DE1021172B

DE1021172B - Use of gold-copper alloys as a material for electrical contacts and processes for making contacts

Info

Publication number: DE1021172B
Application number: DED13034A
Authority: DE
Inventors: Dr Albert Keil; Dipl-Phys Carl Ludwig Meyer; Dr Eugen Duerrwaechter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1952-08-29
Filing date: 1952-08-29
Publication date: 1957-12-19

Description

Verwendung von Gold-Kupfer-Legierungen als Werkstoff für elektrische Kontakte und Verfahren zur Herstellung von Kontakten Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Gold-Kupfer-Legierungen als Kontaktwerkstoff und auf :ein Verfahren zur Herstellung solcher Kontakte und Kontaktträger.Use of gold-copper alloys as a material for electrical Contacts and Methods of Making Contacts The invention relates to on the use of gold-copper alloys as contact material and on: a Process for making such contacts and contact carriers.

Goldlegierungen werden insbesondere wegen ihrer großen Oxydationsbeständigkeit seit langer Zeit als Werkstoffe für Un:terbrecherkontakte der Elektrotechnik verwendet. Besonders b,ekanntgewo,rden sind die Goldlegierungen mit Silber, die vollkommen beständig gegen alle korrodierenden Einflüsse sind, soweit der Silbergehalt 25 Gewichtsprozent nicht überschreitet. Auch Gold-Nickel-Legierungen mit einem Gehalt von nicht über 10 Gewichtsprozent Nickel haben sich als Unterbrecherkontakte gut bewährt.Gold alloys are particularly popular because of their great resistance to oxidation Used for a long time as materials for breaker contacts in electrical engineering. Gold alloys with silver, which are particularly well known, are perfect are resistant to all corrosive influences, as long as the silver content is 25 percent by weight does not exceed. Also gold-nickel alloys with a content of not over 10 percent by weight nickel have proven to be effective as breaker contacts.

Dagegen sind Gold-Kupfe!r-Legierungen mit guten Kontakteigenschaften bisher nicht bekannt, da anscheinend bereits geringe Kupfergehalte genügen, um die Eignung dieser Legierungen als elektrische Kontakte ungünstig zu beeinflussen. Ein vo,rgeschlagener Phosphorzusatz läßt den Werkstoff so verspröden, daß aus ihm schon rein mechanisch keine brauchbaren Kontakte geformt werden können.Gold-copper alloys, on the other hand, have good contact properties not known so far, as apparently even low copper contents are sufficient to achieve the Adversely affecting suitability of these alloys as electrical contacts. A The proposed phosphorus additive makes the material so brittle that it is already out of it purely mechanically no usable contacts can be formed.

An .einen guten Werkstoff für elektrische Kontakte werden eine Reihe vom Anforderungen gestellt, von denen die hohe Beständigkeit gegen atmosphärische Einflüsse, insbesondere gegen Schwefel enthaltende Gase, die Beständigkeit gegen Säuren und Alkalien, die geringe Materialwanderung während des Schaltbetriebes und eine möglichst geringe Schweißneigung besonders wichtig sind.There are a number of good materials for electrical contacts imposed by the requirements of which the high resistance to atmospheric Influences, in particular to gases containing sulfur, the resistance to Acids and alkalis, the low material migration during switching operation and the lowest possible tendency to sweat are particularly important.

Die bekannten als Kontaktwerkstoffe verwendeten Golldlegierungen erfüllen diese Anforderungen nur teilweise. Die Gold-Silber-Legierungen neigen zu der schädlichen, großen Materialwanderung und Spitzenbildung und gleichzeitigen Verschweißung. Die Gol@d-N ickel-Legierungen zeigen eine geringe Materialwanderung, sind jedoch preislich wegen des hohen Goldgehaltes oft nicht tragbar: Goldlegierungen mit Zusätzen anderer unedler Metalle- zeigen in@fo-lge ihrer leichten Oxydaition so große Übergangswiderstände, daß ihre Verwendung bei dem hohen Preis des Goldes keinerlei Vorteile, bietet.Fulfill the known gold alloys used as contact materials these requirements only partially. The gold-silver alloys tend to be harmful, large material migration and peak formation and simultaneous welding. the Gol @ d-nickel alloys show little material migration, but are priced Often not acceptable because of the high gold content: gold alloys with additions of others of base metals, because of their easy oxidation, show such large contact resistances, that their use offers no advantage at the high price of gold.

Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, daß Gold-Kupfer-Legierungen dann eine besonders gute Eignung als Kontaktwerkstoffe aufweisen, wenn sich ihr Kristallgitter in der sogernannten geordneten. Phase befindet. Diese geordnete Phase ist bekannt und wird in der Literatur auch als »Üb,e-rstrulduir« bezeichnet. Die Umwandlung der ungeordneten Atomverteilung und die dabei eintretenden Eigenschaftsünderungen sind z. B. beschrieben in Hansen: »Der Aufbau der Zweisto@ffl.egierutlgen«, 1936, S. 221 ff., mit Literaturangaben und im »The Structure of Metals and Alloys«, London 1947, S. 87 ff., von Hume-Rotherv. Versuche haben ergeben, daß sich Gold-Kupfer-Legierungen mit 15 bis 90°/o, insbesondere 50 bis 90% Gold, Rest Kupfer, dann besonders als Kontaktwerkstoffe eignen, wenn diese Legierungen in der geordneten Phase oder Überstruktur vorliegen, was durch eine Glühbehandlung zwischen 1/2 und 48 Stunden der normal erschmolzenen Legierungen bei einer Temperatur zwischen 200 und 420° C erreicht wird.Surprisingly, it has now been shown that gold-copper alloys then have a particularly good suitability as contact materials if you Crystal lattice in the so-called ordered. Phase is located. This orderly phase is known and is also referred to in the literature as "Üb, e-rstrulduir". the Conversion of the disordered atomic distribution and the resulting loss of properties are z. B. described in Hansen: "The structure of Zweisto@ffl.egierutlgen", 1936, P. 221 ff., With references and in "The Structure of Metals and Alloys", London 1947, pp. 87 ff., By Hume-Rotherv. Tests have shown that gold-copper alloys with 15 to 90%, in particular 50 to 90% gold, the remainder copper, then especially as Contact materials are suitable when these alloys are in the ordered phase or superstructure present, which is normal due to an annealing treatment between 1/2 and 48 hours melted alloys at a temperature between 200 and 420 ° C will.

Dabei kann die in normaler Atmosphäre erfolgen, wobei jedoch -eine oberflächliche Oxydbildung eintritt, die durch anschließendes Beizen der Legierungen in verdünnter Säure, beispielsweise Schwefelsäure, wieder entfernt werden muß. Die besten Ergebnisse werdein mit einer Glühung im Vakuum oder in. Stickstoff bzw. einem Edelgas, z. B. Helium oder Argon, erzielt. Diese Legierungen mit geordneter Phase- zeigen überraschenderweise die für elektrische Kontakte besonders wertvollen Eigenschaften., nämlich neben der bekannten großen Härte und Verschleißfestigkeit und guten elektrischen Leitfähigkeit auch ger-inge Materialwan,dzerung, hohe Oxvdationsbestän@diglce@it und geringe Schweißneigung.This can be done in a normal atmosphere, but -one superficial oxide formation occurs, which is caused by subsequent pickling of the alloys must be removed again in dilute acid, for example sulfuric acid. the Best results are achieved with annealing in a vacuum or in nitrogen or a Noble gas, e.g. B. helium or argon achieved. These alloys with ordered phase surprisingly show the properties that are particularly valuable for electrical contacts., namely in addition to the well-known great hardness and wear resistance and good electrical Conductivity also low material wall, high resistance to oxidation and low tendency to perspire.

Eine mech.a,nische Bearbeitung der in der geordneten Phase befindlichen Kontakte würde das geordnete, Kris@tallgitteir in die ungeordnete Form mit ihren schlechteren Kontakteigenschaften überführen.A mech.a, niche processing of those in the orderly phase Contacts would be the orderly, Kris @ tallgitteir in the disordered form with theirs convict poor contact properties.

