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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Kontaktelement für einen Steckverbinder, das für elektrische Betriebsspannungen von mehr als 150 V geeignet ist.
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Stand der Technik
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Elektrische Steckverbinder weisen in der Regel ein oder mehrere elektrische Kontaktelemente und ein oder mehrere Isolierkörper auf. Die Kontaktelemente sind dabei üblicherweise als Messerelemente oder als Federelemente ausgeführt. Diese werden aus Grundwerkstoffen hergestellt, die nicht resistent gegen Korrosion sind. Oft handelt es sich hierbei um Kupferlegierungen. Um die Funktion der Kontaktelemente über die Lebensdauer des Steckverbinders zu gewährleisten, werden deshalb dünne Schichten anderer Metalle auf dem Grundwerkstoff aufgebracht. Diese können eine Zwischenschicht und eine Nutzschicht umfassen.
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Die Zwischenschicht kann verschiedene Aufgaben haben. Sie kann die Haftung der Nutzschicht auf dem Grundwerkstoff verbessern, einen mechanischen Ausgleich zwischen Grundwerkstoff und Nutzschicht herstellen und verhindern, dass Diffusionsprozesse zwischen der Nutzschicht und dem Grundwerkstoff stattfinden. Die Zwischenschicht besteht häufig aus Kupfer oder Nickel.
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Auf der Zwischenschicht befindet sich die Nutzschicht, welche auch als Funktionsschicht bezeichnet wird. Die Nutzschicht verlängert die technisch sinnvolle Nutzungsdauer des Kontaktelements, kann die elektrische Übertragung verbessern und die darunterliegenden Schichten vor Korrosion schützen. Sie kann aus weichen, nicht inerten Metallen wie Zinn oder Silber bestehen. In Steckverbindungen im Automobilbereich ist beispielsweise Silber als Nutzschicht weit verbreitet. Treten in einer Applikation Spannungen von mehr als 150 V auf, können durch die Kraft des elektrischen Potenzials zwischen verschiedenen Kontaktelementen Metallionen vermehrt dazu angeregt werden, von einer physischen Position in eine andere zu wechseln. Diese Metallmigration kann Kurzschlüsse und andere technische Probleme in der Steckverbindung verursachen. Funktionsoberflächen aus Silber neigen bei höheren Spannungen zu dieser Art von Metallmigration. Daher werden bei Applikationen mit Betriebsspannungen von mehr als 150 V meist teurere Edelmetallfunktionsschichten verwendet. So finden beispielsweise Gold-Cobalt-Legierungen oder Palladium-Nickel-Legierungen Verwendung.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein elektrisches Kontaktelement bereitzustellen, das für die Verwendung in einem elektrischen Steckverbinder geeignet ist und für elektrische Betriebsspannungen von mehr als 150 V geeignet ist. Dabei soll es jedoch kostengünstiger hergestellt werden können als herkömmliche elektrische Kontaktelemente und dennoch die Zuverlässigkeit und Lebensdauer herkömmlicher elektrischer Kontaktelemente erreichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Kontaktelement für einen Steckverbinder gelöst, das einen metallischen Grundkörper oder eine auf dem Grundkörper aufgebrachte Nutzschicht aufweist. Die Nutzschicht kann dabei unmittelbar auf dem metallischen Grundkörper aufgebracht sein oder es können eine oder mehrere weitere Schichten zwischen dem metallischen Grundkörper und der Nutzschicht angeordnet sein. Die Nutzschicht besteht aus den folgenden Legierungselementen: 82 - 91 Gew.-% Nickel, 9 - 18 Gew.-% Phosphor und 0 bis 1 Gew.-% weitere Legierungselemente. Bevorzugt besteht die Nutzschicht aus 82 - 89 Gew.-% Nickel, 11 - 18 Gew.-% Phosphor und 0 bis 1 Gew.-% weiteren Legierungselementen. Dabei beträgt die Summe der Legierungselemente 100 Gew.-%. Ein Anteil von bis zu 1 Gew.-% weiterer Legierungselemente an der Legierung, beispielsweise als Verunreinigungen, ist zwar akzeptabel, wird aber vorzugsweise vermieden. Erfindungsgemäß wurde gefunden, dass die Verwendung einer derartigen Nutzschicht eine ähnlich gute elektrische Übertragung und einen ähnlich guten Korrosionsschutz bietet wie sie beispielsweise mit der Nutzschicht aus einer Gold-Cobalt-Legierung oder einer Palladium-Nickel-Legierungen erzielt werden kann. Dabei ermöglicht die Verwendung der Nickel-Phosphor-Legierung jedoch eine im Vergleich hierzu kostengünstigere Herstellung des elektrischen Kontaktelements.