Основные положения теории контактирования

Основной задачей теории контакти­рования является анализ статических и динамических процессов, происходя­щих на рабочей поверхности контак­тов. Сюда относятся вопросы опреде­ления переходного сопротивления и нагрева контактов, образования и раз­рушения пленок, электротермической эрозии и переноса материала, а также вопросы борьбы со слипанием и сва­риванием контактов.

Переходное сопротивление контак­тов появляется в результате умень­шения площади сечения трубок тока за счет их стягивания в местах действительного перехода тока с одного контакта на другой (рис. 1). При сближении плоских контактов сначала со­прикасаются наиболее выступающие шероховатости, но по мере увеличения силы нажатия, соприкоснувшиеся вы­ступы сплющиваются. При этом уве­личиваются размеры площадок дейст­вительного соприкосновения, и возрастает их число, так как в соприкос­новение вступают все новые и новые выступы. Контакты сближаются до тех пор, пока сила нажатия не уравно­весится реакцией деформированных выступов. Общая площадь действитель­ного соприкосновения обычно состав­ляет лишь малую долю кажущейся площади соприкосновения и полностью определяется силой нажатия. Поэтому переходное сопротивление не зависит от размера контактов и уменьшается с увеличением силы нажатия.

По величине и форме шероховатости (в зависимости от способов обработки поверхности) могут быть весьма раз­нообразны. Поэтому при выводе фор­мулы переходного сопротивления при­ходится делать некоторые допущения. Например, площадки действительного соприкосновения приходится считать круглыми и одинаковыми по величине, а распределение линий тока в теле контакта — радиальным. При этих условиях линии тока распреде­ляются аналогично линиям электро­статического поля заряженной круг­лой пластинки.

Переход от применения маломощных контактов к использованию контактов средней и большой мощности может быть осуществлен без изменения формы контактов. Однако при этом необхо­димо увеличивать не только силу на­жатия, но и геометрические размеры контактов, чтобы их поверхность была достаточна для интенсивного отвода тепла от переходного слоя в окружа­ющую среду. Поэтому нередко кон­такты рассчитывают по кажущейся плотности тока, т. е. по величине отношения силы тока к кажущейся площади соприкосновения. У комму­тационной аппаратуры' в среднем равно 0,1—0,15 А/мм². Однако на практике встречаются надежно ра­ботающие контакты, у которых кажу­щаяся плотность тока значительно отличается от приведенной величины. Окончательный выбор кажущейся плотности тока и размеров контактов следует устанавливать на основании опытной проверки.

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.

НЕПОДВИЖНЫЕ КОНТАКТЫ

К неподвижным относятся кон­такты, предназначенные для более или менее длительного неподвижного соединения проводников. Они, в свою очередь, подразделяются на зажим­ные (образованные механическим пу­тем) и цельнометаллические (получен­ные путем пайки или сварки).

Зажимные контакты сконструиро­ваны так, чтоих можно собирать и разбирать без разрушения отдельных частей. Они предназначены для дли­тельного неподвижного соединения проводников и представляют собой различного рода зажимы, болты, винты (шины соединяют на болтах и на вин­тах, а провода при помощи промежу­точного устройства, например за­жима). Сопротивление контакта за­висит от состояния поверхности про­водников и контактного давления.

Цельнометаллические контакты.Контакт осуществляется пайкой или сваркой соединяемых проводников. При этом отсутствует физическая границе, разграничивающая оба про­водника, Ток проходит через промежу­точный слой, состоящий из сплавлен­ного металла проводников (при сварке) или сплава металла проводников с при­поем (при пайке). Сопротивление кон­тактов не зависит от давления. Промежуточные сплавы, образованные припоем с материалом контакта, по­вышают сопротивление, но оно в не­сколько раз меньше, чем сопротивление зажимного контакта при оптималь­ном давлении.

Материалами для неподвижных контактов служат медь, алюминий, цинк и сталь в виде проводов и шин, соединяемых пайкой (цельнометалли­ческие). Главным требованием к не­подвижному (зажимному) контакту является малое и стабильное сопроти­вление контакта, отсутствие в нем перегревов. Материалы контактов должны быть коррозионно устойчивы.

Для зажимных контактов приме­няют покрытия, защищающие их от коррозии и обеспечивающие малое переходное сопротивление при невы­соких контактных давлениях (луже­ние, цинкование, кадмирование, серебрение).

В случае соединения неподвижных контактов пайкой применяют обычные методы паяния. Припои выбирают в за­висимости от материала проводов.

РАЗРЫВНЫЕ КОНТАКТЫ

В зависимости от величины комму­тируемого тока разрывные контакты подразделяют на мало-, средне- и вы­соконагруженные. Они подвергаются трем главным видам износа; эрозии, коррозии, свариванию.

Работа и износ контактов зависит помимо внешних условий от свойств материала. Разные свойства в различ­ной степени влияют на виды износа, препятствуя или, наоборот, способ­ствуя износу контактов (табл. 2).

Свойства материала, способствую­щие износостойкости контактов:

электрофизические — высокие элек­тро- и теплопроводность, параметры дуги, значения работы выхода электро­нов и потенциала ионизации; коэффи­циент Томсона и угол смачивания близки нулю. Высокое поверхностное натяжение в жидком состоянии. Ма­лый атомный объем и термо - э. д. с. в паре с медью и алюминием;

механические — высокие твердость, пределы прочности при сжатии и сдвиге, умеренный модуль упругости и пластичность, низкий коэффициент трения;

термические — высокие темпера­туры (напряжения) рекристаллиза­ции, плавления, кипения, сублимации;

высокие теплоемкость, скрытая те­плота плавления, испарения, субли­мации; низкая упругость пара при температурах дуги;

электрохимические — высокий элек­тродный потенциал; малое химиче­ское сродство к компонентам среды;

высокая упругость диссоциации про­дуктов коррозии; малая механическая и электрическая прочность пленок — продуктов коррозии;

структурные — простой тип кри­сталлической решетки; для спла­вов — структура твердого раствора;

для композиций — тонкодисперсное распределение фаз; ориентировка кри­сталлов по направлению теплового и электрического потоков.

Каждому типу контактов, т.е., мало-, средне- и высоконагруженным, соот­ветствует материал наиболее устой­чивый к износу. Требованиям мало и средненагруженных контактов отвечают чистые металлы и сплавы типа твердых растворов. Для высоко­нагруженных контактов наиболее пригодны металлокерамические ком­позиции. Для малонагруженных кон­тактов применяют золото, родий, пал­ладий, платину и их сплавы; для сред­ненагруженных — палладий, платину, серебро, вольфрам, никель иих спла­вы; для высоконагруженных — серебро, вольфрам, никель, медь, их сплавы и металлокерамические ком­позиции, а также ртуть и графит.

К металлам, сплавам и металлокерамическим композициям, применя­емым для изготовления разрывных контактов, предъявляют высокие тре­бования по эрозионной и коррозионной стойкости, износоустойчивости, стойкости к свариванию, обрабатыва­емости, электро- и теплопровод­ности.

Все применяемые контактные ма­териалы можно подразделить на сле­дующие группы: благородные металлы и их сплавы (серебро, золото, металлы платиновой группы и сплавы наихоснове), неблагородные металлы и сплавы на их основе, металлокера­мические композиции.