Материалы для подвижных контактов кратко

Обновлено: 02.07.2024

Металлические контактные материалы

Металлы, обладая высокой тепло- и элект­ропроводностью, наилучшим образом отвечают требованиям для эффективной передачи тока через контакт с наименьшими потерями. В общем случае твердые метал­лические проводники могут быть разделены на две группы:

- технически чистые металлы, прежде всего, широко при­меняемые в электрических контактах медь и алюминий, иног­да включающие небольшие добавки других металлов для улуч­шения механических свойств;

- сплавы со специфическими свойствами, например, по­вышенной износостойкостью и низким трением, среди которых наиболее часто используются бронзы, латуни и некоторые алюминиевые сплавы.

Медь, алюминий и их сплавы в основном используются для сильноточных электрических контактов, а благородные ме­таллы и их сплавы — для слаботочных, при этом благородные металлы используются преимущественно в виде покрытий. Физические свойства основных металлов приведены здесь.

Медь. Мягкий, ковкий и плас­тичный металл с высокой электропроводностью, легко поддающийся сварке и пайке.

Основным недостатком меди, как контактного материала, является ее склонность к формированию плохо проводящих ок­сидных и сульфидных пленок на поверхности при воздействии атмосферы. Это обуславливает ее непригодность для слаботочных контактов. Но медь широко применяется в сильноточных аппаратах, работающих при напряжениях, дос­таточных для электрического пробоя пленки (свыше 100 В), или в условиях механического разрушения пленок при зна­чительной контактной нагрузке.

Основные сплавы меди, на­ходящих применение в электрических контактах приведены ниже.

Cu — Ag . Добавление 0,03—0,1 % серебра в медь увеличи­вает прочность на сдвиг и сопротивление размягчению при повышенных температурах без существенного уменьшения электрической проводимости. Этот сплав обычно использу­ется для изготовления коллекторов электрических машин.

Cu — Cd . Сплав обладает высокой способностью к холодному деформированию, горячему фор­мованию, пайке твердыми и мягкими припоями, стойкостью к свариванию дугой. Используется в электрических цепях самолетов.

Cu — Cd — Sn . Общее количество Cd и Sn может достигать 2 %. Применяется в телефонных линиях, в качестве щеток электрических двигателей, деталей переключателей.

Си—С r . Концентрация С r может быть в пределах 0,15—0,9 %. Этот сплав сохраняет высокую механическую прочность при повышенных температурах. Об­ласть применения — электродные материалы для сварочных машин, контакты мощных электрических двигателей, пере­ключатели, прерыватели тока, токонесущие ползуны и оси.

Си—Те. Добавка теллура в количестве 0,3—0,7 % обеспе­чивает хорошую обрабатываемость, сопротивление коррозии, способность к пайке. Типичная область использования — разъемы и переключатели.

Cu — Zr . Сплав содержит 0,1—0,2 % циркония, обладает низ­кой склонностью к охрупчиванию, ползучести при повышенных температуре и механических напряжениях. Используется в кон­тактах переключателей и прерывателей цепей устройств, эксп­луатирующихся в условиях высоких температур и вибраций, ком­мутаторах, силовых преобразователях и выпрямителях.

Бронзы. Эта группа объединяет сплавы Cu — Sn с содержа­нием олова от 5 до 15 %. Для электрических контактов преимущественно применяют бронзы с невысоким содержанием олова и других элементов.

Типичные области применения бронз — контактные пру­жины, мембраны, соединители, лицевые платы, контакт-детали электрических машин, троллейные провода, контакт­ные ножи и т. п. В частности, для изготовления скользящих контактов электрических аппаратов широко применяется кадмиевая или бериллиевая бронза, имеющая высокую из­носостойкость, коррозионную устойчивость и достаточную электропроводность. Фосфористая бронза используется для ползунков переключателей.

Латуни. Вследствие низкой электропроводности обычно латуни используют для изготовле­ния электротехнических изделий, где важна способность ма­териала к формообразованию — винтовые цоколи ламп, штеп­сельные розетки, патроны, точечные неподвижные контакты, пружинящие контакты, стержни короткозамкнутых роторов асинхронных электродвигателей и т. п.

Алюминий. Мягкий, пластичный металл с относительно высокой тепло- и электропроводностью, широко применяется в электротехнике.

Прочная пленка окисла А1203 быстро покрывает поверх­ность алюминия уже при комнатной температуре, обеспечивая высокую устойчивость против коррозии в атмосферных усло­виях. На скорость коррозии алюминия не оказывают заметного влияния находящиеся в воздухе сернистый газ, сероводород, аммиак и другие газы. В контакте с большинством металлов и сплавов, являющихся благородными по электрохимическому ряду потенциалов, алюминий служит анодом и, следовательно, коррозия в его электролитах будет прогрессировать.

Механические свойства алюминия повышают его леги­рованием. К сплавам, наиболее часто используемым для элек­тротехнических целей, относятся Al - Mg и Al - Mg - Si , со­держащие также Fe или Со.

Алюминий и его сплавы применяют в воздушных линиях передач, кабелях, обмотках электрических машин и шинах. Алюминиевая фольга используется в обкладках конденсаторов и ин­тегральных схемах, где тонкие пленки алюминия формируют проводящие дорожки внутренних соединений.

