Способ изготовления контакт-детелей геркона Советский патент 1992 года по МПК H01H11/04 

ihO 100

Использование: в электротехнике. Сущность изобретения заключается в том, что после штамповки и нанесения контактного покрытия перед операцией контактного покрытия из партии выбирают тестовые контакт-детали, наносят на них контактное покрытие, подвергают испытаниям в запаянном герконе, в процессе которых коммутируют постоянный ток предельно допустимой для данного типа геркона величины, затем измеряют радиус эрозионных лунок на анодной контакт-детали, наносят контактное покрытие на остальные контакт- детали и проводят операцию рекристалли- зационного отжига в течение 0,5-1,0 ч при Т (0,3-0,4) Т™, где ТПл - температура плавления материала контактного покрытия в градусах Кельвига, при этом толщину слоя контактного покрытия выбирают из соотношения dc r+ di, где dc-толщина покрытия; г - максимальный единичный радиус эрозионной лунки на тестовой анодной контакт- детали, di - толщина слоя взаимной диффузии материалов покрытия и контакт- детали. 2 табл. (/ С

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в технологии магнитоуправляемых контактов (МК).

Для обеспечения низкого и стабильного сопротивления контактирующие поверхности контакт-деталей (КД) М К покрывают благородными металлами и сплавами на их основе.

Известен способ изготовления КД, при котором на контактирующей поверхности КД формируют сплав (диффузионное золото) путем термического отжига предварительно нанесенного золотого покрытия.

Из-за интенсивной взаимной диффузии золота и составляющих пермаллоя, из которого изготовлены КД, железа и никеля снижается стабильность сопротивления МК, Для устранения нестабильности сопротивления приходится после термической обработки наносить еще один слой золота, что крайне нетехнологично.

Известен способ изготовления КД, при котором для повышения эрозионной стойкости искусственно стимулируется развитие эрозии в плоскости контактного покрытия. Это достигается за счет нанесения на поверхность контактного покрытия несплошного слоя материала с малой работой выхода (например, щелочного металла). При этом из-за снижения работы выхода на отдельных участках инициируется импульсный разряд, при воздействии которого на покрытие последнее разрушается и следующий разряд инициируется в другом месте. Таким образом, обеспечивается развитие эрозии в плоскости покрытия и рабочий ресурс приборов увеличивается.

Однако из-за высокой химической активности щелочные и щелочноземельные металлы склонны к образованию окисных пленок, наличие которых приводят к росту сопротивления МК.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления КД серийно выпускаемого МКА-27101 путем штамповки корпуса КД из проволоки и электролитического осаждения покрытия золото-никель- радий.

Эрозионная стойкость покрытия достигается за счет выбора оптимального процентного содержания никеля на уровне 5-16 вес.% и обеспечивается в этом случае за счет снижения массопереноса в процессе коммутации.

В реальных условиях массового производства стабильное воспроизведение концентрации никеля в электрохимическом покрытии золото-никель-радий затруднено, поэтому электроэрозионная стойкость покрытия снижается при колебаниях концентрации. Увеличение толщины покрытия повышает электроэрозионную стойкость, но увеличивает материалоемкость покрытия, что является неприемлемым из-за высокой стойкости и дефицитности золота, а также увеличения времени нанесения покрытия.

Целью изобретения является повышение электроэрозионной стойкости покрытия при оптимальной материалоемкости.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления контакт-деталей герконов, включающем штамповку проволоки и нанесение контактного покрытия, перед операцией нанесения контактного покрытия из партии выбирают тестовые контакт-детали, наносят на них контактное покрытие, подвергают их испытаниям в запаянном герконе, в процессе которых коммутируют постоянный ток предельно допустимой для данного типа геркона величины, после чего измеряют радиус единичных эрозионных лунок, образовавшихся в результате испытания на поверхности слоя контактного покрытия на анодной контактдетали, затем проводят нанесение слоя кон- тактного покрытия на остальные контакт-детали и вводят операцию рекри- сталлизационного отжига покрытия в течение 0,5-1,0 ч при температуре (0,3-0,4) Тпл,

0 где Тпл - температура плавления материала контактного покрытия в градусах Кельвина, при этом толщину слоя нанесения контактного покрытия выбирают из соотношения:

+ di, где dc - толщина покрытия;

5 г - максимальный радиус единичной эрозионной лунки на тестовой анодной КД; di - толщина зоны взаимной диффузии материалов покрытия и КД.

Сущность изобретения заключается в следующем.

0 При коммутации МК электрических цепей покрытия разрушаются под действием бесплазменных импульсных разрядов и электрических дуговых разрядов. При этом во всех случаях преимущественному разру5 шению подвергается положительный электрод, на котором под действием факельных струй (при импульсном разряде) либо анодных пятен дуги (при дуговом разряде) происходит локальный нагрев и испарение

0 контактного материала, приводящие к появлению эрозионных лунок круглой формы.

