Материалы для электрических контактов

Общая характеристика

Электрические контакты должны свободно коммутировать токи от 10-9 до 109 А при напряжении от 10-7 до 106 В. По конструктивному исполнению, если исключить переходные формы, электрические контакты можно разбить на три группы:

— подвижные, функция которых замыкать и размыкать цепь при кратковременной либо длительной коммутации тока;

— скользящие, в которых происходит перемещение контактирующих поверхностей относительно друг друга без нарушения электрического контакта;

— неразъемные, в которых в процессе работы не происходит разъединения контактирующих поверхностей.

Требования к материалам электрических контактов

Материалы для коммутирующих контактов должны удовлетворять следующим основным требованиям: быть коррозионностойкими, стойкими против электрической эрозии и износа; не свариваться; обладать высокой механической износостойкостью, особенно на истирание; легко обрабатываться давлением и металлорежущим инструментом, а также прирабатываться друг к другу; обладать высокими теплофизическими характеристиками; иметь низкую стоимость.

Контактные сплавы на основе золота

Сплавы на основе золота предназначены для коммутации электрического тока до 5 А (в зависимости от конструкции прибора).

Контактные сплавы на основе золота отличаются высокой надежностью контактирования при низких электрических нагрузках. Наиболее полно контактные материалы характеризуются испытаниями в смешанной атмосфере, содержащей H2S, SO2 и NO2. При этом наблюдается увеличение контактного сопротивления всех сплавов, особенно резкое у сплавов с высоким содержанием Ag. Их не рекомендуется применять при повышенных требованиях к надежности контактирования.

Контактные сплавы на основе металлов платиновой группы

Контакты из чистой платины обладают низким и стабильным переходным сопротивлением, но подвержены мостиковой эрозии. Стойкость к эрозии и свариванию выше у сплавов Pt с Ni и Ir. Вместо сплавов Pt—Ir можно применять более экономичные сплавы Pt—Ru. Pd в качестве контактного материала в основном используют в виде гальванических покрытий и в сплавах с Ag. RIi применяют для покрытий прецизионных контактов. Толщина покрытия зависит от требований к механическому износу и составляет 2,5–50 мкм.

Области применения контактов

Ag—Pd: сигнальная аппаратура, телефонные реле, телефонные номеронабиратели, регуляторы напряжения, управление флюоресцентными лампами, бензино- и маслоизмерители, защитные устройства электродвигателей, органы телевизионного управления, выключатели холодильников и термостатов.

Ag-Pt: радиоаппаратура, приборы автоматики и настройки радио, радиовибраторы и устройства питания от сети радио, электромагнитные счетчики.

Pt—Ir: прецизионные реле, работающие без дуги; кассовые машины, пожарные сигнализаторы, телеграфные реле, малогабаритные и миниатюрные реле радиоэлектроники, регуляторы скорости, магнето авиационные, автомобильные и морские, пирометры, вибропреобразователи, промышленные регуляторы электронапряжения, электробритвы, термостаты и нагреватели, сигнальные реле.

Pt—Rh: магнето постоянного и переменного тока; термопары.

Pt—Ni: телеграфная и телефонная аппаратура.

Pt—Ru: регуляторы скорости, кассовые машины, пожарные сигнализаторы, бензино- и маслоизмерители, контрольные реле электрооборудования в авиации, регуляторы напряжения, магнето авиационные и морские, регуляторы освещения, реле железнодорожной сигнализации, термостаты и нагреватели, сигнальные реле.

Pd—Ag: прецизионные реле, сигнальная аппаратура, гнезда телефонных коммутаторов, телефонное оборудование, токосъемники потенциометров, промышленные регуляторы напряжения, звуковые реле, реле уличных сигналов.

Pd—Ag—Ni: часы, скользящие контакты прецизионных потенциометров, термостаты и нагреватели, сигнальные реле.

Pd—Ir; Pd—Ru: звуковое реле, вибрационные регуляторы напряжения и числа оборотов, вибрационные преобразователи, выпрямители.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ HA ОСНОВЕ ЗОЛОТА

Контактные сплавы на основе серебра

Чистое серебро редко используют для коммутирующих контактов. Вместо него в настоящее время применяют сплавы твердого Ag (до 3 % неблагородного легирующего компонента), которые обладают высокой эрозионной стойкостью и стойкостью к свариванию. Реже применяют сплавы Ag с Zn и Cd, а также с высоким содержанием Cu. Вместо них целесообразно использовать гетерогенные материалы, получаемые внутренним окислением (ВО) сплавов Ag. Метод ВО целесообразен также для упрочнения сплавов Ag—Pd .

