отправка...Фреттинг-коррозия и ее влияние на жизненный цикл электрических соединителей
Дмитрий Гаманюк
Электрический соединитель — это электромеханическое устройство, состоящее из ряда узлов и деталей, которые также подвержены негативному влиянию ВВФ. Интересным
представляется рассмотрение воздействия одного
из малоизученных у нас ВВФ — фреттинг-коррозии. В общем случае она является следствием комплексного воздействия механических и климатических показателей окружающей среды.
Фреттинг-коррозия, ее природа
и влияние на технические устройства
Фреттинг-коррозия — это форма разрушения металла на границе раздела двух соприкасающихся поверхностей, которые колеблются относительно друг
друга [4]. Действующий ГОСТ 5272-68 «Коррозия
металлов. Термины» дает следующее определение:
«Фреттинг-коррозия — это коррозия при колебательном перемещении двух поверхностей относительно друг друга в условиях воздействия коррозионной среды». Разрушение металла происходит
вследствие его атмосферного окисления, однако скорость процесса значительно увеличивается в некоторой зависимости от показателей колебательного
движения.
В результате относительного колебательного движения контактирующих поверхностей возникают
силы трения, приводящие к истиранию пленок молекулярного кислорода, ранее адсорбированного металлом из атмосферы. В некоторый начальный момент времени это способствует увеличению площади чистого металлического контактирования и, как
следствие, снижению переходного сопротивления
соединителя. Далее, однако, наличие чистых металлических поверхностей, вкупе с повышающейся
вследствие трения температурой, приводит к химическим реакциям окисления контактирующих поверхностей. Вследствие постоянного механического
воздействия окислы также не являются защитой от
продолжающегося процесса механико-химического
износа контактов. Между токопроводящими частями соединителя образуется достаточно широкий слой
окислов, толщина которого с ростом времени эксплуатации может увеличиваться. Это приводит к непрогнозируемому увеличению переходного сопротивления контактов, снижению его стабильности во
времени и, как следствие, ухудшению характеристик
соединителя в целом.
Разработчики и эксплуатанты соединителей, используя их в нейтральной атмосфере или в вакууме,
сталкиваются с явлением фреттинга, то есть механического истирания поверхностей. Это приводит к изменению площади контактирующих поверхностей,
а значит, к изменению сопротивления стягивания,
сопротивления поверхностных пленок, переходного сопротивления всего контакта в целом и, в конечном итоге, к провоцированию явления самоиндукции с наведением в коммутируемой цепи паразитных сигналов.
Влиянию фреттинг-коррозии подвержены все материалы практически во всех средах и условиях.
Впервые термин «фреттинг-коррозия» был предложен в 1939 г. американскими учеными Томлинсоном,
Тропом и Гоудом в работе «Исследование коррозии
фреттинга близко соприкасающихся поверхностей».
Термин «фреттинг» используется для обозначения разрушения материала вследствие исключительно механических взаимодействий соприкасающихся поверхностей. Проводимые в течение XX века западными
учеными многочисленные исследования фреттингкоррозии привели к выводам о ее негативном влиянии, в том числе и на основную характеристику соединителей — электрическое сопротивление. Так, в 1974 г.
Бок и Витли, американские исследователи компании
АМР (в настоящее время TYCO), разрабатывающей
и производящей электрические соединители, с использованием механического стенда, моделирующего фреттинг, получили результат увеличения электрического
сопротивления всех из 36 опытных контактов. Причем контактные пары были изготовлены из различных металлов: как цветных, так и черных.
В ряде случаев фреттинг-коррозия даже являлась причиной потери контактирования [2].
В данной работе, в частности, отмечается, что
в течение достаточно малого времени воздействия фреттинг-коррозии сопротивление контактов изменилось с начальных значений диапазона тысячных долей Ом до единиц Ом. Контактная группа установки, моделирующей
фреттинг-коррозию, в этом случае представляла собой сегмент сферы и плоскость. Зависимость увеличения сопротивления контактной
пары от времени фреттинг-коррозии показана
на рис. 1. Горизонтальный график соответствует работе контактной пары в смазке. На рис. 1
видно, что за время 30 мин сопротивление возрастает с 5 мОм до 10 Ом при контактном нажатии 50 г. В работе [2] также исследована зависимость увеличения сопротивления во время фреттинг-коррозии от усилия контактного
нажатия. Установлено, что с ростом усилия увеличивалось и время достижения повышенного
сопротивления. Так, с ростом контактного нажатия в 3 раза время достижения заданного сопротивления при фреттинг-коррозии увеличивалось для оловянной контактной пары примерно в 2 раза.
Рис. 1. Рост сопротивления оловянной
контактной пары с увеличением времени фреттинга
Рис. 2. Схема аппарата, моделирующего фреттинг-коррозию в опытах
В 2007 г. японские ученые Ито, Мацушима,
Таката и Хаттори исследовали явление фреттинг-коррозии применительно к электрическим контактам слаботочных электрических цепей современной цифровой техники [3].
Для моделирования явления использовалась
специальная установка (рис. 2). Конфигурация
контакта показана на рис. 3. Основным предметом исследования здесь стала оценка влияния
толщины дополнительного покрытия контактной пары и усилия контактного нажатия на скорость роста сопротивления при фреттинг-коррозии. Полученные результаты представлены
на рис. 4. Видно, что с увеличением усилия
контактного нажатия в три раза достигнутое
за одно и то же время сопротивление контактной пары уменьшается минимум на порядок.
Что касается толщины защитного покрытия,
то полученный результат вначале обескураживает: с ростом толщины покрытия растет и сопротивление контакта в аналогичных условиях. На самом деле этот вывод не однозначный
и говорит о слабом изучении предмета. Материалы покрытий могут по-разному переносить
фреттинг, поэтому не факт, что в данном случае они являлись защитными.
Рис. 3. Конфигурация контакта
Рис. 4. Рост сопротивления контактной пары в ходе фреттинг-коррозии
при контактном усилии: а) 1 Н; б) 3 Н
Общий вывод, который можно сделать на
основании анализа двух работ — [2] и [3], заключается в установлении зависимости сопротивления при фреттинг-коррозии от усилия
контактного нажатия, толщины пленки защитного покрытия и наличия смазки в контактной зоне.
Интересно, что в работах [2] и [3] не проводилось исследование фреттинга в зависимости
от формы контактирующих поверхностей.
Контактная группа представляла собой пару
«сфера – плоскость», что, после начала испытаний, фактически сводилось к контактированию
по плоскости. И действующий ГОСТ 23.211-80
«Обеспечение износостойкости изделий. Метод
испытаний материалов на изнашивание при
фреттинге и фреттинг-коррозии» предписывает проводить исследования соприкасающихся плоскостей. Классический справочник [4]
дает информацию о степени влияния фреттинга в зависимости от используемых материалов, специфики эксплуатации и условий
окружающей среды. Очевидно, установление
зависимости фреттинг-коррозии от конструктивных особенностей контактов — предмет
дальнейших исследований. Ясно же то, что
фреттинг-коррозия минимизируется с увеличением и оптимизацией усилия нажатия в контактной паре. Авторы справочника [4] также
в качестве профилактических мероприятий
против фреттинг-коррозии рекомендуют минимизировать взаимное перемещение контактов, увеличив силу трения между ними.
В этой связи интересным будет проанализировать конструктивные особенности электрических соединителей по обеспечению и оптимизации усилия контактного нажатия.
Конструктивные особенности создания
контактного нажатия
в электрических соединителях
Упругие элементы — неотъемлемая часть
абсолютного большинства соединителей и упрощенно предназначены для обеспечения соприкосновения токоведущих частей. Токоведущие части любого соединителя состоят из
штыря и гнезда, где и размещаются упругие
элементы. Конструкции контактных устройств
постоянно совершенствуются, но, как правило, упругие элементы представляют собой
пружины различного вида, принципиальное
различие которых заключается в их способе
крепления в штыре или гнезде (таблицы 4.1
и 4.2 [1]). Фактически упругий элемент может
представлять собой либо консольную балку,
закрепленную с одного конца, либо балку, закрепленную с двух сторон. Примером упругого элемента в виде консольной балки может
служить стандартный соединитель с пластинчатой пружиной (рис. 5). Характерный пример упругого элемента в виде балки с двумя
опорами — соединитель с гиперболоидным
гнездом, выполненным в виде корзины, состоящей из натянутых упругих проволок
(рис. 6). При этом проволока гиперболоидного гнезда работает не только на изгиб, но и на
растяжение.
Рис. 5. Соединитель с упругим элементом гнезда
типа консольной балки
Рис. 6. Конструкция гиперболоидного гнезда
Усилие контактного нажатия Pk в контактной паре электрических соединителей в общем случае определяется выражением (1) [5]:
где f — прогиб упругого элемента, м; n — коэффициент пропорциональности, зависящий
от вида балки и точки приложения контактного усилия: он равен 3 для консольной балки и 48 для балки на двух опорах с силой, приложенной в центре; E — модуль упругости 1-го
рода, Н/м2; Ix — момент инерции поперечного сечения упругого элемента, м4; l — активная длина упругого элемента, м.
При анализе выражения (1) становится ясно, что при прочих равных условиях усилие
контактного нажатия, создаваемые упругими
элементами, в 16 раз больше у конструкции
в виде балки на двух опорах с результирующей
силой, приложенной в ее центре. Эта конструктивная особенность позволяет получать гораздо бóльшие контактные усилия, что, в конечном итоге, кардинально влияет на минимизацию вредных последствий фреттинг-коррозии.
Известно несколько принципиальных конструктивных схем упругих элементов электрических соединителей в виде балки на двух
опорах [1], однако схема гиперболоидной корзины имеет, теперь уже по сравнению с ними,
весьма важное преимущество. Оно заключается в гораздо большем числе контактных поверхностей, определяемых числом упругих
проволок корзины.
Важнейшей характеристикой любого соединителя является переходное сопротивление—
сопротивление зоны соприкосновения кон-
тактирующих поверхностей. В общем случае
величина переходного сопротивления соединителя определяется выражением [6]:
Rпер = ρ/2r — для одноточечных контактов,
Rпер = ρ/2rn — для многоточечных контактов,
где ρ — удельное электрическое сопротивление контактного материала, Ом·м; r — радиус контактной поверхности, м; n — число контактных поверхностей.
При прочих равных условиях соединитель
с гиперболоидным гнездом обеспечивает и высокую стойкость к фреттинг-коррозии и минимизирует величину переходного сопротивления, которая к тому же остается стабильной
за счет демпфирования внешних механических воздействий.
Кроме того, при использовании соединителей по предназначению, во время механической вибрации могут происходить локальные
потери контактирования с образованием искровых пробоев воздушных зазоров. Размер
и количество мест электрического пробоя обратно пропорционально зависят от усилия
контактного нажатия в соединителе. Увеличение температуры контактов в местах электрического пробоя является каталитическим фактором, приводящим к ускорению реакции
окисления, что также увеличивает скорость
разрушения от фреттинг-коррозии.
Гиперболоидное гнездо конструктивно состоит из упругих проволок, причем основания, к которым они крепятся, радиально развернуты относительно друг друга. Такая геометрия гнезда позволяет плотно охватить
штырь соединителя по всей его длине, демпфирует внешние механические воздействия
и препятствует образованию воздушных промежутков между контактирующими поверхностями.
С целью исключения потери упругости проволок гиперболоидной корзины, их провисания и ослабления в процессе эксплуатации на
стадии проектирования соединителя рассчитывается и закладывается выполнение простого условия [1]:
где σу — усталостное напряжение материала
пружины, при котором возможна его остаточная деформация—сохранение «растянутого»
состояния после расчленения контактной пары;
σпр — реальное напряжение, действующее
в пружине в момент максимального растяжения; n — коэффициент запаса упругости.
Обычно его выбирают в пределах 1,5–2.
Таким образом, действующие напряжения
значительно меньше усталостных, что и гарантирует исключение остаточных деформаций пружин корзины в течение всего срока
службы соединителя.
Впрочем, такая мера применяется при расчетах упругих элементов любых конструктивов, что и позволяет обеспечивать требуемое
усилие в течение установленного времени эксплуатации.
Заключение
Фреттинг-коррозия продолжает оставаться
уникальным и чрезвычайно мало изученным
феноменом комплексного воздействия внешней среды на электронную (электрическую) аппаратуру различных применений. Многие такие приборы, в частности, медицинские, аэрокосмические, транспортные и т. д., вообще не
должны выходить из строя, так как речь идет
о здоровье и жизни людей. Проведенный в статье анализ позволяет наметить меры противодействия фреттинг-коррозии в сфере электрических соединителей. Предложены способы минимизации последствий фреттинг-коррозии
с помощью конструктивных решений соединителей, так как использование благородных
металлов или усложнение технологии изготовления — меры не оригинальные и дорогостоящие. Возможное решение минимизации фреттинг-коррозии основано на использовании
в электрических соединителях гиперболоидного гнезда. Разработчиком и крупнейшим
производителем соединителей на этой основе является компания Hypertronics Corporation.
Гиперболоидные соединители этой компании применяются в аппаратуре в транспортной, медицинской, аэрокосмической и военной областях. Надежность и эффективность
этих продуктов подтверждается положительными результатами испытаний, эксплуатации, апробированным высоким ресурсом (до
100 000 циклов сочленения/расчленения) [7].
Такой ресурс может быть необходим в следующих приложениях:
- В системах тестирования электронных компонентов (например, высокостабильных
кварцевых генераторов, испытывающихся
в различных режимах) в системах входного контроля производств радиоэлектронной промышленности. - На испытательных станциях предприятий,
где приборы РЭА проходят испытания на
влияние ВВФ. - В медицинских приборах и системах: физиотерапия, мониторы контроля состояния
пациентов, аппараты магниторезонансной
томографии и т. д.
Литература
- Белоусов А. К., Савченко В. С. Электрические разъемные контакты в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Энергия, 1967.
- Bock E. M., Whitley J. H. Fretting Corrosion in
Electric Contacts. Prepared for Presentation at
the Twentieth Annual Holm Seminar on Electrical
Contacts. October 29–31, 1974. - Ito T., Matsushima M, Takata K., Hattori Y.
Factors Influencing Fretting Corrosion of Tin
Plated Contacts // SEI Technical Review. No 64.
April, 2007. - Коррозия. Справочное изд. / Под ред.
Л. Л. Шрайера, пер. с англ. М.: Металлургия,
1981. - Левин А. П. Контакты электрических соединителей радиоэлектронной аппаратуры
(Расчет и конструирование). М.: Советское
радио, 1972. - Лярский В. Ф., Мурадян О. Б. Электрические соединители / Справочник. М.: Радио
и связь, 1988. - www.hypertronics.com