PT1421651E - Contacto eléctrico - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "CONTACTO ELÉCTRICO" A invenção refere-se a contactos eléctricos que possuem um corpo de base feito de uma liga à base de cobre ou de aço inoxidável e uma camada de contacto feita de uma liga à base de ouro. Contactos eléctricos deste género são utilizados por exemplo sob a forma de contactos do tipo ficha em ligações por ficha utilizadas em automóveis e na técnica de telecomunicações. Actualmente exige-se no dominio da indústria automóvel que os conectores sejam adequados para uma utilização a temperaturas ambiente que podem ir até 150 °C e que ao longo da vida útil habitual dos automóveis o seu efeito de mola não diminua tão fortemente que em consequência disso fica afectada a fiabilidade do contacto. Os contactos eléctricos já conhecidos para esta aplicação são constituídos por um corpo de base feito de uma liga à base de cobre, que disponibiliza a condutibilidade eléctrica requerida e o efeito de mola, e por uma camada de ouro duro aplicada por galvanização no corpo de base, tratando-se de ouro com menos de 1% em peso de cobalto. Ficou além disso já a ser conhecido um método que consiste em prever no corpo de base em vez de uma camada de ouro duro uma camada de prata para servir de camada de contacto. Frequentemente são também utilizadas camadas de contacto de estanho que são aplicadas no corpo de base por estanhagem a quente. Sob as condições marginais até agora exigidas torna-se deste modo possível obter uma resistência suficientemente grande dos contactos eléctricos ao desgaste e uma resistência de contacto suficientemente baixa. 1

Isto já não se aplica no entanto a contactos do tipo ficha que devem satisfazer requisitos de temperatura mais elevados, que vão até 200 °C, em conjugação com alternância de temperaturas ao longo da vida útil prevista, tal como se encontra disposto na US-Car-Specification. Estas exigências mais rigidas provêm do facto de cada vez mais funções do motor serem controladas e comandadas por via eléctrica ou electrónica, o que requer a utilização de sistemas electrónicos e em virtude disso de contactos no local de instalação junto do motor ou no sistema de escape.

As camadas de contacto de ouro e cobalto até agora utilizadas não servem para satisfazer os requisitos de temperatura mais rigidos, uma vez que o cobalto se separa da liga a temperaturas acima dos 150 °C. A consequência disso é que o cobalto pode então oxidar, o que aumenta a resistência de contacto. A 200 °C também já não é possível aplicar contactos estanhados a quente, uma vez que essa temperatura já fica perto do ponto de fusão do estanho, que é de 232 °C, pelo que o estanho amolece e tem tendência para a fluência. A difusão acelerada de Sn no Cu e vice-versa provoca muito rapidamente a formação de fases intermetálicas que oxidam e que conduzem a resistências de contacto muito elevadas. Nos revestimentos com Ag verifica-se um amolecimento irreversível a partir de cerca de 160 °C.

