ОБРАЗОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ ПЛЕНОК

Пленки, возникающие на рабочей поверхности контактов, могут быть органического и неорганического происхождения. Образованию пленок способствуют электрические разряды при коммутации контактов, но пленки могут возникать и на разомкнутых контактах. Источником материала пленок являются органические и не­органические пары и газы, содержа­щиеся в окружающей атмосфере и химически активные компоненты ма­териала контактов.

Основные причины возникновения пленок в разомкнутом состоянии — это химические реакции с образованием сульфида серебра, органических соединений вольфрама и т. п. под нагрузкой — химические реакции с об­разованием окислов, вольфраматов, молибдатов и т. п., а также разложение органических параметров.

Пленки уменьшают слипание и тре­ние между контактами, но увеличи­вают переходное сопротивление. При отсутствии электрических разрядов механизм образования пленок в общих чертах заключается в следующем. Мо­лекулы окружающих газов и паров адсорбируются поверхностью кон­такта. Через некоторое время эти молекулы диссоциируют при одно­временном электронном обмене с ад­сорбирующей средой (химическая ад­сорбция). Ионы металла освобо­ждаются из пространственной ре­шетки и вступают в соединения с хи­мически адсорбированными ионами газа, образуя пленку, равномерно покрывающую поверхность кон­такта.

При наличии электрических разря­дов механизм образования пленок усложняется. Под влиянием высокой температуры разрядов возникают стекловидные смешанные окислы и нитриды, образующие неравномерные по толщине пленки, локализованные вблизи мест разрядов. Последующие разряды могут вызвать частичное разложение пленок и очищение кон­тактной поверхности, но в большин­стве случаев скорость образования пленок выше скорости очищения даже на контактах из благородных метал­лов. Наличие пленки существенно из­меняет величину переходного сопро­тивления контактов. Ниже приведены значения удельного сопротивления некоторых окислов, часто образую­щихся на поверхности контактов. Пленки окислов по электрическим свойствам близки к изоляторам. При соприкосновении контактов, покры­тых пленками, прохождение тока воз­можно в результате электрического пробоя, фриттинга и механического раздавливания пленки. Явление фриттинга заключается в том, что при условии, когда напряженность элек­трического поля в пленке достигает величины порядка 10⁶ В/см, ток через контакты резко возрастает, а напря­жение на контактах падает до 0,3— 0,5 В. Это падение напряжения, как правило, несколько ниже того, при котором наступает плавление металла в точках соприкосновения. Полной теории фриттинга еще нет. Есть осно­вание предполагать, что фриттинг яв­ляется следствием теплового пробоя пленки и ее электролиза в местах по­вышения температуры. Электрический пробой и фриттинг могут вызвать обра­зование металлических мостиков, пронизывающих пленку. Это при­водит к спеканию и даже свариванию контактов. Механическое раздавливание пленок требует применения до­вольно значительной силы нажатия контактов. Поэтому для облегчения механического разрушения пленки применяют "ход в контактах", т. е. взаимное смещение контактов после их соприкосновения. Для контактов, у которых сила нажатия и взаимное скольжение невелики, применяют главным образом сплавы благородных металлов. Неблагородные металлы в этом случае добавляют лишь для улучшения механических свойств. Из неблагородных применяют только очень твердые металлы (например, вольфрам), допускающие большие контактные давления, при которых пленка продавливается и разрушается. Менее твердые металлы и сплавы, на­пример бронзу, применяют только в контактах с большим взаимным скольжением, например в щеточных контактах, при движении которых слой окислов стирается.

Электрический износ вызывается плавлением, испарением, распыле­нием и переносом материала с одного контакта на другой под воздействием высокой температуры и электромаг­нитных полей. Совокупность этих явле­ний называется эрозией. При электри­ческом износе на поверхности кон­тактов образуются неровности, наплывы и трещины, уменьшающие вес, а также на одном из контактов обра­зуется кратер (впадина), а на другом — выступ в форме иглы или бугорка. Электрический износ особенно силь­но проявляется в цепях постоянного тока, содержащих индуктивность. В основном он определяется энергией и формой электрического разряда и тугоплавкостью материала контактов. Наиболее вредной разновидностью электрического износа является пере­нос металла с одного контакта на дру­гой, что приводит к значительному изменению формы контактов и даже их сцеплению. Интенсивность и напра­вление переноса зависят от характера разряда и неодинаковы при замыка­нии и размыкании. Схема переноса приведена а табл. 1. Если ток в кон­такте меньше предельного тока Iо образования дуги, то при размыкании возникает искра. На катоде при этом образуется игла, а на аноде— кратер. Аналогичная картина наблюдается и при замыкании. Результирующий перенос при замыканиях и размыка­ниях тока направлен с анода на катод.

