Materiały stykowe i stopy dla styków elektrycznych
Znaczenie materiałów stykowych w stykach elektrycznych
Materiały stykowe są kluczowym elementem funkcjonalnym styków elektrycznych. W dużej mierze decydują o rezystancji przejścia, erozji, skłonności do zgrzewania oraz o osiągalnej trwałości elektrycznej i mechanicznej punktu styku.
W zespołach elektromechanicznych działają bezpośrednio na granicy dwóch przewodzących elementów. Uproszczenia na etapie doboru materiału trudno skompensować później i często ujawniają się dopiero w eksploatacji.
Materiały stykowe stosuje się m.in. w przekaźnikach, stycznikach, łącznikach instalacyjnych, systemach wtykowych oraz w zespołach stykowych. Dobór powinien być zawsze zależny od aplikacji i układu.
Wymagania podstawowe
Materiały stykowe muszą spełniać wiele, częściowo sprzecznych wymagań. Wysoka przewodność musi iść w parze ze stabilnością mechaniczną i kontrolowanym zachowaniem przy łuku elektrycznym.
- niska i stabilna rezystancja styku
- odpowiednia twardość i odporność na zużycie
- kontrolowana erozja
- mała skłonność do zgrzewania styków
- odporność na temperaturę, atmosferę i wpływy środowiskowe
Znaczenie poszczególnych kryteriów różni się istotnie między AC i DC oraz między stykami łączeniowymi i prądowymi.
Materiały bazowe
Srebro jako materiał bazowy
Srebro jest najważniejszym materiałem bazowym ze względu na bardzo wysoką przewodność. Czyste srebro jest jednak stosunkowo miękkie i może wykazywać niekorzystne zjawiska przy obciążeniu łukowym (np. transfer materiału, zgrzewanie). Dlatego w praktyce stosuje się głównie stopy i materiały modyfikowane.
Miedź i stopy miedzi
Miedź ma wysoką przewodność i jest często wykorzystywana jako materiał nośny, np. w nitach stykowych oraz w rozwiązaniach kompozytowych. Jako powierzchnia styku bywa ograniczona ze względu na utlenianie.
Stopy srebra
Stopy srebra łączą przewodność z poprawionymi właściwościami mechanicznymi i łączeniowymi. Skład stopu wpływa na twardość, erozję oraz skłonność do zgrzewania i powinien być dobierany do aplikacji.
AgNi (srebro–nikiel)
AgNi to jeden z najczęściej stosowanych materiałów stykowych. Nikiel zwiększa twardość i odporność na zużycie oraz ogranicza zgrzewanie. Stosowany m.in. w nakładkach stykowych i nitach.
AgCu (srebro–miedź)
AgCu zwiększa wytrzymałość mechaniczną. Wraz ze wzrostem udziału miedzi maleje przewodność. Typowe zastosowania to umiarkowane obciążenia łączeniowe i wyższe obciążenia mechaniczne.
AgSn (srebro–cyna)
AgSn bez fazy tlenkowej może być stosowane przy umiarkowanych obciążeniach. Wymaga oceny aplikacyjnej, ponieważ nie osiąga właściwości materiałów tlenkowych przy silnym obciążeniu łukowym.
AgPd (srebro–pallad)
AgPd stosuje się głównie przy małych prądach i niskich siłach docisku. Pallad zwiększa twardość i odporność na wpływy atmosferyczne.
AgAu (srebro–złoto)
AgAu łączy przewodność z podwyższoną odpornością korozyjną. Rozważane jest przy wymaganiu stabilnych warunków styku przy bardzo małych prądach. Udział złota wpływa na koszt i zachowanie styku.
AgZnO (srebro–tlenek cynku)
AgZnO to materiał na bazie srebra z fazą tlenkową. Właściwości zależą od składu i procesu wytwarzania, dlatego przydatność należy oceniać w kontekście aplikacji.
Materiały srebro–tlenek metalu
AgSnO2 (srebro–tlenek cyny)
AgSnO2 jest powszechne przy wysokich prądach rozruchowych i obciążeniach indukcyjnych. Faza tlenkowa wspiera stabilne łączenie i ogranicza zgrzewanie. Mniejszą plastyczność należy uwzględnić przy przetwarzaniu.
Materiały proszkowe
Wiele materiałów srebro–tlenek metalu wytwarza się metodami proszkowymi, co zapewnia jednorodny rozkład tlenków i powtarzalne właściwości. Zwykle są mniej plastyczne niż klasyczne stopy.
Materiały zawierające kadm
Materiały srebro–tlenek kadmu były historycznie stosowane przy wysokich obciążeniach łączeniowych. Obecnie użycie zależy od aplikacji, rynku i ram regulacyjnych; w niektórych przypadkach mogą obowiązywać ważne wyjątki.
Złocenie i powłoki złota
Złocenie stosuje się, gdy wymagane są bardzo niskie i stabilne rezystancje styku przy małych prądach i niskich siłach docisku. Złoto jest odporne na korozję i utlenianie.
Funkcja i typowe zastosowania
Powłoki złota spotyka się w elektronice sygnałowej, sterującej i pomiarowej oraz w złączach, gdzie przełączane są bardzo małe prądy.
Złoto jako warstwa funkcjonalna
Powłoka pełni rolę warstwy ochronnej i funkcjonalnej. Materiał bazowy zapewnia stabilność mechaniczną i większość zdolności przewodzenia prądu; istotny jest dobór materiału bazowego i warstw pośrednich.
