Способ нанесения металлического покрытия на токопередающие поверхности контактных соединений
METHOD FOR APPLICATION OF METAL COATING ON CURRENT-TRANSMITTING SURFACES OF CONTACT JOINTS

Изобретение относится к области электротехники, а именно к области монтажа, ремонта и обслуживания электротехнического оборудования.
В электрических сетях и электротехническом оборудовании используется большое количество контактных соединений различных видов и типов. Общей проблемой эксплуатации контактных соединений, влияющей на надежность и экономичность работы электрических сетей и электротехнического оборудования, является рост переходного сопротивления при эксплуатации контактных соединений в результате образования оксидных пленок и износа рабочих поверхностей контактных соединений (в подвижных контактах). Повышенное переходное сопротивление является причиной потерь электрической энергии, нагрева контакт-деталей и может привести к возгораниям, обрывам электрических цепей и аварийным отключениям, т.е. является фактором снижающим надежность. Для уменьшения указанных явлений требуется постоянный контроль состояния контактных соединений и проведение ряда регламентных работ. Принципиальным решением для повышения надежности и экономичности работы контактных соединений является применение на рабочих поверхностях контакт-деталей защитных металлических покрытий, причем в ряде случаев их применение требуется по ГОСТ 10434-82 «Соединения контактные электрические. Классификация. Общие технические требования».
Известен способ нанесения металлического покрытия на токопередающие поверхности электрических контактов путем лужения контактных поверхностей оловянно-свинцовым припоем с помощью паяльника [Максимихин Б.А. Технологические процессы пайки электромонтажных соединений. Л.: Энергия, 1980]. Данный способ предполагает нагрев контактной поверхности до 280-320°С. Необходимость разогрева до указанного диапазона температур не позволяет использовать данный способ в практике монтажа и ремонта контактных соединений из-за высокой теплопроводности материала контактных соединений и проводников и близости к контактным соединениям участков проводников покрытых изоляцией, для которой температуры 280-320°С являются недопустимыми.
Известны способы нанесения металлического покрытия на токопередающие поверхности разборных контактных соединений с помощью процесса контактного твердо-жидкого плавления [Лашко Н.Ф., Лашко С.В. Контактные металлургические процессы при пайке. М.: Металлургия, 1977] с использованием легкоплавких сплавов на основе галлия, описанные в патенте РФ №2301847 (С23С 26/02, 01.12.2005) и патенте РФ №2411305 (С23С 26/02, C23G 1/00, H01R 24/00, С22С 28/00, 30.12.2008).
Одним из общих недостатков способов является наличие эффекта охрупчивания алюминия галлием и сплавами на его основе [Шекл И.А., Чаус И.С., Митюрева Т.Т. Галлий. - Киев: Изд-во технической литературы, 1963]. В результате при нанесении металлического покрытия, при превышении дозы наносимого на поверхность контакт-детали легкоплавкого сплава на основе галлия выше максимально допустимой, определенной эмпирическим путем, наблюдается трещинообразование на контакт-деталях и их последующее разрушение, особенно в условиях приложения механической нагрузки (например, при затягивании болтовых крепежных элементов разборного контактного соединения или при изгибе в зоне нанесенного металлического покрытия).
Также недостатком указанных способов является высокая цена галлия, который может присутствовать в применяемых сплава в массовых долях 64-99,9999%.
Известен способ нанесения металлического покрытия на токопередающие поверхности разборных контактных соединений, описанный в патенте РФ №2516189 (С23С 26/02, H01R 24/00, 31.08.2012), включающий очистку от грязи и обезжиривание токопередающей поверхности, нанесение на нее жидкого флюса, удаление остатков флюса и опилок, нанесение на токопередающую поверхность легкоплавкого сплава на основе висмута толщиной не более 0,1 мм с образованием металлического покрытия в результате процесса контактного твердо-жидкого плавления.
Способ предполагает подогрев контакт-деталей до диапазона температур 65-70°С и использование двух вариантов сплавов на основе висмута со следующими составами, мас. %: для токопередающих поверхностей из меди, стали и их сплавов: 49,4 - висмут, 21 - индий, 18 - свинец, 11,6 - олово; для токопередающих поверхностей из алюминия и его сплавов: 50 - висмут, 25 - свинец, 12,5 - олово, 12,5 - кадмий.
Следует заметить, что технические решения по данному способу устраняют ранее описанные недостатки применения галлиевых сплавов - эффект охрупчивания и разрушения контакт-деталей и высокую себестоимость металлопокрытия, без ухудшения электротехнических характеристик контактных соединений с защитным металлическим покрытием. Проведенные эксперименты показали, что висмут-содержащие сплавы не оказывают охрупчивающего действия на алюминиевые контакт-детали. При этом стоимость висмута в 4-6 раз ниже стоимости галлия.