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Nutzschicht unmittelbar auf dem Grundkörper angeordnet, so dass sich keine weiteren Schichten zwischen der Nutzschicht und dem Grundkörper befinden. Um einen guten Korrosionsschutz zu gewährleisten, ist es in dieser Ausführungsform bevorzugt, dass die Nutzschicht eine Dicke im Bereich von 1,00 µm bis 2,50 µm aufweist. Besonders bevorzugt liegt die Dicke im Bereich von 1,50 µm bis 2,00 µm. Die erfindungsgemäß verwendete Nutzschicht bietet einen so guten Korrosionsschutz und eine so gute elektrische Übertragung, dass sich diese Eigenschaften durch eine weitere Erhöhung der Schichtdicke nicht mehr wesentlich verbessern ließen. Hingegen ist beispielsweise bei Verwendung einer herkömmlichen Nutzschicht aus einer Gold-Cobalt-Legierungen oder einer Palladium-Nickel-Legierungen üblicherweise eine Schichtdicke von mindestens 3 µm bei gleichzeitiger Verwendung einer metallischen Zwischenschicht erforderlich, damit das elektrische Kontaktelement überhaupt die gestellten Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit und elektrischer Übertragung erfüllt. Die Erfindung ermöglicht demnach nicht nur die Herstellung des elektrischen Kontaktelements unter Verwendung kostengünstigerer Materialien, sondern auch eine Einsparung der Materialmenge durch Verwendung einer besonders dünnen Nutzschicht.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Grundkörper und der Nutzschicht eine metallische Zwischenschicht angeordnet. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Zwischenschicht um die einzige Schicht, die zwischen der Nutzschicht und dem Grundkörper angeordnet ist, sodass der Grundkörper unmittelbar mit der Zwischenschicht verbunden ist und die Zwischenschicht unmittelbar mit der Nutzschicht verbunden ist. Wie im herkömmlichen Aufbau des elektrischen Kontaktelements, verbessert die Zwischenschicht die Haftung der Nutzschicht auf dem Grundkörper, sorgt für einen mechanischen Ausgleich zwischen dem Grundkörper und der Nutzschicht und verhindert Diffusionsprozesse zwischen der Nutzschicht und dem Grundkörper. Zudem ermöglicht die Zwischenschicht die Verwendung einer dünneren Nutzschicht im Vergleich zu der Ausführungsform der Erfindung in welcher die Nutzschicht unmittelbar auf dem Grundkörper angeordnet ist. In dieser Ausführungsform weist die Nutzschicht bevorzugt eine Dicke im Bereich von 0,15 µm bis 1,50 µm auf. Besonders bevorzugt liegt die Dicke im Bereich von 0,30 µm bis 1,00 µm.
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In einer Ausführungsform des Kontaktelements enthält die Zwischenschicht 99 bis 100 Gew.-% Kupfer und 0 bis 1 Gew.-% weitere Legierungselemente. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Kontaktelements enthält die Zwischenschicht 99 bis 100 Gew.-% Nickel und 0 bis 1 Gew.-% weitere Legierungselemente. Die Summe der Legierungselemente beträgt dabei 100 Gew.-%. Der Anteil der weiteren Legierungselemente sollte vorzugsweise möglichst gering sein, jedoch kann deren Vorliegen aufgrund von Verunreinigungen gegebenenfalls nicht völlig ausgeschlossen werden.
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Die Dicke der Zwischenschicht beträgt bevorzugt 1,5 µm bis 4,0 µm und besonders bevorzugt 2,0 µm bis 3,0 µm.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass auf der Nutzschicht eine metallische und/oder organische Gleitschicht angeordnet ist. Die Gleitschicht kann zum einen die Gleiteigenschaften von elektrischen Kontaktelementen, insbesondere von Federelementen auf Messerelementen, verbessern. Dadurch trägt sie dazu bei, dass die Nutzschicht unter mechanischer Reibbeanspruchung länger funktional bleibt. Zum anderen kann sie auch die elektrische Übertragung zwischen den elektrischen Kontaktelementen optimieren. Wenn die Gleitschicht sowohl metallische als auch organische Komponenten enthält, dann ist es bevorzugt, dass eine metallische Teilschicht unmittelbar auf der Nutzschicht aufgebracht ist und auf dieser metallischen Teilschicht eine organische Teilschicht aufgebracht ist. Die metallische Teilschicht und die organische Teilschicht bilden dann gemeinsam die Gleitschicht.
