*112072*

Арушанов К.А. ¹, Зельцер И.А. ², Майзельс Р.М. ²

¹Рязанский государственный радиотехнический университет,

ул. Гагарина, 59/1, Рязань, 390005, Россия,

²ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов»,

ул. Новая, 51В, Рязань, 390027, Россия.

РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ

МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫХ КОНТАКТОВ (ГЕРКОНОВ)

1. Введение

Одной из основных технологических проблем производства герконов является нанесение специальных (коррозионно- и эрозионностойких) покрытий на контактные поверхности пермаллоевых пружин. При этом для нанесения покрытий в основном используется гальванотехнология, а в качестве материалов – благородные и драгоценные металлы (золото, палладий, родий, рутений и т.п.) [2].

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.

Известно, что одним из наиболее перспективных способов повышения коррозионной и эрозионной устойчивости поверхности металлов является ионное азотирование в пульсирующей плазме тлеющего разряда [1]. Идея применения этого метода для создания контактных поверхностей, альтернативных гальванопокрытиям из драгоценных металлов, впервые нашла свое экспериментальное подтверждение в работе [3].

Данное исследование является логическим продолжением этой работы. Целью его является изучение влияния параметров ионно-плазменной обработки, режимов коммутации на свойства железоникелевых контактных поверхностей и создание на этой основе новой ресурсосберегающей технологии модифицирования герконов с применением реактивного катодного распыления в пульсирующем разряде.

2. Образцы и методы

Опытными образцами являлись герконы МКА-14701, конструктивно выполненные на базе серийных приборов МКА-14103 [2].

Особенность технологии изготовления герконов МКА-14701 по сравнению с типовой схемой техпроцесса герконов МКА-14103 [2] состоит в замене операции «Нанесение гальванопокрытия» на операцию «Ионно-плазменная обработка» («ИПО»).

Контактные пружины штамповались из пермаллоевой проволоки марки «Dilaton», обезжиривались и отжигались в атмосфере водорода. Проволока вытягивалась из катанки пермаллоя (52% Ni, 48% Fe) вакуумной плавки. В качестве газового наполнения при герметизации использовался спектрально чистый (99.999%) азот с давлением в оболочке геркона p = 33 – 40 кПа.

Ионно-плазменная обработка (ИПО) контактных поверхностей проводилась высоковольтными импульсными разрядами при разомкнутых контактах (раствор d = 27 – 30 мкм) на специальной установке [3]. В процессе ее на поверхность контактов напылялась пленка, состоящая из нитридов железа и никеля [3].

Процесс напыления покрытия происходил непосредственно в самом герконе. Стеклянная оболочка выполняла функцию рабочей камеры, а контакт-детали - попеременно служили анодом и катодом. Длительность однократной ИПО составляла 30 с.

Образцы после обработок высоковольтными разрядами подвергались коммутационным испытаниям. Измерения сопротивления, напряжения пробоя герконов и коммутационные испытания на безотказность проводились с помощью специализированного оборудования [2] по методикам представленным в [2].

О состоянии модифицированной поверхности судили по результатам атомно-силовой (АСМ), растровой электронной (РЭМ) и оптической микроскопии (ОМ). Полученные при этом данные сопоставлялись с результатами измерения ряда характеристик, в частности, напряжения пробоя и переходного контактного сопротивления.

3. Результаты и их обсуждение

Покрытие. Поверхность контакт-детали геркона после проведения ИПО по режиму реактивного катодного распыления можно условно разделить по изображениям поверхности контакт-деталей, полученным с помощью оптического (рис.1), атомно-силового (рис. 2) и электронного (рис. 3) микроскопов, на две характерных по топографии области.

Рис. 1. Контакт-деталь геркона после 30-кратной ионно-плазменной обработки.

Рис. 2. АСМ - изображение контактной поверхности геркона после 30-кратной ИПО: (A) и (B) -2D и 3D изображение области 1.

Рис. 3. РЭМ - изображение области 1 контактной поверхности геркона после 30-кратной ИПО.

Область 1 (рис. 1 - 3) - это рабочая область (область перекрытия контакт-деталей), где собственно и зажигается газовый разряд при подаче напряжения на разомкнутые контакты геркона. В результате реактивного катодного распыления в газовой фазе области перекрытия образуются нитриды (FeN и NiN) [3], большая часть которых осаждается на поверхность контактов в области 1.

