МАТЕРИАЛ ДЛЯ РАЗРЫВНЫХ ЭЛЕКТРОКОНТАКТОВ НА ОСНОВЕ МЕДИ Российский патент 1998 года по МПК C22C9/00 H01H1/02 

Изобретение относится к области электротехнических материалов, в частности, к материалам для взрывных контактов коммутационной электроаппаратуры.

Известно множество электроконтактных материалов на основе благородных металлов, особенно серебра [1]. Такие материалы хотя и обеспечивают хорошие эксплуатационные характеристики контактов и надежную работу аппаратов, но приводят к большому безвозвратному расходу дефицитных и дорогих благородных металлов.

В связи с необходимостью сокращения использования серебра и выпуска качественных, но более дешевых материалов, обращают внимание на медь, как заменитель, обладающий высокими значениями важных для электронтактного применения физических свойств: тепло- и электропроводности, теплоемкости, температур и теплот плавления и кипения. Известны попытки применения контактных материалов, содержащих медь в качестве основного компонента [2].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является материал на медной основе [3], содержащий металлический кадмий и порошок мелкодисперсного алмаза (фракция менее 2 мкм) при следующем содержании компонентов, мас.%:
Частицы алмаза - 0,1 - 3,0
Кадмий - 0,5 - 1,5
Медь - Остальное
Материал имеет хорошую эрозионную стойкость, низкое удельное сопротивление (2,0 - 3,8 мкОм•см), достаточно высокую твердость (HB = 60 - 65) и стойкость к приплавлению, стабильное переходное сопротивление.

Однако этот материал имеет хотя и стабильное, но повышенное переходное сопротивление, а также высокий электроперенос при работе на постоянном токе, являющийся причиной образования наростов и кратеров на контактных поверхностях контакт-деталей, что влечет за собойих преждевременный выход из строя. Кроме того, слабая адгезиальная связь алмазных частиц с медной матрицей является основой низкой длительной прочности электроконтактов, что вызывает быстрое из разрушение после некоторого периода работы в тяжелых условиях (например, в режиме АС-4). Все это снижает надежность работы коммутационных аппаратов.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи создания материала для разрывных контактов коммутационной электроаппаратуры повышенной надежности и долговечности. Добиться этого позволит технический результат, получаемый при использовании изобретения, а именно понижение переходного сопротивления в симметричной контактной паре, понижения электропереноса материала при работе на постоянном токе, а также увеличение длительной прочности материала при сохранении или повышении уровня других служебных свойств.

В известной композиционный материал, содержащий медь, кадмий и мелкодисперсные алмазы, дополнительно введены нитрид бора, металлический ванадий, ниобий, молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Частицы алмаза - 0,01 - 2,0
Нитрид бора - 0,05 - 0,5
Кадмий - 0,5 - 4,0
Ванадий - 0,1 - 8,0
Ниобий - 0,2 - 6,0
Молибден - 0,2 - 5,0
Медь - Остальное
причем суммарное содержание тугоплавких металлов (ванадий, ниобий, молибден) не превышает 10%.

От наиболее близкого аналога заявляемый материал отличается тем, что он дополнительно содержит нитрид бора, металлические ванадий, ниобий, молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%: частицы алмаза - 0,01 - 2,0, нитрид бора - 0,05 - 0,5, кадмий - 0,5 - 4,0, ванадий - 0,1 - 8,0, ниобий - 0,2 - 6,0, молибден - 0,2 - 5,0, медь - остальное, причем суммарное содержание тугоплавких металлов (ванадий, ниобий, молибден) не превышает 10%.

Эксперименты показали, что при содержании добавок ниже указанного уровня их влияние на служебные свойства невелико, а более высокие количества приводят к существенному ухудшению характеристик контактов. Добавляемые, относительно прототипа, вещества способствуют понижению переходного сопротивления контактного материала, существенно улучшают его эрозионную стойкость и стойкость против сваривания, упрочняют матрицу на основе кадмиевой меди, а также увеличивают длительную прочность материала. Предлагаемые добавки позволяют, наряду с этим, понизить содержание дорогостоящего алмазного порошка без снижения эксплуатационных свойств материала.

