Verfahren zur Herstellung von mit Edelmetall beschichteten Bändern als Halbzeug für elektrische Kontakte

Beschreibung

[0001] Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verfahren mit den im Oberbegriff des Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

[0002] Es ist bekannt, Bänder aus einem unedlen Trägermetall, z.B. aus Kupfer, Messing, Bronze, Neusilber oder aus anderen für Träger von elektrischen Kontakten geeigneten Metallwerkstoffen, auf galvanischem Wege mit einem Edelmetall oder mit einer Edelmetallegierung, zumeist mit Feingold oder mit einer hochkarätigen Goldlegierung zu beschichten. Die Beschichtung erfolgt aus Gründen der Edelmetalleinsparung selektiv, nämlich flächendeckend nur auf einer Seite des Bandes oder nur in Form von Streifen oder Flecken (Spots) auf dem Trägerband.

[0003] Es ist auch bekannt, vorgestanzte Bänder galvanisch zu beschichten; es handelt sich dabei' um Bänder, bei denen Bereiche, welche bei der nachfolgenden Formung zu einzelnen Kontaktteilen ohnehin fortfallen würden, zu einem Teil schon vor der galvanischen Beschichtung durch Stanzen entfernt wurden; auf den durch Stanzen entfernten Bereichen kann sich kein Edelmetall mehr niederschlagen,-stattdessen aber u.U. an den durch Stanzen erzeugten Schnittflächen, wodurch sich die Qualität der Edelmetallauflage insbesondere hinsichtlich seiner Haftfestigkeit verbessern läßt.

[0004] In der Regel sind die Bänder, welche die Edelmetallauflage tragen, stark kupferhaltig. Unter Wärmeeinwirkung - also auch im Schaltbetrieb - neigt Kupfer dazu, durch Edelmetallauflagen, insbesondere durch solche aus Gold oder Silber oder deren Legierungen hindurch bis zur Oberfläche der Edelmetallauflage zu wandern und dort Kupferoxid zu bilden, welches den Kontaktübergangswiderstand erhöht. Umgekehrt neigen auch die Edelmetalle dazu, in den Träger hinein zu diffundieren. Um dies zu vermeiden,i st es bei Kontaktbimetallen bekannt, zwischen der Edelmetallauflage und dem Träger eine Diffusionsbarriere vorzusehen. Meistens besteht die Diffusionsbarriere aus einer dünnen Nickelzwischenschicht, doch sind auch schon andere Materialien für eine solche Zwischenschicht untersucht worden, z.B. Chrom und Kobalt. Eine solche diffusionshemmende Zwischenschicht kann das Trägerband vollständig bedecken, bedeckt es aber wenigstens selektiv an jenen Stellen, an denen die Edelmetallauflage aufgebracht wird. Die Zwischenschicht kann galvanisch aufgetragen werden.

[0005] .Nach dem galvanischen Beschichten werden aus den beschichteten Bändern durch Stanz- und Biegevorgänge einzelne Kontaktteile hergestellt. Die galvanisch abgeschiedenen Überzüge, insbesondere die diffusionshemmenden Zwischenschichten, sind jedoch relativ spröde. Ihre mangelnde Duktilität hat zur Folge, daß sie bei den erforderlichen Stanz- und Biegevorgängen dazu neigen, zu reißen oder gar vom Träger abzublättern. Außerdem ist die Abriebfestigkeit der galvanisch aufgebrachten Edelmetallschicht geringer als die Abriebfestigkeit von solchen Edelmetallschichten, welche durch Kalt- oder Warmwalzplattieren mit einem Träger aus Unedelmetall verschweißt wurden. Bei auf solche Weise erzeugten Kontaktbimetallbändern ist die aufplattierte Beschichtung zwar hinreichend duktil und abriebfest, wegen der hohen Verformungsgrade beim Walzen unterliegt sie jedoch beträchtlichen Schwankungen ihrer Dicke und ggfs. auch ihrer Breite und Lage auf dem Trägerband. Diese Schwankungen müssen bei der Bemessung der Edelmetallauflage berücksichtigt und dessen Dicke und Breite deshalb verhältnismäßig groß gewählt werden, und zwar deutlich größer als dies bei einer galvanisch aufgebrachten Edelmetallschicht nötig wäre. Walzplattierte Kontaktbimetallbänder erfordern also einen höheren Edelmetalleinsatz als galvanisch- beschichtete Kontaktbimetallbänder.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von Kontaktbimetallbändern anzugeben, bei dessen Anwendung man fest haftende duktile und abriebfeste Edelmetallauflagen mit hoher Konstanz der Schichtdicke und Auflagenbreite erhält.