Серебро. Наиболее широко используемый материал для разрывных контактов, работающих при токах от 1 до 600 А и контактных нагрузках более 15 г. Имеет наибольшую электро- и теплопроводность среди всех металлов. Благодаря высо­кой пластичности из него могут быть изготовлены многие изделия электротехнического назначения. Широко исполь­зуется для получения покрытий на контактных частях со­единителей.

Главные недостатки серебра — низкие точки плавления и кипения, механическая прочность, возможность контакт­ной сварка, склонность к формированию сульфидных пле­нок (потускнению). Другая проблема — диффузия атомов серебра через некоторые электроизоляционные материалы, под влиянием приложенных электрических по­лей, что может вызывать повреждение изоляции. Также серебро относится к наиболее дефицитным металлам.

Для защиты серебра от сульфидизации эффективны до­бавки палладия. Оптимальное содержание палладия в спла­вах Ag — Pd , предназначенных для слаботочных контактов, около 30 %. Однако, удельное сопротивление у таких сплавов почти на порядок выше, чем у чистого серебра.

Сплавы Ag — Cu наименее стойки к действию коррозион­ных компонентов окружающей среды, поскольку медь также легко коррозирует в этих условиях. Сплавы со значительным содержа­нием меди не желательно применять в контактах, работаю­щих в условиях искрения и низких давлений. Вместе с тем, для легирования серебра медь является луч­шим элементом с точки зрения увеличения прочности и из­носостойкости.

Сплавы Ag — Ni . Малые количества добавки никеля (0,2—3%) в серебре улучшают износостойкость и уменьша­ют вероятность сварки и потускнения.

Сплавы Ag — Cd . Добавка кадмия снижает электрическую проводимость, температуру плавления и стойкость к окислению, но улучшает сопротивление потускнению. Сплавы се­ребра с 1—10 % кадмия эффективны для относительно высо­коскоростных скользящих контактов, а также пружинных, пальчиковых и других контактов благодаря их твердости, низкой скорости переноса, износостойкости и стабильному контактному сопротивлению при малых контактных нагруз­ках. Однако наблюдается общая тенденция к сокращению использования кадмия в промышленности вследствие вызы­ваемого им загрязнения окружающей среды.

Сплав Ag — Li — La . Наиболее ценные качества серебра, такие как хорошая обрабатываемость, химическая стойкость, приемлемая стоимость сохраняются при его сплавлении с литием и танталом. В скользящих контактах такие сплавы обеспечивают лучшие характеристи­ки по сравнению с AgCd — более низкое контактное сопро­тивление, большую стойкость к истиранию и искрению. Из­вестно успешное использование сплавов Ag — Li — La в легко нагруженных релейных контактах, где они показали низкое и стабильное контактное сопротивление в сравнении с тра­диционными сплавами серебра.

Сплавы Ag — Pt . Добавки платины, палладия или золота в серебро уменьшают его электрическую проводимость, но повышают прочность, стойкость к изнашиванию и потуск­нению, снижают перенос металла.

Платина имеет исключительную стойкость к потускнению, окислению и коррозии, следовательно, очень устойчивое сопротивление контакт­ного перехода. Применяется в контактах, работающих при то­ках до 2 А и небольших нажатиях, для которых надежность является наиболее важной характеристикой. Минимальный ток формирования дуги для платины (0,9 А) является самым вы­соким среди других благородных металлов (0,35—0,45 А).

Сплавы Pt — Ir обладают малой склонностью к дугообразованию и более стойки к электроэрозии, чем чистая плати­на. Сплавы Pt — Ru тверже, чем платино-иридиевые сплавы и менее склонны к свариванию, чем платина. Сплавы Pt — Ni стойки к контактному свариванию. По сравнению с плати­ной, сплавы Pt — Ro тверже и имеют более низкую летучесть при повышенной температуре. Сплавление платины с воль­фрамом и молибденом ( Pt — Wo и Pt — Mo сплавы) повышает точку плавления и твердость материала.

Палладий дешевле платины, но имеет более низкую стой­кость к коррозии, окислению и потускнению. Он начинает тускнеть при 350°С, но при 900°С сформированная пленка разлагается. Палладий и его сплавы пред­ставляют интерес как дешевый заменитель золота в разъемах, выключателях и печатных платах. Однако, в атмосфере, со­держащей следы органических соединений, палладиевые кон­такты при фреттинге имеют тенденцию формировать непро­водящие пленки фрикционных полимеров.

Хорошими контактными свойствами обладают Pd — Ir сплавы, причем их стоимость намного ниже стоимости платино-иридиевых сплавов. Сульфидные пленки не формиру­ются на поверхностях Pd — Ag сплавов с содержанием палла­дия свыше 50 %. Сплавы Pd — Cu с содержанием меди 15 или 40 % обычно используются в качестве контактных материа­лов в телекоммуникациях и автомобильной технике благода­ря их низкой склонности к переносу.

