Способ нанесения металлического покрытия на токопередающие поверхности контактных соединений

Способ нанесения металлического покрытия на токопередающие поверхности контактных соединений

Реферат

Изобретение относится к области электротехники, а именно к области монтажа, ремонта и обслуживания электротехнического оборудования.

В электрических сетях и электротехническом оборудовании используется большое количество контактных соединений различных видов и типов. Общей проблемой эксплуатации контактных соединений, влияющей на надежность и экономичность работы электрических сетей и электротехнического оборудования, является рост переходного сопротивления при эксплуатации контактных соединений в результате образования оксидных пленок и износа рабочих поверхностей контактных соединений (в подвижных контактах). Повышенное переходное сопротивление является причиной потерь электрической энергии, нагрева контакт-деталей и может привести к возгораниям, обрывам электрических цепей и аварийным отключениям. Для уменьшения указанных явлений требуется постоянный контроль состояния контактных соединений и проведение ряда регламентных работ. Принципиальным решением для повышения надежности и экономичности работы контактных соединений является применение на рабочих поверхностях контакт-деталей защитных металлических покрытий, причем в ряде случаев их применение требуется по ГОСТ 10434-82 «Соединения контактные электрические. Классификация. Общие технические требования».

Известен способ нанесения металлического покрытия на токопередающие поверхности электрических контактов путем лужения контактных поверхностей оловянно-свинцовым припоем с помощью паяльника [Максимихин Б.А. Технологические процессы пайки электромонтажных соединений. Л.: Энергия, 1980]. Данный способ предполагает нагрев контактной поверхности до 280-320°C. Необходимость разогрева до указанного диапазона температур не позволяет использовать данный способ в практике монтажа и ремонта контактных соединений из-за высокой теплопроводности материала контактных соединений и проводников и близости к контактным соединениям участков проводников покрытых изоляцией, для которой температуры 280-320°C являются недопустимыми.

Известны способы нанесения металлического покрытия на токопередающие поверхности разборных контактных соединений с помощью процесса контактного твердо-жидкого плавления [Лашко Н.Ф., Лашко С.В. Контактные металлургические процессы при пайке. М.: Металлургия, 1977] с использованием легкоплавких сплавов на основе галлия, описанные в патенте РФ №2301847 (C23C 26/02, 01.12.2005) и патенте РФ №2411305 (C23C 26/02, C23G 1/00, H01R 24/00, C22C 28/00, 30.12.2008).

Одним из общих недостатков способов является наличие эффекта охрупчивания алюминия галлием и сплавами на его основе [Шекл И.А., Чаус И.С., Митюрева Т.Т. Галлий. - Киев: Изд-во технической литературы, 1963]. В результате при нанесении металлического покрытия, при превышении дозы наносимого на поверхность контакт-детали легкоплавкого сплава на основе галлия выше максимально допустимой, определенной эмпирическим путем, наблюдается трещинообразование на контакт-деталях и их последующее разрушение, особенно в условиях приложения механической нагрузки (например, при затягивании болтовых крепежных элементов разборного контактного соединения или при изгибе в зоне нанесенного металлического покрытия).

Также недостатком указанных способов является высокая цена галлия, который может присутствовать в применяемых сплава в массовых долях 64-99,9999%.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ нанесения металлического покрытия на токопередающие поверхности разборных контактных соединений, описанный в патенте РФ №2516189 (C23C 26/02, H01R 24/00, 31.08.2012), включающий очистку от грязи и обезжиривание токопередающей поверхности, нанесение на нее жидкого флюса, удаление остатков флюса и опилок, нанесение на токопередающую поверхность легкоплавкого сплава на основе висмута толщиной не более 0,1 мм с образованием металлического покрытия в результате процесса контактного твердо-жидкого плавления.

Способ предполагает подогрев контакт-деталей до диапазона температур 65-70°C и использование двух вариантов сплавов на основе висмута со следующими составами, мас.%: для токопередающих поверхностей из меди, стали и их сплавов: 49,4 - висмут, 21 - индий, 18 - свинец, 11,6 - олово; для токопередающих поверхностей из алюминия и его сплавов: 50 - висмут, 25 - свинец, 12,5 - олово, 12,5 - кадмий.

