Материалы для контактов

1.

Министерство науки и высшего образования
Қарагандинский университет
имени академика Е.А.Букетова
Конструкционные материалы приборостроения
6B07104 – «Приборостроение»
Тема 2. Материалы для контактов
Автор: ассоц. профессор кафедры Радиофизики и
электроники Айжамбаева С.Ж.
Вид занятия: лекция
Қарағанды 2025

2.

ПЛАН:
Виды контактов.
Подвижные и скользящие контакты.
Материалы контактных соединений.
Прецизионные сплавы.
Литература:
1. В.Н.Волков. Материаловедение. Алматы: Эверо, 2015.164 с.
2. Арзамасов, В. Б. Материаловедение : учебник для
студентов вузов / В. Б. Арзамасов, А. А. Черепахин.Москва: Академия, 2013. - 173 с.
3.В.Г.Шевченко.
Основы
физики
полимерных
композиционных материалов. М., МГУ, 2010.-98 с.

3.

Виды контактов
Контакты делятся на: разрывные (подразделяются на слабо
нагруженные и высоко нагруженные), скользящие и
неподвижные. Для всех видов контактов основным требованием
является низкое переходное сопротивление электрическому току.
Разрывные контакты - периодически замыкают и размыкают
электрические цепи, поэтому они работают в наиболее тяжёлых
условиях. В процессе работы этих контактов возникает искра и
электрическая дуга, что приводит к их коррозии (окислению) и
эрозионному износу. При этом повышается контактное
сопротивление, происходит нагрев контактов и их сваривание
(залипание). Из-за коррозии и эрозии металл контакта плавится,
испаряется, в паре контактов появляется кратер и игла.
Сопротивление
электроэрозионному
изнашиванию
увеличивается с ростом температуры плавления, твёрдости и
прочности.

4.

Слабонагруженные разрывные контакты
Они изготавливаются из благородных металлов и
сплавов: золота, серебра, платины, палладия. Эти
материалы
обладают
низким
переходным
сопротивлением и повышенной стойкостью к
окислению. Электроэрозионной стойкостью они не
обладают.
Основным металлом для производства таких контактов
является серебро, как самое дешёвое из благородных
металлов, легко обрабатывается давлением и обладает
высокой электропроводностью, но под воздействием
электрической дуги оно окисляется и подвергается
электроэрозионному износу.

5.

Слабонагруженные разрывные контакты
Окисление не ведёт к значительному росту
переходного сопротивления, так как оксид серебра
электропроводен,
а
при
нагревании
легко
восстанавливается. В связи с этим чистое серебро
используется в слабонагруженных контактах с
небольшой
частотой
переключений.
Для
слабонагруженных
контактов
широко
применяются сплавы серебра с медью - они дешевле,
обладают большей твёрдостью (поэтому более
устойчивы к электроизносу), но медь снижает
стойкость сплава против окисления.

6.

Высоко нагруженные разрывные контакты
Их изготавливают из вольфрама, молибдена и их
сплавов. Эти металлы и их сплавы благодаря
высокой
температуре
плавления
хорошо
сопротивляются
электроэррозионному
изнашиванию.
Вольфрам и молибден легко окисляются, их оксиды
легко испаряются, поэтому их используют в среде
инертных газов или в вакууме.
Вольфрамовые контакты используют и на воздухе,
так как он обладает достаточно высокой
проводимостью, не свариваются, а его оксиды при
работе разрушаются.

7.

Высоко нагруженные разрывные контакты
В настоящее время используются серебряно-медные
контакты,
полученные
методом
внутреннего
окисления.
Сплав серебра и меди (СОМ-10, 10%Си) подвергают
длительному окислению (50 ч., 700°С) на воздухе.
Медь окисляется и получается композиция серебряная матрица с равномерно распределённым
мелкодисперсным оксидом меди.
Оксид меди повышает стойкость контакта к
свариваемости электроэрозионному изнашиванию.
Поэтому этот материал можно использовать и в
тяжело нагруженных контактах и в скользящих
контактах.

8.

Высоко нагруженные разрывные контакты
Сплавы вольфрама и молибдена (40 - 50 % Мо)
обладают высокой устойчивостью к эрозионному
изнашиванию, но из-за образования твёрдых
растворов у них понижена проводимость и велико
переходное электрическое сопротивление.
Для мощных контактов исиользуют спечённые
композиции из порошков вольфрама и серебра или
меди. Также методом спекания получают пористый
вольфрам, который затем в вакууме пропитывают
жидким серебром или медью.
В настоящее время используются серебряно-медные
контакты,
полученные
методом
внутреннего
окисления.

9.

