DE2639772A1

DE2639772A1 - Elektrische kontakte aus dispersionsverfestigtem gold

Info

Publication number: DE2639772A1
Application number: DE19762639772
Authority: DE
Inventors: Emil L Carbone; James S Hill; Walter G Keyes; Victor G Mooradian
Original assignee: Engelhard Minerals and Chemicals Corp
Current assignee: BASF Catalysts LLC
Priority date: 1975-09-05
Filing date: 1976-09-03
Publication date: 1977-03-17
Also published as: AU505477B2; IT1066474B; GB1538148A; FR2323218A1; US4018599A; JPS5232575A; ZA76327B; AU1742976A; CA1068518A; FR2323218B1

Description

Patentanwälte:

Dr. Ing. Walter Abitz 3. September 19.76

Dr. Dieter F. »Viorf 74-124

Dr. Hans-Α. Brauns

tlünehin 88, Pienzeiiaaerstr. M

ENGELHARD MINERALS & CHEMICALS CORPORATION 43O Mountain Avenue, Murray Hill, New Jersey 07974 "Vereinigte Staaten von Amerika

Elektrische Kontakte aus dispersionsverfestigtem Gold

Die Erfindung betrifft Materialien für elektrische Kontakte. Insbesondere betrifft die Erfindung Materialien für elektrische Kontakte aus Gold und geringen Mengen dispergierten hochschmelzenden Oxyden und seltenen Erdmetalloxyden.

Reines Gold oder hochkarätige Goldlegierungen werden in großem Umfang für Anschlußteile etc. verwendet. Diese Materialien haben als Schließ- und Unterbrechungskontakte wegen ihrer geringen Widerstandsfähigkeit gegenüber Abrieb und wegen der Neigung, bei verhältnismäßig niedrigen Stromstärken zu verkleben oder zu verschweißen, eine begrenzte Lebensdauer,Um den Anforderungen von ganz bestimmten Anwendungsarten wie bei empfindlichen Relais, Instrumenten, Computern, Tastenschaltern, Schleifringen und Kontaktbürsten,Frequenzabstimmknöpfen und Telekommunikationsvorrichtungen zu genügen, wurden einige spezielle Legierungen mit hohem Goldgehalt entwickelt. Bei den meisten Anwendungsarten werden diese Legierungen nur bis zu maximalen Stromstärken von etwa 0,5 - 2 A verwendet,

ORIGW- MSPEGTED 709811/0297

wenn lange Lebensdauer und niedriger Übergangswiderstand erforderlich sind.

Das herausragende Cliarakteristikum hinsichtlich des elektrischen Kontaktes von Gold ist dessen Eigenschaft, keine äußerst widerstandsfähigen Filme von Oxyden, Sulfiden, oder mit organischen Materialien zu bilden. Andere vorteilhafte Eigenschaften sind seine gute elektrische Leitfähigkeit (ungefähr 73$ IACS, International Annealed Copper Standard), niedrige Streck- bzw. Quetschgrenze und niedriger Elastizitätsmodul, wobei diese Eigenschaf-'ten gemeinsam zu einem niedrigen und stabilen Übergangswiderstand führen. Diese Eigenschaften machen Gold zu einem geeigneten Material für Anschlüsse und für elektrische Kontakte, die bei niedrigem Kontaktdruck und niedrigen Stromstärken bis zu IOO-3OO mA arbeiten. Diese geringe Härte und die geringe Rekristallisationstemperatur des Goldes führen jedoch zu außerordentlichem mechanischen Abrieb, zu einer großen Neigung zum Verschweißen und Verschleißen und wegen der Lichtbogenerosion zu übermäßigem Materialverlust, wenn Gold für Schließ— und Unterbrechungskontakte für höhere Stromstärken verwendet wird.

Aus diesen Gründen sind die meisten handelsüblichen Goldkontaktmaterialien Goldlegierungen mit hohem Goldgehalt und Gehalt an anderen Edelmetallen (beispielsweise Platin oder Silber) oder anderen Metallen (beispielsweise Kupfer oder Nickel), um wesentlich größere Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischem Abrieb und gegenüber Lichtbogenerosion herbeizuführen. Es sollte darauf hingewiesen werden, daß es zwei Hauptfaktoren sind, die die Menge an Legierungszusätzen, die zu diesen Knetlegierungen führen, begrenzen. Der erste ist der Umstand, daß die elektrische Leitfähigkeit rasch mit Legierungszusätzen abnimmt; viele dieser Legierungen haben eine Leitfähigkeit von 4-12$ IACS, die die Stromförderungskapazität dieser Materialien begrenzt. Der zweite Paktor ist der Umstand, daß die Legierungszusätze zu Gold begrenzt werden müssen, um dessen herausragende Eigenschaften, wie dessen Widerstandsfähigkeit gegnüber der Bildung von Oxyden und Filmen

70981 1 /0297

zu bewahren. Deshalb sind Edelmetall— und Silberzugaben im allgemeinen auf etwa 30—^0 Atomprozent und die Zugabe von Grundmetallen auf 14-18 Kt-Legierungen (58-75 Gewichtsprozent Au) begrenzt.

