触点润滑剂工作原理及实际使用效果.doc

触点润滑剂工作原理及实际使用效果触点润滑剂工作原理及实际使用效果电器开关的电触点是电接触系统中重要部位之一，本文通过对触点失效因素和失效机理的分析，详细地论述了触点保护和润滑新工艺对电接触点可靠性的改善效果和改善机理，同时提出了触点润滑剂的选择和使用原则。 影响触点表面间电流导通量的因素在了解触点润滑剂对提高触点电气性能的作用机理之前，必须首先了解下列影响触点表面间电流导通量的几个主要因素。1 触点本身的污染腐蚀 通常情况下，触点是工作在密封或非密封环境中。触点工作在非密封环境时，因空气中含有不同性质的污染物质，使外露的金属表面必然会受到不同程度的污染。即使工作在密封环境中的触点，由于工作介质的自身特性同样会分解释放出不同含量和性质的有机气体，因此也会引起触点表面不同程度的污染。触点表面的污染所带来的直接危害就是，由污染物所形成的表面膜使触点表面的接触电阻明显增加。为了使承担载流工作的电接触系统能正常工作，必须有效地去除这种保护膜。 2 触点间的电弧腐蚀 在电接触系统中，当触点闭合或打开负载时，对电流强度约在1A以上的开关装置通常发生弧光放电现象。由于弧光放电会使触点表面产生瞬间的局部高温，而造成金属表面的熔化、气化及变形，同时还会使空气中或电接触系统内部气体中的杂质污染金属表面，而形成一层有机或无机膜。弧光放电现象将引起触点接触表面的接触电阻增大。弧光放电也会在触点表面之间的空气中引起电化学反应并产生硝酸，先是在触点表面产生腐蚀膜，然后再形成一层不导电的金属化合物。触点表面之间的空气在弧光放电的作用下产生的电离以及电离后产生的高温，同时伴随着触点表面之间金属离子的“迁移”现象。这类电化学现象在完成直流电路的载流过程中表面的尤为突出。这种因弧光放电而产生的“迁移”现象主要表面为触点产生的“尖头”和“火山口”型弧光放电腐蚀损伤。这里应特别指出的是：除了上述触点载流密度是引起弧光放电的原因外，触点表面的光洁度也是引起弧光放电的原因。不论是固定或非固定式触点，由于两个触点表面之间的粗糙不平而引起的弧光放电，也会使触点表面过早地遭受弧光放电腐蚀。在弧光放电腐蚀中，阻性负载对触点的危害是最小的。由于阻性负载相对比较固定，触点在进行载流工作时电流不受脉动影响。而感性负载（例如马达等）在起动时产生的起动电流是正常工作电流的近十倍，使触点在进行这种存在电流密度突变的载流工作时，受到的弧光放电腐蚀的危害更大。急速增加的电流密度同样会使触点的发热量加剧，也会使弧光放电腐蚀及触点表面的熔结更为严重。对于容性负载（如钨丝灯等），它具有与感性负载相类似的起动电流，如何保护触点则必须给予认真对待。就上面的论述而言，凡是进行载流工作的电接触系统，如果它工作的环境存在弧光放电腐蚀的可能，则在设计电接触系统时必须要特别关注，并采取必要的措施，使弧光放电腐蚀控制在最低限度。3 触点接触面间的机械磨损腐蚀 众所周知，不论是化学涂敷还是机械加工，都无法制造出表面绝对光洁平滑的触点，即使在客观上用肉眼观察其表面是非常光滑的，但在微观上触点表面仍存在许多微小的凹凸。这就是说，触点的实际接触面积总是小于理论接触面积，也正是由于实际接触面积的减小而使触点表面工作温度上升、载流效率下降，这是触点烧损的主要原因之一。这种现象在功率开关系统中表现得尤其明显。机械结构的电接触系统在完成载流信号的转换过程中必然会伴随接触磨损现象，通常情况下，磨损是一个与被接触表面的光洁度有着密切关系的物理现象。而磨损又必须在一定的摩擦阻力下产生。对于移动式或滑动式触点，由于自身的工作特性而在电子器件的设计时就充分考虑到触点的润滑和磨损。