CC BY
67
УДК 53
К.А. Арушанов, И.А. Зельцер, Е.Н. Моос ФРАКТАЛЬНОСТЬ НИТРИДНЫХ КОНТАКТОВ
Методами атомно-силовой и оптической микроскопии изучены железоникелевые контактные поверхности после ионно-индуцированной модификации в пульсирующем разряде азота. Показана зависимость фрактальной размерности поверхностных гетерогенных структур от длительности ионно-плазменной обработки и мощности режимов коммутации. Фрактальная размерность позволяет численно характеризовать эволюцию рельефа и оптимизировать режимы получения коррозионно- и эрозионно-устойчивых контактов с высокой проводимостью.
атомно-силовой, ионно-индуцированный, разряд, геркон, контакт, нитрид, фрактал, поверхность.
Известно, что фрактальный анализ в течение последних лет широко используется в материаловедении для исследования эволюции морфологии поверхности под действием концентрированных потоков энергии [2; 4]. Такого рода воздействия применяются для модификации свойств поверхности и приповерхностных слоев, например, для нитрирования, карбонитрирования, бориро-вания металлов.
Одним из наиболее перспективных способов повышения коррозионной и эрозионной устойчивости поверхности металлов является ионное азотирование в пульсирующей плазме тлеющего разряда.
Идея применения этого метода для создания контактных поверхностей герконов, альтернативных гальванопокрытиям из драгоценных металлов, нашла свое экспериментальное подтверждение в цикле работ, ссылки на которые можно найти в работе [5].
Процесс ионно-плазменной обработки железоникелевых контактов в пульсирующей плазме азота происходит непосредственно в оболочке геркона [5]. Ограниченность в объеме, импульсный характер разряда при высокой концентрации в пространстве и во времени потоков подводимой энергии означает неравновесность плазменной среды и ионно-индуцированных в ней гетерогенных поверхностных контактных структур. Процессы, происходящие при коммутационных испытаниях герконов [5], также из-за ограниченности газового объема являются термодинамически неравновесными, а ионные потоки формируют неравновесные структуры. Согласно [3] термодинамическая неравновесность процессов обработки может приводить к фрактальности формируемых ими структур.
Цель данной работы состояла в применении фрактального анализа в сочетании с атомно-силовой микроскопией для исследования влияния параметров
ионно-плазменной обработки, режимов коммутации на состояние шероховатости и свойства контактных поверхностей герконов. Настоящие исследования проводятся впервые.
Опытными образцами являлись герконы МКА-14108, конструктивно выполненные на базе серийных приборов МКА-14103 [1]. Особенность конструкции этих герконов по сравнению с серийными приборами - в отсутствии золоторутениевых гальванопокрытий на пермаллоевых контактах.
Контактные пружины штамповались из пермаллоевой проволоки марки <ЮПаШп», обезжиривались и отжигались в атмосфере водорода. Проволока вытягивалась из катанки пермаллоя (52 % №, 48 % Fe) вакуумной плавки. В качестве газового наполнения при герметизации использовался спектрально чистый (99,999 %) азот с давлением в оболочке геркона р = 33-103 - 40-103 Па.
Ионно-плазменное воздействие контактных поверхностей проводилось высоковольтными импульсными разрядами при разомкнутых контактах (зазор d = 27-30 мкм). Использовались два режима, отличающиеся электрофизическими условиями разряда и, как следствие, степенью нагрева подложки.
Первый режим - режим ионного азотирования - обеспечивает диффузионное насыщение приповерхностных слоев контактов атомами азота, формирование на контактах азотированного слоя с заданными контактными свойствами. Оптимизация свойств упрочиваемой поверхности, ее коррозионная и эрозионная стойкость, электропроводность обеспечиваются за счет необходимого сочетания нитридного и диффузионного слоев, которые образуются в основном материале. В зависимости от химического состава нитридный слой является либо у’-фазой ^е4^) либо 8-фазой ^е2_3№).
Во втором режиме реактивного катодного распыления на поверхности контактов формируется пленка, состоящая из нитридов железа и никеля. Эти покрытия и ионно-азотированные слои удовлетворяют современным требования к контактным поверхностям герконов. Длительность обоих режимов (при однократной обработке) составляла 30 с.
