DE2413402A1

DE2413402A1 - Gleitfaehige zinnschichten fuer elektrische gleitkontakte

Info

Publication number: DE2413402A1
Application number: DE2413402A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Heck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-03-20
Filing date: 1974-03-20
Publication date: 1975-10-02

Description

Gleitfähige Zinnschichten für elektrische Gleitkontakte Die Erfindung befaßt sich mit dem Verfahren zur Herstellung von gleitfähigen Zinnschichten für elektrische Gleitkontakte an Steckelementen mit niedrigem Reibungsbeiwert, hoher Oxydationsbeständigkeit und guter Lötfähigkeit auch nach langer Lagerung.
Gleitmetalle für diesen Zweck sind bekanntlich reine Metalle wie Gold, Silber, Platin Rhodium und andere oder auch Verbindungen dieser Metalle mit anderen.
Für hochwertige Kontakte mit geringem Ubergangswiderstand werden meist Edelmetalle oder deren Verbindungen gewählt, jedoch ist neben den physikalischen Schichteigenschaften auch der Preis von Bedeutung. Edelmetall schichten überziehen sich nicht mit Oxydhäuten und sie bilden in seltenen Fällen Sulfidschichten. Bei Silber allerdings können sich an schwefelhaltiger Industrieatmosphäre Sulfidschichten ausbilden.
Weniger wertvolle Kontaktmetalle wie Zinn, Kupfer oder Messing sind ebenfalls- der Korrosion ausgesetzt.
Aber auch wenn Edelmetallüberzüge auf anderen Metallen nicht einwandfrei aufgebracht sind, kann es durch die tberzüge hindurch zur Korrosion kommen. Sehr häufig müssen die Kontaktteile auch gelötet werden, was dann aber infolge korrodierter Oberflächen oft nicht möglich ist. Außerdem wird von den Gleitkontaktmaterialien ein niedriger Reibungsbeiwert verlangt, um beim Einstecken von z.B. Messerleisten oder auch beim Trennen keine großen Kräfte anwenden zu müssen. Außerdem wird von einer guten Metallpaarung verlangt, daß der notwendige Metallkontakt nicht zum Fressen (zum Verschleiß) führt.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, galvanisch aufgetragene Reinzinnschichten zu sintern und anschließend in die Zinnoberfläche kristallinen Grafit einzurollen.
In poröse Zinnoberflächen eingearbeiteten Kristallgrafit (hexagonal) mindert in auffälliger Weise den Reibungsbeiwert von Zinn gegen Zinn, in vorteilhafter Weise auch dadurch, daß beim Kugelpolierverfahren ein eingerollter Grafit auch eine mechanische Verformung der Zinnkristalle einhergeht, wodurch die Zinnoberfläche kaltverfestigt wird, was den Reibungsbeiwert weiter herabsetzt.
Das Sintern der galvanischen Zinnschicht hat den Vorteil, daß hierdurch die Zinnschicht duktiler wira. Sie entspricht also eher der aufgeschmolzenen Kristallstruktur, was die Lötfähigkeit erheblich verbessert. Bekanntlich haben die aufgeschmolzenen Zinnschichten beste Lötfähigkeiten.
Steckverbindungen aus galvanischem Zinn gegen galvanisches Zinn zeigen Reibbeiwerte von ca. 0,8 - 0,9, ihre Verbindungen fressen miteinander. Dagegen haben nach der Erfindung grafitierte und kaltmechanisch verdichtete Zinnoberflächen Reibbeiwerte von bis max. 0,25. Beachtlich ist, daß die Reibbeiwerte schon beim ersten Steckvorgang so niedrig liegen.
Es wurde festgestellt, daß ein Fressen auch nach häufigen Steckvorgängen nicht eintrat, auch dann nicht, wenn nur ein Teil der Steckverbindung eine grafitierte Zinnoberfläche aufwies.
Die Verwendung feinen hexagonalen Grafitpulvers hat auch den Vorteil, daß beim Rollpolieren eine mechanisch sehr festhaftende Verbindung sowohl in der vor dem Rollpolieren rauhen Oberfläche und auch auf der rollpolierten Oberfläche eintritt.
Bei Verwendung hexagonalen Gleitgrafites mit verhältnismäiig leicht trennbaren Schichtebenenh wird also eine - wenn auch sehr dünne - vollkommene Bedeckung der Metall oberfläche erreicht, wodurch nun wiederum auch eine gegen Oxydation geschützte Kontaktfläche entsteht.
Grafit zeigt bekanntlich eine sehr hohe Stabilität gegen Oxydation. Hexagonaler Grafit zeigt auch außerdem eine an die Beitfähigkeit von Metallen heranreichende Deitfähigkeit, weshalb sich seine Verwendung als leitfähige Gleiteigenschaft geradezu anbietet.
Die Kaltverfestigung der Zinnoberfläche durch Rollpolieren - Kugelpolierverfahren - und der gleichzeitigen Einbringung von feinem.Grafitpulver hat außerdem den Vorteil, daß eine Rekristallisation der Zinnstruktur im Bereich der kontaktfähigen Oberfläche unterdrückt wird, wodurch eine höhere Oberflächenhärte auch dauerhaft erhalten bleibt. In weiterer Verbesserung der Erfindung wird vorgeschlagen auf Messingteilen, vor der Verzinnung erst eine galvanisch oder im Schmelzwege aufzubringende Bleischicht aufzutragem, die erfahrungsgemäß als Trennschicht zwischen dem Messinggrundmetall und er Zinnschicht auch hinsichtlich der allgemein gefürchteten Whisker eine bereits bewährte Verwendung findet.
Durch die erfindungsgemäße Sinterung der Zinnschicht selbst tritt auch eine metallurgische Verbindung mit der Bleischicht ein, die die Lötfähigkeit solcher Schichten in ganz besonderer Weise erhöht.
Grafitierte Reinzinnoberflächen schmelzen nämlich nicht in der Weise auf, wie das bei geschmolzenen sonst unbehandelten Zinnfilmen der Fall ist. Der Grafitfilm hindert das Zinn etwas beim Aufreißen, es schwimmt nicht so leicht beiseite". Aber bei der Duplex-Beschichtung (Warenoberfläche-Bleischicht-Zinnschicht-Grafitoberfläche) sorgt das bei niederen Temperaturen schon flüssige Eutektikum des Blei/Zinns (37/63) für das Aufschmelzen von innen her, daß jetzt in leichter Weise die Lötschmelze der erfindungsgemäßen Kombination für die Lötverbindung freigelegt wird.
Das Verfahren eignet sich vorzugsweise für schüttfähige Warenteile nach einem Ausführungsbeispiel. Nach einem Ausführungsbeispiel kann wie folgt vorgegangen werden: Die Messerteile aus beispielsweise Messing werden entweder galvanisch oder im Schmelzwege nach bekannten Verfahren verbleit.
Die Dicke kann ca. 2-3 my betragen. Danach werden die verbleiten Teile galvanisch mit Reinzinn in Bädern verzinnt. Es ist vorteilhaft die Verzinnung auch im galvanischen Bädern vorzunehmen, die keine organischen Badkomponenten mit in die Zinnschicht einbauen können, um die nachfolgende Sinterung und damit die Rekristallisation nicht zu stören.
Die Sinterung wird erfindungsgemäß im Anschluß an den Galvanoprozeß bei Temperaturen von ca. 1500 C. vorgenommen. Dies geschieht zweckmäßig bei rollender Warenbewegung in heizbaren Trommeln. Erfindungsgemäß wird während der Sinterung die galvanische Zinnschicht chemisch aktiviert, um Oxyde und chemische Badreste von der Oberfläche zu entfernen. Das geschieht zweckmäßig mit Flußmittellösungen auf Zinkchloridbasis u.a.m. Die Sinterung erfordert max. nur 5-8 Minuten Zeit. Danach wird die gespülte und getrocknete Ware mit oder auch ohne bekannte Polierkugeln in achteckigen Trommeln mit Grafit - zweckmäßig mit feinstem Naturgrafitpuder - in Mengen bis ca. 0,15-0,20-pro Mille ca. 10 - 30 Minuten gerollt.
Die Teile sind also so als Kontaktelemente verwendungsfähig.
Es ist denkbar, daß anstelle von Grafit oder neben Grafit auch andere Materialien wie Carbonylnickel oder reduktive Silberkomponenten mit eingerollt werden können.
Es ist hervorzuheben, daß die Behandlungen in allen Fällen nur auf Oberflächenschichten im Bereich bis ca. max. 0,5-1 my D cke sich erstrecken. Es ist auch denkbar, daß im Wege des Aufschmelzens erzielte Zinnschichten oder Zinn-Blei-Schichten (60/40) anschließend etwas aufgerauht und dann mit Grafit kugelpoliert werden. Die Verfahrensgänge sind dann 1. nach bekannten Verfahren Simplex-oder Duplexschichten auf Messingteile aufschmelzen.
2. die verzznten Teile mit Korund oder Quarz in Trommeln rollen, wodurch die Oberfläche zur Aufnahme der Inkorporationsmittel geöffnet wird.
3. die aufgerauhte Ware anschließend mit den angegebenen Mengen Naturgrafit mit oder ohne Polierkugeln oder ähnlichem rollen.
Der Grafit oder andere Zugabekomponenten werden dabei in die vorher aufgerauhte Struktur eingedrückt und es wird eine Metall-Nichtmetall-Kombination mit gleit-, löt- und kontaktfähigen Eigenschaften erwartet, die auch eine gute Resistenz gegen Oxydation hat.

