Материалы для подвижных контактов

Материалы для подвижных контактов в процессе эксплуатации подвергаются электрической эрозии, свариванию, коррозии и механическому износу. Интенсивность эрозии, сваривания и коррозии зависят в первую очередь от природы материала и величины разрываемого тока.

Электрическая эрозия – это разрушение контактных материалов (КМ), связанное с расплавлением и переносом металла в газообразном и жидком (в виде мелких капель) состояниях с одной контактирующей поверхности на другую под действием электрических разрядов. Особенно существенно эрозия проявляется в цепях постоянного тока, образуя на контактирующих поверхностях наросты и кратеры. Чем выше значения удельной теплоемкости, температуры и удельной теплоты плавления и температуры сублимации КМ, тем ниже их эрозия.

Дугообразование характеризуется минимальными значениями тока и напряжения, при которых возникает дуговой разряд. С ростом напряжения минимальный ток дугообразования падает почти по параболической кривой (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Зависимость минимального тока I дугообразования от рабочего напряжения U для различных контактных пар

Дугообразование зависит от природы КМ и окружающей среды, состояния контактирующих поверхностей и индуктивности цепи. Самый высокий минимальный ток дугообразования имеет вольфрам (см. рис. 2.10).

Сваривание КМ происходит под действием высоких значений температуры и силы контактного нажатия и может приводить к деформированию контактирующих поверхностей с частичным расплавлением или даже к потере способности их к размыканию. Поэтому очень важно, чтобы КМ обладали высокой стойкостью к свариванию, которая присуща вольфраму.

Коррозия – это химическое взаимодействие КМ с окружающей средой, в результате которого на их поверхности образуются оксидные, сульфидные, карбонатные и другие пленки с низкой электропроводностью. Толщина такой пленки зависит от многих факторов и обычно составляет 10^–6–10^–5 мм; ее удельное электрическое сопротивление не менее 10³ . Распределение тока по контактирующим поверхностям неравномерно, так как структура поверхностей неоднородна.

Структура поверхностей электрического контакта состоит из четырех основных видов контактных участков (пятен) (рис. 2.11):

1) контактные пятна с металлическим контактом (1), через которые протекает электрический ток без заметного переходного сопротивления;

2) контактные пятна, покрытые адгезионными и хемосорбиро-ванными мономолекулярными пленками – это квазиметаллические контакты (2), легко пропускающие электрический ток благодаря туннельному эффекту;

3) контактные пятна, покрытые электроизолирующими относительно толстыми пленками оксидов и сульфидов (3), не пропускающими электрический ток;

4) не контактирующие участки (4).

Рис. 2.11 Схема контактной поверхности:
1 – металлические пятна (участки); 2 – квазиметаллические пятна; 3 – пятна из изолирующих толстых пленок оксидов и сульфидов; 4 – неконтактирующие участки

Соприкосновение контактирующих частей происходит только на участках 1, 2, 3, образующих истинную контактную поверхность. На участках 4 соприкосновения контактной пары не происходит. Общая площадь электрического контакта слагается из суммы площадей всех пятен (1+2+3+4) и представляет собой кажущуюся контактную поверхность, образующуюся при смятии выступов шероховатости контактных поверхностей под действием контактного давления.

Электрический ток фактически проходит только через участки (пятна) 1 и 2 истинной контактной поверхности. В сильных электрических полях в результате пробоя толстых пленок оксидов и сульфидов (участки 3) и воздушных прослоек (участки 4) они также становятся проводниками электрического тока. Однако при этом образуются искровые и микродуговые разряды, которые интенсивно разрушают поверхности контактов. Состояние контактирующих поверхностей непосредственно влияет на переходное (контактное) сопротивление и температуру нагрева контактов при протекании через них электрического тока. Высокой коррозионной стойкостью обладают золото Аu, платина Pd и их сплавы с иридием Ir, родием Rh и некоторыми другими металлами; они не имеют вообще или имеют очень тонкие оксидные пленки с высокой электропроводностью. Контакты из этих металлов работают при нажатии силой в 0,15–0,25 Н, в то время как для металлов с относительно толстыми оксидными пленками (например, у вольфрама) необходимо усилие до 10 Н, чтобы разрушить оксидные пленки при ударе контактов.

