2-6. СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА КОНТАКТОВ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭРОЗИЮ КОНТАКТОВ ПРИ ДУГЕ
а) Металлы
Эрозия контактов при образовании дуг размыкания и при разрядах емкости вызывается электрическими разрядами, имеющими разный характер (длинная и короткая дуги). Целесообразно рассматривать оба вида эрозии параллельно, так как это дает возможность сопоставлять поведение разных металлов в тех или других условиях.
В отношении влияния физических факторов отметим прежде всего, что при разрядах конденсатора объемные потери анодов уменьшаются при повышении точки плавления металлов.
Для замыкающих контактов в цепи с емкостью Хольм в эмпирической формуле связал величину эрозии с рядом констант материала контактов:
В этой формуле отметим, что эрозия прямо пропорциональна атомному объему, напряжению дуги обратно пропорциональна твердости металла.
Вильсон для вычисления эрозии на единицу количества электричества при больших токах пользовался формулой
Объемная эрозия, обусловленная испарением металла, как видно из формулы, обратно пропорциональна скрытой теплоте испарения, отнесенной к единице объема (
принимаются постоянной величиной, равной 25 в).
Экспериментально установлено, что по величине износа (см3/к-103) металлы располагаются в следующем порядке:
С, W, Mo, Ni, Fe, Ti, Сu, Ag, Ζn, A1, Sn.
Количественная зависимость эрозии от некоторых физических свойств металлов была установлена Б. Н. Золотых [Л. 2-15], который проводил исследования в условиях электроискровой обработки металлов. В жидкой среде (керосине) при импульсных разрядах емкости значительной величины (1 200 мкф) он установил на ряде металлов (Sn, Bi, Cd, Pb, Ζn, Al, Ag, Cu, Ni, Co, Fe, Mo, W) уменьшение эр розни с увеличением температуры плавления и скрытой теплоты плавления металлов, хотя последняя зависимость выражена менее четко. Величина эрозии катода по его данным тем меньше, чем больше теплопроводность металла электродов.
В табл. 2-6 дано срав1ненпе эрозии при размыкании омической цепи и замыкании цепи с емкостью, а также при воздействии импульсных разрядов с термическими и другими свойствами материала контактов [Л. 1-3]. В общем можно считать установленным, что более тугоплавкие и твердые металлы, имеющие большую скрытую теплоту испарения и более низкую упругость пара при температурах порядка температуры электрической дуги, а также имеющие более высокую теплопроводность, являются более стойкими против эрозии, если процесс не осложняется химическими факторами.
Более или менее ясной зависимости эрозии от других, не помещенных в таблице физических свойств металлов, таких, как электропроводность, работа выхода электронов, минимальный ток дуги, а также от атомного веса и атомного объема не было установлено.
Данные таблицы о влиянии напряжения дуги скорее противоречат формуле Хольма, чем ее подтверждают. Вытекающая из формулы зависимость эрозии от атомного объема и, следовательно, периодическая зависимость от атомного номера металла не выражены четко при сравнении с экспериментальными данными, возможно, вследствие сопутствующих эрозии химических реакций со средой.
Таблица 2-6
Связь эрозии со свойствами материала контактов
Поэтому вследствие множества факторов, влияющих на эрозию контактов, можно наметить только приблизительно большинство закономерных связей между величиной эрозии и константами материала контактов.
б) Сплавы
Известно, что свойства сплавов зависят от их структуры. Поэтому прежде, чем рассмотреть специфические контактные свойства сплавов, рассмотрим некоторые их общие характеристики.
Наиболее распространенными сплавами для контактов являются твердые растворы замещения. Обязательным, но недостаточным условием образования сплавов этого типа в виде непрерывного ряда твердых растворов является одинаковый тип кристаллической решетки компонентов, т. е. изоморфизм компонентов.
Другими условиями являются: близость по величине параметров решетки компонентов (атомные радиусы могут отличаться не более чем на 15%) и близость компонентов по валентности, т. е. они должны стоять в смежных группах периодической системы или в смежных периодах; кроме того, компоненты должны иметь небольшую разницу в температурах плавления.
Из этого правила имеются сравнительно немногие исключения. Особенно ярким исключением является система серебро — медь, которая образует не сплошной ряд твердых растворов, а сплавы эвтектического типа, хотя медь и серебро удовлетворяют указанным требованиям.
