DE4243570C1 - Elektrischer Kontaktkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Kontaktkörper mit einer Schichten­ folge, die ein Grundmaterial, eine Kontaktschicht und eine dünne, galvanisch abgeschiedene, goldhaltige Oberflächenschicht umfaßt.

Derartige Kontaktkörper werden beispielsweise in der Nachrichtentechnik und in der Datenverarbeitung verwendet. In elektrischen Steckverbindungen sind sie beispielsweise als Kontaktmesser und Kontaktfeder ausgebildet. Sie zeichnen sich durch einen möglichst niedrigen und über längere Lebensdauer möglichst gleichbleibenden Kontaktübergangswiderstand aus. Sehr verbreitet sind Kontakt­ körper, die auf einem Grundmaterial, beispielsweise aus Messing, eine Kontakt­ schicht aus Palladium oder Palladium-Nickel aufweisen, auf der eine Ober­ flächenschicht aus Hartgold oder Weichgold galvanisch abgeschieden ist. Der­ artige Kontaktkörper sind beispielsweise aus der Veröffentlichung von E.J. Kudrak et al. in "Plating and Surface Finishing", Februar 1992, Seite 49 bis 54, bekannt. Die dort beschriebenen Kontaktkörper bestehen aus einer Kontakt­ schicht aus Palladium oder Palladium-Nickel mit Dicken zwischen 0,5 und 2,5 µm und darauf galvanisch aufgebrachten Oberflächenschichten aus Kobalt- Hartgold beziehungsweise aus reinem Hartgold. Die goldhaltigen Oberflächen­ schichten, die als "Flash" bezeichnet werden, weisen üblicherweise eine Dicke von weniger als 0,5 µm auf.

Ein gattungsgemäßer elektrischer Kontaktkörper ist auch aus der DE 25 40 944 A1 bekannt. Die Schichtenfolge des dort beschriebenen Kontakt­ körpers für einen elektrischen Steck-Kontakt besteht beispielsweise aus einem Träger, bei dem auf einer gut löt- und schweißbaren Zwischenschicht eine Kontaktschicht aus einer Silber-Palladium-Legierung mit 30 Gew.-% Palladium aufgebracht ist, die mit einer porösen Goldschicht mit einer Dicke von 0,2 µm galvanisch beschichtet ist.

Die goldhaltige Oberflächenschicht hat sich bei Kontaktkörpern mit Kontakt­ flächen aus unterschiedlichen Werkstoffen, insbesondere aus Palladium-haltigen Legierungen, im Hinblick auf deren Anlaufbeständigkeit sowie auf die Erhaltung eines möglichst gleichbleibenden Kontaktwiderstandes und einer möglichst hohen Verschleißfestigkeit bewährt. Allerdings stellt die goldhaltige Oberfläche, insbesondere bei Anwendungen mit einer Vielzahl elektrischer Kontaktflächen, einen beträchtlichen Kostenfaktor dar. Aufgrund der beim Herstellen und Lösen der elektrischen Kontakte auf die Kontaktkörper, und insbesondere auf die Oberflächenschichten, wirkenden mechanischen Belastungen, ist bei den bekann­ ten Kontaktkörpern aber eine Mindestdicke der Oberflächenschicht erforderlich. Üblicherweise wird eine Mindestdicke von ca. 0,20 µm eingehalten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kontaktkörper anzugeben, der im Vergleich zu den oben genannten gattungsgemäßen Kontakt­ körpern, bei mindestens gleichwertiger Korrosions- und Verschleißfestigkeit, preisgünstiger herstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Oberflächenschicht mit einer eine Palladium-Legierung enthaltenden Stützschicht mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,05 µm und 0,5 µm unterlegt ist.

