Подвижные контактные материалы 1 - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Скользящие контактные материалы

Содержание

Скользящие контактные материалы

Все контактные материалы подвергаются механическому износу (разрушению) в процессе эксплуатации. Обычно различают механический, химический и электрический износ.

Механический износ вызывается истиранием и деформацией материалов поверхности контакта в результате приложения к контакту определенной силы и возникающего контактного давления. Это зависит от свойств материала и конструкции контактного устройства.

Химический износ (коррозия) обусловлена химическим взаимодействием контактных материалов с окружающей средой, т.е. образованием на поверхности слоев оксидов, сульфидов, карбонатов и других слоев с плохой проводимостью. В процессе эксплуатации все металлические изделия подвергаются коррозии, но коррозия контактных материалов происходит гораздо активнее из-за нагрева контактов до высоких температур. Для повышения коррозионной стойкости в контактном аппарате создается вакуум или среда инертного газа, а контактные поверхности покрываются более коррозионностойкими металлами.

Электрическое истирание (электрическая эрозия или прогорание) происходит только с щелевыми и частично скользящими контактами. Это связано с полярностью контактов и ограничивается испарением и переносом частиц контактного материала под воздействием электрической дуги в случае разрушения контакта. В результате на одной поверхности контакта образуется нарост, а на другой – углубления (кратеры). Когда металл переносится с анода на катод, между ними могут образовываться иглы, препятствующие размыканию контакта и мешающие его работе. При относительно высокой плотности тока может произойти сваривание контактной поверхности. Эрозия особенно сильно проявляется в цепях постоянного тока.

Материалы для скользящих контактов

Скользящие контакты обеспечивают протекание электрического тока от неподвижной части устройства к подвижной.

В процессе эксплуатации скользящие контакты подвергаются механическому износу и коррозии.

Скользящие контакты включают в себя металлические пружинные контакты и электрические угольные контакты.

Металлические пружинные контакты пружинно-металлический электролитическая медь, специальные виды бронзы (кадмиевая, кадмий-оловянная, бериллиевая) и серебряно-кадмиевый оксид.

Пружинные контактные материалы в основном используются в проволочных потенциометрах, реостатах, переключателях.

Электротехнический углерод Электротехнические углеродные материалы широко используются для изготовления щеток для электрических машин, угольных электродов для гальванических элементов, дуговых печей и т.д.

Материалы для электротехнических щеток выбираются в соответствии с конструкцией машины и режимом ее работы. Промышленность выпускает щетки различных марок: графитовые (G); углеграфитовые (CG); металлографитовые, т.е. содержащие металлический порошок (М и МГ); электрографит, т.е. подвергнутый графитизации (ЭГ) – для этого используются прессованные композиции из углерода, графита, бронзы и некоторых металлов, подвергнутых специальной термической обработке.

2 Материалы для НЗ контактов

Материалы контактов выключателя работают в жестких условиях, поскольку во время работы между контактными поверхностями выключателя могут возникать электрические разряды в виде искр или дуги. Этот процесс сопровождается электрической эрозией (поверхностная эрозия), что приводит к нарушению работы устройства. На поверхностях размыкающих контактов образуются оксидные пленки, поэтому они также подвержены коррозии или химическому износу.

Выбор материала для размыкающего контакта зависит от величины коммутируемого тока или от коммутационной способности цепи.

В зависимости от коммутируемого тока размыкающие контакты делятся на слаботочные (до ампер) и сильноточные (более ампер).

В зависимости от величины мощности этот тип контактов подразделяется на маломощные и высокомощные.

Низкое энергопотребление контакты изготавливаются из благородных и тугоплавких металлов и сплавов на их основе для растворов твердого типа.

В широком диапазоне контактов используется чистое серебро, которое обеспечивает высокую электропроводность и низкое переходное электрическое сопротивление, но обладает недостаточной эрозионной стойкостью, а серебряные контактные поверхности легко свариваются между собой. Чистое серебро также не используется для особо точного размыкания контактов с малой контактной силой (контакты с низкой нагрузкой) и в сочетании с серосодержащими материалами (например, резина, эбонит).

Высокий ток (высокая мощность) создавать высокоемкие положительные контакты с металлическими материалами, содержащими серу.

Паяльники

Помимо подвижных контактов, в электронных устройствах также широко используются статические контакты, основными видами которых являются пайка, сварка и стыковая сварка.

Пайка используется не только для создания постоянного электрического контакта с низким переходным сопротивлением и хорошей механической прочностью, но и для создания вакуумных герметичных соединений.

Пайка это процесс создания неразъемных соединений с использованием специальных сплавов или металлов с более низкой температурой плавления, чем у соединяемых деталей.

Специальные сплавы, используемые для пайки, называются припой.

Металлокерамика

Металлокерамика или порошки изготавливаются путем прессования металлических порошков, а затем их спекания при температуре ниже температуры плавления или путем частичного плавления наиболее тугоплавкой части смеси.

Основным сырьем для производства керметов являются порошки вольфрама, титана, кобальта, марганца, хрома, железа, меди, олова, алюминия, ферросплавов и других металлов и сплавов.

Материалы и изделия, изготовленные методом порошковой металлургии, обладают жаро- и износостойкостью, стабильными магнитными свойствами и механическими свойствами, лишь незначительно уступающими механическим свойствам литых и кованых слитков.

