КОНТАКТ-ДЕТАЛЬ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
CONTACT POINT AND METHOD OF ITS MAKING

Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к материалам, служащим для изготовления электрических контактов низковольтной аппаратуры, а именно к электрическим контактам низковольтных электрических реле. Может быть использовано в электромеханических реле, для устройств сигнализации, централизации и блокировки (устройства СЦБ) на железнодорожном транспорте, для которых необходимы высокая надежность и ресурс.
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.
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. Для удовлетворения предъявляемым требованиям контактные пары реле автоматики традиционно изготавливаются из серебросодержащих материалов.
Известны и широко применяются реле (Сороко В.И., Милюков В.А. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: Кн.1 НПФ «Планета», 2000 - стр.256), в которых контакт-деталь для фронтовых контактов представляет собой элемент в виде тела вращения, выполненный методом порошковой металлургии из композиции серебро - графит, запрессованный в держатель в виде чашеобразной наклепки, указанная композиция содержит 38-44% серебра (ТУ 16-538.158-72).
К недостаткам контактов следует отнести: нестабильность переходного сопротивления. На стадии приработки в паре с серебром сопротивление составляет 0,1 Ом, в процессе эксплуатации может скачкообразно увеличиваться до 0,3 Ом, затем опять уменьшиться. Имеется большой разброс по коммутационному ресурсу (количеству срабатываний контактов) от 1,4 до 2,0 млн. Контакт-детали, изготовленные методом порошковой металлургии, имеют большой допуск на отклонение по размерам. Размерная точность изделий, изготовленных методом порошковой металлургии, зависит от многих от условий, начиная от состава исходного сырья, подготовки шихты и заканчивая температурными параметрами спекания. Эти условия всегда разнятся при изготовлении изделий методом порошковой металлургии и, как следствие, всегда имеется разброс по размерам, а последующая механическая обработка контакт-деталей экономически не целесообразна. Поэтому идут по пути увеличения допуска, а это влечет за собой необходимость увеличения усилий при закреплении контакт-детали в держатель.
Электрический контакт между стенками чашеобразного держателя и контакт-деталью обеспечивается за счет упругого прижатия кромок чашеобразного держателя к поверхности контакт-детали. Чтобы обеспечить стабильный электрический контакт, за счет действия сил упругости стенок чаши, необходимо приложить значительные усилия для деформации стенок чаши и материала контакт-детали. Проконтролировать усилия, необходимые для деформации стенок при обжатии чашеобразного держателя, практически невозможно, т.к. обжатие чаши происходит на прессе и усилие обжатия задается ходом пуансона пресса. Поскольку все детали выполнены с определенным допуском на размеры, то усилия обжатия на каждой детали получаются различными, поэтому, чтобы создать надежный контакт, идут по пути повышения прочностных свойств материала, создавая необходимый запас прочности контакт-детали при ее деформировании в процессе запрессовки. Увеличение прочностных свойств возможно за счет увеличения металлической составляющей в композиции серебро - графит, что нежелательно, т.к. появляется вероятность сваривания контактов.
При обжатии контакт-детали возможно частичное повреждение места обжатия, образование микротрещин, которые в процессе работы контакта приводят к осыпанию места обжатия (контакт начинает шататься в держателе) и появлению нестабильного электрического контакта.
Известна контакт-деталь (Патент RU №90615) из композиционного материала в виде тела вращения, ограниченная боковой поверхностью, с образующей, состоящей из прямолинейных и (или) криволинейных отрезков, и двумя параллельными поверхностями оснований, выполненная из мелкозернистого плотного графита с удельным электросопротивлением не более 16,0 мкОм·м и прочностью на сжатие не менее 60 МПа, зольностью не более 0,3% и пористостью не более 20%, при этом удельное электросопротивление и прочность на сжатие контролируют в направлении оси тела вращения. Прочность на сжатие материала не менее 60 МПа при высокой точности изготовления позволяет не разрушать зону контакта контакт-детали с держателем при ее закреплении и тем самым исключить нестабильность свойств во время эксплуатации, обусловленную качеством закрепления.
