Контакты реле. Материалы контактов электромагнитных реле
Предисловие
Любое электромагнитное реле, как правило, состоит из трех основных частей (органов):
- воспринимающая часть (система) – это та часть реле, которая воспринимает управляющее воздействие (сигнал) и преобразует его в воздействие на промежуточный орган. В простейшем электромеханическом реле воспринимающей системой является катушка с обмоткой, надетая на ферромагнитный магнитопровод;
- промежуточный орган (передающая часть) – эта часть реле, которая при достижении управляющим воздействием заданной величины передает это воздействие исполнительному органу. В электромагнитных реле промежуточным органом, как правило, является якорь и связанные с ним толкатели;
- исполнительный орган – часть реле, осуществляющая, как правило, скачкообразное изменение управляемой величины. Исполнительным органом являются контакты реле.
В данной статье речь идет именно об исполнительном органе электромагнитных реле, а именно об электрических контактах. Если быть более конкретным, то в статье в краткой форме рассмотрены материалы, из которых изготавливаются контакты реле, которые непосредственно соприкасаются друг с другом. В статье не описаны материалы, из которых изготовляются контактные пружины, это отдельная большая тема, и о них я напишу в другой статье.
О параметрах (сопротивление, коммутируемые токи и т.д.), износе контактов, форме, конструкции и размерах контактов электромагнитных реле, а также о других частях электрических реле мы также поговорим в других статьях.
Введение
Электрические контакты, применяемые в электрических аппаратах, к которым относится реле, различаются между собой по принципу действия и конструкции и в соответствии с этим могут быть разделены на три основные группы:
- неподвижные;
- разрывные контакты;
- скользящие контакты.
Наибольшую группу представляют собой разрывные контакты, применяемые в электрических реле, контакторах, переключателях, включателях и других электрических аппаратах. В замкнутом, неподвижном состоянии разрывные и скользящие контакты, очевидно, должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к неподвижным контактам.
Характер износа разрывных контактов существенно зависит от величины коммутируемых мощностей, тока и напряжения.
По величине коммутируемой мощности разрывные контакты разделяются на маломощные (слаботочные), средненагруженные и высоконагруженные (сильноточные).
К электрическим разрывным контактам предъявляются следующие основные требования: очень малое и постоянное по величине переходное сопротивление, малая эрозия и коррозия, большая износоустойчивость, малая склонность к иглообразованию и привариванию, высокая электро- и теплопроводность, высокая температура плавления, отсутствие искажений при работе (отсутствие дребезжания контактов), большая надежность и большой срок службы.
Таблица 1. Характеристики материалов, применяемых для изготовления контактов реле
Наименование материала |
Марка |
Плотность γ, г/см3 | Температура плавления θ,° С |
Удельное электрическое сопротивление при 20° С ρ, ом*мм2/м |
Удельная теплопроводность λ, вт/см*град |
Предел прочности при растяжении |
Твердость по Бринеллю нВ, кг/мм2 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Серебро | Ср999 | 10,5 | 961 | 0,0159 | 4,16 | 17-37 | 22-35 |
Серебро-медь | СрМ900 | 10,35 | 778 | 0,020 | 3,45 | 27-58 | 62 |
Платина | Пл99,8 | 21,45 | 1773 | 0,106 | 0,70 | 20-36 | 40-90 |
Платина-иридий | ПлИ-10 | 21,54 | 1780 | 0,245 | 0,40 | 39-69 | 110-180 |
Платина-иридий | ПлИ-20 | 21,63 | 1815 | 0,3 | 0,17 | 60-100 | 170-250 |
Платина-иридий | ПлИ-25 | 21,7 | 1840 | 0,33 | 0,3 | - | 220 |
Платина-родий | ПлР-10 | 20,0 | 1825 | 0,19 | - | 33 | 80 |
Платина-осмий | ПлО-7 | 21,7 | 1820 | 0,40 | - | - | 250 |