Серебро отвечает практически всем требованиям, за исключением дугостойкости при коммутации больших токов. При слабом течении он обладает хорошей устойчивостью к истиранию. Оксиды серебра имеют такую же проводимость, как и чистое серебро. Серебро в основном используется в сильноточных распределительных устройствах (свыше 1000 A) в виде гальванического покрытия на медных проводах и контактах и в виде сварных накладок на медные контактные части.

Контактные материалы

Надежное функционирование контактов и контактных соединений в коммутационных устройствах зависит как от их конструкции, так и от материалов, из которых они изготовлены.

Основными требованиями [8] к контактным материалам являются высокая электро- и теплопроводность, высокая температура плавления и испарения, твердость, прочность и пластичность, коррозионная стойкость и наличие проводящего оксидного слоя. Контакты и контактные соединения должны обеспечивать низкое переходное сопротивление, низкие активные потери, низкую температуру нагрева, высокую стойкость к сварке и эрозии.

В качестве контактных материалов используются проводящие металлы (медь, алюминий, серебро), сплавы (латунь, бронза, сталь), проводящие неметаллические материалы (углерод), композиты (вольфрам-серебро, вольфрам-карбид вольфрама, серебро-оксид меди, медь-графит).

Медь широко используется в качестве проводящего материала. Медь часто используется для контактных частей (подвижные и неподвижные контакты разъединителей). Однако медные компоненты имеют низкую коррозионную стойкость. Оксиды меди обладают низкой проводимостью. Поэтому в разборных соединениях и в качестве контактов переключателей контактные части из меди имеют коррозионностойкие покрытия на контактных поверхностях. Медные контакты также могут использоваться в качестве контактов для гашения дуги.

Алюминий в основном используется в качестве проводящего материала. Он менее электропроводный и механически более прочный, чем медь. Активное образование оксидных слоев снижает использование алюминия. Контактные части из алюминия образуют разъемные контактные соединения. Контактные поверхности алюминиевых контактных деталей покрываются серебром, медью или плакированной медью для уменьшения сопротивления контакта. Контактные соединения из алюминиевых контактных элементов при высоких температурах теряют контактное давление, поэтому сопротивление контакта ухудшается, и контактное соединение необходимо подтянуть.

Серебро отвечает практически всем требованиям, за исключением устойчивости к возникновению дуги при коммутации больших токов. Он обладает хорошей стойкостью к истиранию при слабом течении. Оксиды серебра имеют такую же проводимость, как и чистое серебро. Серебро в основном используется в коммутационных станциях на большие токи (свыше 1000 A) в виде гальванического покрытия на медных проводниках и контактах и в виде сварных накладок на медные контактные части.

Для коммутационных контактов для малых токов при низком давлении Золото, платина. Эти металлы не образуют оксидных слоев и имеют низкое контактное сопротивление.

Контакты с высокой устойчивостью к дуговому разряду (ток отключения до 100 кА). вольфрам и сплавы (вольфрам-молибден, вольфрам-платина, вольфрам-платина-иридий). Эти материалы имеют высокую температуру плавления и высокую устойчивость к электрическому износу. Они используются для малых токов в качестве главных контактов в устройствах с высокой частотой прерывания.

Фарфор, сплавленный с металлом. Это спрессованная, а затем спеченная смесь частиц или порошков различных металлов. Полученные контакты имеют различные электрические и механические свойства, в зависимости от состава смеси. Металлокерамические контакты, например, имеют проводимость, сходную с проводимостью чистого металла, в то время как сопротивление дуги отличается. Наиболее распространенными металлокерамическими композициями являются серебро-вольфрам, серебро-молибден, серебро-оксид кадмия, серебро-графит-никель и др. Металлокерамика используется в качестве главных контактов в распределительных устройствах с токами до 1000 аи в качестве дугогасительных контактов в распределительных устройствах с токами отключения до 100 кА.

Жидкие металлы. Контакты из жидкого металла имеют множество преимуществ: низкое контактное сопротивление, отсутствие контактного давления, отсутствие контактной сварки. Контакты из жидкого металла могут надежно работать при высоких температурах, высокой внешней

высоких внешних давлений и в высоком вакууме. Это позволяет использовать их как в слаботочных, так и в многоамперных коммутационных устройствах [20]. Металлы, используемые в жидкостных металлических контактах, включают ртуть и ее сплавы. Ртуть – единственный металл, который находится в жидком состоянии при нормальной температуре. Недостатком ртути, ограничивающим ее применение, является токсичность ее паров. Широко используются галлий и сплавы на его основе.

Пористые материалы, пропитанные жидкими металлами, используются в качестве контактов с низким переходным сопротивлением.

Все контакты делятся на два типа: скользящие и размыкающие.

Раздел 1 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВ 6

В каждом электронном устройстве должно быть электрическое соединение и разъединение отдельных цепей и блоков, часто требуется переключение (коммутация) электрических цепей, поэтому в состав оборудования обязательно входят соединительные и коммутационные элементы. Основной частью этих элементов являются электрические контакты. С увеличением сложности аппарата количество используемых электрических контактов значительно возрастает, и от их работоспособности в значительной степени зависит надежность аппарата в целом. Более 50% отказов оборудования вызваны неисправными электрическими контактами.