Скользящие и неподвижные контакты
Скользящие контакты должны отвечать тем же
требованиям, что и разрывные, но главным из них
является высокое сопротивление свариванию.
Для этого кроме окисленных серебряно-медных
сплавов применяют композиции из порошков медьграфит (МГЗ, МГ5), серебро-графит (СГ3, СГ5)
Неподвижные контакты - должны иметь низкое
переходное электрическое сопротивление, которое
должно быть стабильным при небольших контактных
усилиях.
Для этого используют коррозионностойкие материалы,
не образующих оксидных плёнок на контактной
поверхности - медь, латунь, цинк.

10.

Материалы скользящих контактов
Электролитические сплавы Ag с Ni и
Со
отличаются
высокой
механической
износостойкостью
и
применяются
для
покрытий скользящих контактов.
Покрытия из сплавов Ag - Pd отличаются
стабильным
и
низким
переходным
сопротивлением во влажной среде и в 4-6 раз
более износостойки, чем чистое серебро.

11.

Электрические контакты
Электрические контакты должны свободно
коммутировать токи от 10-9 до 109 А при напряжении
от 10-7 до 106 В. По конструктивному исполнению,
если исключить переходные формы, электрические
контакты можно разбить на три группы:
- подвижные, функция которых замыкать и размыкать
цепь при кратковременной либо длительной
коммутации тока;
- скользящие, в которых происходит перемещение
контактирующих поверхностей относительно друг
друга без нарушения электрического контакта;
- неразъемные, в которых в процессе работы
не
происходит
разъединения
контактирующих
поверхностей.

12.

Основные требования к контактам
От материала контакта в сильной степени зависят его
срок службы и надежность работы коммутационного
аппарата. К этим материалам предъявляются
следующие основные требования: они должны
обладать высокой электрической проводимостью и
теплопроводностью, быть устойчивыми против
коррозии и иметь токопроводящую окисную пленку,
быть дугостойкими, т.е. иметь высокую температуру
плавления и испарения, быть твердыми, механически
прочными и легко поддаваться механической
обработке,
иметь
невысокую
стоимость.
Перечисленные требования противоречивы, и почти
невозможно найти материал, который удовлетворял бы
всем этим требованиям.

13.

Материалы контактных соединений
Медь. Удовлетворяет почти всем выше перечисленным
требованиям, за исключением. коррозионностойкости.
Окислы меди имеют низкую проводимость. Медь —
самый распространенный контактный материал,
используется как для разборных, так и для
коммутирующих контактов. В разборных соединениях
применяют антикоррозионные покрытия рабочих
поверхностей.
Медь может использоваться и для дугогасительных
контактов.
При малых контактных нажатиях (Р < 3 Н) применение
медных контактов не рекомендуется.

14.

Материалы контактных соединений
Серебро. Очень хороший контактный материал,
удовлетворяющий всем требованиям, за исключением
дугостойкости при значительных токах. При малых
токах обладает хорошей износостойкостью. Окислы
серебра имеют почти такую же проводимость, как и
чистое серебро. Серебро применяется для главных
контактов в аппаратах на большие токи, для всех
контактов продолжительного режима работы, в
контактах на малые токи при малых нажатиях
(контакты реле, контакты вспомогательных цепей).
Серебро обычно применяется в виде накладок — вся
деталь выполняется из меди или другого материала, а
на рабочей поверхности контакта приваривается
серебряная накладка.

15.

Материалы контактных соединений
Алюминий. По сравнению с медью обладает
значительно меньшей проводимостью и механической
прочностью. Образует плохо проводящую твердую
окисную пленку, что существенно ограничивает его
применение. Может использоваться в разборных
контактных соединениях (шинопроводы, монтажные
провода).
Для этого контактные рабочие поверхности серебрятся,
меднятся или армируются медью. Следует, однако,
иметь в виду невысокую механическую прочность
алюминия, вследствие чего соединения могут со
временем
ослабнуть
и
контакт
нарушится.
Для коммутирующих контактов алюминий непригоден.

16.

Материалы контактных соединений
Платина, золото, молибден. Применяются для
коммутирующих контактов на очень малые токи при
малых напряжениях. Платина и золото не образуют
окисных пленок. Контакты из этих металлов имеют
малое
переходное
сопротивление.
Вольфрам и сплавы из вольфрама. При большой
твердости и высокой температуре плавления обладают
высокой электрической износостойкостью. Вольфрам и
сплавы
вольфрам-молибден,
вольфрам-платина,
вольфрам - платина-иридий и другие применяются при
малых токах для контактов с большой частотой
размыкания При средних и больших токах они
используются в качестве дугогасительных контактов на
отключаемые токи до 100 кА и более.

17.

