Mit Edelmetall oder einer Edelmetallegierung beschichtetes elektrisches Kontaktstück

Beschreibung

[0001] Die Erfindung befaßt sich mit elektrischen Kontaktstücken für Abhebekontakte, Steckkontakte und Gleit- bzw. Schleifkontakte, welche über einer 0,1 um bis 10 um dicken Zwischenschicht aus Chrom auf einem unterhalb etwa 2000°C schmelzenden metallischen Kontaktstückrohling mit Edelmetall beschichtet sind, sowie mit Verfahren zu ihrer Herstellung.

[0002] Die Beschichtung von Kontaktstücken wenigstens auf ihrer kontaktgebenden Seite mit Edelmetallen oder Edelmetallegierungen,ist bekannt und wird aus unterschiedlichen Gründen durchgeführt, nämlich zur Herabsetzung des Kontaktübergangswiderstandes und/oder um die Kontaktoberfläche gegen Oxidation und Korrosion zu schützen und/oder zur Verbesserung des Verschleißverhaltens im Vergleich zu dem unedleren Kontaktgrundmaterial u.a.m.

[0003] Wegen des hohen Preises der Edelmetalle ist eine möglichst dünne Beschichtung an sich erstrebenswert, doch unterschreitet man eine gewisse Mindestschichtdicke des Edelmetalls nicht, weil sonst der hinreichend geringe übergangswiderstand, sowie die Oxydations-und Korrosionsbeständigkeit des Trägermaterials nicht gewährleistet sind. üblicherweise sind die Edelmetallschichten einige um bis zu etwa 10 um dick.

[0004] Im Gegensatz zu den vorteilhaften elektrischen Eigenschaften der Edelmetallschichten und auch zu ihrer oxidations- und korrosionshemmenden Wirkung sind die mechanischen Eigenschaften der Edelmetallschichten durchaus nicht immer den an sich gestellten Anforderungen gewachsen; vielmehr haben mangelnde Härte und mangelnde Verschle_'ißfestigkeit, bei Gleit-und Steckkontakten auch mangelnde Abriebfestigkeit, in vielen Fällen eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer zur Folge.

[0005] Es ist bereits bekannt, auf Kontaktstücke aus Kupfer, welche galvanisch mit Gold beschichtet werden sollen, zunächst eine 0,25 um bis 2 um dicke Chromschicht galvanisch abzuscheiden, kathodisch zu aktivieren und anschließend galvanisch mit Gold in einer Schichtdicke zwischen 15 um und 20 um zu beschichten (AES Research Project 29 in "Plating" 61/1974/S. 1015-1018). Die Chromschicht soll als Diffusionsperre verhindern, daß das Kupfer in das Gold hinein und bis zur Kontaktoberfläche diffundiert.

[0006] Es sind Versuche bekannt geworden, Edelmetalle, vor allem Gold, durch andere preiswerte Metalle zu ersetzen. Fast alle unedleren Metalle weisen jedoch eine viel zu geringe Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit auf und sind schon aus diesem Grund ungeeignet für elektrische Kontaktstücke. Wegen günstiger Verschleißeigenschaften des Chroms könnte man daran denken, auf Kontaktstücke, die mechanisch auf Verschleiß beansprucht sind, Deckschichten aus Chrom aufzubringen.

