МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
MATERIAL FOR ELECTRIC CONTACTS AND METHOD FOR MANUFACTURING OF ELECTRIC CONTACTS

Изобретения относятся к электротехнике, преимущественно к материалам, служащим для изготовления электрических контактов низковольтной аппаратуры. Могут быть использованы в электромеханических реле, для устройств сигнализации, централизации и блокировки (устройства СЦБ) на железнодорожном транспорте, для которых необходимы высокая надежность и большой ресурс, более миллиона циклов замыкания и размыкания электрических контактов. Отличительной особенностью условий работы низковольтной аппаратуры является наличие при замыкании контактов ударных нагрузках и больших коммутирующих токов.
Материалы, из которых изготавливают электрические контакты, должны обладать комплексом свойств. Так контактные поверхности материала, входящие в соприкосновение с ответными контактами, должны иметь высокое сопротивление окислению и электрической эрозии в состоянии замыкания и размыкания контактов, незначительную склонность к свариванию с ответными контактами, хорошей теплопроводностью и электропроводностью при высокой стабильности переходного сопротивления в замкнутом состоянии контактов.
Эти жесткие и противоречивые требования возможно удовлетворить только путем создания композиционных материалов. Так, высокие электротехнические и электроэрозионные свойства достигаются путем создания композиционных материалов на основе графита с добавлением в различных пропорциях меди, никеля, кобальта, алюминия, серебра. (Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справочник/Под ред. И.М.Федорченко. - Киев: Наукова думка, 1985, стр.442).
Известен материал для изготовления электрических контактов, содержащий 3-10 мас.% графита и серебро остальное (П. РФ №2110100, опубл. 1998 г.).
Известен также материал для электроконтактов, принятый за прототип, содержащий 38-44 мас.% остальное графит (ТУ 16-538.158-72.4).
Недостатком известных материалов является высокая склонность к свариванию, особенно в период приработки контактов, когда пятно контакта еще не сформировалось. В этот период также неустойчивы показания переходного сопротивления.
Задачей заявляемого изобретения является повышение ресурса работы электрических контактов.
Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в устранении сваривания контактов, обеспечении стабильности показаний переходного сопротивления в период приработки контактов.
Указанный технический результат достигается заявляемым материалом для изготовления контактов, содержащим графитовую основу и металлические добавки, при этом графическая основа выполнена с пористостью не более 20 об.%, а металлические добавки распределены в объеме графитовой основы дискретно и неравномерно по концентрации от максимальной в поверхностных слоях уменьшающейся до нуля в глубь основы.
С помощью заявляемого изобретения решается техническая задача получения материала, не склонного к свариванию контактов в процессе всего периода работы контактов, имеющего стабильные показаниями переходного сопротивления в период приработки контактов с одновременным повышением ресурса работы контактов.
Для изготовления заявляемого материала предлагается способ, уровень техники которого известен из способа, в котором материалы для контактов изготавливают спеканием. Из спеченных заготовок изготавливают контакты нужных размеров и форм (стр.191-192. Г.А.Либенсон. Производство порошковых изделий. - М.: Металлургия. 1980.-240).
Недостаток известного способа заключается в сложности технологических способов спекания и невозможности получения материала с дискретным и неравномерным распределением по концентрации от поверхности в глубь основы.
Этот недостаток устраняется заявляемым способом, состоящим в предварительном изготовлении заготовки контакта размерной обработкой из графита. Затем одним из физических или химических методов осаждения металлов вносят в основу металлические добавки, а после, в случае образования сплошного (не дискретного) слоя на поверхности, предназначенной для контактирования с ответным контактом, методом размерной обработки удаляют этот слой.
Новым, не обнаруженным при анализе научно-технической и патентной литературы, в заявляемом изобретении является то, что материал для электрических контактов, содержащий в качестве основы графит, перед внесением металлических добавок серебра и/или иного металла, и/или их композиции имеет пористость не более 20 об.%. Металлические добавки, распределенные в объеме основы дискретно и неравномерно, имеют максимальную концентрацию в поверхностных слоях и уменьшаются от поверхности в глубь основы до нуля. А в способе его получения первоначально из графита, имеющего пористость не более 20 об.%, методом размерной обработки изготавливают заготовку контакта. Затем одним из физических или химических методов осаждения металлов вносят в основу металлические добавки. В случае образования сплошного слоя на поверхности, предназначенной для контактирования с ответным контактом, методом размерной обработки снимают сплошной слой.
