CN101208762A - Ag-氧化物系电触点材料以及使用该材料的继电器、交流通用继电器、汽车用继电器 - Google Patents
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Abstract
提供具有可以控制交流通用继电器、汽车搭载用继电器等各种负荷的通用性，虽然较以往更加小型化但具有优良的耐久性的电触点材料。该电触点材料通过将由5.1～8.0重量％的Zn、0.01～5.0重量％的Sn、0.01～1.5重量％的Te、余量为Ag所形成的Ag－Zn－Sn－Te合金内部氧化而获得，或者通过将由0.01～5.0重量％的Zn、5.1～8.0重量％的Sn、0.01～1.5重量％的Te、余量为Ag所形成的Ag－Zn－Sn－Te合金内部氧化而获得。
Description
技术领域
本发明涉及Ag-氧化物系电触点材料，特别涉及适合于交流用继电器或汽车搭载用继电器的电触点材料。
背景技术
将电回路机械性开关的电触元件一般被称为电触点，该电触点必须满足通过金属与金属的接触而在触点无障碍传送电流·信息的特性、断开时可以无障碍离开的特性。另外，虽然该电触点的结构简单，但已知在该触点表面出现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，另外，随着放电伴随有溶融、蒸发、消耗、转移等非常复杂的现象，有很多学术上没有解释清楚的问题。如果出现这些现象，则会阻碍电触点的接触性能，根据情况的不同会终止接触功能(例如，熔敷)，这决定了装有电触点的电气产品等的性能、寿命。这意味着电触点是决定电气产品等的寿命、性能的重要部件之一。
作为使用了该电触点的电气产品的代表例的继电器的使用范围为从电信电话、各种电子设备等弱电领域到阻断大电流的电气设备等强电领域的广泛领域。因此，对继电器要求的功能也千差万别，能够实现迎合使用目的的特性的电触点以及使用该电触点的继电器的研发不断进展，有非常多的种类供应于市场。
使用了该电触点的继电器是指如下的继电器：通过以直流、交流、脉冲等形式施加的电信号产生线圈磁通量，利用该电磁力吸引可动铁片，根据可动铁片的活动开关电触点。对于这些继电器要求被组装到家电、空调、音像、通信器材等中，在各种负荷条件和环境下均可以保证稳定的开关工作。
近年，伴随着家电、空调、音像、通信器材等高功能·高性能化以及低耗电化，构成这些设备的部件的小型化正迅速发展。继电器也不例外。随着该继电器的小型化，触点的接触力以及断开力变得非常小，因此触点材料本身所处于的环境变得非常严酷。
作为在一般的交流负荷下使用的继电器中组装的电触点材料，很早就知道有Ag-CdO系电触点材料。该Ag-CdO系触点材料是作为电触点材料所应该具有的特性的耐熔敷性、耐消耗性以及接触电阻稳定性以高次元达到了良好的平衡的材料。但是，Cd是对人体有毒的元素，考虑到近来的环境问题，最好不制造和使用它。因此，需要进行不含Cd的电触点材料的开发，这样的现有技术如下所述。
作为在交流负荷的交流通用继电器等中使用的不含Cd的材料，很早就知道有Ag-SnO2系(由5～15重量％的SnO2和余量的Ag形成的合金)、Ag-SnO2-In2O3系等Ag-氧化物系电触点材料(专利文献1、2)。其中已知，Ag-SnO2系的电触点材料在冲击电流发生的容量性负荷下显示了非常优良的耐熔敷性。但是，在电感性负荷下，与以往的Ag-CdO系电触点材料相比较，Ag-SnO2系电触点材料的耐消耗特性略差，因此，难以确保与Ag-CdO系电触点材料同等或更好的耐久性。另外已知，Ag-SnO2系电触点材料中还含有In2O3的Ag-SnO2-In2O3系电触点材料，显著改善了Ag-SnO2系电触点材料的电阻负荷以及对电感性负荷的耐消耗性，与Ag-CdO系电触点材料同样具有对各种负荷平衡良好的耐久特性，正在作为无Cd的电触点材料被广泛使用。