Handelsübliche Goldlegierungen, die für bestimmte Anwendungsarten entwickelt wurden, basieren auf dem besten Kompromiß zwischen Kontakerosion, Neigung zum Verschweissen und niedrigem Übergangswiderstand (Geräusch) und sind in den meisten Anwendungsarten begrenzt auf maximale Stromstärken von 0,5 — 2 A, wenn Langlebigkeit (1O - 10 Betriebsvorgänge) erforderlich, sind. Bei diesen Anwendungsarten tritt Ausfall oder Unbraüchbarkeit im allgemeinen wegen (1) Erosion in Form von spitzenbedeckten oder kra— terähnlichen Erosionsoberflächen auf, die zur Überbrückung des KontaktabStandes und zu einer verriegelnden ■Verschweißung führen können; sie können ebenfalls durch

(2) tatsächliches Verschmelzen der Kontakte miteinander eintreten, das erheblich durch übermäßige Erosion begünstigt wird, oder durch Bildung schmaler geschmolzener Kügelchen oder Whisker auf der Kontaktoberfläche und. den Kontaktkanten; sie können ebenfalls eintreten durch

(3) Ausbildung von hohem und veränderlichen Übergangswiderstand, der zu übermäßigen elektrischen Geräuschen führt.

Es ist bekannt, daß die Metallhärte und -festigkeif bei hohen Temperaturen durch Zugabe einer fein verteilten stabilen Oxydphase wesentlich erhöht werden können. Die . Theorien zur Dispersionsverferstigung sind hochentwickelt und in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Der Einfluß dieser Oxyde auf die wichtigen elektrischen Kontakteigenschaften wie Erosion, Neigung zum Verschweißen und Veränderlichkeit des Übergangswiderstandes ist kaum bekannt und wird in noch geringerem Maße verstanden. Silber-Kadmiumoxyd ist ein Kontaktmaterial dieser Art, das aus CdO, dispergiert in einer Silbermatrix, besteht. Jedoch gehört Silber-Kadmiumoxyd zu einer besonderen Kategorie, da CdO kein beständiges Oxyd ist, wie es für die Dispersionsverfestigung, insbesondere bei erhöh-

709811/02

7L.— 1 2.U-

ten Temperaturen, erf ordex-lich 1st. In Sllber-Kadmiumoxydkontakten ist die CdO-Phase flüchtig "und zersetzt sich, bei etwa 927° C - 95^° C während der Ausbildung des Lichtbogens; diese Eigenart verleiht diesem Material das eigenartige Charalcteristikum, hinsichtlich der Lichtbogen— löschung, insbesondere wenn es bei hohen Stromstärken von 10 - 50 A und höhereingesetzt wird« Es sollte ebenfalls darauf hingewiesen werden, daß diese Materialien einen relativ hohen Oxydgehalt, normalerweise 10-15$» aufweisen. Selbst in Anwesenheit von geringen Mengen ist kein bemerkenswerter Verstärkungs-oder Verfestigungseffekt des CdO auf Silber festzustellen; oberhalb 15$ CdO sind diese Legierungen zu bröcklig, um auf herkömmliche Weise hergestellt zu werden. Eine der herausragenden Eigenschaften, die CdO dem Silber verleiht, besteht in der Abnahme des Materialverlusts durch Lichtbogenerosion. Eine wesentliche Aufgabe dieser Erfindung besteht demnach darin, einen elektrischen Kontakt zur Verfügung zu stellen, der aus einem Material hergestellt wurde, das aus geringen Zusätzen von hochschmelzenden Oxyden und Oxyden von seltenen Erdmetallen, deren Verfestigungseinfluß auf Gold festgestellt wurde, gebildet wurde. Eine weitere erfindungsgemäße Aufgabe besteht darin, einen elektrischen Kontakt zur Verfügung zu stellen, der aus einem Material hergestellt wird, das aus Gold mit kleinen Zugaben an hochschmelzenden Oxyden und Oxyden von seltenen Erdmetallen besteht, wodurch die Erosionsund Verschweißeigenschften der Goldkontakte verringert werden, während an der Oberfläche ein niedriger und unveränderlicher Übergangswiderstand erzielt wird. Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß geringe Zugaben von CeO₂ zu praktisch reinem Gold zu einem Material führen, daß reinem Gold überlegen ist, wenn man daraus elektrische Kontakte herstellt, die wesentlich geringere Lichtbogenerosion, . erheblich geringere Neigung zum Verschweißen und nur geringfügig höheren Übergangswiderstand aufweisen. Zugaben von 0,1 - 4,0 Volumenprozent CeO„ zu praktisch reinem Gold führen zu einem hervorrragendem Material für elektrische Kontakte. - k -

