EP0247541B1 - Kontaktelement für elektrische Schaltkontakte - Google Patents

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EP0247541B1
EP0247541B1 EP87107505A EP87107505A EP0247541B1 EP 0247541 B1 EP0247541 B1 EP 0247541B1 EP 87107505 A EP87107505 A EP 87107505A EP 87107505 A EP87107505 A EP 87107505A EP 0247541 B1 EP0247541 B1 EP 0247541B1
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EP
European Patent Office
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weight
contact element
alloy
palladium
approximately
Prior art date
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EP87107505A
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English (en)
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EP0247541A1 (de
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Klaus-Dieter Heppner
Josef Dr. Dipl.-Phys. Weiser
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
    • H01H1/021—Composite material
    • H01H1/023—Composite material having a noble metal as the basic material

Definitions

  • the invention relates to a contact element for electrical switch contacts, in particular a contact tongue for electromagnetic relays, a two-layer contact pad being galvanically applied to a base made of base metal and at least one of the layers containing palladium.
  • a contact element is known in which a silver layer is applied over a nickel layer and a rhodium layer over it. Such contact surfaces have a low tendency to cold sweat.
  • the same document also describes the use of gold contact layers with a rhodium coating as known. In general, however, previously known multilayer coatings made of precious metals are either relatively expensive or can only be used in a limited range.
  • palladium for switch contacts is also known (electronics 15/1981, pages 53 to 61). Galvanic palladium layers of 1 to 2 ⁇ m are described as particularly abrasion-resistant. It is also pointed out that palladium layers are mostly covered with a layer of gold. Such layers of pure precious metals, such as palladium and gold, are very expensive. In addition, alloys of palladium for contact purposes, for example PdCu or AgPd30, are only known in the form of contact profiles, which cannot be used in all cases because of their material thickness. In addition, such contact profiles with high precious metal contents are also expensive.
  • the object of the invention is to provide a switching contact of the type mentioned at the outset, which has the smallest possible proportion of expensive precious metals, but can be used over the widest possible range of switching powers.
  • the contact should therefore be reliable and can be used with a long service life both with very small and with very high switching currents and switching voltages.
  • this object is achieved with a contact element of the type mentioned in the introduction in that the inner layer has a thickness of 3 to 5 ⁇ m and is formed from an alloy of palladium and an additional component, the additional component having a proportion of 10 to 50% by weight.
  • % comprises and contains at least one element from the group nickel, cobalt and copper, and that the outer layer has a thickness of 0.1 to 1 microns and an alloy of palladium-silver or palladium-gold with a silver or gold content is formed from 10 to 40 wt .-%.
  • the contact element according to the invention thus has a two-layer contact surface with two different palladium alloys, the base layer or load layer being formed from an alloy of palladium and a base metal, while the outer conductive layer is formed from an alloy of palladium and a further noble metal to a much smaller thickness .
  • the individual contact layers can be applied in the specified, relatively small layer thicknesses with good quality, so that the total consumption of precious metal, in particular that of gold, is relatively low.
  • switching currents from a few ⁇ A to about 5 A and switching voltages from a few li V up to about 150 V can be operated correctly and with a large number of switching cycles.
  • the inner layer is expediently designed as a Pd-Ni layer with a Ni content of 10 to 50%, preferably of 20 to 30%; In another expedient form of application, the inner layer is designed as Pd-Co with a Co content of 10 to 40%, preferably about 25%.
  • a further embodiment contains an inner layer made of a Pd-Cu layer with a Cu content of 10 to 40% by weight, preferably approximately 20% by weight.
  • three-material alloys are also suitable for the inner contact layer, for example Pd-Ni-Cu with 10 to 40% by weight Ni-Cu, preferably 20% by weight Ni + 5% by weight Cu.
  • these three-component alloys can also contain proportions of tungsten or molybdenum.
  • a Pd-Ni-W alloy with 10 to 40 wt.% Ni + W, preferably about 15% Ni + 10% W or a Pd-Ni-Mo alloy with 10 to 40 wt. -% Ni + Mo, preferably about 15% Ni + about 10% Mo can be used.
  • a similar alloy composition can also be provided with cobalt, ie a Pd-Co-W alloy with 10 to 40% by weight Co + W, preferably approximately 15% by weight Co + approximately 10% by weight W or one Pd-Co-Mo alloy with 10 to 40% by weight Co + Mo, preferably approximately 15% by weight Co + approximately 10% by weight Mo.
  • cobalt ie a Pd-Co-W alloy with 10 to 40% by weight Co + W, preferably approximately 15% by weight Co + approximately 10% by weight W or one Pd-Co-Mo alloy with 10 to 40% by weight Co + Mo, preferably approximately 15% by weight Co + approximately 10% by weight Mo.
  • the outer layer or conductive layer has a thickness of between 0.1 and 1 gm, a thickness of approximately 0.5 ⁇ m preferably being used.
  • This outer layer preferably contains about 30% silver as Pd-Ag alloy or preferably 20% gold as Pd-Au alloy.
