物理气相沉积涂层技术在高可靠电磁继电器制造上的应用展望.pdf

第 期 年 月 机电元件 ELECTROMECHANICAL COMPONENTS 收稿日期 工 艺 与 材 料 物理气相沉积涂层技术在 高可靠电磁继电器制造上的应用展望 陈白帆 陈俊峰 北京航天控制仪器研究所 北京 中国航天电子技术研究院 厂 广西桂林 摘要 本文仅针对国内外 物理气相沉积 创新技术和解决方案的不断问世 以高可靠等级电磁继电器触 点制造中普遍使用的电镀工艺为例 扼要介绍了 技术的涂层特点 替代传统的电镀金 电镀银 电镀镍等表面 处理工艺的可行性 以及对产品性能和可靠性提升的重要性 本研究对转变宇航级 高可靠军用电磁继电器等机电产 品生产制造模式具有重要意义 关键词 物理气相沉积 电镀工艺 工艺固有缺陷 特种表面涂层 高可靠继电器 中图分类号 文献标识码 文章编号 1 引言 物理气相沉积涂层 技术出现在二十 世纪七十年代末 近年来 物理气相沉积涂层技 术发展迅速 广泛应用在需表面成膜的工程领 域 目前 在刀具 模具 零件制造领域广泛应 用 其可制备各种特殊力学性能的薄膜涂层 如 超硬 高耐蚀 耐热 抗氧化 低摩擦 自润滑等 可制备各种功能薄膜材料涂层 如防辐射 热学 性能 电学性能 随着涂层材料和涂层技术在不 断发展 目前的涂层已发展为添加多种功能化元 素 具有多种结构的多元多层复合涂层 并且由 于纳米涂层的出现和电弧离子镀 离子束磁控溅 射技术的不断发展 实现了涂层结构 涂层显微 结构 晶体结构 晶粒形状等的可控性 进一步提 高了涂层的硬度 抗磨损性 最高使用温度 抗氧 化性和自润滑性 进一步改善了涂层均匀致密 性 基底结合力 韧性 进一步降低了涂层内应 力 摩擦系数等性能指标 并且该工艺技术对环 境没有不利影响 符合目前绿色生产的发展方 向 2 继电器制造的涂层应用现状 继电器 行程开关和连接器等机电组件在制 造中 使用了大量金属材料 其中许多金属材料 在自然环境下受空气中的氧 二氧化硫 硫化氢 水蒸气等的作用很容易就会发生化学或电化学 腐蚀 在某些恶劣条件下例如高温高湿 酸碱气 氛 海洋气候等的作用下更加加速了金属的腐蚀 过程 而金属表面的涂覆是防止腐蚀所采用的重 要手段 涂覆的作用不仅用以防腐 在这些产品 的生产过程和使用中 许多涂层还需起到可焊性 好 耐转动磨损 耐振动磨损 耐微动磨损 抗电 蚀等特殊功能 尤其触点涂层的导电性 抗粘着 性 耐高温和抗烧蚀性及引出焊的可焊性等 是 产品提高使用寿命和提高可靠性的关键 可以说 涂覆技术是电子元件质量保障的基础 金属表面的涂覆方法主要有传统的电镀 化 学镀 热浸涂等 也有近年来发展迅速的物理气 相沉积 真空镀膜 溅射镀膜 离子镀 等新兴涂 层技术 目前 国内继电器生产行业依然大量采 用电镀工艺 例如 镍在常温下对水和空气都是 稳定的 能保护内部金属不再受氧化 而且镍具 有铁磁性 所以 镍层常用于电子元件的磁性零 件电镀 如轭铁 衔铁等 银和锡具有良好的焊接 性能 导电性也好 因此用于引线 角片等零件的 表面镀层 金的化学性质非常稳定 除被王水外 不被任何酸 碱或气体所腐蚀 导电性优良且稳 定 因此被大量用于继电器产品接触系统零件的 表面镀层 如簧片 触点等 电镀金是继电器产品接触系统内零件的主 要镀种 例如簧片 接点 触点和插针插孔等 用 于防止触点表面氧化和减少接触电阻 但电镀 工艺普遍存在镀层厚度的一致性差 镀层致密性 不好 镀层孔隙率高等缺陷 容易引起镀层粘接 熔焊和电化学反应腐蚀 电镀银是电子元件产品中 铜及铜合金零 件 