Die Schichtenfolge aus Stützschicht und Oberflächenschicht wird nachfolgend als "Doppelflash" bezeichnet. Elektrische Kontaktkörper mit einem derartigen Doppelflash weisen ein gutes Korrosions- und Verschleißfestigkeits-Verhalten auf. Es hat sich sogar gezeigt, daß Kontaktkörper mit Doppelflash im Vergleich zu gattungsgemäßen Kontaktkörpern, bei jeweils gleichen Dicken von Ober­ flächenschicht und Doppelflash, eine deutlich höhere Reibverschleißfestigkeit haben können. Dieser überraschende Effekt beruht möglicherweise darauf, daß durch die Stützschicht eine glatte und relativ harte Unterlage bereitgestellt wird, auf der die goldhaltige Oberflächenschicht relativ bewegbar ist. So kann die Oberflächenschicht Kräften, wie sie beispielsweise beim Lösen und Her­ stellen von Kontakten auf sie einwirken können, nachgeben, ohne daß es zu Verletzungen der Schicht kommt. Die Ausbildung des Kontaktkörpers mit einem Doppelflash erlaubt daher eine Verminderung der Schichtdicke der goldhaltigen Oberflächenschicht ohne eine Verschlechterung, beispielsweise der Reibver­ scheißfestigkeit, in Kauf nehmen zu müssen. Durch Verwendung der im Vergleich zu Gold billigeren Edelmetalle Silber und Palladium ist der erfindungsgemäße "Doppelflash" darüberhinaus preisgünstig herstellbar. Abgesehen hiervon hat sich die Möglichkeit der Verwendung einer, im Vergleich zu den bei den bekann­ ten Kontaktkörpern verwendeten Schichtdicken, dünneren goldhaltigen Ober­ flächenschicht auch im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit der goldhaltigen Oberflächenschicht selbst als Vorteil erwiesen. Auch dieser Effekt beruht möglicherweise darauf, daß eine dünnere goldhaltige Oberflächenschicht, im Vergleich zu einer dickeren, den auf sie wirkenden Kräften leichter auszu­ weichen vermag und dadurch weniger Partikel von ihr abgerieben werden (Zungen­ bildung), die wiederum zu einem beschleunigten Reibverschleiß beitragen können.

Der erfindungsgemäße elektrische Kontaktkörper weist eine Stützschicht auf, deren Dicke im Bereich zwischen 0,05 µm und 0,5 µm liegt. Wesentlich dünnere Stützschichten als 0,05 µm haben sich im Hinblick auf das Korrosions- und Reibverschleißverhalten des Kontaktkörpers als unwirksam erwie­ sen, während bei Schichtdicken von wesentlich mehr als 0,5 µm der Vorteil der möglichen Einsparung an Gold für die Oberflächenschicht durch den vermehr­ ten Verbrauch der Edelmetalle Palladium und Silber für die Stützschicht aufge­ hoben wird.

Besonders bewährt haben sich Stützschichten, die galvanisch abgeschieden worden sind. Diese zeichnen sich nicht nur durch hohe Homogenität, hohe Dichte und eine daraus resultierende gute Korrosions- und Reibverschleißfestigkeit, sondern auch durch eine, beispielsweise im Vergleich zu aufgesputterten Schichten, einfachere und preisgünstigere Herstellung aus.

Insbesondere im Hinblick auf die Minimierung der Herstellkosten, werden Kontaktkörper bevorzugt, bei denen die Stützschicht eine Dicke von weniger als 0,2 µm aufweist und bei denen die Oberflächenschicht und die Stützschicht zusammen eine Dicke im Bereich zwischen 0,1 µm und 1 µm, vorzugsweise weniger als 0,5 µm aufweisen. Dabei wird die Schichtdicke der goldhaltigen Oberflächenschicht bevorzugt auf Werte zwischen 0,05 µm und 0,2 µm eingestellt.

Als besonders verschleißfest hat sich eine Ausführungsform des elektrischen Kontaktkörpers mit einer Stützschicht aus einer Palladium-Silber-Legierung erwiesen. Derartige Stützschichten zeichnen sich durch ihre Härte und Glätte aus. Bevorzugt werden-Palladium-Silber-Legierungen, bei denen der Silbergehalt im Bereich zwischen 20 und 70 Gew.-%, und der Palladium-Gehalt im Bereich zwischen 30 und 80 Gew.-% liegt. Derartige Edelmetall-Legierungen weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit und gutes Reibverschleiß-Verhalten auf. Ihre Herstellung ist mittels galvanischer Verfahrenweisen möglich. Im Hinblick auf gute tribologische und chemische Eigenschaften bei gleichzeitig möglichst geringem Edelmetallgehalt wird eine Stützschicht bevorzugt, die aus einer Legierung mit 50% Silber, Rest Palladium, besteht.

