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Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Bauteil mit einer integrierten Schmierung, welche durch einen in spaltförmigen Rissen einer Kontaktbeschichtung des elektromechanischen Bauteils angeordneten Schmiermittels realisiert ist. Das elektromechanische Bauteil ist dabei insbesondere in Form eines elektrischen Kontaktelements ausgebildet. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines solchen elektromechanischen Bauteils mit integrierter Schmierung.
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Elektromechanische Bauteile können in bestimmungsgemäßen Einsatz einer starken mechanischen Beanspruchung ausgesetzt sein, die eine Abnutzung der jeweiligen Oberflächen bewirkt. Eine solche Abnutzung kann zu Beeinträchtigungen der Funktionsfähigkeit des jeweiligen elektromechanischen Bauteils und damit zu einer verkürzten Lebensdauer führen. Dies trifft insbesondere auf elektromechanische Bauteile zu, deren Oberflächen mit Kontaktbeschichtungen ausgestattet sind. Hierzu zählen beispielsweise elektrische Kontaktelemente, die im bestimmungsgemäßen Gebrauch wiederholten ein- und Aussteckvorgängen ausgesetzt sind. Die Lebensdauer eines solchen elektrischen Kontaktelements wird dabei durch die maximale Anzahl Ein- und Aussteckvorgänge definiert, bei denen eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen dem jeweiligen elektrischen Kontaktelement und seinem Kontaktpartner hergestellt werden kann. Da elektrische Kontaktelemente in der Regel eine Außenbeschichtung (Silber, Gold, etc.) aufweisen, welche als Kontaktbeschichtung für das darunterliegende Grundmaterial des elektromechanischen Bauteils (Kupfer, Aluminium, etc.) vor Oxidation dient, ist die Lebensdauer eines solchen elektrischen Kontakts maßgeblich durch die Lebensdauer der Außenbeschichtung bestimmt. Eine Abnutzung dieser Kontaktbeschichtung führt in der Regel zur Erhöhung des Kontaktwiderstands und zu unzuverlässigen Kontaktverhalten des jeweiligen elektromechanischen Bauteils. Insbesondere Kontaktbeschichtungen, die aus unedlen Metallen bestehen, unterliegen einer Reibkorrosion und damit einem erhöhten Verschleiß. Ein weiteres Phänomen, welches sich negativ auf die Lebensdauer der Kontaktbeschichtungen von elektromechanischen Bauteilen auswirkt, stellt das sogenannte Kaltverschweißen dar. Hierbei kommt es zwischen den Kontaktflächen zweier metallischer Bauteile zu einer schweißähnlichen Verbindung. Aufgrund der Stärke dieser Verbindung ist das Lösen der beiden Kontaktpartner in der Regel mit einer deutlichen Abnutzung der Kontaktflächen verbunden.
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Um die Lebensdauer des elektromechanischen Bauteils zu erhöhen, können auf der Kontaktbeschichtung verschiedene Schmiermittel aufgetragen sein. Da die Schmiermittel dabei lediglich oberflächlich auf dem elektromechanischen Bauteil aufgetragen sind, werden sie in der Regel bereits nach wenigen Ein- und Aussteckvorgängen abgewischt. Hierdurch bedingt ist die mit der Schmierung einhergehende Schutzwirkung des Schmiermittels lediglich für eine relativ kurze Zeit gegeben.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zur Verbesserung der Belastbarkeit mechanisch beanspruchter Außenflächen von elektromechanischen Bauteilen, wie zum Beispiel elektrischen Kontaktelementen, bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein elektromechanisches Bauteil gemäß Anspruch 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Erzeugen eines entsprechenden elektromechanischen Bauteils gemäß Anspruch 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen eines elektromechanischen Bauteils mit einem integrierten Schmiermittel vorgesehen, bei dem in einem ersten Schritt einen Grundkörper des elektromechanischen Bauteils mit einer Oberfläche bereitgestellt wird. In einem darauffolgenden Schritt wird eine Kontaktbeschichtung auf der Oberfläche des Grundkörpers erzeugt, wobei in der Kontaktbeschichtung spaltenförmige Risse ausgebildet werden. Anschließend wird in den spaltenförmigen Rissen der Kontaktbeschichtung ein Schmiermittel ausgebildet. Während bei einem lediglich oberflächlich angeordneten Schmiermittel bereits nach wenigen mechanischen Kontaktvorgängen keine ausreichende Schmierung der Oberflächen in den betreffenden Kontaktbereichen vorhanden ist, kann mithilfe des in der Kontaktbeschichtung eingebetteten Schmiermittels eine Dauerschmierung des elektromechanischen Bauelements erreicht werden. Das Schmiermittel bewirkt dabei eine Reduktion der Reibung an den betreffenden Kontaktflächen des elektromechanischen Bauelements. Somit wird ein abrasiver Verschleiß der Oberflächen in den jeweiligen Kontaktbereichen wirkungsvoll verhindert. Ferner wird mithilfe des Schmiermittels auch das Auftreten von