Aus diesem Grunde muß die Überführung des Kontaktwerkstoff-es in die geordnete Phase nach der mechanischen Bearbeitung der Kontaktteile stattfindien. Dieselbe Gefahr der Zerstörung des geordneten Atomgitters besteht bei einer Wärmebehandlung oberhalb der Umwandlungstemperatur, wie, sie beispielsweise beim Schweißen oder Löten auftreten kann. Trotzdem ist die Anwendung eines derartigen Befestigungsverfahrens möglich, sofern folgendes beachtet wird: Liegt die Arbeitstemperatur beim Schweißen oder Löten oberhalb der Umwandlungstemperatur, so muß die Überführung in den geordneten Zustand nach der Befestigung des Kontaktwerkstoffes erfolgen. Liegt dagegen die Arbeitstemperatur unter dem Umwandlungspunkt, so müssen die zu befestigenden Werkstoffe bereits in dem geordneten Zustand vorliegen.For this reason, the conversion of the contact material into the orderly phase take place after the mechanical processing of the contact parts. Same There is a risk of destruction of the ordered atomic lattice during heat treatment above the transition temperature, such as, for example, when welding or Soldering can occur. Nevertheless, the use of such a fastening method possible, provided that the following is observed: Is the working temperature during welding or soldering above the transition temperature, the conversion must be in the orderly State after the attachment of the contact material. On the other hand, lies the Working temperature below the transformation point, the materials to be fastened must are already in the ordered state.

Während beispielsweise sogenannte Einfachkopf-Kontakte noch in Kontaktfedern eingenietet werden können, ohne daß sich der geordnete Zustand des Atomgitters im Kontaktkopf verändert, ist dies bei der Herstellung von sogenannten Doppelkopf-Kontakten nicht möglich. Bei diesen Doppelkopf-Kontakten wird ein langer Nietschaft zu einem zweiten Kontaktkopf verformt, und diese Verformung genügt, um das geordnete Kristallgitter in die ungeordnete Form mit ihren schlechten Kontakteigenschaften überzuführen. Man erhält so einen Doppelkopf-Kontakt, bei dem der eine Kontaktkopf ein geordnetes Kristallgitter und der andere Kontaktkopf ein ungeordnetes Kristallgitter aufweist.While, for example, so-called single-head contacts are still in contact springs can be riveted without affecting the ordered state of the atomic lattice in the If the contact head is changed, this is the case in the production of so-called double-head contacts not possible. With these double-headed contacts, a long rivet shaft becomes one second contact head is deformed, and this deformation is sufficient to create the ordered crystal lattice to be converted into the disordered form with its poor contact properties. In this way, a double-head contact is obtained, in which one contact head is an orderly one Crystal lattice and the other contact head has a disordered crystal lattice.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Spitzenbildung zwischen zwei Unterhrecherkontakten der erfindungsgemäß verwendeten Legierungen jedenfalls bei Betrieb mit Gleichstrom auch dann vermieden wird. wenn nur der als Anode dienende Kontakt aus der Legierung mit geordnetem Kristallgitter besteht, während die Kathode aus der Legierung mit ungeordneter Atomverteilung, also, beispielsweise dem zuletzt geformten Kopf eines Doppel!I:o.pf-Kontali:tes, gebildet wird. Unter Beachtung der richtigen Podung ist es daher auch möglich, bei Gleichstrom Doppelkopf-Kontakte aus den erfindungsgemäß verwendeten Legierungen zu benutzen.However, it has been shown that the peak formation between two Unterhreche contacts of the alloys used according to the invention in any case when operated with direct current even then is avoided. if only the alloy contact serving as anode with an ordered crystal lattice, while the cathode consists of the alloy with disordered atomic distribution, so, for example, the last formed head of a Double! I: o.pf-Kontali: tes, is formed. Taking into account the correct podium is It is therefore also possible, with direct current, to use double-head contacts from the inventive to use alloys used.

