Spiekane styki elektryczne

1. Wprowadzenie

Spieki to wyroby otrzymywane poprzez spiekanie proszków metali w stanie stałym. Istotą spiekania jest złączenie pod wpływem ogrzewania poszczególnych ziaren proszku w kompozyt o określonych własnościach mechanicznych i fizykochemicznych.

Jednym z typów spieków są spiekane styki elektryczne, od których wymaga się głównie odporności na iskrzenie, spiekanie i zgrzewanie podczas pracy oraz małego oporu elektrycznego. Zalety materiałów spiekanych wykorzystano do produkcji spiekanych styków pseudostopowych, w których jeden materiał tworzy trudnotopliwy porowaty szkielet o dużej twardości, odporności na ścieranie i dobrych własnościach mechanicznych (wolfram), który następnie jest nasycany drugim metalem o dobrej przewodności elektrycznej i cieplnej (srebro). Mogą być również produkowane metodą prasowania i spiekania proszków odpowiednich metali mieszanych w różnym stopniu, co umożliwia regulację własności użytkowych. Stosowane są również do produkcji styków spiekanych wielowarstwowych. Poprzez zmniejszanie się stężenia materiału tworzącego szkielet możliwa jest prawie ciągła zmiana odporności styku wraz z oddalaniem się od jego czynnej powierzchni.

1. Własności spiekanych styków elektrycznych

• Duża gęstość

• Bardzo dobra przewodność elektryczna i cieplna

• Odporność na zgar i zgrzewanie

• Odporność na elektroerozję i korozję w różnych ośrodkach

• Dobra lutowalność

• Niska rezystywność

• Duża trwałość

W kompozytach na osnowie srebra faza umacniająca tworzy odrębne cząstki, które są rozproszone w srebrowej osnowie. Faza umacniająca polepsza własności osnowy tzn. wzrasta twardość kompozytu oraz zmniejsza się powierzchnia kontaktu srebra ze srebrem, co w sposób znaczący zmniejsza skłonność styku do zespawywania i sczepiania. Podobnie jak w przypadku stopów srebra obecność fazy umacniającej w kompozycie obniża przewodność materiału.

Kompozyty na osnowie srebra można podzielić na dwie grupy, w których fazę umacniającą stanowi:

• Czysty pierwiastek lub węglik

• Tlenek

Wraz ze wzrostem zawartości fazy umacniającej w objętości kompozytu, wzrasta jego twardość i maleje przewodnictwo elektryczne.

Wzrost zawartości wolframu w kompozycie Ag-W powoduje zwiększenie gęstości i twardości materiału. Zwiększenie ciśnienia prasowania również daje podobny efekt.

W stopach srebro-molibden wraz ze wzrostem zawartości molibdenu do 50% zachodzi podwyższenie wytrzymałości na ściskanie kompozytu, oporności elektrycznej, twardości oraz spadek gęstości i zgaru.

Stopy srebro-węglik składają się ze srebra i węglika wolframu lub węglika molibdenu. Charakteryzują się wysoką odpornością na zużycie, dużą twardością, odpornością na działanie łuku elektrycznego i niską skłonnością do zespawywania i sczepiania się styków. Zawartość srebra waha się od 20% do 80%.

Stopy srebro-nikiel zawierają od 10% do 60% niklu, który powiększa twardość styków, zwiększa odporność na zużycie i utlenianie, lecz pogarsza przewodnictwo elektryczne.

Styki srebra i tlenku kadmu charakteryzują się wysoką odpornością na sczepianie się, erozję łukową i niską opornością stykową.

1. Skład spiekanych styków elektrycznych

Styki elektryczne wykonywane są z czystych metali, ze stopów oraz ze spieków różnych metali. Do materiałów jednorodnych zaliczamy: miedź, srebro, złoto, nikiel, platyna, wolfram, molibden. Do styków stopowych zaliczamy stopy: Ag-Cu, Ag-Ni, Ag-Cd, Ag-Pd, Cu-Be, Cu-Zn-Sn-P. Do styków spiekowych najczęściej używa się: Cu-W, Cu-Mo, Ag-W.

Najczęściej występującymi stykami są styki srebro-nikiel, miedź-ołów-nikiel, srebro-tlenek kadmu, miedzi lub żelaza. Znane są także styki srebro-grafit lub miedź-grafit, zwane ślizgowymi.

Gatunek	Zawartość składników [%]	Gęstość [Mg/m^3], Min.	Twardość [HB], Min.
	W	Cu	Ag
WM20	75 - 85	15 – 25	-
WS25	70 - 80	-	20 – 30
S	-	-	Reszta
SN10	-	-	Reszta
SN30	-	-	Reszta
SG3	-	-	Reszta
SG5	-	-	Reszta
STK15d	-	-	reszta

Tabela 1: Przykłady styków spiekanych elektrycznych wraz z ich składem chemicznym, minimalną gęstością i minimalną twardością w skali Brinella.

Rysunek 1: Spieki elektryczne w dużym powiększeniu.

Rysunek 2: Mikrostruktura spiekanych stopów elektrycznych (Ag-ZnO oraz Ag-SnO2).

Rysunek 3: Wpływ starzenia na rezystancję spieku.

1. Zastosowanie

Spiekane styki elektryczne stosowane są jako narzędzie do zamykania obwodów prądu, przejmowania funkcji przewodnika na jakiś czas i otwierania obwodów. Styki na osnowie wolframu lub molibdenu znajdują zastosowanie w wyłącznikach powietrznych, olejowych i transformatorowych, gdzie potrzebne są materiały odporne na działanie wysokiego napięcia. Styki elektryczne typu srebro-grafit lub miedź-grafit są stosowane jako szczotki kolektorowe. Styki stosowane np. w przerywaczach samochodowych mogą być wytwarzane z proszków wolframu lub innych metali trudno topliwych. Są one produkowane ze spiekanych taśm lub prętów wolframowych przez wycinanie.

Kompozyty srebro-wolfram znajdują zastosowanie między innymi w maszynach wyciągowych na kopalni, jako styki ślizgowe i dociskowe w nastawnikach tramwajowych, w wyłącznikach powietrznych i olejowych wysokiego napięcia do elektrod punktowych i rolkowych spawarek, w stycznikach urządzeń telegraficznych oraz w elektrodach przy zgrzewaniu łańcuchów.

Styki elektryczne srebro-nikiel z powodu odporności na utlenianie znalazły zastosowanie w wyłącznikach napowietrznych, w przekaźnikach mocy, wyłącznikach, aparatach i przyrządach o dużej odporności na zużycie.

Stopy srebra i tlenku kadmu stosowane są szeroko w wielu urządzeniach jako przerywacze obwodowe, przekaźniki, styczniki silnikowe, rozruszniki, przemysłowe regulatory oraz w urządzeniach o wysokiej mocy.

1. Bibliografia

Ciuman-Krzemień, A. (2007). Wpływ dodatków TiB2, SiC oraz WO2 na właściwości mechaniczne i elektryczne kompozytów typu srebro-ceramika. (L. Burzyńska, Red.) Kraków: AGH.

Pacyna, J. (2005). Metaloznawstwo. Wybrane Zagadnienia. Kraków: AGH.