Материалы для размыкающих контактов работают в сложных условиях, поскольку в процессе работы между контактными поверхностями размыкающих контактов могут возникать электрические разряды в виде искры или дуги. Этот процесс сопровождается электрической эрозией, которая является причиной нарушения нормальной работы соответствующего прибора. На поверхностях размыкающих контактов образуются оксидные пленки, поэтому они подвержены также коррозии или химическому износу.
Материалы для размыкающих контактов должны обладать следующими свойствами:
низкое значение удельного электрического сопротивления;
малое падение напряжения на контактах;
стойкость к механическому и электрическому износу;
не допускать эрозии (обгорания) контактирующих поверхностей;
не допускать приваривания контактных поверхностей друг к другу под действием электрической дуги при размыкании контактов;
постоянство контактного электрического сопротивления;
лёгкая обработка;
низкая стоимость.
Выбор материалов для размыкающих контактов ведут по значению коммутируемого тока или по мощности размыкания электрических цепей.
По значению коммутируемого тока разрывные контакты делят на слаботочные (работают при токах до единиц ампер) и сильноточные.
По значению мощности контакты этого типа делят на маломощные и мощные.
Слаботочные (маломощные) размыкающие контакты изготавливают из благородных и тугоплавких металлов и сплавов на их основе типа твердых растворов.
В широкой номенклатуре контактов применяется чистое серебро, которое обеспечивает высокую электропроводность и низкое переходное электрическое сопротивление, однако имеет недостаточную стойкость к эрозии, и серебряные контактные поверхности легко свариваются между собой. Чистое серебро не используют также для особо точных размыкающих контактов с малой силой контактного нажатия (малонагруженных) и в сочетании с материалами, содержащими серу (например, резина, эбонит).
Сплавы серебро-магний-никель с добавками золота и циркония удачно сочетают в себе свойства упругого и контактного материалов. Это позволяет успешно использовать их как единые детали «контакт-пружина», что весьма ценно в малогабаритных и миниатюрных устройствах.
Эти сплавы обладают переходным электрическим сопротивлением таким же, как у серебра.
Золото обладает коррозионной стойкостью к образованию сернистых пленок при комнатной температуре и нагревании, однако оно склонно к дугообразованию, и даже при малых токах на золотых контактах в результате эрозии образуются иглы и наросты.
Наибольшее распространение получили сплавы платины с никелем, серебром, золотом, иридием, которые, обладая повышенной твердостью и удельным электрическим сопротивлением, применяются в прецизионных реле.
Вольфрам давно получил распространение в качестве контактного материала благодаря ряду свойств, удовлетворяющих совокупности наиболее нужных характеристик контактных материалов:
вольфрамовые контакты не свариваются во время работы, так как температура плавления вольфрама 3380°С;
в несколько раз более стойки к эрозии, чем платина;
не поддаются заметному механическому износу благодаря высокой твердости.
Сильноточные (мощные) размыкающие контакты изготавливают из металлокерамических материалов, получаемых методами порошковой металлургии. Металлокерамические контакты обладают рядом преимуществ по сравнению с обычными металлическими:
более стойки к оплавлению, привариванию и износу;
не заменимы при высоких токовых и механических нагрузках;
значительно увеличивают срок службы контактов при умеренных нагрузках;
повышают надёжность и долговечность аппаратов при значительной экономии серебра (от 10 до 70%).
Металлокерамические материалы для сильноточных контактов должны состоять из невзаимодействующих друг с другом компонентов, один из которых обладает значительно большей тугоплавкостью, а другой обеспечивает хорошую проводимость материала. Менее тугоплавкий компонент удерживается в порах более тугоплавкого силами поверхностного натяжения.
По стойкости к свариванию (в порядке уменьшения) контактные материалы располагаются следующим образом: графит (C), вольфрам (W), вольфрам - молибден (W - Mo), металлокерамика вольфрам - медь (серебро) [W – Cu (Ag)], карбид вольфрама - серебро (WC - Ag), сплавы серебро - кадмий (Ag - Cd), металлокерамика серебро - оксид кадмия (оксид меди) [Ag – CdO (CuO)], серебро (медь) - графит [Ag (Cu) - C].
Сильноточные металлокерамические размыкающие контакты используются для общепромышленных целей, в частности, в автоматических предохранителях, контакторах, пускателях, реле сигнализации.
Не существует контактных материалов, удовлетворяющих всем необходимым требованиям. Удается только приблизиться к созданию материалов с совокупностью наиболее нужных характеристик. Поэтому устройства с размыкающими и скользящими контактами стремятся по возможности заменять соответствующими схемотехническими решениями. Это позволяет эксплуатировать приборы в более жёстких условиях, снижая число отказов и повышая срок службы.
Контрольные вопросы:
1. Какие условия нужно выполнить, чтобы получить сверхпроводимость?
2. Что происходит с магнитным полем в сверхпроводниках?
3. В чём отличие между мягкими и твёрдыми сверхпроводниками?
4. В чём сущность криопроводимости?
5. Какие металлы используют в качестве криопроводников?
6. Какие виды графита вы знаете?
7. Как получают непроволочные резисторы? В чём их достоинства?
8. В чём различие между марками щёток электрических машин?
9. Для чего используют сажу, антрацит?
10. Какой по знаку температурный коэффициент ТКρ у угольных изделий?
11. Что входит в состав композиционных материалов?
12. Чем отличаются проводящие пасты от резистивных?
13. Что из себя представляют контактолы?
14. Какие виды износа наблюдаются в подвижных контактах?
15. Чем электрический износ контактов отличается от химического?
16. Какие требования предъявляются к контактным материалам?
17. В чём разница требований к материалу для скользящих контактов и размыкающих?
18. Какой недостаток у маломощных серебряных контактов?
19. Какие материалы используют для слаботочных размыкающих контактов?
20. В каком порядке располагаются материалы мощных контактов по стойкости к свариванию?
21. Контакты из какого материала нельзя зачищать наждачной бумагой?