Композиционный электрический контакт и способ его изготовления


 


Владельцы патента RU 2400852:

Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Технический Центр Информационные Технологии" (RU)

Изобретение относится к области электротехники, преимущественно к композиционным материалам, служащим для изготовления электрических контактов низковольтной аппаратуры, а также к способу изготовления таких контактов. Композиционный электрический контакт выполнен из материала, содержащего графитовую основу и металлические добавки серебра, при этом графитовая основа выполнена из мелкозернистого плотного графита с удельным сопротивлением 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 в порах графита в количестве не менее 10% от объема пор, а на поверхности графитовой основы частицы металлической добавки образуют несплошное поверхностное покрытие толщиной до 10 мкм. Способ изготовления электрических контактов предусматривает изготовление методом размерной механической обработки контакт-детали из конструкционного графита, ее пропитку этиловым спиртом с последующей выдержкой в водном растворе нитрата серебра с плотностью 1,4-1,17 г/см3 при температуре, на 10-40°С превышающей температуру кипения пропиточной жидкости в течение 10-15 минут, а также последующую термообработку контакт-детали, помещенной в контейнере и засыпанной древесным углем при температуре ниже 0.95 температуры плавления серебра в течение 0,5-1,0 часа. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к материалам, служащим для изготовления электрических контактов низковольтной аппаратуры. Может быть использовано 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 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.

Эти жесткие и противоречивые требования возможно удовлетворить только созданием композиционных материалов методом порошковой металлургии.

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.

Известен композиционный материал, содержащий 3-10 мас.% графита и серебро остальное (Заявка №97106378). Указанный материал обладает хорошими физико-механическими и электротехническими свойствами.

Однако контакты, изготовленные из данного материала, обладают высокой склонностью к свариванию, особенно в период приработки контактов, когда пятно контакта еще не сформировалось. В этот период работы также неустойчивы показания переходного кантатного электрического сопротивления.

Наиболее близким, принятым за прототип является контакт, изготовленный методом порошковой металлургии из графита и серебра (Контакты марок ВАР112Д и ВАР112Д-1, Технические условия ТУ 16-538158-72.). Содержание серебра в данном материале при изготовлении контактов должно быть в пределах от 38 до 44 мас.%. Электрические контакты обладают недостаточными физико-механическими свойствами, следствием этого является интенсивное изнашивание, высокая склонность к свариваемости, нестабильность переходного электрического сопротивления.

В основу изобретения по композиционному электрическому контакту поставлена задача увеличения коммутационной стойкости контактов, повышение стабильности переходного электрического сопротивление контактной пары в процессе коммутаций и исключение свариваемости контактов.

Поставленная задача решается тем, что композиционный электрический контакт содержит графитовую основу и металлические добавки серебра, при этом 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.

Установлено (Дымковский Н.В., Милованова Ю.В. Электрические контакты на железнодорожном транспорте. Электротехника, - 1965, №10, с.33.), что в разнородной контактной паре, один из контактов которой выполнен из чистого серебра, а второй из серебрографитсодержащей композиции, уменьшение серебра в композиции с 55% (марка СГ) до 40% (марка СГ-60 - вариант 112Д) приводит к увеличению износостойкости контактной пары, а именно к увеличению числа срабатываний с 200 тыс. до 1,4-2 млн. Дальнейшее снижение серебра в композиции графит-серебро не приводят к повышению износостойкости и уменьшению переходного сопротивления с сохранением стабильности этих параметров в процессе эксплуатации контактов. Это обусловлено качественным состоянием графита, который находится в составе композиционного материала (вариант ВАР 112Д), (сажа, графит, пек каменноугольный, бакелитовый лак, которые не позволяют получать постоянные электротехнические и механические свойства материала в случае изготовления контактов по технологии традиционной порошковой металлургии). Уменьшение графитовой и увеличение металлической (серебра) составляющей в композиционном материале ведет, с одной стороны, к повышению стабильности переходного электрического сопротивления, а с другой, значительно увеличивает вероятность сваривания контактов, уменьшает коммутационную стойкость и увеличивает их стоимость.

