DE2363444B2 - Elektrischer Schaltkontakt für Schutzgasrelais - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltkontakt für Schutzgasrelais, der einen Kontaktträger aus einem Nickel und/oder Eisen enthaltenden Werkstoff aufweist, insbesondere aus einem weichmagnetischen Werkstoff wie eine Eisen-Nickel-Legierung, und eine vorzugsweise durch Kondensation aus der Gasphase erzeugte Kontaktschicht besitzt, die aus einem refraktären Metall aus der Gruppe Molybdän, Wolfram und Rhenium oder einer Basislegierung eines dieser Metalle besteht, und auf die eine Deckschicht aus einem Edelmetall aus der Gruppe Gold, Silber oder einem Metall der Platingruppe oder einer Basislegierung eines dieser

Edelmetalle aufgebracht ist

Bei bekannten elektrischen Schaltkontakten für Schutzgasrelais in der Schwachstromtechnik soll der Kontaktwiderstand über die Lebensdauer niedrig sein, die Kontakte dürfen nicht kleben oder verschweißen, und die Materialtransportrate soll sich in Grenzen halten, damit eine hohe Lebensdauer erreicht wird. Die refraktären Metalle Wolfram, Molybdän und Rhenium z. B. haben eine hohe Lichtbogenbeständigkeit und kleben nicht, aber sie haben keinen niedrigen Kontaktwiderstand, und dieser wird außerdem mit der Lebensdauer höher. Die Edelmetalle andererseits haben zwar einen niedrigen Widerstand, kleben aber und verschweißen, und die Materialtransportrate ist hoch.

Ein Element, welches alle die für derartige Kontaktwerkstoffe geforderten Bedingungen gleichzeitig erfüllt, gibt es nicht, und auch mit Mischkristallen sind diese Bedingungen praktisch nicht einzuhalten.

Es ist bereits vorgeschlagen worden (DT-OS

ϊο 18 02 932), auf ein refraktäres Metall eine Edelmetallschicht aufzubringen, die so dünn ist, daß ein Verkleben oder Verschweißen weitestgehend vermieden wird. Dies bt insbesondere bei Schichtdicken von 1 bis 2 μιη der Fall. Mit den bekannten Schaltkontakten läßt sich über einen bestimmten Zeitraum erreichen, daß der Kontaktwiderstand niedrig bleibt, ohne daß die Kontaktstücke kleben oder verschweißen. Nach längerer Lebensdauer kann jedoch durch Material wanderung, Verdampfung in Lichtbogen oder mechanische Bean-

spruchungen, z. B. durch Schlag oder Reibung, die Edelmetallschicht immer mehr verdünnt werden, so daß sie schließlich ihre Wirkung verliert, und der Kontakt höherohmig wird.

Dieser Effekt ist besonders dann ausgeprägt, wenn die beiden Schaltstücke zueinander etwas verkantet sind. In diesem Fall wird die Zerstörung der Edelmetalldeckschicht auf Grund der hohen lokalen Beanspruchung an der Kontaktstelle noch beschleunigt. Solche Verkantungen der Kontaktstücke !assen sich auf Grund von Fertigungstoleranzen nie völlig vermeiden.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen elektrischen Schaltkontakt für Schutzgasrelais insbesondere in der Schwachstromtechnik zu schaffen, welcher während seiner Lebensdauer eine hohe Konstanz des Kontaktwiderstandes aufweist, die Materialwanderungsverluste begrenzt und der Schweißneigung der Kontaktstücke entgegenwirkt.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß in Sandwich-Art mehrere aus Kontaktschicht und Deckschicht bestehende Doppelschichten übereinander angeordnet sind mit der Maßgabe, daß die oberste Schicht immer eine Deckschicht ist und die Gesamtdicke dieser Schichtanordnung 100 μιη nicht übersteigt, wobei das Dickenverhältnis zwischen Kontaktschicht und Deckschicht im Bereich zwischen 1 :1 und 10 :1 beträgt.

Kontakte, bei denen an den Gremien Kontaktschicht und Deckschicht kontinuierlich ineinander übergehen, haben sich bewährt.

