книги из ГПНТБ / Казарновский Д.М. Материалы и детали электротехнической аппаратуры

лов никеля и хрома неодинаковы. При частых изменениях тем­ пературы происходит растрескивание оксидной пленки. Нихром используют для изготовления поглотительных, пусковых и регули­ ровочных сопротивлении, а также для нагревательных устройств, небольшой мощности.

Кремнистый нихром представляет собой сплав никеля и хрома Х20Н80 (Сг 20%, Ni 80% )> в который для повышения предельной температуры (до 1200° С) и срока службы (в 4 раза) вводят при­ садки кремния (14%). циркония (0,3%) и лантана. По удельному сопротивлению это сплав приближается к стандартному нихрому.

Хромаль. Сплавы хрома, алюминия и железа, как показал И. И. Корнилов, могут обладать весьма высокой жароупорностью при повышенном содержании хрома (до 65%) и почти полном1 удалении нз состава углерода. По мере увеличения содержания’ хрома растет удельное сопротивление сплава, однако волочение тонкой проволоки становится затруднительным. Так, из сплава, содержащего 20% хрома, может прокатываться проволока диаме­ тром не менее 0,3 мм, а из сплавов с содержанием 25% Сг — про­ волока диаметром не менее 6 мм, из сплава с 65% Сг нагрева­ тельные элементы можно изготовить только отливкой. Хромоалю­ миниевые сплавы выпускаются четырех типов. Сплав № 2 содер­ жит хром (около 25%). алюмнний( около 5%) и железо; его пре­ дельная температура составляет 1250° С. Удельное сопротивление выше, чем у нихрома: р=1,5 ом-мм21м. Бол^е высокой жаростой­ костью (до 1350—1500° С) обладают сплавы с содержанием хро­ ма 40—65%. Однако механическая обработка большинства спла­ вов этого типа затруднена ввиду их хрупкости. Хромоалюминие­ вые сплавы применяют в основном для мощных нагревательных элементов, закалочных печей и т. п.

11-4. КОНТАКТНЫЕ СПЛАВЫ И КОМПОЗИЦИИ

Контакты в электрической цепи могут быть неподвижные, скользящие и разрывные.

Разрывные контакты

Разрывные контакты, имеющиеся в реле, контакторах, выключателях и других аналогичных устройствах, выполняются из ма­ териалов, обладающих достаточной стойкостью к разрушитель­ ным процессам, развивающимся при размыкании цепи под током или замыкании ее. Такими процессами являются, главным обра­ зом. эрозия, коррозия, сваривание и механический износ.

Эрозия. Процессы, связанные с переносом металла, с образова­ нием игл, наростов и кратеров на контактах, с испарением и раз­ брызгиванием металла, называют эрозией. Эрозия связана с по­ лярностью контактов и поэтому выражена более явно при по­ стоянном токе, чем при переменном.

190

При слабых токах эрозия обусловлена возникновением жид­ кого мостика или короткой дуги между контактами. Короткая дуга является бесплазменной, так как в этом случае не происхо­ дит ионизация газа в искровом промежутке. При короткой дуге обычно имеет место «тонкий» перенос металла с анода на катод и образование на нем игл, весьма опасных для работы контактов. Такой вид эрозии характерен для слаботочных контактов.

Плазменная дуга («световая») между контактами возникает при более сильных токах, процесс эрозии при этом существенно изменяется. Наименьшие значения тока и напряжения, при кото­ рых образуется такая ду­

тода, оседает на аноде в виде наростов; происходит «грубый» пере­ нос металла с катода на анод. Характерно, что эрозия при этом почти не зависит от температуры контактов.

При больших нагрузках начинает сказываться термическое дей­ ствие дуги, происходит испарение и разбрызгивание расплавлен­ ного метала, что приводит к «обгоранию» обоих контактов. Эро­ зия, связанная с обгоранием контактов, характерна для сильно нагруженных (сильноточных) контактов.

Из изложенного вытекает, что материалы, стойкие к эрозии, должны обладать высокими значениями потенциала ионизации паров металлов, температуры плавления и испарения, теплопро­ водности и электропроводности.

Рассмотренные процессы эрозии позволяют объяснить исполь­ зование в контактах двух основных групп материалов.

При небольших и средних токах и напряжениях контакты под­ вергаются мостиковой эрозии, действию короткой дуги с «тонким» переносом или плазменной дуги с «грубым» переносом металла. Такие контакты являются маломощными и для них применяют ме­ таллы и сплавы типа твердых растворов.

