소개
철도 신호 릴레이는 신호 제어 회로를 닫거나 여는 데 사용되는 특수 스위치입니다. 이는 철도 시스템 장비의 핵심 구성 요소 중 하나입니다. 따라서 계전기 제품의 전기적 수명과 신뢰성은 항상 설계자와 사용자에게 뜨거운 주제였습니다. 연구자들은 릴레이의 고장 메커니즘에 대해 많은 연구를 진행해 왔습니다. 산업 응용 및 테스트 통계에 따르면 스위칭 동작 중에 생성된 접점 재료 용접이 주요 고장 모드 중 하나인 것으로 나타났습니다.
단단한구리 접점릴레이 접점 시스템에서 가장 중요한 구성 요소 중 하나이므로 용접 방지 성능은 릴레이의 신뢰성과 서비스 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. 접점재 용접이란 열원의 작용에 의해 두 극의 접점재가 급격하게 가열되어 국부적으로 용융된 후 급속히 냉각되어 응고되어 두 극을 하나로 연결하고 외부복원에 의해 분리할 수 없는 현상을 말한다. 힘. 일반적으로 정적용접과 동적용접으로 나누어진다. 정적 용접은 접점이 닫히는 동안 전류의 열 효과로 인해 발생합니다. 실제 업무에서는 극히 드물다. 투입 또는 단선 과정에서 아크 방전에 의해 발생하는 열로 인해 접점 재료가 서로 용착되는 동적 용착 현상이 접촉 불량의 주요 원인입니다.
접점이 회로를 끊을 때 생성되는 아크는 동적 용접을 시작하는 열쇠입니다. 아크에너지에 의해 접점재료가 부분적으로 녹아 용융영역을 형성하고, 용융영역이 급속히 응고되면서 접점의 접점부분에 용접이 형성될 수 있다. 용접력이 파단력보다 크면 접점 재료의 동적 용접이 형성됩니다. 일반적으로 접점 재료의 용접력이 클수록 재료의 용접 저항이 더 나빠지는 것으로 알려져 있습니다. 특정 적용 조건에서 접점 재료의 용접 저항은 구성, 구조, 저항률, 열 전도성 및 기타 특성과 밀접한 관련이 있습니다. 한편으로는 아크의 발생과 강도에 영향을 주고, 다른 한편으로는 용접공정과 용접력의 크기에도 영향을 줍니다.
AgCdO, AgSnO2, AgCuO 등 은금속산화물 접점재료의 용접 거동에 대해 광범위하고 심도 있는 연구를 진행하고 용접 모델과 이론을 제안해 왔습니다. 이런 종류의 물질의 주요 설계 아이디어는 은이 전류 운반상으로 작용하여 전기와 열을 전도하고, 산화물과 같은 불용성상이 안정제 역할을 하여 용융상의 점도를 높이거나 분해자로 작용한다는 것입니다. 아크 에너지를 소모합니다. 그러나 전력이 증가함에 따라 새로운 릴레이는 접점 재료의 용접 방지 성능에 대해 더 높은 요구 사항을 제시했습니다. 기존의 접점 재료는 더 이상 요구 사항을 충족할 수 없으며, 은함침 흑연 접점 재료는 뛰어난 성능으로 인해 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다. 은 함침 흑연 접점 재료는 일반적으로 전류 전달 상으로 흑연 골격에 함침된 은을 포함하며, 용해하기 어려운 상인 흑연은 용융 풀의 크기를 제한하고 아크 에너지를 소비할 수 있습니다. 그러나 은 함침 흑연 접점 재료에 대한 연구는 심도가 부족하며, 특히 용접 거동에 대한 연구는 거의 보고되지 않습니다. 따라서 본 연구에서는 용접 시험 장치를 사용하여 서로 다른 전류와 전압에서 4가지 은함침 흑연 접점 재료의 동적 용접 거동을 연구하고 접점의 표면 형태와 미세 구조를 체계적으로 관찰하고 특성화했습니다. 비교분석을 통해 용접방지 성능이 우수한 은함침 흑연 접점재료를 선정하였다.
1. 실험
1.1 은 함침 흑연 접점 재료의 성능 및 구조적 특성
일련의 은함침 흑연구리 리벳다양한 기공률과 기공 구조를 갖는 흑연 매트릭스를 사용하여 열간 등압 성형 공정을 통해 재료를 제조했습니다. 재료의 성능지표는 Table 1과 같다. 은함침 흑연 접점재료의 미세구조와 용융용접 성능시험 후의 표면형태를 금속현미경과 주사전자현미경을 이용하여 관찰하고 특성화하였다.