Золото — самый мягкий благородный металл, стоек к окислению и потускнению, но подвержен механическому износу, переносу металла и свариванию. Широко использу­ется в компьютерах и устройствах передачи данных, где ра­бочие токи не превышают 0,5 А.

Чистое золото склонно к задиру и сильному адгезионно­му износу. Добавки других благородных или неблагородных металлов (Со, Ni , С u , Sb , Cd , In ) повышают твердость и сни­жают износ. Электрические контакты из золотых сплавов стойки к воздействию серосодержащих и других агрессив­ных соединений ( H 2 S , S 02, N 02, 02, СО, Н20).

Вследствие чувствительности к электрической эрозии, чистое золото используется преимущественно в прецизион­ных контактах, работающих при малых нагрузках и низких напряжениях. Сплавы золота имеют более высокую твердость и эрозионную стойкость. Au — Ag сплавы с содержанием зо­лота более 50 % не имеют склонности к формированию сульфидных пленок. Также используютсясплавы Au — Pt — Ni . Среди тройных сплавов золота, хорошо известен твердый нетускнеющий сплав А u — Ag — Pt . Сплавы Au — Ag — Си и Аи — Ag — Ni имеют повышенную твердость. Также используются твердые тугоплавкие сплавы Au — Pd — Ni .

Родий является очень стойким к потускнению и очень твердым контактным материалом. Однако, вследствие труд­ностей при переработке в изделия, используется исключи­тельно для покрытий в легко нагруженных контактах, где надежность имеет определяющее значение.

Вольфрам — очень тяжелый, твердый, износостойкий металл с высокой температурой плавления и кипения, стой­кий к свариванию и переносу материала. Один из важней­ших материалов электровакуумной техники — в вакууме или инертном газе может работать при температуре более 2000 0 С. Его основные недостатки — низкая сопротивляемость кор­розии и окислению, высокое удельное электрическое сопро­тивление и трудная обрабатываемость. Поэтому, контактные элементы из вольфрама получают преимущественно метода­ми порошковой металлургии.

К достоинствам вольфрама как контактного материала относятся способность противостоять действию дуги и сва­риванию вследствие большой тугоплавкости, малая подвер­женность электрической эрозии. Наиболее эффективен при использовании в контактах с величиной тока 1—5 А и доста­точно высоких нажатиях.

Никель относится к одним из наиболее распространен­ных элементов в земной коре. Высокая стойкость к окисле­нию и коррозии сплавов, относительно низкое электричес­кое сопротивление и коэффициент термического расшире­ния, высокая механическая прочность никеля и его сплавов обусловили их широкое применение для электротехничес­ких целей, например, в электровакуумной технике. В част­ности, сплавы никеля с низким коэффициентом термичес­кого расширения используются в электронных лампах, где надежность вакуумно-плотных спаев металл—стекло имеет первостепенное значение. Ни­кель магнитен и его используют в качестве компонента ряда магнитных и проводниковых сплавов. Сплав никеля и желе­за Инвар ( Fe — 36 % Ni ) с низким термическим расширением широко применяется в электронной индустрии для печат­ных плат.

Молибден является аналогом вольфрама, уступая ему в твердости, температуре плавления и чувствительности к ат­мосферной коррозии, но превосходя с точки зрения легкос­ти механической обработки. В кислородсодержащей среде на его поверхности формируются оксидные пленки, нарушаю­щие проводимость контакта, вследствие чего контакты из молибдена не надежны при работе на воздухе.

Контакты из молибдена и его сплавов с вольфрамом, имеющих повышенную твердость, используются для работы в вакууме и инертных газах.

Другая группа материалов для контактов – композиционные контактные материалы.

Все контактные материалы при работе подвергаются износу (разрушению). Принято различать механический, химический и элект­рический износы.

Механический износ связан с истиранием и деформированием материалов контактирующих поверхностей вследствие приложения определенной силы при ударе контактов и последующего контакт­ного нажатия. Он зависит от свойств материала и конструкции кон­тактного устройства.

Химический износ (коррозия) обусловлен химическим взаимо­действием контактных материалов с окружающей средой, т.е. с по­явлением на их поверхности оксидных, сульфидных, карбонатных и других пленок с плохой электропроводностью. Все металличес­кие изделия в процессе эксплуатации подвержены действию корро­зии, однако коррозия контактных материалов протекает значитель­но активнее по причине разогрева контактов до высоких темпера­тур. Для повышения стойкости к коррозии в контактном устрой­стве создается вакуум или среда инертного газа, а контактные по­верхности покрываются более стойкими к коррозии металлами.

Электрический износ (электрическая эрозия или обгорание) на­блюдается только в разрывных и частично скользящих контактах. Это связано с полярностью контактов и сводится к испарению и переносу из-за воздействия электрической дуги в случае разрыва контакта частиц контактного материала. В результате на одной кон­тактной поверхности образуются наросты, а на другой - углубле­ния (кратеры). При переносе металла с анода на катод между ними могут возникать иглы, которые препятствуют размыканию контакта и нарушают его работу. При относительно больших плотностях тока может произойти сваривание контактных поверхностей. Особо ос­тро эрозия проявляется в цепях постоянного тока.