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Ein besonders geeignetes metallisches Material für die Gleitschicht ist reines Gold oder eine Goldlegierung, die aus den folgenden Legierungselementen besteht: 98,5 bis 100,0 Gew.-% Gold, 0 bis 0,5 Gew.-% Cobalt und 0 bis 1,0 Gew.-% weitere Legierungselemente. Die Summe der Legierungselemente beträgt dabei 100 Gew.-%.
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Besonders geeignete organische Materialien der Gleitschicht sind mindestens ein Fluorpolymer und/oder mindestens ein Fettsäuresalz. Bei dem Fluorpolymer kann es sich beispielsweise um einen Perfluorpolyether (PFPE) oder um Polytetrafluorethylen (PTFE) handeln. Das Fettsäuresalz kann beispielsweise Lithium-12-Hydroxystearat sein.
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Die Dicke der Gleitschicht liegt vorzugsweise im Bereich von 0,05 µm bis 0,25 µm. Bereits derart dünne Gleitschichten sind ausreichend, um dem elektrischen Kontaktelement gute Gleiteigenschaften zu verleihen, sodass durch das Aufbringen der Gleitschicht auf die Nutzschicht keine wesentliche Dickenerhöhung der gesamten Beschichtung erfolgt.
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Die Nutzschicht des erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktelements kann besonders vorteilhaft dann eingesetzt werden, wenn der Grundkörper aus Kupfer, einer niedrig legierten Kupferlegierung oder Messing besteht. Er besteht in diesem Falle aus den folgenden Legierungselementen: 50 bis 100 Gew.-% Kupfer, 0 bis 45 Gew.-% Zink und 0 bis 5 Gew.-% weiterer Legierungselemente. Die Summe der Legierungselemente beträgt hierbei 100 Gew.-%. Auch wenn die Summe der weiteren Legierungselemente hierin bis zu 5 Gew.-% betragen kann, ist es bevorzugt, dass jedes einzelne weitere Legierungselement nicht mehr als 2 Gew.-% der gesamten Legierung ausmacht. Weiterhin ist es bevorzugt, dass lediglich die weiteren Legierungselemente Beryllium, Chrom, Eisen, Kobalt, Magnesium, Mangan, Nickel, Phosphor, Schwefel, Silber, Silizium, Tellur, Titan, Zinn und Zirkonium zu jeweils bis zu 2 Gew.-% in der Legierung enthalten sein dürfen und alle nicht in dieser Liste genannten weiteren Legierungselemente zu jeweils maximal 1 Gew.-% vorliegen.
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Das erfindungsgemäße elektrische Kontaktelement kann mit guten technischen Eigenschaften hergestellt werden, ohne hierbei große Mengen teurer Edelmetalle einsetzen zu müssen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung durch eine Anordnung aus zwei elektrischen Steckverbindern.
- 2 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Kontaktbereichs zwischen zwei elektrischen Kontaktelementen in einem Vergleichsbeispiel.
- 3 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Kontaktbereichs von zwei elektrischen Kontaktelementen gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.
- 4 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Kontaktbereichs von zwei elektrischen Kontaktelementen gemäß anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1 zeigt den schematischen Aufbau eines Steckverbinderpaares. Ein erster Steckverbinder 10 weist ein elektrisches Kontaktelement 11 in Form eines Messerelements auf. Dieses ist von einem ersten Isolationskörper 12 aus einem Kunststoff umgeben. Ein zweiter Steckverbinder 20 weist ein zweites elektrisches Kontaktelement 21 in Form eines Federelements auf. Dieses ist von einem zweiten Isolationskörper 22 aus einem Kunststoff umgeben. Wenn die beiden Steckverbinder 10, 20 in der dargestellten Weise ineinandergesteckt werden, dann wird der zweite Isolationskörper 22 in den ersten Isolationskörper 12 geschoben, wobei das erste elektrische Kontaktelement 11 in das zweite elektrische Kontaktelement 21 hineingleitet. Dabei biegt es die Federn des zweiten Kontaktelements 21 auseinander, die dann durch ihre Federkraft fest auf das erste Kontaktelement 11 gepresst werden. In einem Kontaktbereich 30, in dem die beiden Kontaktelemente 11, 21 sich kontaktieren, ist dann eine elektrische Übertragung möglich.
