СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЕРКОНА С КОНТРОЛИРУЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ АЗОТИРУЕМОГО СЛОЯ
METHOD TO MANUFACTURE MAGNETICALLY OPERATED SEALED SWITCH WITH CONTROLLED PARAMETERS OF AZOTISED LAYER

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электронной промышленности при изготовлении герметизированных магнитоуправляемых контактов (герконов).
Технический результат - повышение выхода и качества годных герконов при снижении их себестоимости.
Предлагаемый способ изготовления геркона позволяет сформировать износостойкие микро-наноструктуры из нитридов железа и никеля с контролируемыми параметрами азотируемого слоя, что позволяет повысить выход годных изделий и тем самым снизить производственные затраты.
Известен способ, используемый при изготовлении серийного геркона МКА-14103 с длиной стеклянного баллона 14 мм согласно СЯ 4.830.031-01 МК, 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) очистки, 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 УЗВ промывке в ванне с деионизованной водой и после осушки отжигают в печи с поддувом азота или 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.
Однако существующий способ изготовления серийно выпускаемых герконов имеет следующие недостатки:
- высокая трудоемкость, сложность и нестабильность процесса гальванического нанесения контактного покрытия;
- высокая стоимость используемых драгоценных металлов;
- большой расход и невозвратные потери драгоценных металлов;
- большая длительность осаждения покрытия;
- сложность осаждения сплава заданного химического и фазового состава и заданной структуры;
- сложность получения тонких беспористых пленок с низким внутренним напряжением и с высокой адгезией к материалу контакт-детали;
- сложность и дороговизна оборудования;
- большие энергетические затраты;
- наличие экологически опасных технологических операций;
- недостаточно хорошие санитарно-гигиенические условия труда.
Наиболее близким способом является технологический процесс, описанный в патенте РФ №2393570, кл. МПК H01H 1/66, H01H 11/04 (2006.01.) опубл. 27.06.2010 г., Бюл. №18.
Способ изготовления геркона с азотированными контакт-деталями включает очистку пермаллоевой проволоки, штамповку контакт-деталей, обезжиривание и промывку, магнитный отжиг, заварку геркона, азотирование контакт-деталей импульсными разрядами, покрытие выводов и контроль электрических параметров.
Недостатком способа является отсутствие возможности неразрушающего контроля толщины азотируемого слоя, формируемого в приповерхностной области контакт-деталей геркона, от величины которой зависят эксплуатационные технические характеристики герконов (сопротивление контакта, количество срабатываний, максимальный коммутируемый ток и напряжение, мощность, наработка на отказ) и процент выхода годных изделий.
Задачей предлагаемого изобретения является улучшение способа изготовления геркона за счет введения неразрушающего контроля толщины азотируемого слоя на основе измерения напряжения пробоя до и после проведения операции азотирования приповерхностной области контакт-деталей геркона.
Поставленная задача решается тем, что предлагается способ изготовления геркона с контролируемыми параметрами азотируемого слоя контакт-деталей, включающий очистку пермаллоевой проволоки, штамповку контакт-деталей, обезжиривание и промывку, магнитный отжиг, заварку геркона, покрытие выводов, контроль электрических параметров и ионно-импульсное азотирование контакт-деталей, отличается тем, что до начала азотирования и после азотирования контакт-деталей производят измерение напряжения пробоя геркона и контролируют толщину азотированного слоя, определяемую по формуле:
t=C(Uo-Ua)/Uo,
3
где С=NaVгPoToa/VaPa Тк S - константа для данного типа герконов,
Na - число Авогадро,
Vг - объем газа в герконе (внутренний объем баллона геркона),
Va=22,4 л - молярный объем газа,
Ро - давление газа в герконе после заварки,
Ра=760 мм рт.ст. - атмосферное давление,
а - постоянная решетки сплава внедрения,
S - площадь азотируемой поверхности контакт-детали (площадь перекрытия),
Uo - напряжение пробоя до обработки,
Ua - напряжение пробоя после обработки,
То=273 K, (0°C),
Тк=293 K, (20°C), температура геркона при измерении напряжения пробоя.
Ионно-плазменное азотирование поверхности контакт-деталей геркона происходит непосредственно внутри герметизированного баллона геркона, заполненного азотом, парциальное давление которого согласно закону сохранения материи должно уменьшиться, так как часть атомов газообразного азота при такой обработке будет диффундировать в приповерхностную область контакт-деталей с образованием нитридов железа и никеля. При этом согласно закону Пашена [3, 4] должно измениться напряжение пробоя. Не сложно показать, что в этом случае толщина азотируемого слоя может быть оценена по формуле:
Выражение (1) может быть легко получено в приближении
где Uпр - напряжение пробоя газа, Р - давление газа, d - межэлектродный зазор, κ - коэффициент пропорциональности. Это приближение с высокой долей вероятности выполняется на линейном участке правой ветви кривой Пашена [3, 4]. Экспериментально установлено, что напряжения пробоя герконов до и после обработки не выходят за пределы линейного участка правой ветви кривой Пашена (Таблица 1).