[0007] Nachteilig bei einer Beschichtung von Kontaktstücken mit Chrom ist jedoch, daß dann hohe und vor allem schwankende Übergangswiderstände zu verzeichnen sind, die seine allgemeine Verwendung ausschließen. Diese schwankenden Übergangswiderstände des Chroms sind wahrscheinlich auf Oxidationsvorgänge an der Oberfläche zurückzuführen, die zufällig und unregelmäßig - insbesondere unter Wärmeeinwirkung - auftreten und nicht gezielt zu beeinflussen sind. Die hohen und schwankenden Übergangswiderstände werden besonders bei einer galvanischen Abscheidung des Chroms beobachtet, lassen sich aber auch bei aufgedampftem Chrom nicht vermeiden. Hinzu kommt, daß bei einer Beschichtung durch Aufdampfen ein umständliches und erheblich teureres Verfahren angewendet werden muss. Der Vorteil des gegenüber dem Edelmetall preislich günstigeren Chroms wird durch die Unwirtschaftlichkeit des Aufdampfens mehr als aufgehoben. Aus den oben genannten Gründen hat daher auch das Chrom als Beschichtungsmaterial bislang keinen Eingang in die Praxis finden und nicht die üblichen dickeren Edelmetallschichten ersetzen können.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, den hohen Bedarf an Edelmetall bei der Beschichtung von elektrischen Kontaktstücken der eingangs genannten Art zu verringern, dabei den günstigen Übergangswiderstand, die gute Haftfestigkeit und die bekannten anderen Vorteile der Edelmetalle zu bewahren und zu verbinden mit einer verbesserten Verschleißfestigkeit der Kontaktschicht, außerdem aber die oben genannten Nachteile anderer Stoffe und Verfahren, wie mechanische Empfindlichkeit, schwankende Übergangswiderstände oder Unwirtschaftlichkeit zu vermeiden.

[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Edelmetall in einer Schichtdicke von nur 0,02 bis 1,0 um, vorzugsweise ca. 0,1 um, aufgebracht ist.

[0010] Es ist das Verdienst der Erfinder, herausgefunden zu haben, daß man bereits mit derart dünnen Edelmetallschichten über Chrom elektrische Kontaktstücke der eingangs genannten Art mit wertvollen Eigenschaften erhalten kann, welche - angesichts der sehr dünnen Edelmetallschicht überraschend - niedrige und gleichmäßige Übergangswiderstände zeigen. Der Bedarf an Edelmetall kann im Vergleich zur bisherigen Praxis bis auf einen fast um zwei Größenordnungen geringeren Betrag verringert werden, sodaß der Anteil der Kosten des Edelmetalls an den Kosten der Herstellung solcher Kontaktstücke nunmehr von untergeordneter Bedeutung ist.

[0011] Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Chrom-Edelmetall-, insbesondere der Chrom-Gold-Schichtenfolge, gegenüber reinen Edelmetallbeschichtungen liegt in ihrer besonderen Verschleißbeständigkeit.Erfindungsgemäße Kontaktstücke eignen sich daher vorzüglich als Steckkontakte, ferner auch als Gleit- und Schleifkontakte sowie für sehr gering belastete Abhebekontakte. Erfindungsgemäß ausgebildete Kontaktstücke vermögen Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit mit niedrigem elektrischem Übergangswiderstand zu verbinden.

[0012] Zugleich weist die Schichtenfolge aber trotz des geringen Edelmetallanteils eine ausgezeichnete Ätzbeständigkeit gegenüber Salpetersäure, Flußsäure, Essigsäure und Phosphorsäure sowie deren Mischungen auf, sodaß die Kontaktstücke auch dort eingesetzt werden können, wo es auf gute Ätzbeständigkeit ankommt.

[0013] Der Auswahl der Grundmaterialien für die Kontakt-. stücke sind dabei praktisch keine Grenzen gesetzt, da die üblichen, niedriger als bei 2000°C schmelzenden Kontaktwerkstoffe sich sämtlich mit Chrom, ggfs. nach einer vorherigen Unternickelung, beschichten lassen, und zwar nach dem aus Kostengründen bevorzugten Verfahren der galvanischen Beschichtung. Die Chromschicht soll so dick gewählt werden, dass sie i.w. dicht ist. Bei galvanisch abgeschiedenen Chromschichten erreicht man dies bei Schichtdicken ab ca. 2 um, bei aufgedampften Chromschichten bereits bei Schichtdicken ab ca. 1 um.

