ГРАДИЕНТНОЕ ЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ
GRADIENTAL PROTECTIVE COATING

Изобретение относится к области покрытий электрических контактов, например магнитоуправлемых контактов (герконов), микроэлектромеханических (МЭМС) коммутаторов, слаботочных и сильноточных контактов коммутационных приборов, электромагнитных реле, и может быть использовано для улучшения эксплуатационных свойств данных устройств, в частности повышения значений коммутируемой мощности и срока службы.
Коммутация электрического тока в приборах, основанных на прямом механическом контакте двух проводящих материалов. В области контакта в процессе замыкания-размыкания контактов возникают различные процессы микродуги, омический нагрев, вызывающиф эрозию контактной поверхности и увеличение контактного сопротивления. Увеличение контактного сопротивления вызывает еще больший нагрев контактирующих поверхностей. В этих условиях, особенно при большой плотности тока, причиной выхода контактов из строя, кроме поверхностной эрозии, является также отслоение (деламинация) покрытия от материала подложки. Основной причиной деламинации являются значительные термомеханические напряжения на границе подложка-покрытие, вызывающие выход коммутационного прибора из строя.
Для обеспечения долговечности коммутационных приборов используются покрытия контактирующих площадок благородными металлами Ru, Ro, сплавы золота [1-3]. В последние годы широкое распространение получили покрытия на основе электрохимических сплавов Co-W, W-Ni, Mo-Ni [4], имеющих характеристики, схожие с покрытиями на основе Ru, Ro и Pt, но имеющие существенно меньшую стоимость.
Однако, в большинстве случаев, использованием однослойного покрытия не удается достичь необходимых параметров электрического контакта, требуемой эрозионной стойкости, срока службы и надежности работы. Поэтому возникает необходимость в разработке покрытий с определенной структурой (многослойных и градиентных), обеспечивающих максимальную эрозионную стойкость и стойкость к отслоению в результате термомеханических напряжений между слоями.
Известно трехслойное защитное контактное покрытие магнитоуправляемых контактов структуры Ti-Mo-Ru [5], состоящее из слоя Ti толщиной 0,37-370 мкм, наносимого на контакт-деталь геркона, промежуточного слоя Мо толщиной 0,37-370 мкм и верхнего слоя Ru или металла (или сплава) платиновой группы 125-500 нм. В данном покрытии слой Ti выполняет роль выравнивающего покрытия, снижающего шероховатость поверхности контакт детали, слой Мо необходим для обеспечения стойкости покрытия к оплавлению и механической деформации, а слой Ru необходим для защиты от химической эрозии. К недостатку данного покрытия относятся высокая стоимость, обусловленная использованием дорогостоящего рутения. Кроме этого покрытие имеет высокое суммарное тепловое сопротивление вследствие низкой теплопроводности титана, что приводит к существенному разогреву поверхности контакта.
Известно двухслойное контактное покрытие [6], первый слой которого состоит из одного из металлов Ti, Zr, Hf, Nb, Tl и имеет толщину 1-20 мкм и внешний контактный слой толщиной 1-20 мкм на основе благородного металла или сплава благородного металла.
Известно двухслойное контактное покрытие [7], первый слой которого состоит из слоя нитрида титана TiN, толщиной 0,8-1,2 мкм, напыляемый непосредственно на подложку (Сu, Ni и их сплавы, W, Мо, сталь), а второй слой толщиной 80-360 нм имеет композитный состав TiN-Me, где Me - Au, Ag, Pd, Pt, Ru, Rh, Ro, при этом содержание благородного металла лежит в пределах 70-90%. Патент предполагает и градиентную структуру композитного слоя TiN-Me, в котором содержание благородного металла в слое увеличивается по мере приближения к поверхности контактного покрытия. Градиентный характер изменения содержания металла в слое обеспечивается стойкостью покрытия к отслоению. Недостатком является достаточно высокое переходное сопротивление контакта, обусловленное невысокой, по сравнению с металлами проводимостью нитрида титана.
Существует способ снижения контактного сопротивления [8], сущность которого состоит в использовании композитного покрытия на основе тугоплавкого металла (Мо, Zr, Nb, Hf, Та, W), в матрицу которого инкапсулированы частицы щелочных и щелочноземельных металлов (Li, K, Се, Cs, Ва, Sr, Са, Na, Y, La, Sc, Th, Rb) в процентом соотношении 0,1-5% по массе. Наночастицы щелочных и щелочноземельных металлов играют основную роль в токопрохождении, образуя токовые мостики с низким контактным сопротивлением. К числу недостатков метода относятся технологическая сложность изготовления такого композитного покрытия, снижение электрической прочности контакта за счет наличия высокоэмиссионных центров на поверхности, инициирующих развитие электрического пробоя, и быстрая деградащия покрытия в результате распыления щелочных и щелочноземельных металлов из зоны контакта.
