Материалы для разрывных контактов

Материалы для разрывных контактов работают в сложных условиях, поскольку в процессе работы между контактными повер­хностями размыкающих контактов могут возникать электрические разряды в виде искры или дуги. Этот процесс сопровождается элек­трической эрозией, которая является причиной нарушения нормальной работы соответствующего прибора. На поверхностях разрывных контактов образуются оксидные пленки, поэтому они подвержены также коррозии или химическому износу.

Материалы для разрывных контактов должны обладать сле­дующими свойствами:

- низкое значение удельного электрического сопротивления;

- малое падение напряжения на контактах;

- стойкость к механическому и электрическому износу;

- не допускать эрозии (обгорания) контактирующих поверхностей;

- не допускать приваривания контактных поверхностей друг к другу под действием электрической дуги при размыкании контак­тов;

- постоянство контактного электрического сопротивления;

- легкая обработка;

- низкая стоимость.

Выбор материалов для разрывных контактов ведут по значе­нию коммутируемого тока или по мощности размыкания электри­ческих цепей.

По значению коммутируемого тока разрывные контакты делят на слаботочные (работают при токах до единиц ампер) и сильноточные (работают при токах, больших единиц ампер).

По значению мощности контакты этого типа делят на маломощ­ные и мощные.

Слаботочные (маломощные) разрывные контакты изготавливают из благородных и тугоплавких металлов и сплавов на их основе типа твердых растворов.

В широкой номенклатуре контактов применяется чистое сереб­ро, которое обеспечивает высокую электропроводность и низкое переходное электрическое сопротивление, однако имеет недоста­точную стойкость к эрозии, и серебряные контактные поверхности легко свариваются между собой. Чистое серебро не используют так­же для особо точных размыкающих контактов с малой силой кон­тактного нажатия (малонагруженных) и в сочетании с материала­ми, содержащими серу (например, резина, эбонит).

Большей стойкостью к эрозии по сравнению с чистым серебром обладают сплавы серебра с медью, однако в малонагруженных кон­тактах они корродируют.

Сплавы серебро-кадмий отличаются высокой эрозионной стой­костью вследствие высокой скорости гашения дуги между контак­тами за счет паров кадмия и кислорода, однако контакты из этих сплавов требуют больших контактных нажатий.

Сплавы серебро-магний-никель с добавками золота и цирко­ния удачно сочетают в себе свойства упругого и контактного мате­риалов. Это позволяет успешно использовать их как единые детали «контакт-пружина», что весьма ценно в малогабаритных и мини­атюрных устройствах.

Эти сплавы обладают переходным электрическим сопротивле­нием таким же, как у серебра.

Слаботочные разрывные контакты из серебра и его сплавов используют в устройствах электронной техники, работающих в бездуговом режиме, в приборах автоматики, в аппаратуре авиацион­ного и морского оборудования.

Золото обладает коррозионной стойкостью к образованию сер­нистых пленок при комнатной температуре и нагревании, однако оно склонно к дугообразованию, и даже при малых токах на золо­тых контактах в результате эрозии образуются иглы и наросты. Поэтому золото в чистом виде применяют для изготовления пре­цизионных контактов, которые работают при малых напряжениях и малом контактном нажатии. В качестве контактного материала золото используют главным образом в виде сплавов с платиной, серебром, никелем, цирконием, которые имеют повышенную твер­дость, хорошую коррозионную и эрозионную стойкость.

Платина в чистом виде редко применяется для изготовления кон­тактов. Она служит хорошей основой для ряда контактных спла­вов, так как не окисляется на воздухе и не образует сернистых пле­нок, а также обеспечивает платиновым контактам стабильное пе­реходное сопротивление.

Наибольшее распространение получили сплавы платины с никелем, серебром, золотом, иридием, которые, обладая повышенной твердостью и удельным электрическим сопротивлением, применяются в прецизионных реле, работающих без дуговых разрядов, контрольных реле авиационного электрооборудования, в малогабаритных и миниатюрных реле радиоэлектронной аппаратуры.

Вольфрам давно получил распространение в качестве контактного материала благодаря ряду свойств, удовлетворяющих совокупности наиболее нужных характеристик контактных материалов:

- вольфрамовые контакты не свариваются во время работы, так как температура плавления вольфрама 3380°С;

- в несколько раз более стойки к эрозии, чем платина;

- не поддаются заметному механическому износу благодаря вы­сокой твердости.

Наилучшими свойствами обладают контакты из вольфрамовой проволоки с продольно-волокнистым строением. Если зерна у на­резанных из проволоки контактов вытянуты вдоль оси контакта, заметно повышается его износостойкость.

