Materiály elektrických kontaktov

Primary tabs

Elektrické kontakty sú kovové súčiastky, ktoré vytvárajú a vypínajú elektrické obvody. Kontakty sa vyrábajú buď z čistých prvkov, kompozitov, alebo zliatin pripravených konvenčnými zlievarenskými metódami alebo pomocou výrobných procesov práškovej metalurgie. Pomocou práškovej metalurgie sme schopní kombinovať kovy, ktorých kombinácie nie je možné pripraviť pomocou konvenčných zlievarenských postupov. Hlavné aplikácie kontaktov v elektrotechnickom priemysle využívajú strieborné kontakty, pričom sa používa striebro s vysokou čistotou, ale aj kombinácie kovových práškov. Striebro, ktoré má zo všetkých kovov najvyššiu elektrickú a tepelnú vodivosť sa používa aj vo forme plieškov, spájok, prípadne mechanicky spojených vrstiev s iným kontaktným materiálom – obzvlášť s meďou a s materiálmi na báze medi. Ďalším typom kontaktov sú kovy skupiny platiny, volfrám, molybdén, meď, medené zliatiny a ortuť. Hliník je z všeobecného hľadiska slabým materiálom pre elektrické kontakty, pretože je silno náchylný na oxidáciu. Tento materiál sa však široko používa, pretože má dobré elektrické a mechanické vlastnosti a je dostupný a cenovo výhodný. Žiaduce vlastnosti materiálov elektrických kontaktov predstavujú charakteristiky ako sú vysoká elektrická vodivosť na minimalizáciu tepla generovaného prúdom pri prechode cez materiál; vysoká teplotná vodivosť pre zamedzenie vzniku odporového tepla; vysoká odolnosť voči chemickým reakciám vo všetkých aplikačných prostrediach, pričom sa dbá najmä na zamedzenie vzniku dielektrických oxidov, sulfidov a iných zlúčenín; odolnosť voči poškodeniu iskrou pri prepínaní kontaktu. Teplota tavenia materiálu elektrického kontaktu by mala byť dostatočne vysoká, aby nedošlo k lokálnemu poškodeniu pri vzniku iskry – tzv. iskrová erózia.

Materiály elektrických kontaktov pripravené konvenčnými metódami

Medené zliatiny sú charakteristické vysokou elektrickou a tepelnou vodivosťou, pomerne nízkou cenou a jednoduchosťou výroby pre široké použitie v oblasti elektrických kontaktov. Hlavnou nevýhodou medených kontaktov je nízka odolnosť voči oxidácii a korózii. Vo väčšine prípadov je pokles napätia spôsobený tenkým oxidickým alebo korodickým filmom na akceptovateľnej úrovni. Pri niektorých prerušovačoch obvodov sú kontakty ponorené v nevodivom oleji, aby nedošlo k oxidačným alebo koróznym procesom na povrchu materiálu. Pri niektorých aplikáciách, ako sú napr. nožové prepínače, poistky a skrutkové konektory sú kontaktné povrchy chránené vrstvou striebra, niklu alebo cínu. V obvodoch energetických zariadení, kde oxidácia medi predstavuje závažný problém, sa využívajú povrchové vrstvy kontaktov zo striebra. Vákuovo zatavené kontakty využívajú tzv. bezkyslíkovú meď pre dosiahnutie optimálnych elektrických vlastností.

Kovy na báze medi sa väčšinou používajú v poistkách, jackoch, elektrických zásuvkách, objímkach, konektoroch a posúvacích klzných kontaktoch. Žltá mosadz (označenie C27000) sa používa pri poistkách a koncovkách, z dôvodu dobrej obrobiteľnosti. Fosforový bronz (označenie C50500 alebo C51000) sa využíva pri tenkých objímkach a konektorových pružinách, pretože tento materiál je charakteristický pomerne vysokou medzou pevnosti a odolnosťou voči opotrebeniu. Zliatina striebra s niklom sa niekedy používa namiesto žltej mosadze pri výrobe relé a pružín jackov, pretože má vyšší modul pružnosti a pevnosti, odolnosť voči vytváraniu matných filmov na povrchu a krajší vzhľad. Avšak nikel vytvára síce tenký, ale veľmi tvrdý oxidický film, ktorý má pomerne vysoký odpor.

