DE3420231C1 - Silver-rich materials for low-voltage contacts - Google Patents
Silver-rich materials for low-voltage contactsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft silberreiche Werkstoffe für Schwachstromkontakte, insbesondere für Steckverbindungen und Schleifkontakte, die in dünner Schicht über eine Nickelzwischenschicht auf einen Träger aus einem Unedelmetallwerkstoff aufgebracht sind, bestehend aus 45 bis 72 Atom-% Silber, 9 bis 32 Atom-% Gold, 9 bis 32 Atom-% Palladium, 0,01 bis 1 Atom-% Iridium und/oder Osmium, 0 bis 10 Atom-% Kupfer und/oder 0 bis 5 Atom-% Blei und/oder 0 bis 5 Atom-% Zinn.The invention relates to materials rich in silver for weak current contacts, in particular for plug connections and sliding contacts, which are in a thin layer over a nickel intermediate layer on a carrier of a Base metal material are applied, consisting of 45 to 72 atomic% silver, 9 to 32 atomic% gold, 9 to 32 atom% palladium, 0.01 to 1 atom% iridium and / or osmium, 0 to 10 atom% copper and / or 0 to 5 Atom% lead and / or 0 to 5 atom% tin.
In elektronischen Geräten sind sogenannte Steckverbinder in erheblichem Umfang vorhanden. Sie gewährleisten
bei sicherer Kontaktgabe ein schnelles Auswechseln defekter Baugruppen. Mit fortschreitendem Leistungsvermögen
elektronischer Geräte haben sich die Anforderungen an die Qualität der Werkstoffe derartiger
Steckverbinder gewandelt. Wichtig ist vor allem die Resistenz gegenüber einer Fremdschichtbildung auf
der Kontaktfläche durch Schadstoffe der Umwelt. Außerdem müssen die Werkstoffe eine hohe Verschleißbeständigkeit
besitzen, die trotz einer nur wenigen ,um betragenden Schichtdicke eine hinreichend große Funktionsdauer
ohne Durchrieb gewährleisten muß. Auch der Preis des Werkstoffes spielt eine wichtige Rolle.
Während noch vor wenigen Jahren teilweise beträchtliche elektrische Lasten über die Kontakte flössen,
werden heute oftmals nur noch geringste Ströme und Spannungen im Mikro- und Nanobereich übertragen.
Darüber hinaus hat die zunehmende Miniaturisierung der Bauteile und damit auch der Steckverbinder einerseits
und die steigende Luftverschmutzung andererseits, das Problem der Anlaufbeständigkeit der eingesetzten
Kontakte in erheblichem Maße verschärft. Während früher eventuell auf den Kontaktstücken vorhandene
Fremdschichtfilme durch die angelegten Spannungen durch sogenanntes Fritten leicht zerstört oder durch die
hohen Kontaktkräfte mühelos mechanisch durchbrochen werden konnten, reichen die heute angelegten Spannungen
bzw. die durch die fortschreitende Miniaturisierung erheblich reduzierten Kontaktkräfte für eine
derartige Selbstreinigung der Kontakte nicht mehr aus. Die Beständigkeit gegenüber einer oftmals optisch gar
nicht sichtbaren Fremdschichtbildung ist daher zum wichtigsten Kriterium moderner Kontaktwerkstoffe für
Steckverbinder geworden.So-called connectors are present to a considerable extent in electronic devices. With reliable contact, they guarantee that defective assemblies can be replaced quickly. As the performance of electronic devices has advanced, the demands on the quality of the materials used in such connectors have changed. Above all, it is important to be resistant to the formation of a foreign layer on the contact surface due to environmental pollutants. In addition, the materials must have a high level of wear resistance, which, in spite of only a few μm layer thickness, must ensure a sufficiently long service life without abrasion. The price of the material also plays an important role.
While only a few years ago considerable electrical loads were flowing through the contacts, today only the smallest currents and voltages in the micro and nano range are often transmitted. In addition, the increasing miniaturization of the components and thus also the connector on the one hand and the increasing air pollution on the other hand, have aggravated the problem of tarnish resistance of the contacts used to a considerable extent. While previously any foreign layer films that might have been present on the contact pieces could easily be destroyed by the applied voltages by so-called fritting or easily broken through mechanically by the high contact forces, the voltages applied today or the contact forces, which have been significantly reduced due to progressive miniaturization, are not sufficient for such self-cleaning of the contacts more out. The resistance to the formation of a foreign layer, which is often invisible to the eye, has therefore become the most important criterion for modern contact materials for connectors.
