Электрические контакты ответственного назначения, если требуется надежность и долговечность, отсутствие окисления и потускнения, малая испаряемость и высокая термическая стойкость, изготовляют обычно, из благородных металлов (серебра, золота, платины и палладия) и их сплавов.
Серебро в чистом виде и в сплавах широко применяют как контактный материал в электротехнике, радиоэлектронике и т. п. Серебро имеет максимальную среди всех металлов тепло- и электропроводность, высокую кислотоупорность и отличную деформируемость.
Недостатком серебра как контактного материала является незначительная твердость, низкая температура плавления и склонность к образованию непроводящих (в технике слабых токов) слоев сульфида серебра на поверхности в присутствии серы в окружающей среде. В некоторых случаях из-за низкой твердости и легкоплавкости серебряные контакты свариваются и при постоянном токе образуют пики и кратеры.
Для контактов наиболее целесообразно использовать планированные или покрытые гальваническим путем (толщина слоя серебра 5—20 мкм) цветные металлы и сплавы (медь, латунь, фосфористая, бериллиевая и другие бронзы).
Твердость по Бринеллю гальванопокрытий из драгоценных металлов следующая:
Металл Ag Au Rh Pd Pt
HB, кгс/мм2 70—100 50—70 500—700 200—250 400—500
Добавление меди к серебру повышает твердость, стойкость к износу, перенос металла, незначительно снижает электропроводность и уменьшает кислотоупорность.
Введение кадмия предотвращает образование световой дуги и повышает стойкость к сварке, лучшие результаты дает окись кадмия. Снижение склонности к образованию дуги объясняется большой ионизирующей способностью кадмия из-за высокого давления паров кадмия и легкой растворимости окиси кадмия в световой дуге. Сплав серебро—окись кадмия более электропроводен по сравнению со сплавом серебро—кадмий. Сплав серебра с окисью кадмия можно изготовить как спеканием, так и путем внутреннего окисления. Поскольку кислород легко диффундирует в серебро, кадмий полностью окисляется при длительном нагревании в атмосфере, содержащей кислород. В этом случае достигается более дисперсное распределение окиси кадмия и увеличивается стойкость к сварке.
Добавкой 0,1% Ni получают мелкозернистое серебро, что снижает его склонность к сварке. Контакты, содержащие 10, 20, 30 и 40% Ni, изготовляют спеканием. Так как никель не растворяется в серебре, то тепло- и электропроводность остаются высокими. С увеличением содержания никеля повышается стойкость к износу, сварке и переносу материала. Однако с повышением содержания никеля увеличивается переходное сопротивление и уменьшается электропроводность. Подобные сплавы применяются для контактов, реле, регуляторов напряжения и переключателей максимального тока.
Считается, что обгорание контактов, так же как у других сплавов, наименьшее, если поверхность контакта перпендикулярна направлению проката.
Сплавы серебра с вольфрамом имеют высокую стойкость против сварки. Сплав с 30% W применяют для реле и разрывных контактов, с 60% — для переключателей мощности, с 70—75% W — для защитных переключателей.
Введение карбида вольфрама по сравнению с чистым вольфрамом повышает твердость, кислотоупорность, стойкость к обгоранию, снижает переходное сопротивление и электропроводность.
Сплавы с молибденом менее стойки против обгорания и износа, чем с вольфрамом.
Серебро с углеродом выдерживает высокие токи короткого замыкания без сваривания, но имеют незначительную стойкость к обгоранию. Стойкость к обгоранию можно повысить введением вольфрама и никеля.
Тускнение контактных материалов в атмосфере
| Нетускнеющие | Золото, платина, платина + 10—30% иридия, родий, платина + 10% рутения, 70% золота + 30% серебра |
| Окисляющие с выше 300° С, но не образующие сульфидные пленки |
Палладий, более 50% палладия + +серебро, платина +10—14% рутения, более 60% палладия + медь |
| Не окисляющиеся, но образующие сульфидные пленки |
Серебро, 5—50% палладия + серебро, 5—30% золота + серебро, серебро+ +7,5—20 % меди, 5—30% золота + серебро |
| Окисляющиеся и образующие сульфидные пленки |
Вольфрам, серебро, медь + вольфрам, молибден, никель, графит |
Серебро с углеродом выдерживает высокие токи короткого замыкания без сваривания, но имеют незначительную стойкость к обгоранию. Стойкость к обгоранию можно повысить введением вольфрама и никеля.