Na técnica de telecomunicações exigem-se ciclos de conexão/desconexão muito elevados - que frequentemente podem ir até 10.000 ciclos. Actualmente essa exigência é satisfeita com contactos do tipo ficha revestidos de uma camada de PdNi ou de PdCo a servir de camada de contacto. Devido ao forte aumento do 2 preço de Pd tais revestimentos tornaram-se no entanto muito onerosos. O documento DE 3715171 AI revela pinos de contacto de mola para a verificação eléctrica de circuitos impressos equipados de componentes, que acabaram de ser fabricados. Os pinos de contacto de mola estão providos de um perno de contacto feito de aço inoxidável ou de cobre e berílio, com uma camada de níquel ou de níquel duro aplicada galvanicamente ou por via química, camada essa na qual pode estar aplicada adicionalmente uma camada de um metal nobre ou de uma liga de metais nobres. No que se refere ao metal nobre pode tratar-se de ouro, de prata, de ouro duro, de ródio, de paládio ou de ligas não especificadas em pormenor destes metais nobres. Para as camadas de níquel duro considera-se ser indicada uma espessura de cerca de 2 μιη a 7 μιη. No caso de a camada de contacto ser feita de prata, indica-se para a mesma uma espessura máxima de 5 μιη. No caso de se tratar de uma camada de contacto de ouro ou de paládio, indica-se uma espessura de camada máxima de 2 μιη. 0 documento DE 40136627 AI revela um elemento de contacto destinado nomeadamente a uma utilização num relé electromagnético, comportando uma camada de contacto feita de uma liga de paládio na qual numa camada de contacto exterior com uma espessura de pelo menos 0,1 μιη o teor de paládio foi diminuído a favor de um maior teor de prata ou de ouro. O documento GB 2130795 A revela um contacto de relé que, para obter uma resistência especialmente elevada ao desgaste, possui, aplicada numa mola de contacto que pode ser feita de bronze fosforoso, uma barreira de difusão de titânio, zircónio 3 ou de uma mistura dos mesmos e por cima dessa barreira, para servir de camada de contacto, uma camada condutora feita de um nitreto, de um carboreto ou de um silicieto, ou ainda de um metal de transição, tratando-se nomeadamente de nitreto de titânio ou de nitreto de zircónio. Por cima dessa camada pode estar ainda aplicada uma camada de cobertura com a espessura de 2 μιη, constituída por ouro ou por uma liga de ouro não especificada mais em pormenor. A presente invenção tem o objectivo de desenvolver uma estrutura de contacto especialmente adequada e simultaneamente económica que satisfaça os requisitos mais rigidos (200 °C de temperatura ambiente e 42 V de tensão de bordo), estrutura essa que se presta nomeadamente para ser utilizada em contactos do tipo ficha em automóveis e na técnica de telecomunicações.

Este objectivo atinge-se pela adopção de um contacto do tipo ficha com as caracteristicas enunciadas na reivindicação 1 da presente patente. Aperfeiçoamentos vantajosos da invenção constituem o objecto das reivindicações secundárias. O contacto eléctrico de acordo com a invenção possui um corpo de base feito de uma liga à base de cobre, uma camada de contacto com uma espessura minima de 0,3 μιη de ouro com 0,5% em peso a 15% em peso de um ou de vários metais do grupo da platina, exceptuando o paládio, que, de um modo conveniente e caso necessário, só está contido na camada de contacto numa proporção que pode ir até 8% em peso, possuindo ainda entre o corpo de base e a camada de contacto uma camada intermédia de prata ou feita de uma liga à base de prata ou então de níquel. Pela designação "metais do grupo da platina" entende-se o 4 agrupamento de metais que aparecem conjuntamente e que são o ruténio, o ródio, o paládio, o ósmio, o irídio e a platina. Por liga à base de prata deverá entender-se uma liga constituída predominantemente por prata. A camada de contacto assegura uma resistência de contacto suficientemente baixa e uma resistência suficientemente grande ao desgaste, nomeadamente uma resistência à abrasão, bem como uma segurança suficientemente grande contra soldadura dos contactos quando estes estiverem encostados um ao outro. Mesmo com uma espessura da camada de contacto de não mais do que 5 μιη obtém-se a baixa resistência de contacto pretendida ao longo de um periodo de 3.000 horas a 200 °C sempre que entre o corpo de base e a camada de contacto estiver prevista uma camada intermédia de prata ou de uma liga à base de prata, tratando-se por exemplo de prata com alguns poucos porcento de um aditivo misturado nessa prata, como por exemplo o niquel ou o paládio ou então por exemplo a prata de grão fino AgNi0,15. Esta camada intermédia impede que componentes não nobres difundam a partir do corpo de base para a superfície de contacto e oxidem nessa superfície. Para a camada intermédia presta-se especialmente bem a utilização de prata pura. Também o níquel servindo de camada intermédia pode impedir uma difusão de componentes não nobres a partir do corpo de base para a superfície de contacto, só se prestando no entanto para a presente finalidade quando não se colocarem requisitos especiais em relação à ductilidade, uma vez que o níquel é tão friável que os reduzidos raios de curvatura que tipicamente são produzidos durante a moldagem de contactos do tipo ficha fazem com que possam aparecer fissuras. Em contrapartida a prata é mais dúctil e deverá quanto muito conter aqueles componentes de liga em quantidades tão reduzidas que se consegue manter de pé a ductilidade prevista para cada uma das 5 finalidades de aplicação dos contactos do tipo ficha, bem como a sua eficácia para servir de camada de bloqueio da difusão. A prata tem além disso a vantagem de poder ser aplicada de maneira económica em camadas que podem ir até algumas dezenas de μιη de espessura. De um modo preferido a espessura da camada intermédia é de 0,2 μιη a 15 μιη, estando os melhores valores compreendidos entre cerca de 1 μιη e 2 μιη. Isto basta para numa camada de contacto que de um modo preferido só tem uma espessura de 0,5 μιη a 2 μιη manter de pé nas condições de utilização preestabelecidas e durante os periodos de utilização previstos uma baixa resistência de contacto. Especialmente quando se trata de camadas de contacto tão finas como as acima referidas dá provas da sua eficácia a existência de uma camada intermédia de prata, e isto porque por um lado impede a entrada por difusão de componentes não nobres provenientes do corpo de base na camada de contacto e por outro lado porque, servindo de camada de desgaste, permite compensar perdas de material da camada de contacto.

