СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЕРКОНА С АЗОТИРОВАННЫМИ КОНТАКТНЫМИ ПЛОЩАДКАМИ
METHOD OF MANUFACTURE OF REED SWITCH WITH NITROGEN CONTACT SITES

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электронной промышленности при изготовлении герметизированных магнитоуправляемых контактов (герконов).
Технический результат - снижение себестоимости геркона за счет замены сложного и дорогостоящего специального высокочастотного высоковольтного оборудования, применяемого для изготовления герконов, на более простое и дешевое серийно-выпускаемое низкочастотное низковольтное оборудование, а также, повышение качества и ресурса работы, за счет локализации азотируемых контактных площадок в области физического контакта при замыкании контакт-деталей.
Предлагаемый способ изготовления геркона позволяет с помощью более дешевого оборудования сформировать износостойкие контактные площадки из нитридов железа и никеля в поверхностной области контакт-деталей геркона непосредственно там, где при коммутации электрического тока происходит физический контакт деталей и эрозия поверхности контактов, что повышает эрозионную стойкость контактных поверхностей и, как следствие, наработку герконов на отказ.
Известен способ, используемый при изготовлении серийного геркона МКА-14103 с длиной стеклянного баллона 14 мм, изложенный в [1], который включает следующие операции.
Пермаллоевую проволоку подвергают очистке от консервирующей смазки в результате обезжиривания в ванне с горячим трихлорэтиленом и последующей ультразвуковой (УЗВ) очистке, после чего она поступает на автомат штамповки контакт-деталей геркона. После обезжиривания в ванне с перхлорэтиленом, сортировки и укладки в технологическую тару контакт-детали подвергают ультразвуковой (УЗВ) промывке в ванне с деионизованной водой и после осушки отжигают в печи в атмосфере водорода с формированием заданных магнитных параметров.
Технологический процесс нанесения на контакт-детали гальванического покрытия включает 17 переходов между различными операциями, в том числе экологически опасные: обезжиривание, декапирование в кислотном растворе, предзолочение, золочение, рутенирование. После УЗВ промывки и осушки в центрифуге контакт-детали поступают на заварку в стеклянный баллон, заполненный азотом.
Заваренные герконы после отжига стеклянного баллона и магнитострикционной тренировки поступают на химическое полирование выводов с последующим лужением и контролем электрических параметров.
Существенными недостатками данного способа являются: большой расход и потери драгоценных материалов, большая длительность изготовления, сложность и дороговизна оборудования, большие энергетические затраты, сложность осаждения сплава, заданного химического и фазового состава и заданной структуры, сложность получения тонких беспористых или толстых пленок с низкими внутренними напряжениями и с высокой адгезией к материалу контакт-детали.
Наиболее близким способом изготовления геркона является технологический процесс, описанный в патенте [RU 2393570, МПК Н01Н 1/66, Н01Н 11/04, опубл. 27.06.2010 г., бюл. №18] [2].
Известный способ изготовления геркона с азотированными контакт-деталями включает: очистку пермаллоевой проволоки, штамповку контакт-деталей, обезжиривание и промывку, магнитный отжиг, заварку геркона, ионно-плазменную обработку контакт-деталей искровыми разрядами, покрытие выводов и контроль электрических параметров.
Недостатком способа является высокая стоимость применяемого оборудования, недостаточная твердость контактных поверхностей и, как следствие - высокая себестоимость и недостаточно высокая эрозионная стойкость герконов.
Задачей предлагаемого изобретения является улучшение способа изготовления геркона за счет замены режима ионно-плазменного азотирования на новый технологический процесс, позволяющий заменить дорогостоящее, высокочастотное высоковольтное оборудование на более дешевое серийно-выпускаемое низкочастотное низковольтное оборудование, сформировать износостойкие контактные площадки из нитридов железа и никеля в поверхностной области контактных поверхностей геркона, непосредственно там, где, при коммутации электрического тока, происходит физический контакт деталей и эрозия поверхности контактов, что понижает себестоимость и повышает эрозионную стойкость контактных поверхностей и, как следствие - наработку герконов на отказ.