Kaltverschweißungs-Effekten verhindert. Durch die Anordnung des Schmiermittels in den spaltenförmigen Rissen, welche als Depotraum für das Schmiermittel dienen, kann eine Dauerschmierung der betreffenden Kontaktflächen erreicht werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kontaktbeschichtung durch Abscheiden eines Materials mithilfe eines galvanischen, physikalischen und/oder chemischen Abscheideprozesses auf der Oberfläche des Grundkörpers erzeugt wird. Mithilfe dieser Prozesse lässt sich die Kontaktbeschichtung besonders einfach herstellen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Parameter des Abscheideprozesses nur gewählt werden, dass die Kontaktbeschichtung mit einer intrinsischen Zugspannung erzeugt wird. Dabei werden die spaltenförmigen Risse durch einen Abbau intrinsischer Zugspannungen innerhalb der Kontaktbeschichtung erzeugt. Mithilfe dieser Methode lassen sich besonders einfach spaltenförmigen Risse innerhalb der Kontaktbeschichtung erzeugen. Dabei können durch Variation der Parameter des Abscheideprozesses die Dimensionen der spaltenförmigen Risse den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Insbesondere lassen sich damit besonders schmale spaltenförmige Risse mit Spaltweiten im Bereich von 1 bis 200 nm erzeugen. Derart geringe Spaltweiten verhindern eine Korrosion und Diffusion von korrosiven Substanzen in die Kontaktbeschichtung.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kontaktbeschichtung durch Abscheiden eines eine flüchtige Substanz enthaltenen Materials erzeugt wird. Dabei werden die spaltenförmigen Risse in der Kontaktbeschichtung durch Ausgasen der flüchtigen Substanz aus der Kontaktbeschichtung erzeugt. Dieser Methode lassen sich sehr feine spaltenförmigen Risse innerhalb der Kontaktbeschichtung besonders einfach erzeugen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die spaltenförmigen Risse in der Kontaktbeschichtung wenigstens teilweise erzeugt werden durch eine thermische Behandlung der Kontaktbeschichtung und/oder des elektromechanischen Bauteils bzw. durch eine mechanische Behandlung der Kontaktbeschichtung und/oder des elektromechanischen Bauteils, insbesondere durch einen Walz- und/oder Biegevorgang. Mithilfe einer thermischen Behandlung, welche im Wesentlichen auf einem Erhitzen und/oder Abkühlen der Kontaktbeschichtung bzw. des elektromechanischen Bauteils beruht, können die gewünschten spaltenförmigen Risse durch Ausnutzung unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien relativ einfach erzeugt werden. Auch die mechanische Behandlung der Kontaktbeschichtung bzw. des elektromechanischen Bauteils stellt einen besonders einfachen Prozess zum Erzeugen von Rissen innerhalb der Kontaktbeschichtung dar.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Schmiermittel in den spaltenförmigen Rissen durch einen Prozess ausgebildet wird, bei dem ein Schmiermittel in flüssiger Form auf die Oberfläche der Kontaktbeschichtung aufgebracht wird, wobei das Schmiermittel aufgrund der Kapillarwirkung in die spaltenförmigen Risse eindringt. Dieser Prozess stellt eine besonders einfache Herstellungsmethode dar. Ferner kann das Ausbilden des Schmiermittels in den spaltenförmigen Rissen auch durch ein Eintauchen der Kontaktbeschichtung in ein flüssiges Schmiermittel oder in eine das Schmiermittel in fester Form enthaltene Dispersion erfolgen. Diese Methode erleichtert das Eindringen des Schmiermittels in die spaltenförmigen Risse. Ferner kann das Ausbilden des Schmiermittels in den spaltenförmigen Rissen auch durch Einbringen des Schmiermittels in die spaltenförmigen Risse der Kontaktbeschichtung mithilfe eines Kalandering-Prozesses erfolgen. Durch den dabei erzeugten Druck können auch weniger fließfähige Schmiermittel in die spaltenförmigen Risse eingebracht werden. Schließlich kann die Kontaktbeschichtung zum Ausbilden des Schmiermittels auch einer das Schmiermittel in gasförmiger Form enthaltenen Gasatmosphäre ausgesetzt werden. Diese Methode möglich ein besonders tiefes Eindringen des Schmiermittels in die spaltenförmigen Risse.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Ausbilden des Schmiermittels in den spaltenförmigen Rissen der Kontaktbeschichtung eine Ausgangssubstanz zu Bildung des Schmiermittels auf der Oberfläche der Kontaktbeschichtung und/oder in den spaltenförmigen Rissen der Kontaktbeschichtung angeordnet wird, wobei das Schmiermittel durch eine Reaktion der Ausgangssubstanz mit dem Material der Kontaktbeschichtung erzeugt wird. Bei dieser Methode wird sichergestellt, dass das Schmiermittel der gesamten Oberfläche des elektromechanischen Bauteils erzeugt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kontaktbeschichtung einer Gasatmosphäre ausgesetzt wird, die die Ausgangssubstanz zu Bildung des Schmiermittels in gasförmiger Form enthält. Durch die Verwendung einer gasförmigen Ausgangssubstanz wird sichergestellt, dass das Schmiermittel auch in den feinsten Rissen der Kontaktbeschichtung erzeugt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kontaktbeschichtung aus einem silberhaltigen Material erzeugt wird, und dass als Ausgangssubstanz eine schwefelhaltige Substanz verwendet wird. Durch eine Reaktion der schwefelhaltigen Substanz mit dem Silber-Material wird Silbersulfid erzeugt. Hierdurch wird auf eine besonders einfache Weise ein Schmiermittel erzeugt, welches sich besonders gut für die Schmierung der Kontaktflächen des elektromechanischen Bauteils eignet.