Une analyse systématique des matériaux et de la durée de vie des contacts de relais

Les relais font partie des composants de contrôle les plus couramment utilisés dans les systèmes de contrôle automatisés non standards, les systèmes de contrôle de puissance et les équipements industriels. Le cœur des performances du relais réside dans son système de contact. La sélection des matériaux de contact et leurs durées de vie électriques et mécaniques correspondantes déterminent directement la fiabilité du relais, le cycle de maintenance et la stabilité de l'ensemble du système. Une sélection appropriée des matériaux de contact et des formes structurelles contribue à réduire considérablement les taux de défaillance des équipements et les coûts de maintenance.

 

 

La durée de vie des relais est généralement divisée en deux catégories : la durée de vie mécanique et la durée de vie électrique.

 

La durée de vie mécanique fait référence au nombre d'opérations répétables provoquées par une action mécanique seule dans des conditions à vide-, atteignant généralement des millions, voire des milliards de fois. La durée de vie électrique, quant à elle, fait référence au nombre de fois où les contacts effectuent des actions de commutation et maintiennent un fonctionnement normal dans des conditions de charge nominale, et est généralement nettement inférieure à la durée de vie mécanique.

 

La durée de vie électrique typique des relais-à usage général et des relais de puissance n'est généralement pas inférieure à 100 000 cycles, mais cette valeur dépend fortement des conditions de fonctionnement spécifiques. Lorsque les contacts fonctionnent dans des conditions inférieures à la charge nominale, leur durée de vie électrique réelle peut souvent être prolongée plusieurs fois. Par exemple, les contacts à courant nominal élevé - présentent une énergie d'arc considérablement réduite et des taux d'érosion des matériaux plus lents lors de la commutation de charges résistives plus petites, atteignant ainsi une durée de vie de plusieurs millions de cycles.

 

La fin de la durée de vie électrique provient généralement des modes de défaillance suivants : La migration du matériau se produit sous l'effet d'arcs répétés, conduisant à un soudage ou à une adhésion ; Une perte de matériau importante due aux éclaboussures de la surface de contact ou à l'ablation empêche un contact électrique stable ; La résistance de contact augmente continuellement, dépassant la plage autorisée du système.

 

Dans l'ingénierie pratique, la durée de vie des contacts peut être efficacement prolongée grâce à la conception rationnelle des matériaux de contact, de la pression de contact et des mesures de suppression d'arc correspondantes.

 

 

Les contacts de relais peuvent utiliser divers métaux et alliages précieux. Différents matériaux présentent des différences significatives en termes de conductivité, de résistance à l'arc, de soudabilité et de résistance à l'usure. Les formes courantes incluent les contacts métalliques uniques, les contacts en matériaux composites et les structures bimétalliques, telles que les contacts bimétalliques en argent, les rivets de contact bimétalliques et les contacts bimétalliques en argent, largement utilisés dans les relais industriels et les relais de puissance.

 

Dans les applications à courant moyen-à-élevé, les matériaux composites à base d'argent-sont le choix courant, permettant d'obtenir un bon équilibre entre conductivité et résistance à l'érosion par arc. Ces matériaux existent généralement sous la forme de contacts composites ou de contacts électriques de précision, fabriqués par métallurgie des poudres ou par des procédés de frappe à froid.

 

 

1. Oxyde d'argent et de cadmium (AgCdO)

L'oxyde d'argent et de cadmium est depuis longtemps un matériau typique pour les contacts de relais à courant moyen-à-élevé. Ce matériau utilise la métallurgie des poudres pour répartir uniformément l'argent et l'oxyde de cadmium, combinant une conductivité presque-de l'argent pur avec une excellente résistance aux soudures. Ses avantages incluent :

 

Sous l'effet d'un arc, l'oxyde de cadmium inhibe efficacement la migration du matériau ;

Il possède une bonne-capacité d'extinction d'arc, réduisant considérablement le risque d'adhérence par contact ;

Sous une pression de contact appropriée, la résistance de contact reste stable.

