Werkstoff für elektrische Schwachstromkontakte

Abstract

 Als Werkstoffe für elektrische Schwachstromkontakte werden Gold-Silber-Palladium-Legierungen verwendet, in die eine intermetallische Palladium-Zinkverbindung in Form feiner Partikeln eingelagert sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Werkstoff für elektrische Schwachstromkontakte insbesondere für Steckverbindungen und Schleifkontakte, bestehend aus einer Gold-Silber-­Palladium-Legierung, die geringe Mengen von Osmium, Iridium, Ruthenium und Rhodium enthalten kann.

[0002] Steckende und schleifende Kontakte, besonders wenn sie für kleinste Spannungen und Ströme in modernen elektronischen Geräten eingesetzt werden sollen, bestehen meist aus Trägern aus Unedelmetallen, die mit Edelmetallen oder Edelmetallegierungen beschichtet sind. An die edlen Auflagewerkstoffe werden dabei drei wesentliche Anforderungen gestellt. Zum Ersten sollen sie möglichst beständig gegen aggressive Atmosphären sein, so daß bei ihrem Einsatz ein niedriger und stabiler Kontaktwiderstand erzielt wird. Zum Zweiten sollen sie in der Reibpaarung mit einem Kontaktgegenstück einem möglichst geringen Verschleiß unterliegen und einen geringen Reibungskoeffizienten aufweisen, so daß kein Durchrieb der Auflageschicht erfolgt und die Kontaktbetätigungskräfte niedrig sein können. Zum Dritten ist für ein Plattieren der Auflagewerkstoffe eine Anpassung der mechanischen Eigenschaften an die Trägerwerkstoffe erforderlich. Beim üblicherweise angewendeten mechanischen Walzplattieren ist insbesondere eine etwa übereinstimmende Rekristallisierungstemperatur von Auflage und Träger zur Herstellung eines hochwertigen Werkstoffverbundes wichtig.

[0003] Diese Anforderungen betreffen weitgehend gegenläufige Eigenschaften. So sind die heute gebräuchlichen Werkstoffe für schleifende und steckende Kontakte entweder sehr korrosionsbeständig oder sehr verschleißbeständig, besitzen aber nicht gleichzeitig beide Eigenschaften. Andererseits zeigen Werkstoffe mit verschleißhemmenden, härtenden Zusätzen eine Erhöhung der Rekristallisationstemperatur.

[0004] Dies gilt ganz allgemein für Legierungen mit hohen Goldgehalten von ca. 70 %, wie sie seit langem in Gebrauch sind, aber auch für goldsparende Legierungen - ­meist auf der Basis Gold-Silber-Palladium - die angesichts gestiegener Goldpreise in jüngerer Zeit entwickelt wurden.

[0005] Aus der DE-PS 10 89 491 ist ein Kontaktmaterial für Schwachstromkontakte, insbesondere für die Fernmeldetechnik, bekannt, das aus einer Legierung von 25-35 % Palladium, 35-45 % Silber und 25-35 % Gold besteht.

[0006] Neben Palladium, Silber und Gold als Hauptbestandteile noch Indium, Zinn und andere Unedelmetalle als Nebenbestandteile enthaltende Legierungen für elektrische Kontakte sind aus der DE-PS 25 40 956 (20-30 Gew. % Palladium, 15-25 Gew. % Silber, 2,5-5 Gew.% Zinn, 0,05-0,5 Gew. % Iridium, 0,05-0,5 Ruthenium, 0,05-0,5 Gew.% Kupfer, 0,1-2 Gew.% Indium, Rest Gold), DE-PS 26 37 807 (10-40 % Silber, 2-25 % Palladium, 1-5 % Nickel, 0,1-10 % Indium, 0,1-3 % Zinn, Rest Gold) und DE-PS 29 40 772 (35-55 % Gold, 18-33,5 % Silber, 30-40 % Palladium und 1-6 % Indium oder 0,5-2 % Indium und 0,5-2 % Zinn) bekannt.