Палладий | Пд99,8 | 12,6 | 1554 | 0,107 | 0,71 | 20-37 | 40-100 |
Палладий-иридий | ПдИ-10 | 12,74 | 1580 | 0,27 | - | 35-60 | 100-175 |
Палладий-серебро | ПдСр-40 | 11,46 | 1335 | 0,40 | 0,27 | 39-72 | 120-175 |
Палладий-медь | ПдМ-40 | 10,4 | 1200 | 0,35 | - | 63 | 130-220 |
Золото | Зл999 | 19,3 | 1063 | 0,022 | 3,1 | 14-26 | 20-70 |
Золото-никель | ЗлН-5 | 18,3 | 1000 | 0,123 | - | 30-70 | 100-170 |
Золото-платина | ЗлПл-7 | 19,49 | 1080 | 0,102 | - | 20-60 | 40-120 |
Вольфрам | Вч | 19,3 | 3400 | 0,056 | 1,7 | 130-280 | 250-400 |
Рений | - | 21,0 | 3170 | 0,205 | 0,71 | 115-240 | 250-600 |
Молибден | Мч | 10,2 | 2620 | 0,052 | 1,46 | 70-200 | 140-300 |
Иридий | И99,7 | 22,4 | 2454 | 0,055 | 0,59 | 23 | 170-275 |
Рутений | Ру99,7 | 12,2 | 2450 | 0,082 | - | - | 220-360 |
Осмий | - | 22,6 | 2700 | 0,095 | - | - | 250-440 |
Родий | Рд99,7 | 12,41 | 1966 | 0,049 | 0,88 | 40-100 | 115-390 |
Никель | Н1 | 8,9 | 1452 | 0,08 | 0,83 | 40-50 | 68-78 |
Для контактов реле, работающих при небольших токах, меньше тока возникновения дуги (слаботочные контакты), применяются драгоценные металлы: серебро, платина, палладий, золото и сплавы на их основе.
Для контактов электрических реле, работающих при токах, превышающих ток возникновения дуги, наиболее подходящими являются твердые и тугоплавкие металлы и их сплавы типа твердых растворов: вольфрам, рений, молибден, платина-иридий, палладий-серебро и тому подобные материалы.
При больших токах металлы и их сплавы оказываются недостаточно износоустойчивыми, они быстро окисляются, оплавляются, имеют большой износ вследствие испарения и разбрызгивания и обладают способностью свариваться. В таких случаях обычно используются двухфазные системы, так называемые композиции.
Характеристики некоторых контактных материалов даны в таблице 1.
Далее рассмотрим конкретные материалы, используемые для изготовления контактов реле, их особенности, достоинства и недостатки.
Контакты реле из серебра и сплавов на его основе.
Благодаря низкому контактному сопротивлению, высокой электропроводности и теплопроводности, хорошим технологическим свойствам и невысокой стоимости серебряные контакты получили наибольшее распространение почти во всех типах электрических реле.
Драгоценный металл серебро для контактов реле в основном применяется нескольких марок:
- технически чистое серебро 99,9% (Ср99,99 или Ср999);
- серебряно-медный сплав 92,2-92,8% серебра – 6,98-7,69% меди (СрМ92.5);
- серебряно-медный сплав 89,7-90,3% серебра – 9,48-10,19% меди (СрМ90 или СрМ900);
- серебряно-палладиево-магниевый сплав 77,65-81,9% серебра – 18-22% палладия – 0,1-0,35% магния (СрПдМг20-0,3);
Контакты из сплава СрМ900 встречаются, например, у таких реле как РЭН-18, РЭН-19, РЭН-20, РКС-3, МКУ-48, РА-1, РА-2, РАД-4П и других.
Сплав СрПдМг20-0,3 пришел на смену более дорогому сплаву ПлИ-10 и стал применяться в реле РЭС-8, РЭС-9, РЭС-10, РПС-34, РПС-36, РКМП, РЭА-11, РПС-58, РЭС-90 и других.
Под действием электрических разрядов серебро окисляется (темнеет), но окислы серебра электропроводны и легко диссоциируют (растворяются) при невысокой температуре приблизительно 150-200° С.
Поэтому окисление почти не сказывается на величине (устойчивости) сопротивления серебряных контактов реле за исключением случаев с очень малым контактным давлением.
В присутствии кислорода и влаги серебро взаимодействует с сероводородом, следы которого всегда имеются в воздухе, образуя черно-серую пленку сернистого серебра, обладающего очень большим сопротивлением. Эта пленка может достигать достаточно большой толщины, чтобы нарушить проводимость контакта реле. Поэтому серебряные контакты не рекомендуется применять при малых контактных давлениях (менее 5 Г) и напряжении коммутации меньше 7-10 В.
