СПОСОБ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО ФОРМИРОВАНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ ГЕРКОНОВ Российский патент 2023 года по МПК H01H11/04 C23C14/24 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электронной промышленности при изготовлении герметизированных магнитоуправляемых контактов (герконов).

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении коэффициента возврата (k_в) герконов, во многом определяющего эффективность их работы.

Известны различные способы формирования защитного покрытия герконов, основанные на использовании гальванических технологий [RU 2079173, Н01Н 1/66, Н01Н 1/02, опубл. 10.05.1997 г.; RU 2 006 091 С1, H01H 11/04, опубл. 15.01.1994 г.; RU 2279149, Н01Н 1/02, Н01Н 1/66, опубл. 27.06.2006 г.].

Однако, применяемый при реализации данных способов технологический процесс имеет ряд существенных недостатков: трудоемкость, повышенная энергозатратность, необходимость использования сложного оборудования при нанесении покрытий и утилизации экологически вредных отходов производства, использование драгоценных металлов (золото, рутений, родий).

Известен способ формирования защитного покрытия герконов [SU 385335, Н01 H11/04, опубл. 04.09.1973 г.], в котором производят финишную обработку контактирующих поверхностей герконов путем пропускания через их разомкнутые контакты тока высокой частоты.

Однако, данный способ был использован только для улучшения состояния поверхностей контакт-деталей герконов с защитными гальваническими покрытиями и не применялся для самостоятельного формирования альтернативного тонкопленочного покрытия.

Известен способ формирования защитного покрытия герконов [RU 2665689 C1, H01 H11/04, опубл. 04.09.2018 г.], по которому нанесение покрытия на контакт-детали производится в искровом газовом разряде за счет процесса эрозионного переноса материала их поверхности под действием электрического поля [Б.Р. Лазаренко, Н.И Лазаренко. Физика искрового способа обработки металлов. - М.: ЦБТИ МЭИ СССР. - 1946 г. - 76 с]. При реализации данного способа осуществляют периодическое «замыкание-размыкание» герконов внешним магнитным полем с одновременным пропусканием через них электрического тока.

Однако, известный способ трудоемок в исполнении, позволяет обрабатывать единичные герконы и поэтому не может быть использован в их массовом производстве.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому объекту по совокупности технических признаков и достигаемому результату является способ ионно-плазменного формирования защитного покрытия герконов, по которому в зазоре между их контакт-деталями возбуждают тлеющий разряд симметричными разнополярными импульсами напряжения длительностью 10-30 мкс при частоте следования в 20-30 кГц с коэффициентом заполнения разрядного тока 20-90%, затем в два последовательных этапа осуществляют очистку поверхности контакт-деталей током разряда с импульсной плотностью (7-9)⋅10² мА/см² в течение 30-45 минут и азотирование их поверхности током разряда с импульсной плотностью (4-6)⋅10² мА/см² в течение 90-120 минут [RU 2751790 C1, С23С 8/36, С23 С14/24, опубл. 16.07.2021 г.]. Описанный способ принят за прототип предлагаемого изобретения.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что при его реализации на поверхности контакт-деталей герконов образуется тонкопленочное покрытие толщиной 0,1-0,3 мкм, состоящее из нитридов железа и никеля. У таких герконов k_в составляет всего 0,3-0,4, в то время как у герконов с защитным гальваническим покрытием толщиной 1,5-2,0 мкм он достигает значений равных 0,6-0,9. Низкий k_в существенно ограничивает область применения герконов с защитным тонкопленочным покрытием.

Таким образом, непосредственное использование известного способа формирования защитного покрытия контакт-деталей герконов, принятого за прототип, не позволяет получать герконы с k_в близким к герконам с гальваническим покрытием.

Технический результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик герконов с защитным тонкопленочным покрытием.

Данный технический результат достигается тем, что в способе ионно-плазменного формирования защитного покрытия герконов, по которому в зазоре между их контакт-деталями возбуждают тлеющий разряд симметричными разнополярными импульсами напряжения длительностью 10-30 мкс при частоте следования в 20-30 кГц с коэффициентом заполнения разрядного тока 20-90%, затем в два последовательных этапа осуществляют очистку поверхности контакт-деталей током разряда с импульсной плотностью (7-9)⋅10² мА/см² в течение 30-45 минут и азотирование их поверхности током разряда с импульсной плотностью (4-6)⋅10² мА/см² в течение 90-120 минут, при этом на исходной поверхности контакт-деталей герконов формируют микрорельеф со среднеарифметическим отклонением профиля равным 0,16-0,20 мкм.

