Под этим видом эрозии подразумевается эрозия контактов, вызванная образованием между контактами мостиков, состоящих из жидкого металла контактов.
Мостиковая эрозия наблюдается на размыкающихся контактах при условиях отсутствия контактной дуги, вследствие чего повреждения контактов от мостиковой эрозии наблюдаются преимущественно в слаботочных цепях.
Схема образования жидких мостиков такова. Две контактирующие поверхности благодаря шероховатости соприкасаются не по всей «кажущейся» поверхности, а лишь в нескольких точках «истинной» поверхности. При этом ток проходит через участки, покрытые мономолекулярным слоем газовой, оксидной, сульфидной или подобной им пленки (квазиметаллический контакт) или непосредственно соприкасающиеся, образующие чисто металлический контакт.
При размыкании контактов, т. е. при уменьшении давления, число и величина контактных точек уменьшаются, вследствие чего плотность тока, проходящего через них, возрастает, достигая тысяч ампер на квадратный сантиметр, что приводит к значительному нагреву контактных точек током. При этом напряжение па контактах растет по закону (1-3).
Рис. 2-4. Вид мостиков между контактами: а — платиновый мостик; б — железный мостик.
При достижении напряжения, соответствующего «напряжению плавления» (табл. 1-1), контактные «точки» плавятся, образуя каплю жидкого металла между контактами. Дальнейшее раздвижение контактов растягивает каплю и образует жидкий мостик, соединяющий оба контакта (рис. 2-4). При достижении на мостике «напряжения кипения» металл мостика закипает («взрывается») и мостик обрывается.
При достаточно больших токе и напряжении может образоваться контактная дуга, которая сжигает следы мостика. Поэтому эрозию, вызываемую мостиками, в чистом виде наблюдают только в цепях, не образующих контактной дуги.
Рис. 2-5. Зависимость падения напряжения на железном мостике от длины (при 2,5 а) (Усов).
На рис. 2-5 изображена зависимость напряжения от длины мостика для железных контактов, которые достигают нескольких долей миллиметра [Л. 2-3]. Точки на диаграмме Еп и Ек соответствуют напряжению плавления и кипения металла мостика.
Наиболее склонны к образованию мостиков благородные, неокисляющиеся металлы и сплавы, а также некоторые неблагородные металлы в вакууме.
Многими авторами экспериментально установлено, что мостики образуются на железе, никеле, меди, платине, палладии, золоте, серебре, вольфраме, а также на сплавах платины с золотом, иридием, вольфрамом, молибденом, палладия с серебром, иридием, серебра с золотом, платиной.
Бсттеридж и Лэрд нашли падающую характеристику у платино-иридиевого мостика
Отсюда следует, что диаметр мостика пропорционален току.
Мощность, выделяющаяся в единице объема мостика, равна:
т. е. обратно пропорциональна квадрату тока.
Рис. 2-6. Вольт-амперные характеристики платиновых мостиков (Усов). а — зависимость от тока: 1 — контактирование без мостика; 2 — контактирование через мостик; б — зависимость от обратной величины тока: 1 — в воздухе; 2 — в водороде.
Этим объясняется кажущееся парадоксальным явление, что при увеличении тока (при данной длине мостика) температура мостика падает. Это может привести к свариванию контактов, что и наблюдается в действительности.
Зависимость сечения мостика определенной длины, а следовательно, и объема мостика от квадрата тока подтверждена Хольмом в эмпирической формуле
(2-4)
где V — объем перенесенного металла, см3 на операцию;
I — ток, а;
С — константа (коэффициент эрозии).
Однако измерения разных авторов дали не одинаковые выражения для объема мостиков (табл. 2-2). Это объясняется как неточностью измерения размеров мостиков, так и влиянием индуктивности цепи, которая не всегда учитывалась авторами, определявшими объем мостиков.
Таблица 2-2
Мостиковый перенос металла на платине (Ворхем)
* Рассчитано теоретически.
Ворхем [Л. 2-5] показала, что на мостиковую эрозию не оказывает влияния индуктивность, меньшая 3-10-7 гн. При больших значениях индуктивности появляется сначала короткая, а затем длинная дуга, которая искажает величину чисто мостиковой эрозии.
Почти всеми установлено, что мостики состоят из материала анода, который подвергается эрозии.
Причиной эрозии анода у неблагородных металлов авторы (Л. 2-6) считают преимущественный нагрев его, вследствие реакции окисления, происходящей на аноде.
