Из какого материала делают токопроводящие пружины и контакты

Из какого материала делают токопроводящие пружины и контакты: основу составляют медные сплавы, в которых одновременно обеспечены упругость, релаксационная стойкость и достаточная электропроводность. Чистая медь обладает высокой проводимостью, но не держит упругих свойств; чистые пружинные стали хорошо пружинят, но имеют низкую проводимость и склонны к коррозии. Компромисс — медные сплавы: бериллиевая бронза (БрБ2), оловянно-цинковая бронза (БрОЦ4-3), оловянно-фосфористые бронзы группы БрОФ и нейзильбер МНЦ15-20. Поверхность контактных частей дополнительно защищают и активируют гальваническими покрытиями: серебром, золотом, никелем, оловом и их сплавами.

Материал выбирают, исходя из назначения изделия — токоведущая пружина реле, плоский упругий контакт, штепсельный разъём, контактная пара коммутационного аппарата, мембрана или сильфон. Требования к упругости, числу циклов нагружения, рабочему току, температурному диапазону, коррозионной стойкости и стоимости определяют конкретную марку и состояние поставки полуфабриката. В статье разобраны требования к материалу токопроводящих пружин и контактов, основные классы медных сплавов, действующие стандарты и принципы выбора покрытий.

Требования к материалу: упругость и проводимость

Токоведущая пружина и пружинящий контакт работают одновременно как несущий упругий элемент и как проводник электрического тока. Это редкое сочетание требований, которое одновременно удовлетворяют только специальные сплавы.

Главный технический конфликт: повышение прочности и упругости обычно снижает электропроводность. Задача материала — обеспечить приемлемый компромисс между этими параметрами.

К материалу токопроводящих пружин и контактов предъявляются следующие требования:

• Высокий предел упругости и стойкость к релаксации напряжений. Пружина должна сохранять контактное усилие в течение всего срока службы при заданной температуре.
• Достаточная электропроводность. Снижает падение напряжения и тепловыделение в контактной зоне. Обычно нормируется в процентах от проводимости отожжённой меди (% IACS).
• Сопротивление усталости (циклическая выносливость). Большое число замыканий и размыканий, вибрационные нагрузки.
• Коррозионная стойкость. В атмосферных условиях, агрессивных промышленных средах, при контакте с разнородными металлами.
• Технологичность. Способность к холодной прокатке, волочению, навивке, штамповке, формованию мембран и сильфонов; пригодность к пайке и сварке.
• Совместимость с покрытиями. Хорошая адгезия гальванических покрытий — серебра, золота, никеля, олова — в типовых электролитах.
• Стабильность свойств при нагреве. Сохранение упругости и переходного сопротивления в рабочем диапазоне температур.

Для разных уровней нагрузки исторически сформировались три основные группы медных сплавов: бериллиевая бронза — для самых ответственных пружинных и контактных элементов; оловянные бронзы — для широкого круга пружинящих контактов средней нагрузки и манометрических пружин; нейзильбер — для пружин реле, разъёмных контактов и деталей глубокой вытяжки.

Бериллиевая бронза БрБ2

Бериллиевая бронза БрБ2 — основной материал для самых ответственных пружинных и контактных элементов в приборостроении и электротехнике. Это безоловянная бронза, обрабатываемая давлением, химический состав регламентирован ГОСТ 18175-78.

Термообработка и состояние поставки

БрБ2 относится к дисперсионно-упрочняемым сплавам. После закалки от температуры около 750–800 °C сплав переводится в пересыщенный твёрдый раствор и становится пластичным (мягкое состояние М). Последующее старение при 300–350 °C в течение нескольких часов выделяет упрочняющую фазу и резко повышает предел упругости и твёрдость (твёрдое состояние Т, полученное после деформации и старения).

Полуфабрикаты из бериллиевой бронзы поставляются по действующим стандартам:

• Проволока — ГОСТ 15834-2016 (взамен ГОСТ 15834-77);
• Прутки — ГОСТ 15835-2013 (взамен ГОСТ 15835-70);
• Полосы и ленты — ГОСТ 1789-2013 (взамен ГОСТ 1789-70).

Эксплуатационные свойства

• Высокий предел упругости и сопротивление релаксации напряжений в широком интервале температур.
• Удовлетворительная электропроводность — типично в диапазоне порядка 25–35 % IACS в зависимости от состояния поставки и режима старения.
• Сохранение упругих свойств при нагреве и в криогенных условиях.
• Высокая коррозионная и усталостная стойкость; искробезопасность (при ударах и трении не даёт искр).

Типовое применение

Из БрБ2 изготавливают: токоведущие пружины реле и переключателей; пружинящие контакты разъёмов; мембраны и сильфоны; электроды для контактной электросварки; чувствительные упругие элементы приборов; искробезопасный ручной инструмент.