Механический износ происходит в результате удара контактных поверхностей и последующего нажатия, а также их трения. Чтобы свести к минимуму механический износ, КМ должны обладать высокими значениями износостойкости, ударной вязкости и твердости. Благородные металлы лучше применять в виде гальванических покрытий, так как у них износостойкость и твердость намного выше, чем у этих же металлов в массиве.

Подвижные контакты по условиям работы разделяют на контакты скользящие и разрывные.

Скользящие контакты нужны для перехода электрического тока от неподвижной части электротехнического устройства к подвижной, например в реостатах – от обмотки к движку, в электрических машинах – от щеток к коллектору, у электрифицированного транспорта – от контактного провода к токосъемнику. Основные недостатки этих контактов – механический износ, возможность дугообразования, а также электрическая эрозия и коррозия контактирующих поверхностей.

Разрывные контакты обеспечивают периодическое замыкание и размыкание электрической цепи. Например, в различных типах реле, выключателей, контакторов, электромеханических преобразователей. Основными сложностями при работе этих контактов является возможность дугообразования, что вызывает сваривание контактирующих поверхностей, их электрическую эрозию и коррозию, а также механический износ.

2.9.1. Материалы для скользящих контактов

Материалы для скользящих контактов должны обладать низкими значениями удельного сопротивления и падения напряжения на контактах, высокими значениями минимального тока и напряжения дугообразования, высокой стойкостью к истиранию (износостойкостью), электрической эрозии и коррозии. Скользящие контакты, в свою очередь, можно разделить на металлические и электротехнические угольные.

К металлическим скользящим контактам относятся коллекторные пластины электрических машин, которые изготавливаются из твердой меди, бронз и других материалов. В ряде случаев используют пружинные металлические контакты, применяемые в основном в переключателях, потенциометрах, реостатах. Для изготовления пружинных металлических скользящих контактов используют специальные сорта бронз: кадмиевые, бериллиевые и хромистые (БрКд1, БрБ2, БрХ0,5), – обладающие высокой упругостью, стойкостью к истиранию и низким значением удельного сопротивления. Например, сплав Сu–Cd (Cd~l%), образует твердый раствор, который в три раза более стоек к истиранию, чем медь. Для изготовления скользящих контактов применяют также латуни (например, ЛС 59-1, ЛМц 58-2). Металлические скользящие контакты имеют наиболее высокую стойкость к истиранию в паре с электротехническими угольными материалами.

Электротехнические угольные материалы обладают относительно высокой электро- и теплопроводностью, очень низким коэффициентом трения, большим напряжением дугообразования, высокой химической стойкостью, многие из них – высокой нагревостойкостью. Эти материалы широко используют для изготовления угольных электродов различного применения, щеток для электрических машин и автотрансформаторов, угольных порошков для микрофонов. Щетки выпускают следующих марок: УГ (угольно-графитные), Г (графитные), ЭГ (электрографитированные), М и МГ (медно-графитные). Удельное давление для всех щеток составляет 20–30 кПа при коэффициенте трения по меди не более 0,3. Падение напряжения при номинальном токе составляет от 0,3 В (щетки МГ) до 3 В (щетки ЭГ).

Основным сырьем для производства электроугольных изделий являются природный графит и сажи. Для получения монолитного изделия графит и сажу смешивают со связующим веществом – каменноугольной смолой (побочный продукт коксования каменного угля) или жидким стеклом, прессуют и подвергают обжигу при температуре 2200–2500°С. Этот процесс называют графитированием. В результате графитирования увеличивается размер кристаллитов, повышается электропроводность и снижается твердость.

Природный графит – мягкое кристаллическое вещество темно-серого цвета, представляющее собой одну из двух аллотропных форм углерода; имеет слоистое строение. В направлении слоев электропроводность носит металлический характер. Для поликристаллических образцов удельное сопротивление ρ≈8 , ТК ρ= К^–1. Отдельные чешуйки графита легко отделяются и скользят по его поверхности, образуя сухую смазку.

Известен искусственный графит, получаемый путем термической перекристаллизации углей при температуре 2200–2500°С.

Сажи представляют собой угольный порошок высокой степени дисперсности (частицы сферической формы достигают 10–300 нм); они имеют более мелкокристаллическую структуру, чем графит (их иногда называют коллоидным углеродом). Графитовая структура в сажах еще не вполне сформирована. Сажи получают при неполном сгорании многих органических веществ. В зависимости от способа получения и исходного сырья различают ряд марок саж. Удельное сопротивление саж в насыпном виде в зависимости от температуры прокаливания и давления изменяется в широком интервале от 0,01 до 400 .