При больших токах и напряжениях контакты испытывают

в основном термическое действие дуги, сопровождающееся испа­ рением и разбрызгиванием металла. Такие контакты являются мощными и для них применяют не сплавы, а композиции, состоя­ щие из не сплавляющихся между собой легкоплавкого и тугоплав­ кого компонентов.

Коррозия. Процессы, связанные с образованием различных хи­ мических соединений и, в частности, изоляционных пленок на контактах, называют коррозией. Контакты, находящиеся на воз­ духе, при известных условиях окисляются. Если в атмосфере име­ ются сернистые соединения, возможно образование сернистых пленок.

При выделении из пластмассовых деталей газообразных орга­ нических веществ металл контакта может с ними вступать в реак­ цию или оказывать каталитическое действие, ускоряя полимери­ зацию на поверхности контакта. Это приводит к появлению орга­ нических изоляционных пленок.

При высоких температурах на сплаве или композиции может появиться пленка в результате взаимодействия металла с окислом второго компонента, например серебра с окисыо вольфрама.

Образующиеся на благородных металлах пленки имеют малую толщину и высокую электропроводность, обусловленную туннель­ ным эффектом, кроме того, они разлагаются при сравнительно невысокой температуре (например, окись серебра — при 200°С). Поэтому они обычно не нарушают работу контактов.

Образующиеся на неблагородных металлах пленки имеют не-

о

редко большую толщину (свыше 100 А) и для их пробоя тре­ буется значительное напряжение. Кроме того, они не разлагаются даже при высокой температуре. По этим причинам стремятся либо исключить возможность образования таких пленок, либо обеспе­ чить их удаление при работе контактов.

При ударе или сжатии контактов пленка на их поверхности может быть разрушена. Минимально требуемое давление для кон­ тактов из благородных металлов и их сплавов составляет 15—25 Г. Для контактов из неблагородных металлов (например, вольфрама) применяют более высокие давления порядка 1000 Г.

Давление между контактами необходимо также и по другой причине. Соприкосновение контактов происходит не по всей пло­ щади, а лишь в нескольких точках; при увеличении давления про­ исходит смятие металла в контактных точках и переходное сопро­ тивление уменьшается.

Из изложенного вытекает, что материалы, стойкие к коррозии, должны обладать малым средством к кислороду и сере; низкой термической стойкостью продуктов коррозии, малой механической и электрической прочностью образующихся пленок; продукты кор­ розии не должны, даже при высоких температурах, давать непро­ водящих пленок.

192

Сваривание. Плавление металла в контактных точках при замкнутых контактах вызывает их сваривание. Нагрев до темпе­ ратуры плавления может произойти при сильных импульсах тока. Сваривание наблюдается также при замыкании контактов, если под действием дуги образуются жидкие капли металла. Сварива­ ние затруднено при использовании твердых, тугоплавких метал­ лов и сплавов с высокой электропроводностью и теплопровод­ ностью.

Механические и технологические факторы. Помимо стойкости к эрозии, коррозии и свариванию материалы должны иметь до­ статочные механические свойства (в первую очередь твердость и прочность), препятствующие их быстрому механическому износу при замыкании контактов (проскальзывание, трение и т. п.). Ма­ териалы должны легко обрабатываться, допускать сварку, а также иметь низкую стоимость.

Если просуммировать требования, вытекающие из анализа ра­ боты разрывных контактов, то обращает на себя внимание не­ возможность сочетания в одном материале всех желаемых свойств. Например, твердые растворы имеют необходимые механические свойства (твердость и др.), но зато низкую проводимость. Поэтому на практике приходится выбирать контактные материалы так, чтобы были удовлетворены условия наиболее важные для дан­ ного применения, довольствуясь компромиссным решением для других показателей.

Маломощные контакты. Такие контакты выполняют в основ­ ном из благородных металлов и сплавов типа твердых растворов на их основе. В качестве примера рассмотрим некоторые сплавы.

Золото-никелевые сплавы отличаются высокой твердостью, стойкостью к эрозии (иглообразованию) и к свариванию. Недо­ статком сплавов является склонность к окислению при мощной дуге. При 5% никеля ^ЛЛ=1000°С, р=12,3-10~6 ом-см (для зо­ лота р = 2,2- 10_6 ом-см). Сплав золота с цирконием (3%), помимо указанных достоинств, обладает стойкостью к окислению; его со­ противление выше (20-10~6 ом-см). Известны также тройные сплавы на основе золота.