Если компоненты сплава неизоморфны, то всегда в большей или меньшей концентрации образуются граничные твердые растворы второго компонента в первом и первого во втором. Граничные твердые растворы образуют эвтектические смеси или при промежуточных концентрациях образуются промежуточные фазы (электронные соединения, фазы внедрения, сигма-фазы и др., а также химические соединения).
Промежуточные фазы, а также химические соединения пока не имеют, за очень небольшим исключением (карбиды и оксиды некоторых металлов), практического применения в контактах. Основная причина — их хрупкость и высокое удельное электросопротивление.
Сплавы эвтектического типа, за исключением немногих (серебро — медь), также не имеют широкого применения.
Почти все контактные сплавы относятся к образующим непрерывный или ограниченный ряд твердых растворов.
Физические и химические свойства твердых растворов меняются с концентрацией, подчиняясь определенным закономерностям. Изотермы параметра решетки представляют собой непрерывные кривые, обращенные выпуклостью вверх или вниз. Изотермы твердости, предела прочности, предела текучести, модуля упругости у сплавов, образующих непрерывный ряд твердых растворов, имеют вид непрерывных кривых, обращенных выпуклостью вверх, тогда как изотермы свойств, характеризующих пластичность сплавов (сужение площади поперечного сечения и относительное удлинение при растяжении), представляют собой кривые, обращенные выпуклостью вниз.
Удельные электро- и теплопроводности и температурный коэффициент сопротивления меняются с составом по непрерывным кривым, обращенным выпуклостью вниз, имея форму цепной линии.
Изотермы термо-э. д. с. представляют собой непрерывные кривые, обращенные выпуклостью вверх или вниз.
Наконец, некоторые свойства твердых растворов меняются с составом приблизительно по прямой, соединяющей свойства чистых компонентов; к этим свойствам относятся: удельный объем, коэффициент теплового расширения, удельная теплоемкость. Однако от правила аддитивности у многих сплавов имеются отклонения.
На кривых свойств с максимумом или минимумом (твердость, удельное сопротивление и др.) последние, как правило, лежат вблизи 50% атомного содержания компонентов.
Твердые растворы замещения обычно имеют статистическое распределение атомов обоих компонентов.
Некоторые сплавы при соответствующей термической обработке, обеспечивающей свободную диффузию атомов (длительный отжиг при определенных температурах), приходят в упорядоченное состояние, при котором атомы компонентов занимают узлы в решетке сплава в определенном порядке. Упорядочение ведет к изменению ряда свойств сплавов. Так, например, электропроводность при упорядочении может возрасти в несколько раз; также увеличиваются теплопроводность и механическая прочность сплава.
В ограниченной области твердых растворов свойства сплавов изменяются аналогично свойствам сплавов, образующих непрерывный ряд твердых растворов, до появления новой фазы. Так, твердость их с концентрацией возрастает, электропроводность падает и т. д.
Растворимость второго компонента при ограниченной растворимости, как правило, меняется с температурой, причем в большинстве случаев она падает с понижением температуры. Это ведет к явлению дисперсионного твердения сплавов.
Если зафиксировать концентрацию сплава, соответствующую более высокой температуре, закалкой, тο последующий отпуск сплава вызовет выделение в тонкодисперсной форме повой структурной составляющей в количестве, соответствующем избытку второго компонента.
Выход из твердого раствора части второго компонента ведет, с одной стороны, к повышению электропроводности остаренного сплава, а с другой — искажения решетки, вызванные выделением второй фазы, вызывают рост твердости и других механических свойств сплава.
Химические и электрохимические характеристики твердых растворов теоретически должны меняться с составом то плавным кривым. При растворении, например, в электролитах это было бы возможно, если бы убыль с поверхности сплава атомов более растворимого (менее благородного) компонента компенсировалась диффузией аналогичных атомов изнутри сплава. Но так как скорость диффузии металлических атомов при обычной температуре очень мала, поверхность сплава обогащается более благородным компонентом и растворимость сплава изменяется в сторону более благородного компонента.
Такое изменение растворимости согласно правилу Таммана происходит скачкообразно при определенных атомных концентрациях более благородного компонента, а именно при 12,5; 25 и 50% атом. При указанных концентрациях (границах воздействия) атомы более благородного металла как бы блокируют атомы менее благородного, закрывая доступ к ним электролита. Границы воздействия наблюдаются также при тускнении сплавов при воздействии окислителей, при образовании сернистых пленок и при других реакциях сплавов с химическими агентами. Электрохимический потенциал сплавов также меняется в соответствии с границами воздействия.