[0014] Als Basismaterialien für die erfindungsgemäßen Kontaktstücke kommen vor allem Kupfer sowie Legierungen des Kupfers mit Silber, Beryllium, Zinn (CuSn6), Zink (CuZn37) und andere mehr infrage.

[0015] Als Edelmetalle kommen vor allem Gold und Goldlegierungen, insbesondere hochkarätige Goldlegierungen, auch mit kleineren Gehalten (bis zu 4 Atom-%) an Nickel und/oder Kobalt, aber auch Silber, Platin, Palladium, Rhodium und Ruthenium infrage.

[0016] Es werden bevorzugt Kontaktstücke verwendet, in denen das Edelmetall sowohl auf der Oberfläche der Chromschicht als auch zu einem wesentlichen Teil in der Oberflächenschicht der Chromschicht verteilt ist. Letzteres erreicht man durch eine gezielte Wärmebehandlung, welche das Edelmetall teilweise in das Chrom eindiffundieren läßt. Hierdurch werden die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Kontaktstücke besonders 'günstig beeinflußt. Vermutlich stabilisiert die Diffusion des Edelmetalls in die Chromoberfläche diese gegen unerwünschte Oxidationsvorgänge. Durch eine Herabsetzung der Elektronenaustrittsarbeit wird zugleich der Übergangswiderstand verringert. Ferner wird die Abriebfestigkeit der Edelmetallschicht deutlich verbessert.

[0017] Verfahrensschritte zur Herstellung erfindungsgemäßer Kontaktstücke sind Gegenstand der Patentansprüche 5 bis 14.

[0018] Besonders festhaftende Edelmetallüberzüge auf der Chromschicht erhält man, wenn das Chrom zuvor in einem schwefelsauren Reinigungsbad kathodisch aktiviert wird.

[0019] Die Erfindung wird nachfolgend noch erläutert am Beispiel der Herstellung von Kontaktstücken aus einer für Kontaktzwecke üblichen Beryllium-KupferLegierung, welche galvanisch verchromt und anschließend mit einem Edelmetall beschichtet werden. Erfindungsgemäß empfiehlt es sich, dazu in den folgenden Schritten vorzugehen:

a) Vorentfettung der Rohlinge aus Cu-Be in einem organischen Lösungsmittel,

b) Behandeln in einem alkalischen Entfettungsbad,

c) Spülen in Wasser,

d) Reinigungsätzen der Rohlinge,

e) Spülen in Wasser,

f) Wiederholen des Reinigungsätzens gemäß c),

g) Spülen in Wasser,

h) Aktivierung der Oberfläche der Cu-Be-Rohlinge,

1) Galvanisches Beschichten der Cu-Be-Rohlinge mit Chrom,

k) Spülen in Wasser,

1) Kathodische Aktivierung der Chromschicht,

m) Spülen in Wasser

n) Galvanisches Beschichten der Chromschicht mit Edelmetall,

o) Spülen in Wasser,

p) Wärmebehandlung der aufgebrachten Beschichtungen unter einem Wasserstoff-Schutzgas.

