DE1521591C3 - Verfahren zur Bildung einer Kontaktfläche auf einer Schalterzunge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bildung einer Kontaktfläche auf einer aus ferromagnetischem Material, insbesondere einer Nickel-Eisen-Legierung, bestehenden Schalterzunge für Schutzgaskontaktschalter durch Aufbringen einer Goldschicht auf die Oberfläche der Kontaktzunge und nachfolgende Diffusionsglühung.

Die Plattierung von Schalterkontakten mit Edelmetallen ist bereits bekannt (Zeitschrift »Metall«, 1954, S. und 615). Hierbei ist es bekannt, daß die plattierten Metalle auf Grund der Diffusion aneinander haften. Dies gilt auch bezüglich sonstiger Edelmetallüberzüge (DT-AS 11 20 243). Es ist auch nicht mehr neu, die Kontaktflächen von Schalterzungen zunächst zu verkupfern, dann zu vergolden und schließlich einer Diffusionsglühung zu unterziehen.

Es ist auch bereits bekannt (DT-PS 10 78 744 bzw. US-PS 28 12 406), eine gute Kontaktoberfläche durch die Verwendung einer Schicht aus einer Gold-Silber-Legierung auf einer Schicht aus Platin oder Silber zu schaffen, welche auf der Schalterzunge niedergeschlagen ist. Bei diesem Verfahren wird die Gold-Silber-Legierung jedoch im voraus hergestellt. In der DT-PS 27 512 wird die Verwendung einer Gold-Silber-Legierung als elektrisches Kontaktmaterial beschrieben, das jedoch zu geringe Härte und mechanische Verschleißfestigkeit aufweist. Aus der US-PS 19 06 689 ist es auch noch bekannt, die Spitze einer Füllfederhalterfeder mit einer Gold-Silber-Plattierung zu versehen.

In modernen Fernsprech-, Rechen-, Datenübertragungs- und ähnlichen Anlagen werden Schalter benötigt, die einen zuverlässigen, verzerrungsfreien und fehlerfreien Betrieb über lange Zeiten hinweg ermöglichen, wobei ein einzelner Schalter die Möglichkeit

ίο haben muß, über eine Million Male und mehr betätigt werden zu können. Im Hinblick auf die große Anzahl der in solchen Anlagen verwendeten Schalter ist es wichtig, daß diese so klein wie möglich sind.

In typischen Fernsprechvermittlungssystemen sind beispielsweise dreißig oder mehr in Reihe geschaltete Schalter erforderlich, um einen Stromkreis zwischen zwei Teilnehmern zu schließen, über den Sprechströme übertragen werden müssen. Es ist leicht einzusehen, daß ein möglichst kleiner und konstanter Widerstand ohne auftretendes Kontaktkleben für solche Schalter verwirklicht werden muß. Besonders nachteilig sind Widerstandsänderungen irgendeines in einen Stromkreis eingeschalteten Schalters, der Sprechströme oder andere Informationssignale führt, weil dadurch Rausehen und möglicherweise beträchtliche Verzerrungen verursacht werden können. Außerdem ist natürlich bei einem Kontaktkleben das richtige Arbeiten eines solchen Schalters nicht mehr möglich.

Der Schutzgaskontaktschalter ist vor etwa 20 Jahren entwickelt worden und stellt im Hinblick auf seine Einfachheit, Zuverlässigkeit und seine kleinen Abmessungen einen beträchtlichen Fortschritt für elektromagnetisch betätigte Schalter dar. Bei diesem Schalter sind verhältnismäßig kleine, dicht benachbarte Zungen aus magnetischem Material in einem Glasrohr eingeschlossen, das ein neutrales Gas unter Druck enthält. Der Schalter wird durch einen Magnetfluß betätigt, der von einer sehr kleinen um die Mitte des Rohres angeordneten Magnetspule erzeugt wird. Ein Stromfluß durch die Spule erzeugt einen Magnetfluß, der die freien Enden der Zungen magnetisiert und zusammenzieht.