Задача решается тем, что предлагается способ изготовления геркона с азотированными контактными площадками, включающий очистку пермаллоевой проволоки, штамповку контакт-деталей, обезжиривание и промывку, магнитный отжиг, заварку геркона с поддувом азота и отжиг геркона, покрытие выводов, ионно-плазменную обработку геркона и контроль электрических параметров, отличающийся тем, что ионно-плазменную обработку проводят в условиях воздействия на контакт-детали геркона переменных магнитного и электрического полей, вызывающих периодическое замыкание-размыкание контакт-деталей с частотой 200-1000 Гц, протекание-разрыв электрического тока через геркон под действием приложенного к его контакт-деталям напряжения 100-250 В, переменного тока 10-250 мА с частотой смены полярности 50 Гц в течении 0,25-60 мин.
Предлагаемый режим ионно-плазменной обработки (ИПО) приводит, при сближении контакт-деталей, к искровому пробою межконтактного промежутка и к микровзрывам материалов контакт-деталей, а при их размыкании (разрыве тока), к микровзрыву расплавленного мостика, возникающего при расплавлении области стягивания тока между контакт-деталями геркона, ионизации межконтактной среды (азота), массопереносу вещества, образовавшегося при микровзрывах, в плазменной, паровой и жидкой фазах с одной контакт-детали (анода) на другую (катод) в среде азотной плазмы и, в результате, к электроискровому легированию азотом (азотированию) поверхности контакт-деталей геркона.
Таким образом, в предлагаемом способе изготовления геркона с азотированными контактными площадками процесс азотирования поверхности контакт-деталей геркона осуществляется за счет электрической эрозии и переноса на катод материала анода в среде азотной плазмы.
Заявляемые электрические параметры режима ИПО являются необходимыми условиями электроискрового легирования азотом контактных поверхностей геркона. Выбор значений параметров режима ИПО контакт-деталей зависит от состава и давления рабочего газа, от размера межконтактного зазора и напряжения пробоя.
Переменное напряжение 100-250 В, подаваемое на контакты геркона с частотой смены полярности 50 Гц и током 10-200 мА, коммутируемое с частотой 200-1000 Гц, обеспечивает формирование азотированных контактных площадок на поверхности контакт-деталей геркона за рациональный период времени 0,25-60 мин и не требует какого либо сложного оборудования, достаточно только обычного латора переменного напряжения, стандартной катушки и генератора (фиг. 1).
При напряжениях меньше 100 В, когда искровой пробой происходит на расстоянии сравнимым с длиной свободного пробега электронов, ионизация межконтактного промежутка не происходит, в нем отсутствуют ионы и атомы азота и поэтому азотирование контактных поверхностей не происходит.
Верхняя граница подаваемого напряжения ограничена величиной напряжения пробоя геркона, в наиболее распространенных типах герконов оно не превышает 280-300 В.
Нижняя граница коммутируемого переменного тока 10 мА ограничена допустимым временем ИПО. Чем меньше ток, тем больше времени занимает процесс азотирования.
С увеличением тока время обработки уменьшается, но растет температура контакт-деталей, и при токах более 250 мА происходит размягчение стекла в месте спая с контакт-деталями, и наступает разгерметизация геркона.
Верхний предел частоты коммутации с одной стороны не должен превышать резонансную частоту геркона, а с другой - должен обеспечивать физический контакт деталей при замыкании. Поэтому в соответствии с этими требованиями его значение не превышает 1000 Гц.
С уменьшением частоты коммутации увеличивается время ИПО. При частотах коммутации менее 200 Гц продолжительность процесса азотирования существенно увеличивается и превышает 60 мин.
Поэтому определение рационального режима ИПО - это всегда поиск компромисса между задаваемыми величинами параметров режима ИПО.
6
Критерием выбора электрических параметров режима обработки является обеспечение стабильно низкого по величине сопротивления геркона после ИПО и коммутации цепей постоянного тока (коммутационных испытаний - КИ) с наработкой без отказа не менее 10 срабатываний.
Совокупность отличительных признаков, заключающихся в создании условий для электрической эрозии поверхности контактов геркона и переноса на катод материала анода в среде азотной плазмы, приводит к формированию азотированных контактных площадок и к достижению нового технического результата.
Способ осуществляется следующим образом.
