СЛОИСТЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТАКТ Российский патент 2004 года по МПК H01H1/02 

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

Для этого применения подходят материалы с пониженным содержанием драгоценных металлов (уменьшает стоимость изделий), но с высокими показателями эрозионной стойкости (увеличивает срок службы контактов). Этим требованиям соответствуют многослойные материалы, изготовленные методом порошковой металлургии.

Известен двухслойный электрический контакт, рабочий слой которого выполнен из композиции на основе серебра, а технологический слой из меди, легированной никелем (1,5-3,5 мас.%) и кадмием (0,5-1,5 мас.%) [1]. Этот электрический контакт обладает недостаточной прочностью сцепления рабочего и технологического слоя и вследствие этого расслаивается при работе, что уменьшает срок службы.

Известен другой слоистый электрический контакт [2], рабочий слой которого выполнен из композиции серебра с оксидом металла, промежуточный слой - из сплава серебра с оловом, индием или германием, а технологический слой - из материала на основе меди или железа. За счет применения промежуточного слоя контакт имеет меньшую склонность к расслаиванию. Этот контакт является прототипом. Однако он имеет недостаточную эрозионную стойкость, что также уменьшает срок службы.

Причиной недостаточной эрозионной стойкости является образование микротрещин в композиции рабочего слоя, вызванное короблением контакта из-за разных усадок композиций рабочего и технологического слоев во время спекания заготовки контакта при изготовлении (для справки: температура плавления серебра и его композиций с оксидами металла или никелем около 960°С, меди - около 1083°С, композиций медь - никель и железа - более 1083°С; при спекании заготовки контакта слои из композиций, имеющих меньшую температуру плавления, усаживаются сильнее).

Целью изобретения является повышение эрозионной стойкости композиции рабочего слоя контакта за счет уменьшения его коробления при спекании.

Для достижения этого технического результата в слоистом электрическом контакте, имеющем рабочий слой из композиции на основе серебра и технологический слой из материала на основе меди, со стороны, противоположной рабочему слою, на технологический слой напрессован дополнительный слой из композиции серебро - медь, содержащей от 25 до 75 мас.% меди, серебро - остальное. Кроме того, толщина дополнительного слоя составляет более 20 мкм. При этом рабочий слой может представлять собой композицию серебро - оксид металла или серебро - никель, а технологический слой может быть выполненным из меди или композиции медь - никель.

Композиция дополнительного слоя при спекании слоистой заготовки усаживается существенно сильнее композиции рабочего слоя и, даже при толщине меньшей, чем у рабочего слоя, компенсирует растягивающие усилия на поверхности технологического слоя, устраняя коробление заготовок и образование микротрещин в рабочем слое при последующей прокатке. Соответственно на 15-30% повышается эрозионная стойкость композиции рабочего слоя контакта.

На чертеже представлен эскиз слоистого контакта с дополнительным слоем в вертикальном разрезе, где D - диаметр контакта; Н - толщина контакта; а - толщина рабочего слоя; b - толщина технологического слоя; с - толщина дополнительного слоя.

Слоистый электрический контакт изготавливают следующим образом. Сначала подготавливают порошковые смеси составов, соответствующих составам слоев. Затем прессуют слоистую заготовку, на которую напрессовывается дополнительный слой из композиции серебро - медь. После этого заготовку спекают при температурах 700-740°С и прокатывают до нужной толщины. Из прокатанных полос вырубают контакты. Состав дополнительного слоя выбран таким образом, чтобы в нем присутствовала эвтектическая структурная составляющая, имеющая фиксированную температуру плавления - 780°С, а именно содержание меди в композиции изменяется от 25 до 75 мас.%, а серебра соответственно от 75 до 25 мас.%. Конкретный состав композиции дополнительного слоя в заявленном диапазоне концентраций выбирается в зависимости от соотношения толщин рабочего и технологического слоев, их фазового и химического состава и конфигурации контактов. Исходя из тех же предпосылок, выбирается и толщина дополнительного слоя. При толщине дополнительного слоя, меньше 20 мкм компенсирующее усилие сжатия, возникающее при усадке во время спекания, является недостаточным для предотвращения коробления.

Примеры конкретного исполнения.

Пример с минимальным содержанием меди в композиции дополнительного слоя

Рабочий слой: серебро (87,5 мас.%) - оксид кадмия (12,5 мас.%); толщина 0,4 мм.

Технологический слой: медь (90 мас.%) - никель (10 мас.%); толщина 1,6 мм.

Дополнительный слой: серебро (75 мас.%) - медь (25 мас.%); толщина 30 мкм.

Пример с максимальным содержанием меди в композиции дополнительного слоя.

Рабочий слой: серебро (87,5 мас.%) - оксид кадмия (12,5 мас%), толщина 0,3 мм.

Технологический слой: медь (90 мас.%) - никель (10 мас.%), толщина 1,7 мм.

Дополнительный слой: серебро (25 мас.%) - медь (75 мас.%), толщина 30 мкм.

Пример с минимальной толщиной дополнительного слоя.

Рабочий слой: серебро (80 мас.%) - никель (20 мас.%), толщина 0,3 мм.

Технологический слой: медь (100 мас.%), толщина 1,7 мм.

Дополнительный слой: серебро (30 мас.%) - медь (70 мас.%), толщина 20 мкм.

