Электрические контакты

Н.К. МЫШКИН, В.В. КОНЧИЦ, М. БРАУНОВИЧ





                ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ











Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2008

Н.К. Мышкин, В.В. Кончиц, М. Браунович
   Электрические контакты: Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2008 — 560 с.
   ISBN 978-5-91559-003-7

   Профессиональное учебно-справочное руководство по электрофизике, механике и материаловедению контактных соединений в электротехнике и электронике. Первое издание по тематике в отечественной литературе.
   Рассмотрены характеристики сильноточных соединений, подвижных и разрывных контактов. Особое внимание уделено износу и эксплуатационным свойствам, коррозии и применению смазок, показателям надежности.
   Для разработчиков и технологов, инженеров-практиков, студентов и преподавателей технических университетов.














ISBN 978-5-91559-003-7 © 2008, Н.К. Мышкин,
                           В.В. Кончиц, М. Браунович
                         © 2008, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

  Содержание













Введение..................................................8

Глава 1. ФИЗИКА И МЕХАНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНТАКТА................................................ 16
    1.1. Поверхностьтвердых тел......................... 16
       1.1.1. Физика поверхности ....................... 16
       1.1.2. Геометрия поверхности..................... 19
       1.1.3. Современные методы исследования поверхности. 27
    1.2. Контакт твердых тел............................ 31
       1.2.1. Упругий контакт........................... 31
       1.2.2. Пластический и упругопластический контакт. 33
       1.2.3. Упругий контакт с адгезией................ 39
       1.2.4. Контакт шероховатых поверхностей ......... 46
    1.3. Трение, износ и смазка в контакте.............. 57
       1.3.1. Законы трения............................. 57
       1.3.2. Трение скольжения......................... 60
       1.3.3. Изнашивание............................... 72
       1.3.4. Смазка.................................... 82
       1.3.5. Масштабный фактор......................... 83
Список литературы к главе 1............................. 86

Глава 2. ПРОХОЖДЕНИЕ ТОКА В КОНТАКТЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ............................................. 88
    2.1. Сопротивление стягивания в электрическом контакте........................................... 88

—Саг)ерж.ание

       2.1.1. Влияние частоты тока ....................... 92
       2.1.2. Роль размера пятна контакта, наноконтакты... 95
       2.1.3. Влияние поверхностных пленок ............... 99
       2.1.4. Влияние расположения пятен контакта.........106
    2.2. Сопротивление контакта шероховатых поверхностей........................................113
    2.3. Тепловыделение в электрическом контакте..........124
       2.3.1. Контакт без пленок..........................124
       2.3.2. Контакт с пленками..........................127
    2.4. Нагрев электрического контакта при трении......134
Список литературы к главе 2...............................139

Глава 3. КОНТАКТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.............................141
    3.1. Металлические контактные материалы.............141
       3.1.1. Свойства металлов и сплавов, используемых в электрических контактах ......................141
       3.1.2. Металлы и сплавы для тяжело- и средненагруженных контактов ..................................... 161
       3.1.3. Металлы и сплавы для слаботочных контактов .166
       3.1.4. Материалы для жидкометаллических контактов..168
       3.1.5. Пружинные контактные материалы..............170
       3.1.6. Материалы, обладающие эффектом памяти, и их применение в электрических контактах...............172
    3.2. Покрытия и модифицирование поверхности...........173
       3.2.1. Инженерия поверхности.......................173
       3.2.2. Методы модификации материалов электрических контактов .........................................174
       3.2.3. Покрытия в электрических контактах..........178
    3.3. Композиционные контактные материалы..............199
       3.3.1. Композиционные материалы для контактов коммутационных аппаратов........................200
       3.3.2. Самосмазывающиеся композиционные материалы для скользящих контактов........................210
    3.4. Наноструктурные материалы........................224
       3.4.1. Структура и механические свойства...........225
       3.4.2. Электрические свойства......................227
       3.4.3. Магнитные свойства .........................229
       3.4.4. Теплостойкость наноструктурных материалов ..233
       3.4.5. Наноструктурные покрытия....................234
       3.4.6. Углеродные нанотрубки ......................235