Однако, применение сплавов на основе висмута предполагает использование подогрева контакт-деталей до более высоких температур (до 70°С), чем галлиевые сплавы (45°С). В случае массивных контакт-деталей, имеющих значительную теплоемкость, а также контакт-деталей от которых имеется возможность теплопередачи за счет теплопроводности через присоединенный проводник, процесс подогрева самой контакт-детали может занимать значительное время и иметь высокую энергоемкость.
Также в данном способе предусмотрено нанесение жидкого сплава на токопередающую поверхность слоем толщиной не более 0,1 мм. Однако, остается нераскрытым, как обеспечиваются указанные требования по толщине слоя, а также каким образом контролируется толщина в процессе нанесения покрытия.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ нанесения защитного металлопокрытия из легкоплавкого сплава на основе висмута на токопередающие поверхности контакт-деталей контактных соединений, описанный в патенте РФ №2580355 (С23С 26/02, 24.11.2014), включающий очистку от загрязнений и обезжиривание токопередающих поверхностей, нанесение флюса, удаление остатков флюса и опилок и нанесение на токопередающие поверхности легкоплавкого сплава на основе висмута, имеющего диапазон температур плавления 44-95°С и следующий состав, мас. %: висмут 44,0÷99,993; индий 0,001÷55,994; олово 0,001÷28,0; свинец 0,001÷40,0; кадмий 0,001÷25,0; цинк 0,001÷25,0; медь 0,001÷10,0; алюминий 0,001÷12,0, а перед нанесением легкоплавкого сплава на основе висмута нагреву до температуры 49-100°С подвергают легкоплавкий сплав на основе висмута, инструмент для нанесения и контакт-детали. С помощью данного способа реализуются все достоинства, присущие висмутовым сплавам, по сравнению с галлиевыми (отсутствие охрупчивание, низкая стоимость и др.) Неудобство, связанное с большей температурой плавления, чем у галлиевых сплавов, устраняется за счет использования подогрева легкоплавкого сплава и инструмента для его нанесения. Для применения способа на токопередающих поверхностях контакт-деталей подвижных размыкаемых контактных соединений предлагается нанесение металлического покрытия из висмутового сплава, в котором содержание индия составляет не менее 49 мас. %.
В описании прототипа указывается, что применение легкоплавких сплавов на основе висмута, которые имеют диапазон температур плавления 44-95°С и следующий состав, мас. %: висмут - 44,0÷99,993; индий - 0,001÷55,994; олово - 0,001÷28,0; свинец - 0,001÷40,0; кадмий - 0,001÷25,0; цинк - 0,001÷25,0; медь - 0,001÷10,0; алюминий - 0,001÷12,0 позволяет придать определенные свойства металлопокрытию, такие как механическая твердость, износостойкость, коэффициент трения, электропроводность, коррозионная стойкость во влажной среде, стойкость к воздействию электрической дуги.
Однако, прототип имеет следующий недостаток: остается нераскрытым, какой конкретно состав сплава из указанного диапазона мас. % компонентов необходим для придания определенного свойства (или совокупности свойств) металлопокрытию. Очевидно, что в указанном диапазоне содержания компонентов возможны лишь вполне конкретные их соотношения, соответствующие известным науке сплавам с определенными температурами плавления. Также для ряда сплавов из указанного диапазона требуется нагрев до 72-95°С.
В описании прототипа указано, что для металлосплавов, применяемых для получения защитных металлопокрытий на рабочих поверхностях подвижных контактных соединений, дополнительным требованием является введение в металлосплав компонентов, препятствующих механическому износу металлопокрытия (уменьшающих коэффициент трения). Таким компонентом является индий, т.к. он имеет следующие свойства [Яценко С.П. Индий. Свойства и применения. - М.: Наука, 1987]: 1. обладает высокой адгезией ко многим материалам; 2. отличается высокими антифрикционными свойствами; 3. стойкость к воздействию щелочей, морской воды, коррозионная стойкость; 4. покрытия из индия придают хорошие смазывающие свойства; 5. в индии хорошо растворяются металлы-соседи по периодической системе - галлий, таллий, олово, свинец, висмут, кадмий, ртуть.
Однако, в прототипе не предполагается применение индиевых сплавов, содержащих более 55,994 мас. % индия и применяются только висмутовые сплавы.
В результате анализа недостатков прототипа и исходя из требований к контактным соединениям, диктуемых условиями их работы и эксплуатации была поставлена следующая техническая задача изобретения - улучшение эксплуатационных характеристик контактных соединений различных видов и типов, включая подвижные размыкаемые контактные соединения.
Технический результат изобретения - повышение характеристик надежности и энергоэффективности работы контактных соединений.
Указанный технический результат достигается тем, что токопередающие поверхности контактных соединений очищаются от загрязнений, обезжириваются, наносится флюс, производится нагрев легкоплавкого сплава на основе индия, контакт-детали, инструмента для нанесения металлосплава, до температуры не менее 72°C, производится нанесение на токопередающую поверхность легкоплавкого сплава на основе индия, который имеет температуру плавления 72°C и следующий состав, мас. %: индий - 66,3, висмут - 33,7.
