Контактные материалы. 
Электрические и электронные аппараты

К материалам контактов предъявляют противоречивые требования. Большинство металлов, которые могут быть использованы для создания контактов с малым сопротивлением, обладают невысокой стойкостью к воздействию электрических разрядов (дуги, искры), возникающих при каждом размыкании контактов. Поэтому не существует такого материала, который применялся бы в качестве контактного во всех случаях.

Показатели свойств контактных материалов многообразны. Среди них важнейшими являются:

• — электрические (электропроводность);
• — тепловые (теплопроводность, теплоемкость, теплота испарения, теплота плавления, температуры плавления, кипения и рекристаллизации);
• — химические (окисляемость, способность к образованию сульфидов);
• — механические (плотность, прочность при растяжении, прочность при смятии или твердость);
• — молекулярные (упругость паров, летучесть оксидов, растворимость газов); атомные (потенциал ионизации).

Электротехнические показатели (контактное сопротивление, стойкость к мостиковой эрозии, к дуговой эрозии, свариваемость стойкость к механическому износу) определяются перечисленными выше физическими свойствами материалов, их структурой, конструктивным исполнением контакт-деталей и всего контактного узла, свойствами дугогасительной или искрогасительной системы, окружающей средой и, наконец, режимом работы контактов.

В качестве контактных материалов используются чистые металлы (медь, алюминий, серебро, золото, платина, палладий, родий, олово, вольфрам, молибден, кадмий и др.), сплавы (латунь, бронза, силумин, бериллиевая и кадмиевая бронза и др.), неметаллы (углерод), композиции взаимно не сплавляемых металлов (вольфрам — серебро, вольфрам — медь), композиции металлов с оксидами металлов (серебро — оксид кадмия, серебро — оксид меди, медь — оксид меди), композиции металлов с карбидами (вольфрам — карбид вольфрама), композиции металлов с углеродом (серебро — графит, медь — графит) и многочисленные тройные композиции.

Сочетания свойств контактных материалов определяют возможность их использования в разных диапазонах токов. Соответствие этих диапазонов применимости и контактных материалов приведены на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Области применения контактных материалов.

Контакт-детали удобнее всего изготавливать из того же материала, что и токонровод. Поэтому часто контакты изготавливают из меди. Если токопровод алюминиевый, то контакты выполняют из алюминия. Алюминиевые контакты — это всегда только соединительные контакты. Они всегда требуют периодического контроля в эксплуатации из-за возможного мало предсказуемого роста толщины окисной пленки. Коммутирующие контакты из алюминия не применяют потому, что алюминий обладает весьма малой износостойкостью, легко окисляется и обладает слишком низкой дугостойкостью. В противоположность алюминию медь используют не только в соединительных, но и в коммутирующих контактах.

Необходимость снижения температуры контактов, уменьшения требуемых усилий нажатия вызывает применение в качестве контактных материалов металлов, обладающих высокой электропроводностью, в частности серебра.

В разных слаботочных аппаратах автоматики приходится использовать благородные металлы — золото, платину, палладий. Это делается с целью исключения окисления и образования плохо проводящих оксидных, сульфидных и других пленок потускнения. В контактах, рассчитанных на протекание больших токов, для снижения влияния пленок оксидов часто поверхности контакт-деталей покрывают слоем олова, которое менее подвержено окислению, чем медь, и мягче меди. Последнее позволяет уменьшить необходимую силу сжатия контакт-деталей.

Наиболее сложным является выбор контактного материала, когда контакты подвержены механическому и электрическому износу, а к аппарату предъявляется требование высокой коммутационной износостойкости. Поэтому, например, для главных контактов контакторов и пускателей часто используют различные сплавы металлов и композиции, получаемые на основе металлов и их оксидов. Металлооксидные композиции используются и тогда, когда к контактам предъявляются повышенные требования в отношении сваривания. В частности, довольно широко применяют композиции серебра и оксида кадмия (AgCdO). С этой же целью используются металлографитные композиции.

В ряде случаев какое-то требование к контактам является столь важным, что приходится выбирать материал, обладающий заведомо плохими свойствами в отношении других требований. Примером может служить выбор контактного материала для вакуумных выключателей, где необходимы возможно меньшая скорость испарения металла, возможно меньшее содержание газов, способность выдерживать высокие температуры отжига, применяемого для снятия внутренних механических напряжений. Такими свойствами обладает только вольфрам, который, однако, имеет высокую твердость и малую электропроводность, что вызывает необходимость создания большого контактного нажатия. Кроме того, применение вольфрама связано с тем, что из-за высокого потенциала ионизации вакуумная дуга на вольфрамовых контактах гаснет значительно раньше прохождения переменного тока через нуль и на вольфрамовых контактах возникает срез тока, увеличивающий перенапряжения при коммутации. Однако специфические требования к вакуумным материалам предопределяют использование вольфрама или металлокерамических композиций на его основе, получаемых методами порошковой металлургии. Обширные сведения об экспериментальных данных, описывающих свойства контактных материалов, приведены в работе [3].

В отдельных случаях к контактам предъявляют особо жесткие требования в отношении свариваемости. Подобные требования возникают при создании многих защитных аппаратов, предназначаемых для отключения больших токов короткого замыкания, для работы в электролизном производстве, где номинальные токи могут превосходить 10 к А. В таких условиях становится целесообразным применение жидкометаллических контактов (|21).