Diese Anforderungen können naturgemäß durch Legierungen mit hohem Goldgehalt erfüllt werden. Dabei haben sich insbesondere Legierungen aus Gold und Silber mit mehr als 70 Gew.-% Gold bewährt. Es sind auch hochkarätige Legierungen bekannt, die neben Gold und Silber auch noch Kupfer und/oder Nickel enthalten, jedoch sind selbst diese Legierungen trotz ihres hohen Goldgehaltes oftmals nicht ausreichend korrosionsbeständig. These requirements can of course be met by alloys with a high gold content. Included In particular, alloys made of gold and silver with more than 70% by weight of gold have proven successful. There are too high-carat alloys known, which in addition to gold and silver also contain copper and / or nickel, however, despite their high gold content, even these alloys are often not sufficiently corrosion-resistant.
so Die ebenfalls wichtige Verschleißbeständigkeit wird nicht nur von den Materialeigenschaften der Kontaktwerkstoffe, wie z. B. deren Härte geprägt, sondern sie hängt ebenso stark von der Kontaktpaarung und der Konstuktion des Steckverbindersystems ab, insbesondere von der Kontaktgebungskraft. Durch Zulegieren von Unedelmetallen kann man generell zwar die Verschleißfestigkeit der Werkstoffe steigern, man erhöht dadurch aber auch die Neigung zu Fremdschichtenbildung. Andererseits zeigen fremdschichtresistente Werkstoffe normalerweise eine schlechte Verschleißbeständigkeit.so The wear resistance, which is also important, is not only determined by the material properties of the contact materials, such as B. shaped their hardness, but it depends just as much on the contact pairing and the The construction of the connector system depends, in particular, on the contact force. By adding In general, base metals can be used to increase the wear resistance of the materials, but this increases but also the tendency to form foreign layers. On the other hand, materials resistant to foreign layers show usually poor wear resistance.
Angesichts der hohen Edelmetallpreise, insbesondere des hohen Goldpreises, kommt den Werkstoffkosten zunehmende Bedeutung zu. Man ist daher bestrebt, den Goldgehalt in diesen Werkstoffen möglichst niedrig zu halten.Given the high precious metal prices, especially the high gold price, comes the cost of materials increasing importance too. The aim is therefore to keep the gold content in these materials as low as possible keep.
Es sind daher aus der DE-OS 26 37 807 und aus der DE-OS 29 40 772 Kontaktwerkstoffe auf Gold-Silber-Palladium-Basis bekanntgeworden, die sich durch eine gute Anlaufbeständigkeit bei gleichzeitig vermindertem Goldgehalt auszeichnen. Sie enthalten aber neben mindestens 35 Gew.-% Gold noch einige Prozente an Unedelmetallen, wie Indium, Zinn oder Nickel. Diese Unedelmetallbestandteile beeinträchtigen jedoch die optimale Anlaufbeständigkeit der reinen Edelmetallegierung und erhöhen die Rekristallisationstemperatur des Kontaktwerkstoffes, was bei der Weiterverarbeitung zu Schwierigkeiten führen kann. Außerdem ist die Ver-Schleißbeständigkeit dieser Werkstoffe nicht ausreichend.There are therefore from DE-OS 26 37 807 and from DE-OS 29 40 772 contact materials based on gold-silver-palladium became known, which is characterized by a good tarnish resistance at the same time reduced Award gold content. However, in addition to at least 35% by weight gold, they also contain a few percent Base metals such as indium, tin or nickel. However, these base metal components affect the optimal tarnish resistance of the pure noble metal alloy and increase the recrystallization temperature of the Contact material, which can lead to difficulties in further processing. In addition, the wear resistance these materials are not sufficient.
Aus der EP-OS 82 647 sind Kontaktwerkstoffe bekanntgeworden, die neben Palladium als Rest 10 bis 58 Gew.-% Silber, 32 bis 58,5 Gew.-% Gold, geringe Anteile Rhodium und/oder Iridium und bis zu 3 Gew.-% Kupfer, Nickel oder Indium enthalten. Auch diese Kontaktwerkstoffe zeigen in bezug auf Fremdschichtenbil-From EP-OS 82 647 contact materials have become known, which in addition to palladium as a remainder 10 to 58 % By weight silver, 32 to 58.5% by weight gold, small proportions of rhodium and / or iridium and up to 3% by weight Contain copper, nickel or indium. These contact materials also show with regard to the formation of foreign layers
dung und Verschleißbeständigkeit keine optimalen Eigenschaften.and wear resistance are not optimal properties.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, silberreiche Werkstoffe für Schwachstromkontakte zu entwickeln, insbesondere für Steckverbindungen und Schleifkontakte, die in dünner Schicht über eine Nickelzwischenschicht auf einen Träger aus einem Unedelmetallwerkstoff aufgebracht sind, bestehend aus 45 bis 72 Atom-% Silber, 9 bis 32 Atom-% Gold, 9 bis 32 Atom-% Palladium, 0,01 bis 1 Atom-% Iridium und/oder Osmium, 0 bis 10 Atom-% Kupfer und/oder 0 bis 5 Atom-% Blei und/oder 0 bis 5 Atom-% Zinn. Diese Werkstoffe sollten möglichst resistent gegen Fremdschichtbildung sein, eine möglichst hohe Verschleißbeständigkeit aufweisen, sich gut auf die Trägerwerkstoffe aufbringen lassen und auch bei längerer Auslagerung bei 1250C keine wesentliche Erhöhung des elektrischen Kontaktwiderstandes zeigen.It was therefore the object of the present invention to develop silver-rich materials for low-current contacts, in particular for plug-in connections and sliding contacts, which are applied in a thin layer over a nickel intermediate layer on a carrier made of a base metal material, consisting of 45 to 72 atomic% silver, 9 to 32 Atom% gold, 9 to 32 atom% palladium, 0.01 to 1 atom% iridium and / or osmium, 0 to 10 atom% copper and / or 0 to 5 atom% lead and / or 0 to 5 Atomic percent tin. These materials should be as resistant as possible to the formation of foreign layers, have the highest possible wear resistance, be easy to apply to the carrier materials and show no significant increase in the electrical contact resistance even after prolonged exposure at 125 ° C.
