Материалы, используемые для изготовления электрических контактов

Материалы, используемые для изготовления электрических контактов

От материала контакта в сильной степени зависят его срок службы и надежность работы.

Требования, предъявляемые к материалам контактных соединений:

2. Стойкость против коррозии.

3. Стойкость против образования пленок с высоким r.

4. Малая твердость материала, для уменьшения силы нажатия.

5. Высокая твердость для уменьшения механического износа при частых включениях и отключениях.

7. Высокая дугостойкость (температура плавления).

8. Высокое значение тока и напряжения, необходимые для дугообразования.

9. Простота обработки и низкая стоимость.

Перечисленные требования противоречивы, и почти невозможно найти материал, который удовлетворял бы всем этим требованиям.

Для контактных соединений применяются следующие материалы:

Медь. Удовлетворяет почти всем перечисленным выше требованиям, за исключением коррозионной стойкости. Оксиды меди имеют низкую проводимость. Медь — самый распространенный контактный материал, используется как для разборных, так и для коммутирующих контактов. В разборных соединениях применяют антикоррозионные покрытия рабочих поверхностей.

В коммутирующих контактах медь применяется при нажатиях свыше 3 Н для всех режимов работы, кроме продолжительного. Для продолжительного режима медь не рекомендуется, но если она применена, то следует принять меры по борьбе с окислением рабочих поверхностей. Медь может использоваться и для дугогасительных контактов. При малых контактных нажатиях (Р

Серебро. Очень хороший контактный материал, удовлетворяющий всем требованиям, за исключением дугостойкости при значительных токах. При малых токах обладает хорошей износостойкостью. Оксиды серебра имеют почти такую же проводимость, как и чистое серебро. Серебро используется для главных контактов в аппаратах на большие токи, для всех контактов продолжительного режима работы. В контактах на малые токи при малых нажатиях (контакты реле, контакты вспомогательных цепей).

Серебро обычно применяется в виде накладок — вся деталь выполняется из меди или другого материала, на который приваривается (припаивается) серебряная накладка, образующая рабочую поверхность.

Алюминий. По сравнению с медью обладает значительно меньшими проводимостью и механической прочностью. Образует плохо проводящую твердую оксидную пленку, что существенно ограничивает его применение. Может использоваться в разборных контактных соединениях (шинопроводы, монтажные провода). Для этого контактные рабочие поверхности серебрятся, меднятся или армируются медью.

Следует, однако, иметь в виду невысокую механическую прочность алюминия, вследствие чего соединения могут со временем ослабнуть и контакт нарушится (не следует завышать контактное нажатие). Для коммутирующих контактов алюминий непригоден.

Платина, золото, молибден. Применяются для коммутирующих контактов на очень малые токи при малых нажатиях. Платина и золото не образуют оксидных пленок. Контакты из этих металлов имеют малое переходное сопротивление.

Вольфрам и сплавы из вольфрама. При большой твердости и высокой температуре плавления обладают высокой электрической износостойкостью. Вольфрам и сплавы вольфрам — молибден, вольфрам — платина, и другие применяются при малых токах для контактов с большой частотой размыкания. При средних и больших токах они используются в качестве дугогасительных контактов на отключаемые токи до 100 кА и более.

Температуры плавления различных проводниковых материалов

Металлокерамика — механическая смесь двух практически не сплавляющихся металлов, получаемая методом спекания смеси их порошков или пропиткой одного расплавом другого. При этом один из металлов имеет хорошую проводимость, а другой обладает большой механической прочностью, является тугоплавким и дугостойким. Металлокерамика, таким образом, сочетает высокую дугостойкость с относительно хорошей проводимостью.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Машиностроение и механика

В качестве контактных материалов используются чистые тугоплавкие металлы и различные сплавы, а также металлокерамические композиции. Наиболее ответственные контакты служат для периодического замыкания и размыкания электрических цепей, особенно сильно точных. По условиям работы контакты делят на неподвижные, разрывные или скользящие, к ним предъявляются разные требования, и, следовательно, используются разные материалы. По значению коммутируемого тока контакты делят на слаботочные — до единиц ампера и сильноточные — для токов от единиц до тысяч ампер. Контакт должен быть надежным соединением двух проводников, способных проводить электрический ток с малым и стабильным во времени электрическим сопротивлением.

