МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫЙ КОНТАКТ (ВАРИАНТЫ)

Заявляемая полезная модель относится к области электротехники, в частности, к магнитоуправляемым герметизированным контактам (герконам) замыкающего и переключающего типов, используемых в широком диапазоне коммутируемых нагрузок и мощностей.
Известен отечественный геркон мощностью до 10 Вт [1]. Это наиболее дешевый из всех известных герконов, практически не содержащий драгметаллов. Геркон содержит ферромагнитные контакт-детали, имеющие на конце плющения двухслойное покрытие из медно-никелевого сплава толщиной 0,1÷10 мкм и золото-никелевого сплава толщиной 0,01÷1,0 мкм.
Недостатком геркона являются ограниченные технические возможности, поскольку медно-никелевое покрытие в герконе несет необходимую для этого геркона антиэрозионную нагрузку, но не обладает низким и стабильным переходным сопротивлением. Эту функцию выполняет верхний слой - золото-никелевое покрытие. Данный геркон имеет ограниченное применение (до 10 Вт) и не пригоден для работы в более мощных режимах коммутации.
Известны выпускаемые отечественной промышленностью герконы более высокой мощности [2], имеющие контактное покрытие, состоящее из двух слоев:
золото, толщиной 0,1÷2,0 мкм,
рутений, толщиной 1,0÷3,0 мкм.
В данной конструкции геркона необходимо использование больших толщин рутениевого покрытия 1,0÷3,0 мкм, однако технология нанесения
рутениевого гальванопокрытия такова, что при толщине свыше 1,0 мкм сложно получить низконапряженное покрытие (без трещин).
По этой причине не удается получить стабильные результаты в герконах с данным покрытием в режимах высокой мощности. К тому же это покрытие дорогостоящее.
Известен геркон [3] средней и малой мощности с контактным покрытием, состоящим из трех слоев:
сплав медь-никель, толщиной 0,1÷10,0 мкм,
золото, толщиной 0,05÷2,0 мкм,
рутений, толщиной 0,1÷1,5 мкм.
В данном герконе слой медно-никелевого покрытия играет роль антидиффузионного барьера, препятствующего проникновению железа на рабочую поверхность геркона.
2
Основную антиэрозионную нагрузку в режимах средней и малой мощности несет рутений, обладающий тугоплавкими свойствами, высокой износостойкостью, микротвердостью, приблизительно равной 700 кГс/мм, коррозионной стойкостью, низким электросопротивлением. Слой золота необходим как подслой под рутений для улучшения сцепления и снижения напряженности рутениевого гальванопокрытия.
Однако, это покрытие не охватывает всего диапазона необходимых коммутируемых нагрузок, особенно это касается герконов высокой мощности.
Известны, выпускаемые в России мощные высоковольтные вакуумные магнитоуправляемые контакты [4], где покрытием является молибден толщиной 6÷9 мкм, нанесенный методом вакуумного напыления.
Для этого способа нанесения покрытия характерен низкий технологический выход - 30÷50%, в отличие от гальванического, где он составляет 70÷80%, а также шероховатая поверхность покрытия, что нежелательно, так как обуславливает быстрый износ покрытия в условиях электроискрового разряда.
Этот вид покрытия может быть использован только в герконах высокой мощности.
Задачей предлагаемой полезной модели является: улучшение технических характеристик геркона в широком диапазоне коммутируемых нагрузок (мощностью до 250 Вт), снижение себестоимости геркона за счет
изменения конструкции контактного покрытия, исключения полностью, или частично, драгметаллов (золота и рутения), снижения трудоемкости и повышения технологического выхода.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является получение и поддержание низкого уровня переходного электросопротивления и увеличение продолжительности срока службы герконов в широком диапазоне коммутируемых нагрузок и мощностей (до 250 Вт).
