Драгметаллы в разрывных контактах

Разрывные контакты являются основой для работы многих электрических приборов, например, таких как реле, контакторы, выключатели. Разрывные контакты из трех существующих видов контактов выделяются тем, что предназначены для работы в самых трудных условиях. В советской радиоэлектронной промышленности, особенно в ответственных приборах, при производстве разрывных контактов применялось большое количество благородных металлов. В данной статье рассмотрим виды разрывных контактов и особенности использования в них драгоценных металлов в зависимости от вида разрывных контактов.

Основные требования, которым должен удовлетворять материал для разрывных контактов, заключаются в следующем:

1) контакты не должны при работе подвергаться коррозии, ведущей к неустойчивости и полному нарушению контактной проводимости;

2) контакты не должны подвергаться электрическому износу или эрозии, ведущей к образованию кратеров и наростов вследствие переноса металла на контактных поверхностях в виде игол, бугров, крючков и др.;

3) контакты не должны свариваться. Кроме того, контакты должны иметь достаточно высокое сопротивление механическому износу, легко обрабатываться, иметь высокую электро- и теплопроводность и, наконец, относительно низкую стоимость.

Все материалы для разрывных контактов должны быть разделены на две основные группы:
1) материалы для маломощных контактов и
2) материалы для мощных контактов.

К первым относятся металлы и сплавы типа твердых растворов, отвечающие определенным требованиям в отношении тугоплавкости, твердости, окисляемости и других свойств, ко вторым — металлокерамические композиции.

Металлы и сплавы для маломощных контактов

В таблице ниже приведены характеристики металлов, применяемых для контактов. Из этих металлов в чистом виде для контактов широко применяется серебро и иногда платина, золото, родий, а из неблагородных металлов — вольфрам, медь и редко молибден, никель. Прочие металлы применяются в виде сплавов.

Таким образом, высшие по своим характеристикам практически доступные металлы — среди неблагородных — вольфрам и среди благородных — платина — имеют применение в чистом виде в качестве контактов. Их высоким термическим свойствам отвечают и наиболее высокие параметры характеристики дуги.

Можно считать, что в чистом виде практически использованы в качестве контактных материалов все металлы, от которых можно было бы ожидать удовлетворительных контактных свойств при работе в воздухе.

Сплавы, которые могут теоретически служить для контактов, по составу и структуре распределяются на пять групп:
а) сплавы благородных металлов, образующие непрерывные ряды твердых растворов;
б) сплавы неблагородных металлов с благородными того же типа;
в) сплавы неблагородных металлов того же типа;
г) сплавы благородных металлов с неблагородными, образующие ограниченную область твердых растворов;
д) сплавы эвтектического типа.

Из первой группы в качестве контактных материалов широко применяются сплавы:
Au—Ag, Pd—Ag и Pt—Ir.

Наиболее стойкими, судя по твердости и точкам плавления компонентов, из двойных сплавов платиновой группы можно предположить сплавы Os — Ru, однако обращает на себя внимание очень высокая относительная летучесть компонентов этих сплавов по сравнению с платиной; это свойство должно понижать их сопротивление эрозии.

Имеются указания на применение для контактов сплавов Pt — Os, Ir — Os и Pt — Ru, которые по термическим свойствам компонентов стоят выше Pt — Ir сплавов, но высокая летучесть рутения и особенно осмия вызывает сомнение относительно их сопротивляемости эрозии при дуговых разрядах. Компоненты этих сплавов относятся к разным типам кристаллической решетки и, вероятно, не образуют непрерывного ряда твердых растворов.

Из сплавов второй группы, т.е. сплавов благородных металлов с неблагородными, образующими непрерывные ряды твердых растворов, известны, как контактные, сплавы с медью золота, палладия и платины, а также платины и никеля. Они уступают первой группе в отношении коррозии и эрозии, так как их точки плавления ниже, чем у сплавов благородных металлов.
Сплавы третьей группы, т. е. неблагородных металлов, образующих непрерывные ряды твердых растворов, как контактные материалы, непригодны при работе в воздухе вследствие окисления.