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. Изготовление композиционного электрического контакта 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 позволяет увеличить коммутационную стойкость контактов, повысить стабильность переходного электрического сопротивление контактной пары в процессе коммутаций, и при этом исключить свариваемость контактов. Прочность на сжатие материала не менее 60 МПа, при высокой точности изготовления позволит не разрушать зону контакта контакт-детали с держателем при ее закреплении и тем самым повысить качество закрепления. Использование мелкозернистого плотного графита зольностью не более 0,3% позволит значительно повысить ресурс работы контактов за счет снижения интенсивности износа. Это связано с тем, что основным механизмом износа коммутационных контактов является фреттинг, когда в зоне контакта накапливаются частицы износа и окислов, образуя непроводящий слой и способствуя, нарушению проводимости контактов (см. Мышкин Н.К и др. Электрические контакты. Издательский Дом «Интеллект», стр.248-250). Минимальное образование металлических частиц износа и окислов в поверхностном слое (покрытие не сплошное и имеет малую толщину) способствует быстрому образованию оптимального пятна контакта, а наличие пористости не способствует накоплению продуктов износа. Графитовая основа при наличии пористости в пределах 15-25% уменьшает вероятность схватывания (сваривания) с поверхностью ответного контакта, что также 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 сопротивление 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 и стало возможным за счет изменения всей технологии получения композиционного электрического контакта

Использование мелкозернистого плотного графита влечет за собой изменения всей традиционной цепочки изготовления композиционных контакт-деталей, когда каждая контакт-деталь изготавливается методом порошковой металлургии из смеси порошков графита и серебра (стр.191-192. Г.А.Либенсон. Производство порошковых изделий. - М.: Металлургия. 1980. - 240).

В основу заявляемого изобретения по способу изготовления композиционного электрического контакта поставлена задача разработка способа изготовления композиционного электрического контакта с увеличенным коммутационным периодом стойкости контактов, имеющего стабильное и минимальное переходное электрическое сопротивление контактной пары в процессе коммутаций и не склонного к свариваемости контактов.

Поставленная задача по способу изготовления композиционного электрического контакта решается заявляемым изобретением, в котором 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/см3, нагревают и выдерживают при температуре на 10-40°С, превышающей температуру кипения пропиточной жидкости в течение 10-15 минут, 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 часов.

Новым, не обнаруженненым при анализе научно-технической и патентной литературы, в заявляемом изобретении является то, что композиционный электрический контакт выполнен из материала, содержащего графитовую основу и металлические добавки серебра, при этом 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 и 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 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 1,4-1,7 г/см3, нагревают и выдерживают при температуре, на 10-40°С превышающей температуру кипения пропиточной жидкости в течение 10-15 минут, 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 часов.

Предлагаемый способ изготовления композиционного электрического контакта позволяет образовать несплошной поверхностный слой серебра в поверхностном слое контакта и доставить минимальное количество металлического серебра в поры графитовой основы, в количестве не менее 10% от объема пор.

Для практической реализации заявляемого композиционного электрического контакта и способа его 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 требуемой пространственной формы специальным инструментом вытачивали из графита марки МПГ7. Затем контакт-детали пропитывали этиловым спиртом при температуре 20°С. Температура кипения этилового спирта 78°С, затем пропитанные контакт-детали помещали в подготовленный водный раствор нитрата серебра плотностью 1,5 г/см3 при температуре 20°С и производили нагревание раствора до температуры 100°С, выдерживали при данной температуре 12 минут, затем охлаждали раствор с находящимися в нем контакт-деталями до температуры 20°С, вынимали контакт-детали из раствора, промывали в дистиллированной воде, помещали в контейнер и засыпали древесным углем, контейнер помещали в печь и нагревали до температуры 800°С, выдерживали при данной температуре 45 минут и поводили охлаждение вместе с печью.

Полученные такими способами контакт-детали монтировали на контактные пружины, устанавливали в реле НМШ-1440 и испытывали при коммутации каждым замыкающим контактом активной нагрузки 2А, 24В. Результаты испытаний заявляемого композиционного электрического контакта изготовленного по предлагаемому способу, представлены в таблице в сравнении с контакт-деталью (прототипом), содержащей 40% мас.%, серебра, остальное - углерод.

