Как известно, устойчивость против эрозии разрывных контактов повышается с увеличением твердости и температур плавления, сублимации и кипения материала контактов, что связано с ростом прочности его межатомных связей. Поэтому для контактов, коммутирующих токи больше тока возникновения дуги и повышенные напряжения, наиболее подходящими являются более твердые и тугоплавкие металлы и их сплавы типа твердых растворов: вольфрам, рений, молибден, платино-иридий, палладий-серебро и т. п.
Вольфрам отличается большой твердостью и хрупкостью, очень высокой температурой плавления и потому в несколько раз более устойчив против эрозии и переноса, чем платина. Контакты реле из вольфрама не свариваются, не поддаются механическому износу и обеспечивают очень большой срок службы при больших напряжениях и индуктивных нагрузках (при токе до 3-5 ампер).
Фотография 4. Вольфрамовые контакты реле РСАМ
Основным недостатком вольфрама является его подверженность атмосферной коррозии с образованием оксидных и сульфидных пленок, поэтому контакты из вольфрама имеют высокое переходное сопротивление и требуют больших контактных давлений (больше 40-60 Г), особенно при низких напряжениях. Иногда наблюдается отказ в работе вольфрамовых контактов после длительного их пребывания в условиях влажности и воздействия паров фенола, формальдегида, аммиака и других веществ вследствие интенсивной коррозии вольфрама.
Контакты из вольфрама не могут быть приклепаны непосредственно к контактным пружинам, они предварительно припаиваются или привариваются к стальной или медной «ножке», которая затем приклепывается к пружине. Посторонние примеси в вольфраме не должны превышать 0,2-0,5%. Более прочными и износоустойчивыми являются резаные (с продольным волокном) контакты. Они дают также более постоянное переходное сопротивление, чем штампованные.
В слаботочных реле применяется серебряно-вольфрамовый сплав 30% серебра – 70% вольфрама (ВС-70).
Вольфрамовые контакты встречаются у реле РСАМ, РКС-3, РС, М237, РВМ 2В-110, РПН, РП-4, РП-5, РП-7, 64П, РПС-33, РПС-11 и других.
Молибден имеет меньшую твердость, чем вольфрам, и более низкий минимальный ток дуги. Окислы молибдена образуют рыхлый осадок, вследствие чего проводимость контактов может внезапно нарушиться. Для защиты против образования непроводящих пленок контакты из вольфрама и молибдена следует помещать в вакуум, чистый водород или чистый азот.
Большую износоустойчивость при нагрузке 0,3 ампера и 160 вольт и очень больших сроках службы (109 циклов) имеют контакты из карбида вольфрама с небольшим содержанием кобальта.
Вольфрам и молибден из-за подверженности атмосферной коррозии непригодны для эксплуатации в условиях тропического климата; в этих условиях хорошим заменителем вольфрама является металл рений, близкий к вольфраму по своим свойствам, но более коррозионно-устойчивый и более пластичный.
Контакты из рения имеют более низкое переходное сопротивление в нормальных условиях; величина этого сопротивления сравнительно мало изменяется после длительного пребывания в условиях тропического климата и морской атмосферы, а также после нагрева при повышенных температурах до +1000° С. Однако эрозионная устойчивость рения значительно меньше, чем вольфрама.
Пары контактов реле из разных материалов
В вибрационных аппаратах (регуляторах напряжения, вибропреобразователях и т. п.) при токах, не превышающих 1,2 ампера, и сравнительно небольших давлениях иногда применяются пары контактов из разных материалов; например, вольфрам (на минусе) и серебро (на плюсе), вольфрам и серебро-никель (СН40) или молибден-серебро. В этом случае пленка окислов вольфрама пропитывается серебром, что значительно уменьшает переходное сопротивление и повышает надежность работы контактов. При больших токах и значительных давлениях применяется пара карбид вольфрама-серебро.
Например, контактная пара вольфрам-серебро, сплав ВС-70 (на минусе) и палладиево-циркониево-хромовый сплав (ПдСрХр-1) (на плюсе) значительно увеличивает срок службы поляризованных реле типа РП-4 в телеграфном режиме работы (работа на передачу).
Фотография 5. Пара контактов, вольфрам (неподвижный контакт) и серебро (подвижный контакт), силовое реле РС
Металлокерамические композиции (металлокерамические контакты)
Для контактов реле, работающих в особо тяжелых условиях длительное время при больших нагрузках, необходим материал, отличающийся большой износоустойчивостью, тугоплавкостью, малой эрозией, малой склонностью к привариванию, высокой электро- и теплопроводностью.
Сочетание всех этих свойств не встречается в контактных металлах и их сплавах, оно может быть достигнуто только в композициях.
Композиции изготовляются большей частью из смесей двух не сплавляющихся между собой компонентов методами металлокерамики (порошковой металлургии), путем спекания смеси порошков металлов без образования жидкой фазы с последующей механической обработкой (ковкой, прокаткой и т. п.) или прессопористых заготовок из порошка тугоплавкого металла (вольфрам, молибден) с последующей их пропиткой более легкоплавкими металлами (серебро, медь).
Стойкость композиции против эрозии основывается на том, что при расплавлении одного компонента он удерживается силами капиллярности в порах (скелете) второго, более тугоплавкого компонента, который к тому же препятствует свариванию контактов. Композиции, кроме того, не имеют склонности к иглообразованию.
Тугоплавкий скелет может быть образован не только металлами, но и карбидами, нитридами и даже окислами металлов, так как их электропроводность принципиально не имеет значения.
В композиции серебро-окись кадмия роль тугоплавкой составляющей играет окись кадмия. Окись кадмия отличается высокой электропроводностью, при температурах дуги она разлагается взрывообразно на кислород и пары кадмия (770° С). Это явление, по-видимому, оказывает выдувающее и деионизирующее действие.
