该压缩加工之后进行在850℃的烧结处理6小时。该压缩加工以及烧结处理反复进行4次。
进行这样的压缩加工以及烧结处理的坯料，通过热挤压形成直径为7mm的线材(挤压面积比为约51∶1)。接着，经拉丝加工成直径为2.3mm的线材，经镦锻机制成头径为3.2mm、头厚为1mm的铆钉接点。
开放式继电器试验：首先，在开放式的交流负荷用继电器中装入如上述所得的各铆钉接点进行耐久试验。该耐久试验在表2以及表3所示的2个耐久试验条件下进行，使用5台以上的继电器测定直到各继电器发生故障的开关次数。该耐久试验的结果示于图1(表2的试验条件的结果)以及图2(表3的试验条件的结果)。
表2
开放式继电器耐久试验的条件1
  电压   AC 250V
  额定电流   10A
  负荷功率   电阻
  开关频率   开1.0秒/关1.0秒
  试验气氛温度   20℃
  继电器   开放式
表3
开放式继电器耐久试验的条件2
  电压   AC 125V
  额定电流   78A
  负荷功率   电灯
  开关频率   开5.0秒/关5.0秒
  试验气氛温度   20℃
  继电器   开放式
由图1及图2所示的结果可确认，在表2以及表3所示的开放式继电器的耐久试验中，比较例1的Ag-CdO系(5台平均开关次数条件1：约31.8万次、条件2约1.4万次)(以下所示的开关次数为总数5台的平均开关次数)，以往例1的Ag-SnO2系(条件1：约28.3万次、条件2：约3.7万次)，以往例2的Ag-SnO2-In2O3系(条件1：约33.2万次、条件2：约4.3万次)以及以往例3的Ag-ZnO系(条件1：约27.1万次、条件2：约0.2万次)的接点材料具有在实用上十分满意的耐久性。与此相对，与这些以往例相比较，本实施例的Ag-氧化铁接点材料具有同等或者以上的耐久性。另外，实施例1在条件中1为约30.3万次、条件2中为约2.1万次；实施例2在条件1中为约31.4万次、条件2中约为6.5万次；实施例3在条件1中为约31.0万次，在条件2中为约12.7万次；实施例4在条件1中为约34.0万次，在条件2中为约2.4万次。
密封式继电器试验：接着，在密封式的交流负荷用继电器中安装上述各铆钉接点中的实施例2、以往例1～3、比较例1的接点材料，进行耐久试验。该耐久试验在如表4及表5所示的2个耐久试验条件下进行，使用5台以上的继电器测定直到各继电器发生故障的开关次数。该耐久试验的结果示于图3(表4的试验条件的结果)以及图4(表5的试验条件的结果)。另外，该耐久试验中密封式继电器，由于是通过热固性树脂密封上述开放式继电器而形成的密封式的继电器，因此在继电器自身的结构和组装条件等方面与开放式没有差别。
表4
密封式继电器耐久试验的条件3
  电压   AC 250V
  额定电流   10A
  负荷功率   电阻
  开关频率   开1.0秒/关1.0秒
  试验气氛温度   20℃
  继电器   密封式
表5
密封式继电器耐久试验条件4
  电压   AC 250V
  额定电流   10A
  负荷功率   电阻
  开关频率   开1.0秒/关1.0秒
  试验气氛温度   85℃
  继电器   密封式
由表4所示耐久试验条件的图3的结果可知，该表1和表4的耐久试验条件，只是开放式与密封式的不同，其它条件均相同，但是以往例1～3的接点材料，与开放式的继电器的耐久试验结果相比较，密封式的耐久性明显较差。具体地讲，以往例1在开放式的条件1下为约28.3万次而在密封式的条件3下为约7.3万次；以往例2在开放式的条件1下为约33.2万次而在密封式的条件3下为约8.4万次；以往例3在开放式的条件1下为约27.1万次而在密封式的条件3下为约2.3万次。另一方面，比较例1在开放式的条件1下为约34万次而在密封式的条件3下约为36万次，得到与以往例不同的结果。因为现在对机理并不十分清楚，因此明确说明该现象是很困难的。
但是，对于实施例2的Ag-氧化铁系接点材料，密封式继电器的耐久性比开放式的继电器的明显提高。具体地讲，实施例2在开放式的条件1下为约31.8万次而在密封式的条件3下为约57.4万次。
另外，在表5所示的高温气氛下的耐久试验结果中，确认安装有以往例1～3的电接点的密封式继电器的耐久性显著降低。具体地讲，以往例1在高温气氛的密封式情况下为约27.1万次、以往例1为约8.1万次、以往例2为约20.1万次、以往例3为约2.0万次。另一方面，实施例2的Ag-氧化铁系电接点材料在85℃的苛刻的高温气氛下，可经得起实际使用，具有非常高的耐久寿命特性。具体地讲，实施例2显示了约为106万次的平均开关次数。结果显示，比较例在开放式的条件1下为约34万次而在密封式的条件3下为约36万次，确认了耐久寿命明显提高。
第二实施方式：表6中显示了，该第二实施方式中实施例5～14的交流负荷用继电器中使用的，含有氧化铁以及镁等的氧化物的Ag系接点材料的组成。
表6
  组成(Wt％)
  实施例5   Ag 90.0-Fe2O3 9.0-MgO 1.0
  实施例6   Ag 90.0-Fe2O3 9.0-Al2O3 1.0
  实施例7   Ag 90.0-Fe2O3 9.0-In2O3 1.0
  实施例8   Ag 90.0-Fe2O3 9.0-La2O3 1.0
  实施例9   Ag 90.0-Fe2O3 9.0-CeO2 1.0
  实施例10   Ag 90.0-Fe2O3 9.0-Sm2O3 1.0
  实施例11   Ag 92.0-Fe2O3 6.0-MgO 2.0
  实施例12   Ag 92.0-Fe2O3 7.5-MgO 0.5
  实施例13   Ag 92.0-Fe2O3 7.0-MgO 1.0
  实施例14   Ag 92.0-Fe2O3 5.5-MgO 2.5
实施例5～14的电接点材料与第一实施方式同样是通过粉末冶金法制造的。作为原料粉末，使用平均粒径为3μm的Ag粉末、平均粒径为2μm的氧化铁粉末和在各实施例中含有的平均粒径为2μm的镁氧化物等，其他制造条件是按照与第一实施方式相同的程序进行。由各实施例的电接点材料在与第一实施方式相同的条件下制造铆钉接点，进行开放式继电器耐久试验、密封式继电器耐久试验。对于使用的交流负荷用继电器、耐久试验条件等完全与第一实施方式相同。在表7中显示了该第二实施方式的耐久试验结果。
表7
  条件1   条件2   条件3   条件4
  实施例5   34.2   0.4   50.8   80.2
  实施例6   27.1   10.0   45.1   70.5
  实施例7   32.7   7.4   51.6   81.5
  实施例8   33.8   6.2   52.5   82.3
  实施例9   29.4   15.2   40.3   90.8
  实施例10   35.2   6.3   55.2   92.5
  实施例11   35.7   4.6   57.2   90.6
  实施例12   33.5   8.6   53.2   85.5
  实施例13   30.1   12.4   55.5   89.4
  实施例14   32.3   10.6   57.6   91.3
                                                    (单位：万次)
表7中显示了各耐久试验中继电器故障的平均开关次数(5台继电器各自发生故障时的开关次数的平均)。可知与条件1以及条件2中的密封式继电器相比，条件3及条件4的开放式继电器的耐久性明显优良。另外也可知，与第一实施方式的实施例1～4相比较，如实施例5～14这样的，除有氧化铁外还含有在各实施例中添加的又一氧化物的耐久寿命进一步提高。

