Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Из какого материала делают электрические контакты — вопрос, на который не существует одного универсального ответа. Контактная пара одновременно должна хорошо проводить ток, не свариваться при включении, выдерживать дуговую эрозию при разрыве, противостоять механическому износу и не образовывать оксидных плёнок с высоким переходным сопротивлением. Один металл всеми этими свойствами не обладает, поэтому в коммутационной аппаратуре применяют чистые металлы (медь, серебро, вольфрам, золото, платину, палладий), их сплавы и композиционные металлокерамические материалы, получаемые методами порошковой металлургии.
Электрический контакт — место сопряжения двух токопроводящих деталей, через которое проходит ток. Различают неподвижные (болтовые, прессуемые), скользящие (щёточные, ламельные) и разрывные контакты коммутационных аппаратов. Самые жёсткие требования предъявляют именно к разрывным: они работают в условиях нагрева, дуги и механических ударов.
Идеального материала, который удовлетворял бы всем требованиям одновременно, не существует. Поэтому контакт почти всегда — это компромисс или композиция нескольких компонентов.
Эти требования взаимно противоречивы: высокая проводимость свойственна мягким металлам (медь, серебро), а износо- и дугостойкость — твёрдым тугоплавким (вольфрам, молибден). Отсюда — две стратегии: либо легирование с допустимой потерей проводимости, либо композит из мягкой и тугоплавкой фаз, не образующих между собой сплава.
Медь — основной материал силовых неподвижных контактов: шин, наконечников, болтовых соединений распределительных устройств. По ГОСТ 859-2014 для электротехнических нужд применяют бескислородную медь марок М00б, М0б и раскисленную М1, М1р, М1ф; марки М1 и М1р, поставляемые для электротехники и подлежащие испытаниям на электропроводность, дополнительно маркируют буквой Е (М1Е, М1рЕ). Удельное электрическое сопротивление меди составляет около 17 нОм·м при 20 °C; удельная электропроводность отожжённой меди принята за эталон 100 % IACS и соответствует 58 МСм/м.
Недостатки меди как материала разрывного контакта известны: на воздухе она быстро покрывается оксидной плёнкой Cu2O и CuO с высоким сопротивлением; невысокая твёрдость не препятствует свариванию при бросках тока; температура плавления (1085 °C) недостаточна для уверенного гашения дуги. Поэтому в разрывных контактах низковольтных и высоковольтных аппаратов поверх медного основания напаивают либо серебряные накладки, либо металлокерамические композиции.
Серебро обладает самой высокой среди металлов электропроводностью и теплопроводностью. Оксид серебра Ag2O при нагревании выше 200 °C разлагается на металл и кислород, поэтому на серебряных контактах не образуется устойчивой высокоомной плёнки — переходное сопротивление остаётся стабильным. Марки и составы технического серебра нормирует ГОСТ 6836-2002 «Серебро и сплавы на его основе. Марки» (действующая редакция). Для разрывных и скользящих контактов используют марки Ср 999,9 и Ср 999, для накладок и сплавов — более низкие пробы с медью, никелем, магнием.
Серебро уступает меди и вольфраму по дугостойкости: при разрыве сильноточной дуги оно интенсивно испаряется и переносится с контакта на контакт. Поэтому в чистом виде серебро применяют главным образом для контактов малых и средних мощностей либо в виде накладок, а в сильноточной аппаратуре — в составе композиций с оксидами и тугоплавкими металлами.
Драгоценные металлы платиновой группы применяют в слаботочных контактах прецизионных реле, измерительных приборов, телефонии и автоматики, где токи меньше тока возникновения дуги. Главное достоинство — химическая инертность: на поверхности не образуется оксидных и сульфидных плёнок, переходное сопротивление стабильно при микротоках и низких нажатиях. Недостаток — малая твёрдость золота и склонность платины к образованию «фрикционного полимера» при наличии паров органики, что ограничивает применение в открытой атмосфере.