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gehalte an Silber und Gold zueinander im atomaren Verhältnis von 2 :1,3:1,4:1,5:1 oder 6 :1 und/oder die Gehalte an Gold und Palladium zueinander im atomaren Verhältnis 1 :3,1 :2,2 :3,1 :1,3 :2,2 :1 oder 3 :1 und/oder die Gehalte an Silber und Palladium zueinander im atomaren Verhältnis 2 :1,3:1,4:1,5:1 oder 6 :1 stehen. ■This object was achieved according to the invention in that the contents of silver and gold are in relation to one another atomic ratio of 2: 1.3: 1.4: 1.5: 1 or 6: 1 and / or the contents of gold and palladium to one another in an atomic ratio of 1: 3.1: 2.2: 3.1: 1.3: 2.2: 1 or 3: 1 and / or the contents of silver and palladium are in an atomic ratio of 2: 1.3: 1.4: 1.5: 1 or 6: 1. ■
Vorzugsweise stehen jeweils zwei Edelmetallpaarungen in den genannten atomaren Verhältnissen zueinander, d. h., die Gehalte an Gold und Palladium zusammen mit den Gehalten an Gold und Silber bzw. die Gehalte an Gold und Palladium zusammen mit den Gehalten an Silber und Palladium.Preferably there are two pairs of precious metals in the specified atomic ratios to one another, d. That is, the contents of gold and palladium together with the contents of gold and silver or the contents of gold and palladium together with the contents of silver and palladium.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß Silber-Gold-Palladium-Legierungen im beanspruchten Bereich trotz ihres hohen Silbergehaltes eine wesentliche Verbesserung ihrer Eigenschaften in bezug auf Fremdschichtenresistenz und Verschleißbeständigkeit zeigen, wenn die atomaren Anteile an Gold, Silber und Palladium jeweils in den angegebenen Verhältnissen zueinander stehen.It has surprisingly been found that silver-gold-palladium alloys in the claimed range despite their high silver content a significant improvement in their properties with regard to foreign layer resistance and show wear resistance when the atomic proportions of gold, silver and palladium are in the given proportions to each other.
Die Unedelmetallzusätze sind vor allem dann vorteilhaft, wenn beide Kontaktstücke eines Kontaktpaares aus dem gleichen Werkstoff gefertigt werden.The base metal additives are particularly advantageous when both contact pieces of a contact pair can be made from the same material.
Wegen ihres hohen Silbergehaltes sind diese Werkstoffe preisgünstiger als die bisher bekannten Gold-Silber-Palladium-Werkstoffe. Sie lassen sich gut verarbeiten und erfahren keine Erhöhung des elektrischen Übergangswiderstandes bei längerer Auslagerung bei 1250C.Because of their high silver content, these materials are cheaper than the previously known gold-silver-palladium materials. They are easy to process and do not experience any increase in the electrical contact resistance after prolonged storage at 125 ° C.
Die folgende Tabelle zeigt einige beispielhafte Legierungen innerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches.The following table shows some exemplary alloys within the range according to the invention.
Dazu wurden die Legierungen aus den Metallen erschmolzen und zu Prüfkörpern verarbeitet. Die Zunahme des Übergangswiderstandes wurde nach 21 Tagen bestimmt, nachdem die Prüfkörper während dieser Zeit einem Gasgemisch aus gereinigter Luft mit 0,5 ppm Schwefelwasserstoff und 5 ppm Schwefeldioxid bei 75% relativer Luftfeuchtigkeit bei 300C ausgesetzt waren.For this purpose, the alloys were melted from the metals and processed into test specimens. The increase in the contact resistance was determined after 21 days after the test specimens had been exposed to a gas mixture of purified air with 0.5 ppm hydrogen sulfide and 5 ppm sulfur dioxide at 75% relative humidity at 30 ° C. during this time.
Bei den Legierungen 1 bis 7 stehen Gold und Palladium im bevorzugten atomaren Verhältnis, bei den Legierungen 8 bis 22 gleichzeitig Gold, Palladium und Silber. Die Legierungen 29 bis 32 liegen außerhalb der beanspruchten atomaren Verhältnisse und zeigen daher eine wesentlich höhere Zunahme des Übergangswiderstandes. Alle Legierungen zeigten eine hohe Verschleißbeständigkeit.In the case of alloys 1 to 7, gold and palladium are in the preferred atomic ratio, in the case of the Alloys 8 to 22 simultaneously gold, palladium and silver. The alloys 29 to 32 are outside of the stressed atomic proportions and therefore show a significantly higher increase in contact resistance. All alloys showed high wear resistance.
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