1. Материалы для скользящих контактов

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

При работе скользящих контактов их поверхности подвергают­ся механическому износу и коррозии.

К скользящим контактам относят пружинные металлические и электротехнические угольные.

В качестве пружинных металлических контактных матери­алов применяют твердотянутую электролитическую медь, специаль­ные сорта бронз (кадмиевые, кадмиево-оловянистые, бериллиевые), а также материалы соединения серебро - окись кадмия.

Основное применение пружинные контактные материалы нахо­дят в проволочных потенциометрах, реостатах, переключателях.

Электротехнические угольные материалы широко используют для изготовления щеток электрических машин, уголь­ных электродов для гальванических элементов, дуговых печей и т.п.

Материалы для электротехнических щеток выбираются в зави­симости от конструкции машины и режима ее работы. Промыш­ленность выпускает щетки различных марок: графитные (Г); уголь­но-графитные (УГ); металлографитные, т.е. содержащие металли­ческий порошок (М и МГ); электрографитированные, т.е. подверг­нутые графитированию (ЭГ)- Для этих целей используются прессо­ванные композиции из угля, графита, бронз и некоторых металлов, подвергнутых специальной термической обработке.

2. Материалы для размыкающих контактов

Материалы для размыкающих контактов работают в сложных условиях, поскольку в процессе работы между контактными повер­хностями размыкающих контактов могут возникать электрические разряды в виде искры или дуги. Этот процесс сопровождается элек­трической эрозией (разрушением поверхности), которая является причиной нарушения нор­мальной работы соответствующего прибора. На поверхностях раз­мыкающих контактов образуются оксидные пленки, поэтому они подвержены также коррозии или химическому износу.

Выбор материалов для размыкающих контактов ведут по значе­нию коммутируемого тока или по мощности размыкания электри­ческих цепей.

По значению коммутируемого тока разрывные контакты делят на слаботочные (работают при токах до единиц ампер) и сильноточные (работают при токах, больших единиц ампер).

По значению мощности контакты этого типа делят на маломощ­ные и мощные.

Слаботочные (маломощные) размыкающие контакты изготавливают из благородных и тугоплавких металлов и сплавов на их основе типа твердых растворов.

В широкой номенклатуре контактов применяется чистое сереб­ро, которое обеспечивает высокую электропроводность и низкое переходное электрическое сопротивление, однако имеет недоста­точную стойкость к эрозии, и серебряные контактные поверхности легко свариваются между собой. Чистое серебро не используют так­же для особо точных размыкающих контактов с малой силой кон­тактного нажатия (малонагруженных) и в сочетании с материала­ми, содержащими серу (например, резина, эбонит).

Сильноточные (мощные) размыкающие контакты изготавливают из металлокерамических материалов, получаемых методами порошковой металлургии.

Припои

Кроме подвижных контактов в радиоэлектронной аппаратуре широко используются и неподвижные контакты, основными из ко­торых являются пайка, сварка и соединение контактолами.

Пайку применяют не только для получения постоянного элект­рического контакта с малым переходным сопротивлением и хоро­шей механической прочностью, но и для получения вакуумплотных швов.

Пайкой называется процесс получения неразъемных соедине­ний с помощью специальных сплавов или металлов, температура плавления которых ниже температур плавления соединяемых де­талей.

Специальные сплавы, применяемые при пайке, называют припо­ями.

Металлокерамика

Металлокерамические или порошковые сплавы получают из ме­таллических порошков методом их прессования и последующего спекания при температуре ниже температуры плавления исходных материалов или с частичным расплавлением наиболее тугоплавкой составляющей смеси.

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

Материалы и изделия, полученные методами порошковой ме­таллургии, обладают жаропрочностью, износостойкостью, стабиль­ными магнитными свойствами, механическими свойствами, кото­рые незначительно уступают механическим свойствам литых и ко­ванных заготовок.

В любой электронной аппаратуре должны осуществляться элек­трическое соединение и разъединение отдельных цепей и блоков, часто требуется производить коммутацию (переключение) элект­рических цепей, поэтому в состав аппаратуры обязательно входят соединительные и коммутационные элементы. Основной частью этих элементов являются электрические контакты. С увеличением сложности аппаратуры значительно возрастает число применяемых электрических контактов, и от их работоспособности во многом зависит надежность всей аппаратуры в целом. Более 50 % выходов из строя аппаратуры вызваны отказами в электрических контак­тах.

Электрическим контактом называется соединение двух провод­ников, приведенных в соприкосновение, с целью передачи элек­трической энергии от одного проводника к другому. Соединяемые проводники называются контактной парой.

В общем случае электрический контакт содержит две поверх­ности проводников, которые механически прижимают друг к другу. Металлы, используемые в контактах, обычно являются поликри­сталлическими веществами. Они состоят из множества малых об­ластей (зерен или кристаллитов) неправильной формы, самым различным образом расположенных относительно друг друга. После механической обработки поверхность металлов становится шеро­ховатой, т.е. состоит из выступов, представляющих собой крис­таллиты и их обломки (высота выступов 10. 100 мкм). Механи­ческой и химической полировкой средний размер неровностей поверхности уменьшают до единиц микрометров. Однако на обра­батываемой поверхности при этом образуется тонкий слой с ме­ханическими и электрическими свойствами, отличными от свойств исходного материала (рис.3.6, а). Этот слой, называемый слоем Бейлби, возникает в результате разрушения наиболее крупных выступов и последующего впрессовывания их обломков во впади­ны микрорельефа. При этом значительная часть кристаллитов окис­ляется, их сопротивление увеличивается, поэтому слой Бейлби является почти аморфным и отличается повышенным удельным сопротивлением и твердостью.