Физические свойства сплавов эвтектического типа меняются как правило, по закону аддитивности. Электрохимический потенциал эвтектики определяется потенциалом менее благородного компонента.
Свойства сплавов, состоящих из трех и более компонентов и представляющих собой твердые растворы, меняются с составом в соответствии с закономерностями, установленными для двойных сплавов.
Исследование эрозии двойных сплавов, образующих непрерывные ряды твердых растворов, провел Кингсбюри [Л. 2-16] в маломощной индуктивной цепи, В зависимости от величины тока эрозии подвергались аноды или катоды. Были исследованы сплавы Ag—Pd, Ag—Au, W—Mo, Pt—Pd, Pd—Ni, Pd—Au.
Для всех сплавов была получена U-образная кривая с небольшим максимумом при среднем составе (рис. 6-5 и 6-6).
К. Бенедикс и С. Херден [Л. 2-17] исследовали эрозию двойных сплавов па основе золота в цепи с емкостью, причем эрозии подвергались аноды. Были исследованы сплавы, дающие непрерывные ряды твердых растворов: Аu—Pt и Au—Ag, а также сплавы других типов. Кривая эрозии U-образного вида получилась только в серии сплавов Au—Ag; сплавы Au—Pt не дали закономерной зависимости эрозии от состава, хотя они имели общее понижение эрозии от золота к платине. Авторы исследования пришли к выводу, что по сравнению с чистыми золотом, серебром и платиной сплавы имеют меньшую тенденцию к эрозии и свариванию.
Были также исследованы сплавы преимущественно из неблагородных металлов в схеме с емкостью [Л. 2-18]. Эрозии подвергались аноды. Были исследованы сплавы: 1) образующие непрерывные ряды твердых растворов: W—Mo, Сu—Ni, Ni—Со; 2) сплавы смешанного типа в области существования граничных твердых растворов: Ag—Cd, Ag—Zn, Ag—Мn, Сu—Al, Ni—Μn, Сu-Μn; 3) сплавы эвтектического тапа: Ag—Сu; 4) смеси из несплавляющихся металлов: Ag—Ni, Сu—Сr. Закономерной зависимости между эрозией, составом и микроструктурой сплавов обнаружено не было. У сплавов W—Мо на кривой эрозии анодов также не был получен минимум.
Сплавы W—Мб были испытаны также в омической цепи при токе 20 а и в водороде во избежание окисления. В этих условиях кривая эрозии W—Мо сплавов привяла ясно выраженный U-образный вид (рис, 7-14). Слабо выраженный минимум показали также сплавы температуры. Это ведет к явлению дисперсионного твердения сплавов.
Если зафиксировать концентрацию сплава, соответствующую более высокой температуре, закалкой, то последующий отпуск сплава вызовет выделение в тонкодисперсной форме новой структурной составляющей в количестве, соответствующем избытку второго компонента.
Выход из твердого раствора части второго компонента ведет, с одной стороны, к повышению электропроводности остаренного сплава, а с другой — искажения решетки, вызванные выделением второй фазы, вызывают рост твердости и других механических свойств сплава.
Химические и электрохимические характеристики твердых растворов теоретически должны меняться с составом по плавным кривым. При растворении, например, в электролитах это было бы возможно, если бы убыль с поверхности сплава атомов более растворимого (менее благородного) компонента компенсировалась диффузией аналогичных атомов изнутри сплава. Но так как скорость диффузии металлических атомов при обычной температуре очень мала, поверхность сплава обогащается более благородным компонентом и растворимость сплава изменяется в сторону более благородного компонента.
Такое изменение растворимости согласно правилу Таммана происходит скачкообразно при определенных атомных концентрациях более благородного компонента, а именно при 12,5; 25 и 50% атом. При указанных концентрациях (границах воздействия) атомы более благородного металла как бы блокируют атомы менее благородного, закрывая доступ к ним электролита. Границы воздействия наблюдаются также при тускнении сплавов при воздействии окислителей, при образовании сернистых пленок и при других реакциях сплавов с химическими агентами. Электрохимический потенциал сплавов также меняется в соответствии с границами воздействия.
Физические свойства сплавов эвтектического типа меняются как правило, по закону аддитивности, Электрохимический потенциал эвтектики определяется потенциалом менее благородного компонента.
Свойства сплавов, состоящих из трех и более компонентов и представляющих собой твердые растворы, меняются с составом в соответствии с закономерностями, установленными для двойных сплавов.
