Арушанов К.А.1, Зельцер И.А., Карабанов С.М.,

Трунин Е.Б.

 

1390005, ул. Гагарина 59/1, г. Рязань, Россия,

Рязанский государственный радиотехнический университет

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

ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов»

 

 АЗОТИРОВАНИЕ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ  МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫХ ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫХ КОНТАКТОВ В ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ ПЛАЗМЕ

 

 

                                                            

 Известно [1 - 3], что одним из  наиболее перспективных способов повышения коррозионной и эрозионной устойчивости поверхности металлов является ионное азотирование в пульсирующей плазме тлеющего разряда. Идея применения этого метода для создания контактных поверхностей альтернативных гальванопокрытиям из драгоценных металлов (золота, рутения, родия) герконов впервые нашла свое экспериментальное подтверждение в работе [4].  Дальнейшее развитие она получила в цикле работ, перечень которых приведен в [5].

Целью данной работы является исследование процесса  поглощения азота при проведении плазменной модификации  в магнитоуправляемых герметизированных контактах (герконах).

Образцами являлись герконы МКА-14108, конструктивно выполненные на базе серийных приборов МКА-14103 [6]. Основная отличительная особенность конструкции этих герконов по сравнению с серийными приборами заключалась в отсутствии каких-либо специальных покрытий на пермаллоевых контактах.

Ионно-плазменная обработка (ИПО) контактных поверхностей проводилась высоковольтными импульсными разрядами. Разряды инициировались на разомкнутых контактах геркона (с зазором d = 20 – 30 мкм) с помощью установки ионно-плазменной обработки.

 

Измерения напряжения пробоя герконов и испытания на безотказность  проводились  с помощью специализированного оборудования [6] по методикам представленным в [6].

Состав и давление газового наполнения  геркона (до и после ИПО) определялись с помощью магнитного масс-спектрометра МИ – 1201 по стандартной методике [6].

         Значения суммарного коэффициента вторичной электронной эмиссии γ  оценивалось по экспериментально полученным значениям давления и напряжения возникновения разряда (напряжения пробоя)  с помощью закона Пашена [7]:

 

,                        (1)

 

где U – напряжение пробоя (В), p - давление газа (Торр); d - межконтактный зазор (см).

Решая задачу на экстремум, из соотношения (1) можно определить координаты минимума кривой Пашена [7]:

 

.         (2); (3)

 

Результаты расчетов по формулам (2), (3)  координат минимума кривой Пашена, представлены в виде графиков на рисунке 1. Здесь представлены так же зависимости давления газового наполнения p, напряжения пробоя U, суммарного коэффициента вторичной электронной эмиссии γ  от количества обработок n. Из рассмотрения полученных кривых видно, что давление в герконе после ИПО соответствует правой ветви кривой Пашена.

 

 

Рисунок 1. Зависимости напряжения пробоя U -1, давления газового наполнения Р - 3, координат минимума кривой Пашена Um  - 2, pm - 4, суммарного коэффициента вторичной электронной эмиссии γ - 5 геркона МКА-14108 по медиане от количества обработок n. (Длительность одной обработки составляет 30 с).

 

Ионно-плазменное азотирование поверхности контакт-деталей геркона происходит непосредственно внутри герметизированного баллона геркона заполненного азотом [4, 5]. Парциальное давление азота, согласно закону сохранения материи, уменьшается. Часть атомов  газообразного азота, при такой обработки,  диффундирует в приповерхностную область контакт - деталей с образование нитридов железа и никеля. В предположении, что расход азота связан  с формированием на контакт - деталях нитридных слоев, не сложно показать, что в этом случае толщина азотируемого слоя может быть оценена по формуле:

                                    t = С(Po - Pипо),                                        (4)

где С = NaVгТоa3 /VaPaТкS- константа для данного типа герконов,

      Na- число Авогадро,

      Vг-  объем газа в герконе (внутренний объем баллона геркона),

      Va = 22,4л –молярный объем газа,

      Po- давление газа в герконе после заварки,

      Pa = 760 мм.рт.ст.-атмосферное давление,

      Pипо - давление газа в герконе после ИПО,

      а - постоянная решетки сплава внедрения,

      S – площадь азотируемой поверхности контакт-детали (площадь перекрытия),

      То=273К, (0° С),

      Тк=293К, (20° С), температура геркона при измерении напряжения пробоя.

      Согласно закону Авогадро один моль любого газа при одинаковых условиях занимает одинаковый объём. В частности, при нормальных условиях, т.е. при 0° С (273К) и 101,3 кПа, объём 1 моля газа, равен 22,4 л. Этот объём называют молярным объёмом газа Va . Пересчитать эту величину на другие температуру Тк и давление Po можно с помощью уравнения Менделеева-Клапейрона:

.                           