Серебряно-палладиевые сплавы имеют высокую температуру плавления (1330°С), стойки к эрозии и свариванию и вдвое твер­ же серебра; удельное сопротивление такого сплава при 40% Pd значительно: р = 42 • 10—6 ом-см. Эти сплавы обладают защитными свойствами против образования сульфидной пленки, появляю­ щейся на серебре в присутствии паров серы. Серебряно-кадмиевые сплавы имеют ценную особенность, состоящую в том, что под дей­ ствием электрической дуги происходит образование окиси кадмия. Разлагаясь при высокой температуре, с выделением газообразных продуктов окись кадмия способствует гашению дуги. Недостатком сплава является низкая температура плавления. При содержании кадмия 20% сплав имеет taA =880° С, р = 5,7 • 10-6 ом • см. Изве­ стны также сплавы серебра с золотом и медью,

Платино-иридиевые сплавы стойки к коррозии, характеризу­ ются повышенной стойкостью к эрозии и к свариванию; они в 2—3 раза тверже платины. При 10% содержании иридия tnA = 1780° С,

Вольфрамо-молибденовые сплавы обладают стойкостью к эро­ зии, к механическому износу и к свариванию. Однако нагретые дугой контакты на воздухе быстро покрываются слоем окислов и требуется высокое контактное давление, способное разрушить оксидную пленку — до 1000 Г. При 34% молибдена сплав имеет температуру плавления 2950°С и небольшое удельное сопротивле­ ние: 9- 10_6 ом-см. Ввиду склонности к окислению вольфрам и его сплавы часто применяют для выключателей вакуумных или на­

(до 5 в сек). При большем числе срабатываний применяют плати­ но-иридиевые сплавы.

Благородные металлы и металлические сплавы применяют для контактов реле, вибрационных регуляторов напряжения, вибро­ преобразователей и низковольтных выключателей малой мощ­ ности.

Мощные контакты. Материалы, применяемые для таких кон­ тактов, должны обладать в первую очередь большой тугоплавко­ стью, высокой теплопроводностью и электропроводностью, а также механической прочностью. Уровень этих требований недоступен для металлических сплавов. В сильно нагруженных контактах металлы и сплавы, подвергаясь термическому действию дуги, бы­ стро разрушаются, контакты нередко привариваются друг к другу и оказываются недостаточно износоустойчивыми.

Мощные контакты, как правило, выполняются из металлокера­ мики, т. е. композиции, представляющей собой механическую смесь двух фаз — тугоплавкой, с относительно низкой электропроводно­ стью, и легкоплавкой с высокой электропроводностью. Если под влиянием дуги вторая фаза переходит в жидкое состояние, то вытекание ее не происходит, так как она удерживается в порах тугоплавкой фазы капиллярными силами.

Такие композиции получают либо спеканием смеси металли­ ческих порошков, либо пропиткой жидким металлом с низкими удельным сопротивлением и температурой плавления пористой таблетки, которую предварительно спекают из порошка тугоплав­ кого металла. Широко применяются композиции серебра с туго­ плавкими металлами и окислами.

Композиция серебро—-никель обладает пластичностью, малой эрозией и устойчивостью контактного сопротивления. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что оксидная пленка на никеле

194

защищает металл от дальнейшего окисления. Другая положитель­ ная особенность окиси никеля заключается в том, что она не сплавляется с образующейся во время работы окисью серебра, даже при температуре выше точки плавления (для серебра при 960°С); вследствие этого на контакте не возникает стекловидная пленка. В результате композиция серебро — никель обеспечивает низкое переходное сопротивление коятактов.

Кроме того, композиция обладает по сравнению с серебром повышенной твердостью и износоустойчивостью. При содержании в сплаве 70% серебра р = 2,5-10~6 ом-см.

Композиция серебро — окись кадмия отличается способностью к гашению дуги. Уже при 900° С начинается разложение окиси кадмия: газообразные продукты разложения способствуют гаше­ нию дуги («выдувают» дугу).

Вместе с тем, окись кадмия отличается от аналогичных окис­ лов повышенной электропроводностью; на поверхности компози­ ции серебро — окись кадмия при нагревании на воздухе не появ­ ляются непроводящие пленки, поэтому для контактов этого типа требуются небольшие контактные давления. Композиция легко обрабатывается, из нее изготовляют ленту и проволоку. Наиболь­ шее распространение получили композиции с содержанием кадмия

15% (СОК15) и 10% (СОКЮ); удельное сопротивление компози­ ций р= (2,72,2) 10~6 ом ■см.

Композиция серебро — окись меди отличается повышенной твердостью и стойкостью к износу. Диссоциация окиси меди с об­ разованием газообразных продуктов происходит при большей тем­ пературе, чем окись кадмия, поэтому дугогасящие свойства сохра­ няются при более высоких температурах, появляющихся при от­ ключении больших токов. При содержании серебра 90% сплав имеет невысокое удельное сопротивление р = 2,4-10~6 ом-см.