На рис.4 представлены реакции определяющие процесс осаждения контактного покрытия методом реактивного катодного распыления.

Рис. 4. Осаждение покрытия методом реактивного катодного распыления.

Ионы азота, ускоряясь в области катодного падения потенциала, бомбардируют мишень – катод. При этом большая часть энергии ионов (около 90%) расходуется на нагрев мишени, а остальная часть - на эмиссию электронов, ионную имплантацию и распыление атомов (Fe, Ni, C, O), расположенных на поверхности мишени.

В результате реактивного катодного распыления в газовой фазе образуются нитриды железа и никеля, которые затем осаждаются на контакт-детали и стеклобаллон геркона. При осаждении на контактную поверхность в области 1 (с температурой ниже 400-500˚ С) молекулы нитридов металлов MeN (Fe, Ni) пермаллоя не диссоциируют, как в случае ионного азотирования, а образуют пленку черного цвета (рис. 1). Толщина покрытия, по данным металлографических исследований, составила (после 30-кратной ИПО) около 400 нм. Часть молекул FeN и NiN в результате диффузии, осаждаются на поверхности контактов, в соседней, с областью 1, области 2 (рис. 1) и на внутренней поверхности стеклобаллона, расположенной вблизи области перекрытия. Незначительное количество продуктов катодного распыления попадает также на обратную сторону контакт-деталей геркона.

Коммутационные испытания. Известно [2], что главный эффект действия коррозии, эрозии и загрязнений на электрические контакты заключается в нарушении проводимости, поэтому сопротивление контактов этим процессам может характеризоваться числом замыканий, при котором катастрофически изменяется проводимость. Устойчивость контактов к эрозии может характеризоваться числом замыканий, при котором наступает нарушении проводимости или неразмыкание контактов.

Экспериментальные образцы герконов после обработок высоковольтными разрядами в режиме реактивного катодного распыления подвергались сравнительным коммутационным испытаниям по методике, разработанной ранее в работе [3] для герконов МКА-14108 с ионно-азотированными контактными поверхностями. Испытания проводились на активную нагрузку и в режиме холостого хода (без нагрузки). Это позволило оптимизировать режимы модификации поверхности контактных пружин и изучить физические процессы, происходящие на всех этапах обработки и эксплуатации герконов.

Сравнительные коммутационные испытания опытных герконов МКА-14701 и серийных приборов МКА 14103 показали, что наработка опытных герконов МКА-14701, предварительно обработанных высоковольтными импульсными разрядами в режиме реактивного катодного распыления, удовлетворяет требованиям, предъявляемым к долговечности серийных приборов МКА 14103 (Таблица). Это подтвердили также результаты (рис. 5) коммутационных испытаний на холостом ходу (без нагрузки). Количество коммутаций изменялось поэтапно от 0 до 10⁹ соударений. На каждом этапе испытаний герконов измерялось их сопротивление (рис. 5).

С увеличением количества срабатываний сопротивление герконов, предварительно обработанных высоковольтными импульсными разрядами, остается стабильным и не превышает 0.1 Ом (рис. 5). Сопротивления необработанных герконов, напротив, с увеличением количества срабатываний возрастает примерно в 100 раз и при 3*10⁷ срабатываний достигает 8 Ом [3], что обусловлено образованием полимерных покрытий и эрозией поверхности [3]. Контактная поверхность с нитридными покрытиями, напротив, благодаря более высокой твердости, оказалась более устойчивой к процессу эрозии и поэтому сопротивление герконов МКА-14701 в процессе коммутации остается стабильно низким (рис. 5).

Таблица.

