<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Kontakte mit Kontaktflächen, die für niedrige Spannungen, z. B. auf dem Schwachstromgebiet, benutzt werden, etwa bei Anschlussklemmen, die mit Verbindern für gedruckte
Schaltungen zusammenarbeiten, bei Gleitkontakten mit aus Nickel und Berylliumkupfer bestehenden
Kontaktflächen und bei Stift-Buchsen-Verbindern, wie sie in Vielfachsteckverbindern Verwendung finden.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Kontakte, welche für extrem niedrige Spannungen bestimmt sind, wobei eine hohe Zuverlässigkeit gefordert wird und nur ein sehr kleiner Millivoltabfall an der elektrischen
Grenzfläche in Kauf genommen werden kann.
Häufig wird diesen hohen Anforderungen durch Plattieren der Kontaktflächen mit Gold oder einem andern
Edelmetall entsprochen. Gold wird wegen seiner Korrosionsfestigkeit und seiner ausgezeichneten elektrischen
Leitfähigkeit bevorzugt. Reines (unlegiertes) Gold ist ein ideales Plattiermetall, da es eine bessere elektrische
Leitfähigkeit hat als jedes legierte Gold und da es verhältnismässig bildsam ist, so dass, wenn zwei goldplattierte
Kontaktflächen aneinander angreifen, die Plattierungen sich plastisch verformen und sich einander anpassen und so einen Zwischenflächenkontaktbereich bilden. Eine reine Goldplattierung hat jedoch eine sehr schlechte
Verschleissfestigkeit, was dazu führt, dass mit der Zeit das Grundmetall freigelegt wird, wodurch die Bildung von
Oxydfilmen und ein Abbau der Leitfähigkeit gefördert werden.
Aus diesen Gründen wird mindestens ein zusätzliches Metall mit einer Goldplattierung zusammen niedergeschlagen ; üblicherweise werden Nickel, Kobalt,
Silber und Eisen verwendet. Der gewählte Legierungszusatz stellt einen Kompromiss dar, da eine Goldlegierung eine verminderte Leitfähigkeit hat. Ausserdem ist die resultierende Oberflächenschicht härter und kann nicht so leicht plastisch verformt werden wie eine weiche Plattierung aus reinem Gold, so dass die Qualität der Kontaktzwischenfläche vermindert wird.
Wegen der Kosten muss die Dicke von Goldplattierungen auf einem absoluten Minimum, das sich mit den
Leistungsanforderungen vereinbaren lässt, gehalten werden. üblicherweise werden Plattierungen verwendet, die eine Stärke von 0, 000076 mm haben, und selbst so dünne Plattierungen erhöhen die Gesamtkosten des
Kontaktes beträchtlich.
Es ist anderseits auch bekannt, an einer Kontaktfläche zur Verbesserung des elektrischen Kontaktes eine leitfähige Masse aus einer mit einem Bindemittel agglomerierten Masse von pulverförmigem Graphit, Silber und/oder Kupfer vorzusehen.
Es ist nun gefunden worden, dass die Kontaktfläche eines elektrischen Gleitkontakts besonders wirksam geschmiert werden kann, wenn extrem kleine hexagonale Graphitpartikel so mit der Kontaktfläche verbunden werden, dass die Grundebenen der Partikel im wesentlichen parallel zur Kontaktfläche liegen. Dies kann erreicht werden, indem die Graphitpartikel so auf die Kontaktfläche aufgebracht werden, dass jedes Partikel im
Augenblick des Aufbringens unter einer Scherbeanspruchung steht. Der Ausdruck "scheren" bedeutet in diesem
Zusammenhang eine Verformung, bei der parallele Ebenen in Metallkristallen sich so verschieben, dass sie ihre parallele Beziehung zueinander aufrechterhalten, wodurch sich eine Blockbewegung ergibt (Metals Handbook,
1948, A. S. M. Cleveland, Ohio).