Strieborné zliatiny. Striebro, ktoré má zo všetkých kovov najvyššiu elektrickú a tepelnú vodivosť, je najširšie používaným materiálom v čistej forme alebo vo forme rôznych zliatin pre širokú paletu regulovateľných kontaktov (od 1 po 600 A). Keďže má vynikajúcu elektrickú a tepelnú vodivosť, používa sa striebro pri kontaktoch, ktoré musia byť zapojené po dlhú dobu a to vo forme elektroplechov a ako povrchové vrstvy na spojovacích kolíkoch a objímkach (puzdrách). Taktiež sa používa pri klzných kontaktoch s nepravidelným posúvaním, akými sú napríklad rotačné prepínače. Typy kontaktných materiálov na báze striebra možno rozdeliť na:

- nelegované striebro alebo strieborné vrstvy,

- binárne, ternárne a viackomponentné strieborné zliatiny elektrických kontaktov ako napr. striebro-kadmium, striebro-meď, striebro-meď-nikel alebo striebro-kadmium-nikel,

- kompozitné materiály na báze striebra so žiaruvzdornými zložkami ako sú oxidy kadmia, oxidy horčíka, oxidy cínu, grafit, volfrám, karbid volfrámu, prípadne molybdénu

Keďže má striebro zo všetkých kovov pri teplote miestnosti najvyššiu elektrickú a tepelnú vodivosť, môže cez kontakt prechádzať väčší prúd, i keď samotný kontakt oplýva malými rozmermi. Pri konečnej montáži môže migrácia striebra skrz a okolo elektrickej izolácie zapríčiniť znehodnotenie izolácie. Ak je v kontakte s určitými materiálmi, ako napr. s fenolovými vláknami, pričom existuje zaťaženie elektrickým potenciálom, ióny striebra migrujú skrz alebo okolo izolačného materiálu, pričom vytvárajú akési vláknové spojenia, ktoré znižujú odolnosť izolácie. Takéto zníženie kvality izolačného materiálu a redukcia vodivosti je ešte vyššia, ak je v atmosfére prítomná vlhkosť. Striebro sa v porovnaní s meďou používa predovšetkým preto, lebo je odolnejšie voči oxidačným procesom na vzduchu. Striebro je citlivé na síru a sulfidické plyny v superpozícii s vlhkosťou. Výsledný sulfidický film môže spôsobiť výrazné zvýšenie elektrického odporu kontaktu.

99,9 Ag – má najvyššiu elektrickú a tepelnú vodivosť zo všetkých kovov. Má vysokú prúdovú kapacitu, ktorá obmedzuje vznik tepla. Taktiež je charakteristické vysokou tepelnou vodivosťou, ktorá zaručuje, že teplo vzniknuté pri vytvorení iskry rýchlo zanikne. Striebro má taktiež vynikajúcu oxidačnú odolnosť a teda nízke prúdové poklesy pozdĺž rozhrania kontaktu. Nevýhodou je nízka teplota tavenia striebra, pretože dochádza k výraznejším erozívnym stratám a taktiež nízka mechanická pevnosť, z čoho vyplýva vyššia opotrebovateľnosť. Keďže je striebro pomerne húževnaté, je z neho možné vyrobiť zložité tvary, valcové kontakty, trubicovité kontakty a tlačidlá. Zliatiny Ag-Cu – prídavky medi značne zlepšujú tvrdosť striebra a jemne znižujú jeho vodivosť. Avšak meď znižuje odolnosť striebra na vytváranie tmavých povlakov na povrchu, pričom tento povlak zvyšuje odpor kontaktu.

