DD276355A1 - Verfahren zur herstellung elektrischer kontakte - Google Patents
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Abstract
Das Verfahren zur Herstellung elektrischer Kontakte dient der Verbesserung der Kontakteigenschaften elektrisch leitender Traegerwerkstoffe und wird vorwiegend in der Schwachstromtechnik angewendet. Das Verfahren zur Herstellung elektrischer Kontakte zeichnet sich dadurch aus, dass mittels galvanischer Abscheideverfahren Silber-Kadmium-Legierungsschichten in einem Konzentrationsbereich von 3 Gew.-% bis 70 Gew.-% Kadmium als funktionelle Kontaktueberzuege mit Schichtdicken 15mm abgeschieden werden. Die Abscheidung erfolgt aus zyanidischen Elektrolyten, in denen Silber als Silberzyanid und Kadmium als Kadmiumzyanid in unterschiedlichen Konzentrationen zugegeben werden. Die Legierungszusammensetzung wird sowohl ueber die Metallionenkonzentration als auch durch die Abscheidungsbedingungen variiert. Fig. 1
Description
Hierzu 4 Seiten Zeichnungen
Anwendungsgebiet dor Erfindung
Das Verfahren zur Herstellung elektrischer Kontakte dient der Verbesserung der Kontakteigenschaften elektrisch leitender Trägerwerkstoffe und wird vorwiegend in der Schwachstromtech-nk angewendet.
Zur Verbesserung der Kontakteigenschaften elektrisch leitender Trägerwerkstoffe' inden Edelmetalle verbreitet Anwendung.
Vor allom Palladium und Gold als Bestandteil von Schichtsystemen haben sich dort als überlegen erwiesen, wo die Kontaktflächen einer Reibbeanspruchung unterliegen.
Dennoch veranlassen ökonomische Überlegungen, nach alternativen Kontaktmaterialien zu suchen. Dafür erscheint insbesondere Silber wegen seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit, dem NichtVorhandensein isolierender Deckschichten, dem stabilen elektrischen Kontaktverhalten unter dom Einfluß niederfrequenter Schwingbeanspruchung sowie seiner guten technischen Verarboitbarkeit als ein geeigneter Werkstoff. Obwohl aus diesen Gründen bereits vielfältig im Bereich der Elektrotechnik/Elektronik eingesetzt, bleibt die Anwendung von Silber als funktioneile Kontaktveredlung für Steck- und Gloitkontakte relativ begrenzt.
Ursache hierfür ist vor allem die Tatsache, daß unlegierte Silberschichten durch hohe Reibkoeffizienten gekennzeichnet sind und bei höherer mechanischer Beanspruchung (z.B. Stecken/Ziehen von Steckkontakten; Gleitkontaktanwendungen) einem starken Verschleiß unterliegen. Daraus ergeben sich sowohl Beschränkungen hinsichtlich der mechanischen Belastbarkeit (StockzyHenzaH) als auch der zulässigen Polzahl von Steckverbindern.
Darüber hinaus sind unlegierte oder niedriglegierte Silberwerkstoffe in schwefelhaltigen Atmosphären nicht anlaufbeständig.
