DE2332710A1 - Material fuer elektrische kontakte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Material für elektrische Kontakte. In der nachfolgenden Beschreibung wird Silber nicht als Edelmetall betrachtet.

Das erfindungsgemäße Material besteht aus wenigstens einem Material aus einer ersten Gruppe, die eines der Edelmetalle oder ihrer Legierungen und die Silber/PaUadium-Reihe der Kontaktlegierungen umfaßt, ferner aus bis zu drei Gewichtsprozent wenigstens eines Materials aus einer zweiten Gruppe, die Lithium, Natrium, Kalium, Kalzium, Barium, Rubidium, Ceasium und Kadmium-Sulfid umfaßt, das gleichmäßig über das Material der ersten Gruppe verteilt oder an bestimmten Stellen auf der Oberfläche dieses Materials angeordnet ist.

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Das Material nach der Erfindung, das sich besonders für elektrische Kontakte eignet, die in Schaltkreisen verwendet werden, in denen die umzuschaltende Stromstärke von ein paar Milliampere bis auf mehrere tausend Ampere reichen kann, besteht aus einem Material, das eine elektronische Austrittsarbeit in der Größenordnung von 4,4 bis 6,4 eV aufweist, wobei bis zu drei Gewichtsprozent eines Materials mit einer elektronischen Austrittsarbeit im Bereich von 1,5 bis 2,5 eV gleichmäßig über das Material mit der hohen elektronischen Austrittsarbeit verteilt oder an einzelnen Stellen an der Oberfläche dieses Materials angeordnet ist.

Das Material mit der hohen elektronischen Austrittsarbeit, das für die Hauptmasse des Kontaktmaterials Verwendung findet, sollte wenigstens ein Material aus der Gruppe sein, die die Edelmetalle umfaßt, d.h. Gold, Palladium, Ruthenium, Platin, Rhodium und Rhenium oder deren Legierungen und die Silber/Palladium-Reihe der Kontaktlegierungen.

Das Material mit der niedrigen elektronischen Austrittsarbeit sollte wenigstens ein Material aus der Gruppe sein, die Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Caesium, Kalzium, Barium und Kadmium Sulfid umfaßt. Der Anteil des Materials mit niedriger elektronischer Austrittsarbeit, der in dem Kontaktmaterial vorhanden ist, liegt vorzugsweise im Bereich von etwa O,l bis etwa 0,25 Gewichtsprozent.

Die Materialien mit hoher elektronischer Austrittsarbeit, die oben genannt wurden, besitzen eine annehmbare Kombination derjenigen Eigenschaften, die normalerweise bei üblichen Kontaktmaterialien gefordert werden, beispielsweise gute thermische und elektrische Leitfähigkeit, kleiner Flächenwiderstand, hohe spezifische Wärme, guter Widerstand gegen Verschweissen und gegen Lichtbogen- und Brücken-Erosion, sowie ein gutes Widerstandsvermögen gegen Anlaufen und Korrosion, weshalb sie sich als Trägermaterial oder Hauptmaterial für das erfindungsgemäße Kontaktmaterial

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eignen.

Die oben genannten Materialien mit njaäriger elektronischer I\ustrittsarbeit, die an bestimmten Stellen der Oberfläche oder gleichmäßig über die Oberfläche und durch die ganze Masse des Materials mit hoher elektronischer Austrittsarbeit vorteilt ist, kann entweder einzeln oder in Kombination dem Trägermaterial zugegeben werden und es verursacht eine Reduzierung der elektronischen Austrittsarbeit des Kontaktmaterials an bestimmten Stellen der Oberfläche des KontaMmaterials und damit auch eine Reduzierung der Lichtbogen-Erosion bei der Herstellung der Kontaktverbindung zwischen den elektrischen Kontakten aus diesem Material, wobei ferner die Elektronenenergie im Lichtbogen reduziert wird, der auftritt, wenn die Verbindung zwischen den elektrischen Kontakten unterbrochen wird, wobei ferner eine Schweifr-Versprödung bewirkt wird, d.h. Verschweissungen werden abgebrochen, die sich bei der Herstellung des Kontaktes bzw. der Verbindung zwischen den elektrischen Kontakten bilden.

