Способ изготовления контактного покрытия магнитоуправляемого герметизированного контакта

 

Изобретение относится к электротехнике; а именно к технологии изготовления электроэрозионно-стойких контактных покрытий герконов. Целью изобретения являт ется увеличение электроэрозионной стойкости получаемых покрытий и повышение производительности способа. Способ включает нанесение на контакт-детали последовательно слоя никеля и слоя благородного металла и последующую ионную обработку поверхности, пр ичем ионную обработку проводят одним импульсом мощного ионного пучка наносекундной длительности с потоком энергии 1,0-1,5 Дж/см2.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

P ЕСПУБЛИК (я)5 Н 01 Н 1/66

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗО6РЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4719019/07 (22) 14.07;89 (46) 23.03.92. Бюл. ¹ 11. (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им. С. M. Кирова (72) В. В. Карпов, А. Д; Погребняк и В. В:.

Фельмецгер (53) 621.318.056(088.8) (56) Заявка ФРГ ¹ 2042700, кл. Н 01 Н 1/66, 1986.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1179447, кл. Н 01 Н 11/04, 1984.. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНТАКТНОГО ПОКРЫТИЯ МАГНИТОУПРАВЛЯЕИзобретение относится к электротехнике, а более конкретно к технологии изготовления электроэрозионно стойких контактных. покрытий газонаполненных магнитоуправляемых контактов (МК) малой и средней мощности, и может быть использовано в серийном производстве контактов.

Магнитоуправляемые герметизированные контакты имеют ряд преимуществ по сравнению с:обычными электромеханическими коммутационными приборами благодаря высокой надежности, чувстви-. тельности, простоте и технологичности конструкции, возможности функционирования в агрессивных и взрывоопасных средах, и поэтому широко применяются в радиоэлектронной аппаратуре, средствах связи,. контроля и управления. Надежность МК определяется качеством контактного покрытия, магнитными и упругими свойствами, чистотой газонаполнения, высокой

„„. Ж„„1721651 А1

МОГО ГЕРМЕТИЗИРОВАННОГО KOHTAKТА (57) Изобретение относится к электротехнике; а именно к технологии изготовления электроэрозионно-стойких контактных покрытий герконов. Целью изобретения явля-. ется увеличение электроэрозионной стойкости получаемых покрытий и повышение производительности способа. Способ включает нанесение на контакт-детали последовательно слоя никеля и слоя благородного металла и последующую ионную обработку поверхности, причем ионную обработку проводят одним импульсом-мощного ионного пучка наносекундной длительности с потоком энергии 1,0-1,5 Дж/см . вакуумной гигиеной изготовления. Качество контактных покрытий, а именно требуемые электрофизические свойства (параметры) контактирующих поверхностей и их стабильность в процессе эксплуатации, является постоянной заботой разработчиков и потребителей МК и, соответственно, направлением усовершенствований MK.

При различных режимах работы MK различные служебные характеристики играют определяющую роль. При коммутации микромощных цепей наиболее важно обеспечить малую величину переходного сопротивления МК и его стабильность s процессе эксплуатации. При работе контактов в эрозионных режимах (коммутируемый ток от десятых долей до единиц ампер при напряжении в десятки вольт), сопровождающихся либо развитием

"игольчато-кратерной" эрозии (" тонкий" массоперенос), либо дуговой (дуга размыка1721651

15 ния) эрозией поверхности — особую важность приобретает электроэрозионная стойкость контакт-поверхности.

Имеется много способов, направленных на улучшение различных служебных характеристик МК и касающихся различных аспектов этого процесса.

Известен способ изготовления золотосодержащего слоя контакт-деталей герконов реле, по которому для раэличной индуктивности нагрузки коммутируемой цепи существует такая область концентраций

Ni, Cr или Со в сплаве с золотом, при которой суммарный перенос материала в области контактирования равен нулю. Для этого на предварительно отожженный при 700-.