709 811/0297

Eine bevorzugte Mischung entstellt bei der Zugabe von 1 Volumenprozent CeO„ zu praktisch, reinem Gold. Ebenfalls wurde erfindungsgemäß gefunden, daß eine Legierung mit praktisch keiner Lichtbogenerosion bei Verwendung als Material für elektrische Kontakte erhalten wird, wenn der Mischung von Gold und CeO„ein oder mehrere Oxyde mit hohen Schmelzpunkten und hoher negativer freier Bildungsenergie von größer als — 80 lccal/Gramm— Sauerstoffatom (K cal/ gat θ) zugesetzt werden.

Es wurde gefunden, daß Gold mit einer Oxyddispersion von CeO „ zu einer Zusammensetzung führt, die überlegene und unerwartete Charakteristika aufweist, die sie als Material für elektrische Kontakte besonders geeignet machen. Bevorzugt wird das Material nach einem der beiden Wege, nämlich der Vermischungsmethode oder der Zesetzungsmethode, hergestellt.

Beide Methoden gehen von Goldpulverproben hoher Reinheit (99»99+ $) aus. Das Goldpulver wird durch Kochen in einer Lösung mit Gehalt an gleichen Volumenteilen Salzsäure und destilliertem Wasser gereinigt. Das Gold— pulver wird dann mit heißem destillierten Wasser gespült, bis das Waschwasser chlorfrei ist.

Bei der Vermischungsmethode wird das Oxyd in destilliertem Wasser unter Bildung einer kolloidalen Lösung dispergiert; das Goldpulver wird der Lösung zugesetzt. Diese Mischung wird vermählen, um die Oberflächen der Oxydpar— tikel zu beschichten und gleichmäßig im Goldpulver zu verteilen.

Bei der Zersetzungsmethode wird eine Lösung von mindestens einem Metallsalz ( z.B. Nitrat) öder mindestens einer metallorganischen Verbindung, die nachfolgend in das hochschmelzende Oxyd umgewandelt wird, verwendet. .. Dieser Lösung wird das Goldpulver zugesetzt; die Mischung wird erhitzt und bis zur Trockne gerührt. Bei Erhitzen der Mischung über die thermische Zersetzungstemperatur werden die Salze oder die metallorganischen Verbindungen in die Oxyde umgewandelt.

70981 1/0297

Die Mischung, die nach, einer der obigen Methoden erhalten wird, wird dann in einen Latexgummisack eingebracht und hydrostatisch unter einem Druck von 2TtO kg/cm zu einem Stab oder einem Blatt gepreßt. Dieses grüne kompakte Material wird dann für etwa 2 Stunden in Luft bei etwa 900 C gesintert und dann auf Zimmertemperatur abgekühlt. Durch Walzen kann ein Bahnmaterial verschiedener Dicken zwischen 5Ο8yu.m und 2032 AAm anschließend hergestellt werden. Die auf diese Weise hergestellten Materialien besitzen unerwartete Eigenschaften hinsichtlich der Lichtbogenerosion, ihrer Neigung zum Verschweißen und hinsichtlich ihres Übergangswiderstandes. Lichtbogenerosion ist der Verlust oder die Übertragung von Material, die während der Lichtbogenverbindung der Kontakte auftreten. Bei Wechselstrom tritt der Verlust normalerweise an beiden Kontakten auf; hat jedoch einer der Kontakte eine höhere Temperatur kann direkter Übergang von dem heißeren auf den kälteren Kontakt erfolgen. Bei Gleichstrom ist der Materialübergang immer ausgesprochen gerichtet; negativer Übergang wird als Aufbau von Spitzen auf der Kathode mit entsprechenden Kratern auf der Anode definiert, während der positive Übergang als Ausbildung von Spitzen auf der Anode und der von Kratern auf der Kathode definiert ist. Übergangsrichtung und Übergangsmenge hängen davon ab, ob die Spannungs-und Stromstärkenbedingungen während des Betriebs oberhalb oder unterhalb dsr Minimumstromstärke und Minimum spannung dieses Materials für die Ausbildung des Lichtbogens vorliegen. Die minimale Stromstärke für einen Lichtbogen ist die höchstmögliche Stromstärke, die bei verschiedenen Spannungs— werten unterbrochen werden kann ,.ohne einen Lichtbogen auszubilden; die minimale Spannung zur Ausbildung eines Lichtbogens ist die niedrigste Spannung, bei der bei Normaldruck ein Lichtbogen ausgebildet wird. Der Ifegativübergang ist im allgemeinen von dem kurzen Lichtbogen beim Schließen des Kontakts begleitet oder findet statt, wenn