                             V = VaPaТк / То Po .                               (5)

 

Тогда количества молекул азота в объеме геркона при P = Po, Т = Тк будет

 

                                      Nо =Vг Na / V = Po Vг ТоNa / Ра Va Тк .  (6)

 

При  ионно-плазменной обработке контакт-деталей геркона происходит диффузионное насыщение ионами азота приповерхностных слоев контакт-деталей в области их перекрытия с образование нитридных слоев [4, 5]. При этом, согласно закону сохранения материи, количество молекул азота, находящегося в газообразном состоянии в герконе, уменьшится пропорционально уменьшению давления. Доля молекул азота (от общего их числа в герконе),  расходуемых на азотирование 1-й контакт-детали,  равна:

 

                                       Ϭ = (Po - Pипо) / 2Po.                              (7)

 

Количество атомов азота в азотируемом слое контакт детали

 

                                      Nк-д = 2Ϭ Nо                                           (8)

или

                Nк-д =  Vг ТоNa(Po - Pипо) / Ра Va Тк                             (9)

 

Количество слоев атомов азота в приповерхностной области контакт-детали будет  соответственно

 

                                      Nс= Nк-д a2 / S                                        (10)

 

Тогда толщина азотированного слоя

            

                t = NaVгТоa3(Po - Pипо) / VaPa Тк S,                             (11)

 

или

                

                t = С(Po - Pипо),                                                            (12)

 

где

               С= NaVгТоa3 / VaPa Тк S                                               (13)

 

Исходные данные и результаты расчетов толщины азотированного слоя по формулам (12). (13) и коэффициента диффузии азота в пермаллое при ИПО по формуле

D = t2/τ                                                           (14)

 

приведены в Таблице.

Исходные данные и результаты расчетов толщины азотированного слоя и коэффициента диффузии азота

                                                                                                                                                                                                                          Таблица

№ п/п

Наименование

Обозначение, размерность

Значение параметра

1

Число Авогадро

Na, моль-1

6·1023

2

Объем газа в герконе (внутренний объем баллона геркона),

Vг, м3

 

29,6·10-9

3

Давление газа в герконе после заварки

Po, мм.рт.ст.

280

4

Температура

То, К

273

5

Постоянная решетки сплава внедрения

а,   Å

 

3.8 [8]

 

6

Молярный объем газа

Va, м3

22.4·10-3

7

Атмосферное давление

Pa, мм.рт.ст.

760

8

Температура геркона при измерении напряжения пробоя

Тк, К

293

9

Площадь азотируемой поверхности контакт-детали (площадь перекрытия),

S,   м2

 

0.34·10-6

10

Константа для данного типа герконов

С,   м / мм.рт.ст.

156.87·10-9

11

Толщина азотированного слоя

t,     нм

4706

12

Продолжительность обработки

τ,     с

900 (или 30 кратная обработка по 30 с, см. рис. 1)

13

Коэффициент диффузии азота в пермаллое при ИПО

D,    см2 / с

2,46·10-10

Значение толщины азотированного слоя, полученное расчетным путем (для времени обработки τ=30с, t ≈ 157 нм) по формуле (1),  согласуется со значение толщины азотированного слоя контакт-деталей, измеренной методом послойного Оже-спектрального анализа, после проведения ИПО [5].

Расчетное значение коэффициента диффузии азота в пермаллое D при ИПО равно 2,46·10-10 см2 / с   и  тоже согласуется с экспериментом [2] . Расчет коэффициентов диффузии азота в сталь по экспериментальным концентрационным профилям показал, что в предварительно закаленных, отпущенных и обработанных в пульсирующей плазме образцах стали D составляет (4 – 6)·10-10 см2 / с [2] .

Сравнение полученного значения коэффициента диффузии

D = 2,46·10-10 см2 / с   с подвижностью атомов азота в железе при обработке в непрерывном тлеющем разряде [3]  показало, что пульсирующий разряд в герконе способствует повышению подвижности примерно в 3 раза.                                           

 

Литература:

 

          1. Чаттерджи – Фишер Р., Эйзелл Ф. – В. / Под ред. Супова А.В./ Азотирование и карбонитрирование. - М.: Металлургия, 1990. – 280с.

2. Лященко Б.А., Мироненко В.И., Радько О.В., Бобырь С.А.. // Особенности азотирования стали 30ХГСА в пульсирующем разряде. Вiсник Чекаського нацiонального унiверситету. 2007. -  Вип.117. - Сер. «Фiзiко-математичнi науки». С.107

3. Герцрикен Д.С., Тышкевич В.М. Тлеющий разряд и инертные газы в металлах. - Киев: Академпериодика, 2006. – 280 с.

4. Зельцер И.А., Карабанов С.М., Майзельс Р.М., Моос Е.Н., Саблин В.А. // Сборник трудов второй международной научно-практической конференции «Магнитоуправляемые контакты (герконы) и изделия на их основе», - Рязань: Полиграф, 2009. С. 174.

5. Karabanov S.М., Zeltser I.А., Maizels R.М., Moos Е.N. Arushanov К.А.   // Journal of Physics : Conference Series, 2011. V. 291. № 01 2020. Р. 1.

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

7. Энгель А. Ионизованные газы. - М.: Физико-математическая литература, 1959. – 332 с.

8. Гольдшмидт Х. Дж.  Сплавы внедрения. - М.: Мир, 1971, Вып.1. - 424 с.