Результаты испытаний эрозионной стойкости композиций рабочего слоя контактов различного строения приведены в таблице “Протокол испытаний слоистого электрического контакта на эрозионную стойкость композиций рабочего слоя”. Испытывались контакты из материалов по выше приведенным примерам (примеры 2, 3 и 7 таблицы), а также контакты, являющимися другими конкретными примерами осуществления изобретения (примеры 1, 6, 8 таблицы).

Кроме того, испытывались контакты, у которых дополнительный слой имел толщину менее заявленных в формуле 20 мкм (пример 9 таблицы), а также контакты, дополнительный слой которых содержал медь в количестве, выходящим за пределы заявленных в формуле изобретения значений (примеры 4 и 5 таблицы).

И, наконец, испытывались контакты из материала прототипа (пример 10 таблицы).

Испытания проведены на базе НПО “Благовест” (г. Истра). Эрозионную стойкость определяли при токах 25 и 100 А в соответствии с ГОСТ 25188. Между контактами, установленными неподвижно с зазором 0,3 мм, пропускали импульсы тока прямоугольной формы длительностью 4 мсек. После каждого импульса производили переполюсовку контактов. Оценку эрозионной стойкости производили по величине удельного уменьшения массы контакта за время испытания (г/импульс). Чем меньше удельное уменьшение массы, тем выше эрозионная стойкость.

Результаты испытаний показали, что наличие дополнительного слоя заявляемого состава и толщины обеспечивает более высокую эрозионную стойкость: (19-22)·10^-8 г/имп при токе 25 А и (205-251)·10^-8 г/имп. при токе 100 А по сравнению с прототипом: 27·10^-8 г/имп. при токе 25 А и соответственно 310·10^-8 г/имп. при токе 100 А.

Причем уменьшение концентрации меди в серебре до величины менее 25 мас.% (пример 4) приводит к не достаточно удовлетворительной эрозионной стойкости: 26·10^-8 г/имп. при токе 25 А и 293·10^-8 г/имп. при токе 100 А. Увеличение концентрации меди в серебре до величины более 75 мас.% (пример 5) также приводит к неудовлетворительной эрозионной стойкости: 25·10^-8 г/имп. при токе 25 А и 305·10^-8 г/имп. при токе 100 А.

Кроме того, эрозионная стойкость зависит от толщины дополнительного слоя. При толщине дополнительного слоя меньшей 20 мкм (пример 9) она довольно низка и составляет 26·10^-8 г/имп. при токе 25 А и соответственно 285·10^-8 г/имп. при токе 100 А из-за того, что компенсирующих усилий сжатия, возникающих при усадке во время спекания, недостаточно для предотвращения коробления.

Таким образом, заявляемый слоистый электрический контакт, имеющий рабочий слой на основе серебра, технологический - на основе меди и дополнительный слой из композиции серебро - медь, обеспечивает высокую эрозионную стойкость благодаря устранению коробления заготовок и образования микротрещин в рабочем слое при прокатке. Это происходит за счет компенсации растягивающего усилия на поверхности технологического слоя во время спекания заготовки контакта компенсирующим усилием сжатия дополнительного слоя.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР № 760215.

2. Патент ФРГ № 3123357, 1986 г.

ПРОТОКОЛ испытаний слоистого электрического контакта на эрозионную стойкость композиций рабочего слоя

Время и место проведения испытаний: май-июль 2002 г. НПО “Благовест”, г. Истра.

Объект испытаний: 11 видов материала контакта по 3 образца каждого (см. табл., столбцы 1-5).

Условия испытаний:

Эрозионную стойкость рабочего слоя определяют при токах 25 и 100 А в соответствии с ГОСТ 25188. Между контактами, установленными неподвижно с зазором 0,3 мм, пропускают импульсы тока прямоугольной формы длительностью 4 мсек. После каждого импульса производят переполюсовку контактов. Оценку эрозионной стойкости производят по величине удельного уменьшения массы контакта за время испытания (г/импульс). Чем меньше удельное уменьшение массы, тем выше эрозионная стойкость.

Результаты испытаний. Результаты испытаний приведены в таблице (столбцы 6 и 7) и выражаются в величине удельного уменьшения массы контакта за врнмя испытания (г/импульс).

Слоистый электрический контакт относится к технике создания электрических контактов для низковольтной коммутационной аппаратуры, а именно контакторов, магнитных пускателей и переключателей. При формировании заготовки на технологический слой со стороны, противоположной рабочему слою, напрессовывается дополнительный слой из композиции серебро - медь, содержащей от 25 до 75 мас.% меди, серебро - остальное. Толщина дополнительного слоя 20 мкм и более. При спекании слоистой заготовки композиция этого слоя усаживается существенно сильнее композиции рабочего слоя и компенсирует растягивающие усилия на поверхности технологического слоя, чем устраняет коробление заготовок и образование микротрещин в рабочем слое при последующей прокатке. 3 з.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Слоистый электрический контакт, имеющий рабочий слой из композиции на основе серебра и технологический слой из материала на основе меди, отличающийся тем, что на технологический слой со стороны, противоположной рабочему слою, напрессован дополнительный слой из композиции серебро - медь, содержащей от 25 до 75 мас.% меди, серебро - остальное.2. Слоистый электрический контакт по п.1, отличающийся тем, что толщина дополнительного слоя 20 мкм и более.3. Слоистый электрический контакт по п.1, отличающийся тем, что рабочий слой представляет собой композицию серебро - оксид металла или серебро - никель.4. Слоистый электрический контакт по п.1, отличающийся тем, что технологический слой представляет собой медь или композицию медь - никель.