Согласно закону Авогадро: один моль любого газа при одинаковых условиях занимает одинаковый объем. В частности, при нормальных условиях, т.е. при 0°C (273 K) и 101,3 кПа, объем 1 моля газа равен 22,4 л. Этот объем называют молярным объемом газа Va. Пересчитать эту величину на другие температуру Тк и давление Ро можно с помощью уравнения Менделеева-Клапейрона:
Тогда, с учетом (2), количество молекул азота в объеме геркона при Р=Ро, Т=Тк
При ионно-плазменной обработке контакт-деталей геркона происходит диффузионное насыщение приповерхностных слоев контакт-деталей в области их перекрытия ионами азота с образование нитридных зон [2, 5-7]. При этом согласно закону сохранения материи количество молекул азота, находящегося в газообразном состоянии в герконе, с учетом (2) уменьшится пропорционально уменьшению напряжению пробоя и тогда доля молекул азота (от общего их числа в герконе), расходуемых на азотирование 1-й контакт-детали, будет равна
Тогда количество атомов азота в азотируемом слое контакт детали будет
или
Количество слоев атомов азота в приповерхностной области контакт-детали будет соответственно
Тогда толщина азотированного слоя
или
где
Совокупность отличительных признаков, заключающихся в проведении неразрушающего контроля толщины азотируемого слоя контактирующих поверхностей контакт-деталей каждого изготовляемого геркона, приводит к достижению нового технического результата - повышению процента выхода годных изделий и уровня качества герконов при снижении их себестоимости.
Способ осуществляется следующим образом.
Контакт-детали от серийно выпускаемого геркона, например МКА-14103, после магнитного отжига заваривают в стеклянном баллоне в атмосфере азота. После нанесения покрытия на выводы измеряют напряжение пробоя, проводят ионно-плазменную обработку, после которой повторно измеряют напряжение пробоя (Таблица 1) и определяют толщину азотируемого слоя по формуле (1), Таблица 1. Измерения напряжений пробоя проводят в соответствии с ГОСТ 25810-83 (СТСЭВ 3189-81).
Значение толщины азотированного слоя, полученное расчетным путем (для времени обработки τ=30с - t=86.9 нм) по формуле (1), согласуется со значением толщины азотированного слоя, измеренного методом послойного Оже-спектрального анализа контакт-деталей геркона после проведения ионно-плазменной обработки [6-7].
Предлагаемая совокупность отличительных признаков позволяет добиться нового положительного эффекта. Контроль толщины азотированного слоя согласно предлагаемому способу обеспечивает повышение выхода годных изделий, повышение уровня качества герконов при снижении их себестоимости.
Таблица 1
№ п/п
Наименование
Обозначение, размерность
Значение параметра
1
Число Авогадро
Na, моль<sup>-1</sup>
6·10<sup>23</sup>
2
Объем газа в герконе (внутренний объем баллона геркона)
Vг, м<sup>3</sup>
29,6·10<sup>-9</sup>
3
Давление газа в герконе после заварки
Ро, мм рт.ст.
280
4
Температура
То, К
273
5
Постоянная решетки сплава внедрения
а, Å
3.8 [8]
6
Молярный объем газа
Va, м<sup>3</sup>
22.4·10<sup>3</sup>
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, м<sup>2</sup>
0.34·10<sup>-6</sup>
10
Константа для данного типа герконов
С, м
3.0414·10<sup>-6</sup>
11
Напряжение пробоя до обработки
Uo, B
280
12
Напряжение пробоя после обработки
Ua, B
200
13
Толщина азотированного слоя
t, нм
869
14
Продолжительность обработки
τ, с
3000
Источники информации
1. Р.М.Майзельс. Герконы. Перспективы применения. Новые разработки «ОАО РЗМКП» «Магнитоуправляемые контакты (герконы) и изделия на их основе». Сборник трудов первой международной научно-практической конференции. Рязань, Россия, 11-14 октября 2005 г., стр.3-14.
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. Мик Дж. и Крэкс Дж. Электрический пробой в газах. - М.: Иностранная литература, 1960. - 605 с.
4. Д.Р.Актон, Д.Д.Свифт. Газоразрядные приборы с холодным катодом. - М.: Энергия, 1965. - 480 с.
5. Зельцер И.А., Карабанов С.М., Майзельс P.M., Саблин В.А. Исследование и разработка методов модификации поверхности герметизированных магнитоуправляемых контактов // Сборник трудов второй международной научно-практической конференции «Магнитоуправляемые контакты (герконы) и изделия на их основе», под ред. С.М.Карабанова. - Рязань: Полиграф, 2009. - С.184-207.
6. Зельцер И.А., С.М. Карабанов, Кузнецов А.А., Майзельс P.M., Саблин В.А., Черняк Е.Я. Исследование ионно-плазменной модификации железо-никелевых герметизированных магнитоуправляемых контактов методом электронной оже-спектроскопии // Сборник трудов второй международной научно-практической конференции «Магнитоуправляемые контакты (герконы) и изделия на их основе», под ред. С.М.Карабанова. - Рязань: Полиграф, 2009. - С.178-183.
7. Карабанов С.М. Наноструктурированные контактные покрытия // Альманах «Деловая слава России», 2010, №4, С.25-27.
8. Гольдшмидт X.Дж. Сплавы внедрения. - М.: Мир, 1971, вып.1. - 424 с.