Материалы контактных соединений
Металлокерамика — механическая смесь двух почти не
сплавляющихся металлов, получаемая методом спекания смеси
их порошков или пропиткой одного расплавом другого. При
этом один из металлов имеет хорошую проводимость, а другой
обладает большой механической прочностью, является
тугоплавким и дугостойким.
Металлокерамика,
таким
образом,
сочетает
высокую
дугостойкость с относительно хорошей проводимостью.
Наиболее распространенными композициями металлокерамики
является: серебро-вольфрам, серебро-молибден, серебро-никель,
серебро-окись кадмия, серебро-графит, серебро-графит-никель,
медь-вольфрам, медь-молибден, и др.
Применяется металлокерамика в качестве дугогасительтных
контактов (композиции с серебром в основном для переменного
тока) на средние и большие отключаемые токи, а также как
главные контакты на номинальные токи до 600 А.

18.

Материалы контактных соединений
Материалы, применяемые в аппаратостроении, могут
быть разбиты на следующие группы:
1.Проводниковые - главным образом медь, сталь,
алюминий, латунь;
2. магнитные - различного рода стали и сплавы для
магнитопроводов;
3.изоляционные - для электрической изоляции
токоведущих частей друг от друга и от заземленных
частей;
4. дугостойкие изоляционные - асбест, керамика,
пластмассы — для дугогасительных камер;
5.сплавы,
обладающие
высоким
удельным
сопротивлением - для изготовления различных
резисторов;

19.

Материалы контактных соединений
6. контактные - серебро, медь, металлокерамика - для
обеспечения
нормальной
электрической
износостойкости контактов;
7. биметаллы - применяются в автоматических
аппаратах, используя линейное удлинение различных
металлов при нагревании током;
8. конструкционные — металлы, пластмассы,
изоляционные материалы для придания аппаратам и их
деталям тех или иных форм и для изготовления
деталей.
Технический прогресс в аппаратостроении в
значительной
степени
зависит
от
качества
перечисленных материалов.

20.

Прецизионные сплавы
Прецизионные сплавы - это металлические высоко
легированные комбинации с заранее определенным
набором свойств и характеристик, производимые со
строгим соблюдением технологии и без посторонних
вкраплений в структуре. Точность состава — главное
условие производства прецизионных сплавов. Выбор
входящих в сплав элементов и заранее рассчитанное их
соотношение наделяют изготавливаемый материал
особыми свойствами, необходимыми в каждом
конкретном случае и сфере использования. Без этих
соединений в наше время не могли бы полноценно
существовать такие отрасли как электротехника,
авиация, энергетика, оптика, нанотехнологии и другие.

21.

Прецизионные сплавы
Большинство прецизионных сплавов изготавливаются
на основе черных металлов, и лишь немногие на
основе цветных.
Материалы делятся на семь категорий в зависимости от
их свойств, а именно: магнитно-мягкие сплавы,
магнитно-твёрдые сплавы, сплавы с заданным
температурным коэффициентом линейного
расширения, сплавы с заданными свойствами
упругости, сверхпроводящие сплавы, термобиметаллы.

22.

Прецизионные сплавы
Первым прецизионным сплавом принято считать инвар
- соединение железа с никелем, которое было создано в
1896 году французским физиком Шарлем Гийомом.
Ученый искал недорогой материал для изготовления
эталонов мер массы и длины, ведь в то время для этих
целей использовали очень дорогой сплав на основе
платины и иридия.
За открытие инвара в 1920 году Гийом был удостоен
Нобелевской премии.
Прецизионные сплавы (франц. precision – точность)
отличаются высокой точностью химического состава.

23.

Прецизионные сплавы
Прецизионные сплавы (от франц. precision — точность),
металлические сплавы с особыми физическими
свойствами (магнитными, электрическими, тепловыми,
упругими) или редким сочетанием физических,
физико-химических и механических свойств, уровень
которых в значительной степени обусловлен точностью
химического состава, отсутствием вредных примесей,
соответствующей структурой сплава.
Большинство прецизионные сплавы создано на основе
Fe, Ni, Со, Cu, Nb.

24.

Сплавы с особыми тепловыми и упругими
свойствами
Для
ряда
отраслей
машиностроения
и
приборостроения необходимо применение материалов
со строго регламентированными значениями в
определенных
температурных
интервалах
эксплуатации таких физических свойств, как
температурные
коэффициенты
линейного
расширения
(ТКЛР) и модуля нормальной
упругости (ТКМУ).
Эти коэффициенты определяют характер изменения
размеров детали и модуля упругости сплава при
нагреве.

25.