К недостаткам данного технического решения можно отнести нетехнологичность, так как контакт имеет форму вращения, то при ее изготовлении образуется большое количество отходов, кроме этого, требуется специальный инструмент.
Наиболее близким, принятым за прототип, является композиционный электрический контакт (Патент RU №2400852), выполненный из материала, содержащего графитовую основу и металлические добавки серебра, графитовая основа выполнена из мелкозернистого плотного графита с удельным электросопротивлением не более 16 мкОм·м, прочностью на сжатие не менее 60 МПа, 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 несплошное поверхностное покрытие толщиной до 10 мкм.
К недостаткам данного технического решения можно отнести нестабильность электрического сопротивление композиционного материала и нетехнологичность изготовления контакт-детали.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение надежности и ресурса работы электромеханического реле за счет увеличения коммутационной стойкости контакт-детали, повышение стабильности переходного электрического сопротивления контактной пары в процессе коммутаций, повышение технологичности изготовления контакт-детали.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении стабильности переходного электрического сопротивления контактной пары в процессе коммутаций, увеличении коммутационной стойкости контакт-детали, снижении трудоемкости изготовления контакт-детали, снижении расхода мелкозернистого плотного графита.
Технический результат достигается тем, что контакт-деталь из композиционного материала выполнена из мелкозернистого плотного графита с удельным электросопротивлением не более 16,0 мкОм·м и прочностью на сжатие не менее 60 МПа, зольностью не более 0,3% и пористостью не более 20%, с равномерно распределенными во внутреннем объеме металлическими добавками серебра, при этом контакт-деталь выполнена в форме усеченной пирамиды с основанием в виде прямоугольника, грани усеченной пирамиды расположены к основанию под углом 75-87 градусов, а масса металлических добавок серебра составляет не менее 7% от массы контакт-детали.
Изготовление контакт-детали в форме усеченной пирамиды с основанием в виде прямоугольника позволяет исключить появление нестабильного электрического контакта, снижение электрического сопротивления контакта за счет увеличения площади контактирующих поверхностей контакта-детали, обеспечить повышение производительности и снижение трудоемкости при изготовления контакт-детали, снижение расхода мелкозернистого плотного графита. Доведение металлических добавок серебра по массе до не менее чем 7% от массы контакт-детали позволяет повысить стабильность переходного электрического сопротивления контактной пары и дополнительно увеличить прочность на сжатие контакт-детали.
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.
Известно изготовление (Патент RU №2400852) контакта композиционного электрического из мелкозернистого плотного графита с удельным электросопротивлением не более 16 мкОм·м, прочностью на сжатие не менее 60 МПа, 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 несплошного поверхностного покрытия толщиной до 10 мкм. Это позволяет увеличить коммутационную стойкость контактов, повысить стабильность переходного электрического сопротивления контактной пары в процессе коммутаций и при этом исключить свариваемость контактов.
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 сопротивления 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, что стало возможным за счет изменения всей технологии получения композиционного электрического контакта.
Известен способ изготовления электрических контактов на основе графита и металлических добавок (RU 2380781), заключающийся в получении заготовок размерной обработкой, где одним из физических или химических методов осаждения металлов вносят в основу металлические добавки, а в случае образования сплошного слоя на поверхности, предназначенной для контактирования с ответным контактом, методом размерной обработки удаляют этот слой.
Недостатком данного способа является то, что металлические добавки, распределенные в объеме основы дискретно и неравномерно, имеют максимальную концентрацию в поверхностных слоях и уменьшаются от поверхности вглубь основы до нуля, а при образовании сплошного слоя металла на поверхности, предназначенной для контактирования с ответным контактом, методом размерной обработки необходимо удалять этот слой.