Die Entwicklung des Schutzgaskontaktschalters ist im einzelnen beispielsweise in einem Aufsatz »Development of Reed Switches and Relays« von O. M.

Hovgaard and G. E. Perreault beschrieben/der in »Bell System Technical Journal«, Bd. 34, Nr. 2/März 1955, S. 309 bis 332, veröffentlicht worden ist. Auf diesen Aufsatz wird ausdrücklich Bezug genommen.

Wenigstens drei Größen von Schiitzgaskontaktschaltern, die alle verhältnismäßig klein sind, sind in größerer Zahl benutzt worden. Die mittlere Größe ist beispielsweise in einem Glasrohr von etwa 2,5 cm Länge und 0,3 cm Außendurchmesser eingeschlossen. Der bewegliche Teil jeder Zunge innerhalb des Glasrohres wiegt etwa 0,019 g und ist etwa 1 cm lang, 0,13 cm breit und 0,02 mm dick. Bei dem größeren Schutzgaskontaktschalter werden Zungen verwendet, deren beweglicher Teil innerhalb des Glasrohres etwa 0,19 g wiegt. Die Gesamtabmessungen der Teile des Schalters dieser Größe sind etwa dreimal größer als die entsprechenden Teile der mittleren Größe. Ein dritter kleinerer Schutzgaskontaktschalter ist etwa halb so groß wie die mittlere Ausführung, und die aktiven Teile der Zungen wiegen etwa halb so viel wie die aktiven Teile der Zungen des Schalters mittlerer Größe. Natürlich können auch andere Größen vom Fachmann entwickelt werden und sind auch entwickelt worden, wenn bestimmte Arbeitsbedingungen leichter mit kleineren

oder größeren Schaltern dieser Art erfüllt werden können.

Durch eine Justierung wird der Abstand zwischen den sich in Längsrichtung überlappenden Teilen des Schutzgaskontaktschalters innerhalb des Glasrohres zu Anfang sehr klein eingestellt, beispielsweise auf 0,15 mm für einen Schalter mittlerer Größe. Bei typischen Schutzgaskontaktschaltern der oben beschriebenen Art kann die vom Feld der Spule erzeugte Kontaktkraft sehr klein sein, beispielsweise nur einige Gramm, so daß ίο es erforderlich ist, möglichst dünne, nichtmagnetische Materialien auf den Oberflächen zu benutzen, die in Kontakt miteinander gebracht werden, da diese Materialien natürlich den magnetischen Widerstand des Magnetkreises erhöhen und daher die Kontaktkraft herabsetzen. Jede wesentliche Abnahme der Kontaktkraft würde nämlich zu einem beträchtlich höheren Übergangswiderstand der Kontaktflächen führen.

Wie in dem obengenannten Aufsatz beschrieben, wird zwar durch eine einfache leichte Goldplattierung an den Oberflächen der miteinander in Kontakt tretenden Enden der Zungen das Auftreten von Fehlern auf Grund Klebens im wesentlichen ausgeschaltet. In zahlreichen Fällen werden jedoch erhöhte und/oder sich ändernde Übergangswiderstände beobachtet, die eine weitere wesentliche Verbesserung erforderlich machen. Das ist insbesondere dann wichtig, wenn — wie oben erwähnt — viele Schalter in Reihe in Stromkreisen benutzt werden, die Sprechströme oder kodierte Signale führen, da durch Widerstartdsänderungen verursachtes Rausehen und/oder Verzerrungen, wie auch die sich addierenden Gesamtverluste, die sich aus einer wesentlichen Zunahme des Widerstands des genannten Kreises ergeben, offensichtlich nachteilig sind.

In vielen Fällen scheinen sich, wie in dem obengenannten Aufsatz beschrieben, außerdem Schwierigkeiten aus einem Verschleiß der Kontaktflächen zu ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß Schalterzungen für Schutzgaskontaktschalter herstellbar sind, die bisher bekannten Schutzgaskontaktschaltern bezüglich gleichbleibendem niedrigem Kontaktwiderstand und Freiheit vor Kleben der Kontakte überlegen sind.

