магнитоуправляемый герметизированный контакт

Формула изобретения

Магнитоуправляемый герметизированный контакт, в котором ферромагнитные контакт-детали помещены в стеклянный корпус, отличающийся тем, что на контактирующей поверхности контакт-деталей создана гетерогенная структура, в виде включений тугоплавких металлов в ферромагнитную матрицу, с толщиной не более 30 мкм.

Описание изобретения к патенту

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

Известна конструкция магнитоуправляемого герметизированного контакта (геркона) [1], в котором две ферромагнитные контакт-детали помещены в герметизируемый стеклянный корпус. На поверхности контакт-деталей нанесено контактное покрытие из молибдена. Эти покрытия создают для повышения эрозионной устойчивости геркона и для снижения контактного сопротивления пары контакт-деталей. Обычно такое покрытие имеет толщину 6-9 мкм.

Однако в процессе работы при повышенных нагрузках геркона, особенно при сильных токах, возникает значительная эрозия, в результате которой материалы контактного покрытия сплавляются с материалом основы (сплава никеля с железом), свойства геркона ухудшаются и начинают определяться свойствами вновь полученного сплава (железо-никель-молибден). Всегда сплавы сложного состава имеют худшие параметры, в частности, по контактному сопротивлению, чем однородные материалы [2]. Также между ферромагнитной основой и молибденовым покрытием есть переходной слой, в состав которого входят кислородные и углеродные соединения, обладающий повышенным сопротивлением. Такой контактный слой приводит к увеличению сопротивления геркона. Покрытие может растрескиваться и отслаиваться, так как коэффициенты термического линейного расширения покрытия и подложки отличаются друг от друга.

Известна конструкция магнитоуправляемого герметизированного контакта (геркона) [3], в котором две ферромагнитные контакт-детали помещены в герметизируемый стеклянный корпус. На поверхности контакт-детали нанесено многослойное покрытие (медь-никель, золото, рутений). Однако между ферромагнитной основой и слоями покрытия есть переходные слои, в состав которых входят кислородные и углеродные соединения, обладающие повышенным сопротивлением. Такой контактный слой приводит к увеличению контактного сопротивления геркона.

В напряженных условиях работы геркона материалы контактного покрытия могут сплавляться между собой и с материалами основы. Всегда сплавы сложного состава имеют худшие параметры, в частности, по сопротивлению, чем однородные материалы. Также коррозия всегда более интенсивно происходит на сплавах, чем на чистых металлах по отдельности. Иногда покрытие может отслаиваться из-за разного коэффициента линейного термического расширения и плохой адгезии.

Задачей настоящего изобретения является создание необходимых свойств контактирующих поверхностей геркона, повышение стабильности его работы в разных режимах в течение длительного времени, упрощение технологии создания контакта, исключение использования драгметаллов и исключение довольно «грязных» и сложных гальванических технологий осаждения покрытий, снижение контактного сопротивления, повышение стойкости покрытия.

Предлагается магнитоуправляемый герметизированный контакт, в котором ферромагнитные контакт-детали помещены в стеклянный корпус, отличающийся тем, что на контактирующей поверхности контакт-деталей создана гетерогенная структура, в виде включений тугоплавких металлов в ферромагнитную матрицу, с толщиной не более 30 мкм.

Толщина гетерогенного слоя более 30 мкм ухудшает магнитные свойства геркона (уменьшает магнитодвижущую силу срабатывания).

Наличие на контактирующей поверхности контакт-деталей специально созданной гетерогенной структуры позволяет решать несколько необходимых в работе геркона задач:

- используя в качестве одного компонента ферромагнитную железоникелевую матрицу с высоким электросопротивлением, поместить в нее частицы другой фазы с низким электросопротивлением и высокой эрозионной стойкостью;

- применение гетерогенной структуры позволяет исключить влияние различия в коэффициентах термического линейного расширения матрицы и частиц - включений, так как линейные размеры частиц включения незначительны (не более 30 мкм), по сравнению размером контактной площадки. Поэтому термомеханические напряжения ниже на несколько порядков (примерно в 100 раз) и проблемы отслаивания не существует даже при самых напряженных режимах;

- адгезия включений не меньше, чем адгезия самого металла, так как основной объем частицы находится внутри металла матрицы;

- применение таких частиц-включений позволяет снизить более чем в 5 раз электросопротивление переходного слоя между фазами контакта;

- получить низкое электросопротивление, высокую стабильность и высокую стойкость при длительной работе герконов;

- исключить дорогостоящее гальваническое и вакуумное нанесение покрытий;

- исключить использование драгметаллов (золото, палладий, родий, рутений и т.п.);

- снизить себестоимость нанесения покрытий.

Гетерогенную структуру в приповерхностностной области контакт-деталей можно создать несколькими способами:

- с помощью вариантов детонационного (микровзрывы газовой смеси) нанесения порошков с последующей прокаткой для уплотнения;

- при подаче смеси порошков различных металлов, например, в плазмотрон,

- при впрессовывании одной тугоплавкой фазы или смеси фаз в приповерхностную область;

- другие способы.