Вольфрам и молибден занимают противоположный край шкалы свойств: очень высокая температура плавления, твёрдость и стойкость к дуговой эрозии, но проводимость в разы ниже, чем у меди и серебра. Сами по себе они применяются ограниченно — как «дугогорящие» наконечники в системах зажигания, прерывателях, низковольтных вибраторах и реле. Их основная роль — тугоплавкая фаза в композиционных материалах с серебром или медью.
Чистое серебро мягко (твёрдость HB около 25 в отожжённом состоянии) и подвержено механическому износу, поэтому его легируют. ГОСТ 6836-2002 регламентирует марки с медью (СрМ), никелем, магнием, палладием. Серебро–медь СрМ 925, СрМ 875, СрМ 800 — твёрже чистого серебра, сохраняют высокую проводимость и применяются в виде накладок на разрывные и скользящие контакты средних мощностей.
Для пружинных контактов реле, где требуется сочетание упругости и стойкости поверхности к мостикообразованию, используют дисперсионно-твердеющие сплавы серебра с магнием и никелем (СрМгН-99) и с добавкой циркония (СрМгНЦр-99); в особо ответственных применениях — четверные сплавы с золотом. После внутреннего окисления магний и цирконий образуют дисперсные оксиды, которые упрочняют матрицу без существенной потери электропроводности.
Серебро с никелем (AgNi) и серебро с графитом (AgC) формально относят к композиционным материалам, поскольку никель и углерод с серебром не образуют твёрдых растворов. Эти материалы и сплавы серебра рассматриваются в следующем разделе совместно с оксидной керамикой.
Сильноточная коммутационная аппаратура — пускатели, контакторы, автоматические и силовые выключатели, разъединители — комплектуется металлокерамическими (псевдосплавными) контактами. Принцип их построения: мягкая, хорошо проводящая фаза (серебро или медь) служит матрицей, а вторая фаза — тугоплавкий металл (W, Mo, Ni) или оксид (CdO, SnO2, ZnO, CuO) — распределена в ней в виде дисперсных включений. Получают такие материалы методами порошковой металлургии: прессованием смеси порошков, спеканием и при необходимости пропиткой пористого тугоплавкого каркаса жидким серебром или медью.
Композиционный подход решает противоречие «проводимость — дугостойкость»: матрица отвечает за ток в номинальном режиме, тугоплавкая фаза — за поведение в дуге.
В течение нескольких десятилетий AgCdO считался «универсальным» материалом разрывных контактов низковольтной аппаратуры с долей CdO от 10 до 15 %. CdO при горении дуги разлагается с выделением газа, охлаждает и ускоряет деионизацию дугового промежутка, что снижает эрозию серебра и противодействует свариванию. Сегодня применение кадмия ограничено директивами по опасным веществам (RoHS, WEEE) из-за токсичности оксида кадмия, поэтому AgCdO в новых разработках замещается оксидно-оловянными материалами.
AgSnO2 — основной экологически безопасный заменитель AgCdO. Содержание SnO2 обычно 10–12 %, в модификации AgSnO2In2O3 дополнительно вводят 3–5 % оксида индия для улучшения поведения при коммутации постоянного тока; используют также легирующие оксиды висмута, меди, вольфрама — для улучшения смачиваемости и снижения переходного сопротивления. Материал показывает лучшую стойкость к дуговой эрозии в диапазоне средних и больших токов и устойчивость к свариванию при индуктивных и ёмкостных нагрузках, что и определяет его широкое применение в современных контакторах и реле.
Содержание никеля — от 10 до 40 %. Никель не растворяется в серебре, образует мелкодисперсную фазу, повышающую твёрдость и износостойкость, при сохранении хорошей электропроводности и низкого переходного сопротивления. AgNi применяется в реле и контакторах средних токов, особенно при резистивных и слабоиндуктивных нагрузках. По сравнению с оксидными материалами он мягче и легче обрабатывается, но уступает им по дугостойкости при больших токах.