[0007] Das erfindungsgemäße Verfahren ist Gegenstand des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind-Gegenstand der Unteransprüche.

[0008] Durch die Anwendung sowohl einer Wärmebehandlung als auch eines Walzvorgangs wird erreicht, daß die diffusionshemmende Zwischenschicht und die Edelmetallauflage so duktil werden, daß Stanz- und Biegeborgänge, welche zur Herstellung von fertigen Kontaktteilen aus dem Band üblicherweise erforderlich sind, die Güte der Beschichtung nicht beeinträchtigen. Zugleich wird die Edelmetallauflage verfestigt und weist im Schaltbetrieb weniger Verschleiß auf als eine gleich zusammengesetzte, galvanisch abgeschiedene Edelmetallschicht, welche nicht durch Wärmebehandlung und Walzen nachbehandelt wurde. Ferner wird beobachtet, daß die Haftfestigkeit der Edelmetallauflage auf der Zwischenschicht sowie der Zwischenschicht auf dem Trägerband deutlich verbessert ist.

[0009] Das erfindungsgemäße Verfahren vereinigt beim Herstellen von Kontaktbimetallbändern die Vorteile des Walzplattierens (gut haftende und duktile Auflagen) mit den Vorteilen des galvanischen Aufbringens der Beschichtung (hohe Maßgenauigkeit, gleichmäßige Schichtdicken, sparsamster Edelmetalleinsatz (es ist möglich, die Dicke der Edelmetallauflage im fertigen Halbzeug erheblich kleiner als 1 pm, z.B. nur 0,1 um oder 0, 2 um dick zu halten!), Herstellbarkeit praktisch beliebiger Auflagemuster auf beliebig langen Bändern). Die- vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen sich insbesondere bei der Herstellung von Bändern mit Auflagen aus Gold oder Goldlegierungen über einer Zwischenschicht aus Nickel.

[0010] Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, daß nach dem galvanischen Abscheiden der Auflagen diese zunächst einer Wärmebehandlung unterzogen und anschließend durch Walzen kalt verformt werden. Es ist jedoch auch denkbar, diese beiden Verfatrrensschritte zu einem Warmwalzvorgang zusammenzufassen.

[0011] Der Verformungsgrad durch das Walzen hängt von der Zusammensetzung und vom Aufbau der Edelmetallauflage und der Art der Zwischenschicht sowie von der angestrebten Verfestigung der Edelmetallauflage, der Zwischenschicht und des Trägermaterials ab. Der Verformungsgrad (angegeben als Dickenabnahme des Bandes bezogen auf seine Dicke vor Beginn der Verformung) soll zwischen 10% und 50%,. vorzugswei_'se zwischen 20% und 40% liegen. Dieser Verformungsgrad läßt sich u.U. durch einen einstufigen Walzvorgang erreichen, soll aber bevorzugt durch einen drei-oder vierstufigen Walzvorgang, am besten kalt und ohne Zwischenglühungen, erreicht werden.

