СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ НА ТОКОПЕРЕДАЮЩИЕ ПОВЕРХНОСТИ РАЗБОРНЫХ КОНТАКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при монтаже, ремонте и эксплуатационном обслуживании электротехнического оборудования ЛЭП, электрических станций, подстанций, контактных сетей электрифицированного транспорта, распределительных устройств промышленных предприятий и на заводах, выпускающих электротехническое оборудование.

Работа электрических сетей и электротехнического оборудования во многом зависит от качества и надежности многочисленных разборных контактных соединений (РКС) электрической цепи. Переходное электрическое сопротивление в этих соединениях является причиной значительных потерь электроэнергии, недопустимого перегрева и даже обгорания контакт-деталей, а его тенденции к росту в процессе эксплуатации приводит к нестабильности параметров электрической цепи и необходимости частых отключений, переборок, ревизии и ремонта контактных соединений, то есть к увеличению трудоемкости и стоимости эксплуатационных расходов.

Наибольшее влияние на величину переходного электрического сопротивления оказывает высокое удельное сопротивление окисных и сульфидных пленок на токопередающих поверхностях контакт-деталей РКС. Поэтому в практике все способы, позволяющие уменьшить и стабилизировать это сопротивление, направлены на разрушение целостности этих пленок и нанесение на токопередающие поверхности специальных металлических покрытий, окисная пленка которых имеет более высокую электропроводность.

Широко применяются в настоящее время оловянно-свинцовые и серебряные покрытия токопередающих поверхностей РКС, а также использование в них токопроводящих смазок. Однако способы нанесения оловянистых и серебряных покрытий (гальваника, горячее лужение, электроискровое и плазменное напыление) связаны либо с применением специального оборудования, либо с нагревом контакт-деталей до температуры 350-400°C, что во многих случаях, особенно в условиях эксплуатации на действующем электрооборудовании, исключает возможность их использования. Что касается токопроводящих смазок, то, несмотря на простоту и доступность их применения, они могут лишь улучшить стабильность переходного электрического сопротивления, не снижая его величину. Кроме того, смазки, имея в своем составе жидкую фракцию, которая может высыхать или вымораживаться, являются покрытием недолговечным. Следует также отметить, что использование токопроводящих смазок не решает такого актуального вопроса, как непосредственное соединение алюминиевых контакт-деталей с медными, которое является недопустимым из-за электрохимической коррозии, возникающей между ними при протекании тока в РКС.

Поэтому разработка новых способов нанесения защитных металлических покрытий на токопередающие поверхности РКС, доступных для применения в любых условиях эксплуатации и производства электротехнического оборудования, является весьма актуальной задачей, одним из эффективных путей снижения потерь электроэнергии, а также трудоемкости и стоимости эксплуатационных расходов.

Известен способ нанесения металлического покрытия на токопередающие поверхности РКС путем горячего лужения этих поверхностей оловянно-свинцовым припоем [Максимихин Б.А. Технологические процессы пайки электромонтажных соединений. Ленинград, «Энергия», 1980, стр.42-46].

Способ осуществляют следующим образом. Очищают токопередающую поверхность контакт-детали от грязи и обезжиривают ее ацетоном, затем наносят на нее кистью жидкий флюс для удаления окисной пленки. При лужении стали, меди и ее сплавов используют спирто-канифольные флюсы типа КЭ, КС, ЛТИ-120, ЛТИ-115. Токопередающую поверхность разогревают паяльником или газовой горелкой до температуры 280-320°C. На нагретую до 280-320°C и покрытую флюсом токопередающую поверхность наносят паяльником небольшое количество металлического покрытия, а затем, двигая паяльник в разных направлениях, выравнивают наносимый слой равномерно по всей поверхности. В качестве металлического покрытия для стали, меди и ее сплавов наносят оловянно-свинцовые припои типа ПОС-61, ПОС-40, ПОС-18, ПОС-46.

Кроме того, нанесение с помощью этого способа металлопокрытия на алюминиевые поверхности требует подогрева этих поверхностей до температуры 400°C и выше, а нанесение припоя осуществляется втиранием последнего в токопередающую поверхность, что технологически сложно и трудновыполнимо. Результатом осуществления данного способа нанесения металлопокрытия является образование на токопередающих поверхностях контакт-деталей напайки оловянно-свинцового припоя толщиной до 0,5 мм. Необходимость разогрева токопередающих поверхностей РКС до температуры 280-320°C не позволяет использовать этот способ в реальных условиях обслуживания действующего или находящегося в стадии монтажа и ремонта электротехнического оборудования из-за высокой теплопроводности меди и ее сплавов и близости к токопередающим поверхностям участков токопроводов, покрытых изоляцией, для которой такая температура нагрева является недопустимой.

Этот способ применяется главным образом в условиях стационарного заводского производства и практически не может использоваться в условиях эксплуатации действующего электротехнического оборудования.

Известны также способы нанесения металлического покрытия на токопередающие поверхности контакт-деталей РКС с помощью процесса контактного твердо-жидкого плавления с использованием легкоплавких сплавов на основе галлия (Патент РФ №2301847 от 01.12.2005 и Патент РФ №2411305 от 30.12.2008).