Электрический контакт – это комбинация двух проводников, которые соприкасаются друг с другом для передачи электрической энергии от одного проводника к другому. Соединяемые проводники называются контактной парой.

В общем, электрический контакт содержит две проводящие поверхности, механически прижатые друг к другу. Металлы, используемые в контактах, обычно представляют собой поликристаллические вещества. Они состоят из множества мелких участков (зерен или кристаллитов) неправильной формы, очень по-разному расположенных по отношению друг к другу. После обработки поверхность металла становится шероховатой, т.е. состоит из выступов, образованных кристаллитами и их фрагментами (высота выступов 10. 100 мкм). При механической и химической полировке средний размер неровностей поверхности уменьшается до единиц микрометров. Однако на обработанной поверхности образуется тонкий слой, механические и электрические свойства которого отличаются от свойств исходного материала (рис. 3.6, а). Этот слой, называемый слоем Бейлби, формируется путем разрушения самых крупных выступов и последующего вдавливания их фрагментов в углубления микрорельефа. Этот процесс окисляет большую часть кристаллитов и увеличивает их удельное сопротивление, так что слой Бейлби становится почти аморфным и имеет повышенное удельное сопротивление и твердость.

a – до контакта; b – при механическом контакте; 1 – слой Бейлиби; 2 – хрупкий оксидный слой; 3 – вязкий сульфидный слой; 4 – полимерные или водные слои; 5 – воздух.

Рисунок 3.6 – Состояние поверхности контактных материалов.

Диэлектрические и полупроводниковые пленки образуются на поверхности металла в атмосфере промышленных городов. Прежде всего, необходимо упомянуть об оксидных слоях, толщина которых зависит от скорости диффузии кислорода к металлу и металла к оксидному слою, температуры, давления и состава окружающей среды. Наиболее часто используемым материалом для контактов является медь. Скорость диффузии ионов меди в оксид уменьшается по мере увеличения его толщины, поэтому скорость роста пленки также уменьшается со временем и становится равной нулю. На поверхности меди образуется слой толщиной h0, которая является постоянной для данных условий окружающей среды (для данной влажности, температуры и давления кислорода в окружающей среде).

Оксидный слой обладает пассивирующими свойствами, но его структура разрушается при контакте (рис. 3.6, б).

В то же время появляются так называемые потускневшие пленки. Они образуются в атмосфере, содержащей сероводород, который активно взаимодействует с металлами. В результате на поверхности образуются сульфиды, которые по своим электрическим свойствам являются полупроводниками или (реже) диэлектриками.

К сожалению, такие пленки не обладают пассивирующими свойствами, а их механические свойства допускают значительную деформацию без разрушения структуры (см. рис. 3.6, б). Внешние слои (полимерные или водные) влияют на контактные свойства только в режиме микротоков.

Рассмотрим механическое соединение двух металлов (в виде цилиндров радиуса r 0) под внешним давлением (рис.3.7).

Рисунок 3.7 – Модель нажимного плоского электрического контакта.

Поскольку контактирующие металлы (контактная пара) имеют шероховатую поверхность, механическое соединение элементов контактных пар происходит не по всей поверхности контакта So , а только в определенных областях, называемых точками контакта.

Одним из основных электрических параметров контакта является его сопротивление в области перехода между двумя металлами.

Помимо сопротивления контакта, другим важным параметром электрического контакта является максимальный ток I max, который может быть пропущен через контакт без нарушения его работы. Когда через контакт протекает ток I max, в нем выделяется энергия, и контакт нагревается, что может привести к окислению металла и увеличению R K . В результате нагрев контактов увеличится до точки разрыва цепи.

Высокие токи могут также расплавить металлическую поверхность, препятствуя размыканию контакта путем сваривания контактных пар вместе. Когда контакт размыкается под действием электрической нагрузки, между проводниками контактной пары может образоваться электрическая дуга, которая при больших токах может привести к окислению, электрической эрозии и сварке контакта.

При использовании контактов в цепях с напряжением порядка микровольт или в режиме микротоков необходимо учитывать тепловую ЭДС, возникающую в переходной зоне. Величина и направление тепловой ЭДС определяется электродными потенциалами контактных материалов и их температурой. Если температура проводников контактной пары одинакова, то термоэлектрическая ЭДС равна алгебраической разности потенциалов электродов, которая может произвольно изменяться во времени.

Небольшая разность потенциалов контактов также необходима для предотвращения гальванической связи во влажной среде, которая может привести к коррозии проводников контактной пары.

Токовый шум неизбежно возникает в контакте, когда через него протекает ток. Тепловая и помеховая ЭДС вызывают изменения в электрическом сигнале, проходящем через контакт, что особенно заметно при низких напряжениях и токах.

При длительной эксплуатации происходит механический и электрический износ контактной пары. При многократном включении и выключении контакта происходят изменения в геометрических размерах и состоянии поверхности контактных пар. Это вызвано несколькими взаимосвязанными процессами.