Claims

Patentansprüche

Cl Verfahren zur Herstellung von gleitfähigen Zinnschichten oder Zinn-Blei-Schichten auf elektrischen Kontaktoberflächen mit niedrigen Reibungsbeiwerten, guter Lötf;;higkeit und gegen oxydable Einflüsse resistenter Oberfläche dadurch gekennzeichnet, daß die Zinn- oder Zinn-Blei-Schichten im Sugelpolierverfahren unter Zugabe von die Gleitung förderlichen Stoffen wie Grafitpuder im Grenzbereich der Oberfläche inkorporiert und gleichzeitig kaltverfestigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Zinnschicht galvanisch aufgetragen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 - 2 dadurch gekennzeichnet, daß die galvanisch aufgetragene Schicht vor der Inkorporation gesintert und gletnchzeitig mit Flußmittel bis zu Temperaturen von max. 1500C, behandelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 - 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Messingkontaktflächen vor der galvanischen Zinnbeachichtung zuerst mit einergalvanischen oder im Schmelzwege aufgebrachten Blei- oder zinnarmen Bleischicht versehen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung der Kontaktflächen nur im Schmelzwege mit 60/40 SnPb (Simplex) oder in zwei Gängen (zuerst verbleien dann verzinnen) Duplex mit Reinzinn (Simplex) erfolgt, wobei anschließend die Oberfläche mechanisch durch