Die elektrischen Kontaktmaterialien nach der Verbindung werden vorzugsweise durch Vakuumschmelzen, auf pulvermetallurgische Weise oder durch Elektroplatieren aus bestimmten Elektrolyten hergestellt.

Die erfindungsgemäßen Stoffe eignen sich besonders aber nicht nur für elektrische Kontakte zum Schalten von kapazitiven Belastungen, aber auch anderen Belastungen, bei denen beim Schliessen der Kontakte ej-ne Entladung auftritt.

Wenn reine Stoffe oder Legierungen, die Elemente mit gleicher elektronischer Austrittsarbeit enthalten, für die bei solchen Anwendungsfällen verwendeten Kontakte benutzt werden, so treten die Entladungen beim Schliessen der Kontakte zwischen den Punkten oder Spitzen auf, die am stärksten über die Flächen der Kontakte

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vorstehen, wobei die wirkliche Lage irgendeiner Entladung weitgehend durch die Oberflächenform des kathodischen Kontaktes beeinflußt wird. Der effektive Beginn der Entladung erfolgt als Feldemission von Elektroden, die von den Vorsprüngen ausgehen, wenn die Kontakte schliessen. Die Vorsprünge verzerren das elektrische Feld in ihrer Nachbarschaft beträchtlich, wodurch das elektrische Feld auf eine solche Feldstärke erhöht wird, bei der Elektronen emittieren. Da jede Entladung die Kontaktflächen in dem Bereich, in dem sie erfolgt, beschädigt und aufrauht, wodurch weitere hohe Vorsprünge in diesem Bereich gebildet werden, ist es sehr wahrscheinlich, daß die nachfolgenden Entladungen in demselben Bereich beginnen und auftreten, wodurch bei Wechselstrom-Schaltern eine sehr starke Errosion und bei Gleichstrom-Schaltern ein starker Materialübergang auftreten, wobei der letztere zur Bildung von Zacken und Graten führt, durch welche die Kontakte ineinander verhaken und zusammengehalten werden.

Diese Konzentration der Erosion in einem Bereich der Kontaktfläche wird bei dem elektrischen Kontaktmaterial nach der Erfindung insofern verhindert, als das Material mit geringer elektronischer Austrittsarbeit einen anderen Mechanismus für den Beginn der Bogenentladung schafft, dadurch das Material mit niedriger elektronischer Austrittsarbeit die Elektronen wesentlich leichter emittiert werden, d.h. bei einer niedrigen elektrischen Feldstärke als durch das Material mit hoher elektronischer Austrittsarbeit. Die Stellen des Materials mit niedriger elektronischer Austrittsarbeit in der Masse oder an der Oberfläche des Kontaktmaterials wirken daher in genau derselben Weise bezüglich der Elektronenemission wie die Vorsprünge der reinen Materialien oder Legierungen. Diese beiden Vorgänge treten daher während der Betriebszeit der Kontakte miteinander in Wettbewerb. In der Praxis liefert daher der höchste Vorsprung, der eine Stelle mit Material mit niedriger elektronischer Aus-

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trittsarbeit enthält, die Elektronen für die Einleitung des Lichtbogens. Die dann auftretende Entladung zerstört die usprüngliche Form des Vorsprunges und rauht den ihn umgebenden Bereich auf, wobei aber die Stelle des Materials mit niedriger elektronischer Austrittsarbeit vollständig zerstört und beseitigt wird. Die nachfolgende Entladung beginnt dann beim nächsthöchsten Vorsprung, der eine Stelle mit Material mit niedriger elektronischer Austrittsarbeit aufweist, usw.. Da nun das Material mit niedriger Austrittsarbeit gut verteilt ist, verteilt sich die Erosion gleichmäßig über die Kontaktflächen und wenn diese abgetragen sind, gleichmäßig über die gesamte Masse des Kontaktmaterials anstatt, wie bei bekannten Materialien sich in unerwünschter Weise in einem Bereich zu konzentrieren.