[0012] Beim Vorgang der Wärmebehandlung werden die Behandlungstemperaturen und die Behandlungsdauer nicht unabhängig voneinander gewählt, sondern so aufeinander abgestimmt, daß binnen einer angemessenen Zeitspanne (ca. 5 min. bis 15 min.) die angestrebte Duktilitätssteigerung eintritt. Je höher die Temperatur gewählt w.ird, desto kürzer kann die Behandlungsdauer sein. Die Obergrenze der Temperatur wird so festgelegt, daß die Temperatureinwirkung in dem umgebenden Medium: weder das Trägerband noch die Edelmetallauflage nachteilig verändert.

[0013] Sofern nicht die Materialauswahl für das unedle Trägerband eine tiefere Behandlungstemperatur erfordert, werden bei Verwendung der gebräuchlichsten Edelmetallauflagen (Feingold, Goldlegierungen, Silber, Palladiumlegierungen) Behandlungstemperaturen zwischen 400°C und 750°C, insbesondere zwischen 550°C und 650°C bevorzugt.

[0014] Die galvanisch aufgebrachte Zwischenschicht wird vorzugsweise gemeinsam mit der Edelmetallauflage durch Wärmeeinwirkung und einen Walzvorgang, insbesondere einen Kaltwalzvorgang nachbehandelt. Es ist jedoch auch möglich, die Zwischenschicht bereits vor dem Aufbringen der Edelmetallauflage einer Wärmebehandlung und ggfs. auch einem Walzvorgang zu unterziehen (Ansprüche 8 bis 10). Sofern das Trägermaterial dies zuläßt, kann die Nickelschicht bei der gesonderten Wärmebehandlung einer höheren Temperatur ausgesetzt werden als die Edelmetallauflage und daher ein höheres Maß an Duktilität erreichen, als wenn sie nur gemeinsam mit der Edelmetallauflage einer Wärmebehandlung unterzogen würde.

[0015] Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit Vorteil in entsprechender Anwendung auch übertragen auf die Herstellung: von selektiv galvanisch mit Edelmetall beschichteten Bändern, welche entweder keine diffusionshemmende Zwischenschicht aus Nickel o.ä. benötigen oder bei welchen die diffusionshemmende Zwischenschicht, insbesondere aus Nickel, bereits durch Kalt- oder Warmwalzplattieren auf das Band aufgebracht wurde und nur noch die Edelmetallauflage galvanisch abgeschieden werden muß. In diesen Fällen bringt das Verfahren noch eine Verfestigung und Duktilitätssteigerung, verbunden mit einer Verbesserung der Haft- und Abriebfestigkeit der Edelmetallauflage sowie eine beträchtliche Einsparung an Edelmetall.

[0016] Ein beso.nderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß mit ihrer Hilfe auch Edelmetallauflagen aus Legierungen hergestellt werden können, die sich aus einem- galvanischen Legierungsbad nicht oder nur schwierig abscheiden lassen; dies gilt insbesondere für niederkarätige. Goldlegierungen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden die Bestandteile der Legierung schichtweise übereinander abgeschieden und im Verlauf der nachfolgenden Wärmebehandlung läßt man die schichtweise abgeschiedenen Metalle zur Legierungsbildung ineinander eindiffundieren. Um die zur Legierungsbildung erforderliche Zeitspanne kurz zu halten, kann es von Vorteil sein, die Bestandteile der zu bildenden Legierung nicht in nur je einer Schicht, sondern in mehreren Schichten abzuscheiden, welche mit Schichten der anderen Legierungsbestandteile abwechseln. Auf diese Weise werden die Diffusionswege verkürzt.

[0017] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Nachbehandlung von galvanisch aufgebrachten Edelmetallauflagen zur Herstellung von Kontaktbimetallbändern läßt sich auch anwenden auf die Nachbehandlung von Edelmetallauflagen, welche aus der Gasphase heraus abgeschieden, insbesondere aufgedampft wurden.

[0018] Nachfolgend werden noch einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.