可伐合金烧结组件及不锈钢等零件的主要镀 种 例如外壳组 底座组 推动器 支架 磁钢 角 片 驱动盘等 用于增加锡焊性能和防腐 但因 银是重金属最活跃的元素 与氧反应会生成一个 分子层厚的氧化银 在标准电势 时 银 发生电化学反应较慢 但空气中微量硫化氢和银 离子发生反应 形成硫化物时会释放能量 降低 标准电势 从 降至 使银变的 更加活跃 成为硫化银 镀银层氧化后 干涉颜色 从黄变红变蓝变褐色最后变黑色 易变色问题 一直是电镀的难题 在电镀银工艺上难以有有效 措施进行控制 镀镍 包括电镀镍和化学镀镍 是电子元件产品中 纯铁类 铜及铜合金和封接 合金类等零组件的主要镀种 例如铁芯 轭铁 衔 铁 轴端件 底座组 外壳组等 用于加强点焊 激 光焊性能和防腐 但电镀工艺普遍存在镀层厚 度的一致性差 镀层致密性不好 镀层孔隙率高 等缺陷 导致耐磨性差 并容易引起镀层粘接 锈 蚀 发黑 脱落 并存在腐蚀及电化学反应问题 以上镀种都存在重金属污染和治理问题 正面临 着诸多限制及逐渐淘汰的局面 同样存在电镀 普遍存在的镀层厚度的一致性差 镀层致密性不 好 镀层孔隙率高和镀层镀制过程显微组织结构 不可控等缺陷 继电器产品中对电磁系统工作起到关键作 用的轴类零件 也由于没有合适的摩擦系数小且 硬度高的镀种 一直以来都没有进行表面镀覆 因而常发生零件磨损 轴承卡滞等产品质量问 题 同时往往是一件零件为防锈整件镀镍 使轴 端表面也镀上镍层 如中功率继电器连轴轭铁 零件平面为与副磁极或轭铁配合实现产品功能 小轴与支片配合带动推动器实现产品转换功能 选用纯铁 表面镀镍起防锈蚀作用和不导磁 现 在的工艺方法 无法达到两功能均最优 而且镀 后的表面粗糙度下降 尺寸分散 影响轴直径最 终尺寸 镀层较多缺陷 镀镍层也不适合作转动 轴摩擦副膜层 还有其他一些材料小轴 不锈钢 锡青铜 孔类零件也同样存在此类问题 电子产品中最关键的电接触部件一般分为 固定接触 滑动接触和可分接触三类 继电器就 属于可分合接触 其触头是三类中技术难度最大 的 从对触头材料的要求 接触电阻 接触电压 触头温度 触头振动 触头电动力 触头熔焊 触 头磨损等问题分析 这些触头特性都与材料有 关 要求触头材料导电 导热性能良好 有优良抗 电弧侵蚀性 耐磨损性 接触电阻较小和更好的 抗熔焊性 满足这些触头材料电气 机械 热 化 学 组织结构的综合要求的材料是不存在的 而 目前 触头材料表面采用电镀金的方法也只是主 要为了保护材料表面在生产过程中不被氧化 仅 能实现的指标为电阻率 硬度 熔点 目前 电镀纯金状态的涂层 没有即满足电阻率 又抗氧化 还能耐高温防烧 蚀抗电弧的特性 近年来 社会环境要求的不断提高 电镀工 艺技术本身的缺陷越显突出 特别是电镀污染问 题日趋严重 未来电镀工业的发展将逐步倾向 第 期陈白帆等 物理气相沉积涂层技术在高可靠电磁继电器制造上的应用展望 于 装饰性和高抗蚀性工艺 无氰电镀 代铬等清 洁电镀工艺和无污染高新工艺技术 以及涂层性 能更佳 可控性更好 更绿色环保的喷涂 离子 镀 溅射镀等物理气相沉积工艺 3 涂层技术及应用发展 技术是一门介乎材料学 物理学 电子 化学等多学科的新兴边缘学科 现在一般把真 空镀膜 溅射镀膜 离子镀等都称为物理气相沉 积 其基本原理是在真空条件下 采用低电压 大电流的电弧放电技术 利用气体放电使靶材蒸 发 并使蒸气物质与气体都发生电离 并利用电 场的加速作用 使被蒸发的物质及其反应产物沉 积在工件上 目前 较为成熟的 方法主要是 多弧镀和磁控溅射镀两种方式 从刀具应用领域 其涂层成份也从第一代的 