Daneben haben sich auch Kontaktkörper als geeignet erwiesen, bei denen die Stützschicht eine aus einer Palladium-Nickel-Legierung mit einem Nickelanteil im Bereich zwischen 5 und 60 Gew.-% oder aus einer Palladium-Zinn-Legierung mit einem Zinnanteil im Bereich zwischen 5 und 60 Gew.-% besteht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kontaktkörpers weist dieser eine Kontaktschicht aus Palladium, einer Palladium-Nickel-Le­ gierung, einer Silber-Zinn-Legierung oder aus Nickel-Phosphor auf. Bei Kontaktkörpern mit derartigen Kontaktschichten hat sich die Ausbildung mit einem Doppelflash insbesondere hinsichtlich des Reibverschleißverhalten des Kontaktkörpers besonders bewährt. Es ist zu erwarten, daß auch bei Kontakt­ körpern mit anderen Kontaktflächen ähnliche Verbesserungen des Verschleißverhaltens bei Verwendung eines Doppelflashs zu beobachten sein werden.

Vorteilhafterweise grenzen die Kontaktschicht und die Stützschicht aneinander, wobei aber, um von den durch den Doppelflash bewirkten Vorteilen Gebrauch machen zu können, es erforderlich ist, daß die Werkstoffe, aus denen die Kontaktschicht und die Stützschicht jeweils bestehen, voneinander verschieden sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine Schichtenfolge eines gattungsgemäßen elektrischen Kontaktkörpers,

Fig. 2 eine Schichtenfolge eines erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktkörpers,

Fig. 3 Ergebnisse von Messungen des Reibverschleißes bei einem Kontaktkörper mit einer Schichtenfolge, wie sie in Fig. 1 dagestellt ist und

Fig. 4 Ergebnisse von Messungen des Reibverschleißes bei einem Kontaktkörper mit einer Schichtenfolge, wie sie in Fig. 2 dagestellt ist.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schichtenfolge ist dem Grundmaterial die Bezugsziffer 1 zugeordnet. Das Grundmaterial 1, das aus Messing besteht, ist mit einer gut löt- und schweißbaren Zwischenschicht 2 aus Nickel überzogen. Auf der Zwischenschicht 2, welche eine Dicke von 1,5 µm aufweist, ist die eigentliche Kontaktschicht 3 aufgebracht. Sie besteht im Ausführungsbeispiel aus Palladium und weist eine Dicke von 1 µm auf. Auf der Kontaktschicht 3 ist eine Oberflächenschicht 4 aus 0,2 µm Kobalt-Gold-Legierung galvanisch abgeschieden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Schichtenfolge sind für gleiche Materialien und Schichtdicken, wie sie anhand Fig. 1 erläutert sind, die gleichen Bezugs­ ziffern verwendet worden. Die Schichtenfolge gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen in Fig. 1 lediglich durch die Beschichtung der Kontaktschicht 3 in Form eines Doppelflashs 5 anstelle der Oberflächenschicht 4 (Fig. 1). Bei der der Kontaktschicht 3 zugewandten Schicht 6 des Doppelflashs 5, handelt es sich um eine galvanisch abgeschiedene PdAg-Schicht mit Gehalten an Palladium und Silber von jeweils 50 Gewichts-%. Die PdAg-Schicht 6 weist eine Dicke von 0,1 µm auf. Auf ihr ist eine Oberflächenschicht 7 aus einer Gold- Kobalt-Legierung mit einer Dicke von ebenfalls 0,1 µm galvanisch abgeschie­ den. Die Dicke des Doppelflashs 5 beträgt somit insgesamt 02 µm.

Anhand der Fig. 3 und 4 werden nachfolgend Ergebnisse von Reibverschleiß­ messungen beschrieben. Für die Bestimmung des Reibverschleißes wurden Messing­ teile in Form von Plättchen und Messingteile in Form von Kalotten mit einem Radius von 3 mm benutzt. Plättchen und Kalotten weisen dabei jeweils die Schichtenfolge auf, deren Reibverschleiß-Verhalten bestimmt werden soll. Hierzu werden die Kalotten auf den Plättchen mit einem Reibweg von 5 mm und mit einer Frequenz von 0,5 Hz so lange hin- und her gerieben, bis eine deut­ liche Zunahme der Reibzahl erkennbar ist, was auf einen irreversiblen, abrasiven- und/oder adhäsiven Reibverschleiß hinweist.

Die in Abhängigkeit von den durchgeführten Reibzyklen gemessene "Reibzahl" ist ein Maß für die beim Herstellen oder Lösen einer elektrischen Verbindung, beispielsweise einer Steckverbindung, auftretende Reibung. Sie ergibt sich aus dem Verhältnis der beim Lösen oder beim Herstellen der Steckverbindung aufzu­ wendenden Steck- bzw. Ziehkräfte und der Kontaktkraft, mit der die beiden Kontaktschichten gegeneinander gepreßt werden. Eine konstant niedrige Reibzahl deutet auf einen geringen Reibverschleiß hin.

