СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА КОНТАКТОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО РЕЛЕ НА ОСНОВЕ ГРАФИТА, КОНТАКТ, ВЫПОЛНЕННЫЙ ТАКИМ СПОСОБОМ, И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ РЕЛЕ Российский патент 2024 года по МПК H01H1/02 H01H50/02 

Группа изобретений относится к электротехнике, преимущественно к материалам, служащим для изготовления электрических контактов низковольтной аппаратуры, а именно к электрическим контактам электромеханических реле. Может быть использовано в электромеханических реле, для устройств сигнализации, централизации и блокировки (устройства СЦБ) на железнодорожном транспорте, для которых необходимы высокая надежность и ресурс.

Известен способ производства контактов для электромеханических реле на основе графита, описанный в патентах RU № 2380781, RU № 2397569, RU № 2400852, RU № 2420823, RU № 2451355, RU № 136231, RU № 145565, RU № 175934, RU № 198536, RU № 201165, RU № 201151, включающий изготовление способом механической обработки заготовок из графита с открытой пористостью, обеспечивающей насыщение поверхностных слоев заготовок серебром в большей степени, чем внутренних слоев; насыщение раствором, содержащим соли серебра, способом обеспечивающим, достижение указанных параметров насыщения; термическую обработку заготовок для разложения соли серебра.

Недостатками данного способа производства и электромеханических реле с применением контактов, изготовленных таким способом является то, что при работе контактов, на его поверхности образуется лунка. При глубине лунки более 0,5 мм, в материале контакта снижается концентрация серебра, вследствие этого возрастает контактное сопротивление.

Эксплуатация таких контактов показала, что большое количество легкоплавкого серебра в слое до 0,3 мм может привести к свариванию графитового контакта с общим контактом, а меньше 40% сильно ухудшает коммутационные свойства. Вместе с тем, при малом насыщении условно второго поверхностного слоя от 0,3 до 0,5 резко (менее 30%) снижается количество циклов до выхода контакта из строя и резкого ухудшения коммутационных свойств, а более 35% будет означать большую пустотность подповерхностных слоев, а значит низкую прочность контакта.

Указанные недостатки приводят к снижению срока эксплуатации электромеханического реле, т.к. из-за разрушения одного контакта или ухудшения его электротехнических характеристик в силу изменения геометрических параметров, что в случае наличия описанных дефектов не поддаётся контролю, всё реле приходит в негодность.

Задачами, на решение которых направлена заявленная группа изобретений, является улучшение способа производства контактов, позволяющее увеличить время эксплуатации контактов и электромеханических реле, увеличить интервалы инспекционного контроля и повысить надежность электромеханических реле, а также улучшить и достичь стабильных параметров контактов и всего реле в целом.

Технические результаты, которые достигаются заявленным решением, заключаются в повышении стабильности работы электромеханических реле и повышении электротехнических характеристик электромеханического реле, снижении количества отказов.

Технические результаты достигаются способом производства контактов для электрических реле на основе графита, включающий механическую обработку графита с получением заготовок из графита с открытой пористостью, представляющих собой тело вращения, ограниченное боковой поверхностью и двумя параллельными поверхностями оснований, насыщение заготовок раствором соли серебра на глубину от 0 до 0,3 мм - 40-60%, на глубине свыше 0,3 до 0,5 мм - 30-35%, свыше 0,5 мм - остальное, с последующей термической обработкой заготовок для разложения соли серебра.

После термической обработки осуществляют удаление образовавшегося на поверхности заготовок остатков серебра путем химического травления.

Удаление остатков травителя осуществляют путем промывки в дистиллированной воде, обеспечивая перемешивание заготовок.

После термической обработки дополнительно осуществляют удаление образовавшегося на поверхности заготовок остатков серебра галтованием.

После механической обработки и перед насыщением раствором, содержащим соли серебра, дополнительно осуществляют ультразвуковую обработку заготовок.

Технические результаты достигаются также контактом на основе графита для электромеханических реле, произведенный способом производства контактов для электрических реле на основе графита, включающий механическую обработку графита с получением заготовок из графита с открытой пористостью, представляющих собой тело вращения, ограниченное боковой поверхностью и двумя параллельными поверхностями оснований, насыщение заготовок раствором соли серебра на глубину от 0 до 0,3 мм - 40-60%, на глубине свыше 0,3 до 0,5 мм - 30-35%, свыше 0,5 мм - остальное, с последующей термической обработкой заготовок для разложения соли серебра.