Die Materialien,mit niedriger Austrittsarbeit neigen ferner dazu, in elektrischen Entladungen sehr leicht ionisiert zu werden und sie werden leicht auf erregte optische Zustände gebracht, was eine Emission von Lichtquanten zur Folge hat. Jedes Material hat einen oder mehrere der nachfolgenden erwünschten Parameter, d.h. niedriges Ionisations-Potential, niedriges Erreger-Potential, hohen elektronischen Querschnitt für Ionisation, steil ansteigende Erregungsfunktionen und hohe Querschnitte für elektronische Erregung. Die Zugabe dieser Materialien zu den Kontakten steigert daher sehr stark die Neigung zu unelastischen Kollisionen von Elektronen in Lichtbogen zwischen ihnen, wodurch eine beträchtliche Reduzierung der mittleren Elektronenenergie und eine beträchtliche Reduzierung der relativen Anzahl von Elektronen mit hoher Energie hervorgerufen wird. Der elektronische Beschüß der Kontakte wird somit weniger stark, was eine geringere Erwärmung und eine geringere Verdampfung und Erosion zur Folge hat. Diese vorteilhaften Wirkungen gelten für Lichtbogen beim Schliessen und beim öffnen der Kontakte.

Ein bevorzugtes Material nach der Erfindung, das für elektrische

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Kontakte von Reed-Relais oder üblicherweise offenen und hermetisch verschlossenen Relais verwendet werden kann, bei denen die Kontakte bis zu 100 raA Gleichstom bei Leerlaufspannungen bis zu 50 Volt schalten, bestehen aus einem Gemisch aus Gold, das eine elektronische Austrittsarbeit von 4,6 eV hat, und Kalium das eine elektronische Austrittsarbeit von 1,6 eV hat und das gleichmäßig in dem Gold verteilt ist. Elektrische Kontaktmaterialxen dieser Zusammensetzung können hergestellt v/erden durch Elektroplatieren eines geeignet gepufferten Gold-Kalium-Elektrolyts auf einem Substrat aus einem Material wie z.B. einer Nickel-Eisen-Legierung. Eine typische Wickel-Eisen-Legierung für diesen Zweck besteht z.B. aus 51% Nickel und 49% Eisen.

Diese elektroplatierten elektrischen Kontaktmaterialien enthalten ein zusätzliches Material z.B. Kobalt oder einen Nickel-Komplex, um eine Aushärtung der fertigen elektroplatierten Schicht zu erreichen.

Das Elektroplatieren von elektrischen Kontaktmaterialien aus Gold-Kalium mit einem Anteil eines Kobalt-EDTA-Komplexes auf einem rJickel-Eisen-Substrat kann mittels eines Gold/Kalium-Zyanid-Elektrolyts (12,5 Gramm/Liter) erfolgen, das mit Kaliumdi-Hydrogen-Phosphat (96,0 Gramm/Liter) und Zitronensäure (24,0 Gramm/Liter) gepuffert ist und das den Kobalt-EDTA-Komplex zum Härten des fertigen Niederschlages enthält.

Nachstehend werden Kontaktmaterial-Schichten auf Goldbasis angegeben, die aus diesem Elektrolyt erzeugt wurden, zusammen mit den Parametern der Elektroplatierung und der Angabe der Oberflächenbeschaffenheit der Schichten.

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Beispiel : 1 2 3 4 5

Anteil des Kobalt-Komplexes

in der Lösung (Gramm/Liter) : 3,5 1,0 1,0 1,0 1,0 Anteil des Kaliums in der

niedergeschlagenen Schicht

(Gewichtsprozent) : 0,07 0,03 0,21 0,18 0,17

Anteil des Kobalts in der

niedergeschlagenen Schicht

(Gewichtsprozent) : 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25

pH-Wert des Elektrolyts : 4,2 4,2 3,4 4,2 5,0 Piatiertemperatur (⁰C) : 25 35 25 25 25

Stromdichte beim Piatieren

(mA/cm2) : 2,5 7,5 50 20 7,5

Oberflächenform der niedergeschlagenen Schicht : Glatt Glatt Glatt Glatt Grob und faserig

Es wurde festgestellt, daß die seitliche Verbreitung der Kontaktmaterial-Erosion bei den Kontaktmaterialien n?ch den Beispielen 1 und 2 nicht sehr groß war und daß keine Ausbreitung der Erosion bei dem Material nach Beispiel 5 erfolgte, da der Effekt der Austrittsarbeit durch die Oberflächenform der abgelagerten Schicht überdeckt wurde. Die Kontaktmaterialien nach den Beispielen 3 und 4 zeigten jedoch eine Reduzierung der Kontakt-Erosion und eine seitliche Ausbreitung der Erosion über die gesamte Kontaktfläche während des Gebrauches.