Контакт-детали серийно выпускаемого геркона, например, МКА-14103, изготовленные из железоникелевого сплава «Дилатон 52» и не имеющие Au-Ru контактных покрытий, после магнитного отжига заваривают в стеклянный баллон в атмосфере азота. После отжига и нанесения покрытия на выводы геркон устанавливают в управляющую катушку установки ИПО, упрощенная схема которой изображена на фиг. 1
Фиг. 1. Упрощенная схема экспериментальной установки для ИПО и КИ герконов: PS - источник коммутируемого тока (переменного при ИПО, постоянного при КИ), R - резистор, С - паразитная емкость, V - геркон, L -управляющая катушка, G - генератор.
Геркон V, размещенный в стандартной управляющей катушке L (число витков 5000, сопротивление 870 Ом), при проведении ИПО соединяют с источником переменного, а при КИ - с источником постоянного тока PS через сопротивление R. На катушку от генератора G при ИПО подается синусоидальное напряжение с частотой 400 Гц, а при КИ, подается меандр прямоугольных импульсов напряжения длительностью 2 мс и частотой 50 Гц. Замыкание контактов герконов при ИПО и КИ происходит под действием магнитодвижущей силы 1,5 Fcp.
Структура и элементный состав поверхности образцов исследованы методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и рентгеноспектрального микроанализа (РСМА).
Измерения электрического сопротивления (R), напряжения пробоя (U), магнитодвижущих сил срабатывания (Fcp) и отпускания (Foт), а также коммутационные испытания (КИ) герконов проводились с помощью специализированного оборудования и по методикам, применяемых в [1].
При ИПО на контакты герконов подавалось переменное напряжение 220 В - 50 Гц, а коммутируемый ток (I) достигал 95 мА. Продолжительность обработки - 20 мин.
Полученные РЭМ-изображения и РСМА-спектр участка поверхности контакта геркона после его ИПО в режиме I=95 мА, при ν=400 Гц (фиг. 2 - 4) показали, что в результате ИПО на поверхности контакта сформировались две контактные площадки (КП) площадью 79446,297 и 20943,146 мкм (фиг. 2), на поверхности которых хаотически расположены микрократеры диаметром 2,4-3,6 мкм (фиг. 3.) При этом концентрация азота в приповерхностном слое КП, составила 8,1 ат. % (фиг. 4).
Фиг. 2. РЭМ - изображение участка поверхности контакт-детали геркона, изготовленного по заявленному способу, с двумя азотированными контактными площадками площадью 79446,297 и 20943,146 мкм.
Фиг. 3. Участок поверхности контактной площадки, изображенной на фиг. 2 с площадью 79446,297 мкм.
Фиг. 4. РСМА - спектр участка поверхности контактной площадки, изображенной на фиг. 3
Измерения R и U проводились до и после ИПО.
Исходные значения (до ИПО) электрофизических параметров геркона составили: R=0,15 - 0,2 Ом (при норме R ≤0,1 Ом для серийных приборов МКА-14103), U=285 В.
Проведенные измерения сопротивления и напряжения пробоя данного геркона показали, что величины значений данных параметров в результате проведенной ИПО имеют тенденцию к уменьшению до R=0,08 Ом (R соответствует норме) и до U=265 В (U уменьшилось на AU=20 В).
Количество азота N в приповерхностном слое КП и толщину азотированного слоя (t) можно оценить по формулам:
A
N=(pShNn)/A (1);
3
N=St/a, (2);
3
A
t=(pahNn)/A (3),
где ρ, A, h - плотность, атомный вес железа, h=0,5 мкм - глубина выхода рентгеновского сигнала из железа, рассчитанная методом Монте-Карло с помощью программного обеспечения энергодисперсионного микроанализатора INCA Х-МАХ 20;
а=3,8  - постоянная решетки сплава внедрения,
A
N - число Авогадро;
S, n - экспериментальные данные, полученные в результате проведенных РЭМ и РСМА исследований;
S - площадь контактной площадки;
n - относительная концентрация азота в приповерхностном слое, усредненная по глубине выхода рентгеновского РСМА - сигнала.