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Ausbilden des Schmiermittels in den spaltenförmigen Rissen in einer einen reduzierten Gasdruck aufweisenden Vakuumkammer erzeugt wird. Der reduzierte Gasdruck erleichtert das Herausdiffundieren von Gasen, welche in den spaltenförmigen Rissen zu Beginn des Prozesses vorhanden sind. Hierdurch wird das Eindringen des Schmiermittels in die spaltenförmigen Risse erleichtert.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwischen der Kontaktbeschichtung und dem Grundkörper eine Zwischenschicht erzeugt wird, die als Sperrschicht für die sich in der Kontaktbeschichtung ausbreitenden spaltenförmigen Risse, dass sie in den spaltenförmigen rissen ausgebildete Schmiermittel und/oder eine zum Ausbilden des Schmiermittels in den spaltenförmigen rissen verwendete Ausgangssubstanz dient. Mithilfe einer solchen Zwischenschicht kann sichergestellt werden, dass sich die Risse, dass Schmiermittel und mit dem Schmiermittel verbundene Substanzen nicht in den darunterliegenden Grundkörper ausbreiten. Hierdurch wird die Lebensdauer des elektromechanischen Bauteils erhöht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein elektromechanisches Bauelements mit einem integrierten Schmiermittel vorgesehen, welches einen Grundkörper, eine auf einer Oberfläche des Grundkörpers ausgebildete Kontaktbeschichtung, in der Kontaktbeschichtung ausgebildete spaltenförmigen Risse und das in den spaltenförmigen Rissen angeordnete Schmiermittel umfasst. Ein solches elektromechanisches Bauteil weist aufgrund des in den spaltenförmigen Rissen vorhandenen Schmiermittels eine Dauerschmierung seiner Kontaktflächen auf. Hierdurch kann die Lebensdauer der jeweiligen Kontaktflächen und damit auch des elektromechanischen Bauteils deutlich erhöht werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die spaltenförmigen Risse Spaltweiten vorzugsweise im Bereich von 1 bis 200 nm und insbesondere im Bereich von 5 bis 10 nm aufweisen. Derart kleine Spaltweiten verhindern das Eindringen von korrosiven Substanzen und damit eine Korrosion der Kontaktbeschichtung und des darunterliegenden Grundkörpers.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kontaktbeschichtung aus einem silberhaltigen Material ausgebildet ist und dass das Schmiermittel aus Silbersulfid ausgebildet ist. Da Silber ein häufig verwendetes Material zum Herstellen von Kontaktbeschichtungen ist, stellt die Ausbildung des Schmiermittels in Form eines Silbersulfids eine besonders geeignete Form der Schmierung des elektromechanischen Bauteils dar. Da Silbersulfid in der Regel auch im Betrieb des elektromechanischen Bauteils durch eine Reaktion des Silbers mit schwefelhaltigen Gasen in der Atmosphäre ständig neu gebildet wird, kann damit eine dauerhafte Schmierung des elektromechanischen Bauteils erzielt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwischen der Kontaktbeschichtung und dem Grundkörper des elektromechanischen Bauteils eine Zwischenschicht angeordnet ist. Die Zwischenschicht dient dabei als Sperrschicht für eine Ausbreitung der spaltenförmigen Risse und/oder als Sperrschicht für durch die spaltenförmigen Risse zum Grundkörper vordringende Substanzen dient. Hiermit kann in dem Grundkörper sowohl eine Ausbildung von Rissen als auch eine durch eindringende Substanzen bedingte Korrosion wirkungsvoll verhindert werden. Infolge dessen wird die Lebensdauer des elektromechanischen Bauteils erhöht.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht von zwei in Form elektrischer Kontakte ausgebildeter elektromechanischer Bauteile;
- 2 schematisch eine Querschnittsdarstellung eines der elektromechanischen Bauteile aus 1;
- 3 schematisch eine Detaildarstellung des elektromechanischen Bauteils aus 2;
- 4 schematisch eine alternative Ausgestaltung des legmechanischen Bauteils aus 2 mit einer Zwischenschicht;
- 5 schematisch ein Rohling für das mechanische Bauteile aus 2 dienender Grundkörper vor der Erzeugung der Kontaktbeschichtung;
- 6 schematisch einen Abscheideprozess, bei dem eine Kontaktbeschichtung auf dem Grundkörper erzeugt wird;
- 7 schematisch die auf dem Grundkörper fertig ausgebildete Kontaktbeschichtung mit intrinsischer Spannung;