Особым типом контакта является скользящий контакт (например. в электродвигателях). В этих случаях важную роль играет абразивный характер износа, вызванный движением одного элемента контактной пары по поверхности другого. Поскольку движение осуществляется под нагрузкой, при токе 0,5. 1 Ток, при котором происходит интенсивная электрическая эрозия, сочетающаяся с искрением или дугой. Температура некоторых участков в зоне механического контакта может достигать температуры плавления или даже кипения материала контакта. Это приводит к испарению и разбрызгиванию металла.

Все рассмотренные процессы влияют на износостойкость контакта. Износостойкость определяется как максимальное количество соединений, после которых значение РК превышает допустимое значение. В зависимости от применения контакты должны иметь от 100 до 108 соединений.

Все контакты делятся на два типа: скользящие и размыкающие.

Скользящие контакты используются для создания тока, проходящего от неподвижной части устройства к подвижной (потенциометры, реостаты, генераторы переменного тока, двигатели постоянного тока и т.д.).

Прерыватели обеспечивают управляемое периодическое замыкание и размыкание электрических цепей в течение длительного времени (реле, пускатели, электромеханические преобразователи, автоматические выключатели). Такие условия эксплуатации вызывают сваривание контактов, эрозию, коррозию, механический износ, что приводит к их разрушению.

Материалы скользящих контактов должны обладать низким удельным сопротивлением, низким падением контактного напряжения, высокой износостойкостью и выдерживать высокие скорости.

Материалы для трещиноватых контактов работают в самых сложных условиях. Они должны обладать не только низким удельным сопротивлением и низким падением контактного напряжения, но и быть устойчивыми к механическому и электрическому истиранию.

Эрозия вызывается переносом материала с одного контакта на другой в результате искрового или дугового разряда. Это явление связано с полярностью контактов и поэтому особенно сильно проявляется в цепях постоянного тока. Эрозия нарушает форму контактной поверхности, образуя корки, кратеры и мостики, что может привести к контактному спеканию. Для уменьшения влияния эрозии требуется высокая температура плавления контактного материала при плохом испарении из-за высоких значений теплоты плавления и испарения. Вольфрамовые контакты обладают наилучшими противоэрозионными свойствами.

Коррозия вызывается химическим взаимодействием контактных материалов с окружающей средой, т.е. образованием на их поверхности слоев оксидов, сульфидов, карбонатов и других с плохой электропроводностью. В процессе эксплуатации все металлические изделия подвергаются коррозии, но коррозия контактных материалов происходит гораздо активнее из-за нагрева контактов до высоких температур.

Драгоценные металлы очень устойчивы к коррозии, особенно те, которые долгое время не покрываются слоем оксидов, поэтому их называют “не имеющими потускнения”. К ним относятся золото, платина и ее сплавы с иридием, родием и другими металлами, которые не имеют или имеют очень тонкие оксидные слои с высокой электропроводностью. Для таких контактов достаточно усилия 0,15 – 0,25 Н. Материалы с толстым оксидным слоем, например, вольфрам, требуют более высокого контактного усилия (до 10 Н), что способствует разрушению оксидных слоев при ударе о контакты.

Механический износ происходит в результате приложения определенной силы при контактном ударе и последующего контактного давления. Для минимизации растрескивания, истирания контактных частей требуется высокая твердость и высокая механическая прочность (главным образом, ударопрочность) контактных материалов. По этой причине рекомендуется использовать драгоценные металлы в виде гальванических покрытий. Известно, что твердость и износостойкость гальванических благородных металлов в несколько раз выше, чем у сплошного благородного металла.

Не существует контактных материалов, которые отвечали бы всем этим требованиям. На практике можно лишь приблизительно определить, в большей или меньшей степени, сочетание наиболее желательных характеристик материала. По возможности рекомендуется заменять лопнувшие и скользящие контакты подходящими электронными схемами. Это, как правило, продлевает срок службы оборудования, снижает количество отказов и позволяет оборудованию работать в более жестких условиях.

Контактные материалы слайдов

Материалы скользящих контактов можно разделить на пружинные и электрические углеродные.

В качестве пружинных металлических контактных материалов используются в основном специальные сорта бронзы (кадмиевая, кадмий-оловянная, бериллиевая), которые обладают повышенной механической прочностью, износостойкостью при низких значениях p . Пружинные контактные материалы применяются в основном в потенциометрах, переключателях, реостатах и других компонентах радиоэлектронных устройств.

Электротехнические углеродные материалы широко используются в производстве щеток для электрических машин, угольных электродов для гальванических компонентов, дуговых печей и т.д. Природный графит и сажа используются в качестве сырья для производства электротехнических углеродных изделий.

Природный графит – это слоистый материал, разновидность чистого углерода. Его физические свойства отличаются в направлении наслоения и перпендикулярно ему. В направлении наслоения электропроводность графита металлическая (p = 8 мкОм*м, ТКр = -1 – 10-3 К-1). Отдельные чешуйки графита легко отделяются и скользят по его поверхности. Это свойство графита ценно для работы скользящих контактов. Используется в технологии производства сухих смазочных материалов на основе графита.

Углеродные сажи представляют собой мелкозернистый углерод, легированный смолистыми веществами. Они характеризуются широким диапазоном удельного сопротивления (0,01-400 Ом-м).