709811/029 7

die Kontakte unterhalb der kritischen Stromstärke_rund Spannungschärakteristika zur Ausbildung des Lichtbogens für dieses Material betrieben werden; der Positivübergang wird normalerweise vom Anodenlichtbogen bei Unterbrechung gebildet, insbesondere,wenn die Kontakte oberhalb der kritischen Spannungs- und Stromstärkenwerte der Lichtbogenausbildung betrieben werden. Der Negativübergang, der häufig Brückenübergang genannt wird, ist normalerweise durch eng begrenzten örtlichen Übergang, beziehungsweise Übertrag gekennzeichnet, wobei eine hohe Spitze und ein tiefer Krater gebildet werden; der Positivübergang ist normalerweise der erwünschtere Typ, weil er diffuser ist und über einen größeren Bereich stattfindet.

Eine der üblichen Gründe für das Versagen von Gold- oder Goldlegierungen bei Telekommunikationsvorrichtungen und bei Relaiskontakten ist der übermäßige Übergang durch " Lichtbogenerosion. Deshalb werden Lichtbögen hoher Gleichstromstärken, durch die eng lokalisierter Negativübergang bei Gold verursacht wird, verwendet, um die Lichtbogenerosion verschiedener dispersionsverfestigter Goldlegierungen zu bestimmen. . Die Neigung zum Verschmelzen, wie sie durch die Anzahl von Verschmelzungen bei einer bestimmten Anzahl von Betriebsvorgängen gemessen wird* sowie die maximale Ver— schweißungsfestigkeit, wenn Verschweißen stattfindet, sind andere Kriterien, die zur Bewertung und zum Vergleich verschiedener dispersionsverfestigter Legierungen im Vergleich zu reinem Gold herangezogen werden. Goldlegierungen können bei'vielen Verwendungsarten nur begrenzt eingesetzt werden, weil sie dazu neigen, insbesondere bei hohen Stromstärken, zu verschweißen. Bei übermäßigem Metallübergang in Form von Spitzen und Kratern kann ein verriegelndes Verschweißen stattfinden; bei zusätzlichem Übergang nimmt die Verschweißtendenz schnell zu. Der Gesamtwiderstand eines Paares elektrischer Kontakte ist die Summe dreier Komponenten: Bahnwiderstand. Schichtwiderstand und Engewiderstand. Der Bahnwiderstand ist der

7 0 9 811/0297

nornrale oder Ohmsche Widerstand, der von der chemischen Zusammensetzung und der physikalischen Dimensionierung des Materials abhängt. Er wird berechnet, indem der spezifische Widerstand des Kontaktmaterials mit der Dicke malgenommen und durch die Fläche geteilt wird. Reine Goldkontakte haben wegen des niedrigen spezifischen Widerstandes von Gold einen niedrigen Bahnwiderstand. Der Schichtwiderstand ist der Widerstand, der sich auf der Oberfläche eines elektrischen Kontaktes durch Oxydation, Korrosion oder andere chemische Reaktionen zwischen dem Kontaktmaterial und der Umgebung ausbildet. Hierzu können auch Schichten aus Schmutz, Staub, Öl oder anderen Materialien beitragen. Reines Gold besitzt wegen dessen Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und Oxydation einen sehr niedrigen Schichtwiderstand. Der Engewiderstand oder Oberflächenübergangsifaderstan-d ist der Widerstand über den tatsächlichen Kontaktbereich zwischen zwei aufeinander passende Oberflächen der elektrischen Kontakte an der Stelle, an der sie sich berühren. Der tatsächlcihe Kontaktbereich ist im Vergleich zu dem scheinbaren oder geometrischen Bereich recht klein, weil, unabhängig davon, wie glatt zwei ; zusammenpassende Kontaktoberflächen hergestellt sind, sie dennoch aus vielen Erhebungen und Tälern bestehen;·' werden sie zusammengebracht, berühren sich tatsächlich nur die Erhebungen, die in nur relativ geringer Anzahl vorliegen. Die tatsächlichen Messungen des Übergangswi— derstands ergeben im allgemeinen Werte, die das 10-20fache der Summe aus Bahnwiderstand und Schichtwiderstand sind, woraus hervorgeht, daß der Oberflächenüber— gangswiderstand, der im allgemeinen als der Engewiderstand bezeichnet wird, die wesentlichste Komponente des Gesamtwiderstands ist. Das trifft insbesondere für reines Gold und Legierungen mit hohem Goldgehalt zu, weil der Bahnwiderstand und der Schichtwiderstand dieser Legierungen sehr niedrig sind. Deshalb ergibt die Messung des Übergangswiderstands dieser Legierungen im wesentlichen den Oberflächenübergangswiderstand.