Однако использование галлиевого сплава в этих способах не позволяет широко применить их на заводах-изготовителях электротехнического оборудования, так как стоимость галлиевых сплавов примерно в 40 раз выше стоимости оловянно-свинцовых покрытий.

Наиболее близким к заявленному является способ нанесения металлического покрытия на токопередающие поверхности РКС, включающий очистку и обезжиривание поверхности, нанесение на эту поверхность жидкого флюса, подогрев ее до температуры 40-45°C, нанесение на нее слоя галлиевого сплава, имеющего температуру плавления не выше 30°C, толщиной не более. 0,1 мм и образование металлического покрытия на токопередающих поверхностях в результате процесса контактного твердо-жидкого плавления [Патент РФ №2301847 от 01.12.2005 г.].

Способ осуществляют следующим образом. Очищают от грязи и жировых пленок токопередающие поверхности контакт-деталей РКС с помощью механической зачистки проволочными щетками, установленными на дрель, и ветоши, смоченной ацетоном или спиртом. Для удаления окисных и сульфидных пленок на эти поверхности наносят кистью жидкий флюс. Далее контакт-деталь нагревается электрофеном до температуры 40-45°C. В процессе этого нагрева флюс снимает с поверхности окисную пленку и после этой операции испаряется. Затем поверхность зачищают чистой проволочной щеткой и сухой ветошью удаляют опилки и продукты травления. После такой подготовки с помощью тампона из пенопласта равномерно наносят на токопередающую поверхность тонкий слой галлиевого сплава толщиной не более 0,1 мм, имеющего температуру плавление не выше 30°C. После выполнения этих операций РКС готово к сборке, а на его токопередающей поверхности образуется защитное металлопокрытие толщиной 5-10 микрон, которое представляет собой твердый раствор из металла контакт-деталей (подложки) и нанесенного галлиевого сплава.

Это металлопокрытие обеспечивает значительное снижение переходного электрического сопротивления РКС, стабилизацию его величины на уровне начальной сборки в течение всего срока его эксплуатации и возможность непосредственного соединения медных и алюминиевых контакт-деталей без каких-либо напаек и вкладышей, что значительно упрощает конструкцию контакт-деталей, снижает трудоемкость и стоимость их изготовления. Способ позволяет получить защитные металлопокрытия на токопередающей поверхности контакт-деталей, изготовленных из любого, применяемого для этой цели металла (медь, алюминий, свинец, сталь и сплавы на их основе).

Применение галлиевых сплавов с температурой плавления не выше 30°C позволяет осуществить способ при температуре нагрева токопередающих поверхностей контакт-детали не выше 40-45°C и при этом не требуется использования какого-либо специального оборудования, кроме набора штатного инструмента, что обеспечило возможность применения этого способа как в условиях монтажа, ремонта и эксплуатационного обслуживания электротехнического оборудования на действующих объектах электроэнергетики, так и в стационарных условиях, на предприятиях, выпускающих электрооборудование.

Кроме того, этот способ является экологически чистым, так как само металлопокрытие и галлиевые сплавы представляют собой металлы химически неактивные, не содержат токсичных металлов, а технология нанесения металлопокрытия неопасна для здоровья человека и не загрязняет окружающую среду.

Несмотря на техническую универсальность способа, наиболее эффективной областью его применения является прежде всего монтаж, ремонт и обслуживание электротехнического оборудования на предприятиях, осуществляющих эксплуатацию действующих объектов электроэнергетики.

Однако повышенное внимание к экологии и ужесточение экологических требований к промышленному производству в последние годы привело к тому, что возникла необходимость создания такого экологически чистого способа нанесения металлических покрытий на токопередающие поверхности РКС, на заводах-изготовителях электротехнического оборудования, находящихся, как правило, в черте больших городов и населенных пунктов, использующих традиционные технологии горячего лужения и гальваники, которые связаны с выбросом тепла и токсичных стоков в окружающую среду, а условия работы при осуществлении этих технологий являются вредными для здоровья производственного персонала, который обладал бы всеми достоинствами наиболее близкого способа, но изготовленные этим способом РКС были бы сопоставимы по затратам с РКС, полученными использованием технологии горячего лужения и гальваники.

В основу изобретения положена задача расширения арсенала способов нанесения металлического покрытия на токопередающие поверхности РКС с использованием процесса контактного твердо-жидкого плавления и области их эффективного применения путем осуществления заявляемого способа в стационарных условиях на предприятиях, выпускающих электротехническое оборудование.

Поставленная задача решается тем, что в способе нанесения металлического покрытия на токопередающие поверхности РКС, включающем очистку от грязи и обезжиривание токопередающей поверхности, нанесение на нее жидкого флюса, подогрев, механическую очистку, удаление остатков флюса и опилок, нанесение на токопередающую поверхность легкоплавкого сплава толщиной не более 0,1 мм с образованием покрытия в результате осуществления процесса контактного твердо-жидкого плавления, согласно изобретению в качестве легкоплавкого сплава наносят сплав на основе висмута, с температурой плавления 47-60°C, подогрев ведут до температуры 65-70°C. А через 3-4 минуты после нанесения сплава контакт-детали охлаждают до температуры 40°C.

