МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫЙ КОНТАКТ

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкции магнитоуправляемых герметизированных контактов, и может быть использовано в промышленном производстве этих приборов.

В изделиях бытовой техники, в игровых автоматах и игрушках широко используются миниатюрные герконы малой и средней мощности.

Известен серийно выпускаемый геркон МКА-14103, имеющий на контактирующих поверхностях двухслойное гальванопокрытие из рутения по золоту [1].

Однако высокая стоимость драгоценных металлов и большая трудоемкость осаждения гальванопокрытий ограничивают использование такого геркона в изделиях бытовой техники, в частности в игрушках. Кроме того, рутений, относящийся к металлам платиновой группы, является катализатором в процессе полимеризации органических загрязнений с образованием изолирующих пленок на контактирующих поверхностях.

Пассивирование активности родиевого гальванопокрытия, осуществляемое с помощью специальной обработки в парах толуола с последующей термообработкой в атмосфере азота согласно [2], не обеспечивает стабильности технологического процесса и не гарантирует хорошего качества геркона.

Используя известный способ изготовления геркона [3] и учитывая согласно [4] дополнительную термообработку контакт-деталей при заварке геркона, на всей поверхности контакт-деталей, без гальванопокрытия из драгоценных металлов, образуется тонкий сублимированный слой продуктов испарения из стекла и пермаллоя.

Подвергая заваренный в атмосфере азота геркон дополнительной ионно-плазменной искровой обработке, на контактирующей поверхности формируются участки объемного азотирования, которые согласно [5, 6] могут достигать глубины до 80 нанометров.

Азотированный слой имеет достаточно низкое и стабильное электрическое сопротивление, высокую коррозионную устойчивость и повышенную микротвердость, что в совокупности с оптимальной конструкцией контакт-детали и геркона позволяет исключить использование драгоценных металлов в контактных покрытиях. Это приведет к снижению себестоимости геркона, что позволит расширить рынок сбыта и повысить конкурентоспособность.

Предлагается следующее техническое решение.

Магнитоуправляемый контакт, содержащий стеклянный баллон, в торцах которого герметично заварены круглые выводы ферромагнитных контакт-деталей, свободные концы которых шириной "b" при толщине плющения "h" разделены зазором в области их взаимного перекрытия величиной ^"а^", отличающийся тем, что у каждой контакт-детали, в пределах соотношения

от 50% до 100% контактирующей поверхности, ограниченной площадью прямоугольника со сторонами ("b"-"h") и "а", состоит из участков поверхности объемного азотирования с толщиной азотированного слоя до 80 нм.

На фиг.1 представлена конструкция заявляемого геркона. На фиг.2 представлена конфигурация поперечного сечения участка контакт-детали в пределах перекрытия. На фиг.3 представлены тяговые характеристики заявляемого геркона и серийно выпускаемого геркона с гальванопокрытием. На фиг.4, 5, 6, 7 представлены Оже-спектры с участка, находящегося в центре контактирующей поверхности контакт-детали геркона.

В герконе, представленном на фиг.1, в центре стеклянного баллона 1 расположено перекрытие ^“а^” контакт-деталей 2, изготовленных их пермаллоевой проволоки диаметром "d^".

Для геркона без гальванопокрытия большое значение имеет соотношение между площадью перекрытия и площадью поперечного сечения контакт-детали 2. При достижении в соленоидальной обмотке управления магнитодвижущей силы, вызывающей замыкание контакт-деталей 2 геркона, магнитный поток проходит как через поперечное сечение контакт-деталей 2 площадью πd²/4, так и через площадь перекрытия, равную произведению ширины "b" свободных концов контакт-деталей 2 на величину их перекрытия "а". При штамповке контакт-детали 2 из проволоки диаметром "d" до толщины "h" и ширины "b" согласно фиг.2 можно представить уравнение в следующем виде: πd²/4=h·("b"-"h")+(-π·"h"²/4)="h"·"b"-0,22·"h"². Пренебрегая числом 0,22·"h"², вышеупомянутое соотношение площадей можно представить в следующем виде: "b"·"h"=πd²/4="а"·"b".