1. Auf ein 0,55 mm dickes Trägerband aus der Bronze CuSn6 wird zunächst ein 3 mm breiter, in Längsrichtung verlaufender Streifen aus Nickel in einer Schichtdicke von 3 um galvanisch abgeschieden. Anschließend wird auf den Nickelstreifen ein ebenfalls 3 mm breiter Streifen aus Feingold mit einer Schichtdicke von 2 um galvanisch abgeschieden. Anschließend wird das Band einer Wärmebehandlung unterzogen und dabei ca. 5 min. lang bei einer Temperatur von ca. 600°C geglüht. Nach der Wärmebehandlung wird das Band in vier Walzstichen auf eine Enddicke von 0,4 mm kalt herabgewalzt, wobei der vierte Walzstich die geringste Dickenabnahme des Bandes bewirkt.

2. Auf ein 0,7 mm dickes Trägerband aus CuNi 9 Sn2 wird zunächst einseitig eine 4 mm breite streifenförmige Nickelschicht mit'einer Dicke von 5 um galvanisch abgeschieden. Anschließend wird das vernickelte Band einer Wärmebehandlung unterzogen und dabei für die Dauer von ca. 5 min. bei einer Temperatur von ca. 650°C geglüht. Danach wird das Band in 3 Walzstichen kalt auf eine Dicke von 0,55 mm herabgewalzt. Auf das derart vorbereitete Band wird nun aus einem Legierungsbad eine 3 um dicke Schicht aus der Legierung Au 80 Ag 20 in Form eines 3 mm.breiten Streifens auf die Nickelschicht abgeschieden. Anschließend wird das Band einer Wärmebehandlung unterzogen und dabei für die Dauer von ca. 8 min. bei einer Temperatur von ca. 630°C geglüht. Danach wird das Band wie im 1. Beispiel kalt auf eine Enddicke von 0,4 mm herabgewalzt.

3'. Auf ein 0,4 mm dickes Trägerband aus Neusilber Cu Ni 12 Zn 24 wird zunächst eine 3 um dicke Nickelschicht in Form eines 3 mm breiten Streifens galvanisch abgeschieden. Zur Erzeugung einer Edelmetallauflage aus 70 Gew.-% Gold, 25 Gew.-% Silber und 5 Gew.-% Kupfer werden über der Nickelschicht in Form von 2 mm breiten Streifen die entsprechenden Mengen an Gold, Silber und Kupfer in Schichten übereinander gesondert galvanisch abgeschieden, und zwar in der Schichtenfolge beginnend mit Silber auf der Nickelschicht gefolgt von Gold, Kupfer, Silber, Gold, Kupfer und zuoberst noch einmal Gold. Diese sandwichartige Edelmetallauflage wird durch eine nachfolgende Glühbehandlung, bei der das Band für die Dauer von etwa 8 min. einer Temperatur von ungefähr 630°C ausgesetzt wird, unter Bildung einer Au-Ag-Cu-Legierung durch Diffusion der Legierungskomponenten ineinander homogenisiert. Anschließend wird das Band in 3 Walzstichen kalt auf eine Enddicke von 0,3 mm herabgewalzt.

4. Zur Herstellung eines vernickelten Trägerbandes geht man aus von einer schmalen, langgestreckten, 30 mm dicken Platte aus Silberbronze CuAg2, in welche eine 0,5 mm tiefe Nut eingefräst wird. In die Nut wird ein 0,5 mm dicker Nickelstreifen eingelegt und anschließend wird die Platte durch Warmwalzplattieren in ein 0,55 mm dickes Band umgeformt. Dieses Band kann nach einem jeden der Beispiele 1 bis 4 mit einer Edelmetallauflage versehen und weiterverarbeitet werden.

5. Anstelle einer Zwischenschicht aus Nickel kann-irr-den Beispielen 1 bis 4 auch eine solche aus Kobalt oder Chrom verwendet werden.

