DE3932536C1 - Wear resistant contact material - in which is applied to support comprising copper alloy and non-noble metal contg. silver, palladium or palladium-silver alloy - Google Patents

Wear resistant contact material - in which is applied to support comprising copper alloy and non-noble metal contg. silver, palladium or palladium-silver alloy

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Description

Die Erfindung betrifft einen auf einem Träger aus einer Kupfer-Legierung aufgebrachten Kontaktwerkstoff für Steckverbinder aus unedelmetallhaltiger Silber-, Palladium- oder Palladium-Silber-Legierung und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Für qualitativ hochwertige Steckverbinder werden aufgrund der hervorragenden elektrischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften Gold und hochkarätige Gold-Legierungen gern als Kontaktwerkstoffe eingesetzt. Im Bestreben, das Edelmetall einzusparen, wurden jedoch auch goldarme und goldfreie Kontaktwerkstoffe entwickelt, die für die gleichen Anwendungszwecke geeignet sind.
So ist zum Beispiel aus der DE 25 36 985 B2 ein Steckkontakt bekannt, der - aufgebracht auf einen Träger - eine 2-100 Mikrometer dicke innere Kontaktschicht aus Unedelmetall, zum Beispiel Aluminium, Titan, Niob, Chrom, Silizium, Zirkonium oder Tantal, und eine 0,01-1 Mikrometer dicke, poröse Deckschicht aus Edelmetall oder einer Edelmetall-Legierung, besonders aus Gold oder einer Gold-Legierung, deren Poren mit einem Oxid des Unedelmetalls ausgefüllt sind, aufweist. Durch die Anordnung der mosaikartigen Deckschicht ist es möglich, auch solche Unedelmetalle als Kontaktwerkstoffe einzusetzen, die in Luft oder sauerstoffhaltiger Atmosphäre eine unporöse Oxid-Haut bilden. Der Steckkontakt wird vorteilhafterweise unter Anwendung von Beschichtungsverfahren unter vermindertem Druck, wie Aufdampfverfahren oder Kathodenzerstäubung, hergestellt.
Ebenfalls eine auf der Kontakt-Schicht angeordnete dünne, poröse Schicht aus Edelmetall (Gold) besitzen die in den DE 25 40 943 B2 und DE 25 40 944 B2 beschriebenen Kontaktkörper für elektrische Steckkontakte, die sich durch einen niedrigen Kontaktwiderstand und eine gute chemische Beständigkeit auszeichnen. Die Kontakt-Schicht besteht dabei aus Palladium beziehungsweise aus einer anlaufbeständigen Silber-Legierung, besonders aus 50-70 Gewichts-% Silber, Rest Palladium, oder aus mindestens 80 Gewichts-% Silber, Rest Aluminium, Zinn, Zink, Zirkonium und/oder Indium oder deren Legierungen.
Die DE 25 40 999 C3 betrifft einen eine hohe chemische Beständigkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisenden Steckkontakt aus einem Unedelmetall-Träger und darauf aufgebrachter Kontakt-Schicht aus einer Silber-Palladium-Legierung mit etwa 50 Gewichts-% Palladium. Die Kontakt-Schicht ist so aufgebaut, daß wenigstens im Bereich der kontaktgebenden Oberfläche der Palladium-Gehalt der Legierung größer ist als in mittleren Schichtbereichen. Auf der Kontakt-Schicht kann sich noch eine dünne Gold-Schicht befinden.
Eine andere Möglichkeit, die Anlaufbeständigkeit von Silber zu verbessern und Gold als Kontaktwerkstoff ersetzen zu können, wird in der EP 00 33 644 A1 beschrieben. Die daraus bekannten Steckverbinder weisen eine auf einem Unedelmetall-Träger (Kupfer-Legierung) aufgebracht Mischung aus Silber und Zinn auf, in der Silber und Zinn teilweise oder vollständig als intermetallische Verbindung Ag₃Sn vorliegen. Die Mischung aus Silber und Zinn wird auf galvanischem Wege hergestellt, wobei Silber und Zinn entweder gleichzeitig oder - was eine anschließende Diffusionsbehandlung erfordert - nacheinander abgeschieden werden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen auf einem Träger aus einer Kupfer-Legierung aufgebrachten, goldfreien Kontaktwerkstoff für Steckverbinder aus unedelmetallhaltiger Silber-, Palladium- oder Palladium-Silber-Legierung zu finden, der eine gute Verschleißfestigkeit und Anlaufbeständigkeit, eine niedrige Reibung und ein gutes Reibkorrosionsverhalten besitzt und dessen Kontaktwiderstand bei Kontaktkräften von 100 cN und darüber 10 mΩ nicht übersteigt.
Der die Lösung der Aufgabe darstellende Kontaktwerkstoff ist dadurch gekennzeichnet, daß er als Unedelmetall ein oder mehrere in sauerstoffhaltiger Atmosphäre oxidbildende Unedelmetalle in einer Menge von über 20 Gewichts-% und höchstens 50 Gewichts-% enthält und eine geschlossene Deckschicht aus dem oder den Unedelmetalloxiden aufweist.
Der Unedelmetall-Gehalt muß mehr als 20 Gewichts-% betragen, damit sich an der Oberfläche des Kontaktwerkstoffes die geschlossene Oxid-Deckschicht ausbilden kann und die gewünschte Anlaufbeständigkeit erreicht wird. Bei einem Unedelmetall- Gehalt von über 50 Gewichts-% verschlechtern sich die Verschleißfestigkeit und - infolge der erhöhten Reibkorrosion - der Kontaktwiderstand.
Vorzugsweise beträgt der Unedelmetall-Gehalt in der Silber-Legierung