专利文献1：日本专利特开昭54-110124号公报
专利文献2：日本专利特公昭55-4825号公报
但是，作为该Ag-SnO2-In2O3系电触点材料的原料的In是稀有金属，其计算构成地表部(地球总质量的约0.7％)的元素比例的克拉克(clark)数在全部元素中位于第68位。另外，作为近来的液晶或等离子体等显示装置中的ITO透明电极的原料正被大量使用，因此考虑到今后的使用量，存在到2010年地球上存在的In资源可能枯竭的问题。因此，现在In价格暴涨，也严重影响到电触点材料的制造价格。由于该In资源的枯竭以及高成本的问题，当前无In的电触点材料的开发也成为紧急要务。
作为该无In的电触点材料，已知有Ag-Zn-SnO2系电触点材料(专利文献3)。该电触点材料在可获得较大的触点的接触力、断开力的比较大型的继电器中，具有与Ag-CdO系电触点材料相媲美的优良的耐久性，但是对于现有的小型继电器，由于其耐熔敷性的问题，在开关动作的初期阶段，具有极容易出现熔敷故障的趋势。因此，目前几乎没有见到将该Ag-ZnO-SnO2系电触点材料用于交流通用继电器的示例。
专利文献3：日本专利特公昭56-22086号公报
另外，汽车搭载用继电器多用于被搭载于汽车的电气产品、驱动系部件的控制。例如，在2.0L级别的汽车中，使用约50个继电器，作为这些继电器的负荷，存在以前大灯为代表的容量性负荷、以后除雾器为代表的电阻负荷、以鼓风电动机为代表的电感性负荷这样的多种负荷。因此，对于该汽车搭载用继电器，要求通过一种电触点材料可以对全部负荷实现开关动作的继电器。
该汽车搭载用继电器中目前多使用上述的Ag-SnO2系电触点材料、Ag-SnO2-In2O3系电触点材料。Ag-SnO2系电触点材料从很早开始就作为汽车搭载用继电器使用，但是与上述交流通用继电器一样，对直流的电感性负荷的耐消耗性差，因此限于特定的负荷使用。另外，Ag-SnO2-In2O3系电触点材料具备可以全部满足容量性负荷、电阻负荷、电感性负荷的通用特性，已知适合于汽车搭载用继电器。但是，存在上述In资源的枯竭、In价格的高涨的问题，因此目前需要进行汽车搭载用继电器中无In继电器的电触点材料的开发。
发明内容
以上述情况作为背景完成了本发明，提供了电触点材料，它不含Cd、In，具有可以控制交流通用继电器、汽车搭载用继电器等各种负荷的通用性，虽然是较以往更小型化的继电器但具有优良的耐久特性。
为了解决上述课题，本发明人对与Ag-ZnO-SnO2系电触点材料相关的组成以及添加元素重复进行了各种实验、研究，结果发现了本发明的电触点材料。本发明是将由5.1～8.0重量％的Zn、0.01～5.0重量％的Sn、0.01～1.5重量％的Te、余量为Ag所形成的Ag-Zn-Sn-Te合金内部氧化而得的Ag-氧化物系电触点材料，或者是将由0.01～5.0重量％的Zn、5.1～8.0重量％的Sn、0.01～1.5重量％的Te、余量为Ag所形成的Ag-Zn-Sn-Te合金内部氧化而形成的Ag-氧化物系电触点材料。
本发明涉及的Ag-氧化物电触点材料中，关于耐熔敷性和耐消耗性，在Ag质地中均匀分散的ZnO和SnO2起到主要的作用，另外如果还存在TeO2，则可以使耐熔敷性进一步提高。该Ag-氧化物系电触点材料中耐熔敷性很大程度上依赖于Ag质地中的氧化物的粒径、分散度，因此使氧化物越均匀且微细地分散可以越使耐热性提高，结果可以实现耐熔敷性的提高。但是，氧化物如果微细，则材料本身的加工性不良，因此氧化物的粒径优选0.5μm～2.0μm左右。