Основным недостатком серебра как контактного материала является образование токонепроводящей пленки из сульфидов серебра в атмосфере, содержащей сернистые соединения. Стойкость серебра к потускнению повыщается при легировании Cd, Sb, Zn, Sn. Однако при низких электрических нагрузках эти сплавы имеют недопустимо высокое контактное сопротивление и в этих случаях рекомендуется применять сплавы Ag—Pd. Контактное сопротивление этих сплавов уменьшается с увеличением содержания Pd, а стойкость к эрозии минимальна у сплава Ag—10Pd.

Электролитические сплавы Ag с Ni и Со отличаются высокой механической износостойкостью и применяются для покрытий скользящих контактов. Покрытия из сплавов Ag—Pd отличаются стабильным и низким переходным сопротивлением во влажной среде и в 4-6 раз более износостойки, чем чистое серебро.

При I=10÷15 А, U=380 В хорошие эксплуатационные характеристики у контактов из сплавов Cu—Ag—Cd, содержащих 2-6 % Ag, их рекомендуется использовать вместо материалов с высоким содержанием Ag, например вместо металлокерамики СН30м.

Широко применяют контакты из различных композиций Ag—МеО, получаемых внутренним окислением сплавов. После ВО значительно

Наиболее широко в электротехнике применяют сплавы Ag—CdO (10–15 % CdO). Эффективность ВО повышается при окислении в кислороде при повышенном давлении и в атомарном кислороде.

При этом, помимо увеличения производительности процесса, улучшается стойкость к свариванию, уменьшается разрывное усилие при сваривании и обгорание за счет диспергирования оксидных частиц.

Добавки Be, Ce, Sc, Ba, Y, In, Ga, Sb, Sn, Те увеличивают стойкость к электрической эрозии материалов Ag—CdO, кроме того, добавки Be, Ce, Sc, La, Y, Ga ускоряют процесс ВО. Легирование Ca, Ni, Ti применяют для сдерживания роста зерна при ВО.

Основные области применения контактных серебряных сплавов

Ag: реле, сигнальная аппаратура, контакты вспомогательных цепей, термостаты, бытовые приборы, нагреватели воды, телефонная и телеграфная аппаратура, электроосаждение на контактные детали для электронной техники.

Твердое Ag: реле, магнитные пускатели, бытовые приборы, вспомогательные контакты автоматических выключателей.

Ag—Cu: реле, сигнальная аппаратура, светотехнические выключатели.

Ag—Cu—Ni: реле уличных сигналов, автомобильные и железнодорожные сигнальные реле, тепловые выключатели, преобразователи тока, авиационные реле и выключатели, управление флюоресцентными лампами, регуляторы освещения.

Ag—Cd: реле, бензо- и маслоизмерители, выключатели, стартеры, выключатели перегрузки холодильников и термостатов, тепловые выключатели.

Ag—Cd—Ni; Ag—Cd—Ni—Fe: реле — регуляторы напряжения.

Ag—Pd: сигнальная аппаратура, телефонные реле и номеронабиратели, бензо- и маслоизмерители, защитные устройства электродвигателей, органы телевизионного управления, контактные кольца.

Ag—Pt: радиоаппаратура, приборы автоматики, электромагнитные счетчики.

Ag—Mg—Ni; Ag—Au—Mg—Ni; Ag—Mg—Zr; Ag—Mg—Ni—Zr; Ag—Pd—Mg: заменители контактов из сплавов Pd—Ir, Au—Pd—Pt, Au—Ni, Au—Pt в малогабаритных и миниатюрных электромагнитных реле радиоэлектроники.

Ag—CdO: магнитные пускатели, реле среднего и тяжелого режима, автоматические терморегуляторы, контролеры электровозов и троллейбусов, концевые выключатели, бытовые приборы, кнопки управления.

Ag—CuO: сильно нагруженные контакты постоянного и переменного тока, авиационные реле среднего и тяжелого режима, автоматические предохранители, переключатели тепловозов. Порошковые контактные материалы

В тех случаях, когда применение метода ВО технически неоправданно для производства гетерогенных материалов Ag—MeO, применяют метод порошковой металлургии. Так же как при ВО, технология производства порошкового материала оказывает значительное влияние на дисперсность структуры и эксплуатационные характеристики контактного материала.

Помимо стандартных материалов Ag—CdO и Ag—CuO, известны материалы с высокой стойкостью к обгоранню и свариванию и со стабильным контактным сопротивлением: Ag-10 % ZnO и Ag—5 % PbO. Очень высокой стойкостью к обгоранию обладает материал Ag—10 % SnO2. При использовании этого материала вместо Ag—12 % CdO гарантируемый срок службы при I=1000 А обеспечивается при уменьшении объема контакта на ~37,5 %.