  • contact layers are applied galvanically, wherein selective electroplating methods are preferably used, which are known, for example, under the terms nozzle electroplating or jetplating, brush electroplating and laser electroplating. With these methods, the contact layers are applied only where they are needed, so that a particularly economical use of the noble metals is possible in this way.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kontaktelement für elektrische Schaltkontakte, insbesondere eine Kontaktzunge für elektromagnetische Relais, wobei auf einem Träger aus unedlem Metall eine Zweischicht-Kontaktauflage galvanisch aufgebracht ist und wobei mindestens eine der Schichten Palladium enthält.
  • Aus der DE-C 3 203 037 ist ein Kontaktelement bekannt, bei dem über einer Nickelschicht eine Silberschicht und darüber eine Rhodiumschicht aufgebracht sind. Solche Kontaktoberflächen haben eine geringe Kaltschweißneigung. In der gleichen Schrift ist auch die Verwendung von Goldkontaktschichten mit Rhodiumüberzug als bekannt beschrieben. Allgemein sind aber bisher bekannte Mehrschichtauflagen aus Edelmetallen entweder verhältnismäßig kostspielig oder nur in einem begrenzten Bereich einsetzbar.
  • Auch die Verwendung von Palladium für Schaltkontakte ist bekannt (Elektronik 15/1981, Seiten 53 bis 61). Dabei werden galvanische Palladiumschichten von 1 bis 2 µm als besonders abriebfest geschildert. Außerdem wird darauf hingewiesen, daß Palladiumschichten meist mit einer Hauchgoldschicht überzogen werden. Derartige Schichten aus reinen Edelmetallen, wie Palladium und Gold, sind aber sehr teuer. Daneben sind beispielsweise Legierungen von Palladium für Kontaktzwecke, beispielsweise PdCu oder AgPd30 lediglich in Form von Kontaktprofilen bekannt, die wegen ihrer Materialdicke nicht in allen Fällen angewendet werden können. Außerdem sind solche Kontaktprofile mit hohen Edelmetallanteilen ebenfalls teuer.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schaltkontakt der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen möglichst geringen Anteil an teueren Edelmetallen aufweist, dabei aber über eine möglichst große Bandbreite von Schaltleistungen einsetzbar ist. Der Kontakt soll also zuverlässig und mit hoher Lebensdauer sowohl bei sehr kleinen wie auch bei sehr hohen Schaltströmen und Schaltspannungen einsetzbar sein.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Kontaktelement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die innere Schicht eine Dicke von 3 bis 5 µm aufweist und von einer Legierung aus Palladium und einer Zusatzkomponente gebildet ist, wobei die Zusatzkomponente einen Anteil von 10 bis 50 Gew.-% umfaßt und mindestens ein Element aus der Gruppe Nickel, Kobalt und Kupfer enthält, und daß die äußere Schicht eine Dicke von 0,1 bis 1 µm aufweist und von einer Legierung aus Palladium-Silber oder Palladium-Gold mit einem Silber- bzw. Goldanteil von 10 bis 40 Gew.-% gebildet ist.
  • Das erfindungsgemäße Kontaktelement besitzt also eine Zweischicht-Kontaktoberfläche mit zwei verschiedenen Palladiumlegierungen, wobei die Grundschicht oder Lastschicht von einer Legierung aus Palladium und einem unedlem Metall gebildet ist, während die äußere Leitschicht von wesentlich geringerer Dicke von einer Legierung aus Palladium und einem weiteren Edelmetall gebildet ist.
  • Durch die galvanische Schichtaufbringung können die einzelnen Kontaktschichten in den angegebenen, verhältnismäßig geringen Schichtstärken mit guter Qualität aufgebracht werden, so daß der Gesamtverbrauch an Edelmetall, insbesondere der von Gold, verhältnismäßig gering ist. Mit diesem erfindungsgemäßen Kontaktelement können Schaltströme von wenigen µA bis etwa 5 A und Schaltspannungen von wenigen liV bis zu etwa 150 V einwandfrei und mit einer hohen Zahl von Schaltspielen betätigt werden.
  • Zweckmäßigerweise ist die innere Schicht als Pd-Ni-Schicht mit einem Ni-Anteil von 10 bis 50%, vorzugsweise von 20 bis 30%, ausgebildet; in einer anderen zweckmäßigen Anwendungsform ist die innere Schicht als Pd-Co mit einem Co-Anteil von 10 bis 40%, vorzugsweise etwa 25%, ausgebildet. Eine weitere Ausführungsform enthält eine innere Schicht aus einer Pd-Cu-Schicht mit einem Cu-Anteil von 10 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise annähernd 20 Gew.-%.
  • Daneben kommen für die innere Kontaktschicht auch Dreistofflegierungen in Betracht, beispielsweise Pd-Ni-Cu mit 10 bis 40 Gew.-% Ni-Cu, vorzugsweise 20 Gew.-% Ni + 5 Gew.-% Cu. Diese Dreistofflegierungen können neben den genannten Metallen auch zusätzlich Anteile von Wolfram oder Molybdän enthalten. So kann für die innere Kontaktschicht eine Pd-Ni-W-Legierung mit 10 bis 40 Gew.-% Ni + W, vorzugsweise etwa 15% Ni + 10% W oder eine Pd-Ni-Mo-Legierung mit 10 bis 40 Gew.-% Ni + Mo, vorzugsweise etwa 15% Ni + etwa 10 % Mo verwendet werden. Eine ähnliche Legierungszusammensetzung kann auch mit Cobalt vorgesehen werden, also eine Pd-Co-W-Legierung mit 10 bis 40 Gew.-% Co + W, vorzugsweise etwa 15 Gew.-% Co + etwa 10 Gew.-% W bzw. eine Pd-Co-Mo-Legierung mit 10 bis 40 Gew.-% Co + Mo, vorzugsweise etwa 15 Gew.-% Co + etwa 10 Gew.-% Mo.
  • Die äußere Schicht oder Leitschicht besitzt, wie erwähnt, eine Dicke zwischen 0,1 und 1 gm, wobei vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,5 µm verwendet wird. Diese äußere Schicht enthält als Pd-Ag-Legierung vorzugsweise etwa 30% Silber oder als Pd-Au-Legierung vorzugsweise 20% Gold.
  • Alle Kontaktschichten werden galvanisch aufgebracht, wobei selektive Galvanikverfahren vorzugsweise angewendet werden, die beispielsweise unter den Begriffen Düsengalvanik bzw. Jetplating, Bürstengalvanik und Lasergalvanik bekannt sind. Mit diesen Verfahren werden die Kontaktschichten gezielt nur dort aufgetragen, wo sie benötigt werden, so daß auf diese Weise eine besonders sparsame Verwendung der Edelmetalle möglich ist.