Сажу и графит смешивают со связующим веществом (например, каменноугольной смолой, жидким стеклом), прессуют и подвергают термической обработке. Высокая температура обжига до 2200°C приводит к увеличению размера кристаллов графита, повышению проводимости и снижению твердости. Этот процесс называется обжигом графита. Используется для целенаправленной регулировки различных свойств угольных щеток.

Промышленность выпускает различные марки графитовых щеток: углеграфитовые (CG), графитовые (G), электрографитовые, т.е. графитированные (EG), металлические графитовые, содержащие металлический порошок (MiG).

Удельное давление для всех щеток составляет 20-30 кПа, а коэффициент трения меди не превышает 0,3. Падение напряжения на контактах щеток при номинальном токе составляет от 0,3 В (щетки MG) до 3 В (щетки EG). Основной областью применения угольных щеток являются электрические генераторы переменного тока, двигатели, автотрансформаторы и т.д.

Материалы для разрывных контактов

В зависимости от коммутируемого тока контакты делятся на слаботочные (до ампер) и сильноточные.

Слаботочные контакты обычно изготавливаются из драгоценных и тугоплавких металлов, в основном серебра, платины, золота, вольфрама и сплавов на их основе.

Серебро используется в широком диапазоне контактов в аппаратуре различной мощности. Исключением является использование особо точных контактов с низким контактным давлением. Серебряные контакты не следует использовать с материалами, содержащими серу (например, резина, эбонит).

Широко используются сплавы серебро-кадмий, серебро-палладий, серебро-магний-никель, обладающие лучшими свойствами по сравнению с чистым серебром. Сплавы кадмий-серебро имеют то преимущество, что они увеличивают скорость гашения дуги, образующейся между контактами, за счет действия паров кадмия и кислорода.

Сплавы системы серебро-магний-никель, например, SrMgH-99, а также сплавы с добавками золота и циркония успешно сочетают свойства упругих и контактных материалов. Таким образом, они могут успешно использоваться в качестве цельных “контактных пружин”, что очень ценно в небольших и миниатюрных устройствах. Сопротивление переходу этих сплавов практически такое же, как у серебра.

Контакты из серебра и его сплавов широко используются в реле различного назначения, в электронных устройствах, работающих в бездуговом режиме, в радиотехнике, автоматике, аэрокосмической и морской технике.

Чистое золото используется только в производстве прецизионных контактов, которые работают при низком давлении и низком напряжении. Однако даже при малых токах эрозия золотых контактов может привести к образованию игл и огрубению. Кроме того, золото очень восприимчиво к дуговым разрядам. Важным преимуществом золота является его устойчивость к коррозии и образованию сульфидных слоев, как при комнатной температуре, так и при нагревании. Золото в качестве контактного материала используется в основном в виде сплавов с платиной (например, ZlPl-7), серебром, никелем, цирконием, которые характеризуются повышенной твердостью, хорошей эрозионной и коррозионной стойкостью. Золотые сплавы используются для скользящих контактов в потенциометрах, измерительных приборах, небольших реле, телефонном оборудовании и штепсельных вилках.

Платина не окисляется на воздухе и не образует сульфидных слоев. Благодаря этому платиновые контакты имеют очень стабильное контактное сопротивление. Чистая платина редко используется в контактном производстве, но она является одной из лучших основ для группы контактных сплавов. Добавки никеля, серебра, золота и иридия значительно повышают твердость и удельное сопротивление платиновых сплавов. Наиболее распространенными платино-иридиевыми контактными сплавами являются ПЛИ-10 и ПЛИ-25. Платиновые контактные сплавы используются в прецизионных реле, работающих без дуги, в малогабаритных и миниатюрных реле радиоэлектронной аппаратуры, реле управления электрической авиационной аппаратуры.

Вольфрам является распространенным и давно используемым контактным материалом. Он наиболее устойчив к образованию дуги и в несколько раз более устойчив к эрозии, чем платина. Вольфрамовые контакты практически не свариваются во время работы (температура плавления 3380°C). Благодаря высокой твердости они не подвержены заметному механическому износу. Кроме того, наилучшими свойствами обладают контакты, изготовленные из вольфрамовой проволоки, которая имеет продольную волокнистую структуру. Если зерна в контактах с проволочной насечкой растягиваются вдоль оси контакта, износостойкость контакта значительно увеличивается.

Легирование молибденом повышает твердость и удельную вязкость вольфрама и несколько снижает его тугоплавкость. Однако у молибдена есть существенный недостаток: он подвержен коррозии в атмосфере с образованием рыхлых, оксидных пленок, которые могут привести к разрушению контактов. Именно поэтому молибден в небольших количествах сплавляют с вольфрамом.

Вольфрамовые контакты используются в реле управления авиационным оборудованием, в преобразователях тока и автоматических выключателях, в вакуумных или газонаполненных переключателях, телеграфных, сигнальных реле и т.д.

Сильноточные контакты в основном изготавливаются из керметных материалов, которые производятся методами порошковой металлургии.

Металлокерамические материалы для сильноточных контактов должны состоять из невзаимодействующих компонентов, один из которых обладает гораздо большей тугоплавкостью, а другой обеспечивает хорошую проводимость материала. Во время плавления этот компонент удерживается силами поверхностного натяжения в порах огнеупорной фазы. В настоящее время проверенными материалами являются оксид серебра-кадмия, серебро-никель, серебро-графит, серебро-вольфрам, медь-вольфрам, медь-графит.