Псевдосплавы Ag—Ni отличаются высокой пластичностью (при 10–20% Ni), что позволяет плакировать ими медь и медные сплавы. По стойкости к обгоранию они значительно превосходят серебряные сплавы, но уступают материалам Ag—CdO различного состава и способа производства.

Псевдосплавы Ag—Ni применяют в качестве материала подвижного контакта в паре с неподвижным контактом из Ag—С в автоматических выключателях. Такое сочетание обеспечивает приемлемую эрозионную стойкость и стойкость к свариванию контактной пары.

Контактное сопротивление композиций Ag—W и Ag—WC снижается с увеличением силы тока вследствие разрушения поверхностных пленок. Стойкость к обгоранию композиций Ag—WC несколько выше, чем Ag—W, и часто подвижный контакт из Ag—WC используется в паре с неподвижным контактом из Ag—W при тяжелых режимах работы.

Наиболее высокая стойкость к свариванию у материалов Ag—С, Ag—W и Ag—CdO

Композиция Ag—MoS2 обладает высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения в паре с бериллиевой бронзой и может использоваться для изготовления скользящих контактов.

Дисперсноупрочненное золото является перспективным контактным материалом, так как обладает низким контактным сопротивлением, стойко к обгоранию и свариванию. Материал, содержащий до 1 % (объемн.) дисперсного оксида, обладает высокой прочностью и пластичностью, а электрические свойства его практически соответствуют свойствам чистого золота.

При упрочнении золота оксидами значительно возрастает стойкость к механическому износу.

Области применения псевдосплавов на основе серебра для контактов

Ag—Ni: средненагруженные контакторы и магнитные пускатели, установочные и универсальные автоматические выключатели, реле цепей сигнализации и автоматики железных дорог, реле сварочных машин, контакторы автопогрузчиков, регуляторы напряжения, бытовые автоматические предохранители, светорегуляторы.

Ag—С; установочные и универсальные автоматические выключатели, электроутюги с терморегуляторами, реле сигнализации железных дорог, переключатели диапазонов и выключатели радиоприемников, вспомогательные контакты воздушных выключателей.

Ag—Ni—С: установочные и универсальные автоматические выключатели (в паре с контактами из AgNi).

Ag—W: магнитные пускатели и контакторы с большой частотой включений, выключатели бытовых электроприборов, барабанные переключатели, кнопки управления, высоковольтные переключатели, центробежные регуляторы оборотов электродвигателей постоянного тока, контакты мощных регулирующих трансформаторов, устройства питания радиоприемников, вибраторы, стартеры, кассовые аппараты, тяжело-нагруженные реле и выключатели авиационного оборудования. Контактные материалы с волокнистой структурой

Композиционные материалы с волокнистой структурой являются наиболее современными в технологии изготовления контактных материалов. Значительное упрочнение достигается при армировании серебра волокнами вольфрама, молибдена, никеля, стали. Известны результаты по упрочнению серебра монокристаллическими нитями Al2O3 и Si3N4. Степень упрочнения при армировании зависит от параллельности волокон в матрице, расстояния между волокнами, их непрерывности и объемного содержания. Композиционные материалы обладают сильной анизотропией свойств и при ориентации волокон перпендикулярно контактной поверхности можно достичь уменьшения обгорания и сваривания контактных материалов. У серебра, армированного непрерывными волокнами никеля, более чем на 50 % снижается обгорание по сравнению с обычным порошковым материалом. При этом волокнистый материал обладает гораздо большей пластичностью и выдерживает большую степень деформации при высадке заклепок, чем спеченный материал. Существенное улучшение контактных свойств достигается при использовании монокристаллических нитей графита вместо его порошка при производстве материалов на базе Ag—С.

Перспективно применение армированных материалов для контактных пружин. Армированные серебряные материалы обладают наилучшими сочетаниями пружинных свойств и электропроводности среди используемых в настоящее время материалов для контактных пружин.

Материалы, содержащие дисперсные оксиды, после экструзии или волочения также приобретают волокнистую структуру с расположением волокон вдоль продольной оси полуфабриката. Контакты из таких материалов с расположением волокон перпендикулярно поверхности контактирования в зависимости от вида оксида в ряде случаев имеют более высокую стойкость к свариванию и обгоранию, чем порошковые материалы; при этом уменьшается время воздействия электрической дуги на поверхность контактирования.

Направленной кристаллизацией получен сплав Ag—28 % Cu с волокнистой структурой, обладающей высокой стойкостью к свариванию.