发展为 和 等多元复 合涂层 近年来 纳米涂层技术的出现 如 涂层等使得 涂层性能得到质 的提升 纳米涂层的物理特性及与之对应的优点 包括 硬度极高 代表其耐磨性 极好 摩擦系数低 耐高温 不容易氧化 化学屏障 导热率低 再如惯性导航平台系统中动压马达轴承的 研制 为实现动压马达高速旋转的高精度 长寿 命 高可靠性 实现表面抗磨损 摩擦系数小 自 润滑性能 也经历了从 年代初 选用碳化钨 碳 化硼等硬质合金材料 到开展 涂层技术研 究 从单面镀 膜 发展到镀 膜对 膜 现在进一步发展到在金属铍表面镀 膜 对 膜 使动压马达的精度 可靠性 寿命不断 提高 满足新的型号研制需求 在民用领域 手 表外壳离子镀金也是这一技术应用的成功范例 相同的厚度涂层 因比电镀的涂层致密性高 孔 隙率低 附着力强 耐磨性能提高 倍以上 用 硫酸阳极氧化生成的 同样可以用电子束 蒸发沉积 涂层 用 离子束辅助轰击电 子束蒸发沉积 涂层 使沉积在衬底表面或涂层 表面的金属 原子被深度氧化 公司和 公司已制备出 涂层 应用于 高速刀具上 美国陆军装备研究所研究工程中心 实 验室为解决使用高效炮弹后炮管电镀涂层寿命 大幅降低问题 开展了磁控溅射方法和电镀方法 在炮管涂 层的特性比对研究 图 为电镀 涂层显微图像 图 所示为磁控溅射 涂 层显微图像 电镀 涂层显微图像中可见较 多的微裂纹 微裂纹中含有如氢 水和硫酸盐成 份 而磁控溅射 涂层显微图像中几乎看不 到微裂纹 涂层很纯 图 电镀 涂层显微图像 图 磁控溅射 涂层显微图像 针对特殊功能的涂层研究也有诸多进展 红 外隐身涂层 电磁屏蔽涂层 抗辐射涂层等 如 材料科学与工程学报 年总第 期 真空 电镀制备非连续合金薄膜及其在电磁屏蔽中的 应用 研究表明 在真空电镀工艺下在有机基底 上制备的由铝 锡 铟组成的合金薄膜的电磁屏 蔽性能 金属层总厚度不超过 时平均电磁 屏蔽性能可到 四川大学材料科学与工程学院 核辐射屏蔽 材料的研究进展 课题组进行大气等离子喷涂制 备 及 梯度屏蔽涂层的试 验研究工作 初步试验结果表明 复合材料整体 拉伸强度达到 在 延伸率内涂层未 机 电 元 件 年 出现裂纹及脱落 且具有优良的抗热疲劳性能 这种复合材料对快中子 慢中子及 的 屏蔽效果已委托中国核动力研究设计院进行了 测试 采用热喷涂技术在不锈钢基材表面制备 热应力缓和型屏蔽功能涂层如 铁镍铝的各种金属间化合物及其梯度功能材 料 则制备的复合材料兼有良好的结构性能和对 中子 射线的综合屏蔽效果 涂层技术及应用的可实现性 以 成 膜的特点为例进行分析 作为过渡金属有代 表性的氮化物 几乎可以在任何一种材料表面形 成细晶粒的高硬涂层 高速生长的致密细晶粒结 构的 涂层的硬度会更高 膜在微电子制 造技术中 通过控制溅射 原子的沉积速率和控 制 离子与沉积 原子的反应速率 可实现 涂层电阻率的变化 有实验研究结果证实从 到 的降低 通过采用辅助 离子轰击生长 膜 随着提高辅助轰击的离子 束流密度 生长晶粒的优选晶面可由 晶面 转向 晶面 采用较大偏压的磁控溅射 可获 得 与 混合优选晶面 采用 离子 辅助轰击生长的 膜 可将晶粒的优选晶面控 制为 提高离子轰击能量与减小生长膜晶 粒尺寸的相关现象 也已被一些实验所证实 目前 二元 三元金属氮化物的备制技术也 已成熟 如 从 材料性能上看 二元 三元金属氮化物的硬度 摩 擦系数 薄膜附着力和抗氧气能力等材料性能相 当优良 某些特性还别具特色 例如 的硬 度极高 代表其耐磨性极好 正是因为 系统的工作参数独立可控的 自由度大 灵活性强 