DE4243570C1 - Elektrischer Kontaktkörper - Google Patents
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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.
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