2
14
Расчеты, проведенные по формулам (1) и (3) с учетом результатов РЭМ и РСМА исследования поверхности контактов показали, что при ИПО герконов, обработанных по режиму 220 В - 95 мА- 50 Гц с частотой коммутации 400 Гц, на поверхности контактов, в зоне их перекрытия формируется, например, КП площадью 79446,297 мкм, с толщиной азотированного слоя приблизительно 149 нм, в котором содержится 2,57⋅10атомов азота.
Следовательно, искровой пробой, происходящий при сближении контактов, и массоперенос части вещества материала контактов с одного контакта на другой, периодическая смена направления переноса создают необходимые условия для ионизация и атомизации молекулярного азота и формирования азотированных контактных площадок на поверхности контакт-деталей геркона.
При размыкании контактов азотирование поверхности контактов продолжается.
Процесс размыкания контактов состоит из трех стадий, отличающихся одна от другой механизмом проводимости тока.
Первая стадия размыкания начинается с момента начала движения контактов. Еще не происходит разделения электродов, а уже наблюдается снятие деформации в контактной зоне, уменьшение твердой токопроводящей поверхности, увеличение плотности тока в области стягивания тока и повышение температуры контактных элементов вплоть до значения, равного температуре плавления. Затем начинается вторая стадия размыкания контактов, на которой проводимость тока осуществляется жидким металлическим мостиком, образующимся из капли расплавленного металла между контакт-деталями при их раздвижении. Когда температура в наиболее нагретой точке мостика становится равной температуре кипения металла, происходит его взрыв и наступает третья стадия. В этой стадии происходит ионизация межэлектродной среды, она становится токопроводящей и между контактами зажигается электрическая искра или дуга, с последующим ее гашением при раздвижении контактов геркона.
Эти процессы и происходящий при этом массоперенос части вещества материала контактов с одного контакта на другой так же, как и при сближении контактов, создают необходимые условия для ионизации и атомизации молекулярного азота и формирования азотированных контактных площадок на поверхности контакт-деталей геркона.
Таким образом, изготавливаются герконы по предлагаемому способу.
После проведения ионно-плазменной обработки герконы автоматически выгружают и передают по маршруту на следующую технологическую операцию.
Были проведены сравнительные испытания герконов, изготовленных по заявленному способу и прототипу [2], при коммутации постоянного тока на активную нагрузку.
КИ герконов после ИПО проходили на холостом ходу (без токовой нагрузки, режим КИ №3) и в процессе коммутации ими постоянного электрического тока с активной нагрузкой (режим КИ №4, 5) на установке, упрощенная схема которой представлена на фиг.1.
6
В режимах №4, 5 на контакты герконов подавалось постоянное напряжение 24 и 100 В и коммутировался ток величиной 400 и 100 мА соответственно. Во всех трех режимах КИ частота коммутации соответствовала 50 Гц. Общая безотказная наработка герконов, изготовленных по заявленному способу в режимах №3, 4 и 5 составила более 10 срабатываний и превысила примерно на 20% наработку герконов изготовленных согласно прототипу [2].
Выдержавшими испытания считаются герконы, у которых процессы эрозии и массопереноса не привели к неразмыканию контактов или к их свариванию и сопротивление, которых не превысило норму 0,1 Ом.
Динамика массопереноса, процессы эрозии поверхности, происходящие при коммутации тока, обсуждаются в [3, 4] с позиций эктонной модели.
8
2
8
4
6
8
M
i
e
e
i
В стадии пробоя, при сближении контактов в герконе течет ток автоэлектронной и автотермоэлектронной эмиссий (АЭЭ и АТЭЭ). Затем, за счет достижения пороговой плотности тока j≈10 А/см на остриях, начинается искровая стадия разряда. В ней, из-за большого усиления поля (Е≈10 В/см) на микронеоднородностях катода, происходит взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ). Возникают электрические взрывы металла катода. Образуется несколько состояний вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Капли жидкого металла разлетаются со скоростью v≈10 см/с. Катодный плазменный факел движется к аноду со скоростью V≈10 см/с [3, 4]. Ток ВЭЭ течет в виде порций - эктонов (пакета электронов), которые в катодном факеле имеют нулевую работу выхода и инжектируются из него полем по направлению анода. Скорость электронов v, покидающих катодный факел, приблизительно равна 10 см/с, т.е. v» V [3, 4].
e
8
10
12
Таким образом, в стадии искры происходит ВЭЭ и между катодной плазмой и анодом течет электронный ток в виде порции (пачки) электронов - эктона. Время образования эктона t≈10 с. Оно ограничено процессом охлаждения катодного кратера вследствие теплоотвода, выброса расплавленного металла и уменьшения плотности тока. Количество электронов в эктоне Ne≈10-10 [3, 4].