Кроме того, применяются композиции серебро-карбид вольфрама, медь-карбид вольфрама и др.
Физические свойства металлокерамических композиций зависят от процента содержания составляющих компонентов.
Содержание тугоплавкого металла в композициях для контактов большей частью находится в пределах от 40 до 85% по весу.
Таблица 2. Физические параметры некоторых композиций для контактов реле
Ниаменование | Марка | Состав, % | Плотность γ, г/см3 не менее |
Удельное электрическое сопротивление при 20° С ρ, ом*мм2/м не более | Предел прочности при растяжении σпч, кг/мм2 |
Твердость по Бринеллю |
---|---|---|---|---|---|---|
Серебро-никель | СН40 | 60-40 | 9,3 | 0,032 | 40 | 60 |
Серебро-никель | СН30 | 70-30 | 9,5 | 0,025 |
38 | 55 |
Серебро-окись кадмия | СОК12 | 88-12 | 9,0 | 0,027 | 42 | 45 |
Серебро-окись кадмия | СОК15 | 85-15 | 9,2 | 0,03 | 40 | 50 |
Серебро-окись меди | СОМ10 | 90-10 | 9,2 | 0,025 | - | 50 |
Серебро-кадмий-никель | СК22Н1 | 77-22-1 | 9,5 | 0,060 | 45 | 60 |
Серебро-вольфрам | СВ30 | 70-30 | 12,0 | 0,023 | 65 | 70 |
Серебро-вольфрам | СВ50 | 50-50 | 13,1 | 0,027 | 51 | 100 |
Серебро-вольфрам | СВ70 | 30-70 | 14,5 | 0,035 | 70 | 140 |
Серебро-молибден | СМО60 | 40-60 | 10,0 | 0,027 | 66 | 120 |
Серебро-графит | СГ3 | 97-3 | 8,7 | 0,024 | 22 | 27 |
Серебро-графит | СГ5 | 95-5 | 7,9 | 0,030 | 16 | 22 |
Серебро-никель-графит | СН29Г3 | 68-29-3 | 8,7 | 0,030 | - | 45 |
Медь-вольфрам | МВ50 | 50-50 | 12,0 | 0,04 | 96 | 140 |
Медь-вольфрам | МВ70 | 30-70 | 14,0 | 0,050 | 130 | 180 |
Медь-графит | МГ5 | 95-5 | 6,0 | 0,047 | - | 15 |
Композиция серебро-никель была разработана для контактов реле со сравнительно небольшими контактными давлениями взамен серебра и платины, непригодных при больших нагрузках (более 2-3 ампер) вследствие большой эрозии и сваривания. В особо ответственных случаях для исключения сваривания применяется пара контактов из композиций серебро-никель и графит-серебро, последние, кстати, очень часто применяют в релейно-контактной аппаратуре систем сигнализации, централизации и блокировки на железнодорожном транспорте (реле СЦБ, например, НПР, ДСР, НР, НРВ, ДСШ и другие).
Композиция серебро-никель (СН40, СН30) отличается малой твердостью, большой пластичностью (легко обрабатывается и вытягивается в виде проволоки) и небольшим переходным сопротивлением, однако она менее устойчива против эрозии, чем композиции СМО и СВ.
Композиция серебро-окись кадмия (СОК12, СОК15) имеет высокую электропроводность, малое переходное сопротивление контакта и малую твердость (легко прокатывается и штампуется).
Контакты из СОК12 и СОК15 изготовляются диаметром от 5 до 12 мм для нагрузок от 10 до 100 ампер; при больших нагрузках они в несколько раз более устойчивы, чем контакты из серебра.
Композиции серебро-молибден и серебро-вольфрам более устойчивы против эрозии, но имеют значительно большую твердость и требуют больших контактных давлений, чем композиции СН и СОК. Серебро-молибден (СМО60) имеет более низкое электросопротивление и легче обрабатывается, чем серебро-вольфрам.
Контакты из композиции СМО наиболее пригодны для работы при низких напряжениях и средних токах, а контакты из СВ лучше выдерживают работу при более высоких напряжениях.
Контакты из композиции серебро-окись меди СОМ10 при больших токах более устойчивы против эрозии и коррозии, чем контакты из СОК15.
Однородность свойств и устойчивость против эрозии контактов из композиций зависит от величины зерен порошков, поэтому диаметр зерен не должен превышать 20-30 микрон. Особенно тонкодисперсные смеси получаются при восстановлении предварительно осажденного вольфрамата или молибдената серебра.
Общим недостатком всех композиций является пониженная электропроводность, вследствие чего их следует применять в виде тонких пластин, напаянных на медные или стальные основания.
Заключение
В статье освещены далеко не все материалы и сплавы, применяемые для изготовления контактов электромагнитных реле, описаны лишь наиболее распространенные из них. Возможно, в следующих статьях некоторые из материалов будут рассмотрены более подробно и на конкретных примерах.
Также в одной из следующих статей речь пойдет о материалах, применяемых для изготовления контактных пружин реле.
Дополнительные материалы сайта
1. Таблицы паспортов реле РПН с содержанием драгметаллов
2. Таблица паспортов реле РЭС-47 и типы покрытия контактов
Список литературы
1. Витенберг М.И. Расчет электромагнитных реле. Третье издание. Л.: Энергия, 1966
2. Витенберг М.И. Расчет электромагнитных реле. Четвертое издание. Л.: Энергия, 1975
3. Элементы радиоэлектронной аппаратуры. Выпуск 44. Слаботочные реле. М.: Радио и связь, 1982
4. Шоффа В.Н. Герконы и герконовые аппараты. М.: МЭИ, 1993