RU2122039C1

RU2122039C1 - Material for copper-based breakaway electric contacts

Info

Publication number: RU2122039C1
Application number: RU97115314A
Authority: RU
Inventors: В.В. Иванов; В.И. Кирко; Ван-Чжу Шао
Original assignee: Научно-исследовательский физико-технический институт при Красноярском государственном университете
Priority date: 1997-09-16
Filing date: 1997-09-16
Publication date: 1998-11-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: material contains, wt %: fine-disperse diamonds, 0.01-2.0; boron nitride, 0.05-0.5; cadmium, 0.5-4.0; vanadium, 0.1-8.0; niobium, 0.2-6.0; and molybdenum, 0.2-5.0. Summary content of vanadium, niobium, and molybdenum does not exceed 10%. EFFECT: lowered transient resistance in contact pair, reduced electric transfer of material in direct-current operation, and increased long-term strength of contact material. 2 tbl

Description

Изобретение относится к области электротехнических материалов, в частности, к материалам для взрывных контактов коммутационной электроаппаратуры. The invention relates to the field of electrical materials, in particular, to materials for explosive contacts of switching electrical equipment.

Известно множество электроконтактных материалов на основе благородных металлов, особенно серебра [1]. Такие материалы хотя и обеспечивают хорошие эксплуатационные характеристики контактов и надежную работу аппаратов, но приводят к большому безвозвратному расходу дефицитных и дорогих благородных металлов. There are many electrical contact materials based on noble metals, especially silver [1]. Such materials, although they provide good contact performance and reliable operation of the devices, they lead to a large irretrievable consumption of scarce and expensive precious metals.

В связи с необходимостью сокращения использования серебра и выпуска качественных, но более дешевых материалов, обращают внимание на медь, как заменитель, обладающий высокими значениями важных для электронтактного применения физических свойств: тепло- и электропроводности, теплоемкости, температур и теплот плавления и кипения. Известны попытки применения контактных материалов, содержащих медь в качестве основного компонента [2]. In connection with the need to reduce the use of silver and the production of high-quality, but cheaper materials, they pay attention to copper as a substitute that has high values of physical properties important for electronic applications: heat and electrical conductivity, heat capacity, temperatures, and heat of fusion and boiling. Known attempts to use contact materials containing copper as the main component [2].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является материал на медной основе [3], содержащий металлический кадмий и порошок мелкодисперсного алмаза (фракция менее 2 мкм) при следующем содержании компонентов, мас.%:
Частицы алмаза - 0,1 - 3,0
Кадмий - 0,5 - 1,5
Медь - Остальное
Материал имеет хорошую эрозионную стойкость, низкое удельное сопротивление (2,0 - 3,8 мкОм•см), достаточно высокую твердость (HB = 60 - 65) и стойкость к приплавлению, стабильное переходное сопротивление.The closest in technical essence and the achieved result is a copper-based material [3] containing cadmium metal and fine diamond powder (fraction less than 2 microns) with the following components, wt.%:
Diamond particles - 0.1 - 3.0
Cadmium - 0.5 - 1.5
Copper - Else
The material has good erosion resistance, low resistivity (2.0 - 3.8 μOhm • cm), sufficiently high hardness (HB = 60 - 65) and resistance to melting, stable transition resistance.

Однако этот материал имеет хотя и стабильное, но повышенное переходное сопротивление, а также высокий электроперенос при работе на постоянном токе, являющийся причиной образования наростов и кратеров на контактных поверхностях контакт-деталей, что влечет за собойих преждевременный выход из строя. Кроме того, слабая адгезиальная связь алмазных частиц с медной матрицей является основой низкой длительной прочности электроконтактов, что вызывает быстрое из разрушение после некоторого периода работы в тяжелых условиях (например, в режиме АС-4). Все это снижает надежность работы коммутационных аппаратов. However, this material, although it has a stable but increased transient resistance, as well as high electrical transport when working on direct current, which causes the formation of growths and craters on the contact surfaces of contact parts, which entails their premature failure. In addition, the weak adhesion of diamond particles to the copper matrix is the basis for low long-term strength of electrical contacts, which causes rapid failure after a certain period of operation under severe conditions (for example, in the AC-4 mode). All this reduces the reliability of switching devices.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи создания материала для разрывных контактов коммутационной электроаппаратуры повышенной надежности и долговечности. Добиться этого позволит технический результат, получаемый при использовании изобретения, а именно понижение переходного сопротивления в симметричной контактной паре, понижения электропереноса материала при работе на постоянном токе, а также увеличение длительной прочности материала при сохранении или повышении уровня других служебных свойств. The claimed invention is directed to solving the problem of creating material for breaking contacts of switching electrical equipment of increased reliability and durability. This will be achieved by the technical result obtained by using the invention, namely, a decrease in the transient resistance in a symmetrical contact pair, a decrease in the material’s electrical transport during direct current operation, and an increase in the long-term strength of the material while maintaining or increasing the level of other service properties.