- 8 schematisch die Bildung von Spannungsrissen in der Kontaktbeschichtung;
- 9 schematisch die Kontaktbeschichtung mit fertig ausgebildeten Spannungsrissen;
- 10 schematisch eine Draufsicht auf die Oberfläche der Kontaktbeschichtung aus 9 mit den spaltförmig ausgebildeten Spannungsrissen;
- 11 schematisch einen Prozess zur Erzeugung von spaltenförmigen Rissen in der Kontaktbeschichtung durch Ausdampfen einer flüchtigen Substanz;
- 12 schematisch einen thermischen Prozess zur Erzeugung von spaltenförmigen Rissen in der Kontaktbeschichtung;
- 13 schematisch einen mechanischen Prozess zur Erzeugung von spaltenförmigen Rissen in der Kontaktbeschichtung;
- 14 eine mikroskopische Aufnahme von spaltenförmigen Rissen, die mittels eines mechanischen Biegeprozesses in der Kontaktbeschichtung erzeugt wurden;
- 15 eine mikroskopische Aufnahme von spaltenförmigen Rissen, die durch Ausgasen von Wasserstoff aus der Kontaktbeschichtung erzeugt wurden;
- 16 schematisch einen Prozess zum Ausbilden des Schmiermittels in den spaltenförmigen Rissen durch Eintauchen des elektromechanischen Bauteils in geeignete Flüssigkeit;
- 17 schematisch einen Prozess zum Ausbilden des Schmiermittels in den spaltenförmigen Rissen mithilfe einer Walze;
- 18 schematisch einen Prozess zum Ausbilden des Schmiermittels in den spaltförmigen Rissen mithilfe einer Sprühvorrichtung,
- 19 schematisch einen Prozess zum Ausbilden des Schmiermittels in den spaltenförmigen Rissen durch Aussetzen des elektromechanischen Bauteils einer geeigneten Gasatmosphäre; und
- 20 schematisch einen Prozess zum Ausbilden des Schmiermittels in den spaltenförmigen Rissen in einer geeigneten Gasatmosphäre unter Verwendung einer Vakuumkammer.
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Mithilfe des im Folgenden beschriebenen Konzepts soll die Lebensdauer elektromechanischer Bauteile erhöht werden. Die 1 zeigt ein solches elektromechanisches Bauteil 100, das im vorliegenden Beispiel in Form eines elektrischen Kontaktelements zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit einem komplementären elektrischen Kontaktelement 300 ausgebildet ist.
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Das elektromechanische Bauelement 100, welches im vorliegenden Beispiel in Form einer länglichen Leiterstruktur mit einem wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt ausgebildet ist, wird zum Herstellen eines elektrischen Kontakts zwischen zwei Schenkeln 310, 320 des in Form einer Klammer ausgebildeten Kontaktpartners 300 hineingeschoben. Der Pfeil 105 illustriert dabei eine mögliche Einsteckrichtung. Wie in der 1 dargestellt ist, weist das elektromechanische Bauelement 100 auf seiner Oberseite 101 und seiner Unterseite 102 jeweils eine Kontaktfläche 103, 104 auf, die im bestimmungsgemäßen Gebrauch mit entsprechenden Kontaktflächen 311, 321 des Kontaktpartners 300 in Kontakt kommen. Um die beim Ein- und Aussteckvorgang zwischen den Kontaktflächen 103, 104, 311, 321 wirkenden Reibung zu reduzieren, ist es vorgesehen, das elektromechanische Bauteil 100 mit einer Dauerschmierung auszustatten. Eine solche Dauerschmierung wird durch die Integration eines geeigneten Schmiermittels in die Außenschicht des elektromechanischen Bauteils 100 erreicht. Je nach Anwendung kann sich diese Dauerschmierung auf der gesamten Oberfläche 121 des elektromechanischen Bauteils 100 ausgebildet sein oder sich auch lediglich auf bestimmte Bereiche der Oberfläche 121 beschränken. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Dauerschmierung lediglich auf der Ober- und Unterseite 101, 102 des elektromechanischen Bauteils 100 ausgebildet. Die schmierende Kontaktbeschichtung 120 kann sich, wie hier gezeigt, auf der Steckerseite, d.h. auf dem elektromechanischen Bauelement 100, befinden. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann eine schmierende Kontaktbeschichtung auch auf der Buchsenseite, d.h. auf dem Kontaktpartner 300, ausgebildet sein.
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Die 2 zeigt einen Querschnitt durch das elektromagnetische Bauteil 100 aus 1. Das elektromagnetische Bauteil 100 besteht dabei aus einem Grundkörper 110 und einer auf dem Grundkörper 100 angeordneten Kontaktbeschichtung 120. Der Grundkörper 110 besteht vorzugsweise aus einem metallischen Material, beispielsweise aus Kupfer oder einer metallischen Legierung. Auch die Kontaktbeschichtung 120 ist vorzugsweise aus einem metallischen Material gebildet, beispielsweise Silber, Gold, Nickel, Zinn oder einem anderen geeigneten Metall. Ferner kann die Kontaktbeschichtung auch aus einer Legierung der oben genannten Metalle bestehen, welche beispielsweise Antimon, Palladium, Wolfram, Nickel, Kupfer, Eisen, Platin, Titan, Molybdän, Karbid, Rhenium oder ein anderes geeignetes Metall enthält.