а – до соприкосновения; б – при механическом контактировании; 1 – слой Бейлби; 2 – хрупкий оксидный слой; 3 – пластичный сульфидный слой; 4 – полимерные или водяные пленки; 5 – воздух.

Рисунок 3.6 – Состояние поверхности контактирующих материалов.

На поверхности металла, находящегося в атмосфере промыш­ленных городов, образуются диэлектрические и полупроводнико­вые пленки. Прежде всего следует упомянуть оксидные пленки, толщина которых зависит от скорости диффузии кислорода в ме­талл и металла в оксид пленки, от температуры, давления и со­става окружающей среды. Наиболее часто в качестве материала контакта выступает медь. Скорость диффузии ионов меди в оксид уменьшается по мере увеличения его толщины, поэтому скорость роста пленки с течением времени тоже уменьшается и становится равной нулю. На поверхности меди образуется пленка толщиной h0, постоянная для данных внешних условий (для определенной влажности, температуры и давления кислорода в окружающей среде).

Пленка оксида обладает пассивирующими свойствами, но ее структура разрушается при образовании контакта (рис.3.6, б).

Одновременно возникают так называемые пленки потускне­ния. Они образуются в атмосфере, содержащей сероводород, ак­тивно взаимодействующий с металлами. В результате на поверхно­сти происходит синтез сульфидов, которые по электрическим свой­ствам относятся к полупроводникам или (реже) к диэлектрикам.

К сожалению, такие пленки не обладают пассивирующими свойствами, а их меха­нические свойства допускают значитель­ные деформации без разрушения струк­туры (см. рис.3.6, б). Наружные пленки (полимерные или водяные) влияют на свойства контактов только в режиме мик­ротоков.

Рассмотрим механическое соединение двух металлов (в виде цилиндров с радиу­сом r 0) под действием внешнего давления (рис.3.7).

Рисунок 3.7 – Модель прижимного плоско­стного электрического контакта.

Так как соприкасающиеся ме­таллы (контактная пара) имеют шерохо­ватую поверхность, то механическое со­единение элементов контактных пар про­исходит не по всей поверхности контакта So , а только на отдельных участ­ках, называемых контактными пятнами.

К числу основных электрических параметров контакта относится его контактное сопротивление в зоне перехода между двумя металлами.

Помимо контактного сопротивления другим важным парамет­ром электрического контакта является максимальный ток I мах , который может быть пропущен через контакт без нарушения его работоспособности. При протекании через замкнутый контакт тока I мах в контакте выделяется мощность, контакт нагрева­ется, что может привести к окислению металла и к увеличеник R K . В результате нагрев контакта будет возрастать вплоть до преры­вания цепи.

При больших токах возможно также оплавление поверхности металла, что вызывает невозможность размыкания контакта из-за сваривания контактных пар. При размыкании контакта под элек­трической нагрузкой возможно также образование электрической дуги между проводниками контактной пары, что при большие токах может привести к окислению, электрической эрозии и свариванию контакта.

При работе контактов в цепях с напряжениями в единицы микровольт или в режиме микротоков следует учитывать термо­ЭДС, возникающую в переходной зоне. Величина и направление термоЭДС определяются электродными потенциалами материа­лов контактов и их температурой. Если температура проводников контактной пары одинакова, термоЭДС равна алгебраической раз­ности электродных потенциалов, которая может произвольно ме­няться во времени по величине.

Малую разность контактных потенциалов необходимо обеспечить также для того, чтобы исключить появление во влажной среде гальванической пары – это может вызвать коррозию проводни­ков контактной пары.

В контакте при протекании по нему тока неизбежно возникают токовые шумы. ТермоЭДС и ЭДС шумов вызывают изменение проходящего через контакт электрического сигнала, что особенно заметно при ма­лых напряжениях и токах.

При длительной эксплуатации происходят процессы механи­ческого и электрического износа контактной пары. После много­кратного сочленения и разъединения контакта возникают изме­нения геометрических размеров и состояния поверхности контак­тных пар. Это обусловлено несколькими процессами, связанными между собой.

Особую разновидность составляют плоскостные скользяща контакты (например, в электродвигателях). В них существенную роль играет абразивный характер износа, связанный с перемещением одного элемента контактной пары по поверхности другого. Так как перемещение производится под нагрузкой, то при токе 0,5. 1 А происходит интенсивная электрическая эрозия, связанная с искрением или дугообразованием. При этом температур отдельных областей в зоне механического контактирования может достигнуть температуры плавления и даже кипения материала контакта. Вследствие этого происходят испарение и разбрызгивание металла.