Bei Wechselstrom und bei der Herstellung sogenannter Umschaltkontakte, das sind Kontakte mit ,einem Kontaktkopf auf beiden Seiten der Kontaktfeder . ist dies nicht möglich. Bei der letztgenannten Kontaktausbildung muß der zweite Kontaktkopf innerhalb. der Feder aus einem langen Schaft eines Kontaktnietes verformt werden. Diese Kaltbearbeitung wandelt dabei den geordneten Zustand des Kristallgitters in den ungeordneten Zustand um. Dadurch aber haben die zwei Kontaktköpfe des Umschaltkontaktes ganz verschiedene Eigenschaften. Der eine; im geordneten Zustand des Kristallgitters befindliche- Kopf hat die erwähnten guten Kontakteigenschaften, während der Kopf, der sich im ungeordneten Zustand des Kristallgitters befindet, wesentlich schlechtere Kontakteigenscbaften aufweist. Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung können die geschilderten Nachteile jedoch dadurch vermieden werden, daß die kontakttragenden Federn aus Federwerkstoffen hergestellt sind, die dein Effekt der Warmaushärtung zeigen; die in den Federn eingenieteten Kontakte bestehen aus den erfindungsgemäß zu verwendenden Gold-Kupfer-Legicrungen, deren ungeordneter Zustand des Kristallgitters durch eine Wärmebehandlung in den geordneten Zustand übergeführt werden kann.In the case of alternating current and in the production of so-called changeover contacts, these are contacts with, a contact head on both sides of the contact spring. is this is not possible. In the case of the last-mentioned contact formation, the second contact head must within. the spring can be deformed from a long shaft of a contact rivet. This cold working converts the ordered state of the crystal lattice into the disordered state around. As a result, however, the two contact heads have the changeover contact very different properties. The one; in the ordered state of the crystal lattice - head has the mentioned good contact properties, while the head, which is in the disordered state of the crystal lattice, much worse Has contact properties. According to a further idea of the invention, can However, the disadvantages described are avoided in that the contact-bearing Springs are made from spring materials that have their effect of heat curing demonstrate; the contacts riveted into the springs consist of the contacts according to the invention Gold-copper alloys to be used, their disordered state of the crystal lattice can be brought into the ordered state by heat treatment.

Als Federmaterial verwendet man gemäß der Erfindung die bekannten Be,rylliuml>ronzen, die bei einer Temperatur von 300 bis 550° C aushärten. jedoch können mit dem gleichen Erfolg auch andere aushärtbare Zweistoff- bzw. Mehrstofflegierungen, beispielsweise des Kupfers oder Nickels, verwendet werden.According to the invention, the known spring material is used as the spring material Be, ryllium oils that harden at a temperature of 300 to 550 ° C. However other hardenable two-component or multi-component alloys can also be used with the same success, for example copper or nickel can be used.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Kontaktteile erfolgt dadurch. d-aß man das aushärtbare Federmaterial im weichen Zustand ausstanzt und in seine genaue Form bringt und anschließend die Kontakte aus der in der ungeordneten Phase befindlichen Gold-Kupfer-Legierung auf den Federn befestigt. Anschließend findet eine Mrärmebehandlung statt; welche unterhalb der Temperaturgrenze zur Umwandlung in den geordneten Zustand der Kontaktlegierung liegt. Durch diese Wärmebehandlung tritt gleichzeitig eine Aushärtung des Federmaterials ein, und man erhält so eine Feder für elektrische, Schaltzwecke, be: der die Feder gute Federungseigenschaften und die darauf befestigten Kontakte die sehr guten Kontakteigenschaften der geordneten Phase des Kristallgitters der betreffenden Legierung aufweist.The contact parts according to the invention are produced in this way. d-ate you punch out the curable spring material in the soft state and put it in your brings the exact shape and then the contacts out of the in the disordered phase located gold-copper alloy attached to the springs. Then takes place a heat treatment takes place; which below the temperature limit for conversion is in the ordered state of the contact alloy. Through this heat treatment at the same time a hardening of the spring material occurs, and one obtains one Spring for electrical, switching purposes, where the spring has good suspension properties and the contacts attached to it the very good contact properties of the ordered Has phase of the crystal lattice of the alloy in question.

Claims

PATENT CLAIM: 1. The use of alloys of 15 to 90. in particular 50 to 9001o gold, the remainder copper, which is produced by annealing at 200 to d20 ° C and an annealing time of 1 hour to 48 hours have obtained over-structure as the material for electrical contacts.

2. Process for making contacts with the contact material according to claim 1, characterized in that the contact initially in the final Formed and attached to its support by riveting, welding or brazing and is thereafter subjected to the heat treatment.

3. Ver-svericliing the 'material according to claim 1 for the part of a double-headed contact serving as anode. In References considered: German Patent No. 744 581: USA.-Patentschriften No. 2 213 397.2 426 -167.