Diese Schichtanordnung der erfindungsgemäßen Schaltkontakte hat den Vorteil, daß sie die guten Kontakteigenschaften der refraktären Metalle, z. B. des Wolframs, Molybdäns und Rheniums, oder einer Basislegierung eines dieser Metalle, wie hohe Lichtbogenbeständigkeit, d. h. geringer Abstand, geringe Schweiß- und Kleheneigung, mit den guten Kontakteigenschaften der Edelmetalle, z. B. des Golds, Silbers oder eines Metalls der Platingruppe, oder einer Basislegierung

eines dieser Edelmetalle, wie dem niedrigen Kontaktwiderstand verbindet, ohne daß die den jeweiligen Metallen oder ihren Legierungen eigenen ungünstigen Eigenschaften hervortreten.

Erfindungsgemäße Kontakte haben noch den weiteren Vorteil, daß selbst bei Verkanten des Kontaktes, was nicht ganz ausgeschlossen werden kann, die den Kontaktwiderstand erniedrigende Wirkung der Edelmetalle oder Edelmetallbasis-Legierung erhalten bleibt.

Durch den sandwichartigen Aufbau des erfindungsgemäßen Schaltkontaktes, bei dem auf je eine refraktäre Metallschicht eine Edelmetallschicnt folgt, wird eine hohe Widerstandskonstanz mit hoher Gleichmäßigkeit über die Lebensdauer erreicht.

Die Schichtanordnung der erfindungsgemäßen Schaltkontakte steht im Gegensatz zu zahlreichen Versuchen, die auch in der Patentliteratur ihren Niederschlag gefunden haben, bei denen Edelmetall- und refraktäre Metallteilchen miteinander vermengt werden, so daß die eine Teilchenart die andere vollkommen umschließt. Die praktischen Erfahrungen beim Einsatz solcher Kontakte über längere Zeit haben keine positiven Ergebnisse gezeitigt, was auch einzusehen ist, da die spezifischen Eigenschaften der einzelnen Komponenten örtlich — die Kontaktflächen sind ja relativ klein — zu stark in Erscheinung treten. Bei der Lösung gemäß vorliegender Erfindung ist dies nicht der Fall, da in Richtung senkrecht zu den Stromlinien der Werkstoff homogen ist und nur gerade bis zu dem gewünschten Maße mit der zweiten Komponente durchsetzt ist.

Bewährt hat sich eine solche Ausbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltkontakte, bei denen die Dicke der Kontaktschicht und der Deckschicht zwischen 0,5 und 5 μπι beträgt. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß die Doppelschichten unterschiedliche Dicke aufweisen, weil relativ geringe Schichtdicken von Edelmetallen genügen, um den Anstieg des Kontaktwiderstandes mit der Lebensdauer zu vermeiden.

Bewährt hat sich auch bei dem erfindungsgemäßen Schaltkontakt, daß auf einem Kontaktträger aus Nikkei-Eisen, Kupfer-Zinn oder Kupfer-Nickel-Zink zunächst eine Deckschicht und darauf alternierend Kontaktschicht und Deckschicht aufgebracht sind.

Besonders bewährt hat es sich, daß beim erfindungsgemäßen Schaltkontakt zwischen dem Kontaktträger und der sandwichartigen Schichtanordnung eine die Diffusion von Nickel und/oder Eisen hemmende Sperrschicht angeordnet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung rein schematisch dargestellt und in der folgenden Beschreibung erläutert.

Wie der Zeichnung zu entnehmen, besieht der erfindungsgemäße Schalikontakt aus einem Träger 1, der aus Nickel, Eisen-Nickel oder Kupfer-Nickel-Zink besteht. Auf dem Kontaktträger 1 ist die diffusionshemmende Sperrschicht 2, welche insbesondere gegenüber Nickel, Eisen und Zink wirksam ist, aufgebracht. Auf diese Sperrschicht 2 ist zunächst eine Deckschicht 3 und darauf eine Kontaktschicht 4 aufgebracht. Der Aufbau ist derart, daß den Abschluß immer eine Deckschicht 3 bildet. Das Aufbringen der Schichten kann durch ein Gasplattierungsverfahren, wie Hochvakuumbedampfung, Plasmabedampfung oder Plasmazerstäubung erfolgen. Auch kann die Schichtanordnung auf dem Wege des Walzplattieren hergestellt werden. Bei anschließender Wärmebehandlung beträgt die gegenseitige Eindringtiefe von Kontakt- und/oder Deckschicht-Werkstoff durch Diffusion mindestens 0,5 μιη, bei einer Temperatur von etwa 1000" C beträgt diese Eindringtiefe etwa 1 μιη nach fünf Minuten. Wenn die Einzelschichten etwa 1 μηι dick sind, ergibt das bei fünf Schichtpaaren eine Gesamtdicke des alternierenden Schichtpakets von 10 μιη. Es ist jedoch auch möglich, die erfindungsgemäßen alternierenden Schichten 5 direkt auf dem Träger I aufzubringen. Zum Beispiel kann auf einem Eisen-Nickel-Träger zunächst eine Wolfram-Schicht und darauf eine Goldscliicht durch Kondensation aus der Gasphase aufgebracht werden, und die alternierenden Doppelschichten 5 werden bis zur gewünschten Gesamtdicke in der angegebenen Folge abgeschieden. Dabei entsteht der beschriebene sandwichartige Aufbau. Die Gesamtdicke der Schichtanordnung wird 100 μπι nicht übersteigen, und das Dicken verhältnis zwischen Kontaktschicht und Deckschicht im Bereich zwischen 1 :1 und 10:1 liegen. Der Übergang der einzelnen Schichten verläuft an den Grenzen zwischen Kontaktschicht 4 und Deckschicht 3 möglichst kontinuierlich. Die Dicke der Kontaktschicht 4 und diejenige der Deckschicht 3 liegt zwischen 0,5 und 5 μιη. Die Doppelschichten 5 können jedoch auch eine unterschiedliche Dicke aufweisen.