Структура площади контакта состоит из: “площадок” с металлическим

контактом, сопротивление которых определяется суммарным сопротивлением металлов пары, образующих контакт, через который протекает ток без переходного сопротивления; контактных площадок, покрытых тонкими адгезионными пленками, пропускающими ток благодаря туннельному эффекту; площадок, покрытых пленками оксидов и сульфидов, являющимися изолирующими и не пропускающими электрический ток. Общая площадь контакта, опредёляемая как сумма этих площадок, оказывается значительно меныпе контактной поверхности, представляющей условную площадь контакта. При этом состояние поверхностей контактов непосредственно влияет на переходное сопротивление и нагрев контактов при прохождении через них тока. Переходное сопротивление многоточечного контакта, имеющего п контактирующих поверхностей первого вида, если они все нагружены до предела текучести материала контактов, определяется по формуле

Rn = r / 2 ( p s / ( n F )1/2, (3.5)

где r — удельное сопротивление материала контактов; s — предел текучести материала контактов при сжатии; n — число ко y тактирующих поверхностей; F — сила контактного c жатия.

Если контакты плоские, то их переходное сопротивление обратно пропорционально силе нажатия F .

Основные причины износа контактов при их эксплуатации зависят от условий эксплуатации. но сводятся к следующим эрозия контактов — нарушение формы рабочих поверхностей. перенос материала с одного контакта на другой, образование кратеров. наростов и даже заклинивание контактов; электрический износ контактов, обусловленный электрической дугой, искрением Контактов при размыкании и вибрацией контактов; механический износ, связанный не только с силой удара контактов, но и с контактным нажатием и частотой замыканий контакта; химический износ, на который влияют состав окружающей среды, ее влажность и температура на поверхности контактов; сваривание в отрыв в зависимости от силы контактного нажатия, вибрации и термического действия тока на контакты, усилие при размыкании сварившихся контактов и плохое прикрепление контактов к контактодержателю. В качестве материалов для слаботочных контактов обычно используются благородные и тугоплавкие металлы — серебро, платина, палладий, золото, вольфрам и их сплавы.

Большинство благородных металлов обычно применяют для контактов в виде гальванического покрытия ( кроме серебра, которое может применяться в чистом виде ). Твердость покрытий в этом случае существенно выше, чем у более толстых слоев металла. Например, для серебра твердость по Бринеллю составляет в толстом слое порядка 25, а в виде Гальванического покрытия может достигать 100. Гальванические покрытия более износостойки в электрическом поле. Толщина гальванопокрытия обычно колеблется в пределах от 1 мкм до нескольких десятков микрометров. Для сильноточных контактов обычно используются медь, серебро, их сплавы, а также композиционные материалы, получаемые методом порошковой металлургии, состоящие из компонентов, не обладающих взаимной диффузией и представляющих смесь обычно двух — трех фаз, одна из которых значительно более тугоплавкая, чем другая. Наиболее распространенные композиции — это серебро — оксид кадмия; серебро – никель; серебро — графит; серебро — никель — графит; серебро — вольфрам; серебро — оксид меди; медь — вольфрам; медь — графит. Серебро и медь обеспечивают высокую электра и теплопроводность, а тугоплавкая часть повышает износостойкость, термостойкость и сопротивление свариванию контактов В низковольтных аппаратах часто используется серебро — оксид кадмия; для высоковольтных (дугогасительных камер) — железо — медь — висмут и др.

Основные области применения контактных материалов:

серебро — реле, сигнальная аппаратура. телефонная и телеграфная аппаратура, магнитные пускатели, управление флуоресцентными лампами, контакты вспомогательных цепей контакторов и магнитных пускателей и пр.;

серебро медь — реле, телефонные реле, радиоапi1iаратура и т.д.;

серебро медь — никель — стенные выключатели, реле уличных сигналов, преобразователи тока, реле автоматики и настройки радио, авиационные легко- и средненагруженные реле, электромагнитные счетчики, автомобильные и железнодорожные сигнальные реле и пр.;

серебро — кадмий — реле, выключатели перегрузки и термостаты холодильников, стартеры, тепловые выключатели;

серебро — кадмий – никель; серебро — кадмий — индий — реле в диапазоне токов от десятых долей ампера до 30 А;

серебро — палладий — сигнальная аппаратура, телефонные реле и номеронабиратели, органы ТВ управления, выключатели и термостаты холодильников, контактные кольца и пр.;

серебро — платина — радиоаппаратура, электромагнитные счетчики;

серебро — оксид циркония — выключатели, репе на токи от мАдо 100 А;

платина — иридий — прецизионные реле, работающие без дуги, часы, реле радиоэлектроники, морские и автомобильные регуляторы скорости, электробритвы, термостаты и нагреватели, сигнальные реле, телеграфные реле и пожарные сигнализаторы;

платина — родий — генераторы переменного тока (маломощные);

