王 永，孫雪松，胡明興，彭澤輝

(貴州航天電器股份有限公司，貴陽小河，550009)

1 前言

密封繼電器的觸點切換是通過推動球快速推動簧片來實現(xiàn)的，每一次的推動，都會使推動球和簧片發(fā)生摩擦，從而產(chǎn)生磨損。推動球的材料為玻璃，一般選用DM305或能與可伐匹配封接的7052，通過自制或購買玻璃管，在高溫保護(hù)氣氛條件下燒結(jié)而成。推動球的成型是依靠玻璃的表面張力，在升溫的過程中，玻璃坯由圓柱狀逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榍蝮w，其表面粗糙度Ra可達(dá)1nm。玻璃球與可伐合金封接、電鍍后，通過點焊，使推動桿與銜鐵牢固的焊接在一起，銜鐵在電磁力的作用下運動，帶動推動球一起運動，從而實現(xiàn)觸點的切換。推動球磨損后，產(chǎn)生非導(dǎo)電磨屑，當(dāng)磨屑掉落在動靜簧片之間時，將導(dǎo)致觸點不通，使產(chǎn)品發(fā)生故障。

目前，國內(nèi)對推動桿部件燒結(jié)工藝有一定的研究，章群仁等[1]研究了干粉壓制工藝、壓制模具、燒結(jié)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計和燒結(jié)工藝制定對推動桿部件成型和質(zhì)量的影響；劉燕等[2]采用石墨板定位燒結(jié)的方法，實現(xiàn)了推動桿部件的規(guī)?；療Y(jié)和提高推動球燒結(jié)質(zhì)量；王永等[3]對小型、超小型密封繼電器的推動桿組合燒結(jié)后的主要缺陷問題進(jìn)行初步的分析探討。然而，對推動球磨損的研究鮮有報道。本文將對密封繼電器推動球磨損原因進(jìn)行初步探討。

2 推動球磨損機(jī)理初探

繼電器在進(jìn)行長時間機(jī)械壽命或振動后，時有反饋推動球磨損，推動球磨損后其磨屑在振動或推動的條件下，可能會遷移至動靜簧片接觸部位，導(dǎo)致繼電器時通時斷、接觸電阻增大甚至斷路。推動球磨損區(qū)直徑在0～200μm之間，推動球磨損高度在0～10 μm之間，繼電器封殼后無法在通過顯微鏡直接觀察推動球是否磨損，用X射線也很難檢測，且在生產(chǎn)過程中很難有效剔除，隱患及危害較大。因此對推動球磨損的研究，具有重要意義。

2.1 推動球磨損形貌

推動球磨損形貌見圖1，推動球磨損程度不同，有的輕微，有的嚴(yán)重。當(dāng)推動球磨損輕微，表面磨屑較少，一般不會導(dǎo)致接觸電阻增加或斷路，對產(chǎn)品性能影響不大；當(dāng)推動球磨損嚴(yán)重時，推動球表面能觀察到明顯的磨屑，這種情況下，有可能導(dǎo)致產(chǎn)品性能故障。

圖1 推動球磨損形貌

2.2 磨損原因初探

推動球磨損原因非常復(fù)雜，涉及到推動球的材料、推動球成型的質(zhì)量、推動球的表面狀態(tài)、簧片的材質(zhì)、電鍍層結(jié)構(gòu)及厚度、簧片的表面的狀態(tài)和試驗條件等。

2.2.1 推動球的質(zhì)量

推動球是由干粉壓制的玻璃坯在高溫下燒結(jié)而成，干粉壓制的玻璃坯，在?；髢?nèi)部及表面總會殘留少量的氣孔，在高溫?zé)Y(jié)時，由于玻璃的粘度較大，且玻璃坯表面先受熱融化并致密，阻斷了內(nèi)部氣泡排除的通道，導(dǎo)致燒結(jié)后推動球內(nèi)部和表面都有一定的氣泡，氣泡的存在降低了玻璃推動球的強(qiáng)度。

玻璃推動球因在原材料中加入了氧化鉻而成綠色，氧化鉻與玻璃原粉是通過機(jī)械混合而成，很難保證混合完全均勻一致，燒結(jié)后，往往存在局部偏析，導(dǎo)致推動球表面性能不連續(xù)。

推動球與可伐的封接是通過石墨板定位，石墨質(zhì)軟在燒結(jié)時，總有少量的石墨粉粘接在玻璃表面，石墨粉的存在使玻璃表面變得粗糙，降低了玻璃球局部表面硬度。