Все рассмотренные процессы оказывают влияние на износостойкость контакта. Под износостойкостью понимают предельно количество сочленений, после которого величина RK выходит за пределы допустимого значения. В зависимости от назначения контакты должны обеспечивать от 100 до 108 сочленений.

Все контакты делятся на два типа: скользящие и разрывные.

Скользящие обеспечивают переход электрического тока от неподвижной части устройства к подвижной (потенциометры, реостаты, генераторы, двигатели постоянного тока и т.д.

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

Материалы для скользящих контактов должны обладать низким удельным сопротивлением, малым падением напряжения на контактах, высокой стойкостью к истиранию, должны выдерживать работу на высоких скоростях.

Материалы для разрывных контактов работают в наиболее сложных условиях. Они не только должны иметь малое удельное сопротивление, малое падение напряжения на контактах, но и быть стойкими к механическому и электрическому износу.

Эрозия связана с переносом материала с одного контакта на другой за счет искровых или дуговых разрядов. Это явление связано с полярностью контактов, поэтому особенно остро проявляется в цепях постоянного тока. Под влиянием эрозии нарушается форма рабочих поверхностей, на них образуются наросты, кратеры и замыкающие перешейки, в дальнейшем может произойти спекание контактов. Для снижения действия эрозии необходима высокая температура плавления контактного материала, плохая его испа­ряемость за счет высоких значений теплоты плавления и испарения. Луч­шими противоэрозионными свойствами обладают вольфрамовые контакты.

Коррозия обусловлена химическим взаимодействием контактных материалов с окружающей средой, т. е. с появлением на их поверхности оксидных, сульфидных, карбонатных и других пленок с плохой электропроводностью. Все металлические изделия в процессе эксплуатации подвер­жены действию коррозии, однако корро­зия контактных материалов протека­ет значительно активнее за счет разо­грева контактов до высоких темпе­ратур.

Механический износ происходит вследствие приложения опре­деленной силы при ударе контактов и последующего контактного нажатия. Чтобы свести к минимуму растрескивание, истирание частей контактов, необходима высокая твердость и высокая меха­ническая прочность (главным образом вязкость при ударе) кон­тактирующих материалов. В связи с этим целесообразнее благо­родные металлы применять в виде гальванических покрытий. Изве­стно, что твердость и износоустойчивость гальванических покрытий из благородных металлов в несколько раз выше соответствующих показателей массивного благородного металла.

Контактных материалов, удовлетворяющих всем перечисленным требованиям, не существует. Практически удается лишь прибли­зиться в той или иной степени к совокупности наиболее нужных характеристик материала. Во всех возможных случаях устройства с разрывными и скользящими контактами целесообразно заменять соответствующими электронными схемами. Это, как правило, по­вышает срок службы прибора, снижает число отказов, позволяет эксплуатировать приборы в более жестких условиях.

Материалы для скользящих контактов

Материалы для скользящих контактов можно разделить на пружинные металлические и электротехнические угольные.

В качестве пружинных металлических контактных материалов используют, главным образом специальные сорта бронз (кадмие­вые, кадмиево-оловянистые, бериллиевые), обладающие повышенной механической прочностью, стойкостью к истиранию при невысоких значениях р . Основное примене­ние пружинные контактные материалы на­ходят в потенциометрах, переключателях, реостатах и других элементах радиоэлект­ронной аппаратуры.

Электротехнические угольные материалы широко используют для изготовления ще­ток электрических машин, угольных элект­родов для гальванических элементов, дуго­вых печей и т. д. Сырьем для производства электроугольных изделий служит природный графит и сажа.

Природный графит — слоистый материал, одна из разно­видностей чистого углерода. Его физические свойства в направле­нии слоистости и перпендикулярно к ней различны. В направлении слоев электропроводность графита имеет металли­ческий характер (р = 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. Оно используется в технике при изготовлении сухих смазок на ос­нове графита.

Сажи представляют собой мелкодисперсный углерод с при­месью смолистых веществ. Для них характерен широкий диапазон удельного сопротивления (0,01—400 Ом-м).

Сажу и графит смешивают со связкой (например, каменноуголь­ной смолой, жидким стеклом), прессуют и подвергают термообра­ботке. При высоких температурах обжига (до 2200° С) увеличива­ются размеры кристаллов графита, повышается проводимость материала и снижается его твердость. Этот процесс называют гра фитированием. Он позволяет направленно регулировать различные свойства электроугольных щеток.

Промышленность выпускает щетки различных марок: угольно-графитные (УГ), графитные (Г), электрографитированные, т. е. подвергнутые графитированию (ЭГ), металлографитные, содержа­щие металлический порошок (Ми МГ).

Удельное давление для всех щеток составляет 20—30 кПа, при коэффициенте трения по меди не более 0,3. Падение напряжения в щеточном контакте при номинальном токе составляет от 0,3 В (щетки МГ) до 3 В (щетки ЭГ). Основное применение электро­угольные щетки находят в электрических генераторах, электродви­гателях, автотрансформаторах и т. д.

Материалы для разрывных контактов

По величине коммутируемого тока контакты этого типа делят на слаботочные (токи до единиц ампер) и сильноточные.