Диапазон предлагаемых размеров гетерогенной структуры определяется исходя из следующих условий:

- частицы-включения с размерами менее 50 нм могут растворяться или объединятся в процессе диффузии;

- толщина гетерогенной структуры более 30 мкм нецелесообразна, так как соизмерима с размером зазора между контактирующими поверхностями; такая толщина покрытия достаточна для достижения необходимой стойкости, также не следует увеличивать толщину слоя из-за возможного снижения магнитных свойств контакта.

Для создания гетерофазного покрытия могут быть использованы металлы с высокой электропроводностью и высокой эрозионной стойкостью. Наиболее высокая электропроводность у металлов первой группы, второй группы, но они не обладают эррозионной стойкостью. Для создания гетерофазных контактных покрытий наиболее подходят вольфрам, молибден, родий, бериллий, которые обладают высокой эрозионной стойкостью. Из них наиболее удобно работать с молибденом и вольфрамом. У вольфрама лучшие свойства по проводимости и по безотказности при создании гетерофазных покрытий герконов.

Предлагаемая конструкция представлена на фиг.1, где 1 - стеклянный корпус, 2, 3 - ферромагнитные контакт-детали, 4 - поверхность контакта, 5 - частицы-включения, 6 - ферромагнитная матрица.

Работа устройства. При наложении магнитного поля контакты замыкаются и геркон проводит электрический ток. Сформированные на поверхности контактов вольфрамовые включения контактируют друг с другом, обеспечивая низкое контактное сопротивление и высокую стабильность при длительной работе.

На фиг.2 представлено изображение контактной поверхности контакт-детали геркона, полученное в оптическом микроскопе. На поверхности проявляется наличие вольфрамовых включений в матрице из пермаллоя.

Контактируют при работе вольфрам с вольфрамом. Электрическое сопротивление вольфрама значительно ниже, чем электрическое сопротивление пермаллоя. Электрическое сопротивление переходного слоя вольфрам-пермаллой в случае предлагаемой конструкции покрытия не менее чем в 5 раз меньше, чем электрическое сопротивление переходного слоя пленочного покрытия вольфрам-пермаллой. Это следует из увеличения эффективной площади контакта пермаллой-вольфрам. Также и сама технология внедрения частиц в пермаллой способствует уменьшению переходного слоя за счет увеличения площади контакта и эффективного утоньшения переходной поверхностной пленки.

Результаты коммутационных испытаний герконов с гетерогенным покрытием (замыкающих 36 миллиметровых герконов) представлены в таблице.

У герконов с гетерогенным покрытием наблюдается снижение сопротивления контакта, повышение выхода годных при изготовлении и большая стабильность работы при эксплуатации при повышенных нагрузках.

Результаты коммутационных испытаний герконов МКА-36201 с вольфрамовым покрытием
№ п/п	Режим	До испытаний	После испытаний
		Fcp	Foтп	Кв	Rпep, Ом	Fcp	Ротп	Кв	R пep, Ом
1	36 В - 100 мА, f=50 Гц, n=10^6 ср	60	34	0.57	0.02	60	32	0.53	0.07
2	68	42	0.7	0.03	68	42	0.62	0.04
3	60	32	0.53	0.03	60	32	0.53	0.04
4	70	44	0.63	0.03	72	42	0.58	0.05
5	60	40	0.67	0.02	62	40	0.65	0.03
6	64	34	0.53	0.02	66	46	0.7	0.06
7	66	48	0.73	0.02	60	32	0.53	0.04
8	36 В - 3 А, f=5 Гц, n=10^4 ср	72	46	0.64	0.04	72	54	0.75	0.13
9	62	38	0.61	0.03	64	36	0.56	0.03
10	68	36	0.53	0.02	68	44	0.65	0.05
11	56	32	0.57	0.03	56	32	0.57	0.04
12	62	32	0.52	0.02	62	34	0.55	0.04
13	64	40	0.63	0.02	64	36	0.56	0.04
14	62	24	0.39	0.03	62	22	0.35	0.09
15	250 В - 1 А, f=5 Гц, n=5×10^4 ср	66	26	0,39	0.03	64	24	0.38	0.05
16	64	46	0.72	0.04	64	36	0.56	0.05
17	64	30	0.47	0.03	66	26	0.39	0.04
18	60	24	0.4	0.03	60	26	0.43	0.1
19	56	30	0.54	0.02	58	28	0.48	0.04
20	72	32	0.46	0.03	70	30	0.43	0.04
21	64	44	0.69	0.03	66	38	0.58	0.06

Источники информации

1. Патент РФ на полезную модель № 50714, МПК Н01/02, 1/66, опубл. 20.01.2006 г. Бюл. № 2.

2. Электрические и магнитные свойства металлов и сплавов. / О.А.Шматко, Ю.В.Усов, Киев, Наукова думка, 1987 г., 583 с.

3. Патент РФ на изобретение № 2279149, МПК Н01Н 1/02, 1/66, опубл. 27.06.2006 г. Бюл. № 1.