КОНТАКТНОЕ ПОКРЫТИЕ МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫХ КОНТАКТОВ Российский патент 2006 года по МПК H01H1/02 H01H1/66 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к нанесению контактного покрытия на рабочие части контакт-деталей магнитоуправляемых герметизированных контактов (герконов) различного вида и назначения.

Наиболее широко известным и применяемым покрытием, как в отечественном производстве герконов, так и за рубежом является рутениевое покрытие с подслоем золота [1].

В зависимости от конструкции геркона и его назначения толщины золотого и рутениевого слоев варьируются.

Основную антиэрозионную нагрузку в герконе несет рутениевое покрытие. Толщина его обычно находится в диапазоне 0,1÷1,5 мкм (нижний предел толщины ограничен способностью рутениевого покрытия прокрыть всю поверхность, а верхний предел - опасностью получения микротрещин в покрытии при большей толщине).

Роль золотого подслоя многофункциональна.

Прежде всего, золотой подслой обеспечивает хорошее сцепление рутения с нижележащими слоями покрытия, в том числе и с пермаллоем.

От качества и толщины золотого подслоя зависит пористость и напряженность последующего слоя - рутения. От этого также зависит способность золотого подслоя предотвратить подтравливание основы - пермаллоя в процессе электролиза и загрязнения рутениевого электролита примесями железа и никеля.

Наиболее важную роль играет золотой подслой в качестве антидиффузионного барьера при термовоздействиях: заварке и отжигах герконов. Основную опасность для поддержания работоспособности геркона представляет диффузия при нагреве элементов пермаллоя: железа и никеля в рабочую зону геркона, тем самым, повышая значение переходного электросопротивления и ухудшая его стабильность. Чтобы быть антидиффузионным барьером, толщина золотого слоя должна быть достаточно высокой, что не является желательным и обоснованным ни с технической точки зрения, ни с экономической.

Кроме того, за счет увеличения толщины золота зачастую решаются вопросы изменения некоторых параметров герконов, таких как AW (ампер-витки) и Кв (коэффициент возврата), увеличивая тем самым толщину немагнитной прослойки в покрытии.

Во всех случаях повышение толщины золотого слоя значительно удорожает изделие.

Поскольку контактное покрытие несет немалую ответственность за поддержание работоспособности геркона в течение всего срока его эксплуатации, то строение и свойства его должны быть таковы, чтобы гарантировалось сохранение низкого уровня переходного сопротивления.

Многолетний опыт изучения причин отказов герконов при работе и в процессе испытаний показал, что в большинстве случаев рост переходного сопротивления, его нестабильность и в конечном итоге эрозия покрытия происходят в тех случаях, когда на поверхности контактных пружин в зоне контактирования за счет диффузии выходит железо или его соединения. Золотой подслой даже при максимальных толщинах, которые позволяет конструкция герконов, не является достаточно надежным антидиффузионным барьером, способным исключить выход на поверхность контакт-деталей железа, что снижает срок службы геркона.

Из литературных источников [2] известно, что в качестве подслоя под рутениевое покрытие могут быть использованы: серебро, палладий, никель и сплав серебро-палладий. Однако, они по ряду своих свойств уступают золоту: серебро склонно к потемнению, никель не может быть немагнитной прослойкой, палладий по стоимости на уровне золота.

Исходя из приведенных в литературе сведений [3], большой интерес в качестве диффузионного барьера под золотое и рутениевое покрытие представляет медь, так как взаимная растворимость меди в железе и наоборот весьма ограничена. Диффузия железа в меди при 750°С составляет 2,082·10^-13 см²/мм. К тому же она обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью.

Однако из-за ряда отрицательных качеств (недостаточная, по сравнению с золотом коррозионная стойкость, плохая сцепляемость с пермаллоем, вредная примесь для рутениевых электролитов) в данном конкретном случае медь не может быть использована в качестве антидиффузионного барьера.

Наибольший интерес в качестве антидиффузионного барьера и хотя бы частичной замены золота в контактном покрытии геркона является покрытие электролитическим сплавом медь-никель. Медно-никелевые сплавы известны, в зависимости от состава, под названием монель-металл, мельхиор [4-5].

По диаграмме состояния [6] медно-никелевый сплав представляет собой непрерывный ряд твердых растворов. Этим и объясняются его хорошие коррозионная и химическая стойкость, которые выше, чем у никеля и меди в отдельности.

Медно-никелевые сплавы хорошо противостоят окислению при повышенных температурах (до 750°С) и сохраняют высокую механическую прочность до 500°С.

Из литературы [7] известна технология нанесения медно-никелевого сплава из пирофосфатного электролита. Она не представляет большой сложности для освоения и дальнейшего использования.

Подслой медно-никелевого сплава наносится непосредственно на пермаллой, обеспечивая хорошее сцепление с основой и последующими слоями золота и рутения.

Микротвердость электролитического сплава медь-никель с увеличением содержания никеля до 55% (мас.) монотонно возрастает от 134 до 400 кГс/мм², после чего снижается до 244 кГс/мм².

В литературных источниках нет сведений об использовании медно-никелевых сплавов в качестве антидиффузионного барьера и взамен золота в контактных покрытиях герконов. Однако по своему фазовому составу (твердый раствор) и физико-химическим свойствам это покрытие является антидиффузионным барьером в герконе, а по высоким антикоррозионным свойствам служит частичной заменой золоту в качестве подслоя.