Diese Scherbeanspruchung bewirkt, dass die Partikel eine Abscherung der
Grundflächen erfahren, und nach dem Auftreffen auf der Kontaktfläche weist jedes Partikel mindestens zwei
Graphitplättchen auf, von denen eines das andere überlappt. Wenn zwischen etwa 5 bis 40%, vorzugsweise etwa
10 bis 20% der Kontaktfläche mit derartigen Partikeln bedeckt sind, wird die Abnutzungsfestigkeit der
Kontaktflächen wesentlich verbessert. Die Partikel verbinden sich mit der Kontaktfläche mit einem hohen Grad von Festigkeit ; sie können durch Ultraschallreinigung mit einem herkömmlichen Lösungsmittel oder Entfetter nicht entfernt werden, und sie werden auch nicht durch irgendwelche physische Mittel, z. B. Handhabung, in ihrer Lage verändert, sofern nicht die Goldplattierung selbst entfernt wird.
Ein elektrischer Kontakt, an dessen Kontaktfläche sich Graphitpartikel befinden, kennzeichnet sich gemäss der Erfindung dadurch, dass unmittelbar mit der aus einem relativ weichen Metall, vorzugsweise durch eine Plattierung mit Gold oder einer Goldlegierung, gebildeten Kontaktfläche Partikel aus hexagonalem Graphit verbunden sind, deren Grundebenen parallel zur Kontaktfläche liegen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstellen eines solchen elektrischen Kontaktes besteht darin, dass Partikel aus hexagonalem Graphit zur Kontaktfläche mit einer Relativgeschwindigkeit bewegt werden, die so gross ist, dass einige der Graphitpartikel beim Aufprall auf die Kontaktfläche eine Abscherung erfahren, bei welcher die Grundebenen der abgescherten Partikelteile zumindest angenähert parallel zur Kontaktfläche zu liegen kommen.
Die hexagonalen Graphitpartikel sollten verhältnismässig rein sein (Graphitgehalt vorzugsweise 99% oder mehr) und eine Partikelgrösse von weniger als 100 Il, vorzugsweise weniger als 801l haben. Im Handel erhältliche Sorten, die erfolgreich Anwendung gefunden haben, sind die Sorten 4742, 4735,5035, die von der Superior Graphite Company of Chicago, Illinois, geliefert werden ; Sorte 90, die von Speer Carbon Products Division, St. Mary's, Pa., geliefert wird ; und die für allgemeine Zwecke verwendeten mikrofeinen Graphitschuppen, die von AD. Mackey Inc., New York, geliefert werden. Alle diese Sorten von hexagonalem Graphit haben eine durchschnittliche Partikelgrösse von 30 bis 4 Oll, mit Ausnahme von Superior 4742, die eine durchschnittliche Partikelgrösse von 1 Il hat.
Die Partikel werden in der geforderten Weise der Scherbeanspruchung unterworfen, indem sie mit einer
<Desc/Clms Page number 2>
ausreichend hohen Geschwindigkeit gegen die Kontaktfläche gesprüht werden. Das Auftreffen eines Partikels auf die Kontaktfläche hat eine innere Spannung in dem Partikel zur Folge, die zu Scherung entlang der Grundebene führt. Die Partikel können auch mittels einer rotierenden Schleifscheibe aufgebracht werden, wobei der Druck der Scheibe gegen die Kontaktfläche die verlangte Scherbeanspruchung des Partikels erzeugt. Partikel könnten auch gegen die Kontaktfläche mittels Walzen gedrückt werden, wenn die Walzen und die Kontaktfläche hinreichend glatt wären. Ein einfaches Berieseln der Kontaktfläche mit den Partikeln oder ein leichtes
Aufbürsten der Partikel auf die Fläche bringt die geforderte Scherbeanspruchung nicht hervor.
