Арушанов К.А., Зельцер И.А., Карабанов С.М., Майзельс Р.М., Моос Е.Н.

ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов», Россия

Новый метод модификации контактных поверхностей герконов

Одной из основных технологических проблем производства герконов является нанесение специальных (коррозионно- и эрозионно-стойких) покрытий на контактные поверхности пермаллоевых пружин. Традиционно при этом применение гальванотехнологии таких материалов покрытий как драгоценные металлы (золото, палладий, родий, рутений и т.п.) [1].

Однако этот технологический подход характеризуется большой электро- и материалоемкостью, дороговизной оборудования, низким экологическим уровнем, трудностью осаждения сплава требуемого химического, фазового состава и структуры при получении тонких беспористых или толстых пленок с низкими внутренними напряжениями и с высокой адгезий к материалу контакт-детали.

Целью данной работы является создание с помощью ионно-плазменных технологий специальных герконов, в которых проблема коррозионной и эрозионной устойчивости решается альтернативным способом.

Опытными образцами являлись герконы МКА-14108, конструктивно выполненные на базе серийных приборов МКА-14103 [1]. Особенность конструкции этих герконов по сравнению с серийными приборами - в отсутствии каких-либо специальных покрытий на пермаллоевых контактах. Контактные пружины штамповались из пермаллоевой проволоки марки «Dilaton», обезжиривались и отжигались в атмосфере водорода. Проволока вытягивалась из пермаллоя (52% Ni, 48% Fe) вакуумной плавки. В качестве газового наполнения при герметизации использовался спектрально чистый (99.999%) азот с давлением в оболочке геркона 250 – 290 мм. рт. ст.

Ионно-плазменная обработка (ИПО) контактных поверхностей проводилась высоковольтными импульсными разрядами, которые инициировались на разомкнутых (с зазором d = 20 – 30 мкм) контактах геркона с помощью специально разработанной установки. В этих условиях модификация поверхности происходила в результате ионного азотирования.

Известно [1], что главный эффект действия коррозии и загрязнений на электрические контакты заключается в нарушении проводимости, поэтому сопротивление контактов этим процессам может характеризоваться числом замыканий, при котором наступает катастрофически изменяется проводимость. Устойчивость контактов к эрозии может характеризоваться числом замыканий, при котором наступает нарушении проводимости или неразмыкание контактов. Поэтому экспериментальные образцы герконов после обработок высоковольтными разрядами и без таковых подвергались сравнительным коммутационным испытаниям. Испытания проводились на активную нагрузку и в режиме холостого хода (без нагрузки).

О состоянии поверхности контактов на каждом технологическом этапе судили по результатам ее диагностики методами атомно-силовой и оптической микроскопии, Оже-электронной спектроскопии, а также по интегральным измерением величины электрического контактного сопротивления геркона R.

Это позволило оптимизировать режимы модификации поверхности контактных пружин экспериментальных образцов герконов и изучить физические процессы, происходящие на всех этапах обработки и эксплуатации герконов.

Методом Оже-электронной спектроскопии установлено, что в результате ИПО на поверхности железоникелевых контактов формируется нитридная фаза типа Fe₃N, которую сменяет слой состоящий из нитридной фазы Fe₄N. В зависимости от длительности ионного азотирования толщины нитридных слоев изменялись в пределах от нескольких десятков до нескольких тысяч нанометров.

Сравнительные коммутационные испытания опытных образцов герконов МКА-14108 и серийных приборов МКА 14103 показали, что наработка опытных герконов МКА-14108, предварительно обработанных высоковольтными импульсными разрядами, в основном соответствует требованиям, предъявляемым к долговечности серийных приборов МКА 14103.

Для определения и оптимизации режима обработки были проведены испытания опытных образцов герконов МКА-14108 до и после обработки без нагрузки (на холостом ходу). Количество коммутаций изменялось поэтапно от 0 до 10⁷ соударений. На каждом этапе испытаний герконов измерялась величина R .

С увеличением количества срабатываний сопротивление герконов, предварительно обработанных высоковольтными импульсными разрядами, остается стабильным и не превышает 0.1 Ом. Сопротивления герконов необработанных, напротив, с увеличением количества срабатываний возрастает примерно в 100 раз и при 10⁷ срабатываний достигает значения 10 Ом.