платина — никель — телефонная и телеграфная аппаратура;

золото — серебро, золото — серебро — платина — прецизионные реле, работающие без дуги, измерительные приборы, телефонная и телеграфная аппаратура, скользящие контакты потенциометров в слаботочной технике;

вольфрам — кассовые аппараты, прерыватели зажигания в автомобилях и тракторах, масло и бензиноизмерители, контрольные реле в авиа приборах, реле-регуляторы напряжения. часы, телетайпы, телеграфные реле, электробритвы, вакуумные низко и высоковольтные выключатели. электроды ртутных выключателей;

серебро — оксид меди — сильнонагруженные контакторы переменного и постоянного тока, автоматические предохранители, тепловозостроение;

серебро — вольфрам — магнитные пускатели и контакторы с большой

частотой включений, выключатели бытовых приборов. кнопки управления, высоковольтные выключатели, контакты мощных регулирующих трансформаторов, тяжелонагруженные реле, выключатели авиационного оборудования, стартеры, выпрямители тока и т. д.;

медь — вольфрам — мощные масляные и воздушные высоковольтные выключатели, малогабаритные высоковольтные выключатели, дверные выключатели морских судов, контакты к аппаратам стыковой сварки, мощные масляные выключатели дуговых печей и преобразователи тока;

медь — молибден — маломаслянные высоковольтные выключатели.

Этот ряд можно продолжить, т.к. для замены контактов из сплавов благородных и просто дорогих металлов часто используются сплавы, в которых драгметаллы присутствуют в малых количествах ( серебро — магний — никель, серебро — магний — никель — цирконий и ряд др.). Кроме того, в этом списке не указан ряд сплавов из благородных металлов. С ними можно познакомиться в соответствующей литературе.

Выбор материала контактов вакуумных камер выключателей

Известно, что электрическая дуга в вакууме существует не за счет ионизированных газов, как во всех остальных типах дугогасительных устройств, а за счет ионизированных паров металла, испаряющегося с поверхности электродов. Поэтому характер дуговых процессов в вакууме существенно зависит от свойств контактного материала.
В первых образцах вакуумных выключателей в качестве материала контактов широко применялся вольфрам. Он, как и другие тугоплавкие материалы с низким давлением пара, имеет ряд преимуществ при использовании. Вследствие малого эрозионного износа тугоплавкие контакты обеспечивают большой срок службы камеры, обладают хорошей стойкостью к свариванию, высокой механической прочностью. Кроме того, металл с низким давлением пара определяет высокую скорость восстановления электрической прочности промежутка.
Однако по мере развития вакуумных дугогасительных устройств у вольфрама и других подобных материалов был обнаружен ряд существенных недостатков. Основной недостаток заключается в том, что вследствие низкого давления пара и большой работе выхода вольфрама плотность пара при малых токах резко падает, и задолго до перехода тока через нулевое значение дуга гаснет. На рис. 1 приведены зависимости средней продолжительности горения дуги между электродами из различных материалов от тока (металлы располагаются слева направо в порядке уменьшения устойчивости дуги), а на рис. 2 — температурные зависимости давления паров для тех же металлов. Из зависимостей следует, что между стабильностью дуги и давлением паров существует положительная связь. Это значит, что для обеспечения низкого значения тока среза необходимо использовать материалы с высоким давлением паров.

Рис. 1. Зависимость устойчивости горения дуги от тока для различных контактных материалов: 1 — висмут; 2 — цинк; 3 — серебро; 4 — медь; 5 — вольфрам: 6 — молибден

Кроме того, было установлено, что скорость восстановления электрической прочности вакуумного промежутка между вольфрамовыми контактами высока лишь при небольших значениях тока. Для коммутации больших токов тугоплавкие металлы не могут быть использованы, так как за время горения дуги они нагреваются до очень высоких температур, и в процессе восстановления электрической прочности промежутка они становятся интенсивным источником термоавтоэлектронной эмиссии. Происходит пробой промежутка восстанавливающимся напряжением.