При толщине покрытия больше, чем радиус эрозионной лунки на анодной КД, электроэрозионная стойкость возрастает. Еще

5 больший эффект достигается в этом случае при термической обработке КД после нанесения покрытия в режиме: время обработки 0,5-1,0 ч; температура обработки (0,3-0,4) Тпл, где Тпл температура плавления мате0 риала покрытия. При выборе толщины покрытия необходимо учитывать промежуточный слой, образующийся при взаимной диффузии элементов материала покрытия и материала КД, интенсивно про5 текающей с повышением температуры.

Повышение электроэрозионной стойкости объясняется следующим образом. В том случае, когда толщина покрытия меньше радиуса эрозионной лунки в местах термиче0 ского воздействия на аноде, на границе раздела температура становится больше температуры плавления покрытия и материала КД. Вследствие этого идет интенсивное диффузионное насыщение покрытия приме5 сями материала КД и, как результат - снижение теплопроводности покрытия.

Температуру в зоне термического воздействия импульсных и дуговых разрядов

T(r,t)

0)

можно оценить по аналитической модели точечного теплового источника конечной длительности по формуле:

р™ ег г ) 21гТг егп }

где Т(гд) - текущая температура на изотермической поверхности радиуса г;

Рти - мощность теплового излучения; А- теплопроводность;

г - радиус изотермической поверхности;

erf(

- функция ошибок;

4 Vat

а - температуропроводность.

Из анализа этой зависимости видно, что уменьшение теплопроводности приводит к росту температуры, а следовательно, к еще большему увеличению зоны расплава и дальнейшему разрушению покрытия, В местах насыщения покрытия элементами материала КД железом и никелем будет происходить локализация разряда, стимулирующая переход к объемной эрозии покрытия и отказу МК. В этом случае эрозионная стойкость увеличивается за счет дополнительного рекристаллизацион- ного отжига при температуре (0,3-0,4) ТПл, где Тпл - температура плавления материала покрытия. В процессе рекристаллизации происходит сначала уменьшение плотности точечных (вакансий) и линейных (дислокаций) дефектор, образуются и растут новые зерна с совершенной структурой. Эта стадия первичной рекристаллизации происходит при температуре, начиная с Т 0,3 Тпл. При дальнейшем повышении температуры происходит рост вновь сформировавшихся совершенныхзерен покрытия и спрямление межзеренных границ, вследствие чего площадь межзеренных границ уменьшается. Эта стадия вторичной рекристаллизации происходит при температуре около Т 0,4 Тпл. Снижение концентрации структурных дефектов и уменьшение площади границ ведет к росту теплопроводности материала, вследствие чего, как видно из формулы (1), радиус зоны расплава и, соответственно, радиус эрозионной лунки уменьшается, а следовательно, меньше становится эрозия покрытия. Одновременно имеет место процесс диффузии железа и никеля в покрытие, снижающий его теплопроводность. С ростом температуры отжига процесс диффузии интенсифицируется и при температуре более 0,4 Тпл теплопроводность покрытия начинает снижаться.

Нижний предел времени отжига определяется минимально необходимым временем для прохождения процессов

10

15

20

25

30

рекристаллизации в покрытии и составляет 0,5 ч. Увеличение времени отжига углубляет рекристаллизационный процесс и, соответственно, улучшается теплопроводность покрытия. Однако вести термообработку покрытия более 1,0 ч нецелесообразно, так как уменьшается производительность процесса, а также увеличивается толщина диффузионной зоны. При этом диффузия элементов КД в покрытие, насыщая его, формирует диффузионную зону с пониженной теплопроводностью. Поэтому толщина покрытия должна определяться как

dc r+di,(2)

где dc - толщина покрытия;

г - радиус эрозионной лунки;

dj - толщина диффузионной зоны.

Толщина диффузионной зоны определяется выражением

di 2VDF,(3)

где D - коэффициент диффузии;

t - время отжига.

При этом

D D0 -expC-),(4)

где Do - частотный множитель;

Q - энергия активации диффузии; К-постоянная Больцмана; Т - температура в градусах Кельвина. Из (3) и (4) получим

di 2VD0t-ехр(). (5)

КТ;

П р и м е р 1. Испытания проводились на основе серийно выпускаемых герконов МКА-27101. На отштампованные из пермал- лоевой проволоки КД методом электролитического осаждения наносился сплав золото

-никель - радий.

Состав электролита: калий дицианоурат чистый 2,7 - 3,1 г/л; калий фосфорнокислый пиротрехводный чда 50 - 80 г/л; раствор комплесный соли родия 1,0 - 1,5 г/л; раствор пирофосфорнокислого никеля 0,7 - 1,2 г/л.

Осаждение велось в режиме: плотность 1,4 - 1,6 А/дм2, температура электролита 27

-35°С, время осаждения 10-12 мин для получения толщины покрытия 1,2 - 1,3 мкм и 19-20 мин для получения толщины покрытия 2,4 - 2,6 мкм. В результате получают покрытие следующего состава: никель 1,5 - 6%; родий 0,2 - 1 %; остальное золото,

Испытания проведены в два этапа. На первом этапе испытаны четыре партии МК

по 60 шт в каждой партии. Толщина покрытия в первой и второй партиях составляла 1,1-1,2 мкм, а в третьей и четвертой 2,4 - 2,6 мкм.