推動球表面還存在細(xì)小的微氣孔，在隨后的電鍍過程中，若電鍍的溶液未清洗干凈，將殘留的微氣孔中，在后續(xù)存放或使用過程中吸潮，會導(dǎo)致玻璃局部腐蝕，從而降低玻璃推動球的強(qiáng)度。

由此可見，推動球表面局部微缺陷的存在，使玻璃表面粗糙，降低了推動球強(qiáng)度，可能引起推動球磨損。

2.2.2 簧片的質(zhì)量

簧片基體熱處理后的硬度在150HV左右，電鍍純金后，純金的硬度約80HV，硬度更低，而玻璃的硬度約530HV，在磨損的時候，較軟的金屬基體先發(fā)生磨損，一般電鍍后金層較為致密，表面較為平整，且純金本身較軟，自身強(qiáng)度低，在整個磨損過程中，起到減磨的作用，當(dāng)金層磨損后，推動球?qū)⑴c簧片發(fā)生磨擦，此時的磨損與簧片表面狀態(tài)有關(guān)，表面越粗糙，或有硬質(zhì)雜質(zhì)粘附在簧片表面時，越容易引起推動球磨損。

金層的減磨作用與電鍍質(zhì)量和厚度有關(guān)，在一定厚度范圍內(nèi)，金層越厚減磨效果越好。當(dāng)電鍍以金層為主的合金電鍍層時，由于硬度的提高，在與純金相同的電鍍厚度情況下，減磨效果提升。

2.2.3 接觸應(yīng)力

固體的表面，從宏觀看是平整而光滑的，然而在顯微鏡下觀察時，卻凹凸不平，如圖2所示。粗糙表面的實際接觸面積，僅為名義面積的0.01%～0.1%，因此，固體表面的微觀受力情況，與宏觀不同。

圖2 固體表面示意圖

由于簧片與推動球之間的接觸壓力較小，推動球與簧片的接觸可采用圖3所示的模型(點接觸模型)，根據(jù)赫茲彈性接觸公式：

圖3 接觸模型

接觸區(qū)為圓形，其半徑為：

(1)

(2)

最大接觸壓應(yīng)力位于接觸面的中心，其值為：

(3)

最大拉應(yīng)力位于接觸面的邊緣，其值為：

(4)

最大剪應(yīng)力位置r=0,z=0.47a，其值為：

τmax≈0.310σZmax

(5)

可知，當(dāng)外載荷為0.25N時，假設(shè)微凸起的半徑為5μm,其余代入典型數(shù)據(jù)，由公式(1)計算所得的接觸半徑α=3.43μm; 由公式(2)計算得到法向位移δ=3.2nm;最大接觸壓應(yīng)力σzmax=2.88×109Mpa(原超過玻璃抗壓強(qiáng)度數(shù)量級為103Mpa)；接觸邊緣玻璃子所受的拉應(yīng)力σrmax≈0.96×109Mpa(原超過玻璃抗拉強(qiáng)度僅幾十Mpa)；最大切應(yīng)力 =0.89×109Mpa。

由上述計算可知，若簧片為理想的光滑剛性平面(光滑且硬度無限大)，玻璃球與其接觸時，在局部將產(chǎn)生巨大的壓力，該壓力可直接導(dǎo)致推動球局部破裂。實際上簧片的局部的平均硬度低于玻璃球，因此在接觸時，簧片會發(fā)生變形，使接觸的面積增加，玻璃球受的應(yīng)力將明顯降低。局部的微凸起壓碎，使玻璃表面更加平整，由局部點接觸變?yōu)榫植棵娼佑|，使曲率半徑R明顯增加，當(dāng)為平面時，R為無窮大。此時，公式(3)將不再適用，平均應(yīng)力等于外力P除以接觸后的面積Aj,微觀的接觸區(qū)半徑約50μm,其壓應(yīng)力為318Mpa,小于玻璃的抗壓強(qiáng)度。

2.4 激勵振動

在電激勵的情況，推動球與簧片接觸，剛接觸時接觸壓力等于常開觸點壓力+常閉觸點壓力，發(fā)生振動時，在振動沖擊的作用下會增大接觸壓力，接觸壓力增加的大小與振動加速的大小、振動幅值有關(guān)。振動時簧片將與推動球發(fā)生位移，進(jìn)而產(chǎn)生磨損。此外銜鐵的竄動也會增加接觸壓力。振動時，由于推動球與簧片屬于干摩擦，必然會導(dǎo)致接觸點溫度升高，溫度增加會導(dǎo)致簧片軟化(退火)，以及降低推動球硬度，進(jìn)而增加推動球磨損(粘著磨損)。