1.2 용접 성능 테스트 및 데이터 수집
4가지 유형의 은 함침 흑연 접점 재료를 3.5mm x 4.1mm의 작업 표면을 갖는 정적 접점으로 가공했습니다. 금속은으로 만든 전기 구리 리벳과 일치했습니다. 접점재료의 용접성능은 하얼빈공업대학에서 개발한 용접력 시험장치를 이용하여 부하전류 80A~100A, 해당전압 80V~100V 조건에서 테스트하였다(그림 1 참조). 테스트 중에는 접촉면이 초기 상태인지 확인하기 위해 각 테스트마다 새로운 접촉이 사용되었습니다. 접점 폐쇄 프로세스 중 전압, 전류 및 접촉력 신호는 KEYSIGHT DSOX3024T 다중 채널 오실로스코프를 사용하여 수집되었습니다.
테스트 장치에서는 정적 전기 구리리벳 접점회전 고정 장치에 고정되고 회전 고정 장치는 절연 시트를 통해 힘 센서의 이동 끝 부분에 고정됩니다. 힘 센서의 정적 끝은 장착 시트를 통해 평면 방향의 위치를 조정할 수 있는 조정 슬라이드에 고정됩니다. 힘 센서는 정적 접촉의 힘 상태를 수집하여 접촉 압력과 용접력을 얻습니다. 리드는 절연 고정 시트에 고정되어 있으며 구동 전자석을 사용하여 테스트할 정적 접점을 밀어 닫는 동작을 완료합니다. 구동 전자석의 전원이 꺼진 후 자체 강성 재설정에 의존하여 연결을 끊습니다. 구동전자석의 스트로크는 고정되어 있으므로 구동전자석의 위치를 조정하여 접점간의 접촉력을 변화시키는 장치입니다. 테스트 중에 레이저 변위 센서를 사용하여 리드의 변위를 측정하여 접촉 스트로크를 모니터링합니다. 위 부품의 고정 끝은 베이스에 고정되어 각 부품의 상대적인 위치가 안정적입니다. 테스트 중에 전자석은 먼저 이동 접점과 정적 접점을 특정 속도로 부하로 닫은 다음 부하 전원 공급을 차단하고 힘 센서를 움직여 슬라이드를 조정하여 닫힌 접점을 천천히 분리합니다.
접점 분리 과정 중 접촉력 변화 곡선은 그림 2에 나와 있습니다. 초기 조건에서 닫힌 상태에 있는 접점은 특정 압력 하에서 접촉을 유지합니다. 슬라이드가 이동함에 따라 접촉력은 B 지점에서 점차 감소하고 E 지점에서 0로 감소하며 이동 접점과 정적 접점이 분리되기 시작합니다. 접점 사이에 용접이 없으면 접점이 직접 분리되고 접촉력은 0가 됩니다. 접점 사이에 용접이 있으면 접촉력이 계속 감소하고 정적 접점에 가해지는 힘이 압력에서 장력으로 변경됩니다. W점은 용접된 접점이 분리되기 시작하는 위치로 이때의 장력값이 최대에 도달한다. 그런 다음 접점의 용접 영역이 빠르게 분리되고 용접력이 급격히 감소하며 S 지점에서 완전히 분리됩니다. 전체 용접 파괴 과정에서 이동 전의 최소 동적 접촉력과 정적 접점의 차이 는 접촉이 해제된 상태(W점)이고 분리 후 동적 접촉력(S점)은 접촉재가 용접된 후의 최대 용접력입니다.
2 결과 및 논의
2.1 은 함침 흑연 접점 재료의 미세 구조
은 함침 흑연 구리 은의 금속 조직 사진리벳에 문의하기재료는 그림 3에 표시되어 있으며 밝은 흰색 영역은 금속 은색이고 회색-검정색 영역은 흑연 매트릭스입니다. 열간 등방압 프레싱 은 함침 공정은 흑연 매트릭스의 기공을 금속 은으로 완전히 채우고 상호 연결된 네트워크형 금속 은 구조를 형성할 수 있습니다. 그러나 흑연 매트릭스의 기공 구조 및 기공률의 차이로 인해 4가지 은 함침 흑연 접촉 물질의 미세 구조가 크게 다릅니다. AgC(30) 물질의 흑연 매트릭스의 기공 크기는 비교적 균일하며, 금속은 영역의 크기는 약 수십 미크론입니다. AgC(40) 재료에는 100μm보다 큰 크기의 금속은 영역이 있습니다. AgC(50) 및 AgC(60) 재료에는 10μm 미만의 금속은 영역이 많이 있습니다.
은 함침 흑연 접점 재료의 미세 구조 차이가 성능 차이의 핵심입니다. 특히, 탄소 함량이 증가함에 따라 AgC(60)는 AgC(30)에 비해 16배 이상 증가하는데, 이는 전류 전달상인 금속은의 함량이 감소하는 것과 관련이 있다. 그러나 재료의 전도성은 금속은 함량과 동일한 비례 관계를 갖지 않습니다. 따라서 은 함침 흑연 접점재의 전도성 특성은 금속 은과 흑연의 시너지 효과의 결과이며, 흑연 소재의 전도성 특성 및 기공 구조와 밀접한 관련이 있다.