Легирование вольфрама молибденом повышают его твердость, удельное электрическое сопротивление и снижает тугоплавкость. Однако молибден вводят в сплав с вольфрамом в ограниченных количествах, так как молибден корродирует при комнатной темпе­ратуре с образованием рыхлых окисных пленок.

Вольфрамовые контакты применяют в контрольных реле авиа­ционного оборудования, в телеграфных, сигнальных реле, в пре­рывателях и преобразователях тока, в вакуумных или газонапол­ненных выключателях.

Сильноточные (мощные) разрывные контакты изготавливают из металлокерамических материалов, получаемых ме­тодами порошковой металлургии. Металлокерамические контакты обладают рядом преимуществ по сравнению с обычными металлическими:

- более стойки к оплавлению, привариванию и износу;

- не заменимы при высоких токовых и механических нагрузках;

- значительно увеличивают срок службы контактов при умерен­ных нагрузках;

- повышают надежность и долговечность аппаратов при значи­тельной экономии серебра (от 10 до 70%).

Металлокерамические материалы для сильноточных контактов должны состоять из невзаимодействующих друг с другом компо­нентов, один из которых обладает значительно большей тугоплав­костью, а другой обеспечивает хорошую проводимость материала. Менее тугоплавкий компонент удерживается в порах более тугоп­лавкого силами поверхностного натяжения.

Композиции, содержащие серебро и медь, обеспечивают контак­там высокую электро- и теплопроводность.

Композиции, содержащие тугоплавкие фазы в виде равномер­ных включений оксидов кадмия, меди, никеля, вольфрама, графи­та, препятствуют свариванию контактов, повышают их износо- и термостойкость. При этом оксид кадмия при температуре пример­но 900°С, а окись меди при более высоких температурах, разлага­ясь на кадмий и кислород и медь и кислород, увеличивают скорость гашения дуги.

Композиция серебра с никелем хорошо поддается механической обработке и обладает высокой коррозионной стойкостью.

Композиция серебра с окисью кадмия не образует непроводящих окислов и поэтому не требует высоких контактных давлений. Ее ис­пользуют для изготовления контактов, работающих в цепях посто­янного тока (300 А, 500 В). В процессе эксплуатации контакты на основе этой композиции нельзя зачищать наждачной бумагой.

Мелкодисперсные контактные материалы повышают срок служ­бы размыкающих контактов в 1,5...3 раза, если исходные компо­ненты материала измельчены до размеров 0,5...2 мкм вместо обыч­ных размеров 50...150 мкм.

По стойкости к свариванию (в порядке уменьшения) контакт­ные материалы располагаются следующим образом: графит (С), вольфрам (W), вольфрам-молибден (W–Mo), металлокерамика вольфрам-медь (серебро) [W–Си(Ag)], карбид вольфрама-серебро (WC–Ag), сплавы серебро-кадмий (Ag–Cd), металлокерамика серебро-оксид кадмия (оксид меди) [Ag–CdO(CuO)], серебро (медь)-графит [Ag(Cu)–C].

Сильноточные металлокерамические разрывные контакты используются для общепромышленных целей, в частности в авиа­ционных реле и выключателях среднего и тяжелого режимов, в ав­томатических предохранителях, контакторах, пускателях, реле сиг­нализации.

Не существует контактных материалов, удовлетворяющих всем необходимым требованиям. Удается только приблизиться к созда­нию материалов с совокупностью наиболее нужных характеристик. Поэтому устройства с размыкающими и скользящими контактами стремятся по возможности заменять соответствующими схемотех­ническими решениями. Это позволяет эксплуатировать приборы в более жестких условиях, снижает число отказов и повышает срок службы приборов.

Припои

Кроме подвижных контактов в радиоэлектронной аппаратуре широко используются и неподвижные контакты, основными из ко­торых являются пайка, сварка и соединение контактолами.

Пайку применяют не только для получения постоянного элект­рического контакта с малым переходным сопротивлением и хоро­шей механической прочностью, но и для получения вакуумплотных швов.

Пайкой называется процесс получения неразъемных соедине­ний с помощью специальных сплавов или металлов, температура плавления которых ниже температур плавления соединяемых де­талей.

Специальные сплавы, применяемые при пайке, называют припо­ями. Процесс пайки сопровождается нагреванием. В результате при­пой плавится, растекается по поверхности соединяемых деталей, заполняя зазор между ними. На границе соприкосновения расплав­ленного припоя и поверхностей соединяемых деталей происходят сложные физико-химические процессы. Припой диффундирует в основной металл, а поверхностный слой основного металла раство­ряется в припое, образуя промежуточную прослойку. После засты­вания образуется неразъемное соединение.