Серебряная или медная фаза обеспечивает высокую электро- и теплопроводность контактов, а тугоплавкая фаза в виде однородных включений оксидов кадмия, меди, никеля, вольфрама и графита повышает их износостойкость и устойчивость к высоким температурам и предотвращает сваривание контактов. Кроме того, оксид кадмия разлагается при температуре около 900°C на кадмий и кислород, что способствует быстрому гашению дуги. Оксид меди обладает аналогичными свойствами, но при более высоких температурах.

Если сырье измельчается до размера частиц 0,5 – 2 мкм вместо обычных 50 – 150 мкм, срок службы контактов увеличивается в 1,5 – 3 раза. Мелкодисперсные контактные материалы дополнительно обозначаются буквой m, например, KMK-20m.

Контактные материалы можно перечислить в следующем порядке: графит, вольфрам, вольфрам-молибден, металлокерамика вольфрам-медь (серебро), карбид вольфрама-серебро, сплавы серебро-кадмий, металлокерамика серебро-оксид кадмия (оксид меди), графит-серебро (медь) и т.д. Алюминиево-металлические контакты более устойчивы к плавлению, сварке и износу, чем обычные металлические контакты. Они незаменимы при высоких токовых и механических нагрузках, при умеренных нагрузках позволяют значительно продлить срок службы контактов, повысить надежность и срок службы оборудования при значительной экономии металлического серебра (от 10 до 70%).

Сильноточные металлокерамические контакты используются в общепромышленном применении, в морском и аэрокосмическом оборудовании, особенно в авиационных реле и переключателях средней и большой мощности, а также в автоматических предохранителях, пускателях, контакторах, сигнальных реле и т.д.

В некоторых случаях скользящий контакт выполнен вместе с пружиной из того же материала, в других случаях он выполнен в виде колпачков, которые затем надежно крепятся к пружинам из другого материала. Иногда пружина частично или полностью покрыта металлом, который служит скользящим контактом.

Скользящие контактные материалы

В переменных резисторах используется механизм со скользящим контактом. Скользящие контакты – это подвижные контакты, в которых контактные части скользят друг по другу, не разъединяясь. Одним из основных моментов при выборе материала является износостойкость. Износ скользящих контактов подразделяется на механический – возникает в результате трения между упругим контактом и упругим материалом; химический химический (коррозионный) – связан с окислением поверхности контакта и образованием непроводящих слоев; зависит от коррозионных свойств материала при нормальных и повышенных температурных условиях (до +300°C); усугубляется при повышении влажности и наличии в атмосфере некоторых коррозионно-активных загрязнителей. В зависимости от назначения, условий эксплуатации и износа скользящих контактов к материалам, применяемым для их изготовления, предъявляются следующие требования: высокая износостойкость в заданном режиме работы в течение срока службы прибора или инструмента; высокая коррозионная стойкость для обеспечения надежности и долговечности в конкретных средах; низкое значение переходного сопротивления и его стабильность в процессе эксплуатации и длительного хранения при различных условиях окружающей среды; низкая термоЭДС.

Сопротивление в переменных резисторах регулируется пружинами со скользящим контактом. Скользящий контакт – это часть пружины, которая скользит непосредственно по элементу резистора, образуя тем самым электрический контакт с центральной клеммой переменного резистора.

В одних случаях скользящий контакт осуществляется вместе с пружиной из того же материала, в других – в виде шайб, которые затем надежно крепятся к пружинам из другого материала. Иногда пружина частично или полностью гальванически или химически покрыта металлом, который служит скользящим контактом.

Материалы для скользящих контактов должны обладать следующими характеристиками: высокая коррозионная стойкость в промышленных условиях с повышенной температурой и влажностью; высокая эрозионная стойкость; низкое удельное сопротивление; низкий E D. C.; высокая стойкость к истиранию в сочетании с выбранной проволокой сопротивления; низкое и стабильное сопротивление контакта с течением времени в сочетании с материалом сопротивления.

Стойкость к истиранию – один из важных параметров переменного резистора, который характеризует его работу в условиях большого количества циклов подвижного контакта.

Хорошо известно, что для снижения переходного контактного сопротивления конструкции переменных резисторов часто включают значительное подвижное контактное давление на проводящий элемент. Однако это приводит к повышенному износу последних при большом количестве циклов контактного движения.

Износостойкость проводящего элемента резистора зависит от материалов элемента и подвижного контакта, состояния их поверхностей, величины давления подвижного контакта на элемент и т.д.

Драгоценные металлы или сплавы на их основе, свойства которых приведены в таблица 2.1 и которые широко используются в скользящих контактах.

Таблица 2.1 – Основные свойства контактных сплавов на основе благородных материалов

Размыкающие контакты предназначены для прерывистого замыкания и размыкания цепи. Они работают в самых суровых условиях – возникающие дуги или искры вызывают коррозию и эрозию. Коррозия вызывает окисление контакта, что означает, что он иногда нагревается и сваривается. Эрозия может вызвать кратер на одном контакте и иглу на другом контакте.

Подвижные контактные материалы

Подвижные контактные материалы в процессе эксплуатации подвергаются электрической эрозии, сварке, коррозии и механическому износу. Интенсивность этих процессов зависит от типа материала и величины прерываемого тока.