Zliatiny Ag-Cu sa používajú namiesto čistého striebra tam, kde to umožňujú atmosférické podmienky. Pre tie isté aplikácie sú tieto zliatiny väčšinou lacnejšie než čisté striebro. Na prekonanie povlaku na zliatinách Ag-Cu je potrebné použiť vyššiu spínaciu silu. Nízky prídavok niklu do týchto zliatin spôsobí, že povlak na povrchu je krehkejší a teda je možné použiť nižšiu spínaciu silu.

Zliatiny Ag-Cd – kadmium zlepšuje schopnosť zakalenia striebra pri vzniku iskry a taktiež zvyšuje jeho odpor a mechanickú pevnosť. Tieto zliatiny sú odolnejšie voči iskrovej erózii ako čisté striebro a zliatiny Ag-Cu.

Zliatiny Ag-Pt – malý prídavok platiny zvyšuje tvrdosť, odolnosť voči opotrebeniu a koróznu odolnosť striebra, pričom však znižuje jeho elektrickú vodivosť. Zliatiny striebra s platinou sa používajú v prepínacích zariadeniach s nízkou spínacou silou, pri ktorých cena nehrá dôležitú úlohu.

Zliatiny Ag-Pd – paládium zlepšuje odolnosť striebra voči opotrebeniu, ale taktiež znižuje jeho elektrickú aj tepelnú vodivosť. Tieto zliatiny sú menej citlivé na oxidáciu ako čisté železo. Striebro a paládium tvoria kompletný tuhý roztoka ich zliatiny majú veľmi dobrú obrobiteľnosť.

Zliatiny Ag-Au – zlato zvyšuje tvrdosť a zlepšuje oxidačnú odolnosť striebra. Matné filmy na rozhraní kontaktov sú pri týchto zliatinách najstabilnejšie. Napr. zliatina Ag-10Au sa používa pri elektrických relé s prúdovými kapacitami nižšími ako 0,5 A. Táto zliatina je húževnatosťou porovnateľná s čistým striebrom.

Zlaté zliatiny. Čisté zlato má neprekonateľnú odolnosť voči oxidácii a sulfidácii, má však pomerne nízku teplotu tavenia a je teda citlivé na prúdovú eróziu. Preto je efektívne jeho použitie len pri aplikáciách s prúdmi nižšími než 0,5 A. Aj keď sa na zlate nevytvárajú oxidické, či korózne povlaky, niekedy sa môže vytvoriť vrstva na báze uhlíka, ak je zlato pri jeho použití pod prúdom vystavené organickým parám. Elektrický odpor takejto vrstvy je niekoľko ohmov. Ak je zlato použité ako kontakt s paládiom alebo ródiom, odpor takýchto kontaktov je veľmi nízky. Nízku tvrdosť zlata je možné zvýšiť legovaním meďou, striebrom, paládiom a platinou, ale použiteľnosť je obmedzená výškou elektrického prúdu z dôvodu nízkej teploty tavenia.

99,0 Au – hlavnou výhodou zlata takejto čistoty ako kontaktného materiálu je jeho vynikajúca odolnosť voči vytváraniu tmavých povlakov na povrchu pri expozícii na vzduchu. Vyššou odolnosťou sa vyznačuje už len platina. Zliatiny na báze zlata, ktoré sa používajú v elektrotechnickom priemysle ako materiál na výrobu kontaktov:

Au-26,2Ag-1,8Ni

Au-27Ag-3Ni

Au-25Ag-6Pt

Au-25Ag, prípadne Au-50Ag

Au-5Ag-9Pt-15Cu

Au-10Cu

Au-14,5Cu-8,5Pt-4,5Ag-1Zn

Platina a paládium. Platina a paládium sú dva najdôležitejšie kovy skupiny platiny. Tieto kovy majú vysokú odolnosť voči vytváraniu povlakov na povrchu, čím sú vynikajúcim materiálom pre kontakty v elektrických relé a iných zariadeniach zo spínacími silami nižšími než 490 mN. V praxi sa používajú nielen vo forme čistých prvkov, ale aj vo forme zliatin, napríklad platiny s irídiom alebo ruténiom. Taktiež sa používajú zliatiny Pd-40Cu a Pd-40Ag.