После термической обработки осуществляют удаление образовавшегося на поверхности заготовок остатков серебра путем химического травления.

Удаление остатков травителя осуществляют путем промывки в дистиллированной воде, обеспечивая перемешивание заготовок.

После термической обработки дополнительно осуществляют удаление образовавшегося на поверхности заготовок остатков серебра галтованием.

После механической обработки и перед насыщением раствором, содержащим соли серебра, дополнительно осуществляют ультразвуковую обработку заготовок.

Технические результаты достигаются также электромеханическим реле, включающем электромагнитную систему и контактную систему, включающую контактную группу, в которой контакты на основе графита выполнены производства контактов для электрических реле на основе графита, включающий механическую обработку графита с получением заготовок из графита с открытой пористостью, представляющих собой тело вращения, ограниченное боковой поверхностью и двумя параллельными поверхностями оснований, насыщение заготовок раствором соли серебра на глубину от 0 до 0,3 мм - 40-60%, на глубине свыше 0,3 до 0,5 мм - 30-35%, свыше 0,5 мм - остальное, с последующей термической обработкой заготовок для разложения соли серебра.

После термической обработки осуществляют удаление образовавшегося на поверхности заготовок остатков серебра путем химического травления.

Удаление остатков травителя осуществляют путем промывки в дистиллированной воде, обеспечивая перемешивание заготовок.

После термической обработки дополнительно осуществляют удаление образовавшегося на поверхности заготовок остатков серебра галтованием.

После механической обработки и перед насыщением раствором, содержащим соли серебра, дополнительно осуществляют ультразвуковую обработку заготовок.

Осуществляют заявленную группу изобретений следующим образом.

Изготавливают заготовки для контакта из графита для электромеханических реле. Способом механической обработки изготавливают заготовку, представляющую собой тело вращения, ограниченное боковой поверхностью и двумя параллельными поверхностями оснований, которая выполнена из графита с открытой пористостью, обеспечивающей возможность насыщения пор поверхностных слоев серебром на глубине от 0 до 0,3 мм - 40-60% и на глубине свыше 0,3 до 0,5 мм по меньшей мере 30-35% свыше 0,5 - остальное.

Осуществляют такой способ, например, следующим образом. Готовят плоскую заготовку из спеченного мелкозернистого графита, толщиной, равной высоте контакта. Устанавливают заготовку в приспособление и с одной стороны вырезают часть контакта. Затем заготовку переустанавливают и вырезают оставшуюся часть контакта с другой стороны.

Затем осуществляют насыщение заготовок водным раствором нитрата серебра, таким образом, что значения серебра в контакте должны достигнуть соотношения: на глубине от 0 до 0,3 мм - 40-60%, на глубине свыше 0,3 до 0,5 мм по меньшей мере 30-35% свыше 0,5 - остальное, без образования сплошного слоя серебра на поверхности контакта.

Авторами экспериментально установлено, что при насыщении серебром графита с открытой пористостью в соотношении от 0 до 0,3 мм - 40-60%, на глубине свыше 0,3 до 0,5 мм - 30-35%, свыше 0,5 - остальное, не наблюдается отказов (превышение переходного сопротивления 0,5 Ом по переходному сопротивлению). Это обусловлено тем, что при работе контакта на его поверхности образуется лунка. При глубине лунки более 0,5 мм, в материале контакта снижается концентрация серебра. Вследствие этого возрастает контактное сопротивление. Указанное насыщение пор серебром на указанную глубину в таких соотношениях позволяет значительно снизить контактное сопротивление в начальный период работы реле, в период приработки контактов. При этом, в указанном интервале значений достигаются высокие коммутационные свойства.

Испытания проводились на заготовках из искусственного мелкозернистого графита с открытой пористостью и удельным электрическим сопротивлением не более 8 мкОм⋅м, пределом прочности на сжатие не менее 70 МПа. Диаметр цилиндра заготовки 7,2 мм, высота 5,2 мм. Результаты испытаний приведены в таблице.

