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 Cdи Snможет достигать 2 %. Применяется в телефонных линиях, в качестве щеток электрических двигателей, деталей переключателей.

 Си—Сr. Концентрация Сr 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—Snс 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—Laв 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, Сu, Sb, Cd, In) повышают твердость и сни­жают износ. Электрические контакты из золотых сплавов стойки к воздействию серосодержащих и других агрессив­ных соединений (H₂S, S0₂, N0₂, 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 Аu—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 2000⁰С. 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.

Литература:

Мышкин Н.К., Кончиц В.В., Браунович М. Электрические контакты. – Издательский дом «Интеллект», 2008. – 560 с.