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Elektrisches Kontaktstück Die Erfindung betrifft ein elektrisches
Kontaktstück aus einem unedlen Buntmaterial, wie Kupfer, mit einem Überzug, der
zu bewirken hat, daß der Übergangswiderstand des Kontaktstückes konstant bleibt,
und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein aus Zinn bestehender Überzug auf eine Sperrschicht
zwischen dem Überzug und dem Grundmetall aufgetragen ist.
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Kontaktstücke in Schaltgeräten und hier besonders die sogenannten
Schaltstückauflagen, d. h. diejenigen Teile, die der galvanischen Kontaktgabe dienen,
fertigt man aus einem Material, das einen geringen spezifischen Widerstand hat.
Bei diesen Kontaktstücken liegt die Aufgabe vor, die Kontaktfläche auf möglichst
lange Zeit metallisch rein zu halten. Damit soll - ohne Rücksicht auf den Kontaktdruck
- der Übergangswiderstand, der den Spannungsabfall am Kontaktstück und damit die
Verlustwärme bedingt, nicht unzulässig erhöht werden und in bestimmten vorgeschriebenen
Grenzwerten bleiben. Aus diesem Grunde benutzt man hierfür vorzugsweise Edelmetalle,
insbesondere Silber oder Silberlegierungen. Solche Kontaktstücke haben aber den
Nachteil, anfällig gegen Schwefel oder schwefelhaltige Medien zu sein. Besonders
kritisch ist das bei ruhenden Kontaktstücken, d. h. bei solchen Kontaktstücken,
die weniger häufig geschaltet werden, so daß eine sogenannte Selbstreinigung der
Kontaktstücke nicht stattfindet. Kontaktstücke, z. B. Schaltstückauflagen, die aus
einem unedlen Metall, z. B. Kupfer, bestehen, hat man mit einem Überzug aus einem
edleren Metall, wie Silber, versehen.
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Man hat auch Kontaktstücke anlaufbeständiger gemacht durch Umwandlung
der Oberfläche in Chromatverbindungen. Aber auch hier bilden sich im Betriebe und
insbesondere beim Vorhandensein aggressiver Medien Sulfidschichten, die den Übergangswiderstand
der Kontakte erhöhen. Es ist auch bekannt, an Stelle von Überzügen aus Edelmetallen
solche aus einem unedlen Metall, z. B. Zinn, anzuwenden.
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Diese Überzüge sind so lange beständig gegen schwefelhaltige Atmosphäre,
wie die Temperatur, der das Kontaktstück ausgesetzt ist, unterhalb gewisser Grenzen
bleibt. Aber auch hier läßt sich nicht mit Bestimmtheit eine Zeitangabe machen,
wie lange das Kontaktstück ohne Veränderung seines übergangswiderstandes arbeitet,
denn es tritt auf alle Fälle (bei hohen Temperaturen schnell, bei niedrigen Temperaturen
langsam) eine Diffusion des Zinns in das Grundmaterial ein. Bei Kupfer entstehen
intermetallische Verbindungen aus Cu.Sn und Cu6Sn5. Dieser Vorgang bewirkt eine
Veränderung des spezifischen Widerstandes und damit eine Erhöhung des Spannungsabfalles.
Die Verschlechterung des Kontaktstückes ist progressiv.
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Durch die deutsche Patentschrift 830 269 sind Gleitlager mit Zinnlaufflächen
bekannt. Zur Verhinderung der Diffusion des Zinns in das Grundmaterial bringt man
Schichten von galvanisch abgeschiedenem Eisen, Nickel und Kobalt auf, um die Gleiteigenschaften
des Zinns für das Einlaufen von Gleitlagern zu erhalten.
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Bei verzinnten Kupferkontaktstücken tritt an sich in schwefelhaltiger
Atmosphäre keine Sulfidbildung und keine Erhöhung des Spannungsabfalls ein. Ein
solches Kontaktstück kann aber nur so lange befriedigend arbeiten, wie es einer
geringen Erwärmung ausgesetzt ist, d. h., daß es nur gering belastet wird. Wird
die Stromdichte betriebsmäßig höher oder wird die Betriebstemperatur dauernd höher,
etwa durch Erhöhung des Übergangswiderstandes infolge niedrigen Kontaktdruckes,
ergibt sich eine Temperaturerhöhung, die eine Umwandlung der Zinnschicht in Diffusionsschichten
zur Folge hat. Es bilden sich dann wiederum intermetallische Schichten aus Cu.Sn
und Cu6Sn5. Infolge des höheren Kupferanteiles der Cu3Sn-Phase gegenüber der CuBSnS
Phase kann eine Oxidation der Oberfläche eintreten, die die Erhöhung des Spannungsabfalles
und die dauernde Verschlechterung des Kontaktstückes bewirkt.
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Durch die Erfindung kann die Änderung der elektrischen Eigenschaften
durch Einbau einer Diffusionssperrschicht verhindert werden. Sperrschichten aus
Eisen, Nickel und Kobalt und deren Legierungen (s. deutsches Patent 830 269) haben
nicht die Wirkung wie die in der Erfindung angegebene, da sie selbst bei höheren
Temperaturen durch die Bildung
von FeSnz und Nixsn"-Schichten die
elektrischen Widerstände erhöhen.
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Gemäß der Erfindung werden Zink und Zinklegierungen, wie Messing,
Zinn-Zink und Zinn-Blei-Legierungsschichten, als Diffusionssperrschichten bei elektrischen
Kontaktstücken benutzt.
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Diese Schichten werden galvanisch in einer Schichtdicke von 0,001
bis 0,005 mm, vorzugsweise 0,005 mm, auf das Grundmaterial unter der Zinnschicht
mit einer Schichtdicke von 0,01 bis 0,02 mm aufgetragen. Bei Anwendung der obengenannten
Sperrschicht tritt auch bei höheren Temperaturen, von z. B. 200° C, keine Erhöhung
der Spannungsabfälle auf.
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Außerdem wird auch eine mit der Diffusion zusammenhängende Verfärbung
des Zinnüberzuges unterbunden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
in Seiten- und Vorderansicht dargestellt. Darin ist 1 ein aus Kupfer bestehendes
Kontaktstück. Auf das Kupfergrundmetall ist galvanisch eine aus Messing, Zinn-Zink
oder Zinn-Blei bestehende Sperrschicht 2 aufgetragen, auf diese wiederum die Zinnschicht
3. Es würde genügen, die Sperrschicht 2 und die Zinnschicht 3 nur auf die Kontaktfläche
aufzutragen, da nur hier die elektrische Belastung des Kontaktstückes erfolgt. Die
Aufbringung der Schichten 2 und 3 erfolgt galvanisch. Es lohnt nicht, die Seitenflächen
abzudecken, um hier die Auftragung zu verhindern. Aus diesem Grunde ist das Kontaktstück
1 allseitig mit der Sperrschicht und der Zinnschicht versehen.