Следует заметить, что технические решения по данному способу устраняют ранее описанные недостатки применения галлиевых сплавов - эффект охрупчивания и разрушения контакт-деталей и высокую себестоимость металлопокрытия, без ухудшения электротехнических характеристик контактных соединений с защитным металлическим покрытием. Проведенные эксперименты показали, что висмут-содержащие сплавы не оказывают охрупчивающего действия на алюминиевые контакт-детали. При этом стоимость висмута в 4-6 раз ниже стоимости галлия.

Однако прототип имеет следующий недостаток: применение сплавов на основе висмута предполагает использование подогрева контакт-деталей до более высоких температур (до 70°C), чем галлиевые сплавы (45°C). В случае массивных контакт-деталей, имеющих значительную теплоемкость, а также контакт-деталей, от которых имеется возможность теплопередачи за счет теплопроводности через присоединенный проводник, процесс подогрева самой контакт-детали может занимать значительное время и иметь высокую энергоемкость.

Также в прототипе предусмотрено нанесение жидкого сплава на токопередающую поверхность слоем толщиной не более 0,1 мм. Однако остается нераскрытым, как обеспечиваются указанные требования по толщине слоя, а также каким образом контролируется толщина в процессе нанесения покрытия.

В прототипе предполагается применение сплавов определенного состава, что ограничивает возможности для придания определенных свойств металлопокрытию, таких как механическая твердость, износостойкость, коэффициент трения, электропроводность, коррозионная стойкость во влажной среде, стойкость к воздействию электрической дуги. Таким образом, сужается область применения способа.

Также в прототипе предполагается применение способа нанесения защитных металлических покрытий на токопередающие поверхности разборных контактных соединений. Однако в электротехническом оборудовании используется множество подвижных размыкаемых контактных соединений, в которых происходит скольжение, качение или прижатие контакт-деталей. Рабочие поверхности контакт-деталей подвижных контактных соединений работают в условиях механического износа, а также могут подвергаться воздействию электрической дуги и ударных механических нагрузок.

Для сплавов, применяемых для получения защитных металлопокрытий на рабочих поверхностях подвижных контактных соединений требуется, как минимум, наличие компонентов, препятствующих механическому износу металлопокрытия (уменьшающих коэффициент трения).

В результате анализа недостатков прототипа и исходя из требований к способам нанесения защитных металлопокрытий, диктуемых условиями работы контактных соединений и условиями их обслуживания и эксплуатации была поставлена следующая техническая задача изобретения - улучшение эксплуатационных характеристик способа нанесения защитных металлопокрытий на токопередающие поверхности контактных соединений различных видов и типов, включая подвижные размыкаемые контактные соединения.

Технический результат изобретения - снижение энергоемкости способа и уменьшение временных затрат при нанесении защитного металлопокрытия, расширение области применения способа.

Указанный технический результат достигается тем, что токопередающие поверхности контактных соединений очищаются от загрязнений, обезжириваются, наносится флюс, производится нагрев контакт-детали, инструмента для нанесения металлосплава, самого металлосплава до температуры 49-100°С, производится нанесение на токопередающую поверхность легкоплавкого сплава на основе висмута, который имеет диапазон температур плавления 44-95°С и следующий состав, мас.%: висмут - 44,0÷99,993; индий - 0,001÷55,994; олово - 0,001÷28,0; свинец - 0,001÷40,0; кадмий - 0,001÷25,0; цинк - 0,001÷25,0; медь - 0,001÷10,0; алюминий - 0,001÷12,0; а в случае нанесения металлосплава на токопередающие поверхности подвижных размыкаемых контактных соединений наносят металлическое покрытие из висмутового сплава, в котором мас.% индия составляет не менее 49%.