Результаты сравнительных испытаний

Параметр Прототип Заявляемая контакт-деталь, выполненная разными способами Примечание
Количество металлической компоненты
в материале конструкции, мас.%
35-40 5-7
Электрическое сопротивление, Ом,
исходное состояние
0,42 0,02
Износ после 500 тыс. коммутаций постоянного
тока в паре с серебряным контактом, мм
0,5 0,10 Параметры коммутируемого тока: 24В, 2А, плюсовой провод на испытуемом контакте
Износ после 1000 тыс.коммутаций 0.8 0, 12
Износ после 2000 тыс.коммутаций 2,34 0,15 Обрыв цепи в контактной паре прототипа
Количество отказов (свариваний) на 1000
коммутаций в паре с серебряным контактом
6 нет Испытание методом закорачивания конденсатора емкостью 10000 мкФ, заряженного напряжением 24В

Как видно из таблицы, начальное сопротивление в контактных парах прототипа и предлагаемого технического решения значительно отличаются. Износостойкость, характеризуемая количеством коммутаций, увеличивается более чем в 6 раз, свариваемость контактов не наблюдалась. В процессе испытаний предлагаемого технического решения не наблюдалось обильного графитового распыления в отличие от контактов прототипа, что повышает надежность работы реле в целом, обеспечивается стабильность переходного электрического сопротивления и исключается свариваемость контактов при импульсных токовых перегрузках (в аварийных режимах).

1. Композиционный электрический контакт, выполненный из материала, содержащего графитовую основу и металлические добавки серебра, отличающийся тем, что 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.

2. 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/см3, 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.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электронной промышленности при изготовлении герметизированных магнитоуправляемых контактов (герконов).

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано в авиационном приборостроении и машиностроении. .

Изобретение относится к электротехнике, в частности к коммутационным аппаратам, и предназначено для отключения аварийных токов. .

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления электрических контактов. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано, в частности, при производстве магнитоуправляемых герметизированных контактов (герконов).

Изобретение относится к электротехнике, в частности к магнитоуправляемым герметизированным контактам (герконам). .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении серебросодержащих электрических контактов. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении серебросодержащих электрических контактов. .

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при производстве слаботочных скользящих контактных узлов для коммутации маломощных электрических сигналов, в том числе прецизионных переменных резисторов.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в производстве кнопочных переключателей для телевизоров, приемников и других радиоэлектронных приборов.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения композиционных материалов на основе меди. .

Изобретение относится к контактному устройству (3, 40) с контактным блоком (15, 42) с по меньшей мере одним контактным элементом (18, 45) для создания электрического соединения между первым контактом (4, 49), который расположен неподвижно на выдвижном блоке (1) для низковольтного распределительного устройства (2), и вторым контактом (5, 54), который расположен неподвижно в распределительном устройстве.

Изобретение относится к области аппаратуры железнодорожной автоматики и телемеханики, а именно к электрическим контактам низковольтных электромагнитных реле. .
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электронной промышленности при изготовлении герметизированных магнитоуправляемых контактов (герконов).
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электронной промышленности при изготовлении герметизированных магнитоуправляемых контактов (герконов).

Изобретение относится к электрическим переключателям и может быть использовано в радиоэлектронной и измерительной аппаратуре, системах автоматики и телемеханики, устройствах связи и др.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции магнитоуправляемых герметизированных контактов, и может быть использовано в промышленном производстве этих приборов.

Изобретение относится к производству вакуумной коммутационной аппаратуры высокого напряжения и касается тренировки вакуумных дугогасительных камер высокого напряжения импульсными разрядами высокого напряжения различной полярности после отпайки камеры, которая проводится при протекшем через тренируемый промежуток заряде не более 10 мКл для каждого из разрядов.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к производству контактов из высокотемпературных материалов, устройств отключения тока на мощных линиях электропередач и в качестве защитных средств в соплах ракетных двигателей.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к коммутационной технике, к которой предъявляются требования по обеспечению подсветки символов и брызгозащищенности, и может быть использовано в системах ввода и преобразования информации в качестве контактных устройств
Наверх