При этом:

- на токопередающие поверхности из меди, стали и их сплавов наносят сплав с температурой плавления 57,8°C состава, мас.%:

Висмут - 49,4

Индий - 21

Свинец - 18

Олово - 11,6

- на токопередающие поверхности из алюминия и его сплавов наносят сплав с температурой плавления 60,0°C состава, мас.%:

Висмут - 50,0

Свинец - 25

Олово - 12,5

Кадмий - 12,5

- охлаждение контакт-деталей поверхностей осуществляют с помощью вентилятора, сжатого воздуха или смоченной в воде чистой ветошью.

Нанесение металлопокрытия на токопередающие поверхности контакт-детали РКС 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 толщиной 5-10 микрон, которая представляет собой новое вещество: 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.

Использование в заявленном способе легкоплавких висмутовых сплавов, имеющих температуру плавления 47-60°C, позволяет нанести это металлопокрытие при температуре нагрева контакт-детали не выше 65-70°C, что в условиях стационарного производства на заводах-изготовителях электротехнического оборудования вполне осуществимо. Цена одного килограмма висмута в 50 раз меньше цены одного килограмма галлия. Следовательно, стоимость металлопокрытий, нанесенных данным способом практически равна стоимости традиционных оловянно-свинцовых металлопокрытий.

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 штатного набора инструментов.

При осуществлении этого способа снижение переходного сопротивления РКС и его стабилизация остаются на уровне, достигнутом в наиболее близком способе. Сравнительные данные приведены в таблице. РКС с металлопокрытием, нанесенным предлагаемым способом могут эксплуатироваться в агрессивных средах внутри помещения и на открытом воздухе при температуре от -50°C до +250°C.

Предлагаемый способ экологически чистый, материалы, применяемые при его осуществлении, химически не активны, не содержат токсичных и драгоценных металлов, а технология нанесения металлопокрытий не представляет опасности для здоровья производственного персонала.

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.

В предложенном способе нанесение металлопокрытия заканчивается технологической операцией охлаждения контакт-детали до температуры 40°C. Необходимость этого объясняется следующим образом. Реальные процессы, протекающие на поверхности твердого металла при смачивании его жидким, сложны и, по мнению специалистов, только приближенно описываются с помощью известных представлений об изометрических процессах. Чаще всего эти процессы для конкретных пар твердого и жидкого металлов изучаются в специально поставленных экспериментах. В зависимости от характера и условий взаимодействия поверхность твердого металла может быть упрочена или разупрочена, охрупчена или пластифицирована, может сохранить монолитность или разрушиться с образованием трещин.

Время нанесения металлопокрытия с помощью процесса контактного твердо-жидкого плавления определяется его диффузионной стадией. Количественная оценка этого процесса затруднена из-за отсутствия надежных данных о диффузии в жидких расплавах. Однако экспериментальные данные свидетельствуют о том, что этот процесс проходит очень быстро, за время измеряемое десятками секунд. (Лашко Н.Ф., Лашко С.В. Контактные металлургические процессы при пайке. М., «Металлургия», 1977).

Чтобы свести к минимуму влияние процесса контактного твердо-жидкого плавления на механические свойства контакт-деталей в способе предусмотрено нанесение жидкого сплава на токопередающую поверхность слоем толщиной не более 0,1 мм и охлаждение контакт-деталей после нанесения металлопокрытия до температуры 40 C, при которой жидкий сплав затвердевает и процесс контактного твердо-жидкого плавления прекращается. Технологический смысл этих мероприятий заключается в том, чтобы уменьшить объем жидкого сплава, участвующего в процессе и сократить время его существования до тех уровней, которые необходимы для нанесения металлопокрытия.

Способ осуществляют следующим образом. Очищают от грязи и жировых пленок токопередающую поверхность контакт-деталей с помощью ветоши, смоченной ацетоном, и механической обработки проволочными щетками, установленными на дрель. 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 контакт-детали нагревают электрофеном до температуры 65-70°C. Во время нагрева происходит травление рабочей поверхности, а жидкая фракция флюса испаряется. Затем чистой проволочной щеткой, установленной на дрель, поверхность зачищают и сухой ветошью удаляют продукты травления и опилки. Далее на токопередающую поверхность с помощью тампона из пенопласта равномерно наносят тонкий слой висмутового сплава, толщиной не более 0,1 мм. Для контакт-деталей из меди, стали и их сплавов наносят сплав с температурой плавления 57,8°C состава, мас.%:

Висмут - 49,4

Индий - 21

Свинец - 18

Олово - 11,6

Для контакт-деталей из алюминия и его сплавов наносят сплав с температурой плавления 60,0°C состава, мас.%:

Висмут - 50

Свинец - 25

Олово - 12,5

Кадмий - 12,5

После выдержки не более 3-4 минут контакт-детали охлаждают до температуры 40°C вентилятором или сжатым воздухом или смоченной в воде ветошью до температуры 40°C. Измерение температуры производят с помощью деревянного щупа с укрепленной на его торце термопарой.