Слаботочные контакты изготовляют обычно из благородных и тугоплавких металлов, преимущественно из серебра, платины, зо­лота, вольфрама и сплавов на их основе типа твердых растворов.

Серебро применяется в широкой номенклатуре контактов в аппаратуре разных мощностей. Исключение составляют особо точные контакты с малой силой контактного нажатия. Серебряные контакты не рекомендуется применять вместе с материалами, со­держащими серу (например, резина, эбонит).

Широко применяют сплавы систем серебро – кадмий, серебро – палладий, серебро – магний – никель, имеющие улучшенные свой­ства по сравнению с чистым серебром. Преимущество сплавов кад­мия с серебром состоит в увеличении скорости гашения дуги, воз­никающей между контактами, за счет паров кадмия и кисло­рода.

Контакты из серебра и его сплавов широко используют в реле различных назначений, в устройствах электронной техники, рабо­тающих в бездуговом режиме, в радиоаппаратуре, приборах авто­матики, в аппаратуре авиационного и морского оборудования.

Золото в чистом виде применяют лишь для изготовления пре­цизионных контактов, работающих при малом контактном нажатии и низком напряжении. Однако на золотых контактах даже при ма­лых токах в результате эрозии образуются иглы и наросты. Кроме того, золото весьма склонно к дугообразованию. Суще­ственным преимуществом золота является его коррозионная стой­кость против образования сернистых пленок, как при комнатной температуре, так и при нагревании. Золото, как контактный мате­риал используют, главным образом в виде сплавов с платиной (например, ЗлПл-7), серебром, никелем, цирконием, имеющих по­вышенную твердость, хорошую эрозионную и коррозионную стой­кость. Сплавы золота используют для скользящих контактов по­тенциометров, в измерительных приборах, малогабаритных реле, в телефонной аппаратуре и штепсельных разъемах.

Платина на воздухе не окисляется и не образует сернистых пленок. Это обеспечивает платиновым контактам стабильное пере­ходное сопротивление. В чистом виде платина редко применяется для изготовления контактов, но является одной из лучших основ для группы контактных сплавов. Присадки никеля, серебра, золо­та, иридия сильно повышают твердость и удельное сопротивление платиновых сплавов. Наиболее распространены платино-иридиевые контактные сплавы ПлИ-10 и ПлИ-25. Платиновые контактные сплавы используют в прецизионных реле, работающих без дуговых разрядов, в малогабаритных и миниатюрных реле радиоэлектрон­ной аппаратуры, контрольных peлe авиационного электрооборудо­вания.

Вольфрам является одним из распространенных и давно применяемых контактных материалов. Он наиболее стоек к образова­нию дуги, в несколько раз более стоек к эрозии, чем платина. Вольфрамовые контакты практически не свариваются во время работы (температура плавления 3380°С). Благодаря высокой твердости, они не поддаются заметному механическому износу. Причем наилучшими свойствами обладают контакты из вольфра­мовой проволоки, имеющей продольно-волокнистое строение. Если зерна у нарезанных из проволоки контактов вытянуты вдоль оси контакта, заметно повышается его износоустойчивость.

Легирование молибденом увеличивает твердость вольфрама, его удельное сопротивление и несколько снижает тугоплавкость. Однако у молибдена есть существенный недостаток: он подвержен коррозии в условиях атмосферы с образованием рыхлых, пленок оксидов, способных вызвать нарушение контакта. Поэтому молибден вводят в сплав с вольфрамом в малых количествах.

Применяют вольфрамовые контакты в контрольных реле авиа­ционного оборудования, в преобразователях и прерывателях тока, в вакуумных или газонаполненных выключателях, телеграфных, сигнальных реле и т. д.

Сильноточные контакты преимущественно изготовляют из металлокерамических материалов, получаемых методами порошковой металлургии. тугоплавких металлов (W, Мо и сплавы на их основе).

Металлокерамические материалы для сильноточных контактов должны состоять из невзаимодействующих друг с другом компо­нентов, один из которых обладает значительно большей тугоплавкостью, а другой обеспечивает хорошую проводимость материала. При расплавлении этот компонент удерживается силами поверхно­стного натяжения в порах тугоплавкой фазы. В настоящее время хорошо зарекомендовали себя следующие материалы: серебро – оксид кадмия, серебро– никель, серебро – графит, серебро – вольф­рам, медь – вольфрам, медь – графит.

Серебряная или медная фаза обеспечивают высокую электро- и теплопроводность контактов, а тугоплавкая фаза в виде равно­мерных включений оксидов кадмия, меди, никеля, а также вольфра­ма и графита повышает их износо- и термостойкость и препятствует свариванию контактов. Кроме того, оксид кадмия, разлагаясь при температуре около 900°С на кадмий и кислород, способствует бы­строму гашению дуги. Аналогичные свойства проявляет оксид меди, но при более высоких температурах.

Если исходные компоненты материала измельчены до размеров частиц 0,5 – 2 мкм вместо обычных размеров 50 – 150 мкм, срок службы контактов возрастает в 1,5 – 3 раза. Мелкодисперсные кон­тактные материалы дополнительно маркируются буквой м , напри­мер КМК-20м.