Claims (5)

1.密封式交流负荷用继电器，所述继电器是通过在密封空间内配置的Ag系接点元件来控制交流电压80V～300V、额定电流5～25A的电阻负荷的密封式交流负荷用继电器，其特征在于，所述继电器使用含有4.0～20.0重量％铁的氧化物且余分为Ag的Ag系接点元件。
2.提高密封式交流负荷用继电器的耐久寿命的方法，所述方法是控制交流电压80V～300V、额定电流5～25A的电阻负荷的密封式交流负荷用继电器的耐久寿命的提高方法，其特征在于，所述继电器在密封空间内配置含有4.0～20.0重量％铁的氧化物且余分为Ag的Ag系接点元件来控制上述电阻负荷。
3.Ag系接点元件材料，所述材料是用于密封式交流负荷用继电器的Ag系接点元件材料，所述继电器是通过在密封空间内配置的Ag系接点元件来控制交流电压80V～300V、额定电流5～25A的电阻负荷的密封式交流负荷用继电器，其特征在于，所述Ag系接点元件材料含有4.0～20.0重量％铁的氧化物，含有0.1～2.5重量％选自镁、铝、铟、镧、铈、钐的一种或两种以上的氧化物，余分为Ag。
4.密封式交流负荷用继电器，所述继电器是通过在密封空间内配置的Ag系接点元件来控制交流电压80V～300V、额定电流5～25A的电阻负荷的密封式交流负荷用继电器，其特征在于，所述继电器使用了由权利要求3中所述Ag系接点元件材料制得的Ag系接点元件。
5.密封式交流负荷用继电器的耐久寿命的提高方法，所述方法是提高控制交流电压80V～300V、额定电流5～25A的电阻负荷的密封式交流负荷用继电器的耐久寿命的方法，其特征在于，所述继电器在密封空间内配置由权利要求3所述的Ag系接点元件材料制的Ag系接点元件来控制上述电阻负荷。
CNA2005800006878A 2004-06-18 2005-06-17 密封式交流负荷用继电器以及其中使用的Ag系接点元件材料 Pending CN1820335A (zh)

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