De um modo conveniente a camada de contacto tem uma espessura não superior a 10 μπι. Uma camada de contacto cuja espessura é superior a 10 μιη já não permite obter melhorias técnicas, motivo pelo qual a camada de contacto tem uma espessura não superior a 5 μπι.

Como metal do grupo das platinas, que forma uma liga com o ouro, entra sobretudo em linha de conta a própria platina. Também será conveniente aplicar teores muito baixos de paládio, sendo esses teores em qualquer dos casos inferiores a 8% em peso. Tanto a liga de ouro e platina como também a de ouro e paládio apresentam uma muito boa resistência à oxidação e têm 6 para a composição reivindicada uma ductilidade suficientemente boa que permite deformar essa liga sem a danificar para assim obter a camada de contacto. A platina tem em relação ao paládio a vantagem do seu preço mais baixo. 0 preço é um critério muito importante que deverá ser tomado em conta, nomeadamente quando se trata de peças fabricadas em grande série para a indústria automóvel ou para a técnica de telecomunicações. A liga de ouro e platina distingue-se além disso por uma resistência especialmente elevada à corrosão e por uma menor tendência que a liga de ouro e paládio para formar por via catalítica camadas de cobertura orgânicas.

Pretende-se que a camada de contacto seja constituída por ouro com adição de 0,5% em peso a 15% em peso de um ou de vários metais do grupo das platinas. Abaixo de um teor de 0,5% em peso a tendência para soldadura a frio torna-se demasiado grande. Acima de 15% em peso a camada de contacto torna-se demasiado friável, não podendo então ser posteriormente moldada para obter contactos do tipo ficha sem que haja o risco de fissuração da camada de contacto. Dá-se especial preferência a uma camada de contacto feita de ouro com adição de 1% em peso a 5% em peso de platina e com uma espessura de 0,5 μιη a 2 μιη, nomeadamente de ouro com 1 a 3% em peso de platina e uma espessura de 0,5 μιη a 2 μιη, composição esta que aplicada por cima de uma camada intermédia de prata é considerada como sendo a melhor opção possível no que se refere aos custos, à capacidade de processamento e à estabilidade nas condições de utilização preestabelecidas. 7

Finalmente a liga à base de ouro poderia conter também prata em complemento de um metal do grupo das platinas. A camada intermédia tem de um modo preferido uma espessura compreendida entre 1 μιη e 15 μιη. Abaixo de 1 μιη o efeito inibidor de difusão da camada intermédia é tão reduzido que em compensação seria necessário aumentar a espessura da camada de contacto, o que é pouco económico. Por outro lado um aumento da espessura da camada intermédia para além dos 15 μιη seria tecnicamente desnecessário e por esse motivo pouco económico. Considera-se que a melhor solução possivel é uma camada intermédia de prata com uma espessura de cerca de 1 μιη a 2 μπι.