709811/0297

Ein niedriger beständiger Oberflächenübergangswider— stand ist eines der herausragenden Charakteristika von Gold und Legierungen hohen Goldgehalts_o Dieses ist bei Telekommunikationsvorrichtungen wichtig, -weil Veränderungen des Übergangswiderstandes elektrische Geräusche verursachen« Dieser Widerstand sollte einen Endwert (etwa 10-50 mOhm) nicht überschreiten und sollte zur möglichst weitgehenden. Vermeidung von Geräuschen bei einer ganzen Anzahl von Betriebs- bzw_o Sehaltschritten unverändert bleiben. Deshalb ist die anfängliche Oberflächenübergangsspannung ebenso wie die Veränderung des Widerstands während lnagzeitiger Betriebsdauer ein wesentliches Charakteristikum des Materials, In Tabelle I wird eine Vielfalt von Materialien wiedergegeben, die hinsichtlich ihrer Eignung als elektrisches Kontaktmaterial untersucht wurden. Als Legierung wird eine Mischung oder eine Zusammensetzung von Gold und einem bestimmten Oxyd bezeichnet. Die Legierung bezeichnet mit A zeigt, daß reines Gold im.Vergleich zu den Zusammensetzungen verwendet wurde, um eine Bewertungsbasis für die Parameter zu haben.

Tabelle I

Dispersionsverfestigte Goldlegierungen, untersucht als elektrische Kontakte

	Zusammensetzung	Oxydgehalt	• VoI^
Legierung		Gew$ -^:	_11WI1..
	Au		0,99
A	AU₊Y₂O₃	0,26	0,87
B	AU + Al₂O3	0,18	0,39
C	Au + ThO	0,20	1,07
D	Au + TiOp	0,24	1,02
E	Au + CeO„	0,38
F.

Die Vergleichsprobe A aus reinem Gold und die verschiedenen dispersionsverfestigten Goldlegierungen B-P wurden hinsichtlich der Lichtbogenerosion, ihrer Neigung zum Verschweißen und hinsichtlich ihres Oberflächenübergangswiderstands bewertet. Zur Bewertung der Lebensdauer und

709811/0297

der Untersuchungen während des Betriebs wurde die folgende Untersuchungsvorrichtung benutzt. Sie besteht aus einem servogeregelten elektrohydraulischen System, in dem der bewegliche Kontakt durch ein Gebläsebalgsystem mit veränderlicher und geregelter Zyklusgeschwindigkeit, KontaktZwischenraum und Schnelligkeit gegen den stationären Kontakt betrieben wird, der ebenfalls auf einem Gebläsebalgsystem angeordnet ist, das durch ein temperaturgeregeltes Stoßdämpfersystem abgesichert ist.

Der Einfluß der Schließ- und Unterbrechungslichtbogen auf die Erosion wird durch Gewichtsverlust der Kontakte bestimmt. Die Verschweißungshäufigkeit und die tatsächliche Verschweißungsfestigkeit wird kontinuierlich durch ein Transducersystem aufgezeichnet. Für die Testzwecke wurde ein Lichtbogen hoher Gleichstromstärke beim Schließen des Kontakts gewählt. Als bester Kompromiß zwischen Verschweißen und Lichtbogenerosion wurde zur Untersuchung der Lebensdauer eine Lichtbogenstromstärke von 80 A gewählt. Xn Tabelle II werden die Untersuchungsbedingungen zur Messung der Kontakteigenschaften der verschiedenen Zusammensetzungen gemäß Tabelle I angegeben.

Tabelle II

Versuchsbedingungen zur Bewertung der elektrischen Kontakteigenschaften von dispersions— verfestigten Goldlegierungen.