Предлагаемый материал для электрических контактов и способ его изготовления имеют изобретательский уровень, так как для специалиста ни материал, ни способ его изготовления явным образом не следуют из уровня техники. Детальное исследование механизмов износа при разрушении контактов по имеющимся публикациям (см. Мышкин Н.К и др. Электрические контакты. Издательский Дом «Интеллект») и исследования, проведенные авторами, позволили сформулировать требования к свойствам основы материала и его поверхности. Так, наличие пористости в поверхностном слое и основе материала, состоящего из графита, не способствует образованию объемов расплавленного металла в опорных точках контакта при его замыкании и размыкании, т.е. сваривание контактов в процессе всего периода работы контактов не происходит. Авторами установлено, что в композиционных материалах на основе графита максимальное содержание концентрации металлов и их соединений в поверхностном слое необходимо только в первоначальный период приработки контактов, это примерно десятая часть всего периода работы контактов. Поры, имеющиеся в материале основы, позволяет внести металлическую добавку дискретно и неравномерно по концентрации от максимальной на поверхности и уменьшающуюся до нуля в глубь основы.
Наличие повышенного содержания металлических добавок в поверхностном слое способствует быстрому образованию оптимального пятна контакта, а наличие пористости не способствует накоплению продуктов износа, к которым следует отнести образующиеся окислы внесенных металлов, и образованию непроводящего слоя приводящего к нарушению проводимости контактов.
Установлено, что оптимальная пористость для графитовой основы должна находиться в пределах не более 20% объема. В случае если при внесении металлических добавок в основу на поверхности, предназначенной для контакта с ответным контактом, образуется сплошной слой, его следует убрать. Наличие сплошного слоя на поверхности приводит к свариванию контактов и резкому повышению переходного контактного сопротивления.
Кроме этого, заявляемый материал для электрических контактов на основе графита и способ его изготовления обеспечивает достижение дополнительного результата, заключающегося в снижении себестоимости изготовления электрического контакта за счет существенного сокращения содержания дорогостоящего металла в случае его применения.
Для практической реализации заявляемого материала для электрических контактов и способа его изготовления использовали в качестве материала основы конструкционный графит марки МПГ-6, имеющий объемную пористость менее 18%, в качестве металлических добавок - серебро и медь и их композицию из сплава, содержащего 30 мас.%, серебра - остальное медь. Внесение металлических добавок в основу осуществляли ионно-плазменным методом. Размерную обработку производили точением и фрезерованием, снятие сплошного слоя с контактной поверхности шлифованием. Наличие сплошного поверхностного слоя на поверхности контролировали с помощью инструментального микроскопа.
Материал (прототипа) для электрических контактов на основе графита, содержащего 40 мас.% серебра, остальное - углерод, используется в настоящее время на производстве. Брали готовые изделия.
ПРИМЕР 1. Из искусственного графита марки, например, МПГ-6, имеющего пористость 18%, изготавливали контакты, аналогичные прототипу, вносили в основу серебро ионно-плазменным методом, контактную поверхность дополнительно не обрабатывал, т.к. сплошного слоя на поверхности не было, контакт-детали монтировали на контактные пружины, устанавливали в реле типа НМШ1 и испытывали. Результаты испытания представлены в таблице.
ПРИМЕР 2. Аналогично примеру 1 готовили контакты, в основу вносили медь, контактную поверхность подвергали шлифованию
ПРИМЕР 3. Аналогично примеру 1 готовили контакты, в основу вносили композицию металлов серебро-никель, контактную поверхность шлифованию не подвергали.
Их таблицы видно, что предлагаемый материал для электрических контактов и способ изготовления электрических контактов позволяют практически в 2 раза снизить переходное электрическое сопротивление в начальный период приработки контактов, более чем в 2 раз повысить ресурс работы контактов, исключить свариваемость контактов в течение всего ресурса работы контактов, что позволит обеспечить значительный эффект.