被镀件表面涂层生长环境 远优于电镀方法 可有效监控涂层生长过程 并 可对被镀件表面进行离子束预清洗及对生长的 涂层施加离子束辅助轰击 在涂层过程产生的 界面混合 增强扩散和浅层注入等效应 显著提 高了涂层对衬底的材料适应度 并且 适用的材 料范围很广 如单元素 多元素 混合元素 化合 物 合成物材料等 所以 通过 方式 我们可 根据应用需求 对涂层特性要求进行可选择的备 制 通过单元素的备制参数控制 多种不同元素 的选择配比 备制参数的优化 使得涂层常见的 参数性能要求 如表面硬度 表面摩擦系数 耐腐 蚀性能 热稳定性 物理毒性 化学亲和性 抗磨 损性能 尺寸精度 内应力 结合力 热学性能 电 学性能 颗粒度等性能得以综合实现 当然 涂层技术具有很好的化学稳定性 许多方面性能优于电镀工艺 但也必然存在其固 有的一些特征 缺陷 如涂层存在较大残余应 力 主要与涂层的成核 生长以及微结构密切相 关 涂层表面还普遍存在较多 较大的熔滴颗粒 也会产生少量的微观针孔缺陷 当然这些缺陷是 可以通过 技术的改进 离子注入技术对涂层 的改性等技术手段得以改善 而功能梯度材料 涂层 技术的出现又给工程应用带来了更广阔 的前景 4 在电磁继电器制造上的应用展望 高可靠电磁继电器作为武器装备系统中重 要的电子元器之一 其在电子元器件类中的质量 故障率较高 近年来 国家大力发展航天 深空探 测 星际航行 空间站的建设 都对电子元器件的 高可靠性提出了更高的要求 所以 主要针对触 点和轴端件造成的失效机理 我们应研制新的功 能涂层 采用先进的制备方法 彻底解决电镀方 法的诸多固有缺陷 从根本上解决继电器关键零 件出现的粘结 磨损 烧蚀等影响产品性能与可 靠性问题 早在 年 大连理工大学材料系就立项并 开展 离子镀替代电镀技术研究及专用设备的研 制 得到国家计委 机械工业部 大连市经委的 资助 近些年来国外也提出利用离子镀代替电 镀技术研究 如美国 日本采用 多组电阻坩埚蒸 发源离子镀铝代替电镀镉 电镀锌 和 空心阴极 离子镀铬代替电镀铬 方面研究 并应用到生产 上 美国道格拉斯公司采用滚筒式离子镀设备来 处理连接件 一次处理 件 年的第二 届电工产品可靠性与电接触国际会议上 瑞士 第 期陈白帆等 物理气相沉积涂层技术在高可靠电磁继电器制造上的应用展望 博士就通信继电器的性能和可靠性 发表的文章中 也明确了制造工艺比材料自身更 重要 在用电镀涂层和离子溅射涂层制造工艺 中 离子溅射方法往往被优先考虑 因为这种镀 层提供清洁的接触表面和最稳定的接触电阻 博士的另一项研究证实 继电器动 触点表层溅射镀上 材料 接触电阻值非常 稳定 在完成要求的 次动作后也几乎无变 化 因此 在军用继电器等机电组件制造过程 中 应用 技术代替电镀技术势在必行 并必 将使继电器产品的品质 可靠性和寿命有一根本 的提高 在涂层材料的应用研究方面 从国内外文献 调研发现 美国空间材料实验室在电触头材料表 面制备了金复合导电耐磨纳米结构涂层 以获得 性能优异的导电耐磨和耐烧蚀特性 瑞士使用 方法在电触头材料上制备纳米 非晶 涂层 并研究了导电性能 法国国家科学研究中 心在电触头表面镀镍涂层 研究改善触头材料在 干燥和润滑条件下微动磨损性能 北京科技大学 也开展了在触点材料表面用真空镀膜方法镀制 复合涂层 研究了触点镀层在电 力 振动 微动 热多因素环境的耦合系统中材料的失效行为和 机理 开展了陶瓷复合触点研究 清华大学摩擦 学国家重点实验室开展了触点镀金层表面激光 改性研究 以提高触点耐磨损性能 第 届国际电接触会议 和第 届电 