В результате применения описанных выше технических решений достигнут следующий технический результат: снижена энергоемкость способа нанесения защитного металлопокрытия, уменьшены временные затраты при нанесении защитного металлопокрытия, расширена область применения способа на подвижные размыкаемые контактные соединения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию «Новизна».

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».

Нанесение металлопокрытия на токопередающие поверхности контакт-деталей осуществляется с помощью известного в металлургии процесса контактного твердо-жидкого плавления, при котором взаимодействие твердого металла с жидким происходит ниже температуры автономного плавления твердого металла. В самом общем виде процесс состоит из двух стадий: локальное плавление твердого металла после смачивания его жидким поверхностно активным сплавом (бездиффузионная стадия), а затем диффузионное перемешивание атомов твердого металла из расплавившегося объема с атомами жидкой фазы нанесенного сплава (диффузионная стадия). После затвердевания на токопередающей поверхности контакт-детали образуется пленка металлопокрытия, которая представляет собой твердый раствор двух металлов, отличающийся по своим физическим и химическим свойствам как от материала контакт-детали, так и от нанесенного на ее токопередающую поверхность легкоплавкого сплава.

Металлопокрытие может быть нанесено на токопередающие поверхности контакт-деталей, изготовленных из любого применяемого для этой цели металла: медь, алюминий, свинец, сталь и сплавы на их основе, при этом не требуется использование какого-либо специального оборудования, кроме стандартного набора инструментов.

Применение способа позволяет исключить явление электрохимической коррозии, непосредственно соединять медные и алюминиевые контакт-детали без каких-либо наплавок и вкладышей, что значительно упрощает конструкцию РКС, снижает трудоемкость и стоимость его изготовления.

Предлагаемый способ предполагает нагрев металлосплава и инструмента для его нанесения (металлической щетки), в отличие от прототипа, в котором предполагается нагрев контакт-детали. В случае массивных контакт-деталей, имеющих значительную теплоемкость, а также контакт-деталей, от которых имеется возможность теплопередачи за теплопроводности через присоединенный проводник, процесс нагрева самой контакт-детали может занимать значительное время и иметь высокую энергоемкость. Таким образом снижается энергоемкость способа нанесения защитного металлопокрытия, уменьшаются временные затраты при нанесении защитного металлопокрытия.

Применение легкоплавких сплавов на основе висмута, которые имеют диапазон температур плавления 44-95°С и следующий состав, мас.%: висмут - 44,0÷99,993; индий - 0,001÷55,994; олово - 0,001÷28,0; свинец - 0,001÷40,0; кадмий - 0,001÷25,0; цинк - 0,001÷25,0; медь - 0,001÷10,0; алюминий - 0,001÷12,0 позволяет придать определенные свойства металлопокрытию, такие как механическая твердость, износостойкость, коэффициент трения, электропроводность, коррозионная стойкость во влажной среде, стойкость к воздействию электрической дуги.

Для металлосплавов, применяемых для получения защитных металлопокрытий на рабочих поверхностях подвижных контактных соединений, дополнительным требованием является введение в металлосплав компонентов, препятствующих механическому износу металлопокрытия (уменьшающих коэффициент трения).

Таким компонентом является индий, т.к. он имеет следующие свойства [Яценко С.П. Индий. Свойства и применения. - М.: Наука, 1987]:

1) обладает высокой адгезией ко многим материалам;

2) отличается высокими антифрикционными свойствами;

3) стойкость к воздействию щелочей, морской воды, коррозионная стойкость;

4) покрытия из индия придают хорошие смазывающие свойства;

5) в индии хорошо растворяются металлы - соседи по периодической системе - галлий, таллий, олово, свинец, висмут, кадмий, ртуть.

Проведенные эксперименты показали, что после 500 циклов замыкания/размыкания контактной системы рубильника переходное сопротивление контактных соединений с защитным металлопокрытием из висмутового сплава, в котором мас.% индия составляла не менее 49%, осталось стабильным и лишь незначительно увеличилось. Визуально после 500 циклов замыкания/размыкания виден небольшой износ защитного металлопокрытия на ноже рубильника, но при этом основного металла - меди, не видно. Усилие замыкания рубильника после нанесения металлопокрытия на контактные соединения снизилось на 12%, что говорит о снижении коэффициента трения в подвижном контакте.