Diese Aufgabe wird unter Anwendung des eingangs beschriebenen Verfahrens gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß auf die Goldschicht eine gegenüber dieser dünnere Silberschicht abgeschieden wird und daß anschließend die Schalterzunge mit den beiden Schichten zur Diffusion der aufgebrachten Schichten ineinander und in die Oberfläche der Zunge 10 bis 60 min bei einer Temperatur dicht unterhalb der Schmelztemperatur von Silber erhitzt wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind den Unteransprächen zu entnehmen.

Es hat sich auch gezeigt, daß andere Materialien, wie Rhodium, Palladium und zahlreiche andere, bei einem abgedichteten Schutzgaskontaktschalter weniger befriedigen als Silber, wenn sie auf ähnliche Weise auf eine diffundierte Goldschicht aufgebracht werden. Eine genaue Analyse der Zusammensetzung der verschiedenen, auf den Zungen des Schalters durch die Verfahren nach der Erfindung gebildeten Legierungsschichten kann zwar jetzt noch nicht gegeben werden. Die Prüfung von Mikrophotographien von Querschnitten behandelter Zungen zeigt jedoch, daß das Silber eine sehr dünne Oberflächenschicht einer Gold-Silber-Legierung auf der Kontaktfläche bildet. Diese dünne Legierungsschicht scheint eine Diffusion der magnetischen Materialien der Zungen (üblicherweise 51%Nikkel, 49% Eisen) durch die zusammengesetzten Oberflächen vollständig zu verhindern. Es hat sich gezeigt, daß die Gold-Silber-Legierung, wenn sie in einer sauerstofffreien Umgebung eingeschlossen ist, fast ideale Eigenschaften aufweist, d. h. sehr kleinen und konstanten Widerstand und keine Neigung zum Kleben. Es ist außerdem zu beachten, daß Gold-Silber-Legierungen bei einer Verwendung an der Luft keine sehr befriedigenden Kontaktmetalle darstellen, da Anlaufen oder Korrosion so große Schwierigkeiten mit sich bringen können, daß die Anwendung solcher Legierungen auf Schalter beschränkt ist, bei denen die Kontakte aufeinander genügend stark schleifen, so daß die Flächen saubergehalten werden. Bei einem Schutzgaskontaktschalter tritt keine merkliche Schleifwirkung auf, und es ist, wie oben angegeben, nur eine verhältnismäßig sehr kleine Kraft vorhanden, welche die Kontakte im angezogenen Zustand zusammenhält. Es war daher nicht zu erwarten, daß das einfache Aufbringen einer Silberschicht auf die Goldschicht und eine Erwärmung der Anordnung eine befriedigende Lösung für eine Kontaktfläche von Schutzgaskontaktschaltern ergeben würde.

Diese und weitere Vorteile der Erfindung sollen im folgenden in Verbindung mit den Zeichnungen an Hand von bestimmten Ausführungsbeispielen noch näher beschrieben werden; es zeigt

F i g. 1 die Zungenanordnung eines Schutzgaskontaktschalters, der in einem zylindrischen Glasrohr eingeschlossen ist, in vergrößertem Maßstab,

F i g. 2 bei einer tausendfachen Vergrößerung die durch die erfindungsgemäßen Verfahren auf den Oberflächen der Zungen eines Schutzgaskontaktschalters gebildeten Legierungsschichten.

Im einzelnen ist in F i g. 1 ein Schutzgaskontaktschalter mittlerer Größe in vergrößertem Maßstab gezeigt, der ein Zungenpaar 16 und 18 aus magnetischem Material aufweist, die jeweils nur an einem Ende durch Glieder 24 bzw. 26 gehalten werden. Die Glieder 24 und 26 müssen nicht aus magnetischem Material bestehen, sollten aber den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie Glas besitzen, da sie wiederum durch Einschmelzungen 12 bzw. 14 an den Enden des zylindrischen Glasrohres 10 gehalten werden, wie gezeigt. Unter Verwendung eines Materials, das sowohl geeignete magnetische Eigenschaften als auch einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der gleich dem des Glases ist, aus dem Rohr hergestellt ist, können die Zungen und ihre Befestigung aus einem Stück bestehen. Die freien Enden der Zungen 16 und 18 sind benachbart, aber durch einen kleinen Abstand getrennt, der beispielsweise etwa 0,15 mm für den Schalter mittlerer Größe betragen kann. Sie überlappen sich in Längsrichtung um ein kurzes Stück, beispielsweise etwa um 0,75 mm für den Schalter mittlerer Größe.

Die Zunge 16 weist eine Beschichtung 20 auf ihrem linken Ende und die Zunge 18 eine ähnliche Beschichtung 22 auf ihrem rechten Ende auf. Die Beschichtungen sind in die Zungen eindiffundiert, wie im folgenden im einzelnen beschrieben werden soll. Die Zungen 16 und 18 können aus irgendeinem geeigneten magnetischen Material bestehen. Eine Nickel-Eisen-Legierung mit 51% Nickel ist magnetisch befriedigend und besitzt den zusätzlichen Vorteil, daß sie im wesentlichen den gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wie leicht

verfügbare Glasarten, und daher in die Enden des Glasrohres eingeschmolzen werden kann. Bei anderen Magnetmaterialien kann eine zweiteilige Konstruktion erforderlich sein, nämlich ein Ausführungsteil aus einem Metall, das einen geeigneten Ausdehnungskoeffizienten besitzt und an einen Zungenteil mit den geeigneten magnetischen Eigenschaften angeschweißt ist. Leitende Glieder 24 und 26 erstrecken sich durch die Einschmelzungen 12 und 14 am Ende und stellen günstige und leicht zugängliche elektrische Verbindungen zu den entsprechenden Zungen dar. Typische Abmessungen für die Zungen und das Rohr wurden im vorhergehenden bereits genannt. Wie ebenfalls bereits erläutert, ist das Glasrohr üblicherweise mit einem chemisch neutralen Gas unter einem Druck gefüllt, der etwas oberhalb des Atmosphärendrucks liegt.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Anbringung der Beschichtungen 20 und 22 auf die freien Enden der Zungen 16 bzw. 18 umfaßt erfindungsgemäß eine sorgfältige Reinigung der Oberfläche, beispielsweise durch eine Entfettung in der Dampfphase, gefolgt von einem Eintauchen in eine heiße Säure unter Verwendung einer 50%igen Salzsäure-Lösung in üblicher Weise, eine elektrolytische Abscheidung einer Goldschicht auf die zu bedeckenden Endabschnitte mit 1 bis 2 mg/cm², eine elektrolytische Abscheidung einer Silberschicht auf der Goldschicht mit 0,2 bis 0,4 mg/cm² und eine Diffusion der aufgebrachten Schichten ineinander und in die Oberfläche der Zunge durch Erwärmen auf eine Temperatur zwischen 800 und 950⁰C für eine Zeitdauer von 10 bis 60 Minuten. In der Mehrzahl der Fälle reicht eine Zeitdauer von 15 Minuten aus. Im allgemeinen sollte das Gewicht des abgeschiedenen Silbers zwischen einem Viertel und einem Sechstel des Gewichtes des abgeschiedenen Goldes liegen. Der obenerwähnte Schalter größerer Ausführung sollte Edelmetallschichten nahe dem Maximum der obengenannten Werte aufweisen, der Schalter mittlerer Größe Schichten mittlerer Dicke und der Schalter kleiner Größe Schichten mit dem Minimum der angegebenen Dicke.

Es wurden Mikrophotographien von Querschnittsteilen einer Nickel-Eisen-Magnetzunge (51 % Nickel) eines Schalters mittlerer Größe aufgenommen. Die Zunge war entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren beschichtet und diffundiert. Eine spezielle beispielhafte Mikroaufnahme eines Schnitts einer so behandelten Zunge bei einer Vergrößerung von 1000 ist in Fig.2 dargestellt. Eine sehr dünne Schicht 50, von der angenommen wird, daß sie im wesentlichen aus einer Gold-Silber-Legierung besteht, ist mit der Dicke von etwa 1 μηι auf der äußeren Oberfläche gebildet. Eine wesentlich dickere, unregelmäßig geformte Schicht 52 liegt zwischen dem Zungenkörper und der erstgenannten sehr dünnen Schicht 50. Es wird angenommen, daß die Schicht 52 aus einer Legierung mit sich ändernder Zusammensetzung aus Gold, Silber, Nickel und Eisen besteht, wobei die Anteile an Nickel und Eisen wesentlich mit dem Abstand von der Mitte der Zunge abnehmen. Die Schicht 52 besitzt eine Dicke, die zwischen 5 und 15 μπι schwankt Die in Fig.2 dargestellte Oberfläche ist zur Säuberung mit einer Säure geätzt worden. Die Linien 54 stellen die Kristallgrenzen der Nickel-Eisen-Zunge dar. Im allgemeinen sollte die Gesamtdicke der Legierungsschichten 50 und 52 zwischen einem Zehntel und einem Dreißigstel der Dicke der Magnetzunge liegen.

Im wesentlichen die gleichen Ergebnisse lassen sich erzielen durch Einschalten einer weiteren Zwischenerwärmung auf 800 bis 950⁰C für 5 bis 15 Minuten nach Abscheiden der Goldschicht und vor Abscheiden der Silberschicht.

Da angenommen wird, daß die außerordentlich günstigen Betriebseigenschaften der erfindungsgemäßen Magnetzungenschalter auf der Bildung der sehr dünnen Gold-Silber-Legierungsschicht 50, die im wesentlichen keine Metalle der Grundlage aufweist, wie oben beschrieben, ruhen, sollte bei der zusätzlichen Anwendung der Zwischenwärmebehandlung der Goldschicht auf der Zunge allein die Silberschicht vor Ablauf eines größeren Zeitabschnitts aufgebracht und wärmebehandelt werden, um die Möglichkeit auszuschalten, daß die Metalle der Grundlage, üblicherweise Nickel oder Eisen oder beide, in die Außenfläche aus Gold und nachfolgend in die Gold-Silber-Legierung eindringen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bildung einer Kontaktfläche auf einer aus ferromagnetischem Material, insbesondere einer Nickel-Eisen-Legierung, bestehenden Schalterzunge für Schutzgaskontaktschalter durch Aufbringen einer Goldschicht auf die Oberfläche der Kontaktzunge und nachfolgende Diffusionsglühung, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Goldschicht eine gegenüber dieser dünnere Silberschicht abgeschieden wird und daß anschließend die Schalterzunge mit den beiden Schichten zur Diffusion der aufgebrachten Schichten ineinander und in die Oberfläche der Zunge 10 bis 60 min bei einer Temperatur dicht unterhalb der Schmelztemperatur von Silber erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Goldschicht mit einem Gewicht zwischen 1 und 2 mg/cm² aufgebracht und die Schalterzunge mit dieser Schicht für eine Zeitdauer zwischen 5 und 15 Minuten einer Temperatur von 800 bis 95O⁰C ausgesetzt wird, daß anschließend die Silberschicht mit einem Gewicht von 0,2 bis 0,4 mg/cm² aufgebracht wird, wobei das Verhältnis des Gewichtes von Gold zu Silber im Bereich von 4 bis 6 liegt, und daß anschließend die Schalterzunge auf eine Temperatur im Bereich von 800 bis 950⁰C erhitzt wird.

3. Schalterzunge, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (20,22) der Schalterzunge (16, 18, 54) eine dünne Außenschicht (50) aus einer Gold-Silber-Legierung und eine wesentlich dickere Schicht (52) aus einer Legierung von Gold, Silber und dem Magnetmaterial der Schalterzunge aufweist, daß die dickere Schicht (52) zwischen der dünnen Außenschicht (50) und dem Zungenkörper (54) liegt und daß die Gesamtdicke der beiden Schichten (50, 52) ein kleiner Bruchteil der Zungendicke ist.