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Wie in der 2 mittels einer dunkleren Schraffierung angedeutet ist, weist die Kontaktbeschichtung 120 auf der Ober- und Unterseite 103, 104 des elektromechanischen Bauteils 100 eine integrierte Schmierung auf, die in Form eines in der Kontaktbeschichtung 120 eingebetteten Schmierstoffs ausgebildet ist. Hierzu zeigt die 3 schematisch eine Detaildarstellung des elektromechanischen Bauelements 100 aus 2. Dabei ist ersichtlich, dass die auf der Oberfläche 111 des Grundkörpers 110 ausgebildete Kontaktbeschichtung 120 eine Vielzahl mikroskopisch kleiner spaltenförmiger Risse 130 aufweist, in denen ein Schmierstoff 200 zum Schmieren der Oberfläche 121 der Kontaktbeschichtung 120 angeordnet ist. Aufgrund des in den als Depoträume dienenden spaltenförmigen Rissen 130 angeordneten Schmiermittels wird bei einer mechanischen Belastung und relativer Bewegung der Kontaktbeschichtung 120 stets eine geringe Menge des Schmiermittels 200 aus den spaltenförmigen Rissen 130 freigesetzt, welche eine Schmierung der Oberfläche 121 der Kontaktbeschichtung 120 bewirkt.
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Der Herstellungsprozess der spaltenförmigen Risse 130 wird dabei so kontrolliert, dass die spaltenförmigen Risse 130 eine sehr geringe Spaltenbreite aufweisen, vorzugsweise im Submikrometerbereich. Die typischen Spaltweiten der spaltenförmigen Risse 130 liegen im Bereich von 1 bis 200 nm und vorzugsweise im Bereich von 5 bis 10 nm. Hierdurch wird eine Korrosion und Diffusion korrosiven Substanzen in die Kontaktbeschichtung 120 verhindert. Die spaltenförmigen Risse 130 weisen Tiefen im Bereich der Schichtdicke der Kontaktbeschichtung 120 auf, beispielsweise 0,5 bis 50 µm und vorzugsweise im Bereich von 1 bis 3 µm.
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Je nach Anwendung kann sich auf dem Grundkörper 110 auch ein aus mehreren Schichten aufgebauter Schichtstapel mit wenigstens einer zwischen dem Grundkörper 110 und der Kontaktbeschichtung 120 angeordneten Zwischenschicht 150 befinden. Die 4 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel mit einer einzelnen Zwischenschicht 150. Eine solche Zwischenschicht 150, die vorzugsweise aus einem zähen Material (z.B. Gold, Nickel, Silber, Palladium, etc.) gebildet ist, kann als Sperrschicht dienen, die sowohl das Fortschreiten der spaltenförmigen Risse in den Grundkörper 110 als auch das Vordringen des Schmierstoffs 200 oder anderer Substanzen zum Grundkörper 110 verhindert.
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Im Folgenden wird eine mögliche Herstellung des oben gezeigten elektromechanischen Bauteils 100 anhand von Figuren näher erläutert. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt ein als Rohling des elektromechanischen Bauteils 100 dienender und Körper 110 bereitgestellt. Dies erfolgt typischerweise durch geeignete Metallbearbeitungsverfahren, bei denen der Grundkörper durch Umformung und Zerspannung erzeugt wird. Dieser Verfahrensschritt ist in der 5 dargestellt.
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In einem darauffolgenden Verfahrensschritt wird auf der Oberfläche 111 des Grundkörpers 110 die Kontaktbeschichtung 120 durch Abscheiden eines geeigneten Materials erzeugt. Hierzu kann grundsätzlich jedes geeignete Verfahren zum Einsatz kommen, wie z.B. galvanische Abscheidung, physikalische Gasabscheidung (PVD, physical vapour deposition) oder chemische Gasabscheidung (CVD, chemical vapour deposition). In der 6 ist die Abscheidung des Materials 124 zum Erzeugen der Kontaktbeschichtung 120 durch Pfeile angedeutet.
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Die Abscheidung des Materials 124 wird fortgesetzt, bis die Kontaktbeschichtung 120 in der gewünschten Schichtdicke abgeschieden wurde. Die Schichtdicke hängt dabei von der jeweiligen Anwendung ab und beträgt beispielsweise 50 µm. Um eine Bildung der gewünschten spaltenförmigen Risse innerhalb der Kontaktbeschichtung 120 zu begünstigen, wird die Kontaktbeschichtung 120 vorzugsweise mit einer intrinsischen Zugspannung erzeugt. In der 7, welche die fertige Kontaktbeschichtung 120 zeigt, ist die intrinsische Zugspannung mittels des Pfeils 126 angedeutet. Die gewünschte intrinsische Zugspannung kann dabei durch ein geeignetes Einstellen der Parameter des Abscheideprozesses erzielt werden. Dabei können unter anderem eine von einem optimalen Wert abweichende Abscheidetemperatur, Substrattemperatur und Abscheidegeschwindigkeit entsprechende Spannungszustände innerhalb der Kontaktbeschichtung 120 bewirken. Auch die Zusammensetzung des abgeschiedenen Materials hat dabei Einfluss auf die Bildung entsprechende Spannungszustände innerhalb der Kontaktbeschichtung 120.