Dafür sind i.A. Zulegierungen 2:10Gew.-% erforderlich. (Plating and Surface Finishing 7011983| 1, S.46-48) ,
Die in der PS-GB 1526216 beschriebenen AgCd-Legierungsüberzüge mit Kadmiumkonzentrationen < 1 bis einige Prozent, die aus Bädern abgeschieden werden, in denen Kadmium als Kadmiumsulfat oder Natriumdithiosulfatocadmat und Silber als Silberchlorid vorliegen, sollen bereits ein verbessertes Anlaufverhalten aufweisen. Doch zeigen solche niedriglegierten Silberlegierungen mit Cd, aber auch Sb, In und Sn, im Konzentrationsbereich bis etwa 4Gew.-% sowohl unter ökonomischen Aspekten (angestrebte Reduzierung des Silberverbrauchs) als auch hinsichtlich der Kontakteigenschaften keine Vorteile gegenüber unlegiertem Silber. Insbesondere wird keine Verbesserung der Reibeigenschaften erzielt. (Grunolagen für neue Elektrolyte zur Edelmetallsubstitution bei Kontaktschichten, G4-Bericht, TH Ilmenau, Sektion Elektrotechnik, 1986) Beim Zulegieren unedler Logierungsbestandteile in höheren Konzentrationen besteht andererseits die Gefahr, daß das Korrosionsverhalten in zunehmendem Maße durch diese bestimmt wird und die überlegenen elektrischen Eigenschaften des Silbers nicht mohr zum Tragen kommen, wie z. B. boi erhöhtem Indiumgehalt. (VIII. Kontakttagung der DDR, TU Karl-Marx-Stadt, Tagungsband 2/1987, S.96-100)
Die PS-DE 2010161 beschreibt einen gegen Sulfidbildung beständigen Kontaktwerkstoff auf Silber basis in der Legierung mit Kadmium. Der Kadmiumanteil liegt jodoch unter 20% und die Kontaktoberfläche wird mit einer Amalgamdockschicht versehen.
Do1S weiteren ist bekannt, daß Silber-Kadmium-Legierungsüberzüge aus zyanidischen Elektrolyten abgeschieden worden können, doch werden diese für technische Anwendungen nur bis 30Gew.-% Kadmium als brauchbar eingeschätzt. (Finishing Industry! 119771 3, S.17-19)
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Darüber hinaus gibt es Untersuchungen zu zyanidischen Bädern, die Silber, Silberzyanid, Kaliumzyanid und Kaliumcarbonat sowie Kadmium in Form von Kadmiumoxid enthalten. Die so erzeugten Schichten wurden hinsichtlich ihrer Eignung für weniger kritische elektrotechnische Anwendungsfälle (Potentiometer) geprüft. Allerdings wurde die in der Schicht erreichte Kadmiumkonzentration nicht naher spezifiziert. (Metal Finishing 83 [1985] 7, S. 11-13) Für eine Silber-Kadmium-Legierung mit 48Gew.-% Cd wird in der PS-GB 1 526216 ein Elektrolyt angegeben, der Silber als Natriumdithiosulfatoargentat und Kadmium als Kadmiumthiosulfat enthält, aber u. a. mit erhöhter Badtemperatur (45'C) betrieben werden muß.
Ziel der Erfindung
Es ist das Ziel der Erfindung, für Schwachstromanwendungen geeignete und ökonomisch herstellbar elektrische Kontakte zu realisieren.
Darlegung det Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektrische Kontakte für die Elektrotechnik/Elektronik herzustellen, deren funktionelle Kontaktüberzüge sowohl gute tribologische als auch elektrische Eigenschaften vereinen und insbesondere dazu dienen sollen, unlegierte Silberüberzüge als Kontaktwerkstoff auf Steckverbinderkontakten zu ersetzen.
Erfindungsgomäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mittels galvanischer Abscheidoverfahren Silber-Kaiimium-Legierungsschichten in einem Konzentrationsbereich von 30 bis 65Gew.-% Kadmium und mit Schichtdicken £ 15pm als funktionelle Kontaktüberzüge abgeschieden werden. Die Abscheidung erfolgt aus zyanidischen Elektrolyten unterschiedlicher Zusammensetzung.
Die Legierupgszusammensetzung wird durch die Metallionenkonzentration im Elektrolyten beziehungsweise durch die Wahl der Abscheidebedingungen (Stromdichte, Temperatur, Relativbewegung Katodo-Elektrolyt) variiert.
Es werden mattglänzende, dichte Niederschläge erzeugt. Die erreichten Schichthärten liegen mit 2000 bis 2 200 N/mm2 (KNOOP-Härte, Prüflast 5cN) über der Härte von unlegiertem Silber (1300N/mm2/.
Die so erzeugten Schichten zeigen ein·.? starke Abhängigkeit der Eigenschaften von der Kadmiumkonzentration.
Legierungsschichten mit Kadmiumanteilon < 20 Gew.-% - wie unlegiertes Silber - durch hohe Reibkoeffizienten charakterisiert.