При количестве срабатываний 10⁴ на поверхности контактов герконов без специальных покрытий, независимо в области контактирования появляются черно-коричневые пятна. Это продукты термического разложения полимерных пленок, образующихся в процессе коммутаций из адсорбированных на поверхности контактов углерода, кислорода и водорода. С увеличением количества коммутаций до 10⁵ размер и степень почернения этих пятен увеличиваются, и синхронно с этим процессом возрастает R. В диапазоне 10⁵ – 10⁶ наблюдаются разрушение полимерных пленок и снижение R. При дальнейшем наращивании числа коммутаций (вплоть до 10⁷) вместо разрушенных соударениями пленок начинают появляться новые полимерные покрытия, что сопровождается увеличением R.

Изображения контактных поверхностей в атомно-силовом микроскопе обнаруживают, что рост сопротивления герконов с необработанными контакт-деталями происходит также из-за эрозии поверхности вследствие уменьшения площади фактического контакта.

Контактная поверхность азотированных контакт-деталей, напротив, благодаря более высокой твердости азотированных слоев оказалась более устойчивой к процессу эрозии и поэтому сопротивление герконов в процессе коммутации остается стабильно низким (не превышает 0.1 Ом). Такую же стабильность демонстрируют при коммутации «сухих» цепей герконы МКА-14103 с золото-рутениевым покрытием [1].

Для обоснования возможности наблюдаемых причин эрозии проведен их термодинамический анализ.

Показано, что при коммутации «сухих» цепей (без нагрузки) во время дребезга (это суммарное время процесса последовательных размыканий и замыканий электрической цепи, следующих за первым замыканием последней [1]) контакты находятся под напряжением величиной 10 - 30 мВ. Наиболее вероятной причиной возникновения которого являются электроиндукционные процессы в ферромагнитном материале во время перестройки его доменной структуры по воздействием механических напряжений и магнитного поля. Накопленной во время дребезга энергии конденсатора, который образуют собственные контакты геркона, оказывается достаточной для расплавления (в результате электроразрядных процессов происходящих при дребезге) нановыступов контактных поверхностей. Расплавленные металлические мостики образующиеся в процессе дребезга контактов создают специфический рельеф поверхности негативно сказывающийся на работоспособности прибора.

Во время отпускания (интервал времени от начала убывания управляющего тока до последнего размыкания замыкающего геркона) при магнитострикционном сдвиге еще замкнутых контактов относительно друг друга большая часть работы совершаемой во время этого сдвига против сил трения тратится на нагрев приповерхностного слоя контактных поверхностей. Расчеты показывают, что выделяемой при этом энергии так же достаточно для расплавления поверхностных нановыступов.

Оценка величины химическое сродства при трении магнитострикционного скольжения по формуле [2]

,

полученной согласно теоремы Пригожина [3] для открытой трибосистемы в которой механоактивация возбуждает толь одну трибохимическую реакцию, дает значение A=-2.65·10⁷ Дж/моль. Здесь μ - коэффициент трения, Na - число Авогадро, P - нагрузка, σ₀ - площадь пятна фактического контакта атома или молекулы, δ - поперечник соприкасающихся микро-наношероховатостей, вдоль которого сохраняется состояние активированного комплекса при скольжении тел, η - доля номинальной площади, которая вступает в фактический контакт, σ - площадь пятна номинального контакта трущихся тел.

Очевидно, что при магнитострикционном трении контакт-деталей геркона могут быть запущены практически любые несамопроизвольные процессы вплоть до полного разложения любых химических соединений и образования трибоплазмы.

Таким образом, если материал контакта сравнительно мягкий и легкоплавкий (а именно таким материалом является пермаллой по сравнению с рутением) и коррозионно- и эрозионностойкие покрытия отсутствуют, то при коммутации «сухих» цепей (без нагрузки), следует ожидать расплавления поверхностных нановыступов, ускорения диффузионных процессов (при образовании трибоплазмы), приводящих к уменьшению площади фактического контакта и увеличения его переходного сопротивления из-за образования специфического рельефа поверхности. Это и наблюдается в случае необработанных плазмой железоникелевых контактов не имеющих специальных покрытий.

Таким образом в результате проведенных исследований удалось путем варьирования параметров режима ИПО и последующих коммутационных испытаний обеспечить такое электрофизическое условие разряда при котором в приповерхностной области пермаллоевых контактов герконов формируются коррозионно- и эрозионно-устойчивые нитридные слои с высокой электропроводностью.

Литература

1. Карабанов С.М., Майзельс Р.М., Шоффа В.Н. Магнитоуправляемые контакты (герконы) и изделия на их основе. - М.: Интеллект, 2011.

– 408 с.

2. Колесников В.И., Булгаревич С.Б, Козаков А.Т., Сидашов А.В., Бойко М.В. // Вестник южного научного центра РАН, 2007. Т.3. № 3. С. 9 -20.

3. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. – М.: Иностранная литература, 1960. - 127 с.