1000 С участок контактирования электрохимически осаждают в смещенной ванне из

Au-%, Au-Со или Au-Cr и затем проводят упрочняющий отжиг в восстановительной атмосфере. Связь определенной концентрации сплава с определенной индуктивностью нагрузки и ограниченность интервала возможных концентраций по данному способу ограничивают применимость этого способа.

Известен способ изготовления контактного покрытия магнитоуправляемых герметизированных контактов, по которому нанесенный на контактные поверхности сплав на основе благородного металла легируется бомбардировкой поверхности контактного покрытия в вакууме ионами тугоплавкого неблагородного металла. Низковольтное ионное легирование позволяет создавать плотные износостойкие слои повышенной твердости и, тем самым, значительно увеличить срок службы МК средней мощности в наиболее тяжелых режимах коммутации. При использовании известного способа получено увеличение срока службы в 3 раза при эксплуатации МК в режиме

60  — 0,025 А постоянного тока по сравнению с контрольными приборами, не подвергшимися ионному легированию. В данном способе для легирования используются ионы тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, рений, титан). Кроме того, оптимальной признается энергия ионов в диапазоне (1-2) кэВ. Так, в приведенном примере конкретной реализации способа, контактное покрытие из гальванического сплава золото-никель толщиной (2-3) мкм помещают в камеру, вакуумируют до 10

1Î Па и подвергают ионной обработке ионами титана с энергией 1,6 кэВ и плотностью ионного тока 10 Аlм в течение 14 с, после чего в камеру напускают чистый азот, затем контакт-детали вынимают на воздух.

Известный способ обладает рядом существенных недостатков: значительные энергозатраты, жесткие требования к технологическим параметрам (вакууму, чистоте пучка ионов), а также недостаточно высокой электроэрозионной стойкостью полученного покрытия.

Целью изобретения является увеличение электроэрозионной стойкости контактного покрытия МК и повышение производительности способа.

Поставленная цель достигается тем, что на контактные поверхности контакт-деталей MK наносят покрытие из благородного металла или сплава на основе благородного металла одним из известных способов(электрохимическим осаждением, катодным распылением, магнетронным осаждением и т,д.), детали с нанесенным покрытием облучают одним, импульсом мощного ионного пучка (МИП) наносекундной длительности с потоком энергии (1-1,5) Дж/см .

Ускорительная техника с параметрами, обеспечивающими предлагаемый диапазон потока энергии, достаточно развита. К примеру, технологический ускоритель "Темп" или модифицированный ускоритель "Тонус", работающий в технологическом режиме, при энергии ионов водорода и углерода

Е = 0,2-0,5 МэВ способны обеспечить плотность ионного тока на мишени ) = 10-250

А/см при длительности импульса г= 60-100 нс, что заметно перекрывает предлагаемый интервал потока энергии 1-1,5 Дж/см .

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом., Обрабатываемые контакт-детали загружаются в подвески (кассеты) и электрохимическим осаждением на них наносят последовательно слой никеля и слой золота.

Затем в этих же кассетах контакт-детали помещаются в рабочую камеру ускорителя, откачивают камеру до технического вакуума

10 торр и облучают контактную поверхность контакт-деталей одним импульсом

МИП ионов углерода и водорода или азота с энергией .0,2-0,5 МэВ, с длительностью импульса 60-100 нс и плотностью ионного тока на мишени J = 30-60 А/см так, что падающий на поверхность контакт-деталей поток энергии соответствует 1-1,5 Дж/см, При воздействии МИП на поверхность покрытия можно выделить несколько процессов: плавление с последующим сверхбыстры м осты ванием, массопере нос с интенсивным. перемешиванием, формирование и воздействие ударных волн. термонапряжение, создающих предпосылки для образования метастабильных или даже новых фаз, в том числе твердых растворов с

1721651 концентрациями растворимого вещества, существенно превышающими равновесные, и соединений. запрещенных диаграммой состояний. Для высокоэнергетичных ионов, падающих на поверхность металла, перенос энергии происходит практически однородно в глубину на рачстояние проектного пробега ионов (2,5х)0 А для Н и 0;37х10 А для

С в Nl; 1,6х10 А для Н и 0,34х10 Хдля С+

e Au), причем выделение энергии практически не зависит от физического состояния мишени.