В мощных контактных устройствах иногда один контакт сде­ лан из мягкой композиции серебро — графит, а второй контакт выполняют из твердой композиции серебро — никель. Первый кон­ такт (серебро — графит) является более мягким, поэтому он слегка деформируется вторым контактом, в результате чего повышается площадь контактирования; одновременно устраняется опасность сваривания.

Композиции серебро — никель целесообразно применять в сильно-индуктивных цепях, когда сверхтоки могут достигать де­ сятикратной величины по отношению к рабочим; допускается одно срабатывание контактов в секунду. При токах 30—300 а при­ меняют композицию ОК-15. В случае мощных систем, где велика опасность сваривания, а также коррозии контактов применяют серебро — вольфрам из-за высокой стойкости вольфрама к сва­ риванию. Следует учесть, что здесь требуются более высокие кон­ тактные давления, чем для композиции серебро — никель или се­ ребро— окись кадмия.

Скользящие контакты

Наиболее распространенным скользящим контактом является щеточный контакт в электрических машинах. Щетки для электри­ ческих машин характеризуются удельным сопротивлением мате­ риала, допустимой плотностью тока, допустимой окружной скоро­ стью, износом за 50 час и другими. Щетки подразделяются на угольнографитные, графитные, электрографитированные, медно­ графитные и бронзографитные. Наибольшую плотность тока до­

тока до 30 а/см2, имея повышенное удельное сопротивление около 10 ом-мм2/м. Щетки МГТ (меднографитные теплостойкие) изго­ товляются с применением кремнийорганического связующего, что и обеспечивает их высокую нагревостойкость.

11-5. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТЕРМОПАР

Термопара состоит из сваренных на одном конце двух разно­ родных проводников, между разомкнутыми концами которых раз­ вивается достаточно большая термо-э. д. с. sT при наличии разно­ сти температур (Т2— Т\).

Отношение

носит название коэффициента термо-э. д. с. и измеряется мкв/град-, Т2 и 7] — абсолютные температуры в точках, где находятся спай и другие два конца термопары.

Если определять термо-э. д. с. в широком диапазоне темпера­ тур, то зависимость ет(0 получается нелинейная (рис. 11-5). Это означает, что коэффициент термо-э.д.с. не является постоянной величиной, а зависит от температуры. В связи с этим термопару градуируют в том диапазоне температур, для которого она пред­ назначается.

На практике каждая термопара применяется в определенном интервале температур, где зависимость ет(/) близка к линейной и поэтому для характеристики термопары можно использовать среднее значение о.

Кроме того, материалы для термопар характеризуют их удель­ ным сопротивлением р и предельно допустимой температурой tnped,

при которой сохраняется стабильность градуировочной кривой термопары.

Термопара медь-константан используется до /„рг(5 =350° С;

о=50 мкв/град.

196

ГЛАВА 12

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ

12-1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

В аппаратуре нередко можно встретить разнообразные сопро­ тивления, представляющие собой элементы электрической цепи, с помощью которых разрешаются различные задачи: поглощение излишнего напряжения, обеспечение требуемой утечки, деление напряжения и т. п. Термин «сопротивление» обычно используется для обозначения не только детали (элемента электрической цепи), но и физического свойства этой детали (величины R). Комитетом стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров

СССР введено для обозначения сопротивления, как детали, тер­ мин «резистор». Однако термин «сопротивление» можно пока со­ хранить в связи с его распространением в технической практике.

Различают два вида сопротивлений: проволочные и непрово­ лочные. Первые имеют обмотку из проволоки высокого сопротив­ ления, в непроволочиых сопротивлениях имеются либо тонкий проводящий слой, нанесенный на поверхность изоляционного кар­ каса (поверхностные сопротивления), либо проводящие частицы, распределенные по объему в изолирующем материале (объемные сопротивления).

Проволочные и непроволочные сопротивления могут быть как постоянные, так и переменные. Разновидностью переменных со­ противлений являются потенциометры, которые отличаются нали­

с потенциометра напряжение. Это изменение может осуще­ ствляться не только по линейному, но и по другому заданному закону.

При сопоставлении и выборе электрических сопротивлений важное значение имеют их основные параметры.

Номинальное сопротивление RH (номинал)— значение сопро­ тивления по ГОСТу, указываемое обычно на поверхности сопро­ тивления. Шкала RH для постоянных сопротивлений охватывает значения от 1 до 1012 ом, для переменных проволочных до 106ojh, для переменных непроволочных до 107 ом.

199