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In elektrischen Steckverbindern
10,
20, die Kontaktelemente
11,
21 gemäß dem Stand der Technik aufweisen, liegt der in
2 dargestellte Aufbau der Kontaktelemente
11,
21 im Kontaktbereich
30 vor. Das erste Kontaktelement
11 weist einen Grundkörper
111, eine auf dem Grundkörper angeordnete Zwischenschicht
112 und eine auf der Zwischenschicht angeordnete Nutzschicht
113 auf. Das zweite Kontaktelement
21 weist einen Grundkörper
211, eine auf dem Grundkörper
211 angeordnete Zwischenschicht
212 und eine auf der Zwischenschicht
212 angeordnete Nutzschicht
213 auf. Die Grundkörper
111,
211, die Zwischenschichten
112,
212 und die Nutzschichten
113,
213 weisen jeweils die in Tabelle 1 genannte Zusammensetzung in Gewichtsprozent auf:
Tabelle 1
| | | Grundkörper | Zwischenschicht | Nutzschicht |
| | | 111,211 | 112, 212 | 113, 213 |
| | | | | |
| Au | | | | 99,8 |
| Co | | | | 0,2 |
| Cu | | 100 | | |
| Ni | | | 100 | |
| Ru | | | | |
| PTFE | | | | |
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Im vorliegenden Beispiel weisen die Zwischenschichten 112, 212 jeweils eine Dicke d112 , d212 von 3 µm auf und die Nutzschichten 113, 213 weisen jeweils eine Dicke d113 , d213 von 4 µm auf. Die Nutzschichten 113, 213 berühren sich im Kontaktbereich 30. Die große Menge an Gold-Cobalt-Legierung, die für die Herstellung der Nutzschichten benötigt wird, führt dazu, dass die Herstellung der elektrischen Kontaktelemente 11, 21 teuer ist.
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3 zeigt den Aufbau der elektrischen Kontaktelemente 11, 21 gemäß mehreren Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in dem Paar der Steckverbinder 10, 20 gemäß 1 verwendet werden können. Zusätzlich zu dem bereits in 2 dargestellten Aufbau der elektrischen Kontaktelemente 11, 21 aus Grundkörpern 111, 211, Zwischenschichten 112, 212 und Nutzschichten 113, 213 weisen die Kontaktelemente 11, 21 gemäß diesen Ausführungsbeispielen der Erfindung auf ihren Nutzschichten 113, 213 jeweils noch eine Gleitschicht 114, 214 auf. Dies führt dazu, dass im Kontaktbereich 30 keine Kontaktierung der Nutzschichten 113, 213, sondern eine Kontaktierung der Gleitschichten 114, 214 vorliegt. Während die Dicke der Zwischenschichten 112, 212 in den Ausführungsbeispielen der Erfindung mit der Dicke der Zwischenschichten 112, 212 in dem Vergleichsbeispiel übereinstimmt, kommen die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele mit wesentlich dünneren Nutzschichten 113, 213 aus, deren Dicke d113 , d213 jeweils nur 0,65 µm beträgt. Dies führt zu einer erheblichen Materialeinsparung gegenüber dem Vergleichsbeispiel. Die Gleitschichten 114, 214 weisen in den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen jeweils eine Dicke d114 , d214 von 0,10 µm auf. Jede Nutzschicht 113, 213 ist also selbst zusammen mit ihren jeweiligen Gleitschicht 114, 214 dünner als die Nutzschicht 113, 213 im Vergleichsbeispiel.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Komponenten der Kontaktelemente
11,
21 die in Tabelle 2 aufgeführte Zusammensetzung in Gewichtsprozent auf.
Tabelle 2
| | | Grundkörper | Zwischenschicht | Nutzschicht | Gleitschicht |
| | | 111,211 | 112, 212 | 113, 213 | 114, 214 |
| | | | | | |
| Au | | | | | 99,8 |
| Co | | | | | 0,2 |
| Cu | | 100 | | | |
| Ni | | | 100 | 89 | |
| P | | | | 11 | |
| PTFE | | | | | |
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Die Zwischenschicht, die im Vergleichsbeispiel aus reinem Silber besteht, besteht also im ersten Ausführungsbeispiel aus einer Nickel-Phosphor-Legierung. Dies führt zu einer Kostenersparnis, nicht nur aufgrund von weniger verbrauchtem Metall für die Nutzschicht, sondern auch aufgrund der Verwendung einer kostengünstigeren Legierung.
