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Die
Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Kontakt und ein Verfahren
zur Herstellung desselben nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Bei
Anwendung von Verfahren der Kaltkontaktiertechnik, die beispielsweise
auf der Verwendung von Schneidklemmverbindungen oder einer geeigneten
Einpresstechnik beruhen, ist bei mindestens einem der beiden Fügepartner
eine geeignete Vorbehandlung der Oberfläche vorgesehen. Auf diese Weise
wird eine Begrenzung der Fügekräfte durch
eine entsprechende Schmierwirkung bzw. Reduktion der Reibzahl zwischen den
Fügepartnern
erreicht, wobei der Zustand der Oberfläche möglichst definiert und reproduzierbar
sein sollte. Dies ist eine Voraussetzung für die Sicherstellung einer
form- und kraftschlüssigen Verbindung
sowie einer erfolgreichen Prozesskontrolle (Kraft-Weg-Überwachung).
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Bisher
sind Verfahren bekannt, bei denen eine Schmierwirkung entweder über eine
Zinnbeschichtung mit einigen Mikrometern Dicke oder über die
Applikation von chemischen Stoffen erreicht wird, deren Rückstände eine
Reduktion der Reibzahl der behandelten Oberfläche bewirken.
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Nachteilig
an Zinnbeschichtungen ist, dass beim Fügen der entsprechenden Fügepartner
systematisch im Klemmbereich Späne
gebildet werden, was in der späteren
Anwendung zu Kurzschlüssen
führen kann.
Die Applikation einer chemischen Oberflächenbehandlung birgt die Gefahr,
dass chemische Substanzen verschleppt werden und sie kann starken
Prozessschwankungen unterliegen. Damit gestaltet sich auch eine Prozesskontrolle
schwierig.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Kontakt bzw.
ein kostengünstiges
Beschichtungsverfahren zu dessen Herstellung vorzuschlagen, das
eine zuverlässige
Anwendung der Kaltkontaktiertechnik ermöglicht.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße elektrische
Kontakt bzw. das Verfahren zu dessen Herstellung mit den kennzeichnenden
Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche
hat den Vorteil, dass auf einfache und kostengünstige Weise eine Modifizierung
der Oberfläche
des elektrischen Kontaktes erreicht werden kann, die für eine zuverlässige Anwendung
der Kaltkontaktiertechnik geeignet ist. Dazu weist die Kontaktoberfläche insbesondere eine
Beschichtung auf, die aus einer Dispersion von Partikeln aus Kohlenstoff
und/oder einem Polymer in einem Metall gebildet ist. Die in der
metallischen Matrix eingelagerten Partikel wirken dabei als Schmierstoff,
der die Oberfläche
des beschichteten elektrischen Kontaktes gleitfähig macht. Besonders vorteilhaft
ist dabei die Verwendung eines kupfer- bzw. nickelhaltigen Metalls
als metallische Matrix zur Einlagerung der Partikel, da diese Metalle
sich durch Härte
und Korrosionsbeständigkeit
auszeichnen. Weiterhin ist von Vorteil, wenn als Kohlenstoffpartikel
Graphitpartikel bzw. als Polymerpartikel PTFE-Partikel eingesetzt
werden, da diese gut schmierende Eigenschaften zeigen.
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Mit
den in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen
elektrischen Kontaktes bzw. Verfahrens möglich.
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So
ist es von Vorteil, wenn die Beschichtung des elektrischen Kontaktes
galvanisch erfolgt, wobei dem galvanischen Bad Kohlenstoffpartikel
zugesetzt werden. Auf diese Weise kann die Beschichtung der Kontaktoberfläche kostengünstig und
weitgehend frei von Prozessschwankungen durchgeführt werden.