Der mit Graphitpartikeln bedeckte Prozentsatz der Kontaktfläche ist nicht kritisch. Wenn mehr als 20% der Kontaktfläche mit Graphitpartikeln bedeckt sind, kann die elektrische Leistungsfähigkeit der Kontaktfläche beeinträchtigt werden, und wenn weniger als 10% der Fläche bedeckt sind, kann die Schmierung nicht ausreichend sein. Vorzugsweise sind etwa 15% der Kontaktfläche mit Partikeln bedeckt.
Die erfindungsgemässe Schmierung sollte nicht verwechselt werden mit der herkömmlichen Schmierwirkung von Graphit. Verhältnismässig grosse Mengen von Graphit werden häufig zum Schmieren von Vorrichtungen wie
Schlössern und Fahrradketten verwendet. Dies ist jedoch eine Masseschmierung, und die einzelnen Graphitpartikel bestehen aus einer Vielzahl von Kristalliten (unregelmässigen Kristallen), die willkürlich orientiert sind. Wenn eine goldplattierte Kontaktfläche mit derartigem Massenschmiergraphit berieselt wird oder das Graphit leicht auf eine solche Fläche aufgepinselt wird, so wird das Graphit die Plattierung abreiben und auf diese Weise die Abnutzung der Plattierung beschleunigen.
Eine derartige beschleunigte Abnutzung ergibt sich vermutlich deshalb, weil die polykristallinen Aggregate an der elektrischen Zwischenfläche einzelne Kristallite enthalten, deren Grundebenen senkrecht zu den Kontaktflächen orientiert sind. Wenn derartige senkrecht orientierte Kristallite unter Druck über eine Kontaktfläche bewegt werden, höhlen sie die verhältnismässig weiche und extrem dünne Goldplattierung aus. Die erfmdungsgemässe Schmierwirkung ist ein molekulares oder Einkristall-Phänomen, bei dem die Eigenschaften einzelner Graphitkristalliten die Hauptrolle spielen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Von den Figuren zeigen : Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Gerätes zum Aufbringen von Graphit auf eine Kontaktfläche gemäss der Erfindung ; Fig. 2 einen Schnitt durch eine Einzelheit des Gerätes von Fig. l ; Fig. 3 eine schematische Darstellung der Art und Weise, in der Graphitpartikel auf die Kontaktfläche aufgebracht werden ; und Fig. 4 eine schematische, geschnittene Seitenansicht von zwei Kontaktflächen, wobei die Art und Weise gezeigt ist, in welcher die Kontaktflächen durch Graphitpartikel geschmiert werden.
Das Sprühverfahren zum Aufbringen von Graphit auf eine Kontaktfläche kann ausgeführt werden mit einem Gerät gemäss Fig. l, das einen Kanister--16--aufweist, der auf einem Schwingungsgerät--17-- montiert ist. Eine Platte-18- (Fig. 2) ist in dem Kanister angeordnet, und ein Rohr --20-- erstreckt sich durch die Platte nach oben. Die Platte hat Öffnungen mit einem Durchmesser von etwa 0, 355 mm. Ein Strom von Trockenstickstoff wurde unter einem Druck von 3, 52 kg {cm2 durch das Rohr --20-- eingeführt und nach unten durch die Öffnungen geleitet.
Dieser Stickstoffstrom trug eingefangene Graphitpartikel durch das Auslassrohr --21-- zu der Douse-23-. Der Strom wurde gegen die gereinigten und entfetteten goldplattierten Kontaktflächen--10--von Randverbindern--8--für gedruckte Schaltungen gerichtet, und einige der Partikel blieben haften, so dass die Kontaktfläche in erfindungsgemässer Weise graphitisiert wurde. Die Kontakte sind einstückig mit einem Trägerstreifen verbunden, welcher an der Düse mit einer Geschwindigkeit von etwa 142 cm/min vorbeibewegt wird.
Nachdem jeder Kontakt besprüht war, wurde er in einem Ultraschallbad od. ähnl. mit einem Lösungsmittel oder Entfetter gereinigt, um alle nichthaftenden Partikel zu entfernen.
