Композиционные контактные материалы

Не существует чистых металлов или их сплавов, обладающих комбинацией свойств, которые удовлетворили бы требованиям предъявляемым к электрическим контактам всего многообразия коммутирующей аппаратуры от слаботочной, рассчитанной на коммутацию малых токов (I=10^-6 A ), до мощных аппаратов высокого напряжения (I>1000 A, U>1000 В).

Основное направление в создании по возможности более универсальных контактных материалов в настоящее время связано с разработкой гетерогенных систем — композиционных материалов, компоненты которых, не смешиваясь друг с другом, обеспечивали бы требуемый набор свойств.

Ниже рассмотрены основные типы композиционных контактных материалов, применяемых в разрывных контактах коммутационной аппаратуры и скользящих контактах электрооборудования.

Материалы для разрывных контактов

Псевдосплавы. Реализация совокупности свойств несовместимых в одном материале, возможна в псевдосплавах, под которыми понимают гетерогенные системы из компонентов несмешивающихся ни в жидком, ни в твердом состоянии, не дающих взаимных химических соединений. К псевдосплавам могут быть отнесены  неравновесные композиции, фазовые составляющие которых не взаимодействуют или слабо взаимодействуют друг с другом в широком интервале температур, сохраняя в смеси свои индивидуальные свойства. В таких системах не только сочетаются свойства, вносимые каждой индивидуальной составляющей, но и проявляются только им присущие отличительные особенности.

Контакты и электроды из композиционных материалов типа псевдосплавов относятся к изделиям массового производства, их получают с использованием технологических схем, реализующих различные методы порошковой металлургии и дополнительные способы обработки. 

Сильноточные разрывные контакты изготавливаются главным образом методами порошковой металлургии из псевдосплавов на основе серебра и меди: серебро-оксид кадмия, серебро—оксид меди, серебро—никель, серебро—графит, серебро—никель—графит, серебро— вольфрам—никель, медь—графит, медь—вольфрам—никель. Серебряная или медная фаза обусловливает высокую электрическую проводимость и теплопроводность контакта, а включения тугоплавкой фазы повышают стойкость к механическому износу, электрической эрозии и свариванию. Композиции получаются либо способом твердофазного спекания спрессованных из порошков заготовок, либо путем пропитки серебром или медью предварительно отпрессованных пористых каркасов из вольфрама или вольфрамоникелевого сплава. Состав и свойства некоторых металлокерамических контактов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Свойства некоторых псевдосплавов

Обозначения:

d – плотность,

H_B – твердость,

ρ – удельное электрическое сопротивление,

l – удельная теплопроводность.

Слоистые контакты.

В целях экономии дефицитных материалов широкое распространение получила замена цельнометаллических контактных элементов слоистыми. Их получают плакированием подложки из неблагородного металла, благородным металлом или материалом на его основе.
Толщина рабочего слои обычно составляет 2—50 % от общей толщины контакта. Для изготовления слоистых контактов используют материалы систем Ag—Ni, Ag—С, Ag—CdO, Ag—CuO, Ag—Ni—C, Ag—W (Mo), Cu—Ag—W и др. Основой может служить мель, сплавы на ее основе, никель, сталь. Основные методы нанесения материала на деталь из недефицитного металла: прокатка, волочение, сварка, напыление, наплавка, гальваника и электроэрозионный метод.

Композиционные материалы с жидкими металлами.

Данные материалы образуют специфичную группу композиционных контактных материалов, получаемых методом пропитки. Такие материалы представляют собой пористый вольфрамовый каркас (порошковый - жесткий или проволочный - упругий), пропитанный легкоплавким металлом или сплавом. 

Композиты с жидкими металлами сочетают и себе достоинства как твердых, так и жидких контактов: твердый каркас придает контакту механическую прочность и независимость рабочих характеристик от положения в пространстве, а жидкий металл обеспечивает малое переходное сопротивление, независимо от контактного нажатия, и исключает свариваемость.