Das Elektroplatieren von Kontaktmaterialien aus Gold/Kalium, die zum Härten einen Komplex aus Nickel enthalten, kann mittels eines Gold-Kalium-Zyanid-Elektrolyts (9,0 Gramm/Liter) durchgeführt werden, das mit Zitrat gepuffert ist und 4,0 Gramm/Liter des Nickelkomplexes enthält, um den Niederschlag zu härten. Nachstehend werden Kontaktmaterialien auf Goldbasis angegeben, die aus diesem Elektrolyt erzeugt wurden, zusammen mit den Parametern der Elektroplatierung und der Oberflächenform der Niederschläge.

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	- 8 -	6	7	A 12 680
		0,06	0,15	2332710
Beispiel :	0,4	0,4	8
Kalium-Anteil des Nieder schlages (Gewichtsprozent) :	7,5	20	0,01
Nickel-Anteil des Nieder schlages (Gewichtsprozent) :	Glatt	Glatt	0,4
Stromdichte beim Piatieren (mA/cm2) :		50
Oberflächenform des Nieder schlages :		Glatt

Die Elektroplatierung der Materialien nach den Beispielen 6 bis 8 wurde bei einer '
4,4 vorgenommen.

wurde bei einer Temperatur von etwa 30⁰C und einem pH-Wert von

Es wurde festgestellt, daß die seitliche Ausbreitung der Kontaktmaterial-Erosion bei dem Kontaktmaterial nach Beispiel 6 nicht sehr groß war und daß sich keine Ausbreitung der Erosion bei dem Material nach Beispiel 8 gezeigt hat. Das Kontaktmaterial nach Beispiel 7 zeigte jedoch gute Erosionseigenschaften insofern, daß die Erosion selbst reduziert wurde und sich seitlich über die gesamte Kontaktfläche während des Betriebes ausbreitete.

Hieraus ergibt sich, daß zur Erreichung einer Reduzierung der Kontakterosion und einer seitlichen Ausbreitung der Erosion über die gesamte Kontaktfläche während des Betriebes die elektroplatierten Gold-Kalium-Kontaktmaterialien eine hohe Kalium-Konzentration haben sollten, d.h. zweckmäßigerweise nicht weniger als 0,1 Gewichtsprozent und eine glatte Oberfläche, d.h. Oberflächenabweichungen von nicht mehr als etwa 0,1 Mikron.

Zum Schalten von kapazitiven Belastungen eignen sich zweckmäßigerweise Kontaktmaterialien aus einem Gemisch aus Gold, bis zu etwa 0,06 Gewichtsprozent Kalium, das gut in dem gesamten Gold verteilt

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ist und etwa 0,15 Gewichtsprozent Natrium, das an diskreten Stellen an der Oberfläche des Materials angeordnet ist.

Dieses Kontaktmaterial aus Gold, Kalium und Natrium kann hergestellt werden, indem eine Gold-Kalium-Legierung auf ein Substrat aus einem Material wie z.B. eine Nickel-Eisen-Legierung platiert wird und zwar aus einem handelsüblich käuflichen, nickelenthaltendem Gold-Kalium-Zyanid-Elektrolyt, das als Aurall 177 bekannt ist. Dieses Kontaktmaterial enthält damit zur Härtung Nickel in einem Anteil von etwa 0,4 Gewichtsprozent.

Der Niederschlag aus Gold/Kalium wird dann 10 Minuten lang in einer gesättigten Natrium-Chlorid-Lösung gekocht, worauf er 1 Minute lang in deionisiertem Wasser gespült wird. Hierdurch erhält man eine gleichmäßige Verteilung von feinen Natriumsalz-Kristallen, die auf der Oberfläche des Niederschlages gebildet werden, d.h. der Kontaktfläche des Niederschlages, wobei der Abstand zwischen den Kristallen wenigstens etwa 1,5 Mikron beträgt.

Dieses elektrische Kontaktmaterial aus Gold, Kalium und Natrium, das zur Härtung nickel enthält, zeigte eine Reduzierung der Kontakterosion und eine seitliche Ausbreitung der Erosion über die gesamte Kontaktfläche während des Gebrauches. Das Kontaktmaterial hielt erfolgreich ohne weiteres 10 Schaltvorgänge aus, wobei ein kapazitiver Einschaltstrom von 1 Ampere bei 50 Volt Gleichspannung geschaltet wurde.

