Материалы для подвижных контактов

Материалы для подвижных контактов в процессе эксплуатации подвергаются электрической эрозии, свариванию, коррозии и механическому износу. Интенсивность этих процессов зависит 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. На контактирующих поверхностях образуются наросты и кратеры.

Дугообразование характеризуется минимальными значениями тока и напряжения, при которых возникает дуговой разряд. Дугообразование зависит от природы КМ и окружающей среды, состояния контактирующих поверхностей и индуктивности цепи.

Сваривание КМ происходит под действием температуры и силы контактного нажатия и может вызвать частичное расплавление и даже потерю способности к размыканию. Поэтому очень важно, чтобы КМ обладали высокой стойкостью к свариванию.

Механический износ происходит в результате удара контактных поверхностей, последующего нажатия и их трения, поэтому КМ должны обладать высокими значениями износостойкости, ударной вязкости и твердости.

Все подвижные контакты по условиям работы делятся на скользящие и разрывные.

3.8.1. Скользящие контакты

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.

Материалы для скользящих контактов должны иметь низкие значения электросопротивления и падения напряжения на контактах, высокие значения минимального тока и напряжения дугообразования, высокую стойкость к истиранию, электрической эрозии и коррозии. Они делятся на металлические и электротехнические угольные.

К металлическим скользящим контактам относятся коллекторные пластины электрических машин, которые изготавливают из твердой меди, бронзы и других материалов.

Пружинные металлические контакты выполняют из кадмиевой (БрКд1), бериллиевой (БрБ2), хромистой (БрХ0, 5) и других видов бронзы, обладающих высокими упругостью, стойкостью к истиранию и низкими значениями удельного сопротивления. Сплав Сu – Сd (Сd – 1 %) образует твердый раствор, который в три раза более стоек к истиранию, чем медь, а его электропроводность – 95 % меди. Для скользящих контактов применяют также латуни (например, ЛС59-1, ЛМц 58-2). Металлические скользящие контакты имеют наиболее высокую стойкость к истиранию в паре с электротехническими угольными материалами.

Электротехнические угольные материалы обладают высокой электро- и теплопроводностью, низким коэффициентом трения, значительным напряжением дугообразования, высокой химической стойкостью. Эти материалы широко используют для изготовления угольных электродов различного назначения, щеток для электрических машин и автотрансформаторов и т. п. Щетки выпускают угольно-графитные, графитные, медно-графитные и т. п.

Для производства электроугольных изделий в основном используют графит и сажу. Графит и сажу смешивают со связующим веществом – каменноугольной смолой или жидким стеклом, прессуют и подвергают обжигу при температуре 2200 – 2500°С. Этот процесс называют графитированием. Далее полученные изделия используют по назначению.

3.8.2. Разрывные контакты

Разрывные контакты предназначаются для периодического замыкания и размыкания цепи. Они работают в наиболее трудных условиях – возникающие дуга или искра вызывают коррозию и эрозию. Коррозия приводит к окислению контакта, т. е. иногда к разогреву и свариванию. Эрозия может вызвать появление кратера на одном и иглы на другом контакте.

Разрывные контакты подразделяют на слабонагруженные (слаботочные – от долей до единиц ампер) и тяжелонагруженные (сильноточные – от единиц до тысяч ампер).

Слабонагруженные контакты изготавливают из благородных металлов (серебра, золота, платины и различных сплавов на их основе, например, сплавы систем: «золото – серебро», «платина – рутений», «серебро – палладий», «серебро – магний – никель» и др.). Эти сплавы имеют низкое переходное электросопротивление, стойки к окислению, но стойкостью к эрозии они не обладают.

Наибольшее распространение при производстве контактов имеют серебро и сплавы на его основе (окисел серебра тоже электропроводен), а также сплавы серебра с медью, которые имеют высокие электропроводность, твердость и сопротивление эрозии, но медь снижает стойкость против окисления.

Высоконагруженные контакты изготавливаются из вольфрама, молибдена, их сплавов и металлокерамических композиций. Вольфрам достаточно электропроводен, имеет устойчивое низкое переходное электросопротивление, высокое сопротивление эрозии, не сваривается и применяется для изготовления контактов, подвергающихся частым переключениям. Недостатком молибдена является образование в нем рыхлых оксидных пленок, которые могут внезапно полностью нарушить контактную проводимость.

В наиболее мощных контактах используют спеченные композиции вольфрама с серебром или медью или спекают пористый вольфрам, который затем пропитывают жидкой медью или серебром в вакууме. Применяют тройные композиции: «серебро – никель – графит», «серебро – вольфрам – никель». В мощных высоковольтных масляных и воздушных выключателях используются сплавы «медь – вольфрам», в высоковольтных масляных выключателях – «медь – молибден».

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