Результаты сравнительных коммутационных испытаний

Режим коммутационных испытаний	Тип герконов	Без сбоев, %	Rmax до испытаний, Ом	Rmax после испытаний, Ом
50 мВ - 5 мкА,100 Гц, 10^6 срабатываний	МКА-14103	100	0.1	0.1
	МКА14701, без обработки	21	0.25	10
	МКА14701, с обработкой	100	0.08	0.09
5 В - 10 мА, 100 Гц, 10^6 срабатываний	МКА-14103	100	0.17	0.11
	МКА-14701, без обработки	27	0.35	22.7
	МКА-14701, с обработкой	100	0.07	0.08
20 В - 0.5 А, 50 Гц, 5·10^6 срабатываний	МКА-14103	38	0.16	40
	МКА-14701, без обработки	47	0.31	0.11
	МКА-14701, с обработкой	100	0.09	0.10
24 В - 400 мА, 50 Гц, 5·10^5 срабатываний	МКА-14103	100	0.13	0.5
	МКА-14701, без обработки	100	0.29	0.11
	МКА-14701, с обработкой	100	0.07	0.01
36 В - 15 мА, 50 Гц, 5·10^6 срабатываний	МКА-14103	25	0.2	8.7
	МКА-14701, без обработки	53	0.49	0.34
	МКА-14701, с обработкой	100	0.07	0.09
50 В - 50 мА, 50 Гц, 5·10^5 срабатываний	МКА-14103	100	0.14	0.22
	МКА-14701, без обработки	100	0.38	0.25
	МКА-14701, с обработкой	100	0.07	0.08
100 В -100 мА, 50 Гц, 5·10^5 срабатываний	МКА-14103	2	0.17	0.19
	МКА-14701, без обработки	100	0.27	0.23
	МКА-14701, с обработкой	100	0.08	0.09

Рис. 5. Зависимость сопротивления геркона (ось ординат) от количества срабатываний (ось абсцисс) при коммутации на холостом ходу.

Кроме этого, опытные образцы подвергались испытаниям на безотказность с активной нагрузкой по комбинированному режиму (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость сопротивления R пяти (№1-5) герконов МКА-14701 от количества срабатываний N в комбинированном режиме.

АСМ-изображения контактной поверхности, полученные методом реактивного катодного распыления, до и после коммутации, представлены на рис. 2 и рис. 7.

Рис. 7. 2D и 3D АСМ – изображение контактной поверхности геркона МКА-14701 (после ИПО в режиме реактивного катодного распыления и последующей коммутации в комбинированном режиме: (A), (B) – 50 х 50 мкм²; (C), (D), - 20 х 20 мкм².

За счет теплового действия дуги размыкания [2], возникающей в диапазоне 0 – 2.5·10⁴ срабатываний (рис. 6, 7), в контактных микропятнах происходит разогрев поверхности выше температуры кипения. Это приводит к интенсивному испарению металла. В результате, как видно по АСМ – изображениям (рис. 7), на поверхности контакт-деталей образуются конусоподобные кратеры диаметром около 8000 нм и глубиной около 100 нм.

Из рассмотрения экспериментальных кривых, изображенных на рис. 6, можно сделать вывод о полном соответствии осажденных покрытий требованиям [2], предъявляемым к покрытиям серийных герконов МКА-14103 по безотказности, величине и стабильности сопротивления.

Таким образом, коммутационные испытания на безотказность герконов, с контактными покрытиями, изготовленными методом реактивного катодного распыления, дали положительный результат. Они подтвердили высокую адгезию пленки к материалу подложки. Такая прочность адгезионных связей, по-видимому, обусловлена дополнительной активацией поверхности действием плазмы.

4. Заключение

В результате проведенных исследований удалось обеспечить такие электрофизические условия разряда, при которых на поверхности пермаллоевых контактов герконов методом реактивного катодного распыления формируются коррозионно- и эрозионно-устойчивые нитридные слои с высокой электропроводностью, что позволяет отказаться от применения гальванопокрытий изготовленных из драгоценных металлов.

Полученные результаты указывают на перспективность применения реактивного катодного распыления для производства герконов.

Литература:

1. Арзамасов Б.Н., Братухин А.Г., Елисеев Ю.С., Панайоти Т.А. Ионная химико-термическая обработка сплавов в газовой среде. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. – 400 с.

2. Карабанов С.М., Майзельс Р.М., Шоффа В.Н. Магнитоуправляемые герметизированные контакты (герконы) и изделия на их основе. - М.: Интеллект, 2011. – 408с.

3. Karabanov S.М., Zeltser I.А., Maizels R.M., Moos E.N., Arushanov К.А. Creation of Principally New Generation of Switching Technique Elements (Reed Switches) with Nanostructured Contact Surfaces. // Journal of Physics: Conference Series. – 2011. – Vol. 291, – № 012020. – Pp. 1 – 17.