Durch geeignete Steuerung der Dampfdichte während der Herstellung von Kontakt- und Deckschicht durch Kondensation aus der Gasphase oder durch eine nachträgliche Diffusions-Wärmebehandlung kann eine Minoritätsdichtefunktion eingestellt werden, derart, daß bis etwa zur Hälfte der Dicke einer refraktären Kontaktschicht die Konzentration des Edelmetalls bis fast auf Null absinkt.

Bei der Herstellung der Schichtanordnung der erfindungsgemäßen Schaltkontakte ist darauf zu achten, daß sich an der Grenze zwischen der Schichtanordnung und dem Träger 1 wegen der besseren Haftfestigkeit Mischkristalle bilden. Jedoch ist die Bildung einer spröden Legierung oder einer intermetallischen Verbindung zu vermeiden. Wenn z. B. Molybdän oder Wolfram direkt auf Nickel-Eisen-Legierungen aufgebracht werden, haben sich Zwischenschichten aus Rhenium, Ruthenium oder Silber in einer Schichtdicke von wenigen μιτι besonders bewährt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   !. Elektrischer Schaltkontakt für Schutzgasrelais, der einen Kontaktträger aus einem Nickel und/oder Eisen enthaltenden Werkstoff aufweist, insbesondere aus einem weichmagnetischen Werkstoff wie eine Eisen-Nickel-Legierung, und eine vorzugsweise durch Kondensation aus der Gasphase erzeugte Kontaktschicht besitzt, die aus einem refraktären Metall aus der Gruppe Molybdän, Wolfram und Rhenium oder einer Basislegierung eines dieser Metalle besteht, und auf die eine Deckschicht aus einem Edelmetall aus der Gruppe Gold, Silber und einem Metall der Platingruppe oder einer Basislegierung eines dieser Edelmeta'le aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Sandwich-Art mehrere aus Kontaktschicht (4) und Deckschicht (3) bestehende Doppelschichten (5) übereinander angeordnet sind mit der Maßgabe, daß die oberste Schicht immer eine Deckschicht (3) ist und die Gesamtdicke dieser Schichtanordnung 100 μπι nicht übersteigt, wobei das Dickenverhältnis zwischen Kontaktschicht und Deckschicht im Bereich zwischen 1 :1 und 10:1 beträgt.
2. 2. Schaltkontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kontaktschicht (4) und die der Deckschicht (3) zwischen 0,5 und 5 μηι beträgt.
3. 3. Schaltkontakt nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelschichten (5) unterschiedliche Dicke aufweisen.
4. 4. Schaltkontakte nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Kontaktträger (1) aus Nickel, Eisen-Nickel oder Kupfer-Nikkel-Zink zunächst eine Deckschicht (3) und darauf alternierend Kontaktschicht (4) und Deckschicht (3) aufgebracht sind.
5. 5. Schaltkontakt nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitige Eindringtiefe durch Diffusion von Kontakt- und/oder Deckschicht-Werkstoff wenigstens 0,5 μιη beträgt.
6. 6. Schaltkontakt nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kontaktträger (1) und der sandwichartigen Schichtanordnung eine die Diffusion von Nickel und/oder Eisen hemmende Sperrschicht (2) angeordnet ist.
7. 7. Schaltkontakt nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Grenzen Kontaktschicht und Deckschicht kontinuierlich ineinander übergehen.