对于继电器、接触器等所用的触点，在设计、制造和使用过程中则往往忽略了对触点的润滑和磨损，而在设计与制造过程中则对触点的材质和载流能力倾注了主要精力。因此，电子器件在设计、制造和使用的全过程中对触点的清洁和润滑必须引起特别的关注。电子器件中触点的磨损程度将主要受以下五种因素的影响：（1） 触点在工作中产生磨损的方式主要取决于触点本身的形状，而不同的触点形状则在不同程度上影响着触点磨损量的大小。（2） 触点表面的光洁程度是影响磨损的直接因素，因为触点表面不平整不仅引起磨损，而且磨损和腐蚀过程中产生的多余微粒将会聚集在触点表面的凹陷处，给触点工作表面的洁净度、触点的加速磨损及载流能力带来一定的隐患。（3）不同的触点材料具有不同的磨损特性。由于不同的金属材料耐磨损、抗锈蚀及抗氧化能力存在着一定程度上的差异，所以触点的材料既关系着电子器件的性能和成本，又直接影响着电子器件的使用寿命。而当两种不同金属材料作为触点相互接触时，其表面的润滑和磨损问题则显得更为重要。这是因为两个相互接触表面硬度的不对称性造成高硬度的触点表面过度磨损低硬度触点表面，使电器元件过早失效而影响控制系统的可靠性。对于采用电镀加工的触点表面，由于表面镀层容易产生剥离现象（电镀层比化学镀层更容易产生剥离现象），表面镀层的剥离将使表面接触电阻和多余物发生突变，从而加剧表面的磨损和温升，直至电器元件失效。（4） 任何接触表面都存在一定的接触电阻，一定的接触电阻必然消耗一定的功率，而使触点表面产生一定的温升。触点在一个变化的温度场中工作时，由于金属材料自身的热胀冷缩物理特性而使触点表面产生热致微振磨损。这种热磨损现象将会随着配对触点材料的热胀冷缩特性差异的增大而增强，同时也会引起两触点间的相对移动量有所增加。基于同样的热磨损机理，温度的变化可以引起接触松紧程度的改变，这取决于两种材料热胀系数差异的大小。当接触由于温度变化而变松时，则使接触电阻增大并加剧发热，随着接触间隙的增大使接触表面更易污染。当接触变紧时，在每个触点表面之间发生的任何相对位移都会加重表面磨损。（5） 接触压力（触电动合及静合压力）：通常情况下，机械磨损正比于接触压力，在电接触系统中，为了达到降低接触电阻和提高接触可靠性的目的，其中重要的手段之一就是提高接触压力，因此，触点之间磨损现象的存在将是不可避免的。 4 触点本身的回跳 任何一种机械结构的电接触系统，由于其自身的机械特性，触点在完成负载转换的工作中必然会伴随着触点回跳现象的产生。而在实际应用中，电接触系统均工作在频繁地启动和关闭状态中，这样不仅增加了触点回跳的频次，同时也加速了触点的磨损。更为严重的危害是每次触点的回跳都可能引起弧光放电，随着触点表面的不断靠近和闭合，放电强度越来越大，且持续的时间越来越长。当电接触系统在电感性或电容性负载环境中工作时，触点回跳所带来的危害将会特别严重。触点回跳不仅会使触点表面反复发热而遭受高能电弧的破坏，而且还会使发生腐蚀和熔结的可能性增大。触点回跳对除自身电接触系统之外所产生的其他危害则往往被人们忽视，然而随着科学技术的不断发展，对自动控制系统的可靠性要求越来越严格，因此触点回跳产生脉动电流冲击对控制电路的损害引起工程师的更多关注。另一方面，在精密电子测量仪器中，由于触点回跳使得控制电路不能干净利落地开启和关闭被检测对象，所以这种会跳往往会导致仪表指示出现假读数或得出错误的测量结果。 5 触点实际使用环境中的微振 所谓的微振磨损是指一种幅度很小的接触运动，微振的幅度一般在几十微米至一百微米范围内。而引起微振的主要原因有以下几种：温度的变化；电磁感应振动；声波振动。在这方面，欧美的专家都进行了比较深入的研究。