Слоистый электрический контакт

 

Изобретение относится к электротехнике, к созданию электрических контактов для коммутационной низковольтной аппаратуры, а именно реле, магнитных пускателей и переключателей. Техническим результатом изобретения является повышение точности соединения рабочего слоя из композиции серебро - оксид олова и технологического слоя из меди или ее сплавов. Слоистый электрический контакт состоит из трех слоев, а именно: рабочего - из композиции серебра и оксида олова, технологического - из меди или ее сплавов и промежуточного, который имеет следующий состав композиции: медь - (5-75) мас.%; никель - (0,5-20) мас.%; серебро - остальное. Кроме того, промежуточный слой имеет толщину не менее 10 мкм. Наличие в многослойном контакте промежуточного слоя заявляемого состава и толщина обеспечивают высокую прочность соединения рабочего и технологического слоев и, как следствие, определяют устойчивость к расслоению контактов при эксплуатации, которое обычно происходит при соударении контактов при коммутации. 1 табл.

Слоистый электрический контакт относится к технике создания электрических контактов для коммутационной низковольтной аппаратуры, а именно реле, магнитных пускателей и переключателей.

Для этого применения используются контакты с рабочим слоем из композиций серебро - оксид металла. Композиция серебро - оксид олова обладает удовлетворительными контактными свойствами и является более экологически чистой, поскольку серебро относится к веществам II класса опасности, а олово и его неорганические соединения (SnO₂) в перечне вредных веществ по ГОСТ 12.1.005 не значатся.

Известен двухслойный электрический контакт с рабочим слоем из композиции серебро - оксид олова и технологическим слоем из серебра [1, 2]. Контакт применяется в низковольтных коммутационных аппаратах, однако из-за серебряного технологического слоя имеет повышенное содержание драгоценного металла и соответственно высокую цену.

Известны технические решения, в которых предпринимаются попытки избавиться от этого недостатка путем замены серебряного технологического слоя на никелевый [3]. Однако двухслойные электрические контакты с рабочим слоем из композиций серебро - оксид металла и технологическим слоем из недрагоценных металлов имеют низкую прочность соединения рабочего и технологического слоев [4]. В силу этой причины контакты могут расслаиваться от соударений друг с другом во время коммутации при эксплуатации и поэтому крайне редко применяются в коммутационных аппаратах.

С целью повышения прочности соединения рабочего и технологических слоев могут применяться промежуточные слои из различных материалов, состав и строение которых должны являться предметом поиска.

Наиболее близким известным решением (прототипом) является слоистый электрический контакт с рабочим слоем из композиции серебро - оксид металла (и, в частности, серебро - оксид олова), технологическим слоем из меди, ее сплавов или железа и промежуточным слоем, выполненным из сплава серебра с (2...12) мас.% олова, индия или германия [5]. Наличие промежуточного слоя такого состава несколько повышает прочность соединения рабочего и технологического слоев, однако достигаемые значения прочности недостаточны, и слоистый контакт такого строения не нашел применения в коммутационной аппаратуре.

Целью изобретения является повышение прочности соединения рабочего слоя из композиции серебро - оксид олова и технологического слоя из меди или ее сплавов.

Получение этого технического эффекта можно достигнуть с помощью технического решения, сущность которого заключается в следующем.

Слоистый электрический контакт, состоящий из трех слоев, а именно: рабочего - из композиции серебра и оксида металла, технологического - из меди или ее сплавов и промежуточного, имеет следующий состав композиции промежуточного слоя: серебро, медь и никель. Причем количественные соотношения компонентов композиции промежуточного слоя следующие: медь - (5-75) мас.%; никель - (0,5-20) мас.%; серебро - остальное. Кроме того, толщина промежуточного слоя должна составлять не менее 10 мкм.

Наличие в многослойном контакте промежуточного слоя заявляемого состава и толщины обеспечивают высокую прочность соединения рабочего и технологического слоев и, как следствие, определяют устойчивость к расслоению контактов при эксплуатации, которое обычно происходит при соударении контактов при коммутации. Кроме того, заявляемый состав материала контактов предполагает возможность применения незначительного количества драгоценного металла-серебра в общей массе, что определяет приемлемую цену изделия.

Испытания образцов контактов с различным составом материала в диапазоне заявляемых значений подтвердили высокую прочность изделий при эксплуатации: при силе контактного нажатия 15 Н образцы выдерживают более 100000 циклов включение - выключение.

Заявляемые контакты можно изготовить следующим образом.

Сначала готовят порошковые смеси для слоев будущего слоистого контакта: смесь для рабочего слоя (серебро - оксид олова) - методом соосаждения; смеси для промежуточного и технологических слоев - методом механического смешивания.