 

Typiquement, la teneur en oxyde de cadmium dans AgCdO est comprise entre 10 % et 15 %. À mesure que la teneur augmente, la résistance de la soudure s'améliore, mais la ductilité et les propriétés d'écrouissage diminuent en conséquence. Par conséquent, ce matériau est souvent utilisé dans des structures telles que les rivets bimétalliques pour relais afin d'équilibrer la capacité de traitement et les performances électriques.

 

2. Oxyde d'argent et d'étain et oxyde d'argent et d'indium (AgSnO, AgInSnO)

Avec des réglementations environnementales de plus en plus strictes sur les matériaux à base de cadmium, l'oxyde d'argent et d'étain et l'oxyde d'argent et d'indium et d'étain sont progressivement devenus des alternatives importantes à l'AgCdO. Ces matériaux ont une dureté plus élevée et une bonne soudabilité, ce qui les rend particulièrement adaptés aux applications avec un courant de pointe important et un faible courant en régime permanent -, telles que les charges à filament ou les charges inductives.

 

Par rapport à l'AgCdO, ces matériaux ont une résistivité volumique légèrement supérieure, mais ils présentent une bonne fiabilité dans les relais automobiles et les systèmes CC, particulièrement adaptés aux structures de contact à haute -fiabilité telles que les contacts en argent des commutateurs et les contacts en argent fixes.

 

 

L'argent pur a la conductivité électrique et thermique la plus élevée de tous les métaux, une résistance de contact extrêmement faible et un coût relativement contrôlable ; ainsi, il est largement utilisé dans les contacts électriques en argent. Cependant, ses inconvénients incluent la susceptibilité à la sulfuration, le ternissement de la surface et la stabilité à long terme limitée par l'environnement.

 

Les alliages argent-cuivre, en introduisant du cuivre, améliorent la résistance à l'usure et réduisent la soudabilité, ce qui les rend adaptés aux applications à courant moyen-.

 

Les matériaux argent-tungstène possèdent des points de fusion et une résistance à l'arc extrêmement élevés, mais nécessitent une pression de contact élevée et ont une résistance de contact relativement élevée, ce qui les rend principalement utilisés dans des applications à charges d'impact élevées- telles que les contacts électriques coulissants ou les contacts à bague collectrice.

 

Les matériaux argent-nickel améliorent considérablement la résistance à l'érosion par arc tout en conservant une conductivité proche de l'argent-pur.

 

Les matériaux argent-palladium ont une dureté élevée et une faible usure, mais sont plus chers et sont généralement utilisés dans des relais de précision avec des exigences de durée de vie extrêmement élevées.

 

Les systèmes argent-cuivre présentent une bonne résistance à la corrosion dans les circuits à faible-courant, ce qui les rend adaptés aux applications à faible charge-telles que les contacts électriques à ressort.

 

 

Les contacts de relais modernes utilisent souvent des conceptions à structure bimétallique ou composite, telles que les contacts bimétalliques Ag/Cu, les contacts bimétalliques à tête froide et les contacts à rivets bimétalliques. Ces structures atteignent un équilibre optimal entre coût, conductivité et durée de vie en divisant le matériau entre le substrat conducteur et la couche de contact de travail.

 

Dans les applications pratiques, la sélection des matériaux de contact dépend non seulement du courant nominal, mais également d'un examen attentif du type de charge (résistive, inductive, capacitive), de la tension de fonctionnement, des conditions environnementales et de la durée de vie prévue. Pour les systèmes à haute-fiabilité, en plus de la sélection des matériaux, il est souvent nécessaire de prendre en compte la forme de contact appropriée, la conception de la pression de contact et les stratégies d'extinction de l'arc-.
 

 

Contacts relaissont des composants critiques des systèmes électriques les plus sujets aux pannes, et leur système matériel détermine directement la durée de vie électrique du relais et la fiabilité du système. En sélectionnant scientifiquement les matériaux de contact, en faisant correspondre rationnellement les caractéristiques de charge et en adoptant des structures de contact bimétalliques ou composites matures, la durée de vie des relais peut être considérablement prolongée. Avec le développement des nouvelles énergies, de l'électronique automobile et de l'automatisation industrielle, la demande de contacts électriques hautes-performances et de contacts en métaux nobles continuera de croître, et la technologie des matériaux de contact continuera d'évoluer vers une fiabilité et un respect de l'environnement plus élevés.