Ograniczenia złocenia
Złocenie nie jest odpowiednie dla wysokich prądów łączeniowych i silnego obciążenia łukowego, ponieważ warstwa może zostać szybko zużyta lub uszkodzona.
Miedź i bimetale w technice styków
Miedź i kompozyty na bazie miedzi są kluczowe jako materiały nośne i elementy rozwiązań wielowarstwowych – zwykle nie jako sama powierzchnia styku.
Miedź jako nośnik i przewodnik
Miedź stosuje się m.in. w nośnikach, ramionach stykowych, wyprowadzeniach oraz trzpieniach nitów. Jako powierzchnia styku bywa ograniczona z powodu warstw tlenkowych, szczególnie przy niskich siłach docisku.
Stopy miedzi
Stopy miedzi wykorzystuje się, gdy wymagana jest większa wytrzymałość lub sprężystość. Zwykle pełnią rolę nośnika dla materiału stykowego.
Rozwiązania bimetalowe i wielowarstwowe
Koncepcje bimetalowe i trimetalowe rozdzielają funkcję powierzchni styku i nośnika. Stosowane m.in. w nitach, nakładkach oraz profilach stykowych.
Formy i typy wyrobów
- elementy lite
- wersje bimetalowe i trimetalowe
- nity stykowe
- nakładki stykowe
- profile stykowe
Kryteria doboru
Kryteria techniczne
- AC/DC, prądy łączeniowe i ciągłe
- rodzaj obciążenia
- siła docisku, geometria, materiał przeciwstyku
- trwałość i warunki środowiskowe
Kryteria ekonomiczne
- udział metalu szlachetnego i koszt
- dostępność i stabilność dostaw
- powtarzalność właściwości i jakość
- wymogi dokumentacyjne
Zastosowania
Materiały stykowe stosuje się m.in. w przekaźnikach, stycznikach, aparaturze instalacyjnej i zabezpieczeniowej, w złączach oraz zespołach stykowych. Dobór jest zależny od aplikacji, np. w elektrotechnice oraz technice instalacyjnej, a w przypadku automotive mogą obowiązywać dodatkowe wymagania.
Dobór dla techniki i zakupów
Technika koncentruje się na funkcji, trwałości i stabilności procesu, natomiast zakupy na stabilności kosztów, dostępności i jakości. Skuteczny dobór powinien łączyć oba podejścia.
Typowe błędne założenia (przykłady)
„Wyższa przewodność zawsze oznacza lepszy styk”
Przewodność jest ważna, ale nie gwarantuje stabilnego łączenia. Czyste srebro lub miedź mogą wykazywać niekorzystne zjawiska przy łuku.
„Jeden materiał pasuje do wszystkich zastosowań”
Dobór jest zawsze aplikacyjny. Inne wymagania występują dla DC i obciążeń indukcyjnych niż dla AC i obciążeń rezystancyjnych.
„Złocenie zawsze jest lepsze”
Złocenie jest korzystne przy małych prądach, ale nie jest odpowiednie dla wysokich prądów łączeniowych i silnego obciążenia łukowego.
„Miedź to dobra powierzchnia styku”
Miedź jest zwykle materiałem nośnym; warstwy tlenkowe mogą zwiększać rezystancję styku.
Zapewnienie jakości
Materiały i elementy stykowe weryfikuje się pod kątem składu, struktury/homogeniczności oraz właściwości funkcjonalnych. Często stosuje się testy w stanie zabudowanym, ponieważ zachowanie układu zależy od wielu czynników systemowych.
FAQ
Jak rodzaj prądu (AC/DC) wpływa na dobór materiału?
Rodzaj prądu w istotny sposób wpływa na erozję oraz zjawiska transferu materiału. W zastosowaniach prądu stałego (DC) wymagania wobec materiału stykowego i geometrii są często wyższe niż w przypadku prądu przemiennego (AC).
Dlaczego czyste srebro jest rzadko stosowane?
Czyste srebro ma bardzo wysoką przewodność, ale jest stosunkowo miękkie i może wykazywać skłonność do zgrzewania. Stopy srebra oraz materiały z dodatkiem tlenków metali poprawiają zachowanie styku w warunkach obciążenia.
Czy materiały srebro–tlenek metalu są zawsze lepsze niż stopy?
Niekoniecznie. Materiały z fazą tlenkową mają zalety przy wyższych obciążeniach łączeniowych, jednak są mniej plastyczne i nie nadają się do każdej geometrii ani formy wyrobu.
Jakie znaczenie mają rozwiązania kompozytowe i wielowarstwowe?
Pozwalają one funkcjonalnie rozdzielić powierzchnię styku od materiału nośnego i ograniczyć zużycie metalu szlachetnego przy zachowaniu wymaganej funkcji elektrycznej. Kluczowa jest trwała stabilność połączeń między warstwami.
Jak w praktyce dobrać optymalny materiał?
Poprzez ocenę wymagań elektrycznych, mechanicznych i ekonomicznych w odniesieniu do konkretnej aplikacji oraz całego układu (m.in. przeciwstyk, siła docisku, geometria, środowisko pracy).
Uwaga: Dalsze informacje techniczne znajdują się w dziale Wiedza AX-METALS GmbH. W przypadku pytań technicznych lub uzgodnień projektowych prosimy o kontakt.