Os contactos eléctricos do tipo ficha de acordo com a invenção são habitualmente fabricados por meio de operações de punçoamento, de quinagem ou de estampagem a partir de um produto semi-acabado em forma de tira. Sobre tiras de cobre ou de uma liga à base de cobre ou ainda de aço inoxidável com o efeito de mola pretendido é aplicada a camada intermédia de prata ou de uma liga à base de prata ou ainda de níquel, sendo depositada em cima dessa camada a camada de contacto feita a partir de uma liga à base de ouro. A camada intermédia e a camada de contacto são de um modo preferido aplicadas por deposição catódica. Para as reduzidas espessuras de camada previstas, nomeadamente no que se refere à camada de contacto, este método é considerado o mais económico, permitindo obter além disso camadas suficientemente densas e dúcteis, sem inclusões de materiais estranhos. É mesmo possível depositar de maneira vantajosa a camada intermédia e a camada de contacto uma a seguir à outra numa única passagem de revestimento. Nomeadamente para a camada intermédia entra no entanto também em linha de conta uma deposição electrolítica.

De um modo preferido o material de que a camada intermédia é constituida é aplicado não só do lado da frente do corpo de base feito de um metal não nobre, lado esse no qual está também aplicada a camada de contacto, mas também do lado de trás do corpo de base. Especialmente sob o efeito das temperaturas elevadas sob as quais se pretende utilizar os contactos de acordo com a invenção este procedimento tem a vantagem de a resistência de contacto aumentar mais lentamente com o decorrer do tempo do que sem o revestimento do lado de trás do corpo de base. 0 acima exposto é ilustrado pelo seguinte exemplo: um corpo de base em forma de tira, feito de cobre, foi revestido de um dos lados com 2 μιη de prata e seguidamente com 1 μιη de AuPt2,5. A resistência de contacto primeiro medida foi de 2 mOhm. Após um envelhecimento durante 3.000 h a 200 °C a resistência de contacto subiu para valores compreendidos entre 1 Ohm e 10 Ohm. Sendo no entanto revestido também o lado de trás da tira de cobre com 2 μιη de prata, a resistência de contacto só subiu de alguns poucos mOhm nas mesmas condições de envelhecimento. Neste bom resultado as superfícies laterais do corpo de base, obtidas por estampagem, estavam isentas de prata. Isto permite obter mais outra vantagem, que é a de se tornar possível, sem afectar a resistência de contacto, revestir primeiro os corpos de base em forma de tira ou em forma de placa e só a seguir efectuar a individualização dos contactos por estampagem.

Para servir de corpo de base prestam-se especialmente bem os seguintes materiais: 9

(a) CuNiSi(Mg): materiais com as designações C7025, C7026 de acordo com ASTM

(b) CuFeP: material com a designação C194 de acordo com ASTM

(c) CuCrST (X) : materiais com as designações C18070, C18080, C18090 de acordo com ASTM

(d) CuNiSn: material com a designação C72500 de acordo com ASTM

(e) CuSnZn: material com a designação C425 de acordo com ASTM

(f) CuNiZn: materiais com as designações C75700, C771000, C76400 de acordo com ASTM (g) aço inoxidável: materiais com as designações 1.4310 de acordo com DIN 17224, 1.4311 de acordo com DIN 17440, 1.4406 de acordo com DIN 17440, 1.4428 de acordo com DIN 17443, 1.4429 de acordo com DIN 17440, 1.4568 de acordo com DIN 17224, 1.4841 de acordo com DIN 17224, 1.4318, 1.1231, 1.1248, 1.1269, 1.1274, 1.5029 de acordo com DIN V 17006-100, de entre os quais se dá especial preferência aos materiais referidos em (a), (b) e (c), por conseguirem combinar uma elevada condutibilidade eléctrica com uma elevada estabilidade do seu efeito de mola à temperatura de utilização exigida, que é de 200 °C. A invenção presta-se não só a contactos do tipo ficha mas também a contactos de comutação. A ilustração única anexada mostra um corte transversal de um produto semi-acabado em forma de tira destinado à produção de 10 um contacto eléctrico do género preconizado pela invenção, que comporta um corpo 1 de base feito de uma liga à base de cobre, tratando-se por exemplo de CuCrSiTi(X), uma camada intermédia 2 de prata com uma espessura compreendida entre 0,2 μιη e 15 μιη e uma camada 3 de contacto que tem uma espessura de 0,5 μιη a 2 μιη e que é constituída por ouro com 1% em peso a 5% em peso de platina. A camada intermédia 2 só está aplicada do lado 4 da frente do corpo de base. De maneira vantajosa o material de que a camada intermédia 2 é constituída ou então um outro material próprio para servir de meio de bloqueio contra difusão pode também ser aplicado do lado 5 de trás do corpo de base.