Es wird angenommen, dass das Anhaften der Partikel an der Kontaktfläche so stattfindet, wie es in Fig. 3
EMI2.1
jedes einzelne Partikel in Wirklichkeit eine grössere Anzahl als die schematisch in Fig. 3 gezeigte Anzahl von Grundebenen hat. Es wird auch angenommen, dass sich die Partikel senkrecht auf die Fläche --10-- zu bewegen und dass alle Partikel Einkristalle sind. Die Oberflächenrauhheit der Kontaktfläche--10--wird im Interesse der Einfachheit hier nicht beachtet.
Einige der in Fig. 3 gezeigten Partikel erfahren eine Scherung beim Auftreffen auf die Fläche --10-- und verbinden sich mit dieser, während andere Partikel abprallen. Partikel--4a--verbindet sich vermutlich nicht mit der Kontaktfläche-10--, da seine Grundebenen parallel zu der Fläche orientiert sind, und der Aufprall dieses Partikels, selbst wenn er mit grosser Kraft stattfindet, wird keine Scherbeanspruchungen zur Folge haben.
Partikel-4b-wird sich vermutlich nicht mit der Fläche verbinden, obwohl es eine Scherung erfahren kann.
Die Scherung dieses Partikels wird jedoch nicht darin resultieren, dass eine neue Graphitfläche in Kontakt mit der Fläche --10-- gebracht wird, da die Grundebenen dieses Partikels senkrecht zur Fläche-10- orientiert sind. Partikel--4b--oder Teile dieses Partikels könnten sich mit der Fläche --10-- verbinden, wenn das Partikel im Zeitpunkt des Auftreffens in solcher Weise zersplittern würde, dass eine neue Graphitfläche in Kontakt mit der Fläche-10-gebracht würde.
<Desc/Clms Page number 3>
Die Partikel --4c, 4d und 4e--verbinden sich mit der Fläche--10--, wenn beim Aufprall die erforderliche Scherbeanspruchung auftritt. Es ist offensichtlich, dass, wenn diese Partikel auf die Fläche auftreffen, die Aufprallkraft eine parallel zu den Grundebenen --6-- der Partikel orientierte Komponente
EMI3.1
Spielkarten eines Packs von Spielkarten sich über eine Fläche ausbreiten, wenn die Seite des Kartenpacks angestossen wird. Die durch die Scherung frei werdende neue Graphitfläche gelangt mit der Fläche --10-- in Kontakt und bleibt an dieser haften. Eine schematische Darstellung des Partikels--4d--nach dem Anhaften ist bei --4d'-- gezeigt.
Weitere kristallographische Phänomene können ein Anhaften der Graphitpartikel an der Kontaktfläche bewirken, insbesondere Zwillingsbildung und prismatische Verschiebung der Begrenzungsflächen, jedoch wird vermutet, dass diese Phänomene verhältnismässig kleine Rollen spielen.
Das Partikel--4--von Fig. 3 hat eine durchschnittliche Querabmessung (es erstreckt sich im wesentlichen parallel zur Ebene der Fläche) von etwa 6 J. I. und weist zwei oder mehrere Schichten auf, von denen jede ein Graphitplättchen bildet, wobei jeweils eines dieser Plättchen das andere überlappt.
Eingehende Studien lassen vermuten, dass die Partikel einzelne Kristallite, d. h. kristallographisch homogene Bereiche von Graphit, sind, deren Grundebenen sich im wesentlichen parallel zur Ebene der Kontaktfläche erstrecken. Diese Beobachtung stimmt überein mit experimentell bestimmten Werten der Parameter der elastischen Nachgiebigkeit von Graphiteinkristallen. Es hat sich gezeigt, dass für die Abscherung der Grundflächen
EMI3.2
= 4350 X 10-4 cm2 jDyn,Bd. H, S. ISO, von W. M. Reynolds, Marcel Dekke Inc., New York 1966).