В известной композиционный материал, содержащий медь, кадмий и мелкодисперсные алмазы, дополнительно введены нитрид бора, металлический ванадий, ниобий, молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Частицы алмаза - 0,01 - 2,0
Нитрид бора - 0,05 - 0,5
Кадмий - 0,5 - 4,0
Ванадий - 0,1 - 8,0
Ниобий - 0,2 - 6,0
Молибден - 0,2 - 5,0
Медь - Остальное
причем суммарное содержание тугоплавких металлов (ванадий, ниобий, молибден) не превышает 10%.In the known composite material containing copper, cadmium and finely divided diamonds, boron nitride, metallic vanadium, niobium, molybdenum are additionally introduced in the following ratio of components, wt.%:
Diamond particles - 0.01 - 2.0
Boron nitride - 0.05 - 0.5
Cadmium - 0.5 - 4.0
Vanadium - 0.1 - 8.0
Niobium - 0.2 - 6.0
Molybdenum - 0.2 - 5.0
Copper - Else
moreover, the total content of refractory metals (vanadium, niobium, molybdenum) does not exceed 10%.

От наиболее близкого аналога заявляемый материал отличается тем, что он дополнительно содержит нитрид бора, металлические ванадий, ниобий, молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%: частицы алмаза - 0,01 - 2,0, нитрид бора - 0,05 - 0,5, кадмий - 0,5 - 4,0, ванадий - 0,1 - 8,0, ниобий - 0,2 - 6,0, молибден - 0,2 - 5,0, медь - остальное, причем суммарное содержание тугоплавких металлов (ванадий, ниобий, молибден) не превышает 10%. The claimed material differs from the closest analogue in that it additionally contains boron nitride, metallic vanadium, niobium, molybdenum in the following ratio of components, wt.%: Diamond particles - 0.01 - 2.0, boron nitride - 0.05 - 0 5, cadmium - 0.5 - 4.0, vanadium - 0.1 - 8.0, niobium - 0.2 - 6.0, molybdenum - 0.2 - 5.0, copper - the rest, and the total content refractory metals (vanadium, niobium, molybdenum) does not exceed 10%.

Эксперименты показали, что при содержании добавок ниже указанного уровня их влияние на служебные свойства невелико, а более высокие количества приводят к существенному ухудшению характеристик контактов. Добавляемые, относительно прототипа, вещества способствуют понижению переходного сопротивления контактного материала, существенно улучшают его эрозионную стойкость и стойкость против сваривания, упрочняют матрицу на основе кадмиевой меди, а также увеличивают длительную прочность материала. Предлагаемые добавки позволяют, наряду с этим, понизить содержание дорогостоящего алмазного порошка без снижения эксплуатационных свойств материала. The experiments showed that when the content of additives is lower than the specified level, their effect on the service properties is small, and higher quantities lead to a significant deterioration in the characteristics of the contacts. Added, relative to the prototype, substances help to reduce the transition resistance of the contact material, significantly improve its erosion resistance and resistance to welding, strengthen the matrix based on cadmium copper, and also increase the long-term strength of the material. The proposed additives allow, along with this, to lower the content of expensive diamond powder without reducing the operational properties of the material.

Контакт-детали из данного материала изготовляют методом порошковой металлургии. Исходные порошки указанных компонентов, взятые в необходимой пропорции, смешивают, из полученной шихты прессуют заготовки, которые далее спекают, допрессовывают для получения максимально возможной плотности и, наконец, отжигают с целью устранения послепрессовочных напряжений и оптимизации структуры. Contact parts from this material are made by powder metallurgy. The starting powders of the indicated components, taken in the required proportion, are mixed, preforms are pressed from the resulting mixture, which are then sintered, pressed to obtain the highest possible density and, finally, annealed in order to eliminate post-pressing stresses and optimize the structure.