Процессы азотирования и напыления происходят непосредственно в самом герконе. Стеклобаллон выполняет функцию рабочей камеры, а контакт-детали попеременно служат анодом и катодом.
Подробное описание процессов обработки и испытаний данных типов гер-конов приведено в работе [5].
Образцы после обработок высоковольтными разрядами подвергались коммутационным испытаниям. Измерения сопротивления, напряжения пробоя герконов и коммутационные испытания на безотказность проводились с применением оборудования и методик, представленных в работе [1].
О морфологии модифицированной поверхности судили по результатам атомно-силовой микроскопии (АСМ) с помощью зондовой нанолаборатории NTEGRA. Для лучшего анализа полученных двумерных структур их изображе-
ния были обработаны в режиме «Local Equilization», который позволяет контрастировать тонкую структуру поверхностных объектов.
Фрактальная размерность определялась, а затем усреднялась по четырем методам: подсчет кубов, триангуляция, декомпозиция и спектр мощности. Полученные при этом данные сопоставлялись с результатами измерения ряда характеристик, в частности, напряжения пробоя и переходного контактного сопротивления.
Ионно-азотированные слои. Исследовались зависимости фрактальной размерности, сопротивления, напряжения пробоя герконов с ионно-азотированными слоями от длительности ионного воздействия (с учетом многократности воздействия).
После различных по длительности обработок на рисунке 1 представлены 2D-изображения контактных поверхностей и графики названных выше зависимостей.
В результате ионной бомбардировки на поверхности образуются поверхностные поры. Концентрация их, как видно из рисунка 1b - 1d возрастает с увеличением длительности обработки. Развитие пор завершается ростом на их дне конических выступов.
Полученные на рисунке 1е зависимости указывают на инвариантность фрактальной размерности, сопротивления, напряжения пробоя герконов к изменению длительности обработки в диапазоне 30-100-кратного воздействия. Контактные поверхности после 30-100-кратной обработки обнаруживают самоподобные свойства. Все полученные в этих режимах ионно-азотированные слои инвариантны от длительности обработки и обладают всеми необходимыми для стабильной работы геркона электрическими, коррозионными и эрозионными свойствами. При этом 30-кратная обработка является минимальной по времени, а поэтому наиболее оптимальной с точки зрения практического применения. Таким образом, фрактальная размерность дает численную оценку не только шероховатости поверхности, но и всей обработки в целом, способствуя тем самым ее оптимизации.
Покрытия, полученные методом реактивного катодного распыления. Исследовалось влияние величины мощности режима коммутации на фрактальную размерность, среднюю квадратичную шероховатость и другие характеристики рельефа контактной поверхности.
Рис. 1. 2D АСМ-изображение контактной поверхности: а - без обработки,
Ь - 18-кратная обработка, с - 51-кратная обработка, d - 100-кратная обработка; е - зависимости сопротивления R, напряжения пробоя и, усредненной фрактальной размерности Sf геркона МКА-14108 от количества обработок п (Я и и усреднялись по медиане; количество образцов в партии - 100 шт.)
Counts Counts
Испытания опытных образцов на безотказность проводились по методике с переменным температурным режимом: 1/4 наработки при температуре 125 С + + 1/4 в нормальных условиях + 1/4 наработки при температуре 125 С + 1/4 в нормальных условиях с двухчасовой выдержкой герконов в замкнутом состоянии перед коммутацией. Критерии отказа — неразмыкание контактов или сопротивление R > 0,1 U/I, где U и I - коммутируемые напряжение и ток. Результаты сравнительных испытаний опытных образцов и серийно выпускаемых гер-конов представлены на рисунке 2.
Рис. 2. Наработка (количество срабатываний при безотказной работе - К) опытных образцов (А) и серийно выпускаемых герконов (В) в различных режимах коммутации (* - переменный температурный режим коммутации, без * - коммутация а нормальных условиях)
Из их рассмотрения видно, что герконы, изготовленные по ионно-плазменной технологии в режиме реактивного катодного распыления, в основном превосходят по длительности безотказной работы серийно выпускаемые герконы с контактными гальванопокрытиями из драгоценных металлов.