Но в вакууме могут оказаться пригодными сплавы этой группы, особенно такие, как W—Mo, W—Та, Мо—Та.

Применяются также двойные и более сложные сплавы для контактов, содержащие в основе медь, серебро, палладий с примесью легко окисляющихся металлов: кадмия, магния, алюминия, индия, свинца и др. Сопротивление эрозии этой группы сплавов основывается на защитном действии оксидных пленок, препятствующих испарению, но не препятствующих контактной проводимости при замыкании вследствие хрупкости, пористости или электропроводности.

Сплавы серебра подобного типа довольно хорошо сопротивляются коррозии, сохраняя низкое контактное сопротивление. Сопротивление эрозии сплавов этой группы определяется в первую очередь химическими, а не физическими свойствами компонентов и не связано с типом диаграммы состояния сплавов. Поэтому сплавление благородных металлов с незначительными количествами окисляющихся является особым методом повышения сопротивления эрозии контактных материалов.

Из группы сплавов эвтектического типа широко известны, как контактные, только сплавы Ag — Сu.

О применении сплавов более сложного состава, чем бинарные, имеются только единичные указания. Известны сплавы Au — Ag — Pt, Ag — Pd — Co, W — Pt — Ir. Например, первый из них широко применяется в телефонии.

Сплавы Pt — Ir, как и чистые платина, золото и другие драгоценные металлы, не свободны от некоторых видов сильно выраженной эрозии, а именно от образования игл при токах ниже предела дугообразования. Наиболее стойкие против эрозии неблагородные металлы — вольфрам и молибден — менее склонны к образованию игл и к переносу металла вообще, но окисляются, особенно при дуге размыкания.

Стремление объединить свойства обеих групп металлов привело к созданию контактов, состоящих из сплавов платиновых и тугоплавких металлов.

Испытания контактов из этих сплавов показали, что сплавы отчасти сохраняют недостатки, свойственные их компонентам. Так, молибден придает сплавам окисляемость и делает их негодными для работы в воздухе. Сплавы, содержащие вольфрам, окисляются меньше. Сплавы, содержащие платину и иридий, сохраняют свойственную этим металлам склонность к образованию игл. Все же в отношении эрозии сплавление металлов платиновой группы с вольфрамом дает заметный эффект. Ниже более подробно рассматриваются главнейшие контактные металлы и сплавы.

Все применяемые на практике контактные металлы и сплавы мы разделяем на пять групп:
1) металлы платиновой группы и их сплавы;
2) сплавы золота;
3) серебро и его сплавы;
4) металлы вольфрамовой группы и их сплавы;
5) прочие металлы и сплавы.

Металлы платиновой группы и их сплавы

Платина в воздухе не корродирует, и применение ее, как и большинства других благородных металлов и сплавов, обеспечивает устойчивость контактной проводимости. Высокие параметры характеристики дуги обуславливают высокое сопротивление образованию дуги в контактах. Платина имеет хорошие технологические свойства и легко поддается механической обработке. Однако, платина, как и ее сплавы, склонна к образованию мостиков и игл при малых токах. Вследствие малой твердости платина редко применяется для контактов в чистом виде, а служит основой для многих контактных сплавов.

Сплавы платины с иридием являются наиболее распространенными и применяются для наиболее ответственных маломощных и прецизионных контактов. Не окисляясь, как и платина, эти сплавы особенно хорошо противостоят дугообразованию, обладают высокой твердостью и поддаются механической обработке при содержании иридия до 30%.

  

Диаграмма состояний и свойства сплавов палладий-серебро.

В таблице приведена длительность службы контактов из платины и платиноиридиевого сплава с 10% 1 г по сравнению с другими металлами.

Из других сплавов платины для контактов применяются сплавы с Pd, Ru, Os, Ag, Cu, Ni, W.
В таблице даны некоторые характеристики и область применения главнейших платиновых сплавов, применяемых для контактов.