Werden Kadmiumanteile > 30 Gew.-% eingebracht, wird das Reibverhalten günstig beeinflußt. Das äußert sich in einem starken Rückgang des Reibkoeffizienten, der sich mit zunehmender mechanischer Beanspruchung (Stecken/Ziehen) besonders deutlich bemerkbar macht und zu μ-Werten <0,4 führt (unlegiertes Silber: μ = 0,90 bis 1,10).
Unbeeinflußt davon bleiben die elektrischen Kontakteigenschaften des Silbers weitestgehend erhalten. So wird auch bei fortdauernder Reibbeanspruchung kein tribokorrosiv bedingter Anstieg des Kontaktwiderstandes beobachtet; auch dann nicht, wenn niederfrequente Schwingungen auf die Kontaktstelle) übertragen werden.
Des weiteren wird bei der vorzugsweisen Abscheidung von AgCd-Legi»rungsschichten mit Kadmiumanteilen >30Gew.-% eine wesentliche Verbesserung des Anlaufverhaltens in schwefelhaltigen Atmosphären erreicht. Dennoch führen selbst hohe Kadmiumzuiegierungen im Bereich von 65Gow.-% nicht zur Ausbildung tragender, isolierender (Oxid-)Deckschichten.
AucfOhrungsbelspiel
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1: Die Abhängigkeit des Reibkooffizienten μ von der Zahl der Übergleitungen N; Fig. 2: die Abhängigkeit des Kontaktwiderstandes R* von der Zahl der Übergleitungen N; Fig. 3: die Abhängigkeit des Kontaktwiderstandes Rx von der Zahl der Schwingungszyklen N bei Einwirkung niederfrequenter
Schwingbeanspruchung (10Hz/100pm); Fig. 4: die statische Abhängigkeit dnn Kontaktwiderstandes Rk von der Kontaktkraft Fx vor und nach korrosiver Beanspruchung.
Für Silber-Kadmium-Legierungsschichten mit 37 beziehungsweise 65Gew.-% Kadmium können folgende Verfahrensparameter eingestellt werden:
1. Badzusammensetzung: 89g/IKadmium:yanid
12 g/l Silberzyanid 115g/INatriumzyanid
Arbeitsparameter: Stromdichte a. 3,5A/dm* (AgCd37)
b. 5,8A/dm'(AgCd65) Temperatur 25eC Badbewegung
2. Badzusammensetzung 45g/IKadmiumzyanid
12 g/l Silberzyanid 75 g/l Natriumzyanid 24 g/l Kaliumzyanid
' Arbeitsparamoter: Stromdichte a. 0,5A/dm1 (AgCd37)
b. 2,0A/dm' (AgCd65) Temperatur 25°C ruhender Elektrolyt
Die mit einer Schichtdicke von 7,5um abgeschiedenen Schichten weisen eine KNQOP-Härtc von 2050 N/mm'auf (Prüflast: 5cN). Die Abscheidung erfolgt direkt auf CuSne-Federkammabschnitte des direkten Steckverbinders und ebene CuSn6-Proben der Abmessung 10mm :< 10mm χ 1 mm ohne Anwendung von Zwischenschichten. Die Untersuchungen zum Reibverhalten wurden in der Anordnung Feder- ebene Probe mit externer Aufbringung der Normalkraft (135cN) durchgeführt. Aus Fig. 1 geht hervor, daß mit zunehmendem Kadmiumanteil das Reibverhalten verbessert wird. So zeigt das p(N)-Diagramm für AgCd37 Bereits eine deutliche Absenkung des Reibkoeffizienten, die jedoch besonders ausgeprägt bei AgCd65 in Erscheinung tritt, bine mechanische Beanspruchung durch Stecken/Ziehen verstärkt diesen Effekt und führt 7u μ-Werten von 0,3 bis OA Das ist zugleich ein Hinweis darauf, daß die für Silberpaarunge.i typischen hohen Adhäsionskräfte nicht mehr für den 'erschleißmechanismus bestimmend sind. Verbunden damit ist ein geringerer Schichtverschleiß.