Среднеарифметическое отклонение профиля (R_a) характеризует степень шероховатости поверхности контакт-деталей [ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. Дата введения 01.01.1975 г.]

Выбор уровня шероховатости поверхности контакт-деталей обусловлен следующим обстоятельствами. Тяговое усилие, развиваемое однородным магнитным полем в зазоре между контакт-деталями геркона, определяется известной формулой [К.И. Харазов. Устройства автоматики с магнитоуправляемыми контактами. - И.: Энергоиздат. - 1990 г. - С. 36]:

где Ф - магнитный поток, действующий в зазоре между контакт-деталями, μ_o - магнитная постоянная, S - площадь поперечного сечения зазора.

При увеличении Ф до определенного критического значения Ф_кр начинается сближение контакт-деталей, которое завершается замыканием геркона. Величина Ф_кр определяется расстоянием между поверхностью контакт-деталей (d) равным 30-50 мкм (фиг.1) и практически не зависит от наличия на ней защитных покрытий. Данному потоку соответствует определенная магнитодвижущая сила срабатывания (F_cp). После замыкания геркона расстояние между контакт-деталями устанавливается равным удвоенной толщине их защитного покрытия (2d_п).

Размыкание геркона происходит за счет упругих сил, вызванных искривлением контакт-деталей при его замыкании, при уменьшении потока до характерного значения равного Ф_отп. Ф_отп определяется толщиной немагнитной части защитного покрытия (d_пн), которая может быть меньше d_п. Данному потоку соответствует магнитодвижущая сила отпускания (F_отп).

Если, например, используется защитное покрытие, состоящее из последовательно нанесенных слоев никеля и золота, то d_пн равно толщине слоя золота, который определяет магнитное сопротивление используемой структуры. Слой никеля, обладающий магнитными свойствами, не влияет на данное магнитное сопротивление и величину Ф_отп.

При увеличении d_пн величина Ф_отп и F_отп возрастают. Отношение магнитодвижущих сил срабатывания и отпускания определяет k_в герконов:

Существенный недостаток использование известного способа формирования тонкопленочного защитного покрытия контакт-деталей герконов, принятого за прототип, заключается в том, что он не позволяет получить средние значения k_в герконов, превышающие 0,35.

Решить данную проблему позволяет повышение шероховатости исходной поверхности контакт-деталей герконов, подвергаемой ионно-плазменной обработке.

Зависимость k_в от степени шероховатости поверхности контакт-деталей обусловлена ее влиянием на эффективную величину рабочего зазора герконов. Этот эффект обусловлен тем, что при переходе от первоначально гладкой поверхности контакт-детали 1 к шероховатой 2 средняя линия вновь образованной поверхности 3 (фиг.2) смещается по вертикали вниз на величину R_a.

Для качественного доказательства данного факта достаточно аппроксимировать кривую шероховатости (фиг.2) синусоидой с амплитудой I_m=R_a и периодом Т. Среднее значение данной функции равно 0 и совпадает с ее горизонтальной осью симметрии. В результате величина рабочего зазора в герконе возрастает на 2R_a, а эффективная толщина немагнитного зазора между соприкасающимися контакт-деталями увеличивается до d_эф=2(d_п+R_a), где d_п - толщина немагнитного тонкопленочного покрытия, сформированного ионно-плазменным методом.

Значение d_п по информации, полученной из различных источников, [RU 2413793 С2, С23С 26/00, С23С 14/06, опубл. 10.03.2011 г.; RU 2596554 C1, С23С 8/36, опубл. 10.09.2016 г.] составляет от долей до единиц микрон.

Например, при d_п=0,3 мкм и R_a=0,16 мкм немагнитный зазор будет равен d_эф=0,92 мкм.

Выбор параметров микрорельефа поверхности контакт-деталей герконов обусловлен следующим обстоятельствами. При R_a меньшем (равном) 0,16 мкм не достигается требуемый уровень k_в. При R_a большем (равном) 0,20 мкм снижается прочность сформированной губчатой структуры поверхности контакт-деталей и возможно ее разрушение.