Добавка к меди, никелю и кобальту нескольких процентов золота предупреждала образование мостиков, состоящих из окислов. Относительно чисто металлических мостиков почти общепринято считать, что эрозия анода вызывается асимметричным по длине мостика распределением температуры, максимальная точка которой смещена к аноду. О причине такого смещения существуют разные мнения.
Самос раннее (Л. 2-4) предположение, что смещение точки максимального нагрева к аноду вызвано эффектом Томсона, подвергалось неоднократной проверке. В результате изучения коэффициентов Томсона при высоких температурах оказалось, что для объяснения эрозии анода эффект Томсона применим не для всех металлов. Поэтому объяснение рассматриваемой асимметрии только этим эффектом возможно не для всех металлов.
Некоторые авторы пытаются объяснить преимущественную эрозию анода эффектом Пельтье, вследствие которого температура анода должна быть более высокой, чем катода.
Другие авторы объясняют преимущественный нагрев анода туннельным эффектом (Л. 1-2).
Контактные поверхности, даже у благородных металлов, покрыты тонкой (двухмолекулярной) газовой или другой изолирующей пленкой, через которую благодаря туннельному эффекту с катода на анод проникают электроны, сообщая аноду кинетическую энергию e∆U, где е — заряд электрона; ΔU — падение потенциала между контактами. Вследствие этого плавление металла начинается на аноде. Однако надо учесть, что после образования жидкого мостика туннельный эффект ввиду отсутствия изолирующей пленки не может иметь места и потому рассматриваемая теория также не может служить для полного объяснения мостиковой эрозии анода.
Можно вообще показать несостоятельность объяснен ния мостиковой эрозии асимметрией нагрева мостика (табл. 2-3) (Л. 2-3).
Платина имеет вплоть до температуры плавления отрицательный коэффициент Томсона, а смещение точки максимальной температуры на мостике идет в сторону катода и соответственно перенос металла направлен от катода к аноду. (Возможно, что в точке плавления или для жидкого состояния коэффициент Томсона у платины меняет знак).
Таблица 2-3
Направление мостикового переноса
* С. м. т. — сечение максимальной температура.
Палладий имеет отрицательный коэффициент Томсона, и соответственно перенос совершается с анода на катод, хотя асимметрии нагрева мостика нет.
Медь имеет положительный коэффициент Томсона, и соответственно смещение точки максимальной температуры вдет от анода к катоду, а перенос направлен в обратную сторону.
Цилазек путем теоретического анализа явления мостикового переноса показал, что у разных металлов преобладают разные механизмы эрозии (Л. 2-7).
У платины и палладия основную роль играет эффект Томсона.
У серебра, меди и золота перенос в первую очередь вызывается туннельным эффектом и теплоотводом. При этом потери анода из этих металлов прямо зависят от тока в результате теплоотвода и от квадрата тока в результате действия туннельного эффекта. При действии эффекта Томсона потери анода растут с кубом тока.
Во всех случаях автор принимает положительный перенос (с анода на катод), хотя практически это бывает не всегда так.
Существует теория, не связывающая мостиковую эрозию с термоэлектрическим эффектом или асимметрией нагрева. Согласно этой теории при «взрыве» мостика образуются положительно заряженные капельки металла, переносящиеся на катод. Положительный заряд капель объясняется термоэлектронной эмиссией с их поверхности вследствие высокой температуры [Л. 1-2]. Эта теория является пока единственной, не связанной с асимметрией нагрева мостика (что стоит в большинстве случаев в противоречии с опытом, и при настоящих наших знаниях о природе мостиков является наиболее приемлемой для объяснения мостиковой аэрозии контактов.
Многие авторы считают, что мостик «взрывается» по достижении напряжения кипения. Однако сравнение экспериментально найденных значений напряжения, при котором происходит обрыв мостика, с вычисленными по формуле (1-5) величинами «напряжения кипения» показывает значительные расхождения (табл. 2-4).
Таблица 2-4
Напряжение кипения и обрыва мостиков
Устранение загрязнений, например, окислов, уменьшает силы поверхностного натяжения, мостик становится менее стабильным и обрывается при более низкой температуре.
Как видно из табл. 2-4, напряжение обрыва у платины, палладия, серебра и меди меньше, чем напряжение кипения. Очевидно, обрыв мостиков у этих металлов связан не с кипением, а с недостаточностью сил поверхностного натяжения для поддержания стабильного мостика.