Палладий по ряду свойств близко соответствует платине. Заметная разница имеется только в температурах плавления и кипения, а также в летучести и катодной распыляемости, которая по опытным данным для платины составляет 40, а для палладия — 100 относительных единиц. В отношении окисления в воздухе палладий также несколько менее стоек, чем платина, так как тускнеет при 500—600° С, хотя окислы его нестойки и разлагаются при более высоких температурах. Указанные недостатки несколько снижают ценность палладия как материала для контактов по сравнению с платиной; тем не менее: палладий вследствие меньшей стоимости привлекает к себе внимание в качестве заменителя платины.

Примерно до 50-х годов 20 века наибольшей известностью пользуются сплавы палладия с серебром. По опытным данным эти сплавы дают минимумы на кривой эрозии при средних атомных составах, подобно сплавам золота с серебром. Защитное действие палладия против образования сульфидных пленок сказывается при атомном содержании палладия выше 50%.

Поэтому особую ценность представляют сплавы, богатые палладием, например с 60% Pd.

Для малых контактов применяется тройной сплав: 70% Ag, 25% Pd и 5% Со. Из сплавов палладия с неблагородными металлами для контактов применяются сплавы с медью.

Из сплавов других платиновых металлов известно применение сплава осмия с иридием (50: 50). Сплав очень тверд и дорог, но все же применяется в редких случаях для особо прецизионных малых контактов.
Среди металлов платиновой группы, применяемых в чистом виде, следует упомянуть родий. По своим свойствам: твердости, тугоплавкости, электро- и теплопроводности и малой летучести при неспособности тускнеть на воздухе родий представляет собой прекрасный материал для прецизионных контактов. Вследствие невозможности механической обработки и дороговизны родий не применяется в виде массивных контактов (заклепок и т. п.), но применяется в виде электрохимических покрытий толщиной от 2,5 до 50 μ, при серебряном подслое. Электролитически осажденный родий отличается очень высокой твердостью — 800 по Виккерсу — и блестящим, не тускнеющим видом.

Толщина слоя родия берется в зависимости от условий работы контактов, но во всяком случае этого рода контакты предназначаются для работы без дуги или искр. Они пригодны для цепей с низким напряжением и малым током (например радиоаппаратура), где требуются постоянство контактного сопротивления и малый износ контактов.

Золото и его сплавы

Золото имеет более низкое напряжение дуги и особенно низкий минимальный ток, вследствие чего оно более, чем платина, склонно к дугообразованию. Положительный перенос металла на контактах из золота значительно больше, чем на контактах из платины. Контакты из золота склонны к свариванию и образованию игл при малых токах. В чистом виде золото применяется редко лишь для прецизионных контактов, работающих при малом контактном давлении и низком напряжении.
Чаще применяются для контактов сплавы золота с серебром, диаграмма состояния и некоторые свойства которых изображены на рисунке ниже. Кривые, изображенные на рисунке, вообще типичны для сплавов, образующих непрерывные ряды твердых растворов.

Диаграмма состояний и свойства сплавов серебро-золото.

Особый интерес представляют собой сплавы с 50% серебра, дающие минимум эрозии и максимум твердости. Однако, сплавы золота с серебром склонны к свариванию и пригодны только при малых токах.
Из двойных сплавов золота с платиной некоторыми авторами рекомендуется сплав с 7% платины. При этом составе сплав дает резкое уменьшение положительного переноса металла по сравнению с чистым золотом, таким образом потеря металла от распыления очень мала. Контактная поверхность получается ровная, даже при значительных токах (до 15 А при 30 V). Склонность к свариванию у этого сплава меньше, чем у платины.

Из более сложных сплавов золота для контактов применяется тройной сплав, содержащий: 70% An, 24% Ag, 6% Pt.