3
Наиболее близким, принятым за прототип, является способ изготовления электрического контакта (RU 2400853), заключающийся в том, что первоначально из мелкозернистого плотного графита с удельным электросопротивлением не более 16 мкОм·м, прочностью на сжатие не менее 60 МПа, зольностью не более 0,3% и объемной пористостью 15-25% методом размерной механической обработки изготавливают контакт-деталь, затем контакт-деталь пропитывают жидкостью, имеющей температуру кипения ниже температуры кипения воды, пропитанную контакт-деталь помещают в водный раствор нитрата серебра плотностью 1,4-1,17 г/см, нагревают и выдерживают при температуре, на 10-40°С превышающей температуру кипения пропиточной жидкости, в течение 10-15 мин, охлаждают в водном растворе нитрата серебра до температуры ниже температуры конденсации паров пропиточной жидкости, затем контакт-деталь вынимают из раствора и помещают в контейнер, засыпают древесным углем, нагревают и выдерживают при температуре ниже 0,95 температуры плавления серебра в течение 0,5-1,0 ч. Изготовление композиционного электрического контакта данным способом позволяет доставить минимальное количество металлического серебра в поры графитовой основы, в количестве не менее 10% от объема пор и образовать несплошной слой поверхностного серебра в поверхностном слое контакта.
Недостатками данного способа являются его нетехнологичность, использование дополнительной пропиточной жидкости, невозможность насыщения пор металлическим серебром до прироста массы не менее 7%.
В основу изобретения по способу изготовления контакт-детали поставлена задача увеличения надежности и ресурса работы электромеханического реле за счет увеличения коммутационной стойкости контакт-детали, повышение стабильности переходного электрического сопротивления контактной пары в процессе коммутаций, повышение технологичности изготовления контакт-детали.
В процессе решения поставленной задачи по способу изготовления контакт-детали достигается технический результат, заключающийся в получении равномерного распределения в порах графитовой основы чистого серебра не менее 7% по массе, образовании контактирующих между собой частиц металлического серебра с образованием отдельных цепочек, имеющих хорошую прочность сцепления с внутренней поверхностью пор, и снижении контактного электрического сопротивления.
2
Технический результат по способу изготовления контакт-детали достигается тем, что первоначально методом размерной механической обработки изготавливают контакт-деталь из мелкозернистого плотного графита, контакт-деталь пропитывают водным раствором нитрата серебра, помещают в контейнер, засыпают древесным углем, проводят восстановительное прокаливание при температуре не выше плавления серебра, при этом перед пропитыванием проводят предварительную дегазацию контакт-детали и раствора нитрата серебра в течение 20-25 мин, контакт-деталь помещают в раствор нитрата серебра, пропитывают по режиму: в вакууме - 7…10 мин, при атмосферном давлении - 1…2 мин, повторяют смену вакуум - атмосфера в течение 30-40 минут, проводят восстановительное прокаливание по режиму: нагрев в течение 75-80 минут до температуры 100°-105°С, выдержка не менее 60 минут, нагрев до 465°-470°С в течение 150-160 минут, выдержка при данной температуре не менее 3 часов, охлаждение до 370°-375°С в течение 30-35 минут, и до 270°-275°С в течение 50-60 минут, и до 170°-175°С в течение 150-160 часов, выгружают контакт-деталь при температуре в печи не более 110°С, проводят пропитку контакт-детали водным раствором нитрата серебра с последующим восстановительным прокаливанием по приведенному режиму 2…3 раза, контролируя привес массы, по достижению привеса массы контакт-детали не менее 7% пропитку контакт-детали водным раствором нитрата серебра с последующим восстановительным прокаливанием прекращают, затем проводится фиксирующий отжиг по режиму: нагрев в течение 150-160 минут до температуры 465°-475°С, выдержка 45-50 минут, нагрев до 870°-875°С в течение 130-135 минут и выдержка не менее 50 минут, охлаждение до 370°С в течение 115-120 минут, до 270°С в течение 50-60 минут, до 170°-175°С в течение 150-160 минут, выгружают контакт-деталь при температуре в печи не более 110°С. Кроме этого, концентрация водного раствора нитрата серебра равна не менее 50%, а предварительную дегазацию контакт-детали и раствора нитрата серебра, пропитку контакт-детали водным раствором нитрата серебра проводят при достижении вакуума ≤-1,0 кгс/см.