Содержащие серу материалы (например, вулканизированная резина, эбонит и т. п.) не следует помещать вблизи серебряных контактов. Сухой сернистый газ не действует на серебро.
Недостатком серебра является его свариваемость при коммутации больших токов (> 20 А).
Примесь меди увеличивает твердость и понижает эрозию серебра, но при образовании дуги сплавы серебра с медью сильно окисляются, и контактное сопротивление при малых давлениях становится неустойчивым.
Контакты реле, изготовленные из сплава серебра с кадмием, предназначены для средних нагрузок. Применение сплавов серебра с кадмием для контактов малой мощности несколько уменьшает иглообразование, но не дает никаких преимуществ в отношении эрозии и сваривания.
Пружинно-контактные сплавы на основе серебра:
- серебряно-магниево-никелевый сплав 99% серебра – 0,15-0,32% магния – 0,1-0,25% никеля (СрМгН-99 - тройной сплав);
- золото-серебряно-магниево-никелевый сплав 1,5-2,0% золота – 98% серебра – 0,15-0,32% магния – 0,10-0,25% никеля (ЗлСрМгН-2-97 - четверной сплав);
- серебряно-магниево-никелево-циркониевый сплав 99% серебра – 0,15-0,32% магния – 0,1-0,25% никеля – 0,03 - 0,3 цирконий (СрМгНЦр-99 - четверной сплав).
Такие пружинно-контактные сплавы обладают хорошими пружинными и контактными свойствами. Эти сплавы применялись для изготовления контактов миниатюрных и сверхминиатюрных электромагнитных реле, например, таких как РЭК-21, РЭК-23, РЭС-47, РЭС-49, РЭС-53, РЭС-54, РЭС-59, РЭС-60, РЭС-79, РЭС-80, РЭН-34, РПС-42, РПС-43, РПС-45, РПС-46, РПА-14 и других реле.
Фотография 1. Контактная система реле РЭС-47, выполненная с применением пружинно-контактного сплава СрМгН-99
Пружинно-контактные сплавы используются для коммутации широкого диапазона токов и напряжений, обладают повышенной износостойкостью и обеспечивают более стабильное сопротивление цепи и контактов.
Применение пружинно-контактных сплавов позволяет отойти от традиционной конструкции контактов реле, состоящих, как правило, из контактной пружины с вклепанными или приваренными контактами.
Вместо этого изготавливается одна деталь, совмещающая в себе функции контакта и пружины. При этом уменьшаются габариты контактных систем и повышается их устойчивость к внешним механическим воздействиям.
Контактные пружины, изготовленные из этих сплавов, приобретают максимальные упругие свойства после термообработки на воздухе при температуре 700-730° С (внутреннего окисления). При температуре окисления ниже 650° С сплавы склонны к хрупкому разрушению. Повышение пластичности сплава (отпуск) достигается нагревом при 800° С в течение 10 минут.
При длительном нахождении на воздухе пружины из этих сплавов становятся хрупкими, поэтому их следует применять в герметичных реле, заполненных инертным газом.
Твердость внутриокисленных сплавов сохраняется при температурах до 400° С, в то время, когда твердость негартованных материалов резко падает уже при температуре 200° С. Релаксационная стойкость внутриокисленных сплавов при 200° С в течение 100 часов выше, чем у бериллиевой бронзы, применяемой для изготовления контактных пружин обычных электромагнитных реле.
Сплавы, содержащие золото (ЗлСрМгН-2-97) и цирконий (СрМгНЦр-99), имеют меньшую релаксацию напряжений, больший предел прочности и меньшую склонность к хрупкому разрушению, но сплав, содержащий цирконий, непригоден для коммутации малых напряжений и токов и отличается повышенным распылением при нагрузке 0,3 ампера 250 вольт.
Сплавы на основе серебра, магния и никеля (СрМгН-99) не имеют склонности к иглообразованию, поверхность контактов реле из этих сплавов изнашивается равномерно, и поэтому они позволяют коммутировать сравнительно большие токи (1,2 А и 30 В) при очень малых расстояниях между контактами (0,05-0,15 мм).
Удельное сопротивление этих сплавов в два раза меньше, чем у бериллиевой бронзы, поэтому пружины из сплава СрМгН-99 допускают в 1,4 раза больший предельный ток.