Серебро и его сплавы

Чистое серебро, как и золото, склонно к образованию дуги. Величина эрозии серебра, выраженная в весовых единицах на кулон, того же порядка, что и золота, но объемный перенос металла на серебряных контактах значительно больше, чем у золота и платины. Вследствие этого эрозия и перенос металла у серебряных контактов резко выражены как при дуге, так и при гашении дуги конденсатором. При дуговых разрядах сравнительно небольшой мощности серебряные контакты легко привариваются друг к другу. Продолжительность службы серебряных контактов значительно меньше, чем у платины или платиноиридиевых сплавов.
На рисунке ниже показано влияние на удельное сопротивление серебра небольших примесей других металлов. Для чисто серебряных контактов применяется серебро не ниже 99,9% чистоты.
Серебро под действием электрических разрядов окисляется, что видно по темному цвету работавших контактов, но окислы серебра электропроводны и легко диссоциируют (температура диссоциации ~ 300° С). Вследствие этого окисление почти не сказывается на устойчивости контактного сопротивления серебряных контактов, за исключением прецизионных контактов с очень малым контактным давлением. На серебро не оказывает влияния также сернистый газ, но серебряные контакты портятся от сероводорода, в результате действия которого образуется сульфидная пленка и контактное сопротивление может вырасти в несколько раз. Поэтому серебряные контакты не рекомендуется применять по соседству с эбонитом или вулканизированной резиной.
Несмотря на указанные недостатки, благодаря высокой электропроводности, низкому контактному сопротивлению, хорошим технологическим свойствам и невысокой стоимости контакты из серебра получили широкое применение в разнообразной аппаратуре различной мощности.

Влияние примесей на электросопротивление серебра.

Из сплавов серебра наиболее употребительны сплавы с медью. Таковыми являются торговое и монетное серебро, содержащие соответственно 7,5 и 10% меди. Медь увеличивает твердость и понижает эрозию серебра. Контакты начинают значительно окисляться при содержании меди выше 50%. Для контактов, работающих с образованием дуги и при малом контактном давлении, серебряномедные сплавы непригодны, так как их контактное сопротивление неустойчиво из-за окисления.

Из прочих сплавов на серебряной основе применяются сплавы с добавкой легко окисляющихся примесей кадмия, магния, алюминия, свинца, индия, марганца. Среди них широкое практическое применение получили сплавы с кадмием. Благодаря особым свойствам его окиси кадмий способствует гашению дуги и понижает свариваемость контактов. Подробнее это свойство окиси кадмия нами рассматривается в главе о металлокерамических контактах. По-видимому, благоприятное влияние кадмия сказывается при достаточно мощных контактах, так как опыт применения серебрянокадмиевых сплавов для контактов малой мощности никаких преимуществ в отношении эрозии и сваривания не показал. Кадмий лишь несколько уменьшает иглообразование при малых токах.

Сплавы серебра с платиной, палладием и золотом рассмотрены в предыдущих параграфах.

Диаграмма состояний и свойства сплавов серебро-медь.

Композиции для мощных контактов

Если просмотреть известные системы из тугоплавких и электропроводных металлов, практически не сплавляющихся между собой, то увидим, что условиям, предъявляемым к контактным композициям, удовлетворяют в большей или меньшей степени системы:
1) серебро с кобальтом, никелем, хромом, молибденом, вольфрамом, танталом;
2) медь с вольфрамом и молибденом;
3) золото с вольфрамом и молибденом.
Практически применяемые бинарные и более сложные композиции содержат в основном именно указанные комбинации металлов. В некоторых случаях составы усложняются специальными примесями, но отмеченный выше принцип выбора основных компонентов для композиций соблюдается всегда.
Наибольшее распространение получили композиции: серебро—вольфрам, серебро—молибден, серебро — никель, медь — вольфрам, медь — молибден.
Вследствие несплавляемости компонентов композиции готовятся методами металлокерамики, главным образом: спеканием смесей металлических порошков; 2) пропиткой компонента В расплавленным компонентом А. В результате получается тесная механическая смесь компонентов А и В, причем стремятся, чтобы оба компонента представляли собой непрерывные, взаимно переплетающиеся скелеты. При такой микроструктуре и при правильно подобранных гранулометрических составах порошков достигается наиболее выгодное сочетание электропроводности и термической устойчивости композиций.
Важным достоинством метода спекания порошков является получение сплавов или композиций любого заданного состава. Однако, структурные требования, предъявляемые к контактным композициям, при этом методе не всегда могут быть выдержаны. На структуру композиций влияют такие факторы, как гранулометрический состав порошков, форма зерен, условия прессовки и спекания. Поэтому состав композиций подбирается обычно путем опыта, а для проверки качества их может быть применена термическая проба.