Название свойства Технические свойства графита и экспериментальные данные изготовленных из такого графита контактов Прочность графита на сжатие в МПа 95…105 85…94 70…84 Содержание серебра в поверхностных слоях (в % от общего количества в материале):
0…0,3 мм
0,3…0,5 мм
далее 90…100
0…10
0 40…60
30…35
остальное не более 40
остальное Коммутационный ресурс (при нагрузке 24В, 2 А до выработки до обрыва цепи), тыс. циклов 2000 1800 400 % отказов (превышение переходного сопротивления 0,5 Ом) 6 0 2

Объем серебра с разграничением на условно несколько поверхностных слоев тоже важен, т.к. влияет на коммутационные свойства и прочностные характеристики. Максимальное насыщение должно быть в слое до 0,3 мм, но при этом насыщение этого слоя не должно превышать 60%, т.к. авторами экспериментально установлено, что большее количество легкоплавкого серебра в слое до 0,3 мм может привести к свариванию графитового контакта с общим контактом, а меньше 40% сильно ухудшает коммутационные свойства. Вместе с тем, при малом насыщении условно второго поверхностно от 0,3 до 0,5 резко (менее 30%) снижает количество циклов выхода контакта из строя и резкого ухудшения коммутационных свойств, а более 35% будет означать большую пустотность подповерхностных слоев (поверхностный слой мог уплотниться в процессе производства, транспортировки и тд или могли быть частично засорены открытые поверхностные поры), а значит низкую прочность контакта.

Искусственный графит из одной партии имеет приблизительно одинаковые характеристики пористости. Таким образом, характеристику пор в графите (соединенные или закрытые) с достаточно высокой точностью можно установить по насыщению материла. Например, делается выборка и проводят предварительное насыщение этой выборки. Затем спектральным анализом устанавливают на соответствие заданным параметрам на глубине от 0 до 0,3 мм - 40-60%, на глубине свыше 0,3 до 0,5 мм - 30-35%, свыше 0,5 - остальное. В случае, если анализ показал на соответствие заданным характеристикам насыщения, то осуществляют насыщение партии. Это сводит к минимуму (практически исключает) количество некондиционных изделий в партии.

Осуществляют насыщение, например, следующим образом. Заготовки пропитывают жидкостью, имеющей температуру кипения ниже температуры кипения воды. Пропитанные заготовки помещают в водный раствор нитрата серебра плотностью 1,4-1,17 г/см³, нагревают и выдерживают при температуре, на 10-40°С превышающей температуру кипения пропиточной жидкости, в течение 10-15 мин, охлаждают в водном растворе нитрата серебра до температуры ниже температуры конденсации паров пропиточной жидкости. Затем заготовки вынимают из раствора и помещают в контейнер, засыпают древесным углем, нагревают и выдерживают при температуре ниже 0,95 температуры плавления серебра в течение 0,5-1,0 ч.

В процессе насыщения заготовок раствором, содержащим соли серебра, способом обеспечивающим, достижение указанных параметров насыщения, незакрепленные частички материала частично и ненадежно приклеиваются к телу заготовки. Причем последующая термическая обработка заготовок для разложения соли серебра закрепляет такие частички, но не дает какого-либо надежного спекания. Это делает невозможным визуальный или объективный спектральный контроль на наличие таких дефектов и качественный отбор некондиционных заготовок.

При механической обработке в поры заготовки попадают частички материала. Это приводит не только к снижению заданного соотношения насыщения, но и к вышеописанным недостаткам, связанным с наличием в контакте отслаивающихся частичек, засоряющих рабочее пространство реле в процессе его эксплуатации.

Для устранения таких недостатков и повышения качества контакта и его электротехнических характеристик перед насыщением раствором, содержащим соли серебра осуществляют ультразвуковую обработку заготовок. Такой способ обработки на данном этапе производства, когда поверхностные слои материала заготовки еще не заполнены серебром, а следовательно, хрупки, позволяет избежать разрушения стенок поверхностных пор, соколов и искажения геометрических параметров заготовок, и, как следствие, исключает увеличение количества брака и необходимость спектрального контроля на данном этапе.

Кроме того, несмотря на достаточную точность механической обработки заготовок, из-за маленького размера изделия и невозможности обеспечить высокую точность обработки из-за структуры материала, при таком способе появляются выступы, которые не скалываются в процессе эксплуатации, но влияют на стабильность электротехнических характеристик каждого контакта.

Из-за параметров материала - графит с открытой пористостью, обеспечивающей насыщение поверхностных слоев заготовок серебром в большей степени, чем внутренних слоев; на заготовке возникают множество выступов и микротрещин. Из-за таких поверхностных дефектов возникает множество легко разрушающихся и отслаивающихся при работе электромеханического реле частиц материала.

Такие дефекты создают неравномерность электротехнических характеристик в группе контактов и сказываются на стабильности работы электромеханического реле.