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Weiterhin
ist von Vorteil, wenn das zur Beschichtung verwendete galvanische
Bad Tenside enthält,
da auf diese Weise ein Agglomeration der im galvanischen Bad dispergierten
Partikel vermieden werden kann. Auf diese Weise wird ein reproduzierbarer
Einbau der Partikel in das metallische Gefüge der Beschichtung gewährleistet.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Die 1a zeigt schematisch eine Anwendung der Kaltkontaktiertechnik
mit Fügepartnern
gemäß Stand
der Technik, 1b zeigt schematisch eine Anwendung
der Kaltkontaktiertechnik mit Fügepartnern
gemäß vorliegender
Erfindung und 2 eine Schnittaufnahme durch
eine beschichtete Oberfläche
eines erfindungsgemäßen elektrischen
Kontaktes.
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Ausführungsbeispiel
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Der
elektrische Kontakt gemäß vorliegender
Erfindung weist zumindest in dessen Kontaktbereich eine Beschichtung
auf, die eine metallische Matrix umfasst, in die Partikel aus Kohlenstoff
und/oder einem Polymer eingelagert sind. Hauptbestandteil dieser
partikelhaltigen, metallischen Dispersionsschicht ist insbesondere Kupfer
und/oder Nickel, da diese Metalle ausreichend harte und korrosionsbeständige Beschichtungen
bilden; es können
jedoch auch Beschichtungen auf der Basis von Silber zur Anwendung
kommen. Die Beschichtung kann dabei Legierungen der genannten Metalle
untereinander oder mit weiteren metallischen Komponenten umfassen.
Wird eine silberhaltige Beschichtung in Betracht gezogen, so sollte
bei Anwendung des Kontakts als Schneidklemmverbindung beide Fügepartner
mit einer silberhaltigen Beschichtung versehen sein.
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Als
Kohlenstoffpartikel sind insbesondere Graphitpartikel geeignet,
da diese ein gute Schmierwirkung zeigen. Alternativ ist jedoch die
Verwendung von Ruß,
insbesondere von Ofenruß als
kohlenstoffhaltige Komponente möglich.
Als Polymerpartikel sind insbesondere Partikel aus Polytetrafluorethylen
(PTFE) geeignet; die Verwendung von Partikeln aus Silicon oder Perfluorosiliconen
ist ebenfalls denkbar. Die Partikel weisen dabei vorzugsweise einen
mittleren Durchmesser von bis zu 4 μm, insbesondere von 1 bis 3.5 μm auf. Die
Partikel sind in der Beschichtung bspw. zu 0.4 bis 2.5 Gew.% enthalten.
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Die
Beschichtung der Oberfläche
des elektrischen Kontaktes erfolgt vorzugsweise galvanisch. Dabei werden
die zur Einlagerung in die entstehende metallische Schicht vorgesehenen
Partikel dem galvanischen Bad zugesetzt und dispergiert. Der zu
beschichtende elektrische Kontakt wird in das galvanische Bad eingetaucht
und als Kathode kontaktiert.
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Das
galvanische Bad enthält
einen geeigneten Kupfer- bzw. Nickelelektrolyten, beispielsweise
auf der Basis entsprechender Metallcyanide. Beispielhafte Zusammensetzungen
galvanischer Bäder
zur Kupfer- bzw. Nickelabscheidung sind nachfolgend angegeben: Kupferabscheidung:
| Kupfergehalt: | 45
g/l |
| Freier
Kaliumcyanidgehalt: | 20
g/l |
| Kaliumhydroxidgehalt: | 10
g/l |
| Glanzzusatz | |
| Netzmittel | |
| Graphitpulver: | 100
g/l |
| Tenside
(50%ige Lösung): | 5
g/l |
Grundelektrolyt:
Wattscher Nickelelektrolyt Nickelabscheidung:
| 70
g/l | Nickel
(in Form von Nickelsulfat bzw. Nickelchlorid) |
| 15
g/l | Chlorid
(in Form von Nickelchlorid) |
| 40
g/l | Borsäure |
| 50 – 100 ml/l | Netzmittel |
| Insgesamt
70 – 100
ml/l | Glanzzusätze |
| 100
g/l | Graphitpulver |
| 5 ml | Tenside
(50%ige Lösung) |
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Durch
Zugabe eines Tensides wird die Agglomeration der Partikel verhindert
und der Einbau der Partikel in die Beschichtung gewährleistet.