Для решения поставленной задачи и достижения технического результата предлагается использовать в герконах три варианта контактного покрытия. Указанный технический результат достигается тем, что
- по первому варианту: в магнитоуправляемом контакте, содержащем стеклянный баллон, в торцах которого заварены ферромагнитные контакт-детали, контакт-детали на конце плющения имеют двухслойное покрытие, состоящее из слоя никель-молибденового сплава толщиной 0,1÷10 мкм и слоя золото-никелевого сплава толщиной 0,01÷1,5 мкм;
- по второму варианту: в магнитоуправляемом контакте, содержащем стеклянный баллон, в торцах которого заварены ферромагнитные контакт-детали, контакт-детали на конце плющения имеют трехслойное покрытие, состоящее из слоя никель-молибденового сплава толщиной 0,1÷10 мкм, слоя золота толщиной 0,1÷2,0 мкм и слоя рутения толщиной 0,1÷1,0 мкм;
- по третьему варианту: в магнитоуправляемом контакте, содержащем стеклянный баллон, в торцах которого заварены ферромагнитные контакт-детали, контакт-детали на конце плющения имеют четырехслойное покрытие, состоящее из слоя никель-молибденового сплава толщиной 0,1÷10 мкм, слоя золота толщиной 0,1÷2,0 мкм, слоя рутения толщиной 0,1÷1,0 мкм и слоя золото-никелевого сплава толщиной 0,01÷1,5 мкм.
На фиг.1 представлена конструкция предлагаемого геркона, содержащего стеклянный баллон 1, в торцах которого заварены контакт-детали 2 с контактным покрытием.
На фиг.2-4 показаны предлагаемые варианты контактного покрытия. На фиг.2 показано контактное покрытие, состоящее из двух слоев электролитически осажденных сплавов: никель-молибден 3 и золото-никель 6.
На фиг.3 показано контактное покрытие, состоящее из трех слоев, полученных электроосаждением: никель-молибденовый сплав 3, слой золота 4, слой рутения 5.
На фиг.4 представлено четырехслойное контактное покрытие, состоящее из никель-молибденового сплава 3, золота 4, рутения 5, золото-никелевого сплава 6.
Во всех предлагаемых вариантах контактного покрытия магнитоуправляемого контакта в качестве подслоя используют никель-молибденовое покрытие 3.
Это покрытие непосредственно наносят на контакт-детали 2 из пермаллоя, обеспечивая хорошее сцепление с пермаллоем и последующими слоями металлов.
Слой никель-молибденового сплава во всем интервале получаемых гальваническим путем составов обладает высокой химической и коррозионной стойкостью. Благодаря входящему в состав сплава молибдену, это покрытие имеет повышенную тугоплавкость. За счет этого слой никель-молибденового сплава выполняет роль антидиффузионного барьера, препятствующего проникновению на поверхность железа из пермаллоя, приводящего к повышению переходного сопротивления в герконе.
Никель-молибденовый сплав имеет высокую механическую прочность и износоустойчивость. Микротвердость его составляет 600 кГс/мм. По своим физическим характеристикам и эрозионной стойкости этот сплав близок к рутению.
Применение никель-молибденового сплава в контактном покрытии значительно удешевляет геркон без ухудшения его технических характеристик.
К преимуществам использования никель-молибденового сплава следует отнести то, что технология нанесения этого покрытия менее трудоемка, особенно по сравнению с технологией нанесения рутениевых осадков, не требует использования дорогостоящих и дефицитных материалов. Также никель-молибденовое покрытие имеет, в отличие от рутения, невысокую напряженность. Это покрытие более эрозионностойкое, чем покрытие медно-никелевым сплавом, что позволяет повысить в целом эрозионную стойкость геркона и расширить диапазон коммутируемых нагрузок в сторону повышения мощности.
Недостатком никель-молибденового покрытия следует считать довольно высокое и нестабильное переходное электросопротивление, вследствие чего оно не может быть использовано в качестве самостоятельного покрытия в герконе, а может применяться только в виде подслоя, несущего антидиффузионную и антиэрозионную функциональную нагрузку в общей конструкции покрытия.
Верхние слои контактного покрытия (сплав золото-никель, золото и рутений) обеспечивают низкое и стабильное переходное электроспоротивление в герконе и, при необходимости, несут дополнительную антиэрозионную нагрузку.
Наиболее простым и дешевым контактным покрытием для магнитоуправляемых контактов является первый вариант контактного покрытия.