Таким образом, плавление под действием МИП может рассматриваться как быстрый термический нагрев по всей глубине пробега ионов, а подложка металла остается практически холодной. В таких условиях происходит перемешивание золота с никелем, которое играет определяющую роль в повышении электроэрозионной .стойкости . покрытия по предлагаемому способу, Размытие границы между слоями при перемешивании улучшает адгезию слоев и всего покрытия в целом. Полученная структура твердого раствора никеля в золоте, помимо однородности, обладает существенно большей твердостью, что выражается в увеличении микротвердости поверхностного слоя, Кроме того, в результате быстрой фиксации новых фаз (перекристаллизации) в процессе остывания поверхностного слоя, получаются мелкозернистые, вплоть до аморфных, структуры, что положительно сказывается на электроэрозионных свойствах полученного покрытия, так как в данном случае эрозионные процессы идут по поверхности (соответственно уменьшается массоперенос). Мелкозернистость структуры и развитие эрозии по поверхности (нет глубокого

"выедания" поверхности) снижают вероятность механического заклинивания ("залипэния™), также уменьшается интенсивность дуги размыкания, так как уменьшается неоднородность поверхности и увеличивается площадь контактирования,, Пример. Используют контакт-детали герконов М КА-7101 с двухслойным покрытием из Ni толщиной 2 мкм и Аи толщиной 0,5 мкм. Для нанесения покрытия целесообразно применение электрохимического осаждения из простых электролитов, условия которого хорошо контролируются и при котором безвозвратные потери драгметаллов практически отсутствуют. После нанесения покрытия контакт-детали в тех же подвесках (кассетах) по несколько сот штук в каждой (до 2 тыс. шт, в одной подвеске) перегружают в рабочую камеру ускорителя "Тонус." или

"Темп", камеру откачивают до технического вакуума 10 торр и контактные поверхности.

-4 контакт-деталей облучают одним импульсом МИП ионов водорода и углерода с энергией ионов Е = 0,35 МэВ, длительностью импульса г= 80 нс, плотность ионного тока на мишени меняют от.20 до 200 А/см, что г позволяет создавать поток энергии на мишени от 0,55 до 5,5 Дж/см . Состав пучка: г

70 $ ионов С и 30 $ ионов Н; Плотность тока (и ри известной площади сечения пучка) 5

Формула изобретения

Способ изготовления контактного покрытия магнитоуправляемого герметизированного контакта, включающий нанесение на контакт-детали последовательно слоя никеля и слоя благородного металла и последующую ионную обработку поверхности, 45

50 отличающийся тем, что, с целью увеличения электроэрозионной стойкости получаемых покрытий и повышения производительности способа, ионную обработку проводят одним импульсом мощного ионного пучка наносекундной длительности с потоком энергии 1,0-1,5 Дж/см . г контролируют цилиндром Фарадея, а поток энергии — калориметром.

Ресурсные испытания герконов, изго15 товленных по предлагаемому способу, показывают, что в режиме коммутации цепи постоянного тока 14 = 60 В, lk = 0.08 А минимальная наработка приборов на отказ увеличивается в 4-5 раз по сравнению с из20 вестным и достигает 3,42х10 срабатываний при оптимальном режиме облучения МИП с потоком энергии 1-1,5 Дж/см . Электроэрозионная стойкость увеличивается в 1,5-2 раза. Испытания в микромощном режиме

25 коммутации Ик = 2х10 В, ly = 10 А показывают что переходное сопротивление герконов в течение всего срока службы стабильно и не превышает 0,05 Ом. Все электрические параметры герконов удовлетворяют требо30 ваниям технических условий, выход годных изделий соответствует технологическим требованиям.

По известному способу производительность ионной обработки для одной установ35 ки составляет 5-6 млн. контакт-деталей в год. Оценка примерной производительности технологического процесса обработки

МИП показывает, что с использованием одного ускорителя типа "TeMn" можно изгото40 вить покрытия по предлагаемому способу в количестве не менее 60 млн. контакт-деталей в год.