Благородные металлы и сплавы на их основе

 

К благородным металлам относятся: серебро, золото, платина, палладий, родий, рутений, иридий, осмий (табл. 3—14). Они имеют высокую коррозионную устойчивость в атмо­сфере при температуре 20 °С. При по­вышенной температуре, многие из них могут окисляться, но получаемые окислы нестойки и при дальнейшем повышении температуры разлагаются или улетучиваются. Большинство благородных металлов образуют между собой твердые растворы: серебро — золото, серебро — палла­дий, золото — палладий, родий — палладий, родий — платина, ири­дий — платина, палладий — платина, палладий — иридий.

Металлы платиновой группы — платина, родий, рутений, палладий, осмий, иридий — имеют по сравнению с золотом и серебром более высокие температуры плавления и кипения, вы­ше твердость в отожженном состоянии, но значительно более низкие тепло­проводность и электропроводность. Важным свойством благородных ме­таллов, применяемых для контактов являетсяих летучесть при высоких температурах, способствующая раз­рушению пленок. Наименьшей лету­честью обладают родий и платина, наибольшей — иридий, рутений, осмий.

Благородные металлы — платина, золото, серебро, палладий — служат основами при создании контактных сплавов.Их легируют другими благо­родными или неблагородными метал­лами. Иридий, осмий, родий, рутений применяют в качестве легирующих добавок. Серебро, золото, платина, палладий, родий можно применять для контактов в виде электроосажден­ных металлов.

Серебро и сплавы на его основе. Серебро находит широкое приме­нение для изготовления контактов в аппаратуре различных мощностей. Серебро является наиболее изве­стным материалом для контактов, хотя имеет ряд существенных недостатков (образование игл, окисление и осо­бенно образование сернистых пленок), которые сказываются главным образом на слаботочных контактах при отсутствии дуги и малом контакт­ном давлении.

На серебряных контактах под дей­ствием электрической искры образует­ся окисная пленка. Она электропроводна и легко разрушается, поэтому контакты могут работать при малых нажатиях. Серебро в присутствии кис­лорода и влаги взаимодействует с серо­водородом, содержащимся в воздухе, поэтому в присутствии серы и серни­стых соединений контакты разрушают­сяи их нельзя применять рядом с эбо­нитом и резиной.

Сухой сернистый газ не действует на серебро. Последнее не образует соединений ни с азотом воздуха, ни с углеродом органических паров. Се­ребро обладает самой высокой из всех металлов теплопроводностью, элек­тропроводностью и высокой удель­ной теплостойкостью. Этот комплекс физических свойств обеспечивает кон­тактам из серебра малый нагрев джоулевым теплом и быстрый отвод тепла от контактных точек.

Различные примеси даже в неболь­ших количествах значительно по­нижают электропроводность серебра. Серебро подвержено эрозии иимеетнизкие параметры дуги по сравнению с другими металлами. Дуга между серебряными контактами возникает сравнительно легко, но благодаря окислению объем металла, подверга­ющийся эрозии на 1 Кл, у серебра меньше,чем у других благородных металлов с более высокими параме­трами дуги. Серебро свариваетсяприкоммутировании больших токов из-за сравнительно низкой температуры плавления, что является недостатком; обладает невысокой твердостью и ме­ханической прочностью в отожженном состоянии, которая может быть по­вышена холодной обработкой (до 700 МПа); хорошо поддается всем ви­дам пластической обработки: про­катке, волочению, штамповке, вы­садке; хорошо поддается сварке и пайке. Его применяют в виде напаян­ных пластин, прокатного биметалла и в виде гальванических покрытий.

Благодаря хорошим технологиче­ским свойствам, невысокой стоимости и низкому и устойчивому контактному сопротивлению контакты из серебра находят широкое применение. Их не рекомендуется применять при боль­шой частоте включений (свыше 10 вкл/с) из-за быстрого износа. Се­ребро непригодно для изготовления прецизионных контактов, работаю­щих при малых контактных нажатиях (порядка 10—20 мН и меньше).

Серебро образует непрерывныйрядтвердых растворов с золотом и палла­дием, сплавы которых имеют широкое применение.