Более высокая эрозионная стойкость никель-молибденового слоя покрытия по сравнению с медно-никелевым слоем дает возможность расширить диапазон коммутируемых нагрузок в сторону повышения мощности геркона значительно выше 10 Вт.
Герконы с контактным покрытием, предлагаемым по первому варианту, были опробованы на примере опытных партий геркона МКА - 14103. Контактное покрытие было следующим:
никель-молибденовый сплав толщиной 0,1÷10 мкм,
золото-никелевый сплав толщиной 0,01÷1,5 мкм.
Все изготовленные герконы с предлагаемым контактным покрытием были испытаны в различных режимах. Результаты испытаний представлены в таблице №1.
Как показали результаты испытаний, изменение конструкции покрытия на предлагаемое, позволило увеличить в несколько раз срок службы геркона в широком диапазоне коммутируемых нагрузок при низком и стабильном переходном электросопротивлении.
Контактное покрытие, предлагаемое по второму варианту, опробовано на герконах более высокой мощности:
переключающий КЭМ-3;
Контактное покрытие:
никель-молибденовый сплав толщиной 0,1÷10 мкм,
золото толщиной 0,1÷2,0 мкм,
рутений толщиной 0,1÷1,0 мкм.
Результаты представлены в таблице №2.
В этом случае никель-молибденовое покрытие частично заменяет используемое до сих пор рутениевое покрытие толщиной 1,0÷3,0 мкм, которое при толщинах более 1,0 мкм имеет трещины. Тем самым улучшается эрозионная стойкость контактного покрытия, снижается расход рутения.
Второй вариант предлагаемого контактного покрытия также может быть использован в высокомощных и высоковольтных вакуумных герконах, типа МКА-36201, где до настоящего времени применяется молибденовое покрытие толщиной 6÷9 мкм, нанесенное с помощью вакуумного напыления.
Предлагаемая конструкция покрытия позволяет получить более гладкие осадки, что очень важно для высоковольтных герконов. К тому же при гальваническом нанесении повышается технологический выход.
Данная конструкция контактного покрытия позволяет получить высокие наработки герконов в режимах большой мощности (до 250 Вт). Результаты испытаний представлены в таблице №3.
В случаях, когда требуется высокая надежность работы геркона в широком диапазоне коммутируемых нагрузок - от микрорежимов до режимов повышенных мощностей - используют третий вариант предлагаемого контактного покрытия:
никель-молибденовый сплав толщиной 0,1÷10 мкм,
золото толщиной 0,1÷2,0 мкм,
рутений толщиной 0,1÷1,0 мкм,
золото-никелевый сплав толщиной 0,01÷1,5 мкм.
Предлагаемое контактное покрытие (вариант 3) за счет использования никель - молибденового подслоя взамен медно-никелевого сплава позволяет увеличить мощность геркона, а за счет использования золото-никелевого поверхностного слоя снизить и стабилизировать переходное электросопротивление.
В результате увеличивается надежность и срок службы геркона в широком диапазоне коммутируемых нагрузок.
Третий вариант конструкции геркона был опробован в опытных партиях геркона МКА-14103.
Результаты испытаний герконов представлены в таблице №4.
Как показывают результаты испытаний, герконы с предлагаемым
8
покрытием (третий вариант) выдерживают испытания в микрорежиме с максимальным сроком службы 10 срабатываний и в режимах до мощности 15 Вт дают наработку в 3÷5 раз большую, чем у прототипа.
Предлагаемая полезная модель позволяет за счет изменения конструкции контактного покрытия геркона, введением подслоя никель-молибденового сплава с последующим нанесением золото-никелевого сплава, золота и рутения:
- расширить диапазон коммутируемых нагрузок от микрорежима до мощности 250 Вт, охватив практически весь типоразмерный ряд герконов;
- повысить эрозионную стойкость герконов в заданных режимах;
- снизить себестоимость герконов, исключив полностью или частично, драгметаллы (золото и рутений);
- снизить трудоемкость процесса, используя унифицированные и упрощенные технологии нанесения покрытия.
Для каждого конкретного типа геркона экспериментально выбирают один из трех предлагаемых вариантов контактного покрытия и осуществляют подбор сочетания толщин в указанных для каждого варианта интервалах.