При образовании искры температура в зоне пробойного канала достигает 10000°С. Локализация энергии катодного эктона (искрового разряда) в микрообъеме поверхности анода приводит к его взрыву в результате которого образуются несколько состояний вещества: твердое, жидкое, газообразное, плазменное и кратер на месте взрыва. Анодный кратер превосходит катодный по размерам, так как электроны из анодного факела возвращаются на анод, нагревая его дополнительно, а анодные ионы, компенсируя объемный заряд пучка электронов ВЭЭ, увеличивают ток этого пучка, что приводит к еще большему разогреву анода. В результате такого разогрева анода, при одинаковых материалах электродов, происходит полярный порционный массоперенос с анода на катод. Анодный плазменный факел, пары и капли материала анода движутся навстречу катодному факелу, парам и каплям материала катода. В результате, на поверхности катода образуются один или несколько выступов, состоящих из огромного количества, приблизительно одинаковых по геометрическим размерам и форме блюдцеобразных дисков (фиг. 5а), а на аноде такое же количество мелких кратеров (фиг. 5b), расположенных на внутренней поверхности впадин, из материала которых, в основном, образованы, в результате полярного массопереноса, выступы на катоде.
Фиг. 5. АСМ - вид сверху: а - анодного кратера, b - катодного диска. Режим коммутации постоянного тока: 24 В - 400 мА- 50 Гц.
После замыкания контактов возникает сила, которая может привести к их отскоку. Эта сила обусловлена упругостью контактных пружин и высоким давлением паров и плазмы металла в результате микровзрывов в местах контактных зон.
При размыкании тока из-за неровности поверхности расхождение контактов происходит неодновременно. Через отдельные пятна будет протекать весь ток в цепи. Поэтому область стягивания тока расплавляется и образуется расплавленный металлический мостик, который, взрываясь в области перетяжки образует эктон, что приводит к эрозии поверхности контактов по тому же механизму, как и при их замыкании [4].
Взрыв металлических мостиков, образующихся в процессе дребезга контактов, так же может инициировать ВЭЭ с образованием эктона.
Таким образом, основная роль мостика при размыкании контактов в образовании эктона в момент взрыва перешейка. Эктон, в последствие, ударяясь об анод и образуя на нем микрократер, запускает эрозионный процесс массопереноса материала анода на катод [3, 4].
На стадиях ударного воздействия эктона на поверхность анода могут протекать следующие процессы плавление материала поверхностного слоя, нагревание образцов за счет теплопроводности, образование газопламенного облака, формирование и распространение ударных волн, кратерообразование в поверхностных слоях анода, удаление с поверхности загрязнений; перераспределение элементов в перекристаллизированной зоне, фазообразование в условиях высокоскоростной кристаллизации, увеличение плотности вакансий и дислокаций.
Совокупность этих процессов и определяет состояние поверхности анодного кратера и катодных дисков после электронной обработки анода.
Источники информации
1. Карабанов С.М., Майзельс P.M., Шоффа В.Н. // Магнитоуправляемые контакты (герконы) и изделия на их основе. Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2011. - 408 с.
2. Патент РФ №2393570. Способ изготовления герконов с азотированными контакт-деталями / Карабанов С.М., Майзельс P.M., Арушанов К.А., Зельцер И.А., Провоторов B.C., опубл. 27.06.2010 г. Бюл. №18.
3. Zeltser I.A., Karpov A.S., Moos E.N., Rybin N.B., Tolstoguzov A.B. Surface Erosion of Low-Current Reed Switches. //Coatings. 2017. 7, no. 6: 75.
4. Месяц Г.А. Эктон - лавина электронов из металла // УФН. 1995. Т. 165. №6. С 601.