Контакт-детали из данного материала изготовляют методом порошковой металлургии. Исходные порошки указанных компонентов, взятые в необходимой пропорции, смешивают, из полученной шихты прессуют заготовки, которые далее спекают, допрессовывают для получения максимально возможной плотности и, наконец, отжигают с целью устранения послепрессовочных напряжений и оптимизации структуры.

Характеристики готовых контакт-деталей из такого материала:
Плотность, г/см³ - 8,3 - 8,8
Твердость, HB - 65 - 80
Удельное сопротивление, мкОм • см - 2,3 - 3,6
Контакт-детали из материала-прототипа и предлагаемого материала были изготовлены по описанной схеме в одинаковых условиях и подвергнуты сравнительному тестированию на специальных стендах по относительной коммутационной стойкости на переменном токе и переходному падению напряжения на работающих контактах в присутствии слоя наработки. Наиболее характерные результаты приведены в табл. 1 (контакты из материала-прототипа обозначены как Х). Условия испытаний: I = 30 А, U = 380 B, cos ϕ = 0,8, количество циклов вкл/откл - 10000. Падение напряжения - среднее из 30 измерений. Коммутационный износ - средняя величина на пару контактов.

Кроме того, испытана износостойкость и электроперенос при размыкании и замыкании постоянного тока на предлагаемом составе N 4 и прототипе (табл. 2). Условия испытаний: I = 100 A, U = 100 B, количество циклов вкл/откл - 10000, (+) - приращение массы контакта, (-) - убыль массы.

Как видно из таблиц, испытания показали повышенную коммутационную стойкость предлагаемого материала контактов, более низкое переходное падение напряжения на работающих контактах (т.е. переходное сопротивление) и значительно более низкий электроперенос на постоянном токе.

Проведены также сравнительные испытания на коммутационную износостойкость в режиме АС-4. Параметры одинаковы как на стадии включения, так и отключения:
Коммутируемый ток, А - 150
Напряжение, B - 380
Коэффициент мощности - 0,35
Частота циклов В-О, ч^-1 - 1200
Требуемый ресурс, млн.циклов В-О - 0,08
Испытания показали, что наработка контактов из материала-прототипа составила 50 - 63% срабатываний по ТУ. Контакты из предлагаемого материала нарабатывали требуемый ресурс в полном объеме.

Использование электроконтактов из предложенного материала по сравнению с прототипом позволяет повысить надежность и долговечность коммутационных аппаратов.

Источники информации
1. Мастеров В.А, Саксонов Ю.В. Серебро, сплавы и биметаллы на его основе. -М.: Металлургия, 1979, 296 с.

2. Справочник по электротехническим материалам. Т. 3./Под ред.Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынкова, Б.М.Тареева. - Л.: Энергоатомиздат, 1988, 726 с.

3. Иванов В. В., Кирко В.И., Иванов Вл.Вл. Спеченный электроконтактный материал на основе меди. Патент России N 2073736. Опубл. в БИ N 5, 1997.

Материал для разрывных электроконтактов на основе меди содержит мелкодисперсные алмазы, кадмий, нитрид бора, ванадий, ниобий и молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%: частицы алмаза 0,01 - 2,0; нитрид бора 0,05 - 0,5; кадмий 0,5 - 4,0; ванадий 0,1 - 8,0; ниобий 0,2 - 6,0; молибден 0,2 - 5,0; медь - остальное, причем суммарное содержание ванадия, ниобия и молибдена не превышает 10%. Это позволяет понизить переходное сопротивление в симметричной контактной паре, понизить электроперенос материала при работе на постоянном токе и повысить длительную прочность контактного материала. 2 табл.

Материал для разрывных электроконтактов на основе меди, содержащий мелкодисперсные алмазы и кадмий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит нитрид бора, ванадий, ниобий и молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Частицы алмаза - 0,01 - 2,0
Нитрид бора - 0,05 - 0,5
Кадмий - 0,5 - 4,0
Ванадий - 0,1 - 8,0
Ниобий - 0,2 - 6,0
Молибден - 0,2 - 5,0
Медь - Остальное
причем суммарное содержание ванадия, ниобия и молибдена не превышает 10%.