Das galvanische Bad wird während
der Abscheidung der Beschichtung vorzugsweise bei einer Arbeitstemperatur
von 20 bis 60°C
betrieben, vorzugsweise bei 40°C
für die
Abscheidung von Kupfer bzw. bei 50°C für die Abscheidung von Nickel.
Weiterhin wird während
der Abscheidung eine Stromdichte von ca. 1-2 A/dm2 bei
der Abscheidung von Kupfer und von ca. 3 A/dm2 bei
der Abscheidung von Nickel eingehalten. Während der Abscheidung wird
das galvanische Bad bewegt, beispielsweise durch Rühren oder
eine geeignete Kreislaufführung
des Elektrolyts.
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Der
elektrische Kontakt wird vor der Beschichtung vorzugsweise einer
Vorbehandlung unterzogen. Dazu wird zumindest die zu beschichtende
Oberfläche
des elektrischen Kontaktes beispielsweise zunächst einer Entfettung unterzogen,
die vorzugsweise elektrolytisch bei einer Temperatur von ca. 50
bis 70°C,
insbesondere bei 60°C
und einer Stromdichte von ca. 2 bis 5 A/dm2,
insbesondere bei 3 A/dm2 für ca. 5
Minuten durchgeführt
wird. Die entfettete Oberfläche
wird danach vorzugsweise einer einminütigen Spülung mit demineralisiertem
Wasser unterzogen.
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Bedarfsweise
kann sich dann eine Aktivierung der zu beschichtenden Oberfläche anschließen. Dazu wird
diese beispielsweise einer 5%igen Schwefelsäurelösung bei Raumtemperatur für beispielsweise
2 Minuten ausgesetzt. Die zu beschichtende Oberfläche wird
dann erneut gespült.
Die so vorbehandelte Oberfläche des
zu beschichtenden elektrischen Kontakts wird dann der eigentlichen
Beschichtung unterzogen.
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Als
Nachbehandlung des beschichteten elektrischen Kontakts kann dieser
zunächst
erneut gespült werden,
worauf sich ein einminütiges
Heißspülen in demineralisiertem
Wasser bei 70 bis 95 °C,
insbesondere bei 90°C
anschließen
kann. Abschließend
wird der beschichtete elektrische Kontakt einer Trocknung bei 60°C, vorzugsweise
für 2 Minuten
in einem Trockenofen unterzogen.
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Der
elektrische Kontakt ist vorzugsweise als Steckkontakt ausgeführt. Bei
der Kaltkontaktiertechnik findet eine Verpressung der beiden Fügepartner
statt, beispielsweise in Form einer Schneidklemmverbindung oder
durch Einpresstechnik. Diese Vorgehensweise ist graphisch in den 1a und 1b verdeutlichet. Wird
dabei, wie in 1a verdeutlicht, ein Pin 12 in
eine Klemme bzw. Hülse 14 eingeführt, die
eine Beschichtung 15 gemäß Stand der Technik aufweist,
so kann es zur Bildung eines Spanes 16 kommen, der ggf.
zu einem Kurzschluss führen
kann. Wird dagegen die Hülse 14 mit
einer Beschichtung 15a gemäß vorliegender Erfindung versehen,
so kommt es, wie in 1b dargestellt, nicht zur Spanbildung.
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In 2 ist
ein Querschliff durch einen mit einer kohlenstoffhaltigen Kupferschicht
beschichteten elektrischen Kontakt dargestellt. Dabei ist erkennbar,
dass die Beschichtung 15a eingelagerte Kohlenstoffpartikel 18 enthält.
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Die
Erfindung ist nicht auf die Beschichtung eines Fügepartners bei Anwendung von
Kaltkontaktiertechniken beschränkt.
Vielmehr können
auch beide Fügepartner
mit einer Beschichtung versehen werden. Weiterhin kann die Beschichtung
auch auf stromlosem Wege aufgebracht werden. Die Beschichtung kann
zudem auch auf andere Anwendungsfelder übertragen werden, für die die
Existenz harter Beschichtungen mit geringem Reibwert unabdingbar
sind. Dies ist beispielsweise bei Ventilen, Düsen oder kolbenführenden
Systemen der Fall.