2.9.2. Материалы для разрывных контактов

Разрывные контакты по величине коммутируемого тока подразделяют на слаботочные (токи от долей до единиц ампера) и сильноточные (токи от единиц до тысяч ампера). Для изготовления слаботочных разрывных контактов используют благородные и тугоплавкие металлы.

Из благородных металлов используют серебро, золото, платину и различные сплавы на их основе, например сплавы систем: золото-серебро (Аu–Ag), платина-рутений (Pt–Ru), платина-родий (Pt–Rh), серебро-кадмий (Ag–Cd), серебро-палладий (Ag–Pd), серебро-магний-никель (Ag–Mg–Ni). Контакты из серебра и его сплавов применяют в коммутирующих устройствах, работающих в бездуговом режиме. Их недостаток – возможность образования сульфидных пленок. Золото и платину в чистом виде используют для изготовления прецизионных контактов. Золото в основном используют в виде сплавов с серебром Ag, платиной Pt, никелем Ni, цирконием Zr; платину – в виде сплавов с иридием Ir, никелем Ni, серебром Ag и золотом Аu. У этих сплавов высокая твердость, хорошая эрозионная и коррозионная стойкость. Достоинством контактов на основе золота и платины является стойкость к образованию сернистых пленок, недостатком – склонность к дугообразованию.

Из тугоплавких металлов применяют вольфрам и молибден. Достоинством вольфрама является его высокая стойкость к дугообразованию и практическое отсутствие свариваемости. Однако у вольфрама сравнительно толстая оксидная пленка, поэтому требуется высокое контактное давление. Недостатком молибдена является образование оксидных пленок, которые имеют рыхлую структуру и могут внезапно полностью нарушать контактную проводимость. У вольфрама, легированного молибденом, повышены твердость и удельное сопротивление и понижены Т_пл и коррозионная стойкость.

Для изготовления разрывных контактов также широко используют медь, сплавы и биметаллы на ее основе.

В производстве сильноточных разрывных контактов широко применяют композиционные материалы, представляющие собой смесь двух фаз, одна из которых обеспечивает высокую электро- и теплопроводность контактов, другая – в виде тугоплавких включений придает контактам стойкость к механическому износу, электрической эрозии и свариванию. Сильноточные разрывные контакты из композиционных материалов получают методом порошковой металлургии. В качестве контактных материалов хорошо себя зарекомендовали композиции на основе меди и серебра: серебро–оксид кадмия, серебро–оксид меди, медь–графит, серебро–никель, серебро–графит. Применяют также тройные композиции: серебро–никель–графит, серебро–вольфрам–никель. В этих композициях медная и серебряная фазы обеспечивают электро- и теплопроводность контактам, а включения из оксида кадмия и оксида меди, а также вольфрама, никеля и графита повышают износо- и термостойкость и препятствуют свариванию контактов.

В качестве электроконтактных композиций в мощных высоковольтных масляных и воздушных выключателях нашли применение Сu–W, в высоковольтных масляных выключателях Сu–Мо, в вакуумных камерах Сr–Сu–W, Fe–Сu–Bi. В порядке уменьшения стойкости к свариванию материалы располагаются в следующем порядке: графит, вольфрам, композиции: W–Мо, W–Сu (Ag), карбид вольфрама– серебро (WC–Ag), Ag–Cd, металлокерамика Ag–CdO (CuO), Ag (Сu) – графит и т.д.

Для изготовления сильноточных разрывных контактов, эксплуатируемых при повышенных напряжениях и контактных давлениях, используют также твердую медь, что существенно удешевляет электротехнические устройства.

2.10. Контрольные вопросы к главе 2

2.1. Классифицируйте проводниковые материалы по составу, свойствам и техническому назначению.

2.2. Какие материалы относят к материалам высокой проводимости, приведите примеры наиболее распространенных из них?

2.3. Приведите преимущества меди, как проводникового материала.

2.4. Какие марки меди Вы знаете, чем они отличаются?

2.5. Где в электротехнике применяют медь?

2.6. Дайте характеристику алюминию. Каковы его преимущества и недостатки по сравнению с медью?

2.7. Какие марки алюминия Вы знаете? Приведите их отличия.

2.8. Где применяют окисную пленку алюминия?

2.9. Как зависит удельное сопротивление, удельная теплоемкость и ТКЛР от температуры для алюминия?

