Зиметаллические пятна; 3 — пятна из изоли­рующих толстых пленок оксидов и сульфи­дов; 4 — неконтактирующие участки

Пар

Au, платана 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 удельной 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 контактное нажатие силой 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 друг о друга. Чтобы свести к минимуму механическое изнашивание, КМ должны обладать высокими значениями износостойкости, ударной вязкости и твердости. Благородные металлы в виде гальванических покрытий имеют более высокую износостойкость и твердость, чем те же металлы в массиве.

Поверхности подвижных контактов всегда имеют неровности (шероховатость) в результате механической обработки, изнашивания и пластической деформации. Кроме того, они покрыты пленками оксидов и сульфидов, образующихся под воздействием кислорода воздуха, озона и серосодержащих газов и жидкостей, а также различ­ными случайными загрязнителями. Толщина таких пленок зависит от многих факторов и обычно составляет 10~⁶—10"⁵ мм; удельное со­противление — не менее 10³ Ом м. Распределение тока по контакти­рующим поверхностям неравномерно, так как структура поверхно­стей неоднородна.

U, В

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5/, А

Рис. 13.8. Зависимость минимального тока / дугообразования от рабочего на-

о

Структура поверхностей электрического контакта состоит из че­тырех основных видов контактных участков (пятен) (рис. 13.9):

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

15¹/4-Колесов

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

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

— не контактирующие участки (4).

Соприкосновение контактирующих частей происходит только на участках 1, 3, 4, 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. При низких напряжениях 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 электропроводными. В этом случае часть элек­трической энергии в контакте передается через электродуговые раз­ряды, которые вызывают электрический износ поверхности контак­тов. Состояние контактирующих поверхностей непосредственно влияет на переходное (контактное) сопротивление и температуру на­грева контактов при протекании через них электрического тока.

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 и т. д.

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 и др. Основными сложностями при работе этих контактов является возможность дугообразования, что может привести к свари­ванию контактирующих поверхностей, вызвать их электрическую эрозию и коррозию, а также механический износ.

13.6.1. 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 (износостой стью), электрической эрозии и коррозии. Скользящие контакты" свою очередь, можно разделить на металлические и электротехниче­ские угольные.

К металлическим скользящим контактам относят коллекторные пластины электрических машин, которые в основном изготавливают из твердой меди или бронзы. В ряде случаев используют пружинные металлические контакты, применяемые в основном в переключате­лях, потенциометрах, реостатах и т. д. Для изготовления пружинных металлических скользящих контактов используют специальные сорта бронз: кадмиевые, бериллиевые и хромистые (БрКд1, БрБ2, БрХ0,5 и др.), — обладающие высокой упругостью, стойкостью к истиранию и низким значением удельного сопротивления. Например, сплав Си—Cd (Cd~l %) образует твердый раствор, который в три раза бо­лее стоек к истиранию, чем медь, его у по отношению к меди состав­ляет 95%, а_в = 310 МПа, 6 «50%. Для изготовления скользящих контактов применяют также латуни (например, JIC59-1, ЛМц58-2). Металлические скользящие контакты имеют наиболее высокую стойкость к истиранию в паре с электротехническими угольными материалами.

Электротехнические угольные материалы обладают достаточно высокой электро- и теплопроводностью (уступая металлам), очень низким коэффициентом трения, большим напряжением дугообразо­вания, высокой химической стойкостью, многие из них — высокой нагревостойкостью (бблыпей, чем у металлов). Эти материалы ши­роко используют для изготовления угольных электродов различного применения, щеток для электрических машин и автотрансформато­ров, угольных порошков для микрофонов и т. д. 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 и искусственный 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 гра- фитированием. В результате графитирования увеличивается размер кристаллитов, повышается удельная 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 и ее величина выше, чем в перпендикулярном направлении. Для поликристаллических образцов удельное сопротивление р«8 мкОмм, ТКр = — МО"³ К"¹.

151/4* 467

Отдельные чешуйки графита легко от­деляются и скользят по его поверхно­сти, образуя сухую смазку (см. также гл. 10.4.2).

Искусственный графит получают пу­тем термической перекристаллизации углей при температуре 2200—2500 °С.

Кристаллы графита построены из па­раллельных друг другу плоскостей, в кото­рых расположены атомы углерода по углам правильных шестиугольников (рис. 13.10). Расстояние между атомами углерода в каж­дом шестиугольнике равно 1,43 А, и связь между ними ковалентная неполярная. Рас­стояние между атомами углерода, располо­женными в соседних плоскостях, составляет 3,4 А, и связь между ними очень слабая, межмолекулярная (ван-дер-ваальсова), поэтому графит легко расслаивается при небольших нагрузках на отдельные чешуйки. Этим объяс­няется мягкость графита и его смазочные свойства. Все четыре валентных электрона каждого атома углерода расположены между плоскостями и ведут себя подобно электронам проводимости металлов, обусловливая электро­проводность графита вдоль образующих его плоскостей.

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 Ом м.

13.6.2. 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.

Рис. 13.10. Кристаллическая решетка графита

Из благородных металлов используют серебро, золото, платину и различные сплавы на их основе, например сплавы систем: золо- то-серебро (Au—Ag), платина-рутений (Pt—Ru), платина-родий (Pt—Rh), серебро-кадмий (Ag—Cd), серебро-палладий (Ag—Pd), серебро-магний-никель (Ag—Mg—Ni) и др. Контакты из серебра и его сплавов применяют в коммутирующих устройствах, работаю­щих в бездуговом режиме. Их недостаток — возможность образо­
вания 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 Аи. У этих сплавов высо­кая твердость, хорошая эрозионная и коррозионная стойкость. Достоинством контактов на основе золота и платины является стойкость к образованию оксидных и сульфидных пленок, недос­татком — склонность к дугообразованию.

Из тугоплавких металлов применяют вольфрам W и молибден Мо. Достоинство вольфрама — его высокая стойкость к дугообра­зованию и практическое отсутствие свариваемости. Однако у вольфрама сравнительно толстая оксидная пленка, поэтому тре­буется большое контактное нажатие. 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 Г_пл и коррози­онная стойкость.

Для изготовления разрывных контактов также широко использу­ют медь, сплавы и биметаллы на ее основе. Недостаток меди как контактного материала - подверженность атмосферной коррозии. Образующиеся оксидные и сульфидные пленки могут привести к на­рушению проводимости низковольтных и слаботочных контактов. Сила сцепления оксидных пленок с металлом невелика и при про­скальзывании сильноточного контакта в момент замыкания она раз­рушается. При температуре электрической дуги окись меди диссо­циирует, обнажая металлическую медь, что препятствует нарушению контакта.

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 Си—W, в высоковольтных масляных выключателях Си—Мо, в вакуумных камерах Си—Bi—В,

16-Колесов

Сг— Cu—W, Fe—Cu—Bi. В порядке уменьшения стойкости к свари­ванию материалы располагаются в следующем порядке: графит, вольфрам, композиции: W—Mo, W— Cu (Ag), карбид вольфрама— серебро (WC—Ag), Ag—Cd, металлокерамика Ag—CdO (CuO), Ag (Cu) — 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.

Дата добавления: 2015-08-09