Кроме того, медно-никелевый сплав частично заменяет золото в тех случаях, когда за счет увеличения толщины золотого подслоя решаются проблемы увеличения толщины немагнитной прослойки для создания требуемых характеристик геркона.

Таким образом, благодаря использованию медно-никелевого подслоя под золотое и рутениевое покрытие в герконе:

1 - улучшилась работоспособность геркона;

2 - уменьшился расход золота.

Требовалось установить соотношение толщин трех слоев покрытия:

- медно-никелевого;

- золотого;

- рутениевого.

Для решения поставленной задачи нужно было создать такую конструкцию покрытия, которая позволила бы сразу решить все проблемы, а именно, обеспечить низкое и стабильное переходное электросопротивление, высокую износостойкость геркона и быть недорогостоящим.

Такая конструкция покрытия была реализована путем последовательного электроосаждения слоев медно-никелевого сплава, золота и рутения.

Предложено:

Контактное покрытие магнитоуправляемых контактов, включающее золото и рутений, отличающееся тем, что покрытие состоит из сплава медь-никель, полученного электроосаждением, толщиной 0,1÷10 мкм, слоя золота толщиной 0,05÷2,0 мкм и слоя рутения толщиной 0,1÷1,5 мкм.

Предложенное контактное покрытие направлено на решение задачи повышения эрозионной стойкости герконов и уменьшения их стоимости за счет частичной замены золота на менее дорогостоящий сплав медь-никель.

Поставленная задача достигается тем, что на контакт-детали герконов наносят трехслойное гальваническое покрытие, осаждаемое из любого, подходящего для данного конкретного случая электролита.

1 слой - сплав медь-никель толщиной 0,1÷10 мкм. Во всем интервале состава сплав одинаково эрозионно устойчив, толщина для каждого типа геркона определяется экспериментально в пределах указанного интервала.

2 слой - золото толщиной 0,05÷2,0 мкм. Толщина для каждого типа геркона определяется экспериментально в пределах указанного интервала.

3 слой - рутений толщиной 0,1÷1,5 мкм. Толщина для каждого типа геркона определяется экспериментально в пределах указанного интервала.

Предложенное контактное покрытие было реализовано на примере герконов МКА - 14103.

В качестве прототипа представлено покрытие: рутений с подслоем золота [1] используемое в промышленном производстве герконов.

Все изготовленные герконы с предлагаемыми покрытиями были испытаны в 5 режимах.

Результаты представлены в таблице.

Учитывалось количество срабатываний (срок службы геркона) и значение переходного электросопротивления в процессе испытаний в заданных режимах.

Как показали результаты испытаний, работоспособность герконов с предлагаемым покрытием сплавом медь-никель, золото и рутений гораздо выше, чем у герконов с покрытием золото и рутений. При этом они обладают низким и стабильным переходным электросопротивлением (среднее значение R пер.=0,07÷0,08 Ом).

Источники информации

1. Авторское свидетельство SU №1568095 А1, Н 01 Н 1/02, 1/66, опубл. 30.05.1990 г.,бюл. №20.

2. Galvanotechnik D-88348 Bad Saulgau g 1 (2000) Haft Nr 4.

3. Технический отчет №43/30-71 по опытно-конструкторской работе. Предприятие п/я В-8754. Разработка высокочастотного магнитоуправляемого контакта, тема «Цирконий I», 1971 стр.7, стр.28.

4. И.Я.Климов. Коррозия химической аппаратуры и коррозионностойкие материалы. М., Машгиз, 1960, стр.228.

5. Г.Т.Бахвалов, А.В.Турковская. Коррозия и защита металлов, Металлургиздат, 1959 г., стр.69, стр.74-75.

6. М.Хансен, К.Андерко. Структуры двойных сплавов. т.I и II, М., Государственное техническое издательство по черной и цветной металлургии, 1962 г.

7. П.М.Вячеславов. Электролитическое осаждение сплавов. Л., Машиностроение, 1971 г., стр.29.

Таблица.
Сравнительные испытания герконов№ п/п Вид покрытия, толщинаR пер., ОмРежимы испытаний5 В; 0,01 А; 100 Гц10 В; 0,01 А; 50 Гц24 В; 0,4 А; 100 Гц50 В; 0,05 А; 100 Гц100 В; 0,1 А; 100 Гц1.по прототипуЗл 0,6 мкм Ру 0,45 мкм0,07÷0,0910⁶ срабатываний10⁶ срабатываний5×10⁵ срабатываний5×10⁵ срабатываний5×10⁵ срабатываний2.предлагаемоеМ-Н (70%Н)0,6 мкм Зл 0,4 мкм Ру 0,45 мкм0,07÷0,089,5×10⁷ срабатываний4,7×10⁷ срабатываний4,5×10⁷ срабатываний1,3×10⁶ срабатываний2,7×10⁶ срабатываний

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для нанесения контактного покрытия на рабочие части контакт-деталей различного типа герконов. Техническим результатом является повышение эксплутационных возможностей герконов и снижение их стоимости за счет частичного снижения использования драгметаллов. Для достижения технического результата контактное покрытие выполняют из сплава медь-никель толщиной 0,1÷10 мкм, слоя золота толщиной 0,05÷2,0 мкм и слоя рутения толщиной 0,1÷1,5 мкм. 1 табл.

Контактное покрытие магнитоуправляемых контактов, включающее золото и рутений, отличающееся тем, что покрытие состоит из сплава медь-никель, полученного электроосаждением, толщиной 0,1÷10 мкм, слоя золота толщиной 0,05÷2,0 мкм и слоя рутения толщиной 0,1÷1,5 мкм.