Электрическая эрозия – это разрушение контактных материалов (КМ) вследствие плавления и переноса газообразного и жидкого металла (в виде мелких капель) с одной контактной поверхности на другую под воздействием электрических разрядов. На поверхностях контакта образуются корочки и кратеры.

Электрическая дуга характеризуется минимальным током и напряжением, при которых возникает дуговой разряд. Дуговые разряды зависят от характера КМ и окружающей среды, состояния контактных поверхностей и индуктивности цепи.

Сварка КМ зависит от температуры и давления и может привести к частичному расплавлению и даже потере способности к открыванию. Поэтому очень важно, чтобы КМ обладали высокой стойкостью к сварке.

Механический износ происходит в результате ударов по контактным поверхностям, последующего прессования и трения, поэтому материалы КМ должны обладать высокими показателями износостойкости, ударопрочности и твердости.

Все подвижные контакты делятся на скользящие и размыкающие.

3.8.1 Скользящие контакты

Скользящие контакты служат для передачи электрического тока от неподвижной части электрического устройства к подвижной части, например, в реостатах от обмотки к двигателю, в электрических машинах от щеток к коллектору, в электрифицированных транспортных средствах от контактного провода к контактному кольцу.

Материалы скользящих контактов должны иметь низкие значения электрического сопротивления и падения контактного напряжения, высокие значения минимального тока и напряжения дуги, высокую стойкость к истиранию, электрической эрозии и коррозии. Они подразделяются на металлик и электрический уголь.

Металлические контакты – это коллекторные пластины электрических машин, которые изготавливаются из твердой меди, бронзы и других материалов.

Пружинные металлические контакты изготавливаются из кадмиевой (BrKd1), бериллиевой (BrB2), хромовой (BrX0,5) и других видов бронз, которые обладают высокой эластичностью, износостойкостью и низкими значениями удельного сопротивления. Сплав Сц – Сд (Сд – 1 %) образует твердый раствор, который в три раза более устойчив к истиранию, чем медь, а его электропроводность составляет 95 % меди. Латунь также используется для скользящих контактов (например, LS59-1, LMZ 58-2). Металлические скользящие контакты обладают превосходной износостойкостью в сочетании с электротехническими углеродными материалами.

Электротехнические углеродные материалы обладают высокой электро- и теплопроводностью, низким коэффициентом трения, значительным напряжением дуги и высокой химической стойкостью. Эти материалы широко используются для производства угольных электродов различного назначения, щеток для электрических машин и автотрансформаторов и т.д. Производятся углеграфитовые, графитовые, меднографитовые щетки и т.д.

Графит и технический углерод в основном используются для производства электроуглеродных изделий. Графит и сажа смешиваются со связующим веществом, таким как каменноугольная смола или жидкое стекло, прессуются и обжигаются при температуре 2200-2500°C. Этот процесс известен как графитизация. Этот процесс известен как графитизация.

3.8.2 Разрыв контакта

Размыкающие контакты предназначены для периодического замыкания и размыкания цепи. Они работают в самых суровых условиях – дуги или искры вызывают коррозию и эрозию. Коррозия вызывает окисление контакта, что иногда означает нагрев и сварку. Эрозия может вызвать кратер на одном контакте и иглу на другом контакте.

Разъединительные контакты делятся на слабонагруженные (малый ток – от долей ампера до нескольких ампер) и сильнонагруженные (большой ток – от нескольких тысяч до нескольких тысяч ампер).

Контакты с низкой нагрузкой изготавливаются из драгоценных металлов (серебро, золото, платина и различные сплавы на их основе, например, системы сплавов: “золото – серебро”, “платина – рутений”, “серебро – палладий”, “серебро – магний – никель” и т.д.). Эти сплавы имеют низкое переходное электрическое сопротивление и устойчивы к окислению, но не к эрозии.

Наиболее часто используемыми контактными материалами являются серебро и сплавы на основе серебра (оксид серебра также проводит электричество) и сплавы серебро-медь, которые обладают высокой электропроводностью, твердостью и стойкостью к эрозии, но медь снижает устойчивость к окислению.

Контакты с высокой нагрузкой изготавливаются из вольфрама, молибдена, их сплавов и металлокерамических композиций. Вольфрам обладает достаточной электропроводностью, стабильно низким переходным электрическим сопротивлением, высокой эрозионной стойкостью, не поддается сварке и используется для контактов, подверженных частым переключениям. Недостатком молибдена является образование рыхлых оксидных пленок, которые могут внезапно полностью нарушить проводимость контактов.

В наиболее мощных контактах используются спеченные композиции вольфрама с серебром или медью, или спеченный пористый вольфрам, который затем пропитывается жидкой медью или серебром в вакууме. Используются тройные составы: серебро-никель-графит, серебро-вольфрам-никель. Медно-вольфрамовые сплавы используются в высоковольтных масляных и воздушных выключателях, а медно-молибденовые сплавы – в высоковольтных масляных выключателях.

Твердая медь используется для создания прерывистых контактов при повышенном напряжении и контактном давлении, что значительно снижает стоимость электрооборудования.