Серебро — золото. В этой системе при средних концентрациях компонен­тов удельное сопротивление, твер­дость и механическая прочность макси­мальны, а температурный коэффи­циент сопротивления и удлинение при разрыве минимальны. Сплавы серебра с золотом имеют низкую прочность, и по этой причинеих применяют редко. В качестве упрочнителя обычно при­меняют медь (ГОСТ 6835—72).

Сплавы устойчивы против корро­зии в атмосфере.Они обладают хоро­шими технологическими свойствами

при всех концентрациях, пластичны, хорошо поддаются пластической об­работке. Сплавы с содержанием золота менее 50 % образуют сернистые плен­ки.

Серебро — палладий. Сплавы этой системы имеют зависимость свойств, аналогичную сплавам серебро — золото.

Интересен сплав с содержанием 40 % Аg. В нем сочетается высокое удельное электрическое сопротивление с ма­лым температурным коэффициентом сопротивления. Этот сплав приме­няют для разрывных контактов и в ка­честве материала для обмоток потен­циометров, Сплавы с содержанием палладия выше 50 % не образуют сер­нистых пленок. Сплавы технологичны, хорошо поддаются пластической обработке.

Сплавы серебро — платина обра­зуют диаграмму состояния перетектического типа с ограниченной областью твердых растворов. Для контактов применяют сплавы, лежащие в области -твердых растворов, т, е. богатые серебром. Сплавы с содержанием 10— 45 % Рt могут подвергаться старению (в соответствии с диаграммой состо­яния). Термической обработкой этих сплавов можно достигнуть высокой твердости (до 3600 МПа после закалки при 1000 °С и старения при 550 °С).

Богатые серебром сплавы под­даются ковке при температуре крас­ного каления и прокатываются.

Сплавы серебро — кадмий образуют ограниченную область твердых рас­творов. Применяемые для контактов сплавы лежат в области -твердых рас­творов, т. е. это сплавы, богатые се­ребром, Добавки кадмия понижаю г температуру плавления, но повы­шают удельное электрическое сопро­тивление. Сплавы обладают весьма ценным свойством хорошо работать в дуговом режиме. Это обусловливается свойствами окиси кадмия (образую­щейся при нагреве сплава контактной дугой), которая при 900—1000°С раз­лагается со взрывом, производя дуго-гасящее действие без нарушения кон­тактной проводимости. Недостатком серебряно-кадмиевых контактов яв­ляется значительная свариваемость и сплавление их при больших токах из-за низкой температуры плавления сплавов. Этот недостаток устраняется при изготовлении контактов методом металлокерамики.

Серебро — кадмий — никель. Кон­такты отличаются высокой износо­устойчивостью, низким устойчивым электрическим сопротивлением и тех­нологичны.

Сплавы серебро — медь (ГОСТ 6836— 72) образуют диаграмму состояния эвтектического типа с областями огра­ниченной растворимости, поэтому могут подвергаться старению. Ста­рение может значительно повысить механические свойства сплавов. Для контактов применяют сплавы с содер­жанием Си до 50 %. Твердость и удель­ное электрическое сопротивление -и -твердых растворов растут с уве­личением концентрации второго ком­понента, а температурный коэффици­ент сопротивления и теплопровод­ность падают. В области эвтектиче­ских сплавов эти свойства изменяются по закону аддитивности (незначительно). Медь увеличивает твердость и по­нижает эрозию серебра особенно в об­ласти эвтектических сплавов,ноухудшает коррозионные свойства при содержании больше 50% (значитель­ное окисление). Вследствие этого у бо­гатых медью сплавов из-за окисления образуется неустойчивое переходное сопротивление, поэтому не реко­мендуется применять эти сплавы для изготовления контактов, работающих с образованием дуги и при малом контактном давлении. Во многих дру­гих случаях серебряно-медные спла­вы находят широкое применение. Они технологичны при всех концентрациях: допускают пластическую обработку в холодном состоянии, хорошо паяются обычными припоями.

Сплавы серебро — кремний. Серебро и кремний образуют, как и сплавы серебро — медь, диаграмму состояния эвтектического типа. Их применяют редко. Находит применение доэвтектический сплав с 1,5% Si (сплав технологичен).