Jbwohl das Zulegieren von Kadmium in hohen Konzentrationen zu qualitativ neuen Reibeigenschaften führt, ergeben sich daraus keine nachteiligen Folgen für das elektrische Kontaktverhalten. Fig. 2 veranschaulicht, daß auch hochlegiertes Silber-Kadmium durch niedrige Kontaktwiderstandswerte charakterisiert ist, die auch unter dem Einfluß mechanischer Beanspruchung nicht zu Instabilitäten neigen.
Wie Fig.3 zeigt, können analog'! Aussagen auch zum Einiluß niederfrequenter Schwingbeanspruchung auf die Kontaktstelle getroffen werden. Es wurden keine tribokorrosiv bedingten Widerstandserhöhungen festgestellt, wie sie sonst für Unedelmetalle oder Legierungen mit hohem 'Jnedelmetallanteil häufig auftreten. Das silbertypische Verhalten bleibt gewahrt. Das bestätigen auch Tests, in denen die Proben der vierfachen Beanspruchungsdauer unterzogen wurden.
Fip. 4 zeigt das Kontaktwidersiandsverhalten unter statischen Kontakihedingur.gen in Abhängigkeit von der Kontaktkraft und dem Probenzuf.tand (unkorrodiert/korrodiert im H2S-SO2-Gemisch bei 80% rel. F., 30"C, 21 lage). Die Messungen wurden mit einer AuNi 5-Meßsonde (Durchmesser 3 mm) durchgeführt, die erschütterungsfrei auf die Probo.ioberfläche aufgesetzt wird. Die Bestimmung des Kontaktwiderstandes erfolgt mit der 4-Pol-Methcde; Leerlaufspannungsbegrenzung 20mV, maximaler Meßstrom 10mA.
Es wird deutlich, daß nach korrosiver Beanspruchung der KontiZ-loberflachen keine Ausbildung tragender isolierender Deckschichten .irfolgi, auch wonn hohe Kadmiumkonzentrationen eingebracht werden. Der nur unwesentliche D'-ckschichtausbau spiegelt sich in einer nur geringfügigen Anhebung der Widerstandswerte im Vergleich zu den unkorrodierten Proben wider. So werden selbst bii korrodierten AgCdSS-Beschichtungen 10m0hm bereits bei Kontaktkräften von 4OcN unterschritten und damit unter den im Steckverbinder herrschenden Kontaktverhältnissen eine sichere Kontaktgabe gewährleistet. Auch das optische Erscheinungsbild der Proben beweist, daß mit den Beschichtungen AgCd37 u.iri AgCd 65 eine sehr gute Anlaufbeständigkeit erreicht wird.
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung elektrischer Kontakte für die Schwachstromtechnik, bestehend aus einem leitenden Trägerwerkstoff mit einem Kontaktüberzug, dadurch gekonnzeichnet, daß mittels galvanischer Abscheideverfahren Silber-Kadmium-Legierungsschichten in einem Konzentrationsbereich von 3Gew.-% bis 70Gew.-% Kadmium als funktioneile Kontaktüberzüge mit Schichtdicken < 15pm abgeschieden werden.
2. Verfahren zur Herstellung elektrischer Kontakte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung aus zyanidischen Bädern unterschiedlicher Zusammensetzung erfolgt, in denen sowohl Silber als auch Kadmium komplex gebunden vorliegen und in denen sich vorzugsweise sowohl Na+ als auch K+ als Kation Definden.
3. Verfahren zur Herstellung elektrischer Kontakte nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung ohne glanzbildende Zusätze erfolgt.
4. Verfahren zur Herstellung elektrischer Kontakte nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise Schichten mit 30Gew.-% bis 65Gew.-% Kadmium abgeschieden werden.
5. Verfahren zur Herstellung elektrischer Kontakte nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung entweder direkt auf den Trägerwerkstoff erfolgt oder geeignete diffusionshemmende Zwischenschichten zur Anwendung gelangen.
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