Теоретически и экспериментально показано существенное значение теплоотвода от контактов в процессе мостиковой эрозии [Л. 2-8]. Путем подогрева катода, например, можно уменьшить количество переносимого с анода металла и даже изменить направление переноса. Можно получить преимущественный нагрев катода также за счет теплопроводности материала контактов. Этого можно достигнуть или подбором пар контактов с разной теплопроводностью, например палладий (анод) — сплав палладия с медью (катод), или при одинаковом химическом составе анода и катода изменением теплопроводности анода за счет упорядочения его структуры (теплопроводность упорядоченното сплава выше, чем неупорядоченного).
Рис. 2-7. Объемный перенос металла на одно включение в зависимости от индуктивности цели (Кейль и Мерль).
а — сплав Pd — Си 60/40; б — сплав Au — Со 97/3.
Как показали Кейль и др. [Л. 2-9], на контактах из сплавов палладия с 40% меди или золота с 25% меди в случае применения анода с упорядоченной структурой его эрозия сильно уменьшалась.
Аналогичные результаты были получены со сплавом золота с 3% кобальта (рис. 2-7) в гомогенном и гетерогенном состояниях, поскольку теплопроводность сплава в гетерогенном состоянии после отжига выше, чем у закаленного гомогенного) сплава.
Файрвезер (Л. 2-10) (путем сплавления металлов с противоположными знаками коэффициента Томсона (платина и золото) нашел сплав с 20% Аu с нулевым значением коэффициента Томсона.
В некоторых случаях путем сплавления благородного металла с неблагородным можно получить отсутствие мостикового переноса [Л. 2-11]. В серии сплавов золото — никель оказалось, что инверсионная точка (нулевой перенос) получается при 5 и 16% никеля.
Эрозия сплава с 16% никеля оказалась мало зависящей от индуктивности цепи, и поэтому этот сплав, по мнению авторов, является более универсальным, чем известный сплав с 5% «никеля. Чем больше индуктивность (в пределах 0,2—20 мкгн), тем меньше требуется легировать золото никелем, чтобы получить отсутствие переноса.
Пфэнн [Л. 2-12], изучая поверхностные свойства мостиков, установил, что по форме мостики бывают двух родов: с одинаковыми диаметрами у 'обоих электродов и асимметричные, у которых один диаметр больше другого. Вследствие этой асимметрии металл переносится от большего диаметра к меньшему (перенос В). Одновременно существует перенос А с постоянным направлением с анода на катод. Металлы по величине мостиков автор делит на два класса: I — с малым диаметром: Au, Ag, Сu, Мо и II — с большим: Pt, Pd, Pt—Ir (20%), Pd — Ag (40 %), Au—Ni (5 %).
Комбинируя пары контактов из металлов I и II классов, можно создать искусственную асимметрию мостика, например: золото (анод) — сплав платины с 20% иридия (катод). При этом вначале преобладает перенос В с катода на анод. После того как последний покроется слоем сплава, перенесенного с катода, асимметрия мостика исчезнет и будет преобладать перенос А с анода на катод.
При оголении анода снова будет преобладать перенос В. Таким образом, процесс будет саморегулирующимся и результирующий перенос окажется близким к нулю (рис. 2-8). Аналогичный эффект был получен в опытах М. А. Разумихина на сплавах Pt—Ni (5%) — анод и Pd — Ag (40%) — катод [Л. 2-13].
Из табл. 2-5 видно, что металлы I класса имеют более высокую теплопроводность, чем металлы II класса. Очевидно, что на направление переноса, кроме диаметра мостика, оказывает влияние также и теплопроводность материала контактов, что было отмечено выше.
Рис. 2-8. Схема мостиковой эрозии по Пфэнну.
а — начало работы контактов; б — состоянии равновесия; в — слой платаны на золотом аноде толще, чем равновесный слой.
Таблица 2-5
Теплопроводность металлов I и II классов
Из рассмотрения процессов образования и устранения жидких мостиков существенными свойствами материала контактов, способствующими или препятствующими мостиковой эрозии, представляются следующие: температура и напряжения плавления и кипения, удельное электросопротивление и теплопроводность, знак коэффициента Томсона при температурах вблизи точки плавления, величина поверхностного напряжения расплавленного металла, а также структура решетки сплава и его склонность к окислению при высоких температурах.