[0020] Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Verfahrensschritt b) bei einer Stromdichte von etwa 5-20 A/dm² bei Raumtemperatur während einer Dauer von ca. 30 s ablaufen zu lassen und den Verfahrensschritt d) in Lösungen aus Schwefelsäure und Salpetersäure mit oder ohne Zusatz von Phosphorsäure bei Raumtemperatur während einer Dauer von 5 s bis 60 s, vorzugsweise von 15 s vorzunehmen. Ferner ist es zweckmäßig, beim Verfahrensschritt h) die Oberfläche des Cu-Be-Rohlings in Salzsäure bei Raumtemperatur während einer Dauer von etwa 15 s bis 2 min. (je nach Konzentration der Salzsäure) zu aktivieren; gemäß i) den aktivierten Cu-Be-Rohling mit Chrom in einem Bad aus 400 g Cr0₃ und 4 g H₂S0₄ je Liter bei einer Stromdichte von 15 A/dm² und bei einer Temperatur von 50 + 5°C während einer Dauer von 5 bis 20 min. zu beschichten; gemäß 1) die Chromschicht in 1- bis 15-%iger Schwefelsäure, vorzugsweise 8-%iger Schwefelsäure, bei einer Stromdichte von 2 bis 40 A/dm', vorzugsweise 20 A/dm² , bei Raumtemperatur während einer Dauer von 2 bis 60 s, vorzugsweise 20s, kathodisch zu aktivieren; gemäß n) die aktivierte Chromschicht mit Gold in einem schwach sauren bis neutralen Goldbad bei einer Deckstromdichte von etwa 3 A/dm² bei einer Temperatur von ca. 25°C während einer Dauer von ca. 20 s zu beschichten; oder gemäß n) die aktivierte Chromschicht mit Silber in einem cyanidischen Silberbad bei einer Deckstromdichte von etwa 5 A/dm² bei einer Temperatur von 20 ± 5°C während einer Dauer von ca. 20 s zu beschichten; oder gemäß n) die aktivierte Chromschicht mit Platin in einem sauren Platinbad bei einer Deckstromdichte von etwa 3 A/dm² bei einer Temperatur von ca. 65°C während einer Dauer von ca. 15 s zu beschichten; oder gemäß n) die aktivierte Chromschicht mit Palladium in einem neutralen bis alkalischen Palladiumbad bei einer Deckstromdichte von etwa 3 A/dm² bei einer Temperatur von ca. 65°C während einer Dauer von etwa 15 s zu beschichten; oder gemäß n) die aktivierte Chromschicht mit Rhodium in einem sauren Rhodiumbad bei einer Deckstromdichte von etwa 3 A/dm² bei einer Temperatur von ca. 30°C während einer Dauer von ca. 45 s zu beschichten; oder gemäß n) die aktivierte Chromschicht mit Ruthenium in einem sauren Rutheniumbad bei einer Deckstromdichte von etwa 3 A/dm² bei einer Temperatur von 70 i 5°C während einer Dauer von 20 s zu beschichten; gemäß p) die aufgebrachten Beschichtungen bei einer Temperatur zwischen 300°C und 400°C während einer Dauer zwischen einer halben Stunde und einer Stunde zu tempern. Temperatur und Dauer der Temperung sind so aufeinander abzustimmen, daß ein merklicher Anteil des Edelmetalls in die Chromschicht eindiffundiert, daß jedoch noch so viel Edelmetall auf der Oberfläche der Chromschicht verbleibt, daß der Übergangswiderstand durch die Eigenschaften des Edelmetalls bestimmt wird. In vorteilhafter Weise bewirkt die Temperung zugleich eine erwünschte Härtung des Kupfer-Beryllium-Werkstoff.

Ansprüche

1. Mit Edelmetall oder einer Edelmetallegierung beschichtetes elektrisches Kontaktstück für Abhebekontakte, Steckkontakte und Schleif- bzw. Gleitkontakte, welches unter der Edelmetallschicht eine Zwischenschicht aus Chrom mit einer Schichtdicke von 0,1 um bis 10 um, bei galvanisch abgeschiedenem Chrom von 0,5 µm bis 10 µm, vorzugsweise 1 bis 2 µm, auf einem unterhalb 2000°C schmelzenden metallischen Kontaktstückrohling aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelmetall in einer Schichtdicke von 0,02 um bis 1 Um, vorzugsweise in einer Schichtdicke von ca. 0,1 um aufgebracht ist.

2. Kontaktstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Edelmetall Gold, Silber, Platin, Palladium, Rhodium oder Ruthenium oder eine ihrer Legierungen, insbesondere Gold oder eine Goldlegierung vorgesehen ist.

3. Kontaktstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein wesentlicher Teil des Edelmetalls in die Oberflächenschicht der Chromzwischenschicht eindiffundiert ist.

4. Kontaktstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktstückrohling aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung besteht oder auf einem Kupfer-Beryllium-Träger befestigt ist.

5. Verfahren zum galvanischen Beschichten eines Kontaktstückrohlings mit Chrom und mit Edelmetall oder einer Edelmetallegierung zur Herstellung eines elektrischen Kontaktstücks nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Aufeinanderfolge der nachstehenden Verfahrensschritte:

a) Vorentfettung des Rohlings in einem organischen Lösungsmittel,

b) Behandeln des Rohlings in einem alkalischen Entfettungsbad,

c) Spülen in Wasser,

d) Ein- oder mehrfaches Reinigungsätzen des Rohlings mit nachfolgendem Spülen in Wasser,

e) Aktivierung der Oberfläche des Rohlings,

f) Beschichten des Rohlings in einem Chrombad,

g) Spülen in Wasser,

h) Kathodische Aktivierung der Chromschicht in einem sauren Reinigungsbad,

i) Spülen in Wasser,

k) Beschichten des Rohlings in einem Edelmetallbad,

1) Spülen in Wasser,

m) eventuell ein Trocknungsvorgang.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Chromschicht mit Gold in einem schwach sauren bis neutralen Goldbad bei einer Deckstromdichte von 2 bis 10 A/dm², vorzugsweise von etwa 3 A/dm², und bei einer Temperatur von 20°C bis 55°C, vorzugsweise von ca. 25°C,während einer Dauer von 10 s bis 3 min., vorzugsweise ca. 20 s,beschichtet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Chromschicht mit Silber in einem cyanidischen Silberbad bei einer Deckstromdichte von 2 bis 15 A/dm² , vorzugsweise von etwa 5 A/dm²,bei einer Temperatur von 20 ± 5°C während einer Dauer von 10 s bis 30 min., vorzugsweise von etwa 20 s,beschichtet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Chromschicht mit Platin in einem sauren Platinbad bei einer Deckstromdichte von 3 bis 7 A/dm² , vorzugsweise von etwa 3 A/dm; und bei einer Temperatur von 50°C bis 90°C, vorzugsweise ca. 65°C,während einer Dauer von 10 s bis 3 min., vorzugsweise von etwa 15 s,beschichtet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Chromschicht mit Palladium in einem neutralen bis alkalischen Palladiumbad bei einer Deckstromdichte von 2 bis 7 A/dm², vorzugsweise von etwa 3 A/dm², und bei einer Temperatur von 45 bis 70°C, vorzugsweise ca. 65°C, während einer Dauer von 10 s bis 2 min., vorzugsweise von etwa 15 s,beschichtet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Chromschicht mit Rhodium in einem sauren Rhodiumbad bei einer Deckstromdichte von 2 bis 7 A/dm² , vorzugsweise von etwa 3 A/dm², und bei einer Temperatur zwischen 20°C und 60°C, vorzugsweise ca. 30°C,während einer Dauer von 10 s bis 5 min., vorzugsweise von etwa 45 s,beschichtet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Chromschicht mit Ruthenium in einem sauren Rutheniumbad bei einer Deckstromdichte von 2 bis 7 A/dm² , vorzugsweise von etwa 3 A/dm², und bei einer Temperatur von 70 ± 5°C während einer Dauer von 10 s bis 2 min., vorzugsweise von etwa 20 s,beschichtet wird.

12. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktstückes nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktstück nach dem galvanischen Aufbringen der Edelmetallschicht einer Wärmebehandlung (Temperung oder Diffusionsglühung) unterworfen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung unter Schutzgas, vorzugsweise in reduzierender Atmosphäre stattfindet.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 200°C und 750°C für eine Dauer zwischen 10 min. und 2 Stunden, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 300°C und 500°C für eine Dauer zwischen 30 min. und 2 Stunden vorgenommen wird.