Versuchsbedingungen und -ergebnisse "Werte

Geschwindigkeit (cm/sec) 2,5

Frequenz (Hz) 0,3

Kontakt (cm) 0,38

Kontaktüberweg (cm) 0,178

Schließkraft (gm) 700

Verschweißkraft (gm), max. 1200

Kontakt schlag — —■-

Atmosphäre Luft Fließgeschwindigkeit (l/min, von Luft) 1

- 10 -

70981 1 /0297

Versuchsbedingunppn und -er^ebnisse Werte

Spannung, offener Stromkreis ("VoIt) 125 Widerstand (Ohm) 0,4

Lichtbogenstronstärke (a) 80

Lichtbogen beim Schließen oder Nur beim

Unterbrechen Schließen

Die dispersionsgehärteten Goldlegierungen wurden ebenso •wie die Vergleichsprobe aus reinem Gold,wie zuvor beschrieben, zu Bahnen einer Dicke von 0,203 cm verarbeitet. Aus diesen Bahnen wurden Scheibchen mit einem Durchmesser von 0,95' cm geschnitten und dann auf eine Standardkupferniete zur Verwendung in der Kontaktversuchsvorrichtung hartgelötet. Das Hartlöten wurde in einer Atmosphäre von 95$ Stickstoff und 5$ Wasserstoff unter Verwendung eines handelsüblichen Silberlötmittels durchgeführt. Nach dem Hartlöten wurde der zusammengesetzte Kontakt auf den Enddurchmesser und Enddicke mit einem Radius von 2,5h cm maschinell abschließend behandelt. Die Ergebnisse der Versuche mit diesen dispersionsgehärteten Goldlegierungen zeigen im Vergleich zur Probe aus reinem Gold verbesserte Werte.

Die Erfindung und die Versuchsergebnisse werden anhand der Figuren näher erläutert.

In der Figurist der Gewichtsverlust der Anode als Punktion der Anzahl der Betriebszyklen in der Versuchsvorrichtung mit elektrischen Kontaktmaterialien aus mit geringen Mengen an hochschmelzenden Oxyden oder Oxyden von seltenen Erdmetallen vermischtem Gold wiedergegeben.

Die Kurven Inder Elgir sind gekennzeichnet, um die jeweilige Goldlegierung erkenntlich zu machen. Die Versuchsergebnisse der Probe aus reinem Gold werden wiedergegeben, um die Verbesserungen im Vergleich zu dieser Probe zu kennzeichnen. Das reine Gold zeigt einen deutlichen negativen Übergang, wobei in der Anode eine Vertiefung und auf der Kathode eine Spitze ausgebildet werden. Negativübergang tritt ebenso bei den Legierungen mit Aus-

-11-

70 9811/029 7

nähme der CeO haltigen Legierungen auf. Der Umfang des Negativübergangs für die verschiedenen Legierungen nahm in der Reihenfolge Yp⁰T' ^Ti02' ^Α12°^ ^xma ^Tll02 ^ab* Bei allen diesen Legierungen trat eine Vertiefung in der Anode und eine Spitze auf der Kathode auf. Hinsichtlich der Lichtbogenerosion war Gold mit CeO _p herausragend. Nach 7000 Betriebsabläufen betrug der Ge-'.·. wichtsverlust weniger als 0,1$, verglichen zu etwa 4-5$ bei den anderen Goldlegierungen; die auftretende Gewichtsveränderung war tatsächlich eine Gewichtszunahme der Anode anstelle einer Gewichtsabnahme. Die Gesamtnatur des Materialübergangs ist bei CeO recht verschieden: der Positivübergang .findet über einen weiten und diffusen Bereich ohne Ausbildung einer Vertiefung oder einer Spitze statt. Dieser Übergangstyp ist erwünscht,insbesondere, wenn in handelsüblichen Vorrichtungen zusammengesetzte Kontakte verwendet werden, bei denen die Kontaktdicke wegen der Kosten ein Minimum einnehmen soll. Die Lichtbogenerosionswerte dieser Legierungen sind in der Tabelle III zusammengefaßt.

Tabelle III

Anodenverlust durch Lichtbogenerosion nach 7OOO Betriebsabläufen mit einem Lichtbogen beim Schließen von 80 Ampere

Ano denabnahm e	(oder -zunähme) .	5,4	Relativer Gewichtsverlust	1,00
		4,9	(-zunähme) - Verhältnis	0,91
Legierung		4,5		0,83
	Gewicht $	4,5		0,83
Ä"	mg	4,1	0,76
B	90,6	(0,1)	(0,02)
C	83,0
D	78,7
E	85,4
P	76,0
1,1

In der dritten Spalte wird die Verbesserung bei der Lichtbogenerosion für die verschiedenen dispersionsgehärteten Goldlegierungen im Vergleich zum reinen Gold gezeigt,

709811/0297

74-124

wobei das Verhältnis des GewiGhtsverlusts der dispersionsgehärteten Legierung z\im Gewichtsverlust des reinen Goldes angegeben ist_e Beispielsweise hat Au + Y_?^o einen Materialverlust _} der 91$ desjenigen von reinem Gold entspricht, und Au + TiO hat einen Materialverlust von 83$ von demjenigen von reinem Gold. Die ¥iderstandsfähigkeit gegen Lichtbogenerosion von Au + CeO_p ist hervorragend, da der Materialübergang bei dieser Legierung in einer Zunahme von etwa2$ anstatt eines Verlustes wie bei reinem Gold beträgt.