МК испытывались в двух режимах. Первая и третья партии - в режиме I (UK 60В, IK 25 мА). Вторая и четвертая - в режиме II (UK 60В, 1к 60мА).

В режиме I максимальный радиус эро- знойной лунки составлял 1,3 мкм, а в режиме II - 2,0 мкм.

В качестве критерия электроэрозионной стойкости покрытия при испытании МК с покрытием золото - никель - радий взят процент отказавших герконов в партии при наработке 5 млн. срабатываний. Это обусловлено тем, что рабочий ресурс МК в обоих режимах коммутации одинаков.

Отказы в первой и второй партиях со- ставляли 10 - 12%, а в третьей и четвертой партиях- 1,1 - 1,2%.

На втором этапе проведены испытания МК с толщиной покрытия 2,4 - 2,6 мкм при различных режимах отжига. Размер партии - 60 приборов.

Результаты испытаний приведены в табл.1.

Анализ результатов испытаний показывает, что на первом этапе испытаний поло- жительные результаты получены втретьей и четвертой партиях. В этом случае выполняется формула (2).

Результаты испытаний на втором этапе показывают, что режим отжига 0,3 - 0,4 Тпл в течение 0,5 - 1,0 ч позволяет еще более снизить процент отказов (партии 3-7, табл. 1). Радиус эрозионных лунок и толщина покрытия измерялась с помощью электронно- микроскопических исследований, а толщину диффузионной зоны рассчитывали по формуле (5). При расчете считали, что доминирующим является механизм зерно- графичной диффузии железа и никеля в золото, при этом частотный множитель D0 и энергию активации Q принимали равным соответственно:

-5 2-1-32 -1

D0 2,7 -10см с D0 3 -10см с

(Fe - Аи)(NI - Аи)

Q(Fe - Аи) 20,1 ккал Q(Ni - Аи) 27 ккал

П р и м е р 2. Испытания проводились на основе серийно выпускаемых герконов МКА-50201. На отштампованные из пермал- лоевой проволоки КД методом вакуумноп- лазменного напыления нанесен слой молибдена. Режим напыления, ток дугового разряда плазменного ускорителя 130 А; фокусировки 0,5 А; ускоряющее напряжение на кассете с КД 20 - 30 В; время напыления 20 мин.

Приборы испытавались в двух режимах: первый-ик 30 В; к 2 А; второй-UK 30 В, 1К- 1 А.

В качестве критерия электроэрозионной стойкости покрытий при испытании МК в этих режимах выбрана наработка до первого отказа МК в партии. Выбор данного критерия обусловлен тем, что в указанных режимах испытания рабочий ресурс МК сильно различается в 10-100 раз и поэтому использовать критерий в виде процента отказов (как в примере 1) невозможно.

Для определения толщины диффузионной зоны использовалась эмпирическая формула

,8-10t-exP(-).(6)

Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Анализ результатов испытаний, приведенных в табл. 2, показывает, что увеличение эрозионной стойкости в среднем на порядок наблюдается на приборах, подвергнутых термической обработке (партии 4, 5, 7, 9 - 11) в указанных режимах. Партии 1 и 2 термообработке не подвергались. В партии 3 температура отжига оказалась недостаточной. В партии 8 не соблюдается выражение (2). В партиях 12 и 13 время отжига завышено, что приводит к увеличению диффузионной зоны. В этом случае имеет место уменьшение наработки до 1-го отказа при увеличении времени отжига, что неоправдано снижает производительность процесса и является неприемлемым. Кроме того, в диффузионном слое образуются сплавы молибдена с элементами материала КД, в частности образуется интерметаллид РезМо2, имеющий теплопроводность в 6-10 раз худшую, чем молибден.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет реализовать технологию изготовления КД с минимально необходимой толщиной покрытия и оптимальным режимом обработки для достижения высокой эрозионной стойкости покрытия.

Формула изобретения

Способ изготовления контакт-деталей геркона, включающий штамповку проволоки и нанесение контактного покрытия, отличающийся тем, что, с целью повышения электроэрозионной стойкости при оптимальной материалоемкости покрытия, перед операцией нанесения контактного покрытия из партии выбирают тестовые контакт-детали, наносят на них контактное покрытие, подвергают их испытаниям в запаянном герконе, в процессе которых коммутируют постоянный ток предельно допустимой для данного типа геркона величины, после чего измеряют радиус эрозионных лунок, образовавшихся в результате испытания на поверхности слоя контактного покрытия на анодной контакт-детали, затем проводят нанесение контактного покрытия на остальные контакт-дета л и и вводят операцию рекристаллизационного отжига в течение 0,5 - 1,0 ч при температуре (0,3 - 0,4) Тпл, гдеТпл -температура плавления материала контактного покрытия в градусах

0

Кельвина, при этом толщину слоя нанесения контактного покрытия выбирают из соотношения

dc r + di, где dc - толщина покрытия;

г - максимальный радиус единичной эрозионной лунки на тестовой анодной контакт-детали;

di - толщина зоны взаимной диффузии материалов покрытия и контакт-детали.

Таблица 1

Таблица 2