Наличие оксидных пленок, механических и органических загряз­нений на поверхностях соединяемых деталей затрудняет процесс пайки. Поэтому перед пайкой соединяемые поверхности тщатель­но очищают, а в процессе пайки защищают от окисления вспомога­тельными составами, называемыми флюсами.

Припои должны обладать следующими свойствами: хорошая жидкотекучесть, т.е. способность легко растекаться в расплавлен­ном состоянии и заполнять узкие зазоры и щели; малый интервал температур кристаллизации; высокая механическая прочность; кор­розионная стойкость; высокая электропроводность.

Припои подразделяют на мягкие с температурой плавления Т_плдо 400°С и твердые с температурой плавления Т_пл выше 400°С.

Кроме температуры плавления припои существенно различа­ются по механическим свойствам. Мягкие припои имеют предел прочности при растяжении не выше 50...70 МПа, а твердые – до 500 МПа. Различие между пайкой мягкими и твердыми припоями состоит в том, что при пайке мягкими припоями преобладает адгезия (поверхностное сцепление), которая способствует смачиванию, а при пайке твердыми припоями наряду с адгезией - сплавление и диффузия. С повышением температуры скорость взаимной диффу­зии и смачиваемость возрастают.

Основные свойства и область применения мягких припоев при­ведены в таблице 2.10.

Таблица 2.10 – Состав, основные свойства и область

применения мягких припоев

Продолжение таблицы 2.10

Название марок припоев определяется металлами, входящими в них в наибольшем количестве (олово – О, свинец – С, алюминий – А, серебро – Ср, сурьма – Су, медь – М, цинк – Ц, висмут – Ви, кадмий – К). Обозначение драгоценного или редкого металла, вхо­дящего в состав припоя, присутствует в названии марки даже при малых количествах этого металла в сплаве. Марка припоя выбирается в зависимости от рода соединяемых металлов и сплавов, тре­буемой механической прочности, коррозионной стойкости и удель­ной электрической проводимости припоя (при пайке токоведущих частей).

Мягкие припои. Мягкие припои имеют сравнительно невысокую температуру плавления и в ряде случаев не обеспечивают контакту необходимую механическую прочность. Мягкими в основном яв­ляются оловянно-свинцовые припои (ПОС) с содержанием олова от 18% (ПОС-18) до 90% (ПОС-90). Удельная проводимость этих припоев составляет 9...13% от удельной проводимости меди, а температурный коэффициент линейного расширения ТКl больше, чем у меди, на 60...70%. Они содержат эвтектику Sn–Pb с температурой плав­ления Т_пл= 183°С.

Введение сурьмы повышает прочность припоя марки ПОС и уменьшает его «ползучесть» под нагрузкой. По содержанию сурь­мы припои марки ПОС подразделяют на бессурьмянистые, мало-сурьмянистые (0,2...0,5% сурьмы, например ПОССу-30-0,5) и сурь­мянистые (1...5% сурьмы, например ПОССу-40-2).

Добавка кадмия повышает проводимость и механическую проч­ность контакта (например, припои марки ПОСК).

Мягкие припои подразделяют также на низкотемпературные с температурой плавления Т_плдо 400°С и легкоплавкие с температу­рой плавления Т_плдо 145°С. Механическая прочность этих припо­ев не значительна, но они находят применение при пайке деталей, чувствительных к нагреванию (полупроводниковые приборы, тон­копленочные выводы гибридно-пленочных и многокристальных больших интегральных микросхем). Для придания припоям таких свойств в их состав вводят индий, висмут, кадмий. Например, сплав Вуда (50% Bi, 25% Pb, 12,5% Sn, 12,5% Cd) имеет температуру плав­ления всего 65°С.

Разработанные для пайки алюминия и его сплавов припои, со­держащие цинк, кадмий и алюминий, не нашли широкого примене­ния в микроэлектронике.

Мягкие припои используют для пайки внутренних выводов кор­пусов микросхем, проволочных выводов навесных компонентов, герметизации корпусов, лужения наружных выводов корпусов микросхем, коммутационных слоев печатных плат, мест монтажа бескорпусных интегральных микросхем.

Твердые припои. Твердые припои отличаются тугоплавкостью (температура плавления 500...900°С) и высокой механической проч­ностью, но технология пайки при этом значительно сложнее и процесс ведется в специальных электрических печах.