作为耐熔敷性的重要的因素的电触点材料的耐热性受分散于Ag质地的氧化物的热稳定性的很大影响，由于ZnO、SnO2均在大气中至高至1500℃的温度下稳定，因而具有使耐热性提高的作用。但是，热稳定性高的氧化物一般与溶融Ag的润湿性差，继电器的开关动作时产生的电弧放电导致触点表面的一部分熔解时，出现构成触点的Ag和氧化物分离的现象，形成富Ag部和氧化物凝集部。如果出现了这样的分离现象，则富Ag部之间或者氧化物凝集部之间接触的可能性非常高，造成耐熔敷性、接触电阻的稳定性显著劣化。但是认为，本发明的Ag-氧化物系电触点材料中，添加的Te作用于与溶融Ag润湿性差的ZnO、SnO2的接触界面，具有改善润湿性的效果。因此，如果是本发明的Ag-氧化物系电触点材料，即使在电弧等导致触点表面的一部分形成为暂时熔解的状态，也可以将Ag与氧化物的分离抑制到最小程度，在之后的开关动作中，可以维持良好的耐熔敷性、接触电阻的稳定性。
本发明涉及的Ag-氧化物系电触点材料的通过内部氧化而在Ag质地中形成的氧化物，即ZnO、SnO2、TeO2优选均匀且微细地分散。另外，这些氧化物的量从耐熔敷性、加工性的方面考虑，优选为以下的组成量。首先，形成ZnO的Zn量优选为5.1～8.0重量％，为该Zn的量时，形成SnO2的Sn量优选为0.01～5.0重量％。另外，形成TeO2的Te量优选为0.01～1.5重量％。Zn量如果不满5.1重量％，则不能实现实用水平的耐熔敷性，如果超过8.0重量％，则内部氧化时趋向形成氧化物的厚层(氧化带)，加工性劣化。Sn量如果不到0.01重量％，则无法获得由于与ZnO的协同效果而实现的耐熔敷性提高，如果超过5.0重量％，则与Zn同样在内部氧化时趋向形成氧化带，加工性下降。另外，如果Te量不到0.01重量％，则不能维持良好的耐熔敷性，如果超过1.5重量％，则加工性和耐消耗性劣化，不能实用。
另外，本发明的Ag-氧化物系电触点材料中的Zn和Sn的组成量也可以与上述情况相反。也就是说，形成ZnO的Zn量优选为0.01～5.0重量％，该Zn量时，形成SnO2的Sn量优选5.1～8.0重量％。形成TeO2的Te量与上述的情况同样优选为0.01～1.5重量％。由于认为ZnO与SnO2对决定电触点材料的特性的作用几乎相等，因此即使Zn量与Sn量为与上述相反的组成量，也具有良好耐熔敷性和加工性。如果Zn量不满0.01重量％，则不能实现实用水平的耐熔敷性，如果超过5.0重量％，则内部氧化时趋向形成氧化物的厚层(氧化带)，加工性劣化。Sn如果不满5.1重量％，则无法获得由于与ZnO的协同效果而实现的耐熔敷性提高，如果超过8.0重量％，则内部氧化时趋向形成氧化带，加工性降低。对于Te量与上述理由同样。
另外，本发明涉及的Ag-氧化物系电触点材料中，即使在Ag质地中分散的ZnO、SnO2的一部分或者其大部分作为Zn2SnO4的复合氧化物分散，在电触点材料的特性方面也不会产生大的差别。
实施发明的最佳方式
根据以下记载的实施例以及以往例来说明本发明的优选实施方式。实施例1～5中为表1所示组成的电触点材料，以往例1～3是用于与实施例进行比较的电触点材料。
表1
(重量％)
实施例1～5以及以往例1～3的电触点材料使用通常的高频波熔解炉而制得。将各组成的Ag合金铸造成熔制后坯料，通过热挤出加工形成φ6mm的线材。接着，对该线材反复进行退火(700℃)和拉丝，同时进行将其拉伸至φ2mm的加工，将其切断成2mm的长度，制成φ2mm×2mmL的小片。之后，将该小片在氧压0.5MPa、温度750℃的条件下进行48小时的内部氧化处理，收集内部氧化处理后的小片，进行压缩成型制成φ50mm的圆柱钢坯。
