КОМПОЗИЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТАКТ

Полезная модель относится к электротехнике, преимущественно к материалам, служащим для изготовления электрических контактов низковольтной аппаратуры. Может быть использовано в электромеханических реле, для устройств сигнализации, централизации, и блокировки (устройства СЦБ) на железнодорожном транспорте.
Отличительной особенностью условий работы низковольтной аппаратуры является наличие при замыкании контактов ударных нагрузок и больших коммутирующих токов. К материалам, из которых изготавливают электрические контакты, предъявляются высокие требования к прочности основы и особые требования к свойствам поверхностей. Так, контактные поверхности материала, входящие в соприкосновение с ответными контактами, должны иметь достаточную твердость и прочность, высокое сопротивление окислению и электрической эрозии в состоянии замыкания и размыкания контактов. Материал контактов должен иметь незначительную склонность к свариванию и прилипанию с ответными контактами, а также должен обладать хорошей теплопроводностью и электропроводностью при высокой стабильности переходного сопротивления в замкнутом состоянии контактов.
Эти жесткие и противоречивые требования, возможно, удовлетворить только созданием композиционных материалов методом порошковой металлургии.
Известно, что высокая прочность материалов достигается за счет высокого содержания в объеме материала металлов, при объемной доле графита не превышающей 10-15% (4-5 мас.%). Высокие электротехнические свойства достигаются путем создания материалов на основе металлографита с добавлением в различных пропорциях меди, никеля, кобальта, алюминия, серебра. Повышение электроэрозионных свойств достигается изготовлением композиционных материалов на основе серебра. (Порошковая металлургия.
Материалы, технология, свойства, области применения: Справочник/Под ред. И.М.Федорченко.-Киев:Наукова думка, 1985, стр.442).
Однако данные материалы имеют ряд существенных недостатков: они дороги, имеют малый ресурс, склонны к свариванию.
Известен композиционный материал, содержащий 3-10 мас% графита и серебро остальное (Заявка №97106378). Указанный материал обладает хорошими физико-механическими и электротехническими свойствами.
Однако контакты, изготовленные из данного материала, обладают высокой склонностью к свариванию, особенно в период приработки контактов, когда пятно контакта еще не сформировалось. В этот период работы также неустойчивы показания переходного кантатного электрического сопротивления.
Наиболее близким, принятым за прототип, является контакт, изготовленный методом порошковой металлургии из графита и серебра (Контакты марок ВАР 112Д и ВАР112Д-1, Технические условия ТУ 16-538158-72.). Содержание серебра в данном материале при изготовлении контактов должно быть в пределах от 38 до 44 масс.%. Электрические контакты обладают недостаточными физико-механическими свойствами, следствием этого является интенсивное изнашивание, высокая склонность к свариваемости, нестабильность переходного электрического сопротивления.
В основу технического решения поставлена задача увеличения коммутационной стойкости контактов, повышение стабильности переходного электрического сопротивление контактной пары в процессе коммутаций, и исключение свариваемости контактов.
Поставленная задача решается тем, что композиционный электрический контакт содержит графитовую основу и металлические добавки серебра, при этом графитовая основа выполнена из мелкозернистого плотного графита с удельным электросопротивлением не более 16 мкOм*м, прочностью на сжатие не менее 60МПа, зольностью не более 0.3% и объемной пористостью 15-25%, металлическая добавка распределена во внутреннем объеме графитовой основы в порах в количестве не менее 10% от объема пор, а на поверхности графитовой основы частицы металлической добавки образуют не сплошное поверхностное покрытие толщиной до 10 мкм.
Установлено (Дымковский Н.В., Милованова Ю.В. Электрические контакты на железнодорожном транспорте. Электротехника, -1965, №10, с.33.), что в разнородной контактной паре, один из контактов которой выполнен из чистого серебра, а второй из серебрографитсодержащей композиции, уменьшение серебра в композиции с 55% (марка СГ) до 40% (марка СГ-60 - вариант 112Д) приводит к увеличению износостойкости контактной пары, а именно, к увеличению числа срабатываний с 200 тыс.до 1,4-2 млн. Дальнейшее снижение серебра в композиции графит - серебро не приводят к повышению износостойкости и уменьшению переходное сопротивление с сохранением стабильности этих параметров в процессе эксплуатации контактов. Это обусловлено качественным состоянием графита, который находится в составе композиционного материала (вариант ВАР 112Д), (сажа, графит, пек каменноугольный, бакелитовый лак, которые не позволяют получать постоянные электротехнические и механические свойства материала, в случае изготовления контактов по технологии традиционной порошковой металлургии. Уменьшение графитовой и увеличение металлической (серебра) составляющей в композиционном материале, ведет, с одной стороны, к повышению стабильности переходного электрического сопротивления, а с другой, значительно увеличивает вероятность сваривания контактов, уменьшает коммутационную стойкость и увеличивает их стоимость.