Claims (12)

1. Kontaktelement für elektrische Schaltkontakte, insbesondere eine Kontaktzunge für elektromagnetische Relais, wobei auf einem Träger aus unedlem Metall eine Zweischicht-Kontaktauflage galvanisch aufgebracht ist und wobei mindestens eine der Schichten Palladium enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht eine Dicke von 3 bis 5gm aufweist und von einer Legierung aus Palladium und einer Zusatzkomponente gebildet ist, wobei die Zusatzkomponente einen Anteil von 10 bis 50 Gew.-% umfaßt und mindestens ein Element aus der Gruppe Nickel, Cobalt und Kupfer enthält, und daß die äußere Schicht eine Dicke von 0,1 bis 1 µm aufweist und von einer Legierung aus Palladium-Silber oder Palladium-Gold mit einem Silber- bzw. Goldanteil von 10 bis 40 Gew.-% gebildet ist.
2. Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht von einer Palladium-Nickei-Legierung gebildet ist, deren Nikkelanteil 10 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 20 und 30 Gew.-%, beträgt.
3. Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht von einer Palladium-Cobalt-Legierung gebildet ist, deren Cobaltanteil zwischen 10 und 40 Gew.-%, vorzugsweise annähernd 25 Gew.-%, beträgt.
4. Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht als Palladium-Kupfer-Legierung gebildet ist, deren Kupferanteil zwischen 10 und 40 Gew.-%, vorzugsweise annähernd 20 Gew.-%, beträgt.
5. Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht durch eine Palladium-Nickel-Kupfer-Legierung gebildet ist, bei der der Anteil von Nickel und Kupfer zusammen zwischen 10 und 40 Gew.-% beträgt und bei der vorzugsweise der Nikkelanteil etwa 20 Gew.-% und der Kupferanteil etwa 5 Gew.-% beträgt.
6. Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht aus einer Dreistofflegierung gebildet ist, wobei neben Palladium eine Zusatzkomponente aus Nickel und Wolfram oder Nickel und Molybdän mit einem Gesamtanteil zwischen 10 und 40% gebildet ist.
7. Kontaktelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung der inneren Schicht einen Anteil von etwa 15% Nickel und etwa 10% Wolfram oder Molybdän enthält.
8. Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzkomponente Cobalt und zusätzlich Wolfram oder Molybdän mit einem Gesamtanteil an der Legierung von 10 bis 40 Gew.- % enthält.
9. Kontaktelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung der inneren Schicht einen Anteil von etwa 15% Cobalt und von etwa 10 % Wolfram oder Molybdän enthält.
10. Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht einen Anteil von etwa 30% Silber enthält.
11. Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht einen Anteil von etwa 20% Gold enthält.
12. Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht eine Dicke von annähernd 4 µm aufweist.
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