В порядке уменьшения стойкости к свариванию контактные ма­териалы можно расположить в следующем порядке: графит, вольф­рам, сплав вольфрам – молибден, металлокерамика вольфрам – медь (серебро), карбид вольфрама – серебро, сплавы серебро – кадмий, металлокерамика серебро – оксид кадмия (оксид меди), серебро (медь) – графит и т. д. Металлокерамические контакты по сравнению с обычными металлическими более стойки к оплавле­нию, привариванию и износу. Они незаменимы при высоких токо­вых и механических нагрузках, при умеренных нагрузках позволя­ют значительно увеличить срок службы контактов, повысить на­дежность и долговечность аппаратов при значительной экономии металлического серебра (от 10 до 70%).

Сильноточные металлокерамические контакты используют для общепромышленных целей, в аппаратуре морского и авиационного оборудования, в частности в авиационных реле и выключателях среднего и тяжелого режима, а также в автоматических предохра­нителях, пускателях, контакторах, реле сигнализации и т. д.

Механический износ связан с истиранием и деформированием.

Химический износ (коррозия) обусловлен химическим взаимодействием контактных материалов с окружающей средой.

Электрический износ (электрическая эрозия или обгорание) наблюдается только в разрывных и частично скользящих контактах.

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

К скользящим контактам относят пружинные металлические и электротехнические угольные. В качестве пружинных металлических контактных материалов применяют твердотянутую электролитическую медь, специальные сорта бронз (кадмиевые, кадмиево-оловянистые, бериллиевые), а также материалы соединения серебро - окись кадмия.

Основное применение пружинные контактные материалы находят в проволочных потенциометрах, реостатах, переключателях.

Электротехнические угольные материалы широко используют для изготовления щеток электрических машин, угольных электродов для гальванических элементов, дуговых печей и т. п.

Промышленность выпускает щетки различных марок: графитные (Г); угольно-графитные (УГ); металлографитные, т.е. содержащие металлический порошок (М и МГ); электрографитированные, т.е. подвергнутые графитированию (ЭГ). Между контактными поверхностями размыкающих контактов могут возникать электрические разряды в виде искры или дуги.

Эрозия - это постепенное разрушение поверхности металлических изделий в потоке газа или жидкости, а также под влиянием механических воздействий, электрических разрядов и т. п.

Выбор материалов для размыкающих контактов ведут по значению коммутируемого тока или по мощности размыкания электрических цепей.

Слаботочные (маломощные) размыкающие контакты изготавливают из благородных и тугоплавких металлов и сплавов на их основе типа твердых растворов.

Сильноточные (мощные) размыкающие контакты изготавливают из металлокерамических материалов, получаемых методами порошковой металлургии. Менее тугоплавкий компонент удерживается в порах более тугоплавкого силами поверхностного натяжения.

ПРИПОИ.Пайкой называется процесс получения неразъемных соединений с помощью специальных сплавов или металлов, температура плавления которых ниже температур плавления соединяемых деталей.

Специальные сплавы, применяемые при пайке, называют припоями. Процесс пайки сопровождается нагреванием. В результате припой плавится, растекается по поверхности соединяемых деталей, заполняя зазор между ними.

Соединяемые поверхности тщательно очищают, а в процессе пайки защищают от окисления вспомогательными составами, называемыми флюсами.

Припои должны обладать следующими свойствами:

- хорошая жидкотекучесть, т. е. способность легко растекаться в расплавленном состоянии и заполнять узкие зазоры и щели;

- малый интервал температур кристаллизации; - высокая механическая прочность;

- коррозионная стойкость; - высокая электропроводность.

Припои подразделяют на мягкие с температурой плавления Тпл до 400 °С и твердые с температурой плавления Тпл выше 400 °С. При пайке мягкими припоями преобладает адгезия (поверхностное сцепление), которая способствует смачиванию, а при пайке твердыми припоями наряду с адгезией - сплавление и диффузия.

Название марок припоев определяется металлами, входящими в них в наибольшем количестве (олово - О, свинец - С, алюминий - А, серебро - Ср, сурьма - Су, медь - М, цинк - Ц, висмут - Ви, кадмий - К). Мягкими в основном являются оловянно-свинцовые припои (ПОС) с содержанием олова от 18% (ПОС-18) до 90% (ПОС-90).

Мягкие припои используют для пайки внутренних выводов корпусов микросхем, проволочных выводов навесных компонентов, герметизации корпусов, лужения наружных выводов корпусов микросхем, коммутационных слоев печатных плат, мест монтажа бескорпусных интегральных микросхем.

Твердые припои. Твердые припои отличаются тугоплавкостью (температура плавления 500.. .900 °С) и высокой механической прочностью, но технология пайки при этом значительно сложнее и процесс ведется в специальных электрических печах. Твердыми припоями паяют узлы электронных ламп, электровакуумных устройств, а также герметичных корпусов.

Припои для приборов с Тп = 450 °С представляют собой сплавы серебро - медь - олово, серебро - медь - индий, которые часто используют в порошке, поскольку они отличаются хрупкостью. Припои для приборов Тп = 700 °С представляют собой сплавы на основе золота, меди, палладия и никеля.

Читайте также: