20.09.2018
Технологии в электронной промышленности №4'2009
Фреттинг-коррозия и ее влияние на жизненный цикл электрических соединителей
Дмитрий Гаманюк
Современный этап развития техники характеризуется возросшими требованиями по устойчивости аппаратуры к воздействию механических и климатических внешних воздействующих факторов (ВВФ). Причем значения параметров, характеризующих ВВФ, постоянно изменяются в сторону ужесточения условий эксплуатации. Аппаратура на основных стадиях своего жизненного цикла подвергается комплексному воздействию температуры, сильно отличающейся от температуры при нормальных климатических условиях (НКУ), повышенной (пониженной) влажности, термоударам, синусоидальной и широкополосной случайной вибрации, механическим ударам, воздействию песка и пыли и т. д. В статье пойдет речь о влиянии фреттинг-коррозии на электрические соединители.
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
Опрос