Bei dem in der Fig. 3 gezeigten Kurvenverlauf wurde die Reibzahl derjenigen Schichtenfolge, wie sie anhand der Fig. 1 beschrieben ist, in Abhängigkeit von der Anzahl der durchgeführten Reibzyklen gemessen. Daraus ist ersichtlich, daß die Reibzahl von einem Anfangswert von ca. 0,5 beginnend nach etwa 10 durchgeführten Reibzyklen leicht und nach ca. 80 Reibzyklen deutlich bis auf Werte über 0,6 ansteigt. Dies deutet darauf hin, daß sich hier Partikel zwischen den gegeneinander reibenden Oberflächen gebildet haben, die dann zu einem sich schnell verstärkenden Reibverschleiß beitragen.

Bei dem in der Fig. 4 dargestellten Kurvenverlauf wurde die Reibzahl eines Kontaktkörpers mit einer Schichtenfolge mit Doppelflash wie sie in Fig. 2 dargestellt ist in Abhängigkeit von der Anzahl der durchgeführten Reibzyklen gemessen. Daraus ist ersichtlich, daß die Reibzahl von einem niedrigen Anfangswert von etwa 0,3 ausgehend über 2000 Reibzyklen nahezu konstant auf niedrigem Niveau bleibt und erst danach ansteigt.

Es wird betont, daß die Kontaktkörper, anhand denen die in den Fig. 3 und 4 wiedergegebenen Meßergebnisse erhalten wurden, sich lediglich darin unter­ scheiden, daß bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Kontaktkörper Fig. 3 die Oberflächenschicht aus einer 0,2 µm dicken Goldschicht besteht, während sie bei dem erfindungsgemaßen Kontaktkörper Fig. 4 aus einem Doppel­ flash aus einer 0,1 µm dicken PdAg-Schicht und einer 0,1 µm dicken Gold­ schicht besteht. Der Vergleich der Meßergebnisse zeigt deutlich den positiven Einfluß, den die nur 0,1 µm dicke PdAg-Schicht auf das Reibverschleiß-Ver­ halten des erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktkörpers hat.

Ähnliche Meßergebnisse wurden auch bei Kontaktkörpern mit Kontaktschichten aus Palladium-Nickel- und Silber-Zinn-Legierungen sowie aus Nickel-Phosphor er­ halten, die mit einem Doppelflash versehen waren. Es ist zu erwarten, daß ähnlich positive Effekte des Doppelflashs auch in Verbindung mit anderen Kontaktschichten auftreten werden.

Claims (10)

1. Elektrischer Kontaktkörper mit einer Schichtenfolge, die ein Grundma­ terial (1), eine Kontaktschicht (3) und eine dünne, galvanisch abgeschie­ dene, goldhaltige Oberflächenschicht (4, 7) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (4, 7) mit einer eine Palladium-Legierung ent­ haltenden Stützschicht (6) mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,05 µm und 0,5 µm unterlegt ist.

2. Kontaktkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütz­ schicht (6) galvanisch abgeschieden ist.

3. Kontaktkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschicht (6) eine Dicke von weniger als 0,2 µm aufweist.

4. Kontaktkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (4, 7) und die Stützschicht (6) zusammen eine Dicke im Bereich zwischen 0,1 µm und 1 µm, vorzugsweise von weniger als 0,5 µm aufweisen.

5. Kontaktkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschicht (6) eine aus einer Palladium-Silber- Legierung besteht.

6. Kontaktkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Silber­ gehalt der Stützschicht (6) im Bereich zwischen 20 und 70 Gew.-% und der Palladiumgehalt im Bereich zwischen 30 und 80 Gew.-% liegt.

7. Kontaktkörper nach einem der Anspruche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschicht (6) eine aus einer Palladium-Nickel- Legierung mit einem Nickelanteil im Bereich zwischen 5 und 60 Gew.-% besteht.

8. Kontaktkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschicht (6) eine aus einer Palladium-Zinn- Legierung mit einem Zinnanteil im Bereich zwischen 5 und 60 Gew.-% besteht.

9. Kontaktkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht (3) aus Palladium, einer Palladium- Nickel-Legierung, einer Silber-Zinn-Legierung oder aus Nickel-Phosphor besteht.

10. Kontaktkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht (3) und die Stützschicht (6) aneinandergrenzen, mit der Maßgabe, daß die Werkstoffe, aus denen die Kontaktschicht (3) und die Stützschicht (6) jeweils bestehen, verschieden sind.