Таким образом, сопоставительный анализ предложенного технического решения и уровня техники позволил установить, что заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» и «изобретательский уровень».

Предложенный способ ионно-плазменного формирования защитного покрытия контакт-деталей герконов поясняется фиг.1-2, где на фиг.1 приведена упрощенная конструкция геркона с гальваническим покрытием до и после замыкания, а на фиг.2 - конструкция его контакт-детали с развитой поверхностью.

Способ осуществляется следующим образом. Контакт-детали герконов изготавливают по традиционной технологии за исключением операций, связанных с нанесением многослойных гальванических покрытий на поверхность их рабочих зон - фиг.1. Вместо этого на поверхности контакт-деталей создается шероховатость с R_a равном 0,16-0,20 мкм - фиг.2.

Для контролируемого изменения микрорельефа поверхности контакт-деталей использовалось их травление в нагретой до 60°С соляной кислоте. Зависимость шероховатости поверхности контакт-деталей от длительности их травления в кислоте приведена в таблице.

Из таблицы следует, что, для получения необходимой шероховатости поверхности контакт-деталей необходимо использовать время их травления в кислоте от 5 до 7 минут.

Изготовленные герконы помещались в специальные кассеты, оснащенные контактными узлами, соединенными с генератором импульсов, к которому герконы подключались параллельно через одинаковые балластные сопротивления. Напряжение генератора увеличивалось до уровня, при котором между разомкнутыми контакт-деталями герконов возникал тлеющий разряд. После этого, регулируя напряжение генератора, устанавливались требуемые импульсные плотности разрядного тока и осуществлялась последовательная двухэтапная обработка поверхности контакт-деталей. Качество получаемого защитного покрытия оценивалось по величинам переходного электрического сопротивления и k_в герконов.

Реализация предлагаемого способа выполнена на серийно выпускаемых герконах МКА-14103. Шероховатость поверхности контакт-деталей составляла R_a=0,16 мкм, а толщина формируемого тонкопленочного нитридосодержащего покрытия контакт-деталей ~0,3 мкм. В этом случае среднее значение немагнитного зазора при замыкании геркона достигало 0,92 мкм. У изготовленных таким образом герконов k_в составил 0,45-0,6. В герконах с гальваническим покрытием среднее значение немагнитного зазора, образованного покрытиями золота и рутения, составляет 1,4-1,6 мкм, а k_в=0,5-0,7.

Таким образом, приведенный пример реализации предлагаемого способа демонстрирует его высокую эффективность.

Технический результат заключается в обеспечении значений k_в герконов близкого к герконам, получаемых по традиционной технологии.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электронной промышленности при изготовлении герметизированных магнитоуправляемых контактов (герконов). Повышение прочности поверхности контакт-деталей является техническим результатом, который достигается ионно-плазменным формированием защитного покрытия герконов, по которому в зазоре между контакт-деталями возбуждают тлеющий разряд импульсами напряжения длительностью 10-30 мкс при частоте следования в 20-30 кГц с коэффициентом заполнения разрядного тока 20-90%, после чего в два последовательных этапа осуществляют очистку поверхности контакт-деталей током разряда с импульсной плотностью (7-9)⋅10² мА/см² в течение 30-45 минут и азотирование поверхности током разряда с импульсной плотностью (4-6)⋅10² мА/см² в течение 90-120 минут, при этом на исходной поверхности контакт-деталей герконов формируют микрорельеф со среднеарифметическим отклонением профиля, равным 0,16-0,20 мкм. 2 ил., 1 табл.

Способ ионно-плазменного формирования защитного покрытия герконов, по которому в зазоре между их контакт-деталями возбуждают тлеющий разряд симметричными разнополярными импульсами напряжения длительностью 10-30 мкс при частоте следования в 20-30 кГц с коэффициентом заполнения разрядного тока 20-90%, затем в два последовательных этапа осуществляют очистку поверхности контакт-деталей током разряда с импульсной плотностью (7-9)⋅10² мА/см² в течение 30-45 минут и азотирование их поверхности током разряда с импульсной плотностью (4-6)⋅10² мА/см² в течение 90-120 минут, отличающийся тем, что на исходной поверхности контакт-деталей герконов формируют микрорельеф со среднеарифметическим отклонением профиля, равным 0,16-0,20 мкм.