Способ изготовления электрического контакта и композиционный электрический контакт
METHOD OF MAKING ELECTRIC CONTACT AND COMPOSITE ELECTRIC CONTACT

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам изготовления электрических графит-серебрянных композиционных контактов электрическим, предназначенных для использования в различных коммутирующих устройствах автоматики.
По заявке на изобретение RU 2002126595 известен способ изготовления шихты для контактов из серебро-графитовых композиций, заключающийся в том, что смешивают порошок, содержащий серебро, с порошком графита, и эту смесь нагревают в восстановительной атмосфере водорода при температуре 450-550°С до получения гранулированной шихты, отличающийся тем, что порошок, содержащий серебро, является порошком углекислого серебра или смеси серебра и углекислого серебра, который смешивают с порошком графита в вибромельнице, дополнительно измельчая при этом. Содержание углекислого серебра в порошке, содержащем серебро, должно быть не менее 30 мас. % в пересчете на серебро. Измельчение порошка, содержащего серебро, в вибромельнице осуществляют до линейного размера частиц углекислого серебра не более 1 мкм.
Недостатком известного способа недостаточные физико-механические свойствами контактов изготовленных способом порошковой металлургии, вследствие интенсивного изнашивания и высокой склонности к свариваемости. Уменьшение содержания графитовой и увеличение содержания металлической составляющей увеличивает вероятность сваривания контактов, уменьшает коммутационную стойкость и увеличивает их стоимость.
3
Наиболее близким к заявленному техническому решению является известный по патенту RU 2400852 способ изготовления электрического контакта, 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.
Недостатками этого способа является: нестабильная работа контакта и быстрая деградация его переходного электрического сопротивления, по причине того, что технология прототипа не обеспечивает равномерное распределение серебра в объеме контакта, в основном серебро концентрируется в поверхностных слоях. В результате эрозионного износа контакта поверхностный слой содержащий серебро выгорает, а внутренние слои контакта, содержащие в основном графит, не обеспечивают требуемые значения переходного электрического сопротивления. Температура термообработки контакта после пропитки ниже температуры плавления серебра, что приводит к образованию мелкодисперсных частиц серебра не сплавленных между собой, это существенно увеличивает реакционную способность серебра, в результате хранения и длительной эксплуатации происходит окисление серебра и снижение его переходного электрического сопротивления. Известный способ характеризуется ограниченными технологическими возможностями в качестве сырьевой базой возможно применение только водорастворимых солей, кроме того технология характеризуется большими потерями серебросодержащей соли из-за накопления этилового спирта в пропитывающем растворе, который снижает растворимость серебросодержащих солей в воде - это приводит выпадению их в осадок. Кроме того, технология отличается большой трудоемкостью, один цикл пропитки позволяет увеличить содержание серебра в контакте на 1 мас. %, для получения контактов содержанием 7 мас. % (как указано прототипе) потребуется не менее 7 циклов.
Технической задачей заявленного изобретения является создание способа получения контакта характеризующегося низкой трудоемкостью, низкой долей потерей серебросодержащих солей, высокой степенью проникновения серебросодержащих солей вглубь контакта, при этом в результате получается контакт со стабильным переходным электрическим сопротивлением во время всего периода эксплуатации.
В качестве исходного материала используется графит со следующими характеристиками: транспортная пористость 2-7%, объемная пористость 7-12% предел прочности при сжатии не менее 100 МПа, зольность не более 0,05%. Данный материал имеет неоднородную пористость и ее структуру, содержит большое количество замкнутых пор, которые остаются не доступными для проникновения серебросодержащих солей.
2
2
Техническая задача решается тем, что при осуществлении способа изготовления электрического контакта включающего поочередную обработку мелкозернистого плотного графита жидкостью и серебросодержащей солью, согласно изобретения, в качестве жидкости для пропитки графита применяется водный раствор, содержащий не более 5 мас. % сернокислого железа, после чего контакт прокаливают в печи при температуре не менее 900°С в восстановительной среде далее графит прокаливают при температуре в 450-500°С в воздушной среде в течении не более 24 часов, в результате каталитического окисления получается графитовая основа с транспортной пористостью 5-9%, объемной пористостью 9-14%, пределом прочности при сжатии не менее 80 МПа, зольностью не более 0,1%, которой методом механической обработки придается необходимая форма контакта, контакт нагревается до температуры плавления нитрата серебра и помещается в автоклав, в котором создается разряжение не менее -0,86 кгс/см, после чего автоклав заполняется расплавов нитрата серебра в автоклаве, создается избыточное давление не более 50 кгс/см, далее пропитанный нитратом серебра контакт помещается в печь и нагревается до температуры превышающей температуру плавления серебра, в результате чего сначала происходит разложение нитрата серебра до мелкодисперсного серебра, а затем его сплавление в монолитную структуру на поверхности контакта.