Рис. 2. Зависимость давления насыщенных паров металлов от температуры
1 — висмут, 2 — цинк: 3 — серебро: 4 — медь: 5 — вольфрам: 6 — молибден
Материалы с высоким давлением паров обеспечивают низкий уровень тока среза, но имеют сравнительно небольшой срок службы из-за эрозии. Кроме того, крайне медленно происходит восстановление электрической прочности промежутка, так как высока скорость испарения материала электрода после нулевого значения тока.
Хотя окончательный выбор материала определяется конкретными условиями работы аппарата, чаще всего выбор падает на материал с промежуточными значениями упругости пара (например, медь). Медь имеет умеренное значение температуры плавления, высокую электропроводность, однако образует весьма прочное сварное соединение.
Таким образом, при использовании чистых металлов достичь одновременного выполнения всех требований нелегко. Для успешного разрешения этой проблемы были разработаны металлокерамические композиции. Такие композиции создаются методами порошковой металлургии и представляют собой многокомпонентную структуру, в которой за счет рационального подбора составляющих компонентов можно получить контактный материал с заданными характеристиками.
Для пропитки металлокерамики используются материалы с высокой электропроводностью или сплавы на их основе. Это дает возможность получить достаточно малое переходное сопротивление и хорошую теплопроводность материала. Тугоплавкий каркас или различные включения повышают стойкость к механическому износу, электродуговой эрозии, свариванию. Композиции получают прессованием из порошков металлов с нагревом до температуры плавления легкоплавкого компонента либо путем пропитки предварительно отпрессованных пористых каркасов из тугоплавкого материала. При создании композиционных материалов происходит не просто суммирование полезных качеств компонентов, но и проявляются свойства, не присущие ни одному из составляющих.
Металлокерамические композиции имеют средний ток среза значительно меньший (в 2 — 3 раза), чем однородные металлы, входящие в эти композиции (табл. 1).
Температура поверхности в пределах разных металлов, вводящих в металлокерамическую композицию, растет с неодинаковыми скоростями. При этом возникают горизонтальные потоки тепла через границу раздела металлов. Причем в поверхностном слое, толщина которого изменяется в зависимости от условий нагрева (от десятков до сотен микрометров), наблюдается поток тепла, направленный из металла с меньшим коэффициентом аккумуляции тепла в металл с большим коэффициентом Ка:

где А, с, у — соответственно теплопроводность, теплоемкость и плотность материала.
Таким образом, температура нагрева одного из компонентов растет быстрее, чем в случае нагрева однородного электрода из этого материала. Так, в композиции W-Cu нагретый до большей температуры вольфрам за счет горизонтального потока тепла нагревает и медь до более высокой температуры.
Благодаря этому после прекращения нагрева (погасания дуги) охлаждение поверхности одного из компонентов (меди) идет медленнее, чем при соответствующем однородном электроде. Поэтому при наличии высокотемпературного вольфрамного каркаса пары меди продолжают поступать в межконтактный промежуток и после прекращения нагрева в течение длительного времени. Этим и объясняется значительное снижение тока среза в композиции.
Таблица 1
Значение среднего тока среза для различных контактных материалов

Высоковольтный вакуумный выключатель

Предлагаемый высоковольтный вакуумный выключатель предназначен для коммутации без нагрузки токов высокой частоты.

Известны высоковольтные вакуумные выключатели , содержащие расположенные в дугогасительной камере контакты из магнитного материала, соединенные с вводами и являющиеся одновременно сердечниками внещней магнитной системы управления. В этих выключателях контакты выполнены в виде полых цилиндров .с основаниями, неремещаются один относительно другого по оси выключателя , а токосъем на выводах осуществлен с помощью пружин, имеющих небольшое поле:речное сечение и больщую длину. При этом вследствие скин-зффекта высокочастотный ток проходит по поверхностному слою, а не по всему сечению проводника, и рабочее сечение проводника определяется глубиной проникновения высокочастотного тока в проводник и его нериметром.

где Spas -рабочее сечение проводника на высокой частоте, Р — периметр проводника, б — глубина проникновения высокочастотного тока в проводник.

проводник величина .рабочего сечения пружинного токосъема будет очень мала в сравнении с рабочим сечением ввода и контакта, что ограничивает величину тока, пропускаемого через выключатель. Вследствие малого рабочего сечения значительной длины пружинный токосъем оказывает больщое сопротивление высокочастотному току, что вызывает значительные потери энергии на нагр.ев выключателя . Используемая в данном выключателе пружинная подвеска контактов сложна и не виброустойчива.