Известны контактные покрытия со структурой Ag-(Ru, Ro, Pt) [9]. Первый слой покрытия, состоящий из серебра и имеющий толщину 0,5-5 мкм, выполняет функцию теплопроводящего слоя, а верхний слой, состоящий из металла платиновой группы и имеющий толщину 0,1-2 мкм - функцию обеспечения эрозионной защиты. Недостатком является невозможность применения покрытия в условиях значительных прижимных давлений, что характерно для коммутационных приборов с высокими значениями коммутируемых токов.
Общим недостатком данных многослойных контактных покрытий, в которых химический состав покрытия меняется скачком при переходе от слоя к слою являются значительные термомеханические напряжения на границах слоев.
При создании заявляемого изобретения решается задача значительного снижения термомеханических напряжений, возникающих на границе покрытие-подложка, которые являются основной причиной деламинации.
Сущность изобретения заключается в создании защитного градиентного покрытия электрических контактов на основе бинарного электролитического сплава W-Ni, обеспечивающего минимизацию внутренних термомеханических напряжений, высокую эрозионную стойкость покрытия и стойкость к отслоению.
На фиг. 1 представлена структура покрытия (поперечный разрез), где 1 - контактная поверхность, 2 - градиентное покрытие W-Ni, 3 - граница покрытие-подложка, 4 - подложка (Ni).
Решение указанной выше задачи достигается тем, что плавное изменение элементного состава покрытия по его толщине при условии, что химический состав покрытия эквивалентен химическому составу подложки и далее плавно изменяется в соответствии с линейной функцией, обеспечивает значительное уменьшение межслоевых напряжений на границе покрытие-подложка.
Термомеханический расчет и сопоставление зависимостей термомеханических напряжений вдоль оси для градиентной и однородной структуры покрытия показывает, что в случае однородного покрытия на границе подложка-покрытие наблюдаются значительные термомеханические напряжения, обусловленные разницей свойств материалов. В случае градиентной структуры покрытия с плавным увеличением содержания W в W-Ni электролитическом сплаве от 0% (на границе покрытие подложка) до 50% (у поверхности покрытия) термомеханических напряжений не наблюдается, что обеспечивает стойкость покрытия к отслоению. Кроме этого расчеты показывают, что изменение формы профиля градиента химического состава покрытия - линейный, смещенный к поверхности покрытия, смещенный к подложке показывает, что для форма градиента не оказывает существенного влияния на величину и распределение термомеханических напряжений внутри структуры покрытия.
Сущность обеспечения высокой стойкости защитного градиентного покрытия к отслоению заключается в том, что отсутствие выраженной границы между материалом и подложкой обеспечивает принципиально иной уровень стойкости покрытия к отслаиванию под воздействием механических нагрузок или термических напряжений. При использовании традиционных однокомпонентных или многослойных покрытий наибольшая энергия внутренних напряжений локализуется в узкой границе покрытие-подложка или межслоевых границах внутри покрытия и возникает процесс деламинации покрытия и нарушения его функциональных свойств. В градиентных покрытиях напряжения распределены по всей толщине градиентного перехода, что обеспечивает их высокую стойкость к отслоению.
Таким образом, предлагаемое градиентное защитное покрытие электрических контактов на основе бинарного электролитического сплава W-Ni за счет уменьшения межслоевых термомеханических напряжений обеспечивает высокую эрозионную стойкость и может быть использовано для увеличения срока службы и коммутируемой мощности коммутационных приборов на основе механического контакта - магнитоуправлемых контактов (герконов), микроэлектромеханических (МЭМС) коммутаторов, слаботочных и сильноточных контактов коммутационных приборов, электромагнитных реле.
ЛИТЕРАТУРА
1. Magnetically controlled mems switches with nanoscale contact coatings. Karabanov S.M., Karabanov, A.S., Suvorov D.V., Grappe В., Coutier C, Sibuet H., Sazhin B.N. (2012) IET Conference Publications 2012 (605 CP) * PP. 359-361.
2. Nanoscale ruthenium coatings of mems switches contacts. Karabanov S.M., Suvorov D.V., Sazhin B.N., Krutilin A.A., Karabanov A.S., Grappe В., Courier С, Sibuet H. Materials Research Society Symposium Proceedings 2010 MRS Spring Meeting, San Francisco, CA, 2010. P. 277-280.
3. С.М. Карабанов, О.Г. Локштанова, Электролитические покрытия магнитоуправляемых герметизированных контактов (герконов). Монография/под ред. д.т.н., профессора С.М. Карабанова - Рязань: ГУЛ РО Рязанская областная типография, 2011. - 246 с.: ил.
4. С.М. Карабанов, P.M. Майзельс, В.Н. Шоффа Магнитоуправляемые контакты (герконы) и изделия на их основе: Монография/под ред. д.т.н., профессора В.Н. Шоффы - Долгопрудный: Издательский дом "Интеллект", 2011. - 408 с.
5. Patent US 7564330 В2 - Reed switch contact coating.
6. Patent US 4129765 A - Electrical switching contact.
7. Patent US 4680438 - Laminated material for electrical contacts and method of manufacturing same.
8. Patent EP 0612085 A2 - Encapsulated contact material and process for producing the same.
9. Патент RU 2218627. Контактное покрытие для магнитоуправляемых герметизированных контактов и способ нанесения контактного покрытия.