Золото и сплавы на его основе. Зо­лото обладает высокими электро- и теплопроводностью, устойчивостью против коррозии, не окисляется и не образует сернистых пленок, имеет низ­кое и стабильное переходное сопроти­вление в различных атмосферных усло­виях при нормальной и повышенной температурах. Это делает его незаме­нимым при изготовлении прецизион­ных контактов, работающих при малых контактных нажатиях и низком напряжении. Оно имеет очень низкую твердость, которая может быть повы­шена в несколько раз холодной обра­боткой давлением.

Золотые контакты легко сваривают­ся, образуют иглы при малых токах и подвержены эрозии в дуговом ре­жиме. Золото технологично. Большая пластичность позволяет легко его об­рабатывать давлением в холодном со­стоянии без промежуточныхотжигов. Его часто применяют в виде электроосажденного металла.Примеси по­вышают твердость и удельное электри­ческоесопротивление золота.

Сплавы на освове золота образуют ряд непрерывных растворов.Никельзначительно повышает твердость зо­лота. При 5 % Ni твердостьсплавасоставляет 1 ГПа, при 16 % Ni 2,20 ГПа, при 40 % Ni 3,50 ГПа (в за­каленном состоянии).

Сплав золота с 5 % Ni стоек к сва­риванию и мостиковому переносу, бла­годаря чему не образуются иглы.

Окисляется в дуговом режиме.

Сплавы золото — платина обра­зуют диаграмму состояния с ограни­ченной областью твердых растворов. Сплав золота с 7 % Рt хорошо рабо­тает в емкостной цепи малой мощно­сти. Сплавы с 25—10 % Рt могут под­вергаться термической обработке:

закалке при 1200°С и последующему старению при 400°С, сильно повыша­ющему твердость сплавов. Сплавы имеют высокие коррозионные свой­ства в нормальных условиях и при нагреве (не окисляются), а также легко обрабатываются.

Сплавы золото — цирконий обра­зуют диаграмму состояния с ограни­ченной областью твердых растворов. Цирконий значительно повышает твердость золота. В промышленности применяют сплав с 3 % Zг. Он мо­жет подвергаться старению со значи­тельным повышением механических свойств, обладает незначительной свариваемостыо и высокой коррозионной стойкостью, не обраэует игл.

Тройные сплавы золота. В промышленности находят применение следующие тройные сплавызолота:

золото—серебро—платина; золото— серебро — медь; золото — серебро — никель; золото — палладий — никель.

Палладий и сплавы на его основе. Палладий по свойствам близок к пла­тине (удельная электропроводность, теплопроводность). Механические свойства, твердость по Бринелю и прочность на разрыв, (в отожженном состоянии) примерно такие же, как у платины, золота, серебра. Наклепом можно повысить механические свой­ства вдвое. По удельной массе палла­дий вдвое легче платины (близок к се­ребру). Палладий обладает летуче­стью большей, чем платина, а пара­метрами дуги меньшими, чем у пла­тины, имеет небольшой ток приваривания (по сравнению с платиной и се­ребром).

Коэффициент эрозии при дуге раз­мыкания значительно ниже, чем у платины и серебра, поэтому палладий менее склонен к иглообразованию и окислению на воздухе (тускнеет при температуре выше 350 °С), чем пла­тина, но окислы не стойки и разла­гаются при более высокой температуре. Палладий стоек к образованию суль­фидных пленок, способен науглероживаться и растворяет водород, что де­лает невозможным его отжиг в углеро­дистой среде и водороде.

Некоторые недостатки палладия по сравнению с платиной снижают его ценность как контактного материала, но меньшая стоимость и недефицит­ность способствуют широкому его при­менению вместо платины. Примеси увеличивают удельное электрическое сопротивление и твердость.

В качестве контактных материалов применяют сплавы палладия с сереб­ром, золотом, иридием, медью, нике­лем, с которыми он образует непре­рывный ряд твердых растворов, и с ру­тением, с которым он образует ограни­ченную область твердого раствора. Применяют также и тройные сплавы палладия: палладий — рутений — родий (95—4—1); палладий — сереб­ро — кобальт (60—35—5); сплавы палладий — серебро и палладий — золото рассмотрены раньше.