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Die in der 8 dargestellt ist, kommt es aufgrund der intrinsischen Zugspannungen 126 innerhalb der Kontaktbeschichtung 120 zur Bildung von Rissen 130, welche sich typischerweise spaltenförmig von der Oberfläche 121 in die Kontaktbeschichtung 120 hinein erstrecken. Die 9 zeigt die Kontaktbeschichtung 120 mit fertig ausgebildeten spaltenförmigen Rissen 130. Wie hier bei ersichtlich ist, liegen die Tiefen die spaltenförmigen Risse 130 vorzugsweise im Bereich der Schichtdicke der Kontaktbeschichtung 120. Je nach Anwendung können jedoch auch unterschiedlich vorgesehen sein. So erreichen die spaltenförmigen Risse 130 beispielsweise Tiefen von 0,5 bis 50 µm und vorzugsweise im Bereich von 1 bis 3 µm.
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Die innerhalb der Kontaktbeschichtung 120 durch den Abbau intrinsischer Zugspannungen 126 typischerweise erzeugten Risse 130 setzen sich innerhalb der Kontaktbeschichtung 120 auch lateral fort. Aus der 10, welche eine Draufsicht auf einen Bereich der Oberfläche 121 der Kontaktbeschichtung 120 darstellt, ist ersichtlich, dass die Risse 130 typischerweise spaltenförmige Bruchstellen bilden, welche jeweils kreuz und quer über die Oberfläche 121 der Kontaktbeschichtung 120 verlaufen und dabei annähernd gleichmäßig verteilt sind. Die spaltenförmigen Risse 130 weisen dabei vorzugsweise geringe Spaltweiten auf, um das Vordringen korrosiver Substanzen bis zu dem darunter liegenden Grundkörper 110 zu unterbinden. Typische Spaltweiten der Risse 130 liegen im Bereich von 1 bis 200 nm und vorzugsweise 5 bis 10 nm.
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Wie bereits weiter oben erläutert kann die Rissbildung innerhalb der Kontaktbeschichtung 120 auf verschiedene Weise initiiert bzw. gefördert werden. In der 11 ist beispielhaft die Bildung der Risse 130 durch ein Ausgasen einer flüchtigen Substanz 125 aus der Kontaktbeschichtung 120 illustriert, die in das Material der Kontaktbeschichtung 120 mit eingelagert ist. Als flüchtige Substanz kommt beispielsweise Wasserstoff (H) infrage, welcher z.B. während einer physikalischen oder chemischen Gasabscheidung aus der Gasphase in die Kontaktbeschichtung 120 mit eingelagert wurde. Durch das Ausgasen der flüchtigen Substanz 125 entstehen in dem metallischen Kristallgitter der Kontaktbeschichtung 120 Leerstellen, welche innerhalb der Kontaktbeschichtung 120 zu intrinsischen Zugspannungen 126 und infolgedessen zu Rissbildung führen.
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In der 12 ist ein thermischer Prozess dargestellt, durch den die Bildung der spaltenförmigen Risse 130 innerhalb der Kontaktbeschichtung 120 durch Zufuhr von Wärmeenergie 450 erzielt bzw. begünstigt wird. Eine solche Wärmebehandlung kann dabei auch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien des Grundkörpers 110 und der Kontaktbeschichtung 120 ausnutzen. Grundsätzlich kann die hier dargestellte thermische Behandlung sowohl die Kontaktbeschichtung 120 als auch den Grundkörper 110 betreffen. Die Wärmebehandlung kann dabei alternativ oder zusätzlich zu einer Wärmezufuhr (Heizen) grundsätzlich auch eine Abkühlung der Kontaktbeschichtung 120 und/oder des Grundkörpers 110 umfassen, um die gewünschte Rissbildung innerhalb der Kontaktbeschichtung 120 zu erzielen.
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In der 13 ist ein mechanisches Verfahren dargestellt, bei dem das elektromechanische Bauteil 100 mittels einer Walze 400 mechanisch bearbeitet wird, um die spaltenförmigen Risse 130 innerhalb der Kontaktbeschichtung 120 zu erzeugen. Im vorliegenden Beispiel wird die Walze 400 durch eine Drehbewegung 401 in die mittels des Pfeils 402 dargestellte Richtung mit einem definierten Druck über die Oberfläche 121 der Kontaktbeschichtung 120 gerollt. Neben einem solchen Walzprozess können grundsätzlich auch andere mechanische Verfahren verwendet werden, um eine Rissbildung innerhalb der Kontaktbeschichtung 120 zu initiieren bzw. zu begünstigen, z.B. Biegen, Dehnen, Stauchen oder Hämmern des elektromechanischen Bauteils 100.
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In den 14 und 15 sind mikroskopische Aufnahmen der Oberflächen von zwei Kontaktbeschichtungen mit spaltenförmigen Rissen dargestellt, die mithilfe unterschiedlicher Verfahren hergestellt wurden. In beiden Fällen handelt es sich um eine in etwa 4000 fache Vergrößerung der betreffenden Oberflächen. Dabei zeigt die 14 die Oberfläche 121 einer Kontaktbeschichtung 120, die zur Rissbildung einem Biegeprozess unterzogen wurde. Durch das Biegen wurden in der Kontaktbeschichtung 120 spaltenförmige Risse 130 erzeugt, welche hauptsächlich parallel zueinander verlaufen. Hingegen zeigt die 15 die Oberfläche 121 einer Kontaktbeschichtung 120, deren spaltenförmige Risse 120 durch Ausgasen von Wasserstoff entstanden sind. In diesem Fall verlaufen die spaltenförmigen Risse 130 ohne eine bevorzugte Richtung kreuz und quer über die Oberfläche 121 der Kontaktbeschichtung 120. Wie die Beispiele aus den 14 und 15 demonstrieren, können durch Auswahl des Herstellungsverfahrens sowie Variation der Prozessparameter die Anzahl, die Form, der Verlauf und die Verteilung der spaltenförmigen Risse 130 auf der Oberfläche 121 der Kontaktbeschichtung 120 in gewünschter Weise beeinflusst werden.
