Разработка прототипа установки для массового изготовления герконов с нитридным самовосстанавливающимся покрытием на поверхности контакт-деталей из пермаллоя

Целью проекта является разработка промышленной установки для массового изготовления принципиально нового поколения герконов с самовосстанавливающими, нитридосодержащими и наноструктурированными контактными покрытиями, формируемыми в оболочке геркона из материала его железоникелевых контакт-деталей и азотного наполнения в условиях воздействия на контакт-детали геркона переменных магнитного и электрического полей. Это оборудование в перспективе должно заместить гальваническое оборудование, применяемое в настоящее время для изготовления защитных контактных покрытий герконов. Геркон - электромеханическая система, состоящая из железоникелевых контактов, запаянных в герметичную стеклянную колбу, которая наполнена азотом. Контакты геркона одновременно являются упругими элементами, магнито- и токопроводами. Под действием внешнего магнитного поля контакты изгибаются и замыкаются. После прекращения его воздействия упругие силы, возникающие при изгибе, размыкают контакты. В циклах замыкания-размыкания, количество которых у современных герконов может достигать порядка миллиона и более, на поверхности и в приповерхностной области контактов протекают сложные физико-химические процессы, приводящие к повышению их контактного сопротивления, эрозии, механическому разрушению, и, в конечном счете, к отказу коммутаторов. Длительную, безотказную и стабильную работу герконов принято обеспечивать за счет гальванического осаждения защитных контактных покрытий из золота, палладия, родия или рутения. Такой технологический подход характеризуется большой электро- и материалоемкостью, дороговизной оборудования и материалов покрытий, высоким уровнем экологической опасности, а также трудностью получения покрытий с низкими внутренними напряжениями и с высокой адгезией к материалу контактов. Мы видим решение этих проблем во внедрении в производство установки для массового изготовления герконов, формирующей нового типа самовосстанавливающие контактные покрытия с элементами наноструктур на основе нитридов железа и никеля в условиях воздействия на контакт-детали геркона переменных магнитного и электрического полей. Такая установка должна стать альтернативой гальваническому оборудованию, а новые покрытия должны стать альтернативой гальванопокрытиям из дорогостоящих благородных и редких металлов. Нитриды железа и никеля могут быть получены методом электроискрового легирования азотом железоникелевых контактов непосредственно в герметичной колбе геркона, наполненной азотом. Покрытия формируются внутри геркона на финишной стадии его изготовления в условиях воздействия на контакт-детали геркона переменных магнитного и электрического полей, вызывающих периодическое замыкание - размыкание контакт-деталей, протекание - разрыв электрического тока через геркон и импульсные разряды между его контактами. Такая способность к азотирования характерна, в отличии от покрытий из благородных металлов, только для азотосодержащих покрытий железоникелевых контактов, поэтому при коммутации герконом электрического тока одновременно с процессом эрозии покрытия происходит его восстановление. Принципиальная возможность электроискрового легирования азотом поверхности контактов герконов экспериментально подтверждена авторами проекта. Устройство установки и способ группового изготовления герконов запатентованы также авторами проекта (патенты РФ № 2742556, 2739583). Однако до внедрения установки в производство герконов ей предстоит в рамках данного проекта пройти путь от создания прототипа до разработки опытного образца установки. Оптимизации конструкции и режимов работы установки невозможно без детального исследования процессов массопереноса и электрической эрозии контактных поверхностей при коммутации тока и формировании покрытий. В настоящее время не существует общепризнанных физических моделей этих процессов, протекающих в неравновесных условиях в ограниченных микро- и наноразмерных объемах вещества за короткие промежутки времени (порядка микро и наносекунд). В рамках данного проекта будет проведены детальные исследования элементного и химического состава, толщины, структуры и морфологических особенностей нитридных железоникелевых покрытий в зависимости от конструктивных особенностей и режимов работы установки, а также изучено влияние физико-химических характеристик покрытий на электропроводность, стабильность и ресурс работы герконов. Будет использовано новейшее исследовательское оборудование, в том числе, металлографические, атомно-силовые и растровые электронные микроскопы, оснащенные приставкой для рентгеноспектрального микроанализа, масс-спектрометры, включая времяпролетные масс-спектрометры вторичных ионов и т.д. На основе такого комплексного подхода авторы проекта рассчитывают: - оптимизировать конструкцию и режимы работы установки; - уточнить механизмы массопереноса, электрической эрозии и электроискрового легирования азотом контактных поверхностей; - оптимизировать технологический процесс производства замыкающих 14 мм герконов с контактными покрытиями на основе нитридов железа и никеля и создать промышленное оборудование для серийного производства этих и им подобных коммутаторов. Планируется изготовление и реализация герконов непосредственно компанией Заявителя. Планируется также совместное производство и реализация установок с компаниями "Yichang Faerie Vacuum Tech Co." Ltd (КНР) и ООО "Шибболет" (РФ). Установка может представлять интерес для компаний-производителей герконов, таких как OKI, Littelfuse (Hamlin), АО "РЗМКП", Standex-Meder, Nippon Aleph, HSI Sensing, Coto, PIT-RADWAR, STG, Harbin Electric Group, Zhejiang Xurui. Предлагаемое оборудование позволит отказаться от традиционных покрытий на основе дорогостоящих металлов, улучшить технические характеристики герконов и экологическую безопасность производства, снизить в 1,5 раза себестоимость изготовления, увеличить в 2 раза срок службы. Предложенная технология является инновационной и «зеленой» (экологически безопасной), а разрабатываемое оборудование в перспективе должно составить конкуренцию, а в будущем заменить в промышленных масштабах гальваническое оборудование, применяемое в настоящее время для изготовления защитных контактных покрытий герконов.