Если Iк>Iо, то при размыкании возникает дуга, кратер образуется на катоде, а выступ, имеющий форму бугорка, — на аноде. При замыкании в этом случае по-прежнему возникает искра и перенос происходит с анода на катод, но менее интенсивно, чем при размыкании, а результирующий перенос происходит с катода на анод, Если же ток Iк значительно больше, чем Iо, то картина переноса при раз­мыкании снова меняется, и выступ образуется на катоде. Перенос в этом случае становится наиболее интен­сивным, а эрозия распространяется почти по всей поверхности контактов. Картина переноса при замыкании контактов по-прежнему остается неизмен­ной. Результирующий перенос на­правлен с анода на катод.

В случае, если дуга гасится емко­стью, положение контактов при раз­мыкании не меняется, но при замыкании под воздействием энергии, запа­сенной в емкости, возникает короткая дуга, вызывающая интенсивный пере­нос металла с анода на катод. Из табл. 1 следует, что по мере увеличения размыкаемого тока направление пере­носа дважды меняется на обратное и дважды перенос становится равным нулю. Границы разделения контактов на слаботочные, средненагруженные и сильноточные обусловлены отсут­ствием переноса металла.

Направление и интенсивность переноса зависят непосредственно от соотношения температур катодного и анодного пятен электрического раз­ряда, которое изменяется при изме­нении формы и интенсивности разряда. Металл, находящийся в распла­вленном и парообразном состоянии, переносится силами поверхностного натяжения, электрическими полями, а также путем конденсации на контакт

с меньшей температурой. Часть ме­талла при этом рассеивается в про­странстве в виде брызг и пара. Разбрызгивание, исключает возможность изготовления мощных контактов из легкоплавких металлов, например меди или серебра. Простая замена легкоплавкого металла тугоплавким, например вольфрамом, в данном слу­чае недопустима вследствие высокого переходного сопротивления. Поэтому для изготовления мощных контактов применяют композиции, представля­ющие собой равномерную смесь туго­плавкого и легкоплавкого компонен­тов, например вольфрама и серебра. При расплавлении легкоплавкий ком­понент удерживается капиллярными силами в порах тугоплавкого компо­нента, образующего скелетную ре­шетку.

Сваривание и спекание. Кроме пере­численных видов износа выход кон­тактов из строя может вызываться также их свариванием и спеканием. Сплошное соединение материала обоих контактов в одно целое назы­вается свариванием. Обычно свари­вание происходит на небольшом уча­стке поверхности контакта вследствие нагревания места соприкосновения контактов при длительном прохожде­нии слишком сильного тока. В момент сваривания площадь соприкосновения контактов значительно возрастает в результате размягчения материала. Сопротивление в месте сваривания при этом падает, металл остывает и довольно прочно сцепляется с ме­таллом другого контакта. У мало­мощных контактов сваривание может произойти и без длительного про­хождения слишком сильного тока, например при дребезжании контактов и при их работе в емкостных цепях, когда в момент замыкания образуется короткая дуга.

Спеканием называется соединение материала контактов металлическим мостиком, который пронизывает не­проводящую пленку окислов, раз­деляющую контакты. Это явление про­исходит в результате пробоя изоли­рующей пленки, чаще всего при малых контактных давлениях, недостаточных для механического разрушения пленки. При спекании металл контактов сце­пляется значительно менее прочно, чем при сваривании.

Наименее подвержены свариванию и спеканию контакты из вольфрама благодаря его тугоплавкости и хруп­кости. Сваривание вольфрамовых контактов происходит редко, а место сваривания характеризуется малой прочностью. Наиболее подвержены свариванию контакты из серебра, которые по этой причине не могут применяться в случае, если сила тока превышает 100 А.