Из полученных порошковых смесей с удельным давлением (2...5) т/см² прессуют слоистую заготовку серебро - оксид олова / серебро - медь - никель/ медь - никель (или чистая медь). Затем слоистую заготовку спекают при температуре (600-740)°С в течение 1,5-2 часов и прокатывают до толщины 2 мм. Затем из полученной полосы вырубают цилиндрические контакты диаметром 6 мм.

Пример конкретного состава.

Рабочий слой: Ag-12% SnO, толщина 0,5 мкм;

Технологический слой: Сu-10% Ni, толщина 1,5 мкм;

Промежуточный слой: Ag-50%, Сu-5% Ni, толщина 20 мкм.

Для оценки технического эффекта заявляемого изобретения были изготовлены 12 видов контактов по 60 пар каждого вида. Каждый вид контактов имел различные количественные соотношения компонентов композиций слоев, в том числе первые пять видов по указанным в заявляемом изобретении пределам этих количественных соотношений для промежуточного слоя, еще пять видов, где количественный состав компонентов промежуточного слоя выходит за заявляемые пределы, и, наконец, два вида контактов, соответствующие по составу прототипу.

Прочность соединения рабочего и технологического слоев контактов определяли по специальной методике. Контакты испытывали на стенде, имитирующем работу низковольтного коммутационного аппарата в режиме коммутационной износостойкости при переменном токе 30 А, напряжении 380 В и cos ϕ 0,7. Контактное нажатие 15 Н. Через 5 тысяч циклов включение - отключение 3 контактные пары снимали с испытаний и подвергали металлографическому анализу на шлифах в поперечном сечении. Еще через 5 тысяч циклов снимали следующие 3 контактные пары для металлографического анализа и т.д. до 100000 циклов включительно. Прочность соединения слоев оценивали по минимальному числу циклов, после которых выявлялись микротрещины по границе раздела слоев, свидетельствующие о начале расслоения контактов. Чем меньше значение этого числа, тем ниже прочность соединения слоев.

Результаты испытаний приведены в таблице.

Как видно из таблицы, прочность соединения слоев у слоистого электрического контакта, промежуточный слой которого выполнен из композиции серебро - (5-75) мас.% меди - (0,5-20) мас.% никеля и имеет толщину 10 мкм и более, существенно выше по сравнению с прототипом и обеспечивает более 100 000 циклов включение - отключение до появления первых признаков появления микротрещин.

При содержании в промежуточном слое меди более 75 мас.% (пример 7) и никеля менее 0,5 мас.% (пример 8) микротрещины образуются во время испытаний преимущественно между рабочим и промежуточным слоем.

При содержании в промежуточном слое меди менее 5 мас.% (пример 6) и никеля более 20 мас.% (пример 9) микротрещины образуются во время испытаний преимущественно между промежуточным и технологическим слоем. При толщине промежуточного слоя менее 10 мкм (пример 10) трещины между рабочим и технологическим слоем также возникают до окончания испытаний.

Таким образом, результаты испытаний подтвердили получение технического эффекта - повышение прочности соединения рабочего слоя из композиции серебро - оксид олова и технологического слоя из меди или ее сплавов - за счет выполнения промежуточного слоя из композиции серебра, меди и никеля толщиной не менее 10 мкм и количественным соотношением компонентов композиции: медь - (5-75) мас.%; никель - (0,5-20) мас.%; серебро - остальное.

Литература

1. Kontaktwerkstoffe auf Silber - Basis. Информационный материал фирмы Doduco. Printed in Germany 10/95.2 Pforzheim.

2. Обзорная информация. Порошковые контактные материалы низковольтной аппаратуры. М., Информэлектро, 1986, стр. 64.

3. Альтман А.Б., Баскаков В.И., Беляков В.А. и др.

Серебросодержащие металлокерамические контакты с никелевым подслоем// Электротехника, 1981, №11, стр. 31-35.

4. Овчинникова М.Н. Порошковые биметаллические контактные материалы серебро - оксид кадмия, получаемые методом прокатки, для низковольтной аппаратуры. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. 1997.

5. Патент ФРГ №3123354, 1986.

Формула изобретения

Слоистый электрический контакт, состоящий из трех слоев: рабочего слоя из композиции серебра и оксида металла, технологического слоя из меди или ее сплавов и промежуточного слоя, в состав композиции которого входит серебро, отличающийся тем, что композиция промежуточного слоя включает в себя серебро, медь и никель в следующем соотношении: медь 5-75 мас.%, никель 0,5-20 мас.%, серебро - остальное, а толщина промежуточного слоя составляет не менее 10 мкм.