30-40 Gewichts-% und in der Palladium- und Palladium-Silber-Legierung
25-35 Gewichts-%.
Die Dicke der angeschlossenen Oxid-Deckschicht liegt im Bereich von 1-100 Nanometer und beträgt vorzugsweise 5-20 Nanometer.
Für den erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoff haben sich Silber-, Palladium- und Palladium-Silber-Legierungen, die als in sauerstoffhaltiger Atmosphäre Oxide bildende Unedelmetalle Zinn, Indium und/oder Antimon enthalten, besonders bewährt.
Als Basis für unedelmetallhaltige Palladium-Silber-Legierung eignet sich jede der für elektrische Kontakte bekannten Palladium-Silber-Legierungen, zum Beispiel Pd50Ag50, Pd60Ag40, Pd70Ag30 und Pd80Ag20.
Als Träger für den Kontaktwerkstoff gemäß der Erfindung können alle Kupfer-Legierungen, die üblicherweise für elektrische Kontakte verwendet werden, zum Beispiel Bronze, Neusilber, Messing und Kupfer-Beryllium, eingesetzt werden.
Als besonders geeignet hat sich die Silber-Legierung aus 60-70 Gewichts-% Silber und 30-40 Gewichts-% Zinn erwiesen. Der bevorzugte Träger dafür ist Messing.
Es hat sich bewährt, den Kontaktwerkstoff unter Aufbringen der unedelmetallhaltigen Silber-, Palladium- oder Palladium-Silber-Legierung bei vermindertem Druck, zum Beispiel durch Kathodenzerstäubung, auf den Träger herzustellen. Das Beschichten durch Kathodenzerstäubung erfolgt vorteilhafterweise in einer Sputteranlage, wie sie in der DE 35 03 398 C2 für das reaktive Beschichten mit Hartstoffen beschrieben wird, jedoch unter Ausschluß von Sauerstoff und anderen reaktiven Gasen. Die Bildung der Unedelmetalloxid-Deckschicht erfolgt daran anschließend in sauerstoffhaltiger Atmosphäre.
Im Gebrauch zeichnet sich der auf eine Kupfer-Legierung als Träger aufgebrachte Kontaktwerkstoff gemäß der Erfindung durch eine sehr geringe Reibung, einen niedrigen Kontaktwiderstand, eine sehr gute Anlaufbeständigkeit, auch gegenüber H₂S, und eine sehr gute Beständigkeit gegenüber Reibkorrosion ("fretting") aus. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Verschleißfestigkeit. So besitzt zum Beispiel der Kontaktwerkstoff aus AgSn37 eine - durch mikroskopische Auswertung der Reibspur bestimmte - viermal höhere Verschleißfestigkeit als galvanisch abgeschiedenes Silber.
Diese Eigenschaften zeigen sich überraschenderweise schon bei 1 Mikrometer dicken Schichten des Kontaktwerkstoffes. Im allgemeinen wird eine Schichtdicke im Bereich von 1 bis 2 Mikrometer gewählt.
In den folgenden Beispielen wird die Herstellung von auf einer Kupfer-Legierung aufgebrachten Kontaktwerkstoffen gemäß der Erfindung näher beschrieben.
Beispiel 1
Die auf Haltevorrichtungen befestigten Träger aus Messing werden in die Sputteranlage, wie in der deutschen Patentschrift 35 03 398 beschrieben, eingebracht und in einer Argon-Atmosphäre mit einem Target aus AgSn25 besputtert. Nach Erreichen einer Schichtdicke von etwa 1,5 Mikrometer wird der Sputtervorgang beendet. Die beschichteten Träger kühlen in der Argon-Atmosphäre bis etwa 100°C ab; dann wird Luft in die Anlage gelassen, wobei sich auf dem Kontaktwerkstoff eine geschlossene Zinnoxid-Deckschicht (Dicke 10-15 Nanometer) bildet.
Beispiele 2 bis 5
Unter Verwendung von Targets aus AgSn37, AgSn50, AgSn30In10 und PdSn25 werden, wie in dem Beispiel 1 beschrieben, weitere auf Messing aufgebrachte Kontaktwerkstoffe hergestellt.
Es werden das Reibungsverhalten, die Anlaufbeständigkeit und die Reibkorrosion der in den Beispielen beschriebenen Kontaktwerkstoffe bestimmt.
Im Reibverschleißtest zur Bestimmung der Reibungszahl wird unter Verwendung der in den Beispielen beschriebenen Kontaktwerkstoffe in Form von Plättchen und Kalotte (r = 3 mm) mit einer Kontaktkraft von 150 cN durch 250maliges Hin- und Herreiben der Kalotte auf dem Plättchen eine Reibspur erzeugt und die Reibkraft gemessen. Die daraus berechneten Reibungszahlen der Kontaktwerkstoffe nach den Beispielen 1 bis 5 und - zum Vergleich dazu - von durch galvanische Abscheidung aufgebrachtem Silber werden in der Tabelle angegeben.
Die Bestimmung des Kontakwiderstandes erfolgt vor und nach zehntägiger Auslagerung in 1 ppm H₂S enthaltender Schadgas-Atmosphäre bei 25°C und 75% relativer Luftfeuchtigkeit mit einer Kontaktkraft von 100 cN und einem Gold-Rad (r = 1 mm) als Gegenkontakt. Die so bestimmten Kontaktwiderstandswerte der Kontaktwerkstoffe nach den Beispiele 1 bis 5 und - zum Vergleich dazu - von durch galvanische Abscheidung aufgebrachtem Silber werden in der Tabelle angegeben.
Die Bestimmung der Reibkorrosion erfolgt ähnlich wie die der Reibungszahl. Unter Anwendung einer Kontaktkraft von 50 cN wird die Anzahl der Reibzyklen, bis der Kontaktwiderstand 100 mΩ erreicht, gemessen; der Reibweg beträgt 50 µm bei einer Frequenz von 2 Hertz. Die an den Kontaktwerkstoffen nach den Beispielen 1 bis 5 und - zum Vergleich dazu - an durch galvanische Abscheidung aufgebrachtem Silber gemessene Anzahl der Reibzyklen wird in der Tabelle angegeben.
Tabelle