Твердые припои на основе серебра (ПСр) применяют при пайке особо ответственных изделий электронной техники. В электрова­куумной промышленности твердыми припоями паяют узлы электронных ламп, электровакуумных устройств, а также герметичных корпусов. Такие припои называются электровакуумными. Они дол­жны обладать следующими свойствами:

- обеспечивать высокую механическую прочность паяного соеди­нения в инертной среде или вакууме без применения флюса, посколь­ку остатки флюса и образующиеся оксиды могут загрязнять внут­реннюю поверхность электровакуумного устройства;

- не испаряться при нагревании и не загрязнять внутренние детали устройства;

- температура плавления припоя должна быть примерно на 100°С выше температуры нагревания прибора Т при вакуумной откачке;

- обладать достаточно большими значениями электро- и тепло­проводности.

Состав, основные свойства и область применения твердых при­поев приведены в таблице 2.11. Они представляют собой сплавы серебро-медь-олово, серебро-медь-индий, которые часто ис­пользуют в порошке, поскольку они отличаются хрупкостью.

Припои для приборов с Т_н = 700°С представляют собой сплавы на основе золота, меди, палладия и никеля.

Таблица 2.11 – Состав, основные свойства и область

применения твердых припоев

Металлокерамика

Металлокерамические или порошковые сплавы получают из ме­таллических порошков методом их прессования и последующего спекания при температуре ниже температуры плавления исходных материалов или с частичным расплавлением наиболее тугоплавкой составляющей смеси.

Основным сырьем для получения металлокерамических изделий являются порошки вольфрама, титана, кобальта, марганца, хрома, железа, меди, олова, алюминия, ферросплавов и других металлов и сплавов.

Способом порошковой металлургии получают металлокерами­ческие детали, твердые сплавы, фрикционные и антифрикционные материалы, а также полупроводниковые материалы.

Материалы и изделия, полученные методами порошковой ме­таллургии, обладают жаропрочностью, износостойкостью, стабиль­ными магнитными свойствами, механическими свойствами, кото­рые незначительно уступают механическим свойствам литых и кованных заготовок.

Методами порошковой металлургии могут быть изготовлены детали, которые получают литьем. Но потери при изготовлении деталей методами порошковой металлургии составляют 3...7%, а отходы материала при литье иногда достигают 80%. Однако мето­ды порошковой металлургии наиболее эффективны в условиях се­рийного и массового производства.

Технологический процесс изготовления металлокерамических изделий состоит из следующих операций: приготовление порош­ков, приготовление смеси (шихты) порошков заданного состава, дозирование шихты, формование деталей, спекание, калибрование или чеканка, отделочные операции (термическая обработка, механическая обработка, гальванопокрытие).

Для получения порошков исходные материалы дробят и измель­чают в шаровых (черные и цветные металлы) или вихревых мельни­цах (железо, медь, алюминий, серебро, губчатый титан и их сплавы).

Измельченный материал очищают от примесей и просеивают через сита. Частицы, не прошедшие через сито, возвращаются для повторного дробления.

Полученные таким способом порошки смешивают в вибраци­онных или барабанных смесителях. Полученную шихту дозируют по массе или объемным способом. Для формования изделий при­меняют пресс-формы, которые изготавливают из прочных легиро­ванных сталей с высокой чистотой рабочих поверхностей.

Формы помещают в гидравлические или кривошипные прессы и проводят операцию прессования. В зависимости от размеров де­тали применяют одно- или двустороннее прессование.

Спекание проводят в электрических или вакуумных печах в вос­становительной или защитной среде для предохранения металлов от окисления. В результате спекания сцепление частиц порошка происходит вследствие взаимной диффузии атомов настолько плотно, что отдельные частицы порошка перестают существовать самостоятельно. Продолжительность процесса спекания может со­ставлять от нескольких минут до нескольких часов, что зависит от конфигурации и размеров изделия.

При горячем прессовании процессы прессования и спекания про­водят одновременно, что сокращает время спекания в 20...30 раз. После спекания заготовки калибруют или чеканят, т. е. снимают под большим давлением с помощью пресс-формы, выполненной точно по размерам готового изделия, дефектный поверхностный слой за­готовки.

Широкое распространение получили металлокерамические твер­дые сплавы, которые обладают высокой твердостью и износостой­костью из-за наличия в их составе карбидов вольфрама, молибде­на, хрома и титана. Применяют металлокерамические твердые спла­вы для режущего и штамповочного инструмента, наплавки на быс­троизнашивающиеся детали.

Для изготовления металлокерамических твердых сплавов исполь­зуют мелкие порошки карбида вольфрама или карбида титана, об­ладающих высокой твердостью. В качестве вязких связующих ма­териалов в смесь вводят кобальт или никель. В электродах, кото­рые используются для герметизации корпусов микросхем ударной конденсаторной сваркой, применяют твердый сплав эльконайт, получают методом порошковой металлургии, пропитывая спрес­сованные вольфрамовые заготовки расплавленной медью, и выпус­кают в виде слитков цилиндрической формы.