微振现象必然会产生金属的“迁移”和磨损，当触点表面因磨损加剧或磨落的碎屑而导致进一步腐蚀时，称这一过程为摩擦腐蚀。对于不同材料的触点表面，所产生的微振磨损的结果和产生微振磨损的过程都是不同的。例如常见的触点材料金，由于它的化学性质相对稳定，因而镀金的触点表面其金属一般只会遭受微振磨损和加剧后的碎屑磨损。但是，因镀金层气孔而引起的基底材料的摩擦腐蚀应予以关注。通常情况下，除金以外，其他触点材料如铜、锡、银或此类合金，均会发生摩擦腐蚀。当配对触点采用了不同硬度的金属材料时，因金属“迁移”现象的单向性使摩擦腐蚀现象更加严重。对于铂族元素及其合金而言，经最新的研究表明，由于铂及铂合金的催化作用会使触点表面覆盖一层相当厚的、难以去除的有机聚合物，从而使触点表面的接触电阻大大增加。触点润滑剂的工作原理1 触点润滑剂对触点本身污染腐蚀的改善 通常情况下，人们往往只把注意力放在对镀层的处理和保护上，而忽视了对电镀层孔隙的关注。实际应用中最为典型的例子就是镀金点，人们普遍认为：镀金触点表面不会氧化，可以不进行润滑保护处理。这同样是一种十分错误的认识。关于电镀层孔隙可以产生的危害已有论述，但润滑剂对电镀层性能的改善要加以必要的说明。在镀层表面上涂覆适量的润滑剂，可以充分填补空隙，并有效地防止潮气透过镀层，使镀层基体金属免遭氧化腐蚀；而且润滑剂对金属镀层具有一定的亲和力，可以形成一层较为坚韧的薄膜。所以润滑剂对触点表面电镀层性能的改善主要表现在： A：有效地提高电镀层的结合强度 B：有效地提高电镀层的抗氧化和抗磨损性能。2 触点润滑剂对触点间的电弧腐蚀的改善 大量的试验研究工作都证明触点润滑剂具有类似半导体的特性，触点表面之间的空隙被润滑剂有效的填充使得可接触的表面积大大增加，加之润滑剂也允许电流通过，因此润滑剂既可以防止在触点表面之间的空隙中发生弧光放电现象，又可以扩大电接触面积、降低接触电阻和减少发热点。对于电接触系统开断时触点表面之间产生的弧光放电腐蚀，触点润滑剂则是通过油桥原理（量子隧道效应）来阻止弧光放电的产生。就其改善机理而言，触点在断开时，润滑剂会在两个触点表面之间形成油桥（量子隧道），而且这时电流可以通过油桥流动，所以弧光放电被有效地抑制；触点在闭合时，触点表面的润滑油膜会率先接合并形成油桥，从而在两个触点表面之间的电位差迅速下降后使弧光放电被有效地抑制。即使偶尔发生了弧光放电现象，烧蚀的只是润滑油膜，而不是金属表面。因而触点润滑工艺可以大大减少弧光放电的危害，同时又大大提高电接触系统的可靠性。 而且多年的实际经验也证明了这点。有关触点润滑工艺对触点表面磨损和触点表面弧光放电的改善结果，在客户实际使用中已经得到很直观地反映。3 触点润滑剂对触点接触面间的机械磨损腐蚀的改善 合理的使用润滑剂可以大幅度减轻或防止触点表面的磨损。就改善磨损机理而言，一方面润滑剂可以有效的填充触点表面的凹陷处，从而在触点表面形成一个完整的保护油膜，这种润滑剂产生的油膜可以大大减少摩擦。另一方面，油膜可以及时保护因摩擦而产生的表面不遭受进一步的氧化和腐蚀。通常情况下，正确的使用润滑剂同样可以大大减少微振磨损和摩擦腐蚀。这里必须提醒工程师们注意的是：由于触点表面磨损的速度和程度分别与触点开关的工作频率、触点组合的形式、触点表面的光洁度、触点表面的材质、触点表面的接触压力及触点表面的工作温度等多种因素有关，所以在选择润滑剂种类时，要结合实际工作环境，选择采用油质润滑剂还是油脂质润滑剂。关于润滑剂的选择，在下面会有详细地论述。4 触点润滑剂对触点本身的回跳的改善 触点回跳对电接触系统的工作可靠性和工作寿命都有较大影响。由于触点回跳是电接触系统机械性能所决定的，所以要想采取机械方法来克服触点回跳现象是极为困难的。