Claims (9)

1. Auf einem Träger aus einer Kupfer-Legierung aufgebrachter Kontaktwerkstoff für Steckverbinder aus unedelmetallhaltiger Silber-, Palladium- oder Palladium-Silber-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß er als Unedelmetall ein oder mehrere in sauerstoffhaltiger Atmosphäre oxidbildende Unedelmetalle in einer Menge von über 20 Gewichts-% und höchstens 50 Gewichts-% enthält und eine geschlossene Deckschicht aus dem oder den Unedelmetalloxiden aufweist.
2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Silber-Legierung einen Unedelmetall-Gehalt von 30 bis 40 Gewichts-% aufweist.
3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Palladium- oder Palladium-Silber-Legierung einen Unedelmetall-Gehalt von 25-35 Gewichts-% aufweist.
4. Kontaktwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Zinn, Indium und/oder Antimon als Unedelmetall.
5. Kontaktwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Unedelmetalloxid-Deckschicht 1-100 Nanometer beträgt.
6. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Unedelmetalloxid-Deckschicht 5-20 Nanometer beträgt.
7. Kontaktwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer Legierung aus 60-70 Gewichts-% Silber und 30-40 Gewichts-% Zinn und einer darauf befindlichen geschlossenen Deckschicht aus Zinnoxid besteht und auf einem Träger aus Messing aufgebracht ist.
8. Kontaktwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er in einer Dicke von 1-2 Mikrometer auf dem Träger aufgebracht ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines auf einem Träger aus einer Kupfer-Legierung aufgebrachten Kontaktwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Silber-, Palladium- oder Palladium-Silber-Legierung, die ein oder mehrere in sauerstoffhaltiger Atmosphäre oxidbildende Unedelmetalle in einer Menge von über 20 Gewichts-% und höchstens 50 Gewichts-% enthält, durch Kathodenzerstäubung unter Ausschluß von Sauerstoff und anderen reaktiven Gasen auf den Träger aufgebracht und anschließend einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt wird.
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