Характеристики готовых контакт-деталей из такого материала:
Плотность, г/см³ - 8,3 - 8,8
Твердость, HB - 65 - 80
Удельное сопротивление, мкОм • см - 2,3 - 3,6
Контакт-детали из материала-прототипа и предлагаемого материала были изготовлены по описанной схеме в одинаковых условиях и подвергнуты сравнительному тестированию на специальных стендах по относительной коммутационной стойкости на переменном токе и переходному падению напряжения на работающих контактах в присутствии слоя наработки. Наиболее характерные результаты приведены в табл. 1 (контакты из материала-прототипа обозначены как Х). Условия испытаний: I = 30 А, U = 380 B, cos φ = 0,8, количество циклов вкл/откл - 10000. Падение напряжения - среднее из 30 измерений. Коммутационный износ - средняя величина на пару контактов.Characteristics of finished contact parts made of such material:
Density, g / cm ³ - 8.3 - 8.8
Hardness, HB - 65 - 80
Resistivity, μOhm • cm - 2.3 - 3.6
Contact details from the prototype material and the proposed material were made according to the described scheme under the same conditions and subjected to comparative testing on special stands for relative switching resistance on alternating current and transient voltage drop across working contacts in the presence of an operating layer. The most characteristic results are given in table. 1 (contacts from the material of the prototype are designated as X). Test conditions: I = 30 A, U = 380 V, cos φ = 0.8, the number of on / off cycles is 10000. The voltage drop is the average of 30 measurements. Switching wear is the average value per pair of contacts.

Кроме того, испытана износостойкость и электроперенос при размыкании и замыкании постоянного тока на предлагаемом составе N 4 и прототипе (табл. 2). Условия испытаний: I = 100 A, U = 100 B, количество циклов вкл/откл - 10000, (+) - приращение массы контакта, (-) - убыль массы. In addition, we tested the wear resistance and electric transport when opening and closing a DC current on the proposed composition N 4 and the prototype (table. 2). Test conditions: I = 100 A, U = 100 B, the number of on / off cycles is 10000, (+) is the contact mass increment, (-) is the mass loss.

Как видно из таблиц, испытания показали повышенную коммутационную стойкость предлагаемого материала контактов, более низкое переходное падение напряжения на работающих контактах (т.е. переходное сопротивление) и значительно более низкий электроперенос на постоянном токе. As can be seen from the tables, the tests showed an increased switching resistance of the proposed contact material, a lower transient voltage drop across the working contacts (i.e., transient resistance) and a significantly lower direct current transfer.

Проведены также сравнительные испытания на коммутационную износостойкость в режиме АС-4. Параметры одинаковы как на стадии включения, так и отключения:
Коммутируемый ток, А - 150
Напряжение, B - 380
Коэффициент мощности - 0,35
Частота циклов В-О, ч^-1 - 1200
Требуемый ресурс, млн.циклов В-О - 0,08
Испытания показали, что наработка контактов из материала-прототипа составила 50 - 63% срабатываний по ТУ. Контакты из предлагаемого материала нарабатывали требуемый ресурс в полном объеме.Comparative tests for switching wear resistance in the AC-4 mode were also carried out. The parameters are the same both at the on and off stages:
The switched current, And - 150
Voltage, B - 380
Power factor - 0.35
The frequency of the cycles In-h, h ^-1 - 1200
Required resource, mln. Cycles В-О - 0.08
Tests showed that the operating time of contacts from the material of the prototype was 50 - 63% of positives for technical specifications. Contacts from the proposed material worked out the required resource in full.

Использование электроконтактов из предложенного материала по сравнению с прототипом позволяет повысить надежность и долговечность коммутационных аппаратов. The use of electrical contacts from the proposed material in comparison with the prototype can improve the reliability and durability of switching devices.

Источники информации
1. Мастеров В.А, Саксонов Ю.В. Серебро, сплавы и биметаллы на его основе. -М.: Металлургия, 1979, 296 с.Sources of information
1. Masters V.A., Saxonov Yu.V. Silver, alloys and bimetals based on it. -M .: Metallurgy, 1979, 296 p.

2. Справочник по электротехническим материалам. Т. 3./Под ред.Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынкова, Б.М.Тареева. - Л.: Энергоатомиздат, 1988, 726 с. 2. Handbook of electrical materials. T. 3./ Under the editorship of Yu.V. Koritsky, V.V. Pasynkov, B. M. Tareev. - L .: Energoatomizdat, 1988, 726 p.

3. Иванов В. В., Кирко В.И., Иванов Вл.Вл. Спеченный электроконтактный материал на основе меди. Патент России N 2073736. Опубл. в БИ N 5, 1997. 3. Ivanov V.V., Kirko V.I., Ivanov Vl.Vl. Sintered electrical contact material based on copper. Patent of Russia N 2073736. Publ. in BI N 5, 1997.

Claims

A material for explosive copper-based electrical contacts containing finely divided diamonds and cadmium, characterized in that it additionally contains boron nitride, vanadium, niobium and molybdenum in the following ratio of components, wt.%:
Diamond particles - 0.01 - 2.0
Boron nitride - 0.05 - 0.5
Cadmium - 0.5 - 4.0
Vanadium - 0.1 - 8.0
Niobium - 0.2 - 6.0
Molybdenum - 0.2 - 5.0
Copper - Else
moreover, the total content of vanadium, niobium and molybdenum does not exceed 10%.