Предложенный выключатель позволяет повысить величину пропускаемого тока, уменьщить нагрев и улучшить механические характеристики . Его особенность заключается в том, что контакты жестко укреплены на вводах выключателя и являются неподвижными. В качестве подвилшых контактов применены

два подпружиненных полуцилиндра из магнитного материала. Полуцилиндры перемещаются навстречу один другому по направляющему стержню перпендикулярно оси выключателя под действием поля внещней магнитной системы и охватывают неподвижные контакты при замыкании. Для повыщения электрической прочности направляющий стержень закреплен в цилиндре, размещенном внутри дугогасительной камеры и выполненном из лочкой камеры коэффициент термического расширения. На чертеже представлен предлагаемый вакуумный выключатель в разрезе. Вакуумный выключатель состоит из стеклянной цилиндрической колбы 1, переходных стеклянных изоляторов 2 с впаянными в них вводами 3, на концах которых неподвижно закреплены (пайкой, сваркой и т. д.) контакты 4 из магнитного материала, покрытые для уменьшения электрических потерь на высокой частоте слоем меди или серебра. Подвижные дополнительные контакты 5 выполнены в виде полуцилиндров из магнитного материала и также покрытые слоем меди или серебра, спаяны с втулками 6 и перемеш аются по направляющему стержню 7 и шнонке 8, вставленной в стержень 7, которая обеспечивает перемешение контактов в строго определенном направлении. Разомкнутое положение контактов выключателя обеспечивается пружиной 9, вставленной между дополнительными контактами 5. Направляющий стержень 7 закреплен в арматурном цилиндре 10, выполненном из материала, имеющего примерно равный коэффициент термического расширения со стеклом, например из ковара, предварительно покрытого медью. Арматурный цилиндр закреплен непосредственно в стеклянной колбе 1. Из внутреннего объема выключателя через штенгель 11 откачивают воздух и газы, выделяющиеся в процессе вакуумной обработки. Цепь между .неподвил ным-и контактами 4 замыкается дополнительными контактами 5 при их перемещении навстречу один другому по направляющему стержню 7 перпендикулярно оси выключателя до момента замыкнния их с неподвижными контактами 4 под воздействием магнитного поля, создаваемого неподвилсными контактами 4 и соленоидом 12 при его возбуждении. Применение в предлагаемом вакуумном выключателе двух контактов из магнитного материала , жестко закрепленных на вводах выключателя , и дополнительных подвижных коммутирующих контактов из магнитного материала в виде полуцилиндров, перемещающихся по направляющему стержню, замыкающих цепь мел <ду неподвилсными контактами для прохождения высокочастотного тока, позволило отказаться от использования токосъемных пружин, уменьшить потери, снизить нагрев выключателя и обеспечить пропускание значительно большего тока высокой частоты через выключатель без увеличения его габаритов и повысить надежность контактирования. Вынолпенпе дополнительных контактов s виДе полуцилиндров, внутренний диаметр которых равен внешнему диаметру неподвижных контактов и охватывающих последние при замыкании цепи, позволяет получить токопровод с практически неизменным рабочим сечением по всей его длине между вводами. Использование арматурного цилиндра позволяет получить двойной разрыв между неподвижными контактами без увеличения габаритов выключателя, что обеспечивает электрическую прочность при меньшедМ межконтактном зазоре, вследствие сокращения рабочего хода и, следовательно, увеличения количества операций включение - отключение . Кроме того, двойной разрыв между контактами позволяет в два раза уменьшить межконтактную емкость за счет ооразования двух последовательно соединенных емкостей (первый неподвижный контакт - дополнительный контакт, дополнительный контакт - второй неподвижный контакт;, что значительно уменьшает потери мощности на высокой частоте через выключатель яри разомкнутых контактах. Ь СВЯЗИ с тем, что в недлагае.мо1М вакуумном выключателе отсутствует сложная подвеска контактов, а контакты жестко закреплены на вводах, он имеет более высокие механические характеристики (нанрихмер, более виброустойчив>.I Описываемый вакуумный выключатель может найти нри.менение в радиотехнической аппаратуре для переключения антенных цепей, отводов катушки высокочастотного контура, включения и выключения высокочастотных контуров, конденсаторов высокочастотных цепей и т. д. Предмет изобретения 1.Высоковольтный вакуумный выключатель , преимущественно для коммутации токов высокой частоты, содержащий расположенные в дугогасительной камере контакты из магнитного материала, соединенные с вводами и служащие одновременно сердечниками внешней магнитной системы управления, отличающийся тем, что, с целью повышения величины пропускаемого тока, уменьшения нагрева и улучшения его механических характеристик , указанные контакты жестко укреплены на вводах выключателя и служат неподвижными контактами, а в качестве подвижных контакгов применены два подпружиненных полуцилиндра из магнитного материала, перемещающихся навстречу один другому по направляющему стержню перпендикулярно оси выключателя под действием поля внешней магнитной системы и охватывающих неподвижные контакты в замкнутом положении. 2.Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения.,электрической прочности , направляющий стержень закреплен в цилиндре, размещенном внутри дугогасительной камеры и выполненном из материала, имеющего примерно равный с материалом оболочки дугогасительной камеры коэффициент термического расширения.