Исследование эрозии двойных сплавов, образующих непрерывные ряды твердых растворов, провел Кингсбюри [Л. 2-16] в маломощной индуктивной цепи. В зависимости от величины тока эрозии подвергались аноды или катоды. Были исследованы сплавы Ag—Pd, Ag—Au, W-Mo, Pt-Pd, Pd—Ni, Pd—Au.
Для всех сплавов была получена С-образная кривая с небольшим максимумом при среднем составе (рис. 6-5 и 6-6).
К. Бенедикс и С. Херден [Л. 2-17] исследовали эрозию двойных сплавов на основе золота в цепи с емкостью, причем эрозии подвергались аноды. Были исследованы сплавы, дающие непрерывные ряды твердых растворов: Au—Pt и Au—Ag, а также сплавы других типов. Кривая эрозии С-образного вида получилась только в серии сплавов Au—Ag; сплавы Au—Pt не дали закономерной зависимости эрозии от состава, хотя они имели общее понижение эрозии от золота к платине. Авторы исследования пришли к выводу, что по сравнению с чистыми золотом, серебром и платиной сплавы имеют меньшую тенденцию к эрозии и свариванию.
Были также исследованы сплавы преимущественно из неблагородных металлов в схеме с емкостью [Л. 2-18]. Эрозии подвергались аноды. Были исследованы сплавы: 1) образующие непрерывные ряды твердых растворов. W—Мо, Сu—Ni, Ni—Со; 2) сплавы смешанного типа в области существования граничных твердых растворов: Ag—Cu, Ag—Zn, Ag—Мn, Сu—Al, Ni—Мn, Сu—Мn; 3) сплавы эвтектического типа: Ag—Сu; 4) смеси из несплавляющихся металлов: Ag—Ni, Сu—Сr. Закономерной зависимости между эрозией, составом и микроструктурой сплавов обнаружено не было. У сплавов W—Мо на кривой эрозии анодов также не был получен минимум.
Сплавы W—Мо были испытаны также в омической цепи при токе 20 а и в водороде во избежание окисления. В этих условиях кривая эрозии W—Мо сплавов приняла ясно выраженный U-образный вид (рис. 7-14). Слабо выраженный минимум показали также сплавы Ag—Pd при размыкании индуктивной цепи в воздухе. Кривая эрозии у сплавов Ag—Сu имела одинаковый вид в омической и емкостной цепях (рис. 6-10).
Из приведенных данных следует, что закономерная U-образная зависимость эрозии от состава наблюдается только у сплавов типа твердых растворов, преимущественно работающих в индуктивной или омической цепи при действии маломощных дуг размыкания. У сплавов смешанного пли эвтектического типа, а также у сплавов всех типов, подвергающихся эрозии при замыканиях цепи с емкостью, закономерной зависимости между эрозией и составом сплавов, как правило, не наблюдается. Такое различие, с одной стороны, в характере эрозии, между сплавами, дающими непрерывные ряды твердых растворов, и сплавами других типов и, с другой — в эрозии при размыкании и замыкании контактов можно объяснить тем, что при размыкании эрозия происходит при разъединенных контактах, когда часть металла контакта находится в парообразном состоянии за счет испарения или распыления ионной бомбардировкой. В том и другом случаях способность материала контактов сопротивляться эрозии определяется только прочностью связи между частицами материала контактов.
При эрозии, вызываемой замыканием контактов, кроме испарения короткой дугой, выступает новый фактор — приваривание твердых или прилипание жидких частиц одного контакта к другому в момент контактирования. Вследствие этого процесс эрозии настолько осложняется, что простой закономерности между эрозией и составом сплавов в общем случае получиться не может.
Мы видели, что сплавы, дающие непрерывный ряд твердых растворов, меняют с составом некоторые свойства по закону цепной линии. К таким свойствам относятся: электропроводность, теплопроводность, твердость и прочностные характеристики. Последние дают максимум при средних составах сплавов, при которых кривая эрозии имеет минимум. Этим подтверждается, что эрозия уменьшается с увеличением твердости материала контактов, т. е. с увеличением прочности кристаллической решетки. Это становится понятным, если принять во внимание, что при рассматриваемых мощностях эрозия происходит преимущественно за счет распыления частиц твердого материала. При испарении жидкой фазы кривая эрозии у сплавов могла бы иметь минимум, если бы упругость паров жидких сплавов давала минимум в зависимости от состава. Но, как мы видели, в мощных контактах при появлении жидкой фазы происходит разбрызгивание и закономерность потери материала на катодах нарушается.