Сплавы с особыми тепловыми и упругими
свойствами
Самое низкое значение ТКЛР в диапазоне температур
от –100 до +100°С имеет сплав, содержащий 36 % Ni.
Этот сплав был открыт в 1896 г. и назван инваром (лат.
invariabilis – неизменный) из-за минимальных
значений коэффициента теплового расширения.
Для металлов с кубической кристаллической решеткой
ТКЛР изотропен. Его значения не зависят от
направлений
кристаллической
решетки
и
преимущественной
ориентации
текстуры.
Термический коэффициент объемного расширения
втрое превышает ТКЛР.

26.

Для сплавов Fe – Ni инварного состава, помимо низких
значений ТКЛР, характерна еще одна аномалия –
аномалия температурного коэффициента модуля
упругости. В любых твердых телах, в том числе
металлах, при нагреве наблюдается уменьшение модуля
упругости, являющегося мерой сил межатомных связей.
В сплавах с инварным эффектом модуль упругости
растет или остается постоянным с повышением
температуры. Характерно, что максимальной величиной
ТКМУ обладает тот же Fe – Ni сплав с самым низким
значением ТКЛР, содержащий 36 % Ni. Подбор
определенного
химического
состава
позволяет
разработать сплавы, модуль упругости которых
практически не зависит от температуры.

27.

Сплавы с особыми тепловыми и упругими
свойствами
Сплавы, сохраняющие постоянство модуля упругости
в
широком
интервале
температур,
называют
элинварами.
Природа
аномального
изменения ТКЛР инварных сплавов, так же как и
модуля нормальной упругости, имеет ферромагнитное
происхождение.
В ферромагнитных Fe – Ni сплавах инварного типа
велик уровень объемной магнитострикции увеличения объема за счет внутреннего магнитного
поля.
При
нагреве
происходит
уменьшение
магнитострикционной составляющей объема. Выше
температуры точки Кюри магнитострикционные
деформации полностью исчезают в связи с переходом
металла в парамагнитное состояние.

28.

Сплавы с особыми тепловыми и упругими
свойствами
Нормальная составляющая ТКЛР при нагреве растет
вследствие уменьшения энергии связи атомов. Этот
рост компенсируется уменьшением магнитострикции в
результате снижения намагниченности, как следствие
усиления тепловых колебаний атомов.
В итоге при нагреве до температуры точки Кюри
объем инварных сплавов мало меняется.
ТКЛР для некоторых сплавов может даже
приобретать отрицательные значения и их объем
даже уменьшается. Для обеспечения стабильности
температурного коэффициента линейного расширения
и модуля упругости для каждого конкретного случая
необходимо применение сплавов строго определенного
химического состава.

29.

Прецизионные сплавы
Прецизионные сплавы с особыми электрическими
свойствами относятся к более общему классу
криогенных
материалов.
Они
характеризуются
определенным
комплексом
электрических
характеристик при низких температурах (от -269 до
+20 °С); применяют в криогенном приборостроении и
электромашиностроении для создания уровнемеров
жидкого
гелия,
температурных
датчиков
и
тензорезисторов. В основе данных материалов лежат
несколько систем: Титан-молибден (Ti-Mo): 70ТМ;
Никель-молибден (Ni-Mo) с присадками ванадия (V) и
алюминия (Al): НМ23ЮФ; Железо-хром-алюминий
(Fe-Cr-Al) с присадками молибдена (Mo) и ванадия (V):
0Х13Ю5ФМ.

30.

Прецизионные сплавы
К прецизионным сплавам относится ряд сплавов с
аномалией свойств, среди которых особое место
занимают сплавы с очень малым изменением
физических параметров при изменении температуры,
магнитного, электрического поля, механических
нагрузок (например, инвар, элинвар, манганин,
константан, перминвар).
Важное практическое значение имеют и сплавы,
характеризующиеся, наоборот, весьма большим
изменением физических параметров при изменении
внешних условий (например, пермаллой, алюмель,
хромель, копель, магнитострикционные материалы,
пружинные сплавы, термобиметаллы).

31.

Обозначение химических элементов в марках
прецизионных сплавов
Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь, К —
кобальт, Л — бериллий, М — молибден, Н — никель, Р —
бор, С — кремний, Т — титан, Ю — алюминий, X — хром, Ф —
ванадий.
Буква А в конце марки обозначает, что сплав изготовляется с
суженными пределами химического состава, цифра 1 в
наименовании марок 29НК-1 и 29НК-ВИ-1 обозначает суженные
пределы норм ТКЛР. Буква Е в наименовании марок обозначает
сплав магнитно-твердый.
При применении специальных способов выплавки или их
сочетаний:
вакуумно-индукционного,
электронно-лучевого,
плазменного,
электрошлакового
и
вакуумно-дугового
дополнительно
обозначают
через
тире
соответственно: ВИ, ЭЛ, П, Ш, ВД.