而后，将以上制得的各圆柱钢坯收置在圆筒容器中，从圆柱长边方向施加压力，对圆柱钢坯进行压缩加工。该压缩加工中，由于圆柱钢坯的侧面受圆筒容器的约束，因此在圆柱长边方向的变形是可以的，而向与其相垂直方向的圆柱侧面方向的变形是不可以的。该压缩加工之后，进行900℃、4小时的烧结处理。将该压缩加工以及烧结处理反复进行4次。
实施了该压缩加工以及烧结处理的钢坯通过热挤出加工形成φ7mm的线材(挤出面积比约51∶1)。接着，进行拉丝加工形成直径2.3mm的线材，通过镦锻机制成头径3.2mm，头厚1mm的铆钉触点。
对于制成的继电器触点(实施例1、2、4、5，以往例1～3)，将其组装到挠曲(Flexure)型的继电器中，通过表2和表4所示的交流负荷条件进行耐久试验。该耐久试验使用5台以上的继电器测定各继电器直到出现故障的开关次数。将该耐久试验的结果示于表3(表2的试验条件的结果)以及表5(表4的试验条件的结果)。另外，由于该挠曲型的继电器较通常市售的的继电器更多出现ON反跳，因此该耐久试验被认为与加速试验的联系大。通过过去的经验，由于对该挠曲型的继电器与市售继电器的耐久性采取整合性，因此将满足市售继电器的耐久性而必须的对挠曲型的继电器所要求的目标耐久次数作为要求寿命，来考察各铆钉触点的耐久性。将各耐久试验中的作为要求寿命的耐久次数示于表2和表4。对于后述表6、表8中相关的耐久试验也同样显示要求寿命。
表2
| 电压 | AC250V |
| 额定电流 | 10A |
| 负荷电力 | 电阻 |
| 开关频率 | 1.0秒闭合/1.0秒断开 |
| 试验气氛温度 | 20℃ |
| 要求寿命 | 25万次 |
表3
| 耐久寿命次数 | |
| 实施例1 | 349,263 |
| 实施例2 | 289,757 |
| 实施例4 | 338,319 |
| 实施例5 | 427,119 |
| 以往例1 | 317,145 |
| 以往例2 | 232,948 |
| 以往例3 | 267,199 |
表4
| 电压 | AC130V |
| 冲击电流 | 78A |
| 分断电流 | 5A |
| 负荷电力 | 灯 |
| 开关频率 | 5.0秒闭合/5.0秒断开 |
| 试验气氛温度 | 20℃ |
| 要求寿命 | 1万次 |
表5
| 耐久寿命次数 | |
| 实施例1 | 69,384 |
| 实施例2 | 66,582 |
| 实施例4 | 55,687 |
| 实施例5 | 46,600 |
| 以往例1 | 35,258 |
| 以往例2 | 12,306 |
| 以往例3 | 10,051 |
由表3和表5所示的耐久试验结果可以确认，对于交流负荷，以往例1的Ag-SnO2系电触点材料以及以往例2的Ag-SnO2-In2O3系电触点材料具有实用的耐久性能。另外确定了本实施例的电触点材料与以往例比较具有同等或更高的耐久性能。
接着，对于上述的各铆钉触点，将其组装到挠曲型的继电器中，在汽车搭载用负荷条件下进行耐久试验。将该耐久试验条件示于表6(实施例2、4、5以及以往1、2)以及表8(实施例3、4以及以往例1、2)中。另外，对于耐久性试验，使用5台以上的继电器测定各继电器直到出现故障的开关次数，考察其平均耐久寿命次数。将各耐久试验的结果示于表7(表6的耐久试验的结果)以及表9(表8的耐久试验的结果)。
表6