[0007] Aus der DE-OS 33 45 162 sind Legierungen von Gold-Silber-­Palladium-Iridium und/oder Osmium mit Zusätzen von 0,5-­5 % Blei oder 0,5-3 % Blei und 0,5-3 % Zinn bekannt. Ähnliche Legierungen auf Basis Gold-Silber-Palladium-­Iridium und/oder Osmium mit Zusätzen von 0-5 at % Blei und/oder 0-5 at % Zinn und/oder 0-10 % Kupfer sind in der DE-OS 34 20 231 beschrieben.

[0008] Alle diese bekannten Legierungen besitzen entweder keine sehr hohe mechanische Verschleißbeständigkeit (bei relativ niedrigen Gehalten von unedlen Zusätzen) oder keine sehr gute Korrosionsbeständigkeit (bei relativ hohen Gehalten von unedlen Zusätzen). Zudem erfordern die meisten dieser Legierungen Weichglühtemperaturen von über 750° C, teilweise über 900° C, weshalb sie sich für eine Verarbeitung durch Walzplattieren auf typischen Trägerwerkstoffen, wie z.B. CuSn8, schlecht eignen.

[0009] Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Werktstoff für elektrische Schwachstromkontakte, insbesondere für Steckverbindungen und Schleifkontakte, zu finden bestehend aus einer Gold-Silber-Palladium-Legierung die geringe Mengen von Iridium, Osmium, Ruthenium und Rhodium enthalten kann, der eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit und gleichzeitig eine sehr gute Verschleißbeständigkeit aufweist, kombiniert mit einer für Kupferlegierungen als Träger geeigneten Rekristallisationstemperatur.

[0010] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Legierung Partikeln einer intermetallischen Palladium-­Zinkverbindung eingelagert sind.

[0011] Diese intermetallische Verbindung kann auch noch einige Prozente der übrigen Legierungsbestandteile enthalten und sollte Partikelgrößen von weniger als 10 µm aufweisen. Vorteilhafterweise beträgt die mittlere Partikelgröße der intermetallischen Verbindung weniger als 1 µm. Außerdem ist es von Vorteil, wenn die intermetallische Verbindung aus der Phase PdZn besteht.

[0012] Als geeignet haben sich Legierungen erwiesen, die 15 bis 50 % Gold, 15 bis 50 % Silber, 10 bis 70 % Palladium, insgesamt 0 bis 1 % Iridium und/oder Osmium und/oder Ruthenium und/oder Rhodium und 1,5 bis 6 % Zink enthalten, wobei mehr als 0,5 % Zink in Form der intermetallischen Verbindung vorliegen muß. Besonders geeignet sind Legierungen mit 20 bis 40 % Gold, 25 bis 50 % Silber, 20 bis 40 % Palladium, 0 bis 0,2 % Iridium, Osmium, Ruthenium, und/oder Rhodium und 2 bis 4 % Zink.

[0013] Überraschenderweise zeigt Zink in einer Legierung von etwa gleichen Teilen Gold, Silber und Palladium eine nur geringe Löslichkeit (kleiner 2 Gew.%), die wesent­lich unter der Löslichkeit des Zinks in den jeweils einzelnen Metallen Gold, Silber und Palladium (größer 5 bis über 20 Gew. %) liegt. Deshalb kann, ohne die Korrosionsbeständigkeit der Gold-Silber-Palladium-Matrix durch Aufnahme von Zink als gelöstem Bestandteil merklich zu verschlechtern, eine Einlagerung von Partikeln einer intermetallischen Verbindung von Palladium mit Zink erreicht werden. Diese Partikel besitzen ihrerseits eine überraschend gute Korrosionsbeständigkeit, so daß der Verbundwerkstoff insgesamt sehr beständig in aggressiven Atmosphären und in Luft bei erhöhter Temperatur ist. Da die intermetallische Verbindung eine hohe Härte aufweist, ergibt sich auch für den Verbundwerkstoff ein gegenüber einer Gold-Silber-Palladium-Legierung sehr stark verbessertes Reibungs- und Verschleißverhalten. Eine Gefügeausbildung mit einer Partikelgröße der intermetallischen Verbindung unterhalb 1 µm Länge bzw. Durchmesser und Partikelabständen von ca. 1 µm stellt eine genügend feine Verteilung dar, um die günstigen Eigenschaften auch als Plattierung von nur wenigen µm Dicke zu erhalten.