Экспериментальным путем установлено, что для герконов с плоскостным прилеганием по контактирующей поверхности оптимальная величина соотношения находится в следующих пределах:

Замена покрытия на азотированную контактирующую поверхность позволяет существенно увеличить силу контактного нажатия и получить низкое значение сопротивления для геркона, находящегося в замкнутом состоянии. На фиг.3 представалены тяговые характеристики серийно выпускаемого геркона МКА-14103 (кривая 3) и заявляемого геркона (кривая 4)

Конструктивное отличие между герконами заключается в следующем. В серийном герконе на конце контакт-детали 2 имеется гальванопокрытие из рутения по золоту (Ru 0,35-0,5; Au 0,2-0,4) с максимально возможной толщиной покрытия в 1 мкм. В этом случае при срабатывании геркона зазор "σ₁", соответствующий разомкнутому состоянию геркона, уменьшается до зазора "σ₂", равному 2 мкм, а разница между тяговой характеристикой (кривая 3 на фиг.3) и силой упругости (прямая 5) для точки "σ₂" определяет величину контактного нажатия "F₁".

Для заявляемого геркона, контакт-детали 2 которого имеют азотированную контактирующую поверхность, замкнутое состояние соответствует точке "σ₃" (магнитный зазор между контакт-деталями отсутствует), в которой величина контактного нажатия "F₂" в 1,5-2 раза больше, чем у серийного геркона МКА-14103.

Предлагаемое техническое решение было реализовано на контакт-деталях от геркона МКА-14103. Пермаллоевые контакт-детали без какого-либо гальванопокрытия, предварительно подвергнутые термомагнитному отжигу в атмосфере водорода или азота, заваривают в атмосфере азота в стеклянный баллон с зазором и перекрытием, обеспечивающим пределы заявляемого соотношения

На выводы разомкнутого геркона в течение 30 с от специального генератора высокой частоты подавались разнополярные импульсы напряжения, превышающие электрическую прочность изоляции геркона [7]. В результате искрового разряда происходила ионно-плазменная обработка отдельных участков контактирующих поверхностей в области взаимного перекрытия контакт-деталей геркона с образованием слоя нитридов железа и никеля толщиной в несколько десятков нанометров. При однократной обработке геркона согласно [7], из-за неоднородности электрического поля в области перекрытия "а", у каждой контакт-детали до 50% площади, ограниченной периметром прямоугольника со сторонами "а" и ("b"-"h"), состоит из участков объемного азотирования, хаотически расположенных по контактирующей поверхности. Многократная обработка геркона позволяет повысить уровень азотирования контактирующей поверхности до 100%. Химический состав поверхности загрязнений и наличие нитридов железа и никеля на контактирующей поверхности контакт-детали, изъятой из разбитого геркона и помещенной в камеру растрового электронного микроскопа, определялся из анализа Оже-спектров энергии вторичных электронов, эмитированных контактирующей поверхностью при ее сканировании лучом микроскопа. Специальная обработка поверхности ионами аргона с контролируемой толщиной распыляемого слоя позволяет по величине пика энергии, соответствующей азоту, оценить глубину объемного азотирования на контактирующей поверхности контакт-детали геркона.

На фиг.4, 5, 6, 7 представлены Оже-спектры, полученные с помощью растрового электронного микроскопа для участка, расположенного в центре контактирующей поверхности контакт-деталей геркона.

На фиг.4 показано наличие и химический состав загрязнений на поверхности контакт-деталей после заварки в стеклянном баллоне в атмосфере азота.

На фиг.5 представлен Оже-спектр контактирующей поверхности контакт-детали из геркона, предварительно подвергавшегося нескольким циклам ионно-плазмненной обработки искровым разрядом.