В результате осуществления способа получают композиционный электрический контакт, содержащий основу из мелкозернистого плотного графита, металлическую добавку, распределенную в порах внутреннего объема графитовой основы, где, соласно изобретения, графитовая основа выполнена с прочностью на сжатие не менее 80 МПа, зольностью не более 0,1%, объемной пористостью 9-14%, с транспортной пористостью 5-9%, при этом металлической добавкой, распределенной в порах внутреннего объема графитовой основы является серебро, и на поверхности контакта образован равномерный сплошной слой серебра толщиной до 50 мкм.
Использование вместо водных растворов расплавленной соли серебра, а именно нитрата серебра, вследствие высокой вязкости расплава, позволяет, после пропитки, осуществить плотное покрытие солью серебра, а именно нитратом серебра поверхности детали, которая, после термической обработки разлагается с образованием серебра, которое, при температурах выше температуры плавления образует на поверхности контакта монолитное серебряное покрытие толщиной до 50 мкм, прочно скрепленное с поверхностью контакта.
Поскольку, расплав соли серебра, а именно нитрата серебра, имеет высокую вязкость, обработка при атмосферном давлении не позволяет добиться глубокого проникновения серебра вглубь детали, поэтому для осуществления способа использован автоклава и высокого давления.
В результате осуществления способа получен композиционный электрический контакт из мелкозернистого плотного графита прочностью на сжатие не менее 60 МПа, зольностью не более 0,3% объемной пористостью 9-25%, транспортной пористостью 5-9%, содержащий металлическую добавку равномерно распределенную в порах внутреннего объема графитовой основы, при этом, на поверхности образован равномерный сплошной слой серебра толщиной до 50 мкм.
Примеры осуществления способа получения контакта электрического композиционного:
Пример 1
Графит, имеющий следующие характеристики: транспортная пористость 2-7%, объемная пористость 7-12%, предел прочности при сжатии не менее 100 МПа, зольность не более 0,05%, пропитывают водным раствором, содержащим не более 5 мас. % сернокислого железа, после чего контакт прокаливают в печи при температуре не менее 900°С. Далее графит прокаливают при температуре в 450-500°С в воздушной среде в течении не более 24 часов. В результате каталитического окисления получается графитовая основа, которая имеет следующие характеристики: транспортная пористость 5-9%, объемная пористость 9-14% предел прочности при сжатии не менее 80 МПа, зольность не более 0,1%.
2
2
Методом механической обротки графитовой основе придается необходимая форма контакта. Далее контакт нагревается до температуры плавления нитрата серебра 210°С и помещается в автоклав, в автоклаве создается разряжение от -0,86 до -1 кгс/см, после чего автоклав заполняется расплавом нитрата серебра имеющего температуру 220-250°С. После заполнения автоклава расплавом нитрата серебра, создается избыточное давление не более 50 кгс/см. Пропитанный нитратом серебра контакт помещается в печь и нагревается до температуры плавления серебра не менее 962°С, в результате сначала происходит разложение нитрата серебра до мелкодисперсного металлического серебра, а при достижении температуры плавления серебра происходит сплавление мелкодисперсного серебра в монолитную структуру.
Пример 2
Выполнен в соответствии с примером 1, но отличающийся тем, что графит не подвергается каталитическому окислению, а имеет характеристики прототипа транспортную пористость более 10%, объемную пористость более 15%, предел прочности при сжатии 60-80 МПа, зольность 0,1-0,3 мас. %. Температура термической обработки пропитанного серебросодержащей солью контакта 800°С.
Пример 3
Выполнен в соответствии с примером 1, но отличающийся тем, что графит пропитывается водным раствором сернокислого железа концентрацией ≥ 5%, при этом зольность графита после каталитического окисления более 0,1%.
Пример 4
Выполнен в соответствии с примером 1, но отличающийся тем, что каталитическое окисление графита происходит при температуре более 500°С и продолжительностью более 24 часов.
Пример 5
2
2
Выполнен в соответствии с примером 1, но отличающийся тем, что разряжение при пропитке составляет от 0 до -0,86 кгс/см, а давление более 50 кгс/см.
Результаты испытаний
Результаты испытаний заявляемого композиционного электрического контакта изготовленного по предлагаемому способу, представлены в Таблице 1.
Предложенный способ позволяет получить контакт с удельным электрическим сопротивлением не более 12 мкОм⋅м, переходным электрическим сопротивлением не более 0,01 Ом, с количеством металлического серебра 19-35 мас. %, с коммутационным ресурсом до 3 миллионов срабатываний.