Die Höhe eines Partikels--4--von Fig. 3 über der Fläche kann nicht genau bestimmt werden infolge der
Kleinheit der Partikel und da die Rauhheit der Kontaktfläche um Grössenordnungen grösser ist als die Partikelgrösse. Beispielsweise hat eine verhältnismässig glatte Fläche Höhenvariationen von etwa 2500Ä, wogegen die Höhe der Partikel im Bereich von etwa 60 bis 100 A liegt, was in der unten beschriebenen Weise bestimmt wurde.
Messungen der Partikelhöhe wurden durchgeführt mittels eines Schattenabdruckverfahrens, bei dem ein Kunststoffbelag auf eine graphitisierte Glasfläche aufgebracht und dann abgezogen wird, so dass Graphitpartikel (die nicht leicht an dem Glas anhaften) an dem Kunststoff haften bleiben. Eine dünne Schicht von metallischem Platin wird unter einem bekannten Winkel auf die Oberfläche des Kunststoffabdruckes niedergeschlagen, und die von den anhaftenden Graphitpartikeln geworfenen Schatten, d. h. die nicht mit Platin bedeckten Bereiche, werden gemessen. Diese Messungen zeigen an, dass die Partikel eine Höhe von etwa 100 Â haben. Diese Messung zeigt auch an, dass jedes Partikel Plättchen aufweist, die einer Scherung unterliegen, wenn die Kontaktfläche über eine dazu passende Kontaktfläche geschoben wird.
Insbesondere ist der Abstand zwischen der basalen (0001) Kristallebene einer hexagonalen Graphitkristallebene 3, 40 Ä, und Plättchen mit einer Dicke von 100 A könnten daher eine weitere Scherung der Grundebene erfahren, bis sie in eine begrenzte Anzahl von etwa 30 atomaren Plättchen aufgeteilt sind.
Wenn zwei gemäss der Erfindung behandelte Flächen in bezug aufeinander verschoben werden (Fig. 4), wenn also beispielsweise zwei Kontakte miteinander in Eingriff gelangen, werden die Unebenheiten der Flächen übereinander bewegt und bilden elektrischen Kontakt. Es wird vermutet, dass der Schmiereffekt der Graphitpartikel gemäss der Erfindung dadurch erreicht wird, dass die Plättchen --4-- auf den Kontaktflächen eine weitere Scherung erfahren. Die Graphitplättchen zwischen den Kontaktflächen vermindern die Reibung zwischen den Flächen und das Fressen der Oberflächen, das sonst auftreten würde.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht : Beispiel I : Eine Messingscheibe mit einem Durchmesser von 25, 4 mm und einer Dicke von 0, 33 mm wurde mit Nickel elektroplattiert auf eine Dicke von 127 X 10-6 cm und sodann mit Gold auf die gleiche Dicke, wobei ein Zyanid-Goldbad verwendet wurde, dass 0, 85% Silber als Glanzzusatz enthielt. Die Goldplattierung hatte eine Knoopsche Härte von etwa 110 bis 115.
Die Scheibe wurde gründlich im Tridampf entfettet, und dann wurde eine Oberfläche der Scheibe für etwa 5 sec gegen eine Baumwollpolierscheibe gedrückt, die einen Durchmesser von 15, 24 cm hatte, mit Graphitpartikeln geladen war und mit einer Geschwindigkeit von 1760 Umdr/min rotierte. Anschliessend wurde die Scheibe in einem Ultraschallreinigungsbad aus Freon (eingetragenes Warenzeichen) gereinigt. Eine mikroskopische Untersuchung zeigte, dass etwa 15% des gesamten Kontaktflächenbereiches Graphitpartikel enthielt.
Die Scheibe und ein Kontrollmuster mit einer nichtgraphitisierten plattierten Oberfläche wurden einem
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1