[0014] Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff mit einer solchen feinen Verteilung von härtenden Partikeln schon bei Temperaturen von ca. 700°C und fertigungsgerechten Glühzeiten von wenigen Minuten rekristallisiert, d.h. eine vorher eingebrachte Kaltverformung abbaut und Duktilität gewinnt, andererseits aber eine schädliche Vergröberung der feinen Partikelstruktur bei diesen Glühbedingungen ausbleibt. Dieser Verbundwerkstoff kann deshalb mit einer optimalen Gefügeausbildung als kompakter Block hergestellt werden, und ebenso einfach wie bisher gebräuchliche Legierungen durch Walzplattieren auf einen Trägerwerkstoff, vorzugsweise eine Kupferlegierung zu einem Halbzeug für Kontaktteile gefertigt werden. Die Verarbeitungsschritte können dabei an den Erfordernissen der Kupferlegierung orientiert sein, so daß das fertige Halbzeug hinsichtlich Träger- ­und Auflagewerkstoff optimale Eigenschaften aufweist.

[0015] Die erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoffe können pulvermetallurgisch oder schmelzmetallurgisch hergestellt werden, wobei im letzten Fall eine nachfolgende Wärmebehandlung erforderlich ist. Die Bildung der intermetallischen Phase setzt schon bei der langsamen Abkühlung im Gußstück ein und wird durch Temperaturbehandlung bei Temperaturen von etwa 500° C bis etwa 50° C unterhalb der Solidus-Temperatur der jeweiligen Legierung während 1 bis 4 Stunden optimiert.

[0016] Die folgende Tabelle zeigt einige erfindungsgemäße Legierungen (1 bis 8) und zum Vergleich einige bekannte Legierungen (10 bis 12) und eine Legierung mit einem Zinkgehalt außerhalb des beanspruchten Bereichs (Legierung 9). Die Zunahme des Kontaktwiderstandes (84 %-Wert der Summenhäufigkeit) wurde an Blechproben vor und nach Auslagerung in einem Dreikomponenten-­Schadgas bei 30° C durch Messung mit einem Goldniet als Gegenkörper ermittelt. Das Schadgas bestand aus Luft mit 200 ppb NO₂, 100 ppb H₂S und 10 ppb Cω₂ bei 75 % relativer Feuchte. Die Kontaktkraft bei der Messung betrug 0,1 N. Das Reibungsverhalten wurde in Tribometermessungen als Paarung Rundniet gegen Blech bei 0,75 N Auflagekraft ermittelt.

Ansprüche

1. Werkstoff für elektrische Schwachstromkontakte, insbesondere für Steckverbindungen und Schleifkontakte, bestehend aus einer Gold-Silber-Palladium-Legierung, die geringe Mengen von Iridium, Osmium, Ruthenium und Rhodium enthalten kann,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Legierung Partikeln einer intermetallischen Palladium-Zink-Verbindung eingelagert sind.

2. Werkstoff gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mittlere Partikelgröße der intermetallischen Verbindung weniger als 1 µm beträgt.

3. Werkstoff gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die intermetallische Verbindung aus Pd Zn besteht.

4. Werkstoff gemäß Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß er 15 bis 50 % Gold, 15 bis 50 % Silber, 10 bis 70 % Palladium, insgesamt 0 bis 1 % Iridium und/oder Osmium und/oder Ruthenium und/oder Rhodium und 1,5 bis 6 % Zink enthält, wobei mehr als 0,5 % Zink in Form der intermetallischen Verbindung vorliegen müssen.

5. Werkstoff gemäß Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß er 2 - 4 % Zink, 20 - 40 % Gold, 25 - 50 % Silber, 20 - 40 % Palladium, 0 - 0,2 % Iridium, Osmium, Ruthenium und/oder Rhodium enthält.