При этом поверхность ножей рубильника с лужением, произведенным на заводе-изготовителе, находится в гораздо худшем состоянии, имеются потертости и потускнение поверхности, а переходное сопротивление контактов увеличилось в 4 раза.

В результате, применение для токопередающих поверхностей подвижных размыкаемых контактных соединений металлических покрытий из висмутового сплава, в котором мас.% индия составляет не менее 49%, обеспечивает снижение механического износа металлопокрытия.

Таким образом, применение металлосплавов состава, мас.%: висмут - 44,0÷99,993; индий - 0,001÷55,994; олово - 0,001÷28,0; свинец - 0,001÷40,0; кадмий - 0,001÷25,0; цинк - 0,001÷25,0; медь - 0,001÷10,0; алюминий - 0,001÷12,0 расширяет область применения способа, в том числе на подвижные размыкаемые контактные соединения.

Способ осуществляется следующим путем. Рабочие контактные поверхности очищают от грязи и жировых пленок с помощью ветоши, смоченной ацетоном и механической обработкой проволочными щетками, установленными на электродрель. Для удаления окисной пленки на эту поверхность кистью наносят жидкий флюс (для меди, стали и их сплав - насыщенный водный раствор хлористого цинка; для алюминия и его сплавов - 10-процентный раствор едкого натрия). Далее слиток металлосплава в специальном теплоизолирующем держателе нагревается электрофеном до температуры 49-100°С, параллельно нагревается инструмент для нанесения металлосплава (металлическая щетка) и для облегчения процесса нанесения металлопокрытия может также нагреваться поверхность контакт-детали. Во время нагрева происходит травление рабочей поверхности, а жидкая фракция флюса испаряется. Далее на токопередающую поверхность наносится нагретый до температуры плавления металлосплав и металлической щеткой распределяется по поверхности контакт-детали. Используется легкоплавкий сплав на основе висмута, который имеет диапазон температур плавления 44-95°С и следующий состав, мас.%: висмут - 44,0÷99,993; индий - 0,001÷55,994; олово - 0,001÷28,0; свинец - 0,001÷40,0; кадмий - 0,001÷25,0; цинк - 0,001÷25,0; медь - 0,001÷10,0; алюминий - 0,001÷12,0; а в случае нанесения металлосплава на токопередающие поверхности подвижных размыкаемых контактных соединений наносят металлическое покрытие из висмутового сплава, в котором мас.% индия составляет не менее 49%. Далее контакт-деталь охлаждается естественным путем.

Предлагаемый способ может быть применен в электроэнергетике.

1. Способ нанесения защитного металлопокрытия из легкоплавкого сплава на основе висмута на токопередающие поверхности контакт-деталей контактных соединений, включающий очистку от загрязнений и обезжиривание токопередающих поверхностей, нанесение флюса, удаление остатков флюса и опилок и нанесение на токопередающие поверхности легкоплавкого сплава на основе висмута, отличающийся тем, что используют наносимый легкоплавкий сплав на основе висмута, имеющий диапазон температур плавления 44-95°С и следующий состав, мас.%:

Висмут	44,0÷99,993
Индий	0,001÷55,994
Олово	0,001÷28,0
Свинец	0,001÷40,0
Кадмий	0,001÷25,0
Цинк	0,001÷25,0
Медь	0,001÷10,0
Алюминий	0,001÷12,0,

а перед нанесением легкоплавкого сплава на основе висмута нагреву до температуры 49-100°С подвергают легкоплавкий сплав на основе висмута, инструмент для нанесения и контакт-детали.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на токопередающие поверхности контакт-деталей подвижных размыкаемых контактных соединений наносят металлическое покрытие из висмутового сплава, в котором содержание индия составляет не менее 49 мас.%.