2.5 磨損形貌

圖4為發(fā)生嚴(yán)重磨損的推動球和簧片的表面形貌。由圖4(a)可知，磨損區(qū)域幾乎呈圓形，其直徑約100μm；對磨損區(qū)放大觀察發(fā)現(xiàn)，玻璃表面有相互垂直的溝槽即犁溝，表明玻璃的磨損屬于磨料磨損，如圖4(b)所示。

(a)磨損的推動球低倍形貌

簧片的磨損區(qū)域也幾乎呈圓形，其直徑也約100μm，如圖4(c)所示;放大后發(fā)現(xiàn)簧片表面有溝槽、麻坑和微裂紋等，屬于粘著-疲勞磨損，如圖4(d)所示。由表1可知，簧片上粘接有玻璃顆粒。

表1 簧片磨損區(qū)成分

2.6 磨損機(jī)理探討

一般情況下，當(dāng)推動球磨損時，簧片一定磨損且磨損嚴(yán)重；當(dāng)簧片輕微磨損時，推動球不會發(fā)生磨損。這是因為簧片的鍍金層很軟，塑性變形能力強(qiáng)，在與推動球接觸時容易變形，松弛了接觸應(yīng)力。當(dāng)簧片表面鍍金層磨損后，推動球?qū)⑴c簧片直接接觸，在進(jìn)行振動或機(jī)械壽命試驗時，推動球與簧片會發(fā)生相對運動，使兩者相互摩擦而導(dǎo)致磨損。推動球的硬度在530 HV左右，而簧片的硬度≥145Hv。由于推動球的硬度比簧片高，在磨損初期(磨合期)，推動球表面微凸起和簧片表面微凸起接觸，其接觸應(yīng)力很大，玻璃又是脆性材料，塑性幾乎為零，巨大的壓力可將玻璃表面的微凸起壓碎，使玻璃表面產(chǎn)生微裂紋及碎屑，碎屑將與簧片產(chǎn)生機(jī)械嵌合，而簧片由于具有較好的塑性，會發(fā)生塑性變形。實際上推動球的運動方向和簧片并不垂直，而是有一定的角度，在發(fā)生相對運動時(振動或推動時)，在切應(yīng)力的作用下，玻璃的碎屑由于與簧片表面相互嵌合，而與玻璃表面分離形成磨屑。形成磨屑后，在接觸面形成磨料磨損，磨損速度將加快。

玻璃球簧片發(fā)生相對運動時，簧片除了發(fā)生變形外，在其表面還會有因玻璃球硬凸起劃過而產(chǎn)生的犁溝。在多次反復(fù)擠壓后，簧片表面的位錯密度增加，晶粒變小，發(fā)生形變硬化，最后形成微裂紋(疲勞裂紋)，分離出微片或顆粒，這些顆粒又嵌在玻璃球表面，在簧片上形成麻坑。

在磨損過程中產(chǎn)生的玻璃碎屑，其硬度和玻璃相當(dāng)，在磨損時在玻璃表面不應(yīng)形成明顯的溝槽。要形成明顯的溝槽應(yīng)該有比玻璃更硬的磨粒存在。通過查閱相關(guān)資料，這種溝槽的產(chǎn)生可能與Cr2O3和MgO顆粒有關(guān)：(1)Cr2O3的硬度約1200Hv，它是玻璃的添加劑，由于其熔點很高(2435℃)，高溫?zé)Y(jié)后不完全溶解的玻璃中，而是在玻璃中彌散分布。(2)MgO的硬度約700Hv。它是簧片最重要的彌散強(qiáng)化相，在簧片基體上彌散分布。因此磨損后，有時能觀察到縱橫交錯的溝槽。

3 結(jié)束語

推動球磨損的隱患和危害較大，在產(chǎn)品使用周期內(nèi)，要減少或避免磨損，要從設(shè)計結(jié)構(gòu)和工藝兩個方面入手，設(shè)計方面要優(yōu)選摩擦副材料，選取高耐磨的材料制備推動球，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計以保證組裝的產(chǎn)品有足夠的抗震性，合理的鍍層設(shè)計以減少磨損；工藝方面要優(yōu)化工藝參數(shù)，以提高零件表面粗糙度，減少摩擦副零件的表面缺陷。