| 电压 | DC14V |
| 冲击电流 | 110A |
| 分断电流 | 20A |
| 负荷电力 | 卤素灯 |
| 开关频率 | 1.0秒闭合/9.0秒断开 |
| 试验气氛温度 | 20℃ |
| 要求寿命 | 3万次 |
表7
| 耐久寿命次数 | |
| 实施例2 | 43,085 |
| 实施例4 | 42,738 |
| 实施例5 | 41,001 |
| 以往例1 | 51,329 |
| 以往例2 | 43,507 |
表8
| 电压 | DC14V |
| 额定电流 | 17A |
| 负荷电力 | 200W电动机 |
| 开关频率 | 0.5秒闭合/2.5秒断开 |
| 试验气氛温度 | 20℃ |
| 要求寿命 | 18万次 |
表9
| 耐久寿命次数 | |
| 实施例3 | 245,627 |
| 实施例4 | 240,123 |
| 以往例1 | 169,228 |
| 以往例2 | 194,639 |
由表7所述的耐久试验结果可知，在作为容量性负荷的卤素灯耐久试验中，以往例1的Ag-SnO2系电触点材料与以往例2的Ag-SnO2-In2O3系电触点材料具有实用的耐久性。另外确认了本实施例的电触点材料与以往例比较具有同等的耐久性。在表9所示的耐久试验结果中，以往例1的Ag-SnO2系电触点材料未满足所要求的寿命。以往例1的Ag-SnO2系电触点材料在表6所示的作为容量性的卤素灯负荷下显示了优良的耐久性，但是没有同时满足表8所示的电感性的发动机负荷的耐久性，因此确认难以用于要求通用性的汽车搭载用继电器。另外还确认，以往例2的Ag-SnO2-In2O3系电触点材料在表8所示的负荷条件下显示了实用的耐久性能，因此In2O3的添加具有使对电感性负荷的耐久性提高的效果。也就是说，以往例1的Ag-SnO2系电触点材料由于没有添加In2O3，因此得到不适于作为要求通用特性的汽车搭载用继电器的电触点材料的结果。与此相对，确认了实施例3以及实施例4的电触点材料在表8的作为电感性的发动机负荷下在耐久性或实用上均没有任何问题。由该耐久试验结果确定，本发明涉及的Ag-ZnO-SnO2-TeO2系电触点材料不含有In2O3，适于要求通用特性的汽车搭载用继电器。
产业上利用的可能性
本发明提供了一种电触点材料，它由于不含Cd、In，因此不受环境问题、In资源枯竭等的影响，具有可以控制交流通用继电器、汽车搭载用继电器等各种负荷的通用性，虽然较以往更加小型化，但具有优良的耐久性。
Claims (5)
1.Ag-氧化物系电触点材料，其特征在于，将由5.1～8.0重量％的Zn、0.01～5.0重量％的Sn、0.01～1.5重量％的Te、余量为Ag所形成的Ag-Zn-Sn-Te合金内部氧化而得。
2.Ag-氧化物系电触点材料，其特征在于，将由0.01～5.0重量％的Zn、5.1～8.0重量％的Sn、0.01～1.5重量％的Te、余量为Ag所形成的Ag-Zn-Sn-Te合金内部氧化而得。
3.继电器，其特征在于，具有将权利要求1或权利要求2所述的电触点材料作为构成材料的电触元件。
4.交流通用继电器，其特征在于，具有将权利要求1或权利要求2所述的电触点材料作为构成材料的电触元件，进行交流电压80V～300V、额定电流5～30A的电阻负荷的控制。
5.汽车搭载用继电器，其特征在于，具有将权利要求1或权利要求2所述的电触点材料作为构成材料的电触元件，进行直流电压5V～30V、额定电流3～30A的电阻负荷的控制。
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