В результате применения описанных выше технических решений достигнут следующий технический результат: снижение переходного сопротивления контактных соединений, а значит и потерь электроэнергии в них, и повышение их срока службы, т.е. надежной безаварийной работы. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию «Новизна».
Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».
Нанесение металлопокрытия на токопередающие поверхности контакт-деталей осуществляется с помощью известного в металлургии процесса контактного твердо-жидкого плавления, при котором взаимодействие твердого металла с жидким происходит ниже температуры автономного плавления твердого металла. В самом общем виде процесс состоит из двух стадий: локальное плавление твердого металла после смачивания его жидким поверхностно активным сплавом (бездиффузионная стадия), а затем диффузионное перемешивание атомов твердого металла из расплавившегося объема с атомами жидкой фазы нанесенного сплава (диффузионная стадия). После затвердевания на токопередающей поверхности контакт-детали образуется пленка металлопокрытия, которая представляет собой твердый раствор двух металлов, отличающийся по своим физическим и химическим свойствам как от материала контакт-детали, так и от нанесенного на ее токопередающую поверхность легкоплавкого сплава.
Металлопокрытие может быть нанесено на токопередающие поверхности контакт-деталей, изготовленных из любого применяемого для этой цели металла: медь, алюминий, свинец, сталь и сплавы на их основе, при этом не требуется использование какого-либо специального оборудования, кроме стандартного набора инструментов.
Применение способа позволяет исключить явление электрохимической коррозии, непосредственно соединять медные и алюминиевые контакт-детали без каких-либо наплавок и вкладышей, что значительно упрощает конструкцию РКС, снижает трудоемкость и стоимость его изготовления.
Применение легкоплавкого сплава на основе индия, который имеет температуру плавления 72°C и состав, мас. %: индий - 66,3, висмут - 33,7 позволяет придать определенные свойства металлопокрытию, такие как износостойкость, низкий коэффициент трения, электропроводность, коррозионная стойкость во влажной среде.
Проведенные эксперименты показали, что после 500 циклов замыкания/размыкания контактной системы рубильника переходное сопротивление контактных соединений с защитным металлопокрытием из индиевого сплава с температурой плавления 72°C и составом, мас. %: индий - 66,3, висмут - 33,7 осталось стабильным и лишь незначительно увеличилось. Визуально после 500 циклов замыкания/размыкания виден небольшой износ защитного металлопокрытия на ноже рубильника, но при этом основного металла - меди, не видно. Усилие замыкания рубильника после нанесения металлопокрытия на контактные соединения снизилось на 4,5% по сравнению с прототипом, и на 16% по сравнению с заводской конструкцией, что говорит о снижении коэффициента трения в подвижном контакте. При этом поверхность ножей рубильника с лужением, произведенным на заводе-изготовителе, находится в гораздо худшем состоянии, имеются потертости и потускнение поверхности, а переходное сопротивление контактов увеличилось в 4 раза.
В результате, применение для токопередающих поверхностей подвижных размыкаемых контактных соединений металлических покрытий из индиевого сплава с температурой плавления 72°C и составом, мас. %: индий - 66,3, висмут - 33,7 обеспечивает снижение механического износа металлопокрытия и, как следствие, повышение надежности и экономичности работы контактного соединения.
Эксперименты, проведенные на неподвижных разборных контактных соединениях также показали, что начальное значение переходного электрического сопротивления (после сборки соединения) и его стабильность во времени в случае применения индиевого сплава с температурой плавления 72°C и составом, мас. %: индий - 66,3, висмут - 33,7 не хуже, чем в прототипе.
Способ осуществляется следующим путем. Рабочие контактные поверхности очищают от грязи и жировых пленок с помощью ветоши, смоченной ацетоном и механической обработкой проволочными щетками, установленными на электродрель. Для удаления окисной пленки на эту поверхность кистью наносят жидкий флюс (для меди, стали и их сплав -насыщенный водный раствор хлористого цинка; для алюминия и его сплавов - 10-процентный раствор едкого натрия). Далее слиток металлосплава в специальном теплоизолирующем держателе нагревается электрофеном до температуры 72°C, параллельно нагревается инструмент для нанесения металлосплава (металлическая щетка) и для облегчения процесса нанесения металлопокрытия может также нагреваться поверхность контакт-детали. Во время нагрева происходит травление рабочей поверхности, а жидкая фракция флюса испаряется. Далее на токопередающую поверхность наносится нагретый до температуры плавления легкоплавкий сплав на основе индия с температурой плавления 72°C и составом, мас. %: индий - 66,3, висмут - 33,7 и металлической щеткой распределяется по поверхности контакт-детали. Далее контакт-деталь охлаждается естественным путем.
Предлагаемый способ может быть применен в электроэнергетике.