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Ein wesentlicher Vorteil der mechanischen Behandlung der Kontaktbeschichtung 120 zur Initiierung bzw. Begünstigung der Rissbildung liegt darin, dass diese Behandlung lokal sehr begrenzt erfolgen kann und die Risse 130 daher lediglich in den behandelten Bereichen erzeugt werden. Somit lässt sich erreichen, dass außerhalb der Kontaktflächen des elektromechanischen Bauteils 100 keine oder zumindest weniger Risse 130 entstehen und die Kontaktbeschichtung 120 in diesen Bereichen durch eine Rissbildung nicht unnötig geschwächt wird.
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Nach dem Erzeugen der spaltenförmigen Risse 130 in den gewünschten Bereichen der Kontaktbeschichtung 120 wird in einem darauffolgenden Verfahrensschritt ein Schmierstoff 200 in den Rissen 130 ausgebildet. Hierzu können grundsätzlich verschiedene Verfahren verwendet werden. In der 16 ist ein Verfahren gezeigt, bei welchem das elektromechanische Bauteil 100 in einem Behälter 410 mit einer das Schmiermittel 200 enthaltenen Flüssigkeit 230 getaucht wird. Bei der Flüssigkeit 230 kann es sich sowohl um ein flüssiges Schmiermittel 200 als auch um eine Dispersion handeln, bei der ein festes Schmiermittel 200 in Form von Partikeln in einem Lösungsmittel vorhanden ist. Um ein möglichst tiefes Eindringen des Schmiermittels 200 in die spaltenförmigen Risse 130 der Kontaktbeschichtung 120 zu ermöglichen, ist es sinnvoll, eine Flüssigkeit 230 mit einer möglichst hohen Kriechfähigkeit zu verwenden. In dem Fall einer Dispersion mit einem festen Schmiermittel 200 ist es ferner sinnvoll, die Partikelgröße des festen Schmiermittels 200 deutlich kleiner als die Spaltweiten der spaltenförmigen Risse 130 zu wählen.
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Grundsätzlich kann das Ausbilden des Schmiermittels 200 in den spaltenförmigen Rissen 130 auch durch ein einfaches Auftragen einer geeigneten Flüssigkeit auf die Kontaktbeschichtung 120 erreicht werden. Bei der Flüssigkeit kann es sich dabei sowohl um ein flüssiges Schmiermittel 200 als auch um eine das Schmiermittel 200 in fester Form enthaltene Dispersion handeln. Hierzu zeigt die 17 eine entsprechende Methode, bei der das Schmiermittel 200 in flüssiger Form auf der Oberfläche 121 der Kontaktbeschichtung 120 aufgetragen und mittels einer Walze 400 in die spaltenförmigen Risse 130 der Kontaktbeschichtung 120 hineingetrieben wird. Als Verfahren kann dabei das sogenannte Kalandering zum Einsatz kommen, welches beispielsweise zum Beschichteten der Oberflächen folienartiger Strukturen verwendet wird. Eine entsprechende Klalandering-Vorrichtung enthält in der Regel eine Kombination mehrerer polierender und beheizter Walzen, um die flüssige Substanz und Ausübung eines definierten Drucks auf der Oberfläche zu verteilen bzw. in die Oberfläche einzutreiben.
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Das Aufbringen des flüssigen Schmiermittels 200 bzw. einer Partikel eines festen Schmiermittels 200 enthaltenen Dispersion auf die Oberfläche 121 der Kontaktbeschichtung 120 kann beispielsweise mithilfe einer Sprühvorrichtung 440 erfolgen, welche in der 18 beispielhaft gezeigt ist. Das flüssige Schmiermittel 200 kann dabei über eine oder mehrere Sprühdüsen 441 auf der Kontaktbeschichtung-Oberfläche 121 verteilt werden.
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Alternativ zu dem Aufbringen einer Flüssigkeit auf die Kontaktbeschichtung 120 kann das Ausbilden des Schmiermittels 200 in den spaltenförmigen Rissen 130 auch mithilfe einer geeigneten Gasatmosphäre erreicht werden. Hierzu zeigt die 19 beispielhaft das in einer Kammer 430 angeordnete elektromechanische Bauteil 100. Die Kammer 200 enthält eine definierte Gasatmosphäre 220, deren Zusammensetzung durch Zuführen wenigstens einer gasförmiger Substanz 210 über eine Gaszuführung 431 eingestellt werden kann. Im vorliegenden Beispiel wird eine Ausgangssubstanz 210 zur Bildung des Schmiermittels 200 in gasförmiger Form zugeführt, die sich anschließend auf der Oberfläche 121 der Kontaktbeschichtung 120 und an den Innenwänden der spaltenförmigen Risse 130 absetzt. Bei der Ausgangssubstanz 210 handelt es sich vorzugsweise um eine reaktive Substanz, die mit dem Material der Kontaktbeschichtung 120 chemisch reagiert und dabei das Schmiermittel 200 bildet. Sofern die Kontaktbeschichtung 120 aus metallischem Silber oder einem anderen silberhaltigen Material besteht, kann als Ausgangssubstanz 210 ein schwefelhaltiges Gas verwendet werden. Die schwefelhaltige Ausgangssubstanz 210 reagiert mit dem Silber der Kontaktbeschichtung 120 zu Silbersulfid, welches als Schmiermittel 200 dient. Aufgrund der Diffusion der gasförmigen Ausgangssubstanz 210 kommt es auch zum Auffüllen der spaltenförmigen Risse 130 mit dem Schmiermittel 200.