Die Erkenntnis ist wichtig, daß die Lichtbogenerosion von Au + CeO im Vergleich zu reinem Gold hervorragend ist, da diese Legierung eine Gewichtszunahme von 0,1$ im Vergleich zu Gold aufweist, das unter den gleichen. Versuchsbedingungen eine Gewichtsabnahme von über 5$ aufweist. Noch wesentlicher ist, daß die Au + CeO₃-Legierung einen positiven Materialübergang, vie zuvor beschrieben (Gewichtszunahme der Anode bei Gewichtsabnahme der Kathode), im Vergleich zum negativen Mate— rialübergang bei reinem Gold (Gewichtsverlust an der Anode bei Gewichtszunahme bei der Kathode) aufweist. Aus Tabelle III kann entnommen werden, daß, obwohl die Zugabe von etwa 1Vol$ des jeweiligen Oxyds in den Legierungen B,C,D und: E den Anodenverlust von Gold vermindert, die Verwendung von 1 Vol$ CeO _ bei weitem am wirkungsvollsten war, weil es nicht nur den Anodenverlust verhinderte sondern tatsächlich zu einer Gewichtszunahme der Anode führte. Hierin besteht natürlich die letztmögliche Anforderung für Kontaktmaterial mit hohem Goldgehalt, Es wurde gefunden, daß bei zunehmendem Oxydgehalt in den Legierungen B, C, D und E der Anodenverlust weiter abnimmt,und daß mit zunehmendem CeO Gehalt in der Legierung P die Gewichtszunahme der Anode ansteigt.

In Tabelle IV werden die Verschweißwerte für die beschriebenen Legierungen wiedergegeben. Nach 7000 Schaltvorgängen wiesen die Kontakte aus reinem Gold über 9-0$ Verschweißungen auf. Die Legierungen mit Y₂ ⁰O P^d- -^¹O⁰T ^{wiesen ke}?-^ne

- I3 -

7098 11/0297

wesentlichen Verbesserungen hinsichtlich der Gesamtzahl an Verschweißungen auf. Wesentliche Verbesserungen bei der Verschweißungshäufigkeit zeigte Gold mit ThO„ und TiO . Beide wiesen nach 7000 Schaltvorgängen etwa 6^fo Verschweißungen auf. Wiederum war Au + CeO„ heraus— ragend« Es wies nach 7000 Schaitvorgängen etwa 5 mal weniger Verschweißungen als reines Gold auf. Aus Tabelle IV geht ebenfalls die Anzahl von starken Verschweißungen (in $, mit einer Verschweißungsfestig— keit oberhalb 1200 g), die bei diesen Legierungen stattfanden, hervor. Gold mit YpO«, war gegenüber reinem Gold nicht wesentlich verbessert. Es besaß etwa 8—10$ starke Verschweißungen. Die Al 0 -Legierung wies 4-5$ starke Ver— schweißungen auf. Die Ti0_?-Legierung besaß 2-4$ und die ThO —Legierung 2—3$ starke Verschweißungen.Herausragend ist Gold mit OsO mit weniger als 0,1$ starken Verschweissungen nach 7000 Sehaltvorgangen.

Tabelle IV

Prozentsatz aller Verschweißungen (lOO g) nach 7000 Betrxebsvorgängen beim Schließen mit einem Lichtbogen von 80 Ampere

Legierung $ Gesamtzahl Verschweißungen Verhältnis

A 93 1,00

B 93 1,00

c 90 0,97

D 67 0,72

E 62 0,66

P 18 0,19

Prozentsatz der starken Verschweißungen (1200g) nach 7OOO Betrxebsvorgängen, beim Schließen mit einem Lichtbogen von 80 Ampere

Legierung $ starke: Verschweißungen

A 9,8

B . 9,6

C 5,4'

- 14 -

70981 1/0297

Verhältnis zu
reinem Gold

1,

0.

O₁

,00

,98

,55

Legierung ψ starke Verschweißungen Verhältnis zu _t - ' reinem Gold

D 3,0 0,31

E 2,4 0,25

F 0,1 0.01

Die Werte des Oberflächenübergangswiderstands dieser Legierungen vor und nach 7000 Betriebsvorgängen in der Versuchsvorrichtung werden in Tabelle V wiedergegeben.

