Композиционный электрический контакт и способ его изготовления

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.