Для устранения таких дефектов заготовки помещают, например, в круговой вибратор, в который может дополнительно загружаться абразивный материал. Желательно галтовку проводить в химической среде, подобранной с учетом свойств материалов контакта.

Такой способ механической обработки позволяет устранить не только частички материала, которые из-за растрескивания материала не являются единым целым с телом заготовки, но и частички, которые приклеились к телу заготовки, но не способны выдержать в таком состоянии работу в процессе эксплуатации реле. Эта операция позволяет практически исключить возможность появления частичек материала в рабочем пространстве электромеханического реле под колпаком.

Кроме того, эта операция одновременно позволяет осуществить скалывание излишков материала в виде выступов и налипших на поверхность излишков серебра. Это значительно снижает запыление и засоренность рабочего пространства электромеханического реле под колпаком в процессе работы контактной группы из-за скалывания таких дефектов и улучшает электротехнические характеристики контактов.

Следует отметить, что галтование дополнительно дает еще один положительный эффект для такого изделия как контакты для электромеханических реле. В процессе галтования происходит сглаживание углов материала заготовки и смятие выступающих излишков серебра, скопившегося в поверхностных порах. Это позволяет достичь усреднения геометрических форм контактов, которые могут отличаться от заданных параметров из-за описанных выше дефектов (сколов и выступов материла, излишков серебра), возникающих в процессе механической обработки в виду пористой структуры материала и в процессы насыщения серебром.

Причем галтование позволяет достичь усреднение геометрических форм контактов наиболее щадящим способом, что крайне важно для слабого материала - графит с отрытой пористостью, обеспечивающей условие насыщение серебром от 0 до 0,3 мм - 40-60%, на глубине свыше 0,3 до 0,5 мм по меньшей мере 30-35%. Это позволяет достичь усреднение электротехнических характеристик партии контактов и повысить стабильность характеристик работы электромеханического реле.

Следует отметить, что вместо галтования можно применить и следующий способ обработки позволяющий улучшить указанные в заявке технические результаты.

После насыщения осуществляют удаление образовавшегося на поверхности заготовок остатков серебра путем химического травления. Например, партию заготовок, насыщенных серебром, погружают в 20% раствор азотной кислоты при заданной температуре, до полного удаления с поверхности металлических частиц серебра. Это позволяет достичь устранения излишков материала, стабилизации и усреднения электрических характеристик контактов.

Затем осуществляют промывку заготовок, желательно в дистиллированной воде, и желательно одновременно обеспечивая перемешивание заготовок.

Эта операция не только сводит к минимуму вероятность наличия остатков травителя в порах контакта, что позволяет исключить разъедание элементов реле, но и позволяет достичь дополнительные преимущества.

Так, из-за свойств материала - графит с открытой пористостью, обеспечивающей насыщение поверхностных слоев заготовок серебром в большей степени, чем внутренних слоев, при механической обработке на заготовке возникает множество выступов и микротрещин. Из-за таких поверхностных дефектов возникает множество легко разрушающихся и отслаивающихся при работе электромеханического реле частиц материала.

Такой способ промывки с одновременной механической обработкой позволяет дополнительно устранить не только частички материала, которые из-за растрескивания материала не являются единым целым с телом заготовки, но и частички, которые приклеились к телу заготовки, но не способны выдержать в таком состоянии работу в процессе эксплуатации реле. Эта операция позволяет практически исключить возможность появления частичек материала в рабочем пространстве электромеханического реле под колпаком.

Кроме того, эта операция одновременно позволяет осуществить скалывание излишков материала в виде выступов и налипших на поверхность излишков серебра. Это значительно снижает запыление и засоренность рабочего пространства электромеханического реле под колпаком в процессе работы контактной группы из-за скалывания таких дефектов и улучшает электротехнические характеристики контактов.

Следует отметить, что перемешивание дополнительно дает еще один положительный эффект для такого изделия как контакты для электромеханических реле. В процессе перемешивания происходит сглаживание углов материала заготовки и смятие выступающих излишков серебра, скопившегося в поверхностных порах. Это позволяет достичь усреднения геометрических форм контактов, которые могут отличаться от заданных параметров из-за описанных выше дефектов (сколов и выступов материла, излишков серебра), возникающих в процессе механической обработки в виду пористой структуры материала и в процессы насыщения серебром.