Бериллий и его пыль токсичны. Механическая обработка БрБ2 — резка, шлифовка, фрезерование, сварка — требует местной вытяжной вентиляции и применения средств индивидуальной защиты органов дыхания. Сплав не рекомендуется применять в атмосфере аммиака и галогенов: возможна межкристаллитная коррозия и коррозионное растрескивание под напряжением.

Оловянные бронзы группы БрОФ и БрОЦ

Оловянные бронзы, обрабатываемые давлением, регламентированы ГОСТ 5017-2006 «Бронзы оловянные, обрабатываемые давлением. Марки» (взамен ГОСТ 5017-74). Стандарт распространяется на оловянно-фосфористые, оловянно-цинковые и оловянно-цинково-свинцовые бронзы. Эти сплавы существенно дешевле бериллиевой и не требуют сложной термической обработки: пружинные свойства достигаются холодной деформацией (нагартовкой).

Оловянно-цинковая бронза БрОЦ4-3

Согласно ГОСТ 5017-2006, основное назначение бронзы БрОЦ4-3 (примерный состав: Cu — основа, Sn — около 4 %, Zn — около 3 %) — изготовление лент, полос и прутков, применяемых в электротехнике, а также токоведущих пружин, контактов, штепсельных разъёмов и пружинной проволоки. Это рабочая «классика» для пружинящих контактных элементов средней нагрузки.

Оловянно-фосфористые бронзы БрОФ

Группа БрОФ — оловянные бронзы с добавкой фосфора (в виде раскислителя и упрочняющего компонента). Согласно ГОСТ 5017-2006, типовое назначение марок этой группы:

Оловянные бронзы группы БрОФ ценятся за стабильные пружинные свойства, хорошую коррозионную стойкость в атмосфере и в большинстве промышленных сред, технологичность холодной прокатки и волочения. Электропроводность ниже, чем у БрБ2 и тем более чистой меди, но достаточна для большинства слаботочных коммутационных применений.

Нейзильбер МНЦ15-20

Нейзильбер — медно-никелево-цинковый сплав. Марка МНЦ15-20 регламентирована ГОСТ 492-2006 «Никель, сплавы никелевые и медно-никелевые, обрабатываемые давлением». Маркировка читается как «медь — никель (около 15 %) — цинк (около 20 %)».

Свойства и состояния поставки

Нейзильбер сочетает хорошую коррозионную стойкость, удовлетворительные пружинные свойства, высокую пластичность в мягком состоянии (пригоден для глубокой вытяжки) и упругость в нагартованном состоянии. Полуфабрикаты выпускаются по действующим стандартам:

• Ленты — ГОСТ 5187-2003 «Ленты из мельхиора, нейзильбера и монеля. Технические условия». Состояния: М (мягкая), П (полутвёрдая), Т (твёрдая), ОТ (особо твёрдая). Мягкие ленты применяют для глубокой вытяжки и штамповки, твёрдые и особо твёрдые — для пружинных элементов и контактов коммутационной техники.
• Полосы — ГОСТ 5063-2016 «Полосы из медно-никелевых сплавов. Технические условия» (взамен ГОСТ 5063-73).
• Проволока — ГОСТ 5220-2018 «Проволока нейзильберовая. Технические условия» (взамен ГОСТ 5220-78). Поставляется в мягком, полутвёрдом и твёрдом состояниях: мягкая — для гибки и навивки, твёрдая — для пружин и упругих контактных элементов.

Применение

МНЦ15-20 по справочному назначению применяется для пружин реле, деталей электротехники, штампованных деталей коммутационной аппаратуры, упругих контактов разъёмов и для деталей, получаемых глубокой вытяжкой. По коррозионной стойкости в атмосферных условиях нейзильбер сравним с медно-никелевыми сплавами; по упругости в твёрдом состоянии уступает бериллиевой бронзе, но превосходит чистую медь и латунь.

Сравнение медных сплавов

Численные значения предела прочности, предела упругости, электропроводности и других механических и физических свойств зависят от состояния поставки полуфабриката (мягкое, полутвёрдое, твёрдое, особо твёрдое), степени нагартовки, режима термообработки и геометрии изделия. Конкретные нормированные значения берут из действующих ГОСТов на соответствующие виды полуфабрикатов и из справочников по медным сплавам.

Покрытия контактных поверхностей

На контактные поверхности из медных сплавов наносят защитно-функциональные металлические покрытия. Они снижают переходное сопротивление контактной пары, предотвращают окисление и сернение медной поверхности, обеспечивают паяемость и сохраняют параметры контакта в условиях коммутации и в коррозионно-активной среде.

Обозначения покрытий и подслоёв стандартизованы ГОСТ 9.306-85 «Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Обозначения». Технологические операции нанесения регламентируются ГОСТ 9.305-84.