На рисунке 3 представлены АСМ-изображения контактной поверхности и графики зависимостей величины фрактальной размерности и средней квадратичной шероховатости от величины мощности режима коммутации.
Рис. 3. 2D АСМ-изображение контактной поверхности после обработки и коммутации: а - без коммутации, Ь - режим 50 мВ - 10 мА (Р = 0,0005 Вт), с - 180 В - 0,03 А (Р = 5,4 Вт), d - 30 В - 0,5 А (Р = 15 Вт); е - зависимости усредненной фрактальной размерности Sf и средней квадратичной шероховатости Rq от величины мощности Р режима коммутации
При рассмотрении изображений поверхности и графиков на рисунке 3 видно, что рельеф поверхности претерпевает существенные изменения с ростом мощности режима коммутации. И если в микрорежиме (рис. 3b) эти изменения малозаметны, то, начиная примерно с 5,4 Вт (режим 180 В - 0,003 А), изменения морфологии становятся существенными (рис. 3 с, d, e). Так, например, при коммутации в режиме 30 В — 0,5 А за счет теплового действия дуги размыкания [1] на поверхности контактов образуются конусообразные поры глубиной 50 нм и шириной 2 500 нм (рис. 3d), которые, как показали испытания, не препятствуют размыканию контактов.
C увеличением мощности коммутации, начиная примерно с 4 Вт (режим 14,5 В — 0,27 А), наблюдается синхронный спад величины значений фрактальной размерности Sf и средней квадратичной шероховатости Rq, которые при 5 Вт (режим 10 В — 0,5 А) достигают минимума, затем при 5,4 Вт (режим 180 В — 0,03 А) возрастают, а потом снова начинают убывать (рис. 3е).
Таким образом, полученные результаты указывают на перспективность применения метода атомно-силовой микроскопии в сочетании с фрактальным анализом и измерением электрофизических параметров герконов для численной оценки эволюции рельефа и оптимизации режимов получения коррозионно-и эрозионно-устойчивых контактов с высокой проводимостью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Карабанов, С.М. Магнитоуправляемые контакты (герконы) и изделия на их основе [Текст] / С.М. Карабанов, Р.М. Майзельс, В.Н. Шоффа. — Долгопрудный : Интеллект, 2011. — 408 с.
2. Попов, В.Л. Статистика длин и зависимость суммарной длины контактов от нормальной силы для фрактальных поверхностей с различным индексом Хирша [Текст] / В.Л. Попов, А.Э. Филиппов // Письма в ЖТФ. — 2008. — Вып. 18. — Т. 34. — С. 47—53.
3. Потапов, А.А. Исследование микрорельефа обработанных поверхностей с помощью методов фрактальных сигнатур [Текст] / А.А. Потапов [и др.] // Журнал технической физики. — 2005. — Вып. 5. — Т. 75. — С. 28—45.
4. Шугуров, А.Р. Фрактальный анализ эволюции поверхности трения гальванических покрытий AuNi [Текст] / А.Р. Шугуров [и др.] // Письма в ЖТФ. — 2012. — Вып. 10. — Т. 38. — С. 70—78.
5. Arushanov, К.А. New technology of ion-plasma modification of the contact surfaces of reed switches in oscillatory [Text] / K.A. Arushanov [etc.] // J. Phys. : Conf. Ser. — 2012. — Vol. 345. — № 012003. — Р. 1—28.
K.A. Arushanov, I.A. Zeltser, E.N. Moos THE FRACTAL NATURE OF NITRIDE CONTACTS
Iron-nickel contact surfaces subjected to ion-induced surface modification by means of pulsed nitrogen discharge are investigated by atomic-force microscopy and optical microscopy.
It is maintained that the fractal dimension of heterogeneous surfaces depends on the time of ion-plasma surface treatment and on the rate of switching modes. Surface fractal dimension quantitatively characterizes relief evolution and optimizes corrosion-resistant and erosion-resistant contact materials of high conductivity.
atomic force, ion-induced, charge, reed switch, contact, nitride, fractal, surface.
