В соответствии с условиями работы и процессами, проходящими при работе электрических контактов, можно определить требования, предъявляемые к материалам электрических контактов:
1) высокая электропроводность — уменьшает переходное сопротивление и сопротивление самого контакта, способствует уменьшению нагрева контактного соединения;
- высокая теплопроводность — уменьшает местный нагрев контактных точек, способствует повышению значения тока, при котором контакты свариваются;
- стойкость к окислению — уменьшает переходное сопротивление, способствует его стабильности;
- высокая температура рекристаллизации и плавления, дугостойкость — уменьшает электрический износ, уменьшает возможность сваривания контактов, способствует увеличению срока службы;
- высокая механическая прочность — уменьшает механический износ, позволяет сохранять форму контактной поверхности, способствует увеличению срока службы;
- достаточная вязкость — позволяет хорошо прирабатываться контактам друг к другу, уменьшает переходное сопротивление;
- способность легко поддаваться обработке при изготовлении;
- малая стоимость.
Перечисленные требования нередко противоречивы, поэтому не существует материала, удовлетворяющего всем требованиям. Этим объясняется довольно большое количество материалов, применяемых для контактных соединений. Наиболее широкое распространение находят следующие материалы:
электротехническая медь — практически химически чистая медь, получаемая электролизом; удовлетворяет почти всем требованиям и широко применяется в контактных соединениях — как взаимоподвижных, так и взаимонеподвижных. Основной недостаток — сильная окисляемость, причем окисная пленка обладает высоким удельным сопротивлением;
кадмиевая медь — электротехническая медь с присадкой кадмия; обладает очень высокими механическими свойствами, очень хорошо противостоит истиранию; дугостойкость значительно выше, чем у обычной электротехнической меди, а свариваемость существенно ниже;
серебро — очень хороший контактный материал, обладает наибольшей электропроводностью и имеет стабильное переходное сопротивление. Основным недостатком, резко ограничивающим область применения серебра, является его очень плохая дугостойкость;
латунь — сплав меди с цинком, применяется в качестве дугогасящих контактов в высоковольтной аппаратуре;
бронза — сплав меди с оловом, а также безоловянные бронзы — сплавы меди с алюминием, марганцем, никелем, кремнием и другими присадками. Применяется в качестве материала контактов, у которых контактное, нажатие создается пружинящими свойствами самого материала (например, контактные стойки предохранителей). Такие контакты разрывать дугу не могут, так как при нагреве они теряют свои пружинящие свойства;
сталь — имеет большое удельное сопротивление; обычная конструкционная сталь сильно подвержена окислению, но материал дешевый. Применяется в качестве контактного материала взаимонеподвижных контактов на небольшие токи с гальваническим покрытием (обычно цинкование);
алюминий — имеет довольно высокую электропроводность; материал дешевый, но очень хорошо окисляется, причем окисная пленка имеет высокое удельное сопротивление и препятствует пайке и сварке. Вторым существенным недостатком алюминия является его малая механическая прочность — болтовые соединения быстро слабнут, теряется контактное нажатие;
вольфрам и сплавы из вольфрама — обладают высокой электрической износоустойчивостью и дугостойкостью при очень большой твердости, но имеют довольно высокое переходное сопротивление. В основном применяются на малые токи в сплавах с золотом, платиной, молибденом для контактов с очень высокой частотой включений. На больших токах используются в качестве материалов для дугогасящих контактов;
драгоценные металлы: золото, платина — не имеют окисных пленок, вследствие чего имеют стабильное невысокое переходное сопротивление. Применяются для слаботочных контактов низковольтной аппаратуры в особо ответственных цепях. Прочности чистых металлов очень низки, поэтому обычно применяются в виде сплавов с иридием, молибденом и другими элементами, позволяющими улучшить механические свойства материала;
уголь и графит — обладают весьма высоким удельным и переходным сопротивлением, но имеют хорошую дугостойкость и особенно искростойкость. Применяются иногда в качёстве материала дугогасящих контактов, а чаще для контактов, имеющих при работе постоянное искрение;
металлокерамика — механическая смесь двух практически несплавляющихся материалов. Получается либо методом спекания смеси из порошков, либо пропиткой одного материала другим. Появление металлокерамики вызвано стремлением создать материал, наиболее полно отвечающий всем требованиям, предъявляемым к материалу контактов. Обычно один из металлов обладает хорошими электрическими свойствами — малым удельным и переходным сопротивлением, малой окисляемостью, а второй — высокими механическими и дугостойкими свойствами.
Таким образом, металлокерамика в какой-то степени объединяет свойства разнородных материалов. Наибольшее распространение нашла металлокерамика на основе серебра: серебро — никель, серебро — окись кадмия, серебро — вольфрам, серебро — молибден и др.
Наличие прочных тугоплавких частичек создает своеобразную решетку, удерживающую расплавленные частицы серебра и препятствующие их сливанию в достаточно большие капли. Вследствие этого серебряная металлокерамика при всех положительных качествах серебра (высокая электропроводность, стабильное малое переходное сопротивление) обладает также достаточной дугостойкостью и износоустойчивостью, плохо сваривается. Применяется в виде напаек на основные детали контактов как в слаботочных, так и в сильноточных контактах. Стоимость серебряной металлокерамики несколько ниже стоимости чистого серебра.
Применяется металлокерамика, хотя и в значительно меньших размерах, на основе меди: медь — вольфрам, медь — молибден, медь — кадмий как для основных, так и для дугогасительных контактов.
Особое значение в металлокерамических композициях имеет величина зерен порошков — дисперсность, применяемых для изготовления контактов. Мелкодисперсная структура резко улучшает все качества контакта и существенно увеличивает его электрическую износоустойчивость.
