2.6. Электроугольные изделия

Основа электроугольных изделий — графит, уголь, сажа, содержащие более 90 % углерода. Проводимостью они почти не уступают металлам и их сплавам, химически устойчивы, имеют температуру плавления около +3600 ^ОС, а графит — ещё и весьма низкий коэффициент трения. Эти свойства угольных материалов позволяют изготовлять из них щётки электрических машин, электроды дуговых печей, осветительных устройств и электролитических ванн, детали гальванических элементов, непроволочные резисторы, микрофонные порошки, детали газоразрядных осветительных ламп высокого давления и мощных радиоламп.

Э лектроугольные изделия изготовляют методом порошковой технологии. Заготовки изделий прессуют в стальных формах при температуре около +200 ^ОС и давлении 100...300 МПа из измельчённых углеродистых материалов, смешанных друг с другом и со связующим — каменноугольной смолой. Полученные заготовки подвергают обжигу при температуре +1200...1300 ^ОС, при которой связующее преобразуется в кокс и спекает частицы исходных материалов. Изделия приобретают механическую прочность, удельное электрическое сопротивление материала уменьшается.

Электроугольные изделия с неграфитовыми фракциями (сажа, кокс, термоантрацит) подвергают графитизации — дополнительной термической обработке при температуре около +2500 ^ОС , при которой увеличиваются размеры кристаллов материала, что уменьшает его твёрдость, коэффициент трения и удельное электрическое сопротивление.

Д

Рис.2.10. Электроугольные изделия:

а — угольная щётка, б — электрод дугового прожектора, в — электродуговая печь с самоспекающимся электродом.

1, 4 — омеднение, 2 — соединительный проводник, 3 — тело щётки, 5 — угольная оболочка, 6 — угольный фитиль, 7 — электродная масса, 8 — формо-образующий кожух, 9 — электрод

ля защиты от влаги угольные изделия пропитывают расплавленными свинцом или оловом, жидкими воскообразными веществами или лаками. Пропитка, кроме того, увеличивает прочность изделий и может выполнять функции смазки в скользящих контактах.

На стадии приготовления формовочной массы в неё могут быть введены добавки, придающие электроугольным изделиям необходимые качества: порошки меди или бронзы для снижения электрического сопротивления щёток электрических машин, вещества, обеспечивающие требуемую цветность электродуговых источников света.

В электродуговых плавильных печах, работа которых не может быть прервана для смены электродов, используют самоспекающиеся угли. Печи снабжены металлическими кожухами или графитовыми формообразующими блоками (рис. 2.10). По мере сгорания электрода в кожух сверху загружают электродную массу, которая, опускаясь постепенно в зону высоких температур, спекается в электрод. Диаметр таких электродов может достигать 5 метров.

2.7. Металлические и металлокерамические материалы для электрических контактов

При замыкании и размыкании цепей с электрическим током между контактами возникает электрическая дуга, вызывающая электроэрозионные процессы — разрушение контактов, хаотичный перенос металла с одного контакта на другой, что часто происходит, если контакты коммутируют цепи постоянного тока.

Н

Рис.2.11. Разрушение контактов (а) электроэрозией (б), коррозией (в):

1 — контакт с наростом,

2 — контакт с кратером,

3 — корродированная поверхность контакта

а одном из контактов возникает нарост, на другом — кратер (рис. 2.11, б), уменьшается площадь соприкосновения контактов, увеличивается их переходное сопротивление, контакты недопустимо нагреваются протекающим током и активно корродируют под действием агрессивных компонентов окружающей среды. Продукты коррозии на поверхности контактов (рис. 2.11, в) имеют высокое удельное электрическое сопротивление, что усиливает нагрев контактов протекающим током. Нагрев контактов бывает столь значительным, что они привариваются один к другому и разомкнуться уже не могут.

Для исключения эрозионных и коррозионных процессов материал контактов должен иметь высокую температуру плавления, противостоять коррозии и образованию электрической дуги.

Для борьбы с разрушающими процессами контакты изготовляют из платины, палладия, золота, серебра, вольфрама и молибдена; поверхности контактов покрывают указанными материалами или их сплавами; используют специальные металлокерамические материалы. Методы борьбы качественно неравноценны, затраты на них зависят от стоимости использованных материалов и способов их применения.

Контакты на токи до 1 А и напряжения 10…20 В изготовляют из чистых металлов: платины, палладия, золота, серебра, тугоплавких вольфрама и молибдена.

Для контактов на большие токи используют серебро, медь и сплавы серебра с палладием, кадмием, медью, сплавы меди с кадмием.

Платина не окисляется на воздухе, не склонна к образованию электрической дуги, но дорога и при малых токах способна создавать иглоподобные образования — мостики, которые препятствуют размыканию цепи тока, соединяя разомкнутые контакты. Особо ответственные прецизионные контакты изготовляют из сплавов платины с иридием или родием.

Палладий значительно дешевле платины, но менее стоек к окислению, электрической эрозии и явлению переноса. При изготовлении контактов палладий часто используют в виде сплава с серебром.

Золото склонно к дугообразованию и эрозионному переносу, поэтому его применяют в сплавах с платиной, серебром, никелем.

Серебро лучше, чем платина и золото противостоит эрозионному переносу металла, хотя и склонно к образованию дуги. Для изготовления контактов широко используют сплавы серебра с медью. Серебро активно корродирует в присутствии серы, поэтому соприкосновение серебряных контактов с серосодержащими материалами, например, с резиной, недопустимо.

Вольфрам — один из наиболее распространённых контактных материалов. Он обладает большой твёрдостью и высокой температурой плавления — +3380 ^ОС, что препятствует свариванию контактов при значительных токах. Вольфрам стоек к образованию дуги, мало подвержен эрозии и явлению переноса. Для изготовления контактов широко используют сплавы вольфрама с медью и никелем, с никелем и серебром.

Молибден также тугоплавок (+2630 ^ОС), но склонен к эрозии больше, чем вольфрам. При температурах более +500 ^ОС он корродирует на воздухе, образуя рыхлый слой окисла, способный нарушить работу контактов.

В электрических коммутационных аппаратах широко используют биметаллические контакты, тело которых выполнено из относительно дешёвых меди, никеля, стали, а их контактирующая поверхность покрыта платиной, золотом, серебром, стойкими к эксплуатационным воздействиям.

Металлокерамические материалы получают методом порошковой металлургии из смеси металлических порошков разнородных материалов: один — с высокой проводимостью, другой — тугоплавкий с высокой твёрдостью (из серебра с вольфрамом, молибденом, никелем, графитом; из меди с вольфрамом или графитом). Из смеси порошков прессуют, а затем обжигают заготовки в виде контактов. При прессовании и обжиге один компонент порошка плавится, а другой остаётся в твёрдом состоянии. Пористые заготовки затем пропитывают расплавленными медью или серебром.

Металлокерамика совмещает положительные свойства входящих в неё компонентов. Металлокерамические контакты отличаются стойкостью к оплавлению, привариванию, механическому износу из-за наличия тугоплавких твёрдых зёрен, имеют малое удельное сопротивление за счёт присутствия меди или серебра. Металлокерамические контакты в меньшей степени подвержены эрозии и коррозии, чем чистые металлы, входящие в их состав.