工产品和电接触可靠性国际会议 上 俄 法研究人员发布了其研究工作内容 从改进 镀层入手 对以往使用的金 金涂层接触对有 极低的接触电阻 接触压力 但易 产生粘结问题 首先在材料的选择上 筛选了钌 铑 钨 钼 最后确定用钌 其价格较为合适 化学 稳定性好 制品接触电阻低 通过金与钌对比实 验 次操作中 用纳米级钌涂层的触 点全部不出现粘结 而接触电阻只是稍稍增大 对继电器触点粘结失效和衔铁转动失效模 式中 及衔铁与磁铁面贴合处 镍涂层脱落现象 实际上还存在滑动磨损机理 其表现在摩擦学或 材料学中都是一个十分复杂的问题 因为它与大 量的影响因素有关 涉及到材料表面界面复杂的 物理和化学过程 实际上继电器在装配调试阶 段 触点动作就已有发生粘着现象 继电器在试 验筛选阶段 触点在动作过程中 触点表面存在 冲击和滑动磨损 衔铁与磁钢贴合时 存在微动 磨损 衔铁转动过程中 轴表面与轴孔表面存在 转动磨损和微动磨损 整个过程就是氧化磨损 磨粒 微切削 磨损 疲劳磨损和粘着磨损四种基 本磨损机制并存的综合复杂过程 从表面氧化 微切削 应变疲劳 粘着的顺序发展 所以 此 方面的失效分析 不能不涉及滑动磨损机理 甚 至还存在腐蚀磨损机理 最佳和最彻底的改进措 施必将通过特殊涂层的研究和改进 彻底消除此 类失效问题 所以 在继电器生产制造过程中 我们把继电器的涂层应用功能大致分为两类 第 一类为保护性的 防腐蚀 防电化学腐蚀 防盐 雾 耐磨 第二类为功能性的 导电率 导热率 可 焊性 高熔点 低摩擦系数 自润滑 耐磨损和不 相容材料的密封连接等 当然 有些涂层还需满 足后续工序的加工要求 就继电器而言 第一类 的应用 只要将电镀方法改为 方法 方 法 其涂层的质量就能有很大的提升 并在此类 应用领域国内外已有非常多的研究成果和成熟 工艺 目前 组织开展的工艺试验研究已证明了 此方法的技术性能优势 在零件表面 生产工装 模具和工具上的应用 使用寿命大幅提高 玻璃 推动器镀氮化钛膜已经完成验证试验 而第二 类中 要实现耐磨损 低摩擦系数 摩擦副的自润 滑功能也已有大量研究和应用成果 业内已有文 献介绍 总装也将其列入专项重大工艺技术中 也已有厂家开展了相应的研究试验 很快可进入 应用阶段 在研究触点电特性的实现中 虽然有许多文 献介绍了除金以外可供选用的纯金属材料 如难 熔金属鉑 钨 钼 鈀等单元素 有很高的熔点和 好的抗电弧腐蚀性能 金属钨就是最好的难熔 金属 其熔点在 沸点在 大量文 献资料也有金属合金材料 复合材料和金属陶瓷 机 电 元 件 年 材料的研究介绍 但其或多或少都有某些方面的 缺陷 并也缺少应用研究 因此 本研究观点认为 继电器制造行业触点新涂层的应用研究方向应 分三步走 第一步从难熔金属单元素开始 第二 步再开展二 三元素复合涂层和多元素涂层研 究 第三步 针对基材的电极电位与涂层电极电 位差值大 易发生电化学腐蚀等问题 开展功能 梯度涂层研究 此项目作为一个技术基础研究 是系统和体系化的研究内容 需要开展大量深入 的预先研究试验工作 对涂层设计 制备技术 元 素选定 涂层特性机理 涂层对基材特性的影响 触点对涂层差异化及摩擦 磨损机理和电接触性 能 抗烧蚀等均需进行大量试验验证 为此 针对军用电磁继电器产品行业的制造 技术需求情况 初步设想有以下 类应用 电接触部件抗氧化 耐 超 高温 耐磨 损 抗粘着 抗熔焊 良导电性 固体润滑单元素 涂层 多元素复合涂层研究 支承和转轴类零件 耐磨损低摩擦系数 自润滑涂层应用研究 导电杆可焊性涂层研究 固体继电器抗辐射加固特种复合涂层 梯度功能