Композиции, содержащие окись кадмия

Особый тип представляют контактные композиции, в которых роль компонента В исполняют некоторые химические соединения, например окись кадмия. Контакты этого типа представляют собой двухфазные композиции, в которых роль токоведущей составляющей играет основная масса серебра, а роль тугоплавкой составляющей — окись кадмия.
Как и в других композициях компонент В, окись кадмия препятствует вытеканию серебра из пор при термической пробе. Однако, роль окиси кадмия этим не ограничивается.
Среди других темных окислов окись кадмия имеет весьма высокую удельную электропроводность, что обеспечивает отсутствие нарушений контактной проводимости в контактах, наблюдающихся при замене ее другими окислами.
Другим особым свойством окиси кадмия является диссоциация ее выше 900° С на пары металла и кислород. В районе 900° С диссоциация окиси кадмия очень мала, но она резко возрастает с температурой. Поэтому при температурах дуги окись кадмия: взрывообразно разлагается на кислород и пары кадмия (точка кипения кадмия 770°С). Это явление может оказывать выдувающее и деионизирующее действие на дугу. Таким образом, особые свойства окиси кадмия: электропроводность и диссоциация с образованием газообразных продуктов, делают ее пригодной для электрических контактов.
Преимущество контактов с окисью кадмия по сравнению с композициями, содержащими тугоплавкие металлы, состоит в том, что они не образуют непроводящие оксидные пленки, требующие для их разрушения высоких контактных давлений и вследствие этого могут быть применены при давлениях всего в несколько сот грамм. Этим определяется область применения контактов типа ОК: аппараты повышенной мощности с невысоким контактным давлением.

в) Характеристики применяемых на практике металлокерамических контактов

Металлокерамические контакты получили широкое применение для разных условий службы.

В приведенной выше таблице дано сравнение составов и свойств контактов из композиций заграничных и изготовленных в СССР методами спекания и пропитки. Пропитанные контактные композиции отличаются от спеченных большей плотностью и твердостью. Электрический износ композиций этого типа очень мал, и они отличаются высоким током и малой прочностью приваривания друг к другу при работе на электрических аппаратах. Эти свойства делают их пригодными для мощных контактов, с большим контактным давлением, испытывающих сильные удары при замыкании (контакторы, сварочные аппараты). Недостатком их является пониженная электропроводность. Поэтому композиции рассматриваемого типа в основном применяются в виде тонкой облицовки, напаянной на контактные поверхности выключателей или сварочных электродов.

Контакты мощного контактора с облицовкой из композиции вольфрам-медь.

Пары контактов из разных металлов

Процессы дугообразования, а также эрозии анода в паре разных контактов определяются, главным образом, анодом. Кроме того, известно, что изменения контактной проводимости также зависят в первую очередь от окисления анода. Отсюда следует, что если взять в качестве анода в цепи с емкостью металл с высоким сопротивлением дугообразованию, с малым положительным переносом и не окисляющийся, то независимо от металла катода пара контактов должна работать сообразно характеристикам анода. В качестве материала для катода предпочтительнее металлы со значительно более высокой температурой плавления, чем металл анода, что должно затруднять оплавление и тем самым сваривание контактов. Поэтому для анода можно считать пригодными благородные металлы, и для катода — вольфрам, молибден и их сплавы. Пара вольфрам-серебро в цепи с емкостью часто применяется на практике.