Свойства металлов и сплавов для контактов
| Состав | ρ, oм•мм2/м |
Предельный ток при 110 в а |
Общая характеристика |
Область применения |
| Рt Рd Аu |
0,105 0,1075 0,0221 |
0,85 0,65 — |
Значительная эрозия при дуге. Образование игл ниже предельного тока. Стойкость против атмосферной коррозии и окисления дугой |
В чистом виде применяется редко. Служат основой сплавов для разрывных контактов |
| Ag |
0,0158 |
0,6 |
Значительная эрозия; сваривается. Тускнеет в сероводороде |
Широко применяется в аппаратах разной мощности |
| Рt + 5% Ir Рt + 10% Ir Рt + 20% Ir Рt + 25% Ir Рt + 30% Ir |
— 0,245 0,30 0,335 0,35 |
— — — — 1,1 |
Эрозия меньше, твердость больше, чем у платины. Сопротивление коррозии. Свариваются |
Слаботочные контакты аппаратуры связи. Регуляторы напряжения. Термостатные реле. Особое ответственные контакты |
| Рt + 5% Ru Рt + 10% Ru Рt + 14% Ru Рt + 7% Os |
— 0,41 — 0,40 |
0,92 Меньше чем Рt—Ir — |
Тверже, чем сплавы Рt—Ir |
Заменители сплавов Рt—Ir |
| Рt + 8% W Рt + 10% W |
0,27 — |
— — |
Меньшая склонность к иглообразованию, чем у сплавов Рt—Ir |
Слаботочная аппаратура связи. Регуляторы напряжения, искровые прерыватели |
| Ir + 50% Os |
— |
— |
Весьма высокая твердость и сопротивление коррозии |
Прецизионные малые контакты |
| Pd + 40% Ag Pd + 50% Ag Pd + 80% Ag Pd + 90% Ag Pd + 95% Ag |
0,358 — 0,101 0,058 0,038 |
— 0,65 — 0,6 — |
Эрозия меньше чем у чистых компонентов. Не тускнеют в присутствии сероводорода при содержании Рd > 50% |
Слаботочная и средненагруженная аппаратура связи и др. |
| Pd + 40% Cu |
0,350 |
— |
Тверже, чем сплавы Рd — Аg; не тускнеет |
Слаботочные контакты |
| Au + 30% Ag Au + 90% Ag |
0,104 0,036 |
— 0,4 |
Эрозия меньше, твердость больше, чем у Аu и Ag; не тускнеют |
Слаботочные контакты аппаратов связи, работающие в условиях сильной коррозии |
| Au + 7% Pt Au + 24% Pt Ag +6% Pt |
0,102 0,168 0,168 |
— 0,5 0,5 |
Равномерный износ в емкостной цепи. Особая стойкость против атмосферной коррозии |
Специальные регуляторы напряжения. Слаботочные контакты аппаратов связи |
| Au + 5% Ni |
0,123 |
— |
Малая эрозия. Не свариваются. Стойкость к иглообразованию |
Заменители сплавов Рt—Ir |
| Au + 3% Zr |
0,200 |
— |
Малая эрозия. Не свариваются. Малая пластичность. Стойкость к иглообразованию |
Заменители сплавов Рt—Ir |
| Ag + 10% Cu |
0,020 |
— |
Тускнеет в сероводороде |
Автомобильное, самолетное реле |
| Ag + 4% Pt |
— |
– |
Тускнеет в сероводороде |
Железнодорожные сигнальные реле |
| Ag + 10% Cd |
— |
— |
Не сваривается. Равномерный износ |
Пускатели, выключатели повышенной мощности |
| Ag + 20% Zn | — | — | Не тускнеет в сероводороде | Телеграфные слаботочные реле |
Наиболее высокое сопротивление коррозии и потускнению имеют золото, платина и сплавы на их основе. Основные легирующие добавки к золоту — серебро, платина, никель и цирконий; к платине — рутений, осмий, иридий и вольфрам; к палладию — серебро. В наиболее ответственных случаях применяют сплавы платины с иридием (от 5 до 30% Ir) и золота с никелем и цирконием. Контакты из этих сплавав дают малую эрозию и имеют весьма высокое сопротивление коррозии.
Сплавы платины с иридием тверды и упруги, однако свариваются. Контакты из сплавов золота с никелем и цирконием не свариваются, стойки к иглообразованию, но имеют малую пластичность. Промежуточное положение занимают палладиевые сплавы с серебром, которые по сравнению с серебром и его сплавами с неблагородными металлами имеют большую стоимость, но значительно долговечнее, не тускнеют в присутствии сероводорода и других сернистых соединений, по сравнению с чистыми металлами дают меньшую эрозию. В то же время палладий значительно менее дефицитен, чем платина и иридий.
Развитие современной техники, в частности средств автоматизации, требует увеличения производства электроконтактов, на которые расходуется (в ряде случаев безвозвратно) большое количество платины, иридия и других мало распространенных в природе металлов, применяющихся также для других изделий ответственного назначения. Поэтому целесообразно во всех случаях изыскивать возможность применения биметаллических контактов с рабочей поверхностью из необходимого благородного металла или сплава и основной массой (несущей, токопроводящей, пружинящей и т. п.) из цветных металлов и сплавов. В качестве основы можно применять медь, латунь, медноникелевые сплавы, фосфористую и бериллиевую бронзы, легированные стали в зависимости от необходимых проводимости, сопротивления коррозии, прочности, твердости и упругости. Наибольшую физическую однородность имеют биметаллические контакты; изготовленные методами совместной пластической деформации.
Сравнительная стойкость к свариванию различных контактных материалов (по мере уменьшения стойкости):
Вольфрам
Вольфрам + молибден
Вольфрам + медь
Вольфрам + серебро
Карбид вольфрама + серебро
Молибден + серебро
Никель + серебро
Серебро + окись кадмия
Серебро + кадмий
Медь + кадмий
Серебро
Серебро + золото медь
Серебро + медь
Палладий
Палладий + медь
Палладий + серебро
Палладий + серебро + золото
Платина + иридий
Платина