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Um das Eindringen der gasförmigen Ausgangssubstanz 210 in die spaltenförmigen Risse 130 zu erleichtern, kann das Ausbilden der Kontaktbeschichtung in einer gasförmigen Umgebung auch unter einem reduzierten Druck erfolgen. Hierzu zeigt die 20 eine Vakuumvorrichtung 420 mit einer Vakuumkammer 421, in der das elektromechanische Bauteil 100 angeordnet ist. Eine daran angeschlossene Vakuumpumpe 422 erzeugt dabei einen Unterdruck in der Vakuumkammer 421. Durch Zuführen einer gasförmigen Ausgangssubstanz 210 wird in der Vakuumkammer 421 eine Vakuum-Gasatmosphäre 220 mit einem definierten Partialdruck der Ausgangssubstanz 210 eingestellt. Aufgrund des reduzierten Drucks innerhalb der Vakuumkammer 421 werden zuvor vorhandene Gasmoleküle aus den spaltenförmigen Rissen 130 weitgehend entfernt. Infolge dessen können die Moleküle der gasförmigen Ausgangssubstanz 210 relativ einfach in die spaltenförmigen Risse 130 hinein diffundieren.
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Alternativ zur Verwendung einer gasförmigen Ausgangssubstanz 210 lassen sich bei den in den 17 und 18 gezeigten Verfahren grundsätzlich auch mehrere gasförmige Ausgangsubstanzen verwenden, die durch eine gemeinsame Reaktion ein geeignetes Schmiermittel 200 bilden. Ferner kann in den beschriebenen Fällen grundsätzlich auch ein Schmiermittel 200 in gasförmiger Form zum Einsatz kommen.
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Das Ausbilden des Schmiermittels 200 in den spaltenförmigen Rissen 130 der Kontaktbeschichtung 120 kann grundsätzlich auch während der Bildung der spaltenförmigen Risse 130 erfolgen. Hierzu wird die Kontaktbeschichtung einem entsprechenden Schmiermittel 200 bzw. einer das Schmiermittel 200 bildenden Ausgangssubstanz 210 ausgesetzt und anschließend der Prozess zur Bildung der spaltenförmigen Risse 130 in der Kontaktbeschichtung 120 durchgeführt.
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Als Schmiermittel 200 kommen dabei grundsätzlich alle geeigneten Substanzen infrage, die unter den für die jeweilige Anwendung typischen Bedingungen stabil sind. Hierzu zählen neben anorganischen Substanzen (z.B. Silbersulfid, Molybdänsulfid, kohlenstoffbasierendes Schmiermittel (z.B. Graphit), etc.) auch organischen Substanzen (z.B. Polyalphaolefine, organische Säuren, Thiole, etc.).
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus auch andere Variationen und Merkmalskombinationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- elektromechanisches Bauteil
- 101
- Oberseite des elektromechanischen Bauteils
- 102
- Unterseite des elektromechanischen Bauteils
- 103, 104
- Kontaktflächen
- 105
- Einsteckrichtung
- 110
- Grundkörper des elektromechanischen Bauteils
- 111
- Oberfläche des Grundkörpers
- 112
- Oberseite des Grundkörpers
- 113
- Unterseite des Grundkörpers
- 120
- Kontaktbeschichtung
- 121
- Oberfläche der Kontaktbeschichtung
- 124
- Material der Kontaktbeschichtung
- 125
- flüchtige Substanz
- 126
- mechanische Spannung in der Kontaktbeschichtung
- 130
- spaltenförmige Risse
- 150
- Zwischenschicht
- 151
- Oberfläche der Zwischenschicht
- 200
- Schmiermittel
- 210
- Ausgangssubstanz
- 220
- Gasatmosphäre
- 230
- das Schmiermittel enthaltende Flüssigkeit
- 300
- Kontaktpartner
- 310
- erster Kontaktschenkel
- 311
- Kontaktfläche des ersten Kontaktschenkels
- 320
- zweiter Kontaktschenkel
- 321
- Kontaktfläche des zweiten Kontaktschenkels
- 400
- Walze
- 401
- Drehrichtung der Walze
- 402
- Bewegungsrichtung der Walze
- 410
- Behälter
- 420
- Vakuumvorrichtung
- 421
- Vakuumkammer
- 422
- Vakuumpumpe
- 430
- Kammer
- 431
- Gaszuführung
- 440
- Sprühvorrichtung
- 441
- Düse
- 450
- Wärme/Kälte