На фиг.6 представлен Оже-спектр для одной контакт-детали из геркона, предварительно подвергавшегося нескольким циклам ионно-плазменной обработки искровым разрядом, после дополнительного травления в камере микроскопа контактирующей поверхности ионами аргона на глубину 25 нм.

На. фиг.7 представлен Оже-спектр для другой контакт-детали из геркона, предварительно подвергавшегося нескольким циклам ионно-плазменной обработки искровым разрядом, после дополнительного травления в камере микроскопа контактирующей поверхности ионами аргона на глубину 60 нм.

При дальнейшем травлении на глубину свыше 80 нм пик азота на Оже-спектре отсутствовал.

Анализ интенсивности пиков азота на представленных Оже-спектрах подтверждает наличие на контактирующей поверхности контакт-детали участков, отличающихся по глубине объемного азотирования. Кроме того, в результате дополнительной ионно-плазменной обработки происходит очистка поверхности от следов технологических промывок в моющих растворах с последующими спиртовыми промывками.

Дополнительная активация поверхности позволяет стабилизировать начальную величину сопротивления в замкнутом герконе. В результате этого сопротивление геркона с азотированными контакт-деталями сравнимо с сопротивлением серийного геркона МКА-14103, имеющего гальванопокрытие из рутения по золоту.

В таблице 1 представлено распределение по величине сопротивления для 100 герконов МКА-14103 с гальванопокрытием из рутения по золоту.

В таблице 2 представлено распределение по величине сопротивления для 100 герконов с азотированной контактирующей поверхностью после дополнительной ионно-плазменной обработки.

Коммутационная способность азотированных герконов с оптимальным соотношением

определялась испытаниями в режимах, имитирующих реальные условия эксплуатации.

В режиме эксплуатации с частотой 50 Гц электрической цепи постоянного тока напряжением 6 В на активную нагрузку с током 10^-3 А минимальная безотказная наработка составила 5·10⁵ циклов коммутаций. В режиме 50-10 ^-3 В - 5·10^-6 А наработка составила 5·10⁶ циклов коммутаций, а в режимах 100 В - 10^-2 А и 30 В - 10^-2 А соответственно 10⁴ и 5·10⁴ циклов коммутаций.

Натурные испытания азотированных герконов в электромеханических игрушках и в игровых автоматах показали хорошие результаты.

Геркон с азотированной контактирующей поверхностью имеет низкую себестоимость не только из-за исключения дорогих драгметаллов, но и за счет сокращения вредных технологических операций при нанесении гальванопокрытия, что позволяет улучшить условия труда и снизить трудоемкость изготовления геркона.

Источники информации

1. Справочник по герконам. ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов». Рязань 2000 г.

2. Авт. свид. SU 1458899 A1, H01H 1/66, 11/04 опубл. 15.02.89 бюл. №6.

3 Патент RU №2274919, H01H 11/04, опубл. 20.04.2006 г. бюл. №11.

4. Е.Ф.Галтеева, B.C.Провоторов «Влияние заварки и пропускного тока на параметры герконов. Труды Всесоюзной научно-технической конференции «Специальные коммутационные элементы». Рязань 1982 г., том 1, стр.138-143.

5. Патент №10014. Украiна, МПК 7 С23С 8/06. Опубл. 15.12.06, Бюл. №12 - 5 с. Радько О.В. «Споciб поверхневого змiцнения сталевых деталей iонно-плазмовим азотуванням у пульсуючому тлеiчому розрiдi.

6. Б.А.Ляшенко, В.И.Мирненко, О.В.Радько, С.А.Бобырь. «Особенности азотирования стали 30ХГСА в пульсирующем тлеющем разряде». «Вiсник Черкаського нацiнального унiверситету, 2007. Выпуск 117. Серiя «Физико-матемачнi науки» с.107-112.

7. Патент RU №2393570 C1, H01H 1/66, H01H 11/04, опубл. 27.06.2010, бюл. №18.