Основные типы покрытий контактов

Многослойные системы покрытий

На практике контакты часто покрывают многослойными системами с никелевым подслоем. Никель играет роль диффузионного барьера между медной основой и драгметаллом верхнего слоя, повышает износостойкость и снижает расход дорогих покрытий. Типичные системы для контактов:

• никель — серебро (Н–Ср): экономичные сильноточные контакты;
• никель — золото (Н–Зл): разъёмы повышенной надёжности;
• никель — палладий — золото или никель — палладий-никель — золото: разъёмы с большим числом сочленений;
• никель — олово или сплав олово-никель — олово: паяемые контакты;
• сплав олово-никель: альтернатива чистому олову в условиях, где нужна твёрдость и стойкость к «оловянной чуме».

Выбор покрытия и его толщины — самостоятельная инженерная задача, зависящая от рабочего тока, числа циклов коммутации, коррозионной обстановки, требований к переходному сопротивлению и условиям пайки. Для ответственных изделий покрытия задают конструкторской документацией с прямой ссылкой на ГОСТ 9.306-85 и технологические нормативы.

Состояния поставки полуфабрикатов

Пружинные свойства медных сплавов сильно зависят от состояния поставки. Для бериллиевой бронзы оно определяется термообработкой (закалка плюс старение), для оловянных бронз и нейзильбера — степенью нагартовки (холодной пластической деформации).

При расчёте упругого элемента учитывают, что нагрев в процессе пайки или эксплуатации частично или полностью снимает нагартовку, возвращая материал к мягкому состоянию и резко снижая упругие свойства. Поэтому ответственные пружинящие контакты соединяют пайкой только в специально предусмотренных точках, не попадающих в зону рабочей деформации.

Выбор материала по назначению

1. Высоконагруженные пружинные контакты, мембраны, сильфоны, ответственные упругие элементы приборов. Бериллиевая бронза БрБ2 (ГОСТ 18175-78) в состоянии Т после закалки и старения. Полуфабрикаты — лента и полоса по ГОСТ 1789-2013, проволока по ГОСТ 15834-2016, прутки по ГОСТ 15835-2013.
2. Токоведущие пружины и пружинящие контакты средней нагрузки, штепсельные разъёмы, пружинная проволока. Оловянно-цинковая бронза БрОЦ4-3 (ГОСТ 5017-2006) — основной материал по справочному назначению стандарта.
3. Плоские пружины и пружинящие контакты в коммутационной аппаратуре. Оловянно-фосфористые бронзы БрОФ6,5-0,4 и БрОФ6,5-0,15 (ГОСТ 5017-2006) в нагартованном состоянии (твёрдое или особо твёрдое).
4. Манометрические пружины и трубки приборов КИП. Бронза БрОФ4-0,25 (ГОСТ 5017-2006) — стандартное справочное назначение.
5. Пружины реле, контакты разъёмов, детали глубокой вытяжки. Нейзильбер МНЦ15-20 (ГОСТ 492-2006). Ленты — ГОСТ 5187-2003, полосы — ГОСТ 5063-2016, проволока — ГОСТ 5220-2018.
6. Контактная поверхность. Гальваническое покрытие по ГОСТ 9.306-85 с никелевым подслоем — серебро для сильноточных контактов, золото для слаботочных разъёмов повышенной надёжности, олово или сплав олово-свинец для паяемых контактов массового применения.

Типичные ошибки выбора

1. Применение чистой меди или латуни в качестве пружинного материала. Они имеют высокую проводимость, но низкий предел упругости и быструю релаксацию напряжений; пружинящий контакт «садится» уже после первых десятков срабатываний.
2. Использование пружинной стали в качестве токоведущей пружины. Низкая электропроводность стали приводит к перегреву контакта и подгоранию; коррозионная стойкость стали без покрытий тоже недостаточна.
3. Игнорирование состояния поставки. Лента БрОЦ4-3 или МНЦ15-20 в мягком состоянии не выдержит контактного усилия; для пружин и контактов берут твёрдое или особо твёрдое состояние.
4. Отжиг пружинящих контактов после формовки. Полное обезличивание упругих свойств нагартованного материала. Бериллиевую бронзу после формовки доводят закалкой и старением; оловянные бронзы и нейзильбер сохраняют состояние твёрдости только при ограниченном нагреве.
5. Эксплуатация бериллиевой бронзы в аммиачной среде. Межкристаллитная коррозия и коррозионное растрескивание под напряжением — характерные отказы БрБ2 в атмосфере, содержащей аммиак и его соединения.
6. Покрытие медной основы драгметаллом без никелевого подслоя. Медь диффундирует через серебро или золото, образует на поверхности оксиды и сульфиды, переходное сопротивление растёт. Никелевый подслой служит барьером для диффузии.
7. Несоответствие выбранного покрытия рабочему току. Тонкое золочение, рассчитанное на слаботочный разъём, не подходит для сильноточного контакта — оно быстро изнашивается и теряет защитные свойства.
8. Применение «оловянной чумы» при низких температурах. Чистое оловянное покрытие на эксплуатируемых при отрицательной температуре контактах склонно к аллотропическому переходу олова. Для таких условий применяют сплав олово-свинец или олово-никель.

Частые вопросы