6. Auf ein 0,7 mm dickes Band aus SE-Kupfer mit einer 3 mm breiten und 225 µm dicken, durch Walzplattieren hergestellten Einlageplattierung au.s Silber wird galvanisch eine 8 um dicke Feingoldschicht. auf die Silbereinlage abgeschieden. Artschließend. wird das Band 5 min. lang bei einer Temperatur von ca. 560.°C geglüht und danach in drei oder vier Walzstichen kalt und ohne Zwischenglühdngen um 30 %.(Dickenabnahme- bezogen auf die Ausgangsdicke des Bandes) auf Endmaß herabgewalzt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von auf galvanischem Wege selektiv mit Edelmetall oder einer Edelmetallegierung sowie mit einer diffusionshemmenden Zwischenschicht, insbesondere aus Nickel, beschichteten Bändern aus Unedelmetall zur Verwendung als Halbzeug für elektrische Kontakte, dadurch gekennzeichnet, daß die Bänder nach dem galvanischen Beschichten einer Wärmebehandlung, welche eine Rekristallisation der galvanisch aufgebrachten Schichten sowie des unedlen Trägermaterials ermöglicht, und gleichzeitig oder anschließend einem Walzvorgang unterzogen werden, in dessen Verlauf das galvanisch beschichtete Band mit einer Dickenabnahme zwischen 10 % und 50 % bezogen auf seine ursprüngliche Dicke auf Endmaß verformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 400°C und 750°C, vorzugsweise zwischen 550°C und 65d°C, über eine Verweildauer zwischen 5 min. und 15 min. erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzvorgang ein Warmwalzvorgang ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzvorgang ein Kaltwalzvorgang ist, welcher auf die Wärmebehandlung folgt.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Walzvorgang in drei bis vier Walzstichen, insbesondere durch Kaltwalzen ohne Zwischenglühung,erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dickenabnahme des Bandes infolge des Walzens zwischen 20 % und 40 %, vorzugsweise ca. 30 % beträgt.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung für die Zwischenschicht und für die Edelmetallauflage gemeinsam erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die galvanisch aufgebrachte Zwischenschicht vor dem Aufbringen der Edelmetallauflage einer gesonderten Wärmebehandlung unterzogen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht gleichzeitig mit ihrer gesonderten Wärmebehandlung warm gewalzt, vorzugsweise jedoch anschließend an diese gesonderte Wärmebehandlung kalt gewalzt wird, wobei das mit der Zwischenschicht versehene Band eine Dickenabnahme zwischen 10 %. und 50 %, vorzugsweise ca. 30 % bezogen auf seine ursprüngliche Dicke erfährt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus Nickel oder Kobalt besteht und die Wärmebehandlung vor dem Aufbringen der Edelmetallauflage bei Temperaturen zwischen 550°C und 650°C erfolgt.

11. Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf die Herstellung von selektiv galvanisch mit Edelmetall oder mit einer Edelmetallegierung beschichteten Bändern aus Metall zur Verwendung als Halbzeug für elektrische Kontakte mit der Maßgabe, daß zwischen dem Träger und der galvanisch aufgebrachten Edelmetallschicht keine galvanisch aufgebrachte, diffusionshemmende Zwischenschicht vorgesehen ist.

12. Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf die Herstellung von selektiv galvanisch mit Edelmetall oder mit einer Edelmetallegierung beschichteten Bändern aus Metall zur Verwendung als Halbzeug für elektrische Kontakte mit der Maßgabe, daß das Edelmetall oder die Edel- metalleg.ierung auf ein zuvor durch Walzplattieren mit einer diffusionshemmenden Beschichtung, insbesondere aus Nickel, versehenes Band galvanisch abgeschie den wird.

13. Anwendung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche auf die Behandlung von aus der Gasphase abgeschiedenen Edelmetallauflagen.

14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines Bandes mit einer Auflage aus einer Edelmetalllegierung, deren Bestandteile sich nicht gemeinsam aus einem Bad galvanisch abscheiden lassen, die verschiedenen Metalle dieser Edelmetallegierung schichtweise nacheinander galvanisch abgeschieden und anschließend gemeinsam einer Wärmebehandlung unterzogen werden, in deren Verlauf die abgeschiedenen Metalle ineinander eindiffundieren.