但是，在触点表面使用润滑剂后，可以形成表面缓冲层，从而有效地抑制触点回跳现象的产生。同时，这个缓冲层也可以大大减轻因触点反复回跳而引起的磨损。由此可见，触点润滑剂不仅可以使开关工作更干脆，读数显示更准确和触点所遭受的各种损伤更小，而且提高了电接触系统的工作可靠性。综上所述，不论任何原因造成的触点表面的损伤，都将引起触点表面接触电阻的增大，触点表面润滑处理前后触点表面接触电阻的变化非常大，这将直接影响电接触系统能否正常运作。5 触点润滑剂对触点实际使用环境中的微振的改善 触点润滑剂形成的表面油膜在改善触点表面污染方面发挥着双重作用，既可以阻止污染物质进入触点表面与金属生成氧化膜或有机聚合膜，又可以与进入触点润滑剂的污染物结合形成局部稠厚的团块，这些团块会随着触点的移动而被清除在有效电接触面积之外。由于电接触系统的任何一种加工都有可能引起触点表面的氧化和污染，所以在对触点表面进行润滑之前，触点表面上往往就已经生成金属氧化物，因此，对触点表面进行润滑前的清洁显得很有必要。在此提醒工程师们应特别注意：目前已经流行的利用略带酸性或碱性的润滑剂来去除氧化物的工艺方法是非常错误的。虽然这种工艺方法可以去除触点表面上的金属氧化物，并在短时间内可以降低接触电阻，但是往往在存放较长的时间后，由于触点表面上的金属本身会继续遭受缓慢的侵蚀而产生电阻率很高的其它金属盐，所以造成产品因电接触系统接触电阻过高而过早失效的后果。那么对触点表面已经形成的金属氧化物则可以选用具备很强去污能力和快速挥发性能的中性干式触点清洁剂进行加热清洁，然后用油质性或油脂性润滑剂进行触点润滑保护处理。这样既可以有效地降低接触电阻，又可以有效地提高电接触系统的工作可靠性。6 触点润滑剂对硅类污染的改善 关于硅酮对电接触系统中触点的污染已经有大量的文章进行了详细地论述，这里不再重复。硅酮由于具有花双防潮性能而得到广泛使用，例如在塑料制品生产中使用的脱模剂等。由于硅铜污染靠溶剂洗涤很难去除，所以必须对硅酮的污染严格控制。建议用一种改良后的氟化润滑剂对受到硅酮污染的触点表面进行修复。这种润滑剂可以与硅酮碳化物发生作用，形成挥发性的硅酮四氟化气体。有一点需要特别指出：随着塑料工业和电子工业的不断进步和发展，塑压制作在电子元器件的生产中得到广泛应用。对于应用在带电接触系统中的塑压件，当塑压生产中必须使用脱模剂时，这里特别建议使用触点润滑剂代替含硅酮的脱模剂，可以取得十分良好的效果。这种工艺方法既有利于塑压生产，同时又有助于改善电接触系统的电气性能。如何正确选择合适的触点润滑剂 最能合适系统使用的触点润滑剂，才是最好的润滑剂。目前已经商品化的触点润滑剂主要分为二大类：一类是全部由矿物油组成的润滑剂；另一类则是以合成脂为基础的润滑剂。通过大量试验研究表明，矿物油润滑剂在遇到弧光放电是很容易碳化，而且由于容易被氧化而常常发粘；但在导电性方面，矿物润滑剂则表现得比较优秀。合成润滑剂一方面可以减轻碳化和发粘的危害，另一方面它既具备良好的导电性能，又可以大大改善触点的工作性能。进一步的试验研究还表明，矿物油类润滑剂在高温环境下极易挥发和污染触点。 综上所述，在选择触点润滑剂的种类时，必须根据电接触系统实际工作环境和相应的技术指标并结合润滑剂自身特性，来确定是采用矿物类还是合成类润滑剂。 除此之外，在选用触点润滑剂时还应遵循以下几点原则： 1 触点润滑剂的粘稠度：润滑剂粘稠度的选择应根据电接触系统中触点的形式和工作状态来确定。例如对于垂直工作的触点，则应选择稠度较大的油脂质润滑剂，若选用油质润滑则触点表面的润滑剂容易“跑掉”。通常情况下，润滑剂的粘稠度一旦选定，就必须保持不变。 2 触点润