Таблица №1.Сравнительные испытания герконов МКА14103
№п/п
Вид покрытия, толщина, мкм
Rпер, Ом
Режимы испытаний
50 В, 50 мА, 50 Гц
100 В, 100 мА, 50 Гц
24 В, 0,4 А, 50 Гц
30 В, 0,5 А, 20 Гц
1
по прототипу
М-Н 0,6
0,07÷0,09
5×10<sup>5</sup> срабатываний
5×10<sup>5</sup> срабатываний
5×10<sup>5</sup> срабатываний
5×10<sup>3</sup> срабатываний
Зл 0,4
Ру 0,45
2
предлагаемое (вариант 1)
Н-Мо 0,1÷10
0,07÷0,09
1,6×10<sup>6</sup> срабатываний
4,2×10<sup>6</sup> срабатываний
7×10<sup>6</sup> срабатываний
4×10<sup>6</sup> срабатываний
Зл-Н 0,01÷1,5
Таблица №2Сравнительные испытания герконов КЭМ-3
№ п/п
Вид покрытия, толщина, мкм
Rпер, Ом
Режимы испытаний
30 В,
20 В,
0,25 А,
0,5 А,
20 Гц
50 Гц
1.
По прототипу
Зл 0,5÷1,0Ру 1,0÷2,0
0,07÷0,09
1×10<sup>6</sup> срабатываний
4×10<sup>3</sup> срабатываний
2.
Предлагаемое (вариант 2)
Н-Мо 0,1÷10
0,07÷0,09
2×10<sup>6</sup> срабатываний
8×10<sup>3</sup> срабатываний
Зл 0,1÷2,0
Ру 0,1÷1,0
Таблица №3Сравнительные испытания герконов МКА-36201
№ п/п
Вид покрытия, толщина, мкм
Rпер, Ом
Режимы испытаний
36 В,
250 В,
3 А,
1 А,
5 Гц
5 Гц
1.
По прототипу
Мо 6÷9
0,06÷0,07
1×10<sup>4</sup> срабатываний
5×10<sup>4</sup> срабатываний
2.
Предлагаемое (вариант 2)
Н-Мо 0,1÷10
0,03÷0,07
1,6×10<sup>5</sup> срабатываний
1×10<sup>6</sup> срабатываний
Зл 0,1÷2,0
Ру 0,1÷1,0
Таблица №4Сравнительные испытания герконов. МКА-14103
№ п/п
Вид покрытия толщина, мкм
Rпер Ом
Режимы испытаний
5 мВ, 5 мкА, 100 Гц
50 В, 10 мА, 100 Гц
50 В, 50 мА, 50 Гц
100 В, 100 мА, 50 Гц
24 В, 0,4 А, 50 Гц
30 В, 0,5 А, 20 Гц
1.
По прототипу
М-Н 0,6 Зл 0,4 Ру 0,45
0,07÷0,09
1×10<sup>8 </sup>срабатываний
1×10<sup>8 </sup>срабатываний
5×10<sup>5 </sup>срабатываний
5×10<sup>5 </sup>срабатываний
5×10<sup>5 </sup>срабатываний
5×10<sup>3 </sup>срабатываний
2.
Предлагаемый (вариант 3)
Н-Мо 0,1÷10 Зл 0,1÷2,0 Ру 0,1÷1,0 Зл-Н 0,01÷1,5
0,07÷0,09
1×10<sup>8 </sup>срабатываний
1×10<sup>8 </sup>срабатываний
1,5×10<sup>6 </sup>срабатываний
1,8×10<sup>6 </sup>срабатываний
1×10<sup>6</sup> срабатываний
1×10<sup>4 </sup>срабатываний
Список литературы
1. Патент России на полезную модель №66109 H01H 1/66, H01H 1/02, опубл. 27.02.2007 г. бюл. №24
2. СЯO.360.020.ТУ, утв. 9.04.1997 г
3. Патент России на изобретение №2279149, H01H 1/02, опубл. 17.06.2006 г., бюл. №18.
4. Патент России на полезную модель №50714 H01H 1/66, Н01Н 1/02, опубл. 20.01.2006 г., бюл. №2.