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Die Gleitschicht 114, 214 besteht aus derselben Gold-Cobalt-Legierung, wie die Nutzschicht 113, 213 des Vergleichsbeispiels. Daher sind die Gleiteigenschaften der Kontaktelemente 11, 21 im Vergleichsbeispiel und im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gleich gut. Dabei ist die Gleitschicht 114, 214 jedoch im Vergleich zur Nutzschicht 113, 213 des Vergleichsbeispiels sehr dünn, so dass der überwiegende Teil der teuren Gold-Cobalt-Legierung eingespart werden kann.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel der elektrischen Kontaktelemente
11,
21 weisen deren Bestandteile die in Tabelle 3 genannte Zusammensetzung in Gewichtsprozent auf:
Tabelle 3
| | | Grundkörper | Zwischenschicht | Nutzschicht | Gleitschicht |
| | | 111,211 | 112, 212 | 113, 213 | 114, 214 |
| | | | | | |
| Au | | | | | |
| Co | | | | | |
| Cu | | 100 | | | |
| Ni | | | 100 | 89 | |
| P | | | | 11 | |
| PTFE | | | | | 100 |
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Gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel wurden die metallischen Gleitschichten 114, 214 durch organische Gleitschichten ersetzt, die jeweils aus PTFE bestehen. Es wurde festgestellt, dass unter Verzicht auf ein teures Edelmetall im dritten Ausführungsbeispiel dennoch hervorragende Gleiteigenschaften der Kontaktelemente 11, 21 erzielt werden können, wobei die elektrische Übertragung dennoch nicht schlechter ist als jene der elektrischen Kontaktelemente 11, 21 im Vergleichsbeispiel.
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In einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird auf die Zwischenschicht
112,
212 verzichtet, so dass die Kontaktelemente
11,
21 den in
4 dargestellten Aufbau aufweisen, wobei die Nutzschicht
113,
213 jeweils unmittelbar auf dem Grundkörper
111,
211 angeordnet ist. Im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beträgt die Dicke
d113 ,
d213 der Nutzschichten
113,
213 jeweils 1,50 µm. Die Komponenten der Kontaktelemente
11,
21 weisen die in Tabelle 4 aufgeführte Zusammensetzung in Gewichtsprozent auf.
Tabelle 4
| | | Grundkörper | Nutzschicht | Gleitschicht |
| | | 111,211 | 113, 213 | 114,214 |
| | | | | |
| Au | | | | 99,8 |
| Co | | | | 0,2 |
| Cu | | 100 | | |
| Ni | | | 89 | |
| P | | | 11 | |
| PTFE | | | | |
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Durch Verwendung einer dickeren Nutzschicht als im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Kontaktelemente 11, 21 also auch ohne Verwendung von Zwischenschichten 112, 212 hergestellt werden. Hierbei werden zwar dickere Nutzschichten 113, 213 verwendet, als in den ersten beiden Ausführungsbeispielen, diese sind jedoch immer noch deutlich dünner als die Nutzschichten 113, 213 des Vergleichsbeispiels.
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Im einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Gleitschichten
114,
214 der Kontaktelemente
11,
21 des dritten Ausführungsbeispiels ebenfalls durch organische Gleitschichten ersetzt werden, die jeweils aus PTFE bestehen, so wie auch im zweiten Ausführungsbeispiel die Gleitschichten
114,
214 des ersten Ausführungsbeispiels durch PTFE ersetzt wurden. Die Bestandteile der elektrischen Kontaktelemente
11,
21 weisen dann die in Tabelle 5 genannte Zusammensetzung in Gewichtsprozent auf:
Tabelle 5:
| | | Grundkörper | Nutzschicht | Gleitschicht |
| | | 111, 211 | 113, 213 | 114,214 |
| | | | | |
| Au | | | | |
| Co | | | | |
| Cu | | 100 | | |
| Ni | | | 89 | |
| P | | | 11 | |
| PTFE | | | | 100 |
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Alle fünf beschriebenen Ausführungsbeispiele der elektrischen Kontaktelemente 11, 21 gemäß der Erfindung ermöglichen einen kostengünstigen Ersatz der elektrischen Kontaktelemente 11, 21 gemäß dem Vergleichsbeispiel, ohne dass dies zu einer Beeinträchtigung der für die Kontaktelemente 11, 21 relevanten Eigenschaften führen würde. Sie sind für elektrische Betriebsspannungen von mehr als 150 V geeignet.