Причем перемешивание позволяет достичь усреднение геометрических форм контактов наиболее щадящим способом, что крайне важно для слабого материала - графит с отрытой пористостью, обеспечивающей условие насыщение серебром от 0 до 0,3 мм - 40-60%, на глубине свыше 0,3 до 0,5 мм по меньшей мере 30-35%, свыше 0,5 - остальное. Это позволяет достичь усреднение электротехнических характеристик партии контактов и повысить стабильность характеристик работы электромеханического реле.

За счет вышеуказанных преимуществ контактов, изготовленным описанным способом достигаются указанные технические результаты для реле, которое, например, содержит электромагнитную систему, включающую ярмо, сердечник, обмотки на электроизоляционных шпулях, Г-образный якорь, установленный на вершине призматической опоры ярма, при этом сердечник изготовлен спеканием порошка из магнитомягкого сплава на основе железа с добавлением легирующих элементов, и выполнен в виде стержня, имеющего с одной стороны полюсник, а с другой стороны - резьбу, контактную систему, включающую контактную группу, реализованную в виде одного или нескольких неразборных модулей, состоящих из 1-8 контактных триад, образованных фронтовыми, общими и тыловыми контактами, закрепленными на плоских пружинах, установленных в одном монолитном корпусе, при этом корпус получен заливкой пружин диэлектрическим материалом, поводок из электроизоляционного материала, закрепленный на якоре и связанный с общими (подвижными) контактами, груз с возможностью в заданном пределе свободно перемещаться в вертикальном направлении и закрепленный на горизонтальной полке якоря, фронтовые контакты выполнены из композиционного материала на основе высокоплотного мелкозернистого графита и серебра, а общие и тыловые контакты из серебра, имеет основание с закрепленными в нем штепсельными выводными пластинами, где соединение пластин с обмотками и монтажным проводом выполнено пайкой, ручку и защитный колпак.

Таким образом, предлагаемая группа изобретений позволяет повысить качество контактов, дополнительно снизить количество брака и некондиционных контактов при производстве, упростить производство за счет упрощения контроля на выходе и на переходных этапах производства, повысить стабильность переходного электрического сопротивления в процессе коммутаций в электромеханических реле, и в целом повысить надежность и ресурс работы электромеханических реле.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим контактам электромеханических реле, и направлено на достижение таких технических результатов, как повышение стабильности работы электромеханических реле и повышение электротехнических характеристик электромеханического реле, снижение количества отказов за счет снижения засоренности рабочего пространства, усреднение электротехнических характеристик контактов. Технические результаты достигаются способом производства контактов для электромеханических реле на основе графита, включающим изготовление механическим способом заготовки из графита с открытой пористостью, обеспечивающей насыщение заготовок серебром в следующем соотношении: на глубине от 0 до 0,3 мм - 40-60%, на глубине свыше 0,3 до 0,5 мм по меньшей мере 30-35%, свыше 0,5 мм – остальное. Контакт на основе графита представляет собой пористое тело вращения, ограниченное боковой поверхностью и двумя параллельными поверхностями оснований, равномерно насыщенное серебром, что обеспечивает надежность и стабильность электромеханического реле с такими контактами. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ производства контактов для электрических реле на основе графита, включающий механическую обработку графита с получением заготовок из графита с открытой пористостью, представляющих собой тело вращения, ограниченное боковой поверхностью и двумя параллельными поверхностями оснований, насыщение заготовок водным раствором нитрата серебра плотностью 1,4-1,17 г/см³ с последующей термической обработкой для разложения соли серебра, отличающийся тем, что после механической обработки и перед насыщением заготовок раствором нитрата серебра проводят ультразвуковую очистку поверхности заготовок и выборку партии заготовок, соответствующей заданным параметрам насыщения на глубину от 0 до 0,3 мм - 40-60%, на глубину свыше 0,3 до 0,5 мм - 30-35%, свыше 0,5 мм - остальное, после чего проводят насыщение заготовок водным раствором серебра с последующей термообработкой и удалением образовавшихся на поверхности заготовок остатков серебра методами химического травления и галтования.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что удаление остатков травителя осуществляют путем промывки заготовок в дистиллированной воде, обеспечивая их перемешивание.

3. Контакт на основе графита для электромеханических реле, выполненный способом по п. 1.

4. Электромеханическое реле низковольтной аппаратуры, включающее электромагнитную систему и контактную группу, реализованную в виде одного или нескольких неразборных модулей, состоящих из 1-8 контактных триад, образованных фронтовыми, общими и тыловыми контактами, закрепленными на плоских пружинах, установленных в одном монолитном корпусе, отличающееся тем, что контакты на основе графита выполнены способом по пп. 1, 2.