2.10.  Какие материалы на основе цветных металлов Вы знаете?

2.11.  Что такое латуни?

2.12. В чем отличие однофазных латуней от двухфазных?

2.13. Как маркируются латуни? Приведите примеры.

2.14. В чем главная отличительная особенность латуни от чистой меди?

2.15. Дайте определение бронз.

2.16. Как маркируются бронзы?

2.17. Для чего некоторые виды бронз подвергают термообработке?

2.18. Какие сплавы алюминия Вы знаете?

2.19. Каковы основные преимущества алюминиевых сплавов?

2.20. Как делятся алюминиевые сплавы в зависимости от пластичности и деформируемости?

2.21. Приведите особенности дюралюминов и силуминов?

2.22. Что такое биметаллические проводники, где они применяются?

2.23. Что называют сверхпроводником?

2.24. Какую температуру называют критической, применительно для сверхпроводников?

2.25. Как ведет себя сверхпроводник в магнитном поле?

2.26. Что лежит в основе теории сверхпроводимости, созданной Д. Бардиным, Л. Купером и Д. Шриффером?

2.27. Что такое куперовские пары?

2.28. Как ведут себя электроны в куперовских парах при возбуждении в сверхпроводнике электрического тока?

2.29. Что происходит с куперовскими парами при температурах выше 0 К?

2.30. Что характерно для сверхпроводников I рода? Какие материалы к ним относят?

2.31. Приведите отличительные особенности сверхпроводников II рода?

2.32. Что такое сверхпроводники III рода?

2.33. Приведите отличие высокотемпературных сверхпроводников. Где их применяют?

2.34. Что такое криопроводники? Где их применяют?

2.35. Какие материалы относят к материалам высокого сопротивления?

2.36. Для чего применяют металлические сплавы, образующие твердые растворы?

2.37. Как классифицируют металлические сплавы, образующие твердые растворы, по назначению?

2.38. Дайте определение манганину, где он применяется?

2.39. Какой сплав называют константаном?

2.40. Какие нагревостойкие сплавы Вы знаете? Охарактеризуйте их.

2.41. Из каких материалов получают тонкие резистивные металлические пленки?

2.42. Какие сплавы получили наибольшее применение для изготовления термопар?

2.43. Каким образом подбираются металлы для термопар?

2.44. Какие металлы относят к тугоплавким?

2.45. Где применяют тугоплавкие металлы?

2.46. Приведите примеры тугоплавких металлов.

2.47. Охарактеризуйте вольфрам. Где применяется?

2.48. Каковы основные недостатки и преимущества вольфрама?

2.49. Охарактеризуйте тантал. Приведите области его применения.

2.50. Охарактеризуйте молибден. Приведите области его применения.

2.51. Охарактеризуйте ниобий. Где он применяется в электронике?

2.52. Охарактеризуйте хром. Где он применяется в электронике?

2.53. Какие металлы относятся к металлам со средним значением температуры плавления?

2.54. Приведите области использования железа в электротехнике.

2.55. Когда у стали появляется скин-эффект?

2.56. Охарактеризуйте кобальт. Приведите области его применения.

2.57. Дайте характеристику никелю. Где он применяется?

2.58. Для чего используют сплавы на основе ферромагнитных металлов?

2.59. Приведите примеры сплавов на основе ферромагнитных металлов, дайте краткую характеристику каждого из них.

2.60. Какие металлы относят к легкоплавким?

2.61. Охарактеризуйте свинец. Приведите области его применения.

2.62. Какими недостатками и достоинствами обладает свинец, где он применяется в электротехнике?

2.63. Кратко охарактеризуйте олово. Где применяется олово в электротехнике?

2.64. Дайте характеристику цинку. Где применяется цинк в электротехнике?

2.65. Дайте краткую характеристику кадмию. Где он применяется?

2.66. Охарактеризуйте ртуть.

2.67. Какие металлы относятся к благородным? Дайте их характеристику. Где они применяются?

2.68. Что такое электрическая эрозия?

2.69. Что такое коррозия?

2.70. Из каких видов контактных участков состоит структура поверхностей электрического контакта?

2.71. Классифицируйте подвижные контакты?

2.72. Какие материалы используют для скользящих контактов?

2.73. Какой процесс называют графитированием?

2.74. Что представляет собой природный графит?

2.75. Как разделяют разрывные контакты по величине коммутируемого тока?

2.76. Какие материалы используют для разрывных контактов?