Палладий — иридий. Иридий зна­чительно повышает твердость и ме­ханическую прочность сплавов, удельное электрическое сопротивление, понижает температурный коэффи­циент электрического сопротивления. Коррозионная стойкость сплавов выше, чем у чистого палладия. Сплавы, содержащие более 20 % Ir, очень тя­жело обрабатываются, поэтому их в качестве контактных материалов не применяют. Известны контактные сплавы, содержащие 10 и 18% Ir. Они являются заменителями платино-иридиевых сплавов, содержащих 10 и 20 % Ir. По сравнению с последними такие сплавы менее тугоплавки, но имеют практически одинаковое удель­ное электрическое сопротивление и твердость. Палладиево-иридиевые сплавы дешевле плати ново-ириди­евых. Сплавы могут быть использова­ны для прецизионных разрывных и для скользящих контактов.

Палладий — медь. Применяют сплавы, содержащие до 40 % Си. Наиболее распространен сплав, содержащий 40 % Си. Он подвержен упорядочению кристаллической ре­шетки и при медленном охлаждении, сопровождаемому значительным из­менением свойств (уменьшение удель­ного электрического сопротивления, увеличение температурного коэффи­циента электрического сопротивления и твердости). Сплав имеет ограничен­ную свариваемость и небольшой мостиковый перенос. Он образует окисные пленки. По физическим свойствам все палладиево-медные сплавы близки и легко обрабатываются после соответ­ствующей термической обработки (закалка выше температуры упоря­дочения).

Палладий — никель. Из этой системы нашел применение в качестве кон­тактного материала сплав палладия, содержащий 5 % N1 и имеющий мень­шую электропроводность, чем чи­стый палладий.

Палладий—рутений. Рутений зна­чительно повышает твердость палла­дия. Сплавы, содержащие более 15% К и, трудно обрабатываются. Корро­зионная стойкость сплавов палла­дий — рутений выше, чем коррозион­ная стойкость чистого палладия. Изве­стен контактный сплав с 9,5 % Ru.

Палладий — рутений — родий (95— 4—1) — тройной сплав, тверже двой­ного сплава палладий — рутений.

Палладий — серебро — кобальт (60— 35—5) — тройной сплав. Кобальт упрочняет сплав палладия, содержа­щий 40 % Аg, в который он вводится за счет серебра. Удельное электриче­ское сопротивление и эрозия близки к двойному сплаву палладия с 40 % Аg. По механическим свойствам (твер­дость и прочность) сплав близок к спла­ву палладия с 18 % Ir.

Платина и сплавы на ее основе. Платина, как и палладий, имеет наи­большее удельное электрическое со­противление среди благородных ме­таллов и низкую теплопроводность, обладает незначительной летучестью по сравнению с другими благородными металлами. Твердость и прочность пла­тины могут быть увеличены вдвое пу­тем холодной обработки (по сравнению с отожженным состоянием). Примеси многих металлов повышают твердость и удельное электрическое сопротивле­ние платины. Платина обладает высокой устойчивостью к коррозии на воздухе, не образует окисных и сер­нистых пленок, обеспечивает устойчи­вое контактное сопротивление, мало растворяет водород, поэтому в противо­положность палладию может отжи­гаться в водороде без снижения своих свойств. В углеродистой среде платина науглероживается и становится хруп­кой.

Контактные свойства платины: наи­более высокие параметры дуги (по сравнению с другими благородными металлами), близкие к вольфраму (дуга между платиновыми контактами труд­но зажигается); платина подвергается мостиковой эрозии с образованием игл (как все неокисляющиеся ме­таллы); легко обрабатывается давле­нием. Вследствие невысокой твер­дости в чистом виде платину приме­няют очень редко — только для кон­тактов прецизионных приборов. Она находит использование как основа для производства контактных спла­вов.

В качестве контактных материалов применяют сплавы платины с ири­дием, родием, никелем (образуют не­прерывный ряд твердых растворов), рутением, осмием, молибденом, воль­фрамом (образуют ограниченную об­ласть твердых растворов). Известен также тройной сплав платина — пал­ладий — рутений (84—10—6), Сплавы серебро,— платина рассмотрены ранее.

Платина — иридий. Для контак­тов.применяют сплавы, содержащие 5—30 % Ir. Наибольшее применение они нашли для прецизионных контак­тов. Иридий значительно повышает твердость и механическую прочность, ухудшая обрабатываемость платины. Сплавы, содержащие свыше 30 % Ir, обрабатываются с трудом. Сплавы с 7— 99 % Ir могут «стареть» (за счет рас­пада твердого раствора при темпера­туре ниже 1000 °С). Старение при 750 °С значительно повышает твердость cплавов, содержащих 15—25 % Ir.

