Электротехнические порошковые материалы

Материалы электротехнических контактов

В настоящее время имеется большое количество разработанных материалов для электрических контактов различного назначения. Однако, проблема создания высоконадежных контактов полностью не решена, так как требования, предъявляемые к материалу контактов, непрерывно возрастают и изменяются.

Материалы должны быть термически, химически и механически стойки, иметь малое электросопротивление, обладать высокими теплопроводностью и эрозионной стойкостью при воздействии электрической дуги и сопротивляемостью свариваемости или мостикообразованию при замыкании и размыкании контактов.

Существуют различные способы производства электрических контактов методом порошковой металлургии, обеспечивающие возможность получения изделий не только заданного химического состава, но и с заданной структурой, определяющей оптимальное сочетание свойств.

Схема производства контактов заключается в приготовлении смесей в нужных пропорциях, прессовании заготовок изделий и высокотемпературном спекании их в восстановительной или окислительной среде или в вакууме.

Для достижения необходимых свойств материала часто в эту схему вводят различные способы регулирования распределения составляющих, в том числе в заданных направлениях, что обеспечивает некоторое упрочнение и анизотропию свойств.

В электротехнической промышленности применяются в основном два типа контактов:

• разрывные;
• скользящие.

Разрывные электроконтакты

Разрывные электроконтакты используются для замыкания электроцепей в различных электрокоммутирующих аппаратах и приборах. Наиболее подходящими материалами для них являются вольфрам, молибден, тантал, рений. Они имеют высокую температуру плавления и электроэрозионную стойкость, повышенные прочностные характеристики, отсутствие склонности к мостикообразованию.

Ценными свойствами как составляющие контактных материалов обладают серебро, медь, золото, платина. Они имеют высокую электро- и теплопроводность, коррозионную стойкость, низкое контактное сопротивление.

Состав и свойства некоторых контактных материалов приведены в таблице 1.

На свойства материалов влияет дисперсность структуры, которая в свою очередь определяется дисперсностью исходных материалов. Регулирование дисперсности исходных составляющих осуществляют путем смешивания шихты в вибромельнице или применением химического смешивания компонентов. Для этого из водных растворов совместно осаждают гидраты, карбонаты или оксалаты серебра, меди, или никеля. Осадок фильтруют, промывают, сушат и прокаливают в восстановительной атмосфере при температуре, обеспечивающей формирование смеси требуемой дисперсности и химического состава.

Таблица 1 – Состав и свойства некоторых контактных материалов

Изготовление контактов из материалов каркасного строения осуществляют методом капиллярной инфильтрации пористого каркаса из тугоплавкого компонента легкоплавкой составляющей. Инфильтрация может проводится по методу наложения или методу погружения.

При проведении инфильтрации по методу наложения спеченный пористый каркас из тугоплавкого компонента вместе с помещенным на нем твердым инфильтруемым материалом загружают в печь с защитной атмосферой и соответствующей температурой.

При инфильтрации методом погружения пористый каркас вводят в предварительно расплавленный легкоплавкий компонент. Полученный материал практически не содержит пор.

Повышение механических свойств можно обеспечить, если каркас под инфильтрацию готовить не из специального порошка, а из волокон или нитей тугоплавкого металла. При этом повышается не только прочность, но и эрозионная стойкость, что проводит к повышению износостойкости контактов.

Скользящие электроконтакты представляют собой пару трения, в которой наряду с хорошим электрическим контактом должен обеспечиваться низкий коэффициент трения. При этом контактная пара не должна состоять из однотипных материалов, так как в этом случае будет происходить схватывание трущихся поверхностей в условиях эксплуатации.
Твердость материалов, составляющих контактную пару, также должна быть различной. Обычно материал токонесущего элемента должен быть более твердым, чем подвижный контакт.

Для улучшения антифрикционности и обеспечения соотношения твердостей в состав материала вводят твердые смазки в виде дисульфида молибдена, сульфида цинка, графита и других добавок. Иногда вводят легкоплавкие металлы, которые становятся жидкими при работе контактной пары.

В качестве основы материала скользящего контакта чаще всего используют медь или серебро.

Скользящие контакты

Скользящие контакты на основе меди надежны в эксплуатации и применяются для изготовления пантографов, токосъёмников. Представителями этого вида контактов являются бронзографитовые контакты, содержащие 70 – 80% меди, олова, железа, никеля и 2 – 5% графита. Их используют для изготовления коллекторных пластин для электродвигателей, пантографов электропоездов.

Для улучшения свойств меднографитовых материалов применяют графит, плакированный медью. Это приводит к повышению твердости, предела прочности, электропроводности, снижению коэффициента трения.

Иногда при изготовлении меднографитовых скользящих контактов необходимо создать медный каркас, придающий материалу максимальную электропроводность. Для этого в пористый графит инфильтрацией вводят расплавленную медь.
Скользящие контакты на основе серебра готовят из смеси порошков соответствующих компонентов. В качестве легирующих добавок могут использоваться олово, никель, кадмий, кобальт и другие элементы. Кроме того, для повышения антифрикционных свойств могут вводится присадки в виде дисульфида молибдена (MoS₂) сульфидов вольфрама (WS) и цинка (ZnS).

Контакты на основе серебра могут работать при значениях токов от микроампер до единиц ампер в различных климатических условиях.

В настоящее время в качестве материалов скользящих электроконтактов предложен ряд материалов на основе железа и никеля. Так, контактные пластины токоприёмников и пластины коллекторов изготавливают из сплавов на основе железа, содержащих (в процентах):

• никель – 1 – 10;
• медь – 5 – 10;
• олово – 1 – 5;
• свинец – 8 – 20;
• нитрид вольфрама – 1 – 10.

Заготовки после спекания пропитывают сплавом олова и свинца. Для токосъёмников высокоскоростного электротранспорта в сплав железа вводят 0,5 – 5,0% Ni; 0,1 – 0,2% С; 0,5 – 5,0% Cu и пропитывают свинцом.