Известен мелкозернистый плотный графит (http://www.rostopt.ru/mpg.html) изготовленный по высокотемпературной технологии, физические свойства которого удовлетворяют требованиям, которые предъявляются к контактным материалам. Однако его использование в качестве материала для изготовления контакт-деталей в исходном состоянии практически невозможно по причине нестабильности и высокого значения переходного контактного сопротивления. Изготовление композиционного электрического контакта из мелкозернистого плотного графита с удельным электросопротивлением не более 16 мкOм*м, прочностью на сжатие не менее 60МПа, зольностью не более 0.3% и объемной пористостью 15-25%, и добавками металлического серебра распределенного во внутреннем объеме графитовой основы в порах в количестве не менее 10% от объема пор, а на поверхности графитовой основы с образованием не сплошного поверхностного покрытия толщиной до 10 мкм. позволяет увеличить коммутационную стойкость контактов, повысить стабильность переходного электрического сопротивление контактной пары в процессе коммутаций, и при этом исключить свариваемость контактов. Прочность на сжатие материала не менее 60 МПА, при высокой точности изготовления, позволит не разрушать зону контакта контакт-детали с держателем при ее закреплении и тем самым повысить качество закрепления. Использование мелкозернистого плотного графита зольностью не более 0,3%, позволит значительно повысить ресурс работы контактов за счет снижения интенсивности износа. Это связано с тем, что основным механизмом износа коммутационных контактов является фреттинг, когда в зоне контакта накапливаются частицы износа и окислов, образуя непроводящий слой и способствуя, нарушению проводимости контактов (см. Мышкин Н.К и др. Электрические контакты. Издательский Дом «Интеллект» стр.248-250). Минимальное образование металлических частиц износа и окислов в поверхностном слое (покрытие не сплошное и имеет малую толщину), способствует быстрому образованию оптимального пятна контакта, а наличие пористости не способствует накоплению продуктов износа. Графитовая основа, при наличии пористости в пределах 15-25%. уменьшает вероятность схватывания (сваривания) с поверхностью ответного контакта, что так же приводит к уменьшению интенсивности изнашивания обоих контактирующих поверхностей контактов. По мере износа контактов, содержание металлических продуктов износа в контактной зоне не увеличивается, что также стабилизирует переходное сопротивление между контактами. Предельные значения предела прочности на сжатие, удельного сопротивления, зольности и пористости были определены опытным путем. Значительное влияние на стабильность контактного электрического сопротивление оказывает состояние металлической добавки серебра, т.е. где и как эта добавка распределена в объеме материала. В данном случае металлическая добавка серебра находится в порах графитовой основы в виде отдельных вкраплений чистого серебра контактирующих между собой и образующих отдельные цепочки, имеющие хорошую прочность сцепления с внутренней поверхностью пор. Такое распределение металлического серебра способствует значительному снижению контактного электрического сопротивления и стало возможным за счет изменения всей технологии получения композиционного электрического контакта.
3
Для практической реализации заявляемого композиционного электрического контакта использовали в качестве материала основы конструкционный графит марки МПГ7, имеющий объемную пористость 18%, удельным электросопротивлением 12 мкOм*м, прочностью на сжатие не менее 60МПа, зольностью не более 0.3%. Партию контакт-деталей требуемой пространственной формы специальным инструментом вытачивали из графита марки МПГ7. Затем контакт-детали пропитывали этиловым спиртом при температуре 20°С., пропитанные контакт-детали помещали в подготовленный водный раствор нитрата серебра плотностью 1,5 г/см при температуре 20°С и производили нагревание раствора до температуры 100°С, выдерживали при данной температуре 12 минут, затем охлаждали раствор с находящимися в нем контакт-деталями до температуры 20°С, вынимали контакт-детали из раствора, промывали в дистиллированной воде, помещали в контейнер и засыпали древесным углем, контейнер помещали в печь и нагревали охлаждение проводили вместе с печью.
Полученные контакт-детали монтировали на контактные пружины, устанавливали в реле НМШ-1440 и испытывали при коммутации замыкающим контактом активной нагрузки 2А, 24В. Результаты испытаний заявляемого композиционного электрического контакта представлены в таблице в сравнении с контакт-деталью (прототипом), содержащей 40% масс. серебра, остальное - углерод.
Результаты сравнительных испытаний
Параметр
Прототип
Заявляемый композиционный электрический контакт
Примечание
Количество металлической компоненты в материале конструкции, масс.%
35-40
5-7
Электрическое сопротивление, Ом, исходное состояние
0,42
0,02
Износ после 500 тыс. коммутаций постоянного тока в паре с серебряным контактом, мм
0,5
0,10
Параметры коммутируемого тока: 24В, 2А, плюсовой провод на испытуемом контакте
Износ после 1000 тыс.коммутаций
0.8
0,12
Износ после 2000 тыс.коммутаций
2,34
0,15
Обрыв цепи в контактной паре прототипа
Количество отказов (свариваний) на 1000 коммутаций в паре с серебряным контактом
6
нет
Испытание методом закорачивания конденсатора емкостью 10000 мкФ, заряженного напряжением 24В
Как видно из таблицы, начальное; сопротивление в контактных парах прототипа и предлагаемого технического решения значительно отличаются.
Износостойкость, характеризуемая количеством коммутаций, увеличивается более чем в 6 раза, свариваемость контактов не наблюдается. В процессе испытаний предлагаемого технического решения не наблюдалось обильного графитового распыления в отличии контактов прототипа, что повышает надежность работы реле в целом, обеспечивается стабильность переходного электрического сопротивления и исключает свариваемость контактов при импульсных токовых перегрузках (в аварийных режимах).