textarchive.ru

Главная > Автореферат диссертации


Тема 3.6 Материалы для подвижных контактов

Основные сведения и требования

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)

б)

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 r0) 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 Iмах, который может быть пропущен через контакт без нарушения его работоспособности. При протекании через замкнутый контакт тока Iмах в контакте выделяется мощность, контакт нагрева­ется, что может привести к окислению металла и к увеличеник RK. 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 RKвыходит 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.

Высокой коррозионной стойкостью обладают благородные ме­таллы, особенно те из них, которые длительное время не покрыва­ются оксидными пленками и получили за это название «нетускнеющих». К их числу относят золото, платину и ее сплавы с иридием, родий и другие металлы, не имеющие или имеющие весьма тонкую оксидную пленку, характеризующуюся высокой электропровод­ностью. Для работы таких контактов достаточно усилие в 0,15— 0,25 Н. Для материалов с толстой оксидной пленкой, например, вольфрама, необходимо применение повышенного усилия на кон­такты (до 10Н), что способствует разрушению оксидных пленок при ударе контактов.

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 графитированием. 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.

Сплавы системы серебро – магний – никель, например СрМгН-99, а также сплавы с добавками золота и циркония удачно сочетают свойства упругого и контактного материалов. Это позво­ляет успешно использовать их как единые детали «контакт – пру­жина», что весьма ценно в малогабаритных и миниатюрных устрой­ствах. Переходное сопротивление этих сплавов практически той же величины, что и переходное сопротивление серебра.

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.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Физико-химические основы материаловедения и технологии композитов (часть i ) кредиты 3 аннотация дисциплины

    Документ
    ... ансамблей. Физико-химический анализ дисперсных систем. Модуль 2. Явления на границе раздела фаз. Общие ... – 17 часов. Составила доцент Г.А. Чиганова Физико-химическиеосновыматериаловедения и технологии композитов (часть II) Кредиты ...
  2. Раздел «молекулярная физика» в школьном курсе физики § 1 значение место и особенности раздела «молекулярная физика»

    Задача
    ... этого раздела курса физики. Достижения молекулярной физики являются научной основой та­кой отрасли промышленности, как материаловедение ... , но и в электрических, магнитных, химических и др. В основе термодинамического метода лежат следующие поня­тия ...
  3. Физико-химические основы технологии строительных материалов

    Документ
    ... Рассмотрены основные разделы одноименного курса: теоретические основы дорожно-строительного материаловедения, активационно- ... создания бездефектных материалов 86 1.4.6. Физико-химическиеосновы технологии производства асфальтобетонных смесей и ...
  4. Материаловедение и технология конструкционных материалов

    Учебно-методический комплекс
    ... – дать основыматериаловедения, принципы выбора необходимых материалов, привить навыки практического определения физико-механических ... группу химических соединений. 6.3.1. Классификация полимеров и свойства полимеров По происхождению полимеры разделяют ...
  5. Евгений петрович прокопьев ( rus )( eng ) общий список публикаций антиматерия и позитроника позитроника и нанотехнологии позитроника позитронная аннигиляция физика сложных систем синергетика материаловедение нанотехнологии другие смежные проблемы

    Документ
    ... . Прокопьев Е.П. О поверхностных состояниях на границе раздела полупроводник-металл. М., 1985. 5 с. - Деп. в ... процессах. Третья Российская конференция по материаловедению и физико-химическимосновам технологий получения легированных кристаллов кремния ...

Другие похожие документы..