Для практической реализации заявляемой контакт-детали и способа ее изготовления использовали в качестве материала основы конструкционный графит марки МПГ7, имеющий объемную пористость 18%, удельное электросопротивление 12 мкОм·м, прочность на сжатие не менее 60 МПа, зольность не более 0,3%. Введение металлических добавок в основу осуществляли по заявляемому способу. Партию контакт-деталей в форме усеченной пирамиды изготавливали методом размерной механической обработки из графита марки МПГ7. Проведя совместное вакуумирование контакт-деталей и 50% раствора нитрата серебра в течение 25 мин, пропитывали контакт-детали, помещая в раствор нитрата серебра и выдерживая под вакуумом, проводя циклирование по режиму: в вакууме - 7…10 мин, при атмосферном давлении - 1…2 мин, повторяя смену вакуум - атмосфера в течение 30-40 минут до прекращения выделения пузырьков воздуха. Затем вынимали контакт-детали из емкости с раствором нитрата серебра, давали раствору стечь, промывали в дистиллированной воде, просушивали, обдувая теплым воздухом (80…110°С). Пропитанные контакт-детали загружали в графитовую лодочку, закрывали графитовой крышкой, устанавливали в контейнер из жаропрочной стали и помещали в печь, проводя восстановительное прокаливание по режиму: нагрев в течение 80 минут до температуры 100°С, выдержка 60 минут, нагрев до 470°С в течение 150 минут, выдержка 3 часа, охлаждение до 370°С в течение 30 минут, и до 270°С в течение 50 минут, и до 170°С в течение 2,5 часов, выгружали контакт-деталь при температуре в печи не более 110°С. Проводили пропитку контакт-детали водным раствором нитрата серебра с последующим восстановительным прокаливанием 2…3 раза, контролируя привес массы, по достижении привеса массы контакт-детали не менее 7% пропитку контакт-детали водным раствором нитрата серебра с последующим восстановительным прокаливанием прекращали. Затем проводили фиксирующий отжиг по режиму: нагрев в течение 150 минут до температуры 475°С, выдержка 50 минут, нагрев до 875°С в течение 133 минут и выдержка 50 минут, охлаждение до 370°С в течение 117 минут, до 270°С в течение 50 минут, до 170°С в течение 2,5 часов, выгружали контакт-детали при температуре в печи не более 110°С.
Предлагаемый способ насыщения контакт-детали металлическим серебром позволил получить равномерное распределение в порах графитовой основы чистого серебра, при этом заполнение пор металлическими частицами составило не менее 7% по массе. В результате такого заполнения пор произошло контактирование между собой частиц с образованием отдельных цепочек, имеющих хорошую прочность сцепления с внутренней поверхностью пор. Такое распределение металлического серебра привело к снижению удельного электрического сопротивления и, как следствие, к снижению контактного электрического сопротивления. Кроме этого, повысилась механическая прочность контакт-детали.
Таким образом, предлагаемое техническое решение по устройству контакт-детали и способу его изготовления позволяют снизить трудоемкость изготовления контакт-детали, снижают расход мелкозернистого плотного графита, идущего на изготовление контакт-детали, увеличивают коммутационную стойкость контакт-детали, повышают стабильность переходного электрического сопротивления в процессе коммутаций и исключают свариваемость контактов, что в целом повышает надежность и ресурс работы электромеханических реле.