Lisboa, 22 de Janeiro de 2007 11

Claims (16)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Contacto eléctrico que possui um corpo de base feito de uma liga à base de cobre ou de aço inoxidável e uma camada de contacto feita de uma liga à base de ouro que tem uma espessura de pelo menos 0,3 ^ e que é constituída por ouro com 0,5% em peso a 15% em peso de um ou de vários metais do grupo da platina, sendo o teor no entanto só de 0,5% em peso a 8% em peso no caso de se utilizar o paládio como metal do grupo da platina, estando prevista entre o corpo de base e a camada de contacto uma camada intermédia feita de prata ou de uma liga à base de prata.
2. 2. Contacto eléctrico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a camada de contacto ter uma espessura não superior a 10 μιη.
3. 3. Contacto eléctrico de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por a camada de contacto ter uma espessura não superior a 5 μιη.
4. 4. Contacto eléctrico de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por a camada de contacto ter uma espessura de 0,5 μιη a 2 μιη.
5. 5. Contacto eléctrico de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a camada de contacto ter uma espessura de 0,5 μιη a 1 μπι. 1
6. 6. Contacto eléctrico de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por se escolher, para servir de metal do grupo da platina, a própria platina ou então o paládio, dando-se especial preferência à platina.
7. 7. Contacto eléctrico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a camada de contacto ser constituída por ouro com 1% em peso a 5% em peso de um ou de vários metais do grupo da platina.
8. 8. Contacto eléctrico de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a camada de contacto ser constituída por ouro com 1% em peso a 3% em peso de um ou de vários metais do grupo da platina.
9. 9. Contacto eléctrico de acordo com as reivindicações 7 ou 8, caracterizado por a camada de contacto, sendo um metal do grupo da platina, só conter a própria platina.
10. 10. Contacto eléctrico de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por a camada intermédia ter uma espessura de 0,2 μιη a 15 μιη.
11. 11. Contacto eléctrico de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por a camada intermédia ter uma espessura de 0,5 μιη a 10 μιη.
12. 12. Contacto eléctrico de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por a camada intermédia ter uma espessura de 1 μιη a 2 μιη. 2
13. 13. Contacto eléctrico de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por se escolher, para servir de material para o corpo de base, um material de entre o grupo que se segue: (a) CuNiSi(Mg): materiais com as designações C7025, C7026 de acordo com ASTM (b) CuFeP: material com a designação C194 de acordo com ASTM (c) CuCrST(X): materiais com as designações C18070, C18080, C18090 de acordo com ASTM (d) CuNiSn: material com a designação C72500 de acordo com ASTM (e) CuSnZn: material com a designação C425 de acordo com ASTM (f) CuNiZn: materiais com as designações C75700, C771000, C76400 de acordo com ASTM (g) aço inoxidável: materiais com as designações 1.4310 de acordo com DIN 17224, 1.4311 de acordo com DIN 17440, 1.4406 de acordo com DIN 17440, 1.4428 de acordo com DIN 17443, 1.4429 de acordo com DIN 17440, 1.4568 de acordo com DIN 17224, 1.4841 de acordo com DIN 17224, 1.4318, 1.1231, 1.1248, 1.1269, 1.1274, 1.5029 de acordo com DIN V 17006-100.
14. 14. Contacto eléctrico de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por a camada de contacto ser formada por deposição catódica ou por um outro processo de deposição fisica em fase gasosa. 3
15. 15. Contacto eléctrico de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por o corpo de base possuir um lado da frente e um lado de trás, por a camada de contacto estar aplicada do lado da frente e por o material de que a camada intermédia é constituída estar situado tanto do lado da frente como também do lado de trás do corpo de base.
16. 16. Contacto eléctrico de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por nos corpos de base, cuja espessura é pequena quando comparada com o comprimento e a largura desses corpos, as superfícies laterais do corpo de base que existem entre o lado da frente e o lado de trás estarem livres do material de que a camada intermédia é constituída. Lisboa, 22 de Janeiro de 2007 4