Tabelle V

Oberflächenübergangswiderstand (mOhm) mit einer Schließkraft (^)nach 7000 Schaltvorgängen beim Schließen mit einem Lichtbogen von 80 Ampere

Ursprünglicher Widerstand

Nach	7000	Sehalt-	500	700	1000
vorgängen		0,12	0,10	0,10
Schließkraft, g	0,10	0,10	0,09
300	0,13	0,12	0,12
0,15	0,10	0,10	0,08
0,11	0,07	0,07	0,07
0,U	0,24	0,23	0,21
0,10
0,08
0,26

Schließkraft, g Legierung 300 500 700 1000

A 0,1 4 0,14 0,]3 0,11

B 0,15 0,150,14 0,12

C 0,16 0,16 o,i5 0,13

D 0,20 0,18 0,18 0,16

E 0,10 0,09 0,09 0,08

F 0,17 0,15 0,14 0,12

Aus Tabelle V geht hervor, daß die Zugabe von Oxyden zu Gold (bis zu 1 V0I5&) mit Ausnahme im Falle von CeO₂, selbst nach 7OOO Schaltvorgängen, keinen wesentlichen Einfluß auf den Übergangswiderstand ausübte. Das CeO haltxge Material hatte einen Übergangswiderstand von etwa dem zweifachen "Wert der anderen Legierungen; der Widerstand von etwa 0,2 mOhm nach 7OOO Schaltvorgängen ist jedoch befriedigend und wesentlich unterhalb dem Ziel von 10-50 mOhm: darüberhinaus wurde gefunden* daß dieser Widerstand gleichbleibend war und deshalb keinen übermäßigen Lärm verursachte.

Übermäßiger Materialverlust oder -gewinn ist nicht erwünscht; das beste Kontaktmaterial weist bei Verwendung der gemischten Oxyde keinen bemerkbaren Materialverlust auf, indem Materialien mit negativem Materialübergang mit anderen mit positi-/ - 15 -

709811/0297

vein Materialübergang kombiniert werden. Es können Gleichgewichtsbedingungen festgestellt werden, bei denen wenig oder kein Übergang stattfindet. Da diese Oxydbedingungen fast immer zu verbesserten Eigenschaften ten hinsichtlich, des Verschweißens führen, ist es hierdurch möglich, Legierungen mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich der Lichtbogenerosion und des Verschweißens zu erhalten.

Demnach können bestimmte zusätzliche Oxyde mit der Legierung aus Gold und CeO kombiniert werden, um bei Verwendung als elektrisches Kontaktmaterial einen Materialverlustwert von etwa 0 zu erreichen. Diese Oxyde sind durch ihre Stabilität oder ihre hohe Bildungsenergie gekennzeichnet. In Tabelle VI wird ei^e Liste solcher Oxyde zusammengestellt, die als Zusätze zu Legierungen aus Gold und CeO geeignet erscheinen. Die freie Bildungsenergie jeden Oxyds bei 25 C ist für jedes geeignete Oxyd angegeben.

Tabelle VI

Freie Bildungsenergie (standard) ausgewählter Oxyde bei 25 C

Oxyde AT° (298°IC)

Kilokalorien/Grammatom Sauerstoff

-126 -126 -136 -144 -115

- 84

-125 -136 -I36

- 98

- 92 -139 -106

-133 -123 - 16 -

709811/0297

BaO	°3
BeO
CaO
CeO	2
Cr₂ HfO	°3 2
La₂ MgO	°3
SiO	2
ThO	2
ZrO	2

In der beschriebenen Weise kann eine Vielzahl von Oxydlegierungen mit Gold hergestellt werden« Bei der Vermischungsmethode werden das CeO und das zusätzliche Oxyd oder die zusätzlichen Oxyde kombiniert und, wie beschrieben, weiter bearbeitet. Bei der Zersetzungsmethode wird eine Lösung von Metallsalzen oder metallorganischen Verbindungen von CeO. und/oder anderen Metallen, deren Oxyde miteinander kombiniert werden sollen-, hergestellt. Dieser Lösung wird das Goldpulver zugesetzt; dann wird in der beschriebenen Weise weiter verfahren.

- 17 -

7098 11/0297

Claims

Patentansprüche

1. 1 Elektrischer Kontakt aus einem Material, das eine ■■>..-...*.- Mischung aus praktiscli reinem Gold und CeO_? enthält.

2. Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung von 0,1 — h VoUfo CeO enthält«,

Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1 , dadurch gek ennz eic]

enthält.

kennzeichnet, daß die Mischung etwa 1 Vol$ CeO_p

h. Elektrischer Kontakt nach mindestens einem der Ansprüche 1 — 3s dadurch gekennzeichnet, daß er einen oder mehrere Oxyde enthält, die hohe Schmelzpunkte und eine große negative freie Bildungsenergie von größer als —80 Kcal/mol besitzen.

5. Elektrischer Kontakt nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß er ein oder mehrere Oxyde der folgenden Oxyde Al_p0 , BaO,

BeO, CaO, Cr₃O₃, HfO₃, La₃O₃, MgO, , Y₂O und/oder ZrO₂ enthält.

- 18 -

70981 1 /0297