Контакты из серебряно-никелевых композиций устойчивы к электрическому износу, имеют низкое и стабильное переходное сопротивление и используются в низковольтном оборудовании постоянного и переменного тока с умеренными нагрузками. По стойкости к сварке они уступают контактам серебро-кадмий-оксид и серебро-медь, но более стойки, чем чистое серебро. Разрешается пайка и сварка без серебряной подложки.

Контактные материалы

В зависимости от функции существует три типа контактов: фиксированные, переключающие и скользящие.

Неподвижные контакты – это клеммы, винтовые и болтовые соединения, витые, паяные и сварные контакты. Качество контактов клемм определяется их контактным сопротивлением, которое возникает в месте непосредственного контакта. Усовершенствование поверхности и защита контактов от коррозии достигается путем пайки, сварки или покрытия коррозионностойкими, хорошо проводящими металлами.

На воздухе при температуре до 75 °C все проводящие металлы дают достаточно стабильные переходные сопротивления. Важнейшим условием в этом случае является обеспечение необходимого удельного давления на контактную поверхность.

Общим правилом для всех типов непаяных контактов является, при прочих равных условиях, обратная зависимость переходного сопротивления от давления. При повышении температуры из-за ускоренной коррозии сопротивление контактов быстро увеличивается, поэтому медные, алюминиевые и стальные контакты покрываются коррозионностойкими металлами.

Луженые, посеребренные или кадмированные контакты хорошо работают при температуре 100-120 °C. Стальные контакты должны быть оцинкованы или покрыты кадмием.

Рельсовые контакты (обычно в виде полосок), особенно если используется алюминий, рекомендуется шлифовать стекловатой под слоем вазелина; в случае меди и стали необходимо лудить оловянно-свинцовым припоем или чистым оловом.

Коммутационные контакты – материалы, из которых изготавливаются электрические контакты – должны обладать низким удельным сопротивлением и достаточно низким и, прежде всего, стабильным переходным сопротивлением, высокой стойкостью к окислению, сварке и эрозии, хорошей износостойкостью и рядом технологических свойств.

Среди электроосажденных контактов в виде тонких гальванических покрытий, работающих без электрической дуги, следует отметить серебро, золото, платину, палладий и особенно родий, который сочетает в себе относительно низкое удельное сопротивление и очень высокую твердость.

Различные металлокерамические композиции используются в современной технике для создания прочных разрывных контактов, а также прецизионных контактов, поскольку использование металлов и их сплавов не дает удовлетворительных результатов. Металлокерамические контакты изготавливаются из металлических порошков путем прессования смеси определенного состава в готовые изделия с последующим спеканием прессованных деталей, прессованием и отжигом.

Все марки контактов, изготовленных из металлокерамических композиций, можно разделить на группы.

Серебряно-кадмиевые оксидные контакты широко используются в низковольтной аппаратуре и надежны при высоких токовых нагрузках и умеренном контактном давлении. Они обладают высокой износостойкостью, низким и стабильным переходным сопротивлением и высокой дугостойкостью, но в последнем случае они уступают контактам, изготовленным из вольфрамовых присадочных композиций. Они выпускаются для пайки и сварки с серебряной подложкой.

Контакты, изготовленные из композиций оксид серебра-медь, имеют низкое переходное сопротивление, высокую электрическую износостойкость и стойкость к сварке. При высоких токовых нагрузках они превосходят контакты из оксида серебра. Они выпускаются для пайки и сварки с серебряной подложкой.

Серебряно-никелевые контакты устойчивы к электрическому износу, имеют низкое и стабильное контактное сопротивление и используются в низковольтных приложениях постоянного и переменного тока с умеренными нагрузками. По стойкости к сварке они уступают контактам серебро-кадмий-оксид и серебро-медь, но более стойки, чем чистое серебро. Разрешается пайка и сварка без серебряной подложки.

Серебряно-никель-графитовые контакты. Добавление графита повышает сопротивление дуги и стойкость к сварке и позволяет использовать эти контакты в низковольтных установках со значительными нагрузками, а также в воздушных выключателях, обычно в тандеме с серебряно-никелевыми контактами.

Серебряно-никелевые контакты обладают высокой стойкостью к дуговому разряду, стойкостью к сварке и стойкостью к механическому истиранию. Электрическое сопротивление и механическая прочность относительно низкие. Используется в сочетании с серебряно-никелевыми контактами.

Контакты вольфрам-серебро очень устойчивы к плавлению, но имеют повышенное контактное сопротивление, которое увеличивается с ростом добавления вольфрама. Они используются в высоковольтных воздушных выключателях в виде колпачков на медных контактах.

Серебряно-кадмиево-никелевые контакты имеют более высокую диэлектрическую прочность, чем серебряные, и обладают особенно стабильным и низким контактным сопротивлением. Они используются в цепях высокого напряжения.

Медно-вольфрамовые контакты обладают высокой устойчивостью к износу, сварке и окислению при высоких токовых нагрузках. Благодаря высокой устойчивости к переходным процессам они используются в высоковольтных, в основном маслонаполненных выключателях в тяжелых условиях дугового разряда.

Медно-графитовые контакты используются для отключающих токов 30-80 кА. Эти контакты пористые для обеспечения защиты от сварки, имеют низкую прочность, рассчитаны на малое количество отключений и выполнены с медной подложкой.

Читайте далее: