DE2038929B2

DE2038929B2 - Kontakt für eine Schaltvorrichtung der Nachrichtentechnik

Info

Publication number: DE2038929B2
Application number: DE2038929A
Authority: DE
Inventors: Douwe Mindert De Boer; Anthony Steinmetz
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-08-29
Filing date: 1970-08-05
Publication date: 1978-03-16
Also published as: FR2059741A1; CA939712A; JPS509338B1; CH521662A; US3663777A; ES383065A1; BE755409A; DE2038929A1; FR2059741B1; GB1254249A; SE355893B; AT306839B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontakt für eine Schaltvorrichtung der Nachrichtentechnik mit einem Träger, der mit einem die Kontaktoberfläche bildenden Überzug aus mindestens zwei Schichten versehen ist, wobei die äußere Schicht aus Edelmetall besteht.

Ein derartiger Kontakt ist aus der DE-AS 1270692 bekannt. Schaltvorrichtungen mit beweglichen Kontakten bzw. Zungenkontakten finden in den letzten Jahren in einer vakuumdicht verschlossenen Umhüllung in miniaturisierter Ausführung in modernen Fernsprechanlagen, Rechenanlagen und Datenübertragungssystemen immer mehr Anwendung. In diesen Schaltvorrichtungen befinden sich die Kontaktglieder, die meistens an den Enden der federnden Leiter angebracht sind, zusammen in einem verschlossenen, mit einem Schutzgas gefüllten Raum. Die Leiter bestehen aus einem magnetischen Werkstoff, wodurch der Kontakt mit Hilfe außerhalb der Umhüllung angeordneter Spulen oder Dauermagnete geöffnet oder geschlossen werden kann.

Andere Ausführungsformen von Schaltvorrichtungen mit - gegebenenfalls umhüllten - Kontakten sind Relais oder Koordinatenschalter.

An alle diese Vorrichtungen werden besonders strenge Anforderungen in bezug auf die Lebensdauer sowohl im unbelasteten als auch im belasteten Zu

ίο

stand gestellt, während der Übergangswiderstand während der ganzen Lebensdauer der Vorrichtung niedrig und konstant sein muß. Bei bekannten Vorrichtungen konnten bisher die gestellten Anforderungen nicht völlig erfüllt werden.

Aus der DE-PS 720500 ist ein elektrischer Kontakt mit einem Überzug aus Ruthenium auf einem elektrischen Leiter bekannt. Dieser Kontakt weist keine Zwischenschicht zwischen Träger und Überzug auf.

Aus der CH-PS 237872 ist die Herstellung eines Kontaktes bekannt, der aus einer Trägerschicht und einer Kontaktschicht besteht. Dabei werden pulverförmige Werkstoffe, die die Kontaktschicht und die Trägerschicht bilden, in einer Matrize überein^ndergeschichtet und mittels eines Stempels zusammengepreßt. Die Kontaktschicht wird aus pulverförmigen Edelmetallen hergestellt, die Trägerschicht aus pulverförmigen Unedelmetallen, z. B. Kupferpulver oder Eisenpulver. Auf diese Weise lassen sich jedoch Schichtdicken von einigen Mikrometern schwer genau einstellen. Eine solche genaue Einstellung ist aber insbesondere für Mikrokontakte wesentlich.

Aus der CH-PS 229890 ist ein Werkstoff für elektrische Kontakte bekannt, der aus einer 75 bis 99,9% Edelmetall und 0,1 bis 5% Kolloidgraphit enthaltenden gesinterten Mischung besteht. Wie mit dem bereits erwähnten Preßverfahren lassen sich auch mit Sinterverfahren Schichtdicken von einigen Mikrometern schwer genau einstellen. Dadurch, daß eine Oberflächenschicht aus Metall fehlt, weisen Kontakte aus dem bekannten Werkstoff beim Schalten im unbelastbaren Zustand infolge eines nichtstabilen Pegels des Widerstandes, insbesondere nach häufigem Schalten, keine günstigen Eigenschaften auf, und die Kontakte haben eine starke Neigung zum »Kleben«.

In der DE-PS 961460 ist ein Kommutator, Schleifringoder ruhender Kontakt für elektrische Maschinen oder Apparate beschrieben, deren Lauf- oder Kontaktfläche mit einem in das Metallgefüge eindringenden Überzug aus Kohlenstoff versehen ist. Auf diese Weise soll eine allmähliche Erhöhung des Widerstandes durch Filmbildung verhindert werden. Eine nichtmetaUfreie Oberflächenschicht fehlt hier.

Aus dem Buch von A. Keil »Werkstoffe für elektrische Kontakte« (Berlin-Göttingen-Heidelberg 1960) Seiten 152 bis 154, ist bekannt, daß die Bildung von Cadmiumoxid in Silber-Cadmium-Legierungen eine verminderte Schweißneigung zwischen Kontaktflächen und einen gleichmäßigen Materialaufbau bewirkt. Wird eine homogene Silber-Cadmium-Legierung einer Wärmebehandlung unterzogen, so diffundiert Sauerstoff in das Silber ein und bringt das Cadmium im Inneren des betreffenden Werkstückes als Cadmiumoxid zur Ausscheidung. Dieser Vorgang wird als »innere Oxidation« bezeichnet. Durch diese Heterogenisierung entsteht zwar ein Ag-CdO-Verbundwerkstoff, also ein Zweischichtenwerkstoff. Da aber die Oxidationszone vom Rande des Werkstückes aus fortschreitet, fehlt bei einem solchen Werkstück eine nichtmetallfreie, nämlich eine cadmiumoxidfreie Oberflächenschicht, d. h. die cadmiumoxidhaltige Schicht des Werkstückes dient als Kontaktschicht.

Gemäß der US-PS 2575808 werden dunkelgefärbte Ablagerungen auf Wolframkontakten von Zündsystemen für Verbrennungsmotoren vermieden, indem zwischen einem Eisen- oder Stahlträger und der Wolframschicht eine dünne Nickelschicht angebracht wird. In der bereits eingangs erwähnten DE-AS

1270692 ist eine Kontaktfeder für ein Schutzrohrrelais beschrieben, die zwei Schichten aufweist: Auf einem Nickel-Eisen-Kern befindet sich eine Zwischenschicht aus Nickel, Kobalt, Mangan oder Kupfer und darauf eine Schicht aus Gold mit dem eindiffundierten Metall der Zwischenschicht. Die Zwischenschicht dient zur Unterdrückung einer Eisendiffusion in die Goldauflage.

Aus der US-PS 2600175 ist ein elektrischer Kontakt für sehr hohe Stromstärken bekannt, dessen Kontaktoberfläche aus dem verschleißfesten Ruthenium besteht. Um dieses teure Metall einzusparen, wird hiervon nur eine dünne Schicht auf einer dickeren Schicht aus dem billigeren Silber verwendet. Mikroskopische Untersuchungen dieser Kontaktoberflächen haben ergeben, daß beim Schalten punkt- und kraterförmige Kontakterosion und außerdem oft ein »Kleben« der Kontakte auftritt.

Die Erfindung hat die Aufgabe, den eingangs genannten bekannten Kontakt dahingehend zu verbessern, daß statt einer punkt- und kraterförmigen Erosion eine flache Kontakterosion auftritt, um auf diese Weise die Lebensdauer der Kontakte zu verlängern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der folgenden Merkmale gelöst:

a) beide Schichten sind weder pulvermetallurgisch noch durch innere Oxidation hergestellt;

b) die äußere Schicht besitzt eine Dicke von nur 1 bis 5 μιη;

c) die unmittelbar darunterliegende zweite Schicht enthält wenigstens 1 Vol.% Nichtmetall.

Eine günstige Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gebilde von Schichten die ein Nichtmetall enthaltende zweite Schicht eine Dicke von 0,001 bis 1 μιη aufweist und völlig aus Kohlenstoff, Graphit; Phosphor, Schwefel, Silicium oder Metalloxid besteht, während die äußere Schicht aus Ruthenium oder Rhodium besteht.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet daß die zweite Schicht aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt unterhalb 1500° C mit einer Schichtdicke von mindestens 0,1 μιτι besteht, welches das Nichtmetall in feinverteilter Form enthält, und daß die äußere Schicht aus Ruthenium oder Rhodium besteht.

Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Kontaktüberzuges tritt statt einer punkt- und kraterförmigen Erosion eine flache Kontakterosion auf. Dadurch, daß auf diese Weise nahezu die ganze Kontaktoberfläche benutzt wird, während dagegen bei der punkt- und kraterförmigen Erosion nur ein geringer Teil dieser Oberfläche benutzt wird, wird eine erhebliche Verlängerung der Lebensdauer um einen Faktor in der Größenordnung von 100 erhalten. Es ist wesentlich, daß auch beim Schalten im unbelasteten Zustand eine sehr lange Lebensdauer erhalten wird. Die Anzahl von Schaltvorgängen läßt sich ohne merkliche Erhöhung des Übergangswiderstandes auf 10⁹ erhöhen.

Ein weiterer Vorteil der Ausführungsform, bei der die zweite Schicht aus Metall besteht, das ein Nichtmetall in feinverteilter Form enthält, besteht darin, daß die Kontakte beim Schalten nur in geringem Maße prellen.

Mit nicht verunreinigtem Gold überzogene Kontakte prellen etwa 20mal, während mit Wolfram überzogene Kontakte beim Schließen bis zu 30mal prellen. Bei einigen Metall-Nichtmetall-Schichtgebilden nach der Erfindung ist das Prellen auf nur ein- bis viermal beschränkt. Auch dadurch wird die Lebensdauer der Kontakte erheblich verlängert.

Die Schichtgebilde nach der Erfindung können durch Kathodenzerstäubung, Aufdampfen, galvanisehe Abscheidung, Elektrophorese oder eine Kombination der beiden letzteren Techniken, z. B. das gleichzeitige Abscheiden eines Metalls und eines Nichtmetalls, wobei das Nichtmetall in feinverteilter Form in den Metallniederschlag eingeschlossen wird,

ίο angebracht werden. Das gleichzeitige Vakuumaufdampfen eines Metalls und eines Metalloxids, Metallsulfids usw. ist an sich aus der DT-AS 1093 163 bekannt.

Es gibt auch noch eine Ausführungsform des Kontaktes nach der Erfindung, bei der die zweite Schicht aus Gold besteht, welches das Nichtmetall in feinverteilter oder geschichteter Form enthält und welches durch Erhitzung in einem Schutzgas oder im Vakuum zu einem wesentlichen Teil in den aus einer magnetisehen Eisen-Nickel-Legierung bestehenden Träger eindiffundiert ist.

Die Erfindung wird nachstehend durch einige Beispiele, insbesondere hinsichtlich der Aufbringungstechniken, näher erläutert.

Beispiel 1

Kontaktzungen, deren in die Umhüllung einzuschmelzender Teil eine Länge von etwa 7 mm und eine Breite von 0,5 mm hat und die aus magnetischem ω Nickel-Eisen bestehen, werden in einer konventionellen Kathodenzerstäubungsvorrichtung mit einer Schicht aus Gold mit 2 Gew.% Kohlenstoff mit einer Dicke von 3 μιτι überzogen. Zu diesem Zweck wird eine Kathode verwendet, die aus den zusammengesinterten pulverförmigen Materialien im gleichen Gewichtsverhältnis besteht. Der Argondruck während der Zerstäubung beträgt 1,333· 10~³ m bar (10~³ mm Hg), die Spannung 2000 V und der Strom 0,5 A.

Die so überzogenen Zungen werden gleichfalls durch Kathodenzerstäubung mit einer Rutheniumschicht mit einer Dicke von 0,5 μιη überzogen.

Dann werden die Kontaktzungen paarweise in eine Glasumhüllung eingeschmolzen und bei einer Belastung mit Strömen bis zu 100 mA und Spannungen bis zu 100 V und im unbelasteten Zustand auf Lebensdauer geprüft. In all diesen Fällen werden Lebensdauerwerte, in Anzahl von Schaltvorgängen ausgedrückt, von 1 bis 100· 10⁶ festgestellt.

Beispiel 2

Kontaktzungen mit den gleichen Abmessungen und aus dem gleichen Material wie im Beispiel 1 werden durch Kathodenzerstäubung mit einer Schicht überzogen. Die Kathode besteht aus Gold mit 5 Gew.% Nickel. Die Zerstäubung erfolgt in einer Atmosphäre aus Argon mit 10% Propan unter einem Druck von 1,333 · 10~³ m bar (10~³ mm Hg). Die Spannung beträgt 2000 V und der Strom 1,5 A. Die Dicke der erhaltenen Schicht beträgt 3 μιη. Dann wird gleichfalls durch Zerstäubung eine Rutheniumschicht aufgebracht. Die erhaltenen Kontakte haben ähnliche Eigenschaften wie die Kontakte nach Beispiel 1.

Beispiel 3

Kontaktzungen, deren in die Umhüllung einzuschmelzender Teil eine Länge von etwa 7 mm und eine Breite von 0,5 mm hat und die aus magnetischem Nickel-Eisen bestehen, werden in einer konventionel-

len Kathodenzerstäubungsvorrichtung mit einer Ruthenium-Schicht mit einer Dicke von 3 μπι überzogen. Der Argondruck während der Zerstäubung beträgt 1,333 iO"³ m bar (IO"³ mm Hg), die Spannung 2000 V und der Zerstäubungsstrom 1 A.

Die auf diese Weise überzogenen Zungen werden dann unter den gleichen Bedingungen durch Kathodenzerstäubung mit einer Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von etwa 0,05 μπι überzogen.

Anschließend wird - wieder unter den gleichen Bedingungen — eine Gold-Kohlenstoff-Schicht mit einer Dicke voii 1 μπι und schließlich eine Ruthenium-Schicht mit einer Dicke von 0,1 μπι aufgebracht.

Die Kontaktzungen werden dann paarweise in eine Glasumhüllung eingeschmolzen und bei einer Belastung mit Strömen bis zu 100 mA mit Spitzenströmen bis zu gut 1 A und Spannungen bis zu 100 V und im unbelasteten Zustand auf Lebensdauer geprüft. In all diesen Fällen werden Lebensdauerwerte, in Anzahl von Schaltvorgängen ausgedrückt, von 1 bis 10· 10⁶ im belasteten und bis zu 100 · 10⁶ im unbelasteten Zustand festgestellt.

Beispiel 4

Kontaktzungen mit den gleichen Abmessungen und aus dem gleichen Material wie im Beispiel 1 werden auf gleiche Weise mit einer Schicht von 3 μπι aus Ruthenium und dann mit mit einer Kohlenstoff schicht mit einer Dicke von 0,05 μπι durch Kathodenzerstäubung überzogen. Dann wird eine dünne Goldschicht mit einer Dicke von 0,1 μπι gleichfalls durch Zerstäubung aufgebracht. Die erhaltenen Kontakte haben ähnliche Eigenschaften wie die Kontakte nach Beispiel 1.

Beispiel 5
Kontaktzungen aus dem gleichen Material wie im Beispiel 1 werden durch Kathodenzerstäubung nacheinander mit einer 1 μιτι dicken Rutheniumschicht, einer 0,05 μπι dicken Kohleschicht, einer 1 μπι dicken Rutheniumschicht, einer 0,05 μπι dicken Kohleschicht und einer 1 μιτι dicken Rutheniumschicht überzogen. Die auf diese Weise erhaltenen Kontakte haben eine Lebensdauer der gleichen Größenordnung wie in den vorhergehenden Beispielen, aber die Belastungsströme betragen nun bis zu 1 A.

Beispiel 6

Kontaktzungen, deren in die Umhüllung einzuschmelzender Teil eine Länge von etwa 7 mm und eine Breite von 0,5 mm hat und die aus einer magnetisehen Nickel-Eisen-Legierung der Zusammensetzung 50 Gew.% Eisen und 50 Gew.% Nickel bestehen, werden mit Hilfe eines galvanischen Vergoldungsbades, das pro Liter enthält:

12 g KAu(CN)₂
10 g CoSO₄

55 g Citronensäure
60 g primäres Kaliumphosphat und
15 g Äthylendiamintetraessigsäure
bei einer Badtemperatur von 20 bis 30° C und einer Stromdichte von 1 bis 3 A/dm² mit einem 3 μπι dicken Niederschlag überzogen. Dann werden die Zungen 30 Minuten in wasserstoffhaltigem Stickstoff auf eine Temperatur zwischen 600 und 900° C erhitzt.

Nach Abkühlung werden sie mit einer Rutheniumschicht mit einer Dicke von 0,1 bis 1 μιτι überzogen.

Die Kontaktzungen werden dann paarweise in eine Glasumhüllung eingeschmolzen und bei einer Belastung von 1, 10 und 100 mA und im unbelasteten J5 Zustand auf Lebensdauer geprüft. In all diesen Fällen werden Lebensdauerwerte, in Anzahl von Schaltvorgängen ausgedrückt, von 1 bis 100· 1O⁶ festgestellt.

Claims

Patentansprüche:

1. Kontakt für eine Schaltvorrichtung der Nachrichtentechnik mit einem Träger, der mit einem die Kontaktobe; fläche bildenden Überzug aus mindestens zwei Schichten versehen ist, wobei die äußere Schicht aus Edelmetall besteht, gekennzeichnet durch die Gesamtheit der folgenden Merkmale:

b) die äußere Schicht besitzt eine Dicke von nur 1 bis 5 um;

2. Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht eine Dicke von 0,001 bis 1 μηι aufweist und völlig aus Kohlenstoff, Graphit, Phosphor, Schwefel, Silicium oder Metalloxid besteht, während die äußere Schicht aus Ruthenium oder Rhodium besteht.

3. Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt unterhalb 1500° C mit einer Schichtdicke von mindestens 0,1 μπι besteht, welches das Nichtmetall in feinverteilter Form enthält, und daß die äußere Schicht aus Ruthenium oder Rhodium besteht.

4. Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht aus Gold besteht, welches das Nichtmetall in feinverteilter oder geschichteter Form enthält und welches durch Erhitzung in einem Schutzgas oder im Vakuum zu einem wesentlichen Teil in den aus einer magnetischen Eisen-Nickel-Legierung bestehenden Träger eindiffundiert ist.