Die erfindungsgemäßen Kontaktmaterialien haben den Vorteil, daß sie einen Mechanismus schaffen, durch den die Kontakterosion und insbesondere die Lichtbogen-Erosion sowohl reduziert als auch gleichmäßig über die gesamte Kontaktfläche während des Gebrauches verbreitet wird, wodurch die Nutzung und die Nutzungsdauer des Kontaktmaterials beträchtlich verbessert und gesteigert wird, und

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die unerwünschte Neigung der konventionellen Materialien, nämlich die Bildung von Zacken und Graten beseitigt wird, die ein Verhaken und Aneinanderhaften der Kontakte zur Folge haben kann, so daß eine Unterbrechung der Schaltkreise nicht mehr möglich ist.

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Claims (17)

A 12 680 Patentansprüche

1. Elektrisches Kontaktmaterial, gekennzeichnet durch wenigstens ein Material aus einer ersten Gruppe, die ein Edelmetall oder eine Legierung hiervon und die Silber/ Palladium-Reihe der Kontaktlegierungen umfaßt, sowie bis zu drei Gewichtsprozent wenigstens eines Materials aus einer zweiten Gruppe, die Lithium, Natrium, Kalium, Kalzium, Barium, Rubidium, Caesium und Kadmium-Sulfid umfaßt, wobei das zweite Material gleichmäßig in dem ersten Material verteilt oder an bestimmten einzelnen Stellen an dessen Oberfläche angeordnet ist.

2. Kontaktmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Anteil des Materials der zweiten Gruppe im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,25 Gewichtsprozent liegt.

3. Kontaktmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es aus einem Gemisch aus Gold und Kalium besteht.

4. Kontaktmaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Anteil des Kaliums über 0,1 Gewichtsprozent liegt.

5. Kontaktmaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Anteil des Kaliums etwa 0,15 Gewichtsprozent beträgt.

6. Kontaktmaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Anteil des Kaliums im Bereich von etwa 0,18 bis etwa 0,21 Gewichtsprozent liegt.

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7. Kontaktmaterial nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß es aus einer elektroplatierten Schicht auf einer Fläche eines Substrates gebildet ist.

8. Kontaktmaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß es einen Metallkomplex zum Härten der elektroplatierten Schicht enthält.

9. Kontaktmaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Metallkomplex ein Kobalt- oder ein Nickelkomplex ist.

10. Kontaktmaterial nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat eine Nickel-Eisen-Legierung ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktmaterials, das aus einer Mischung aus Gold und Kalium besteht nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß das Gold-Kalium-Material in Form eines elektroplatierten Niederschlages mit glatter Oberfläche aus einem geeignet gepufferten Gold-Kalium-Elektrolyt auf der Fläche eines Substrates gebildet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrolyt einen Metallkomplex zum Härten des elektroplatierten Niederschlages enthält.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrolyt ein Gold-Kalium-Zyanid-Elektrolyt ist, das mit Kalium-Dihydrogen-Phosphat und Zitronensäure gepuffert ist und einen Kobalt-EDTA-Komplex zum Härten enthält.

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14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrolyt ein Gold-Kalium-Zyanid-Elektrolyt ist, das mit Zitrat gepuffert ist und einen Nickel-Komplex
zum Härten enthält.

15. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktmaterials aus einer Mischung aus Gold, Kalium und Natrium nach einem
der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß ein Gold-Kalium-Material in Form eines elektroplatierten Niederschlages mit glatter Oberfläche aus einem geeignet gepufferten Gold-Kalium-Elektrolyt auf der Fläche eines Substrates gebildet wird, daß die elektroplatierte Niederschlagsschicht in einer gesättigten Natrium-Chlorid-Lösung gekocht und nach dem Kochen in deionisiertem Wasser gespült wird.

16. Varfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat eine Nickel-Eisen-Legierung ist.

17. Elektrischer Kontakt, hergestellt aus einem Material nach
einem der Ansprüche 1 bis 10 oder nach einem Verfahren nach
einem der Ansprüche 11 bis 16.

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