2.2 은함침 흑연접점재료의 용접성능
은함침 흑연접점재료의 전류에 따른 용접력 변화를 Figure 4에 나타내었다. Figure 4에서 알 수 있듯이 전류가 80A 이하에서는 접점간 용착현상이 발생하지 않음을 알 수 있다. 네 가지 접촉 재료 중. 전류를 90A로 증가시키면 AgC(60)는 0.8×10-3N의 용접력으로 용착현상을 나타낸다. 전류가 95A에 도달하면 4개의 접점재료 모두 용착현상을 나타내지만 용접력은 규모가 크고 계단식으로 배열되어 있습니다. 전류가 100A로 증가하면 AgC30의 용접력은 1.5×10-3N에 도달하고, AgC(60)의 용접력은 6.61×10-3N으로 증가합니다.
그림 5는 100 A 전류에서 융합 용접 후 4개의 은함침 흑연 구리 전기 접점의 표면 형태를 보여줍니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 모든 재료의 아크 침식 영역은 검은색입니다. 중앙에는 흰색이 있고 가장자리에는 흰색이 있지만 재료마다 침식 영역의 크기와 미세 구조가 다릅니다. 아크에 의해 침식된 AgC(30) 표면의 면적은 직경이 약 0.943mm로 가장 작습니다. 가장자리는 아크의 작용에 따라 녹고 동적 융합 용접 공정 중 접촉점 주변에서 스퍼터링되는 중앙 영역의 금속 은에 의해 형성된 은 입자입니다. Ag 함량이 감소함에 따라 스퍼터링된 은 입자의 크기가 점차 감소합니다. AgC(50)의 아크 침식 영역 중앙에서 2차 침식 영역이 나타나기 시작한다. AgC(60) 표면의 2차 침식 영역은 더욱 뚜렷하며 재료 내부로 발전합니다. 이는 동적융착공정, 즉 바운싱하는 동적융착공정 중에 다중아크 침식현상이 발생함을 보여준다.
용접력은 냉각 과정에서 재료에 녹아 서로 연결되는 금속 은의 단면적에 비례합니다. 전류가 증가함에 따라 아크 침식 영역이 증가하고 해당 영역의 용융 은 함량이 증가합니다. 따라서 냉각 과정에서 서로 연결되는 금속 은의 단면적도 증가하고 그에 따라 용접력도 증가하게 된다. 그러나 아크의 발생과 강도는 재료의 미세구조 및 특성과 밀접한 관련이 있습니다. 전도성이 향상되면 아크에 의해 생성되는 전압이 증가합니다. 따라서 90A에 해당하는 90V의 전압 조건에서는 저항률이 가장 높은 AgC(60)만이 용착 현상이 나타난다. 금속 은을 분리하는 흑연의 크기 효과는 접촉 표면의 아크 분포에 영향을 미칠 수 있습니다. 동시에 흑연 산화로 인해 생성된 CO2로 인한 퍼지 효과는 아크 분포에 영향을 미치고 아크 강도를 감소시킬 수 있습니다. 재료의 열전도율과 함께 아크 분포 및 강도에 대한 이 두 가지 효과의 결합된 효과에 대해서는 더 체계적인 연구가 필요합니다. 현재 연구 결과에 따르면 흑연 기공률과 기공 크기가 감소해도 용접 방지 성능이 향상되지 않는 것으로 나타났습니다. 은 질량 분율이 40% 미만이고 기공 크기가 10μm 미만인 경우 낮은 전류 조건에서 용접 현상이 발생하여 용접력이 3배 이상 증가합니다.
문헌연구에 따르면 AgCuO 접점재의 용접력은 전압 12V, 전류 10A~25A에서 {{0}}.2N~0.4N이다. 이번 실험 조건에서 테스트한 스위치용 은함침 흑연 동은 접점 소재의 동적 용접력은 모두 0.01N 미만으로 기존 AgMeO 접점 소재의 용접력보다 2배 정도 낮은 수준이다. 따라서 AgMeO 접점재료에 비해 은함침 흑연 접점재료는 초기 용접전류가 높고 용접력이 극히 낮으며, 용접방지 성능이 우수한 전기접점재료이다. 용접력과 아크 침식 영역 형태를 비교 분석한 결과 AgC(30)가 용접 방지 성능이 가장 우수한 것으로 나타났습니다.
3 결론
(1) 은함침 흑연접점재의 초기 용접전류는 90A이고, 용접력은 0.01N 이하로 내용접성이 우수하다.
(2) 동일한 은함침 흑연접점재에 대하여 전류가 증가할수록 용접력이 증가한다. 접점 전류를 줄이면 용접력이 감소하여 용접 방지 성능이 향상됩니다.
(3) 다양한 은 함침 흑연 접촉 재료의 경우 탄소 함량이 증가함에 따라 용접력이 증가하며 이는 흑연 매트릭스의 구조 및 특성과 밀접한 관련이 있습니다. 본 연구에서는 AgC(30) 소재가 최고의 용접방지 성능을 보였다.
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