Графит резко снижает склонность к свариванию благодаря низкому коэффициенту трения и тому, что в зоне дуги он не плавится, а сгорает. Поэтому AgC применяют там, где главная угроза — залипание контактов при пусковых токах: автоматические выключатели бытового и распределительного назначения, выключатели с большой амплитудой включения. Расплата за низкое сваривание — относительно высокая электроэрозия, поэтому AgC обычно ставят только на один из контактов пары (как правило, на подвижный), а в качестве ответного применяют AgNi или AgSnO2.
Содержание W — до 50–80 %. Эти материалы сочетают приемлемую электропроводность серебряной матрицы и высокую дугостойкость вольфрама. Применяются в сильноточных разрывных контактах высоковольтных выключателей, выключателей нагрузки, контакторах больших токов, контактах машин стыковой сварки. По стойкости к свариванию AgW заметно превосходит AgCdO и AgSnO2.
Композиции на основе меди дешевле серебряных и применяются там, где материал работает в защищённой от окисления среде — в масле, в вакууме или в среде элегаза. CuW — основной материал дугогасительных контактов мощных масляных и воздушных высоковольтных выключателей, выключателей дуговых электропечей, преобразователей тока, контактов машин контактной сварки. CuMo используют в маломасляных высоковольтных выключателях. CuC — там, где требуется низкое трение скольжения и стойкость к свариванию.
В отечественной практике металлокерамические контакты маркируют по системе КМК: первая буква обозначает основу матрицы, цифры — состав и долю второй фазы, дополнительные буквы — особенности технологии. Группа КМК-А объединяет материалы на основе серебра, КМК-Б — на основе меди. Помимо собственно состава могут указываться приёмы изготовления: «м» — мелкодисперсная структура, «д» — двойная допрессовка с промежуточным отжигом, «н» — с подслоем никеля для пайки к медному держателю.
В высоковольтной аппаратуре дуга при отключении достигает температур, при которых медь и серебро уже не существуют в твёрдом виде. Здесь работает другой класс контактов — дугогасительный. Его задача — выдержать удар дуги без разрушения, чтобы основная (главная) пара контактов разошлась без эрозии и обеспечила требуемый ресурс.
Конструктивно дугогасительные контакты выполняют из псевдосплавов CuW (для масляных, воздушных и элегазовых выключателей) или AgW (для аппаратов, где требуется стабильно низкое переходное сопротивление). В вакуумных выключателях традиционно применяют композиции CuCr с массовой долей хрома 25–50 %: хром не растворяется в меди, образует дисперсную фазу и обеспечивает требуемую электрическую прочность вакуумного промежутка.
Чистый вольфрам в открытой воздушной среде окисляется с образованием летучих оксидов уже при «красном калении», поэтому в воздушных аппаратах его применяют только как точечные наконечники в режимах кратковременной дуги, а в основном — в форме псевдосплавов с серебром или медью либо в виде карбида.
Материал контактов выбирают по совокупности параметров: рабочий и предельный ток, род тока (постоянный или переменный), характер нагрузки (резистивная, индуктивная, ёмкостная, ламповая, двигательная), частота коммутаций, требуемый ресурс, среда (воздух, масло, элегаз, вакуум), наличие требований по нетоксичности.
Износ контактов определяется четырьмя основными механизмами, и выбор материала всегда подчинён тому, какой из них доминирует в конкретной схеме.
При размыкании и замыкании в зоне последнего контакта возникает мостик расплавленного металла и затем — дуга. Часть металла испаряется, часть переносится с одного контакта на другой, образуя на одном кратер, на другом — нарост. На постоянном токе перенос направленный (с анода на катод или наоборот в зависимости от режима), что приводит к асимметричному износу — характерный признак неправильного подбора материала пары.
Возникает при включении на большие токи, когда металл в зоне касания оплавляется, а затем застывает. Усилие, необходимое для разрыва сваренного контакта, нередко превышает усилие возврата привода — отказ становится отказом «на отключение». Стойкость к свариванию повышают введением графита, оксидов олова и кадмия, использованием тугоплавких фаз.