Список литературы к главе 3............................237

Саг)ерж.ание —' \Г 5

Глава 4. РАБОТОСПОСОБНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ...............................240
    4.1. Факторы работоспособности и надежности электрических контактов............................240
    4.2. Механизмы! отказов контактов.................243
       4.2.1. Перегрев площади контакта ..............244
       4.2.2 Окисление контактов......................246
       4.2.3. Коррозия................................248
       4.2.4. Фреттинг................................248
       4.2.5. Интерметаллические соединения...........258
       4.2.6. Электромиграция.........................263
       4.2.7. Релаксация напряжений и ползучесть......265
       4.2.8. Термическое расширение..................270
    4.3. Влияние отказов контактов....................271
       4.3.1. Модель прогноза ресурса электрических контактов .....................................273
Список литературы к главе 4...........................279

Глава 5. КОНТАКТНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ В СИЛЬНОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ....................281
    5.1. Болтовые соединения..........................281
       5.1.1. Фреттинг болтовых соединений............287
       5.1.2. Влияние интерметаллидов.................291
       5.1.3. Ползучесть и релаксация напряжений......293
    5.2. Разъемные контакты шина-вилка................295
    5.3. Обжатые соединения...........................297
       5.3.1. Механизмы отказов контактных соединений.299
    5.4. Контактные соединения в электрических сетях...300
       5.4.1. Винтовые соединения ....................301
       5.4.2. Клиновые и сварные соединения...........306
    5.5. Способы повышения надежности контактных соединений.........................................309
       5.5.1. Оптимизация конструкции для повышения площади контакта...............................309
       5.5.2. Оптимизация контактного давления .......312
       5.5.3. Механические контактные приспособления..313
       5.5.4. Смазки и контактные составы.............320

Список литературы к главе 5...........................323

Содержание

    Глава 6. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ В ЭЛЕКТРОНИКЕ..........................................324
        6.1. Материалы для электронных соединений..........324
        6.2. Механизмы отказов электронных соединений.......331
           6.2.1. Пористость поверхностных слоев...........331
           6.2.2. Коррозия и загрязнения...................333
           6.2.3. Фреттинг.................................337
           6.2.4. Полимеризация при трении.................343
           6.2.5. Интерметаллические соединения............344
           6.2.6. Ползучесть и релаксация напряжений.......354
           6.2.7. Электромиграция..........................355
           6.2.8. Усы......................................357
       6.3. Методы повышения надежности электронных соединений..........................................359
           6.3.1. Модификация покрытий.....................359
           6.3.2. Действие смазок..........................361
    Список литературы к главе 6............................363

    Глава 7. ПОДВИЖНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ...............................................365
        7.1. Трение и износ в электрических контактах......365
        7.2. Металлические контакты, работающие без смазки.... 370
           7.2.1. Слаботочные контакты.....................370
           7.2.2. Сильноточные контакты....................374
           7.2.3. Стабильность контактного сопротивления и электрический шум.............................385
        7.3. Смазанные металлические контакты..............388
           7.3.1. Факторы действия смазки .................388
           7.3.2. Электрические свойства граничных смазочных слоев...........................................389
           7.3.3. Проводимость смазанных контактов.........393
           7.3.4. Действие смазки в скользящих электрических контактах.......................................411
           7.3.5. Смазки для электрических контактов.......425
        7.4. Скользящие контакты композит—металл...........431
           7.4.1. Влияние переходных слоев на электрические характеристики..................................431
           7.4.2. Эффект «смазывания» электрическим током..452
           7.4.3. Электрический износ .....................465