Materiály elektrických kontaktov pripravené PM

Pomocou technológie práškovej metalurgie je možné vytvárať materiály kontaktov, ktoré pomocou konvenčných zlievarenských metód pripraviť nemožno.

Volfrám a molybdén. Väčšina volfrámových a molybdénových kontaktov je vyrábaná PM vo forme kompozitov so striebrom, meďou, prípadne inou zložkou. Vyznačujú sa vynikajúcou odolnosťou voči mechanickému opotrebeniu a elektrickej erózii.

Kompozitné materiály. Kompozitné elektrické kontakty sú vyrábané z troch kategórií materiálov:

- tie, ktoré obsahujú žiaruvzdorné prvky, ako napríklad V a Mo, prípadne ich karbidy,

- obsahujúce semižiaruvzdorné prvky, ako oxidy kadmia, horčíka a cínu,

- obsahujúce prvky (napr. Ag a Ni), ktoré nie sú pripravené konvenčnými metódami, ale sú formované technológiou práškovej metalurgie.

Väčšina typov kompozitných kontaktných materiálov má zväčša základný prvok striebro, meď, prípadne žiaruvzdorný kov a jeho karbidy. Kontakty na báze žiaruvzdorných prvkov a na báze striebra sa využívajú v prepínacích zariadeniach operujúcich na vzduchu. Kompozitné kontakty na báze medi sa používajú vo vákuu a v zariadeniach obsahujúcich ochranný olej. Žiaruvzdorné kompozitné kontakty a kontakty na báze karbidov sú charakteristické vysokou teplotou tavenia a taktiež vysokou tvrdosťou. Na druhej strane však majú nízku elektrickú a tepelnú vodivosť a taktiež chabú odolnosť voči oxidácii. Žiarupevné prvky v čistej forme sú výkonným materiálom na tieto elektrotechnické účely iba pri nízkych prúdových zaťaženiach. Vytvorením kompozitu je možné ovplyvňovať tieto vlastnosti. Ako príklad možno uviesť, že vývoj týchto kompozitov spôsobil vytvorenie materiálu obsahujúceho striebro, prípadne meď v superpozícii s volfrámom alebo molybdénom a ich karbidmi. Výsledný materiál je schopný vydržať vyššie prúdové zaťaženia a iskrenie ako ktorýkoľvek iný typ kontaktného materiálu. Žiaruvzdorné prvky v kompozite (obsah sa pohybuje od 10 až po 90%) zaručujú dobrú žiarupevnosť a žiaruvzdornosť, na druhej strane striebro alebo meď zaručujú vynikajúcu tepelnú a elektrickú vodivosť. Keďže striebro a meď nie sú schopné tvoriť tuhé roztoky s volfrámom a molybdénom, musí byť pri výrobe takýchto kontaktov použitá technológia práškovej metalurgie. Okrem výlučne práškových metód sa využíva aj metóda so „skeletom“, kedy žiarupevné prvky tvoria akúsi stavebnú kostru a zalisovávajú sa medeným, prípadne strieborným práškom. Využívajú sa kompozity so skeletom z karbidu titánu a z molybdénu. Vyrábajú sa aj kompozitné kontakty so striebrom a niklom a taktiež kompozity striebro – grafit. Grafit sa používa pre jeho dobré klzné vlastnosti, čím redukuje poškodenie spôsobené trecími silami. Kompozitné kontakty striebro – železo sa vyznačujú dobrou odolnosťou voči opotrebeniu pri použití u kontaktov v creepových termostatoch. Kompozity na báze striebra s disperznými oxidmi využívajú vlastnosti disperzných fáz ako sú CdO, SnO2 alebo ZnO. Tieto kontakty majú taktiež vyššiu odolnosť voči opotrebeniu.

Text clanku bol prevzany a nasledne prelozeny z ASM Handbook.