Окисление, сульфидизация (особенно вреден сероводород для серебра), коррозия в промышленной атмосфере. Особенно опасен для слаботочных контактов: тонкая плёнка сульфида серебра имеет высокое сопротивление и приводит к отказу. Защищаются герметизацией, инертной средой, применением металлов платиновой группы.
Истирание при скольжении, удары при замыкании, вибрация. Снижается выбором более твёрдых материалов и оптимизацией контактного нажатия.
Rп = ρ / (2a)
a ≈ √(F / (π·H))
Несоблюдение требуемого контактного нажатия — типовая причина перегрева силовых болтовых и зажимных соединений с медными деталями. Окисление меди увеличивает ρ в зоне касания на порядки, а недостаточное усилие не «продавливает» оксидную плёнку.
В подавляющем большинстве серий — из композиционного материала AgSnO2 (серебро с оксидом олова), часто с добавкой оксида индия или меди. Этот материал пришёл на смену AgCdO, поскольку оксид кадмия токсичен и попадает под ограничения по опасным веществам. Для отдельных типов нагрузки применяют AgNi или сочетание AgSnO2 с AgC.
Медь хорошо проводит ток, но на воздухе быстро окисляется, мягкая (легко сваривается) и не выдерживает дугу из-за невысокой температуры плавления. Поэтому в разрывных контактах медь оставляют как основание-держатель, а рабочую поверхность делают из серебра или металлокерамики.
Оксиды дисперсно распределяются в серебряной матрице и при горении дуги разлагаются с поглощением энергии и выделением газа, охлаждая дуговой промежуток. Это резко повышает стойкость материала к электрической эрозии и противодействует свариванию контактов при включении на большие токи.
AgSnO2 нетоксичен и не попадает под ограничения по кадмию, лучше работает в диапазоне больших токов и при индуктивно-ёмкостных нагрузках, но имеет немного более высокое переходное сопротивление и сложнее в обработке. AgCdO десятилетиями считался «универсальным» решением для низковольтной коммутации, но сейчас замещается оловянным аналогом.
Вольфрам имеет очень высокую температуру плавления и стойкость к дуге, но его электропроводность в разы ниже, чем у меди и серебра, а на воздухе он окисляется с образованием летучих оксидов. Поэтому вольфрам используют либо точечно — как наконечники в прерывателях зажигания, реле автоматики, кассовых аппаратах, — либо в виде тугоплавкой фазы в композициях CuW и AgW для дугогасительных контактов мощных выключателей.
Из золота, палладия, платины и их сплавов, а также из серебра высокой чистоты и сплавов СрМгН (серебро–магний–никель). Главное требование к таким контактам — стабильное переходное сопротивление при микротоках и малых нажатиях, а оно достигается отсутствием оксидных плёнок на поверхности.
Это композиционные материалы из двух фаз, которые не образуют между собой сплава: мягкого проводника (серебро или медь) и тугоплавкого компонента (вольфрам, молибден, никель, графит, оксиды кадмия, олова, индия). Изготавливают их методами порошковой металлургии — прессованием смеси порошков, спеканием, иногда пропиткой пористого тугоплавкого каркаса жидким серебром или медью.
Это отечественная система обозначения металлокерамических контактов: КМК-А — материалы на основе серебра, КМК-Б — на основе меди. Цифры в обозначении указывают состав и долю второй фазы, а дополнительные буквы — особенности изготовления (мелкодисперсная структура, двойная допрессовка, наличие никелевого подслоя для пайки к держателю).
Марки технического серебра и сплавов на его основе устанавливает ГОСТ 6836-2002 «Серебро и сплавы на его основе. Марки». Для разрывных и скользящих контактов в электротехнических изделиях по этому стандарту применяют серебро марок Ср 999,9 и Ср 999, а также сплавы СрМ различных проб.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.