Такие материалы на основе порошкового каркаса получают из вольфрамового порошка, а на основе упругого каркаса - из вольфрамовой сетки. В качестве жидкого металла может использоваться, например, галлий или его эвтектические сплавы, находящиеся в жидком состоянии при температурах выше 3⁰С.

Этот тип контактов применяется в основном для сильноточных коммутационных аппаратов.

Самосмазывающиеся композиционные материалы для скользящих контактов.

В сильноточных узлах токосъема электрических машин, транспорта и др. из металла или сплавов изготавливается только наиболее дефицитный контактный элемент (коллектор, контактные кольца, контактный провод и т. п.). В качестве же материалов для сменных контактных элементов (щетки, контактные вставки и др.) широко применяются многокомпонентные самосмазывающиеся композиции.

Углеродные материалы.

Материалы на основе углерода играют доминирующую роль в качестве антифрикционных самосмазывающихся материалов, включая подшипники, уплотнения, контактные
щетки, контактные вставки. Большинство контактных материалов на основе углерода получают методами угольной керамики или порошковой металлургии из порошков графита, угля, сажи и некоторых других. В углеродных композициях и металлографитных смесях с большим содержанием графита применяются также связующие вещества, придающие изготовляемой массе свойства, необходимые для формования.

Графит имеет достаточно высокую проводимость, не формирует пленок потускнения, дугостоек. не сваривается, сохраняет свои свойства при высоких температурах. Поэтому графитовые или угольные контакты широко применяются в системах с высоким уровнем требований к характеристикам контактных материалов. Синтетический графит может быть получен пиролизом кокса при температурах выше 2200 ⁰С.
Также пиролизу могут быть подвергнуты многие типы термореактивных смол, прежде всего, фенольных.

Самая обширная область использования углеродных материалов — щетки электрических машин. Графит, уголь, сажа и др., входящие в состав большинства типов щеток, обеспечивают их относительно низкое трение, хорошие коммутирующие свойства. Для них характерны высокая химическая стойкость, низкий коэффициент линейного расширения, удовлетворительная тепло- и электропроводность, антифрикционные свойства. Это обусловило высокие эксплуатационные качества контактных материалов на основе углеродных веществ при работе в нормальных условиях. За счет изменения соотношения компонентов в рецептуре и общей схеме технологического процесса переработки порошковых композиций к настоящему времени получена обширная номенклатура углеродных щеточных материалов.

Существенный недостаток контактных материалов на основе углерода – высокая чувствительность к состоянию окружающей среды.

Материалы на металлической матрице.

Для работы при высоких электрических и механических нагрузках и скоростных режимах используются композиционные материалы с металлической матрицей и функциональным наполнителем. Металлическая матрица служит каркасом, воспринимающим механическую нагрузку, а наполнитель обеспечивает необходимые электрические и тепловые свойства.

В настоящее время для скользящих контактов разработано большое количество технологий получения самосмазывающихся контактных материалов, в которых в металлической матрице равномерно распределен графит и другие твердые смазки.

Материалы на полимерной матрице.

В современном электрооборудовании также находят применение контактные материалы, изготавливаемые методом горячего прессования с использованием термореактивных смол. Синтетические смолы обеспечивают связность и пластичность формуемой массы, придают сформированному материалу монолитность, однородность и прочность.

При низкотемпературном отжиге в этих материалах не образуется токопроводящая коксовая решетка, что увеличивает электрическое сопротивление, ограничивая при этом содержание связующего несколькими процентами. Это важно, прежде всего, для изготовления резистивных элементов.

Материалы на основе углеродных волокон.

Характерной чертой углеродных волокон является их высокая прочность при растяжении. Такие волокна могут быть введены в матрицу графита или металла для повышения прочности, жесткости и износостойкости.

Другая группа материалов для контактов – металлические контактные материалы.

Литература:

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