    Список литературы к главе 7............................491

Содержание        7

Глава 8. РАЗРЫВНЫЕ КОНТАКТЫ........................494
   8.1. Общие сведения, специфика работы...........494
   8.2. Конструктивные особенности разрывных контактов......................................497
   8.3. Износ в разрывных контактах................502
   8.4. Искро- и дугогашение в разрывных контактах.513
   8.5. Работоспособность разрывных контактов......515
Список литературы к главе 8........................518

Глава 9. ЭЛЕКТРОКОНТАКТНАЯ ДИАГНОСТИКА И МОНИТОРИНГ.......................................519
   9.1. Диагностика поверхностей контакта..........520
   9.2. Оценка площади контакта и режимов контактного взаимодействия.................................525
   9.3. Оценка свойств материалов и смазок.........531
   9.4. Использование анализа изображений в диагностике .................................538
   9.5. Мониторинг электрических контактов.........543
Список литературы к главе 9........................550

Приложение. Книжные издания по проблемам электрических контактов на русском языке...........552

Предметный указатель...............................555

  Введение














Электрическим контактом называется соприкосновение тел, обеспечивающее непрерывность электрической цепи, а также устройство, содержащее соприкасающиеся детали. Главным назначением электрических контактов является беспрепятственное прохождение электрического тока через поверхность контакта.
   Роль электрических контактов в современной технике существенно возросла в связи с тенденцией к миниатюризации устройств управления и контроля, появлением огромного количества портативных устройств. При этом номинальные площади электрического контакта сократились, приблизившись к микрометровому и нанометровому диапазонам размеров, а количество контактов в единице объема увеличилось на порядки. Требования к надежности контактов резко возросли, а необходимость снижения переходного сопротивления и, следовательно, тепловыделения в контактах стала очень актуальной.
   Классификация электрических контактов может быть выполнена по конструктивным признакам (кинематика движения контактных элементов и геометрия) и эксплуатационным параметрам (величина тока и напряжения). Классификация по конструктивным признакам приведена на рис. В.1.
   В целом, по конструкции все виды контактов могут быть разделены на два класса — неподвижных (контактные соеди-

Рис. В.1. Классификация электрических контактов

Введение

со

-Цл Введение

нения) и подвижных. Неподвижные контакты можно разделить на неразборные, разборные и разъемные. Неразборные контакты обладают большой прочностью и обеспечивают стабильный электрический контакт с низким переходным сопротивлением. Разборные контакты соединяются болтами или винтами, а также промежуточными деталями. Наиболее распространенными контактами такого типа являются шины — плоские пластины, стянутые болтами. Разъемные контакты могут периодически размыкаться, как правило, при отсутствии тока в цепи. Наиболее распространены разъемные контакты типа штырь-гнездо.
   В неразборных контактах нет физической границы раздела между проводниками, а в разборных эта поверхность есть. Она контролируется сжимающей нагрузкой и способностью материала к пластической деформации. Кроме того, очень важны отсутствие загрязнений на поверхности и ее коррозионная стойкость, поэтому контакты часто покрывают мягкими коррозионно-стойкими материалами (олово, серебро, кадмий и т. д.), а также подвергают очистке различными методами.
   В подвижных контактах, по крайней мере, один из неподвижных компонентов прижимается к подвижному компоненту и отводится от него при замыкании, переключении и размыкании электрической цепи, находящейся под токовой нагрузкой. В зависимости от назначения выделяют коммутирующие (разрывные) и токосъемные (скользящие и катящиеся) контакты. Первые работают в прерывистом режиме (многочисленные слаботочные контакты реле и контакты электрических аппаратов в силовых цепях), а вторые контакты постоянно находятся в условиях трения и изнашивания (щетки электрических машин, ползунки потенциометров, токосъемы транспортных и подъемно-транспортных устройств).
   Классификация электрических контактов по эксплуатационным параметрам в самой общей постановке может быть выполнена, базируясь на трех обширных отраслях техники — электроэнергетика (производство и распределение электроэнергии в сетях энергоснабжения), промышленная и бытовая электротехника (использование электроэнергии для