Иридий значительно повышает удель­ное электрическое сопротивление и стойкость к атмосферной коррозии,нопри нагреве сплавов выше 900 °С окисляется и улетучивается. Пара­метры дуги у платиново-иридиевых сплавов выше, чем у платины, а склон­ность к иглообразованию меньше. Кон­такты из платиново-иридиевых спла­вов очень износоустойчивы и имеют продолжительный срок службы.

Платина — родий. Как контакт­ный материал наиболее известен сплав с 10 % Rh. Он имеет высокие механи­ческие свойства (твердость и проч­ность на разрыв вдвое больше,чему платины) и большое электрическое сопротивление, обладает малой лету­честью при высокой температуре. Ис­пользуется для свечей зажигания.

Платина — никель. Никель значи­тельно повышает твердость и удельное электрическое сопротивление спла­вов. Как контактный материал наи­более известен сплав, содержащий 5 % Ni. Он имеет высокие параметры дуги, но ниже, чем у платины; эрозия при размыкании омической цепи меньше, чем у платины; малая склонность к иглообразованию при малых токах;

малая склонность к свариванию; сплав в незначительной степени повышает контактное сопротивление при обра­зовании сернистых пленок. Сплавы платины с никелем пластичны, по­этому хорошо обрабатываются.

Платина — рутений. Рутений чрез­вычайно сильно повышает твердость платины и электрическое сопротивле­ние. В качестве контактных матери­алов применяют сплавы, содержащие до 14 % Ru. При большом содержании рутения сплавы обрабатываются с тру­дом. Сплавы обладают меньшей, чем у платины, склонностью к свариванию и образованию игл. Минимальный ток дуги у сплава с 5 % Ru почта тот же, что у сплава с 10 % Ir. При нагрева­нии на воздухе рутений окисляется с образованием летучих окислов.

Платина — осмий. Осмий сильно повышает твердость и электрическое сопротивление платины. Сплавы ле­тучи и при нагревании теряют в массе (за счет осмия); обрабатываются при содержании не более 10 % Os, Изве­стен сплав с 7 % Os, обладающий исключительно высоким минимальным током дуги (2,5 А),

Платина — молибден. Для контактов применяют сплав с 10 % Мо. Он имеет высокие электрическое со­противление, твердость и склонность к иглообразованию и старению.

Платина — вольфрам. Вольфрам значительно повышает температуру плавления сплава и его твердость. Для контактов и свечей зажигания применяют сплавы с 4—5 % W, име­ющие высокое удельное электрическое сопротивление и твердость. Они доста­точно пластичны — обрабатываются пластически в горячем и холодном со­стоянии (поддаются ковке, прокаты­вайте, волочению на холоде); стойки к атмосферной коррозии; склонны к иглообразованию; имеют минимальный ток дуги несколько меньший, чем у платины.

Платина — палладий — рутений (84—10—6) — тройной сплав, облада­ющий высоким электрическим сопро­тивлением, твердостью и пластично­стью, коррозионноустойчив.

Родий мало пластичен, но имеет низкую твердость в отожженном со­стоянии. Холодная обработка может повысить его твердость в 5 раз. Твер­дость гальванически осажденного родия высока.

По своим свойствам — твердости, тугоплавкости, электро- и теплопро­водности, малой летучести, высоким коррозионным свойствам на воз­духе — родий является очень хорошим материалом для прецизионных кон­тактов, но он слишком дорог и не поддается механической обработке, поэтому его применяют только в виде электрохимических покрытий.

Иридий обладает тугоплавкостью, высокой твердостью, низкой пла­стичностью, большой летучестью. Стоек к атмосферной коррозии, но окисляется при нагреве. Склонен к об­разованию игл. Его применяют в ка­честве легирующего элемента, зна­чительно повышающего твердость платины и палладия.

Рутений и осмий. Эти металлы (особенно осмий) наиболее тугоплавки, тверды и хрупки по сравнению с остальными металлами платиновой группы. Летучесть их велика, особенно

осмия. Окисляются при невысоки» температурах (осмий при комнатной). Легирование этими металлами пла­тины и палладия значительно повы­шает твердость последних.