Фазлутдинов К.К.

01.06.2018 (обновленно 06.07.2019)

2752 просмотров

Замена серебряного покрытия высокооловянистым сплавом медь-олово (белой бронзой)

1. Введение. 

До тех пор, пока человек не научится передавать электричество без использования твердых проводников, вопрос электропроводности материалов будет актуальным. Известны многие металлы, обладающие низким сопротивлением: золото, медь, алюминий и пр. Особое место здесь занимает серебро. При выборе серебряного покрытия для деталей электрических контактов учитывают следующее. Наряду с электрической проводимостью металлов при работе контактов большое значение имеет переходное электрическое сопротивление, которое складывается из двух величин:
• сопротивления, обусловленного наличием на контактных поверхностях пленок (оксиды, сульфиды), обладающих меньшей электропроводностью, чем металл;
• сопротивления, существующего между поверхностями и обусловленного микрошероховатостями (см. рисунок ниже), из-за чего происходит неполное прилегание контактов друг к другу и возникновение воздушной или газовой прослойки между ними.

Величины этих сопротивлений зависят от контактного давления и токовой нагрузки, с ростом их они уменьшаются.

Поверхностное сопротивление проводников особенно важно в высокочастотных электроконтактах. В аэрокосмической отрасли, в частности, в телеметрии и телеуправлении космическими аппаратами, активно применяются волноводы и фильтры данных. Они изготавливаются из легких алюминиевых сплавов AA2024 и AA6061. Эти компоненты работают в диапазоне микроволновых частот от 2,0 до 14,5 ГГц. На таких сверхвысоких частотах амплитуда электромагнитных волн уменьшается по мере проникновения вглубь проводящей среды. Это явление известно как «скин-эффект». Для обеспечения помехоустойчивости поверхностная электропроводность корпуса должна быть очень высокой. Одно из основных электротехнических требований к подсистеме - потери должны быть менее 1 дБ. В данном вопросе на помощь приходят именно серебряные покрытия. 

2. Серебряное покрытие для защиты электроконтактов.

Главный недостаток серебра — его склонность к потускнению. На серебро практически не действует сухой воздух, но оно легко тускнеет в присутствии серосодержащих сред, особенно влажных. Сухой сероводород на серебро не действует. Пятна сульфида имеют цвет от темно-коричневого до мышино-серого. Они не только (и не столько) вызывают ухудшение внешнего вида компонентов, сколько снижают способность к пайке и увеличивают переходное сопротивление. Поэтому, хотя серебро и обладает самым низким переходным сопротивлением в чистом виде, оно не обеспечивает его постоянства при малых токах и малых контактных давлениях в следствие склонности к потускнению.

Сульфидные пленки могут также возникать, когда серебро находится в замкнутом объеме вместе с материалами органического происхождения (резины, компаунды, пластмассы). Заметное изменение цвета серебра происходит при толщине сульфидной пленки 40 нм, максимальная толщина ее не превышает 300 нм. Пленки сульфида серебра термостойки, разлагаются только при 885° С, не растворяются в кислотах и аммиаке, сравнительно износостойки. Почти единственным способом удаления таких пленок химически является обработка серебра в растворе цианида калия или натрия.

Сульфидные пленки серебра наряду с ионной проводимостью обладают ярко выраженной фотоэлектрической проводимостью. С увеличением яркости освещения сопротивление слоя сульфида серебра значительно уменьшается. Такое непостоянство электрической проводимости сульфидных пленок в зависимости от внешних условий может привести к непостоянству переходного сопротивления серебряных (посеребренных) контактов, а в отдельных случаях (малая контактная нагрузка, малый рабочий ток) - к нарушению проводимости контакта.

Ниже приводится зависимость переходного сопротивления точечных серебряных контактов (сила тока 0,5А) до и после испытаний в течение 3-х суток над парами 5% раствора сульфида натрия. 

В следствие образования на серебре в атмосфере сероводорода сульфидной пленки переходное сопротивление серебра резко возрастает, в 5-7 раз при малых контактных давлениях 49-98 кПа и только при контактном давлении 980 кПа изменяется незначительно — происходит продавливание сульфидной пленки.

Как упоминалось ранее, переходное сопротивление электрических контактов зависит также от токовой нагрузки. Так, при уменьшении силы тока с 0,5 до 0,02А переходное сопротивление точечных серебряных контактов при контактном давлении 49 кПа после испытаний в атмосфере сероводорода возрастает с 0,05 до 1,4 Ом, т.е. в 28 раз.

В связи с вышесказанным не рекомендуется применять чистые серебряные покрытия при малых токовых нагрузках (от 5мкА до 100мА) и малых контактных давлениях (10-100 кПа), особенно, если работа происходит в промышленных серосодержащих атмосферах и существует необходимость обеспечения постоянного переходного сопротивления контактов.

Для этих целей может применяться высокооловянистая бронза. 

3. Замена серебра на белую бронзу.

Покрытие сплавом медь-олово (бронза) не является широко распространенным в современной Российской промышленности, однако оно имеет важное значение при решении ряда специальных задач. Покрытие бронзой может быть низко- и высокооловянистым. При содержании олова 2-3% бронза напоминает по окраске медь, при 15-20% покрытие становится золотисто-желтым, а при содержании олова свыше 35% покрытие имеет серебристо-белый цвет. В настоящее время практическое применение нашли покрытия двух составов - 10-20 и 40-45% олова.

Покрытие низкооловянистой бронзой с содержанием 10-20% олова может применяться как подслой перед хромированием вместо никеля и меди, а также как самостоятельное покрытие. При работе стальных деталей пресной воде с температурой 90-100° С покрытие такой бронзой лучше защищает детали от коррозии, чем цинковое.

Высокооловянистые бронзы с содержанием олова выше 35% пористы и их нельзя применять для защиты изделий, работающих в жестких коррозионных условиях без подслоев.

Белая высокооловянистая бронза может быть использована как декоративное покрытие вместо никеля.

Главное же применение высокооловянистой бронзы - замена серебряных покрытий, например, на некоторых типах электрических контактов. Удельное электрическое сопротивление бронзового покрытия с содержанием олова 75% составляет 0,189 Ом*мм2/м, а с содержанием 40% олова - 0,248 Ом*мм²/м.

Удельное электросопротивление меди составляет 0,017 Ом*мм²/м, а чистого олова 0,143 Ом*мм²/м. Сильное повышение сопротивления сплава медь-олово вполне закономерно, т.к. обычно электросопротивление сплавов, образующих твердые растворы и химические соединения выше, чем у составляющих их чистых металлов. Максимальные показатели сопротивления сплава практически совпадают с максимумом его твердости и соответствуют содержанию олова 40-45%.

Введение в белу бронзу цинка в количестве до 7% позволяет получить тройной сплав, так называемый "триаллой". Он отличается по цвету и морфологии от безцинковой бронзы. Белая бронза, не содержащая цинк, корродирует точечно (локально). Цинксодержащая бронза корродирует равномерно по поверхности, поэтому при окислении ее переходное сопротивление снижается плавно. Во многом из-за этого триаллой более пригожен для высокочастотных электроконтактов.

Хотя белая бронза по своим электрическим характеристикам уступает меди и серебру, однако, при работе в среде, содержащей сернистые соединения, переходное сопротивление бронзовых покрытий более стабильно, чем серебряных. А вот при термическом окислении на воздухе бронза проигрывает ряду других покрытий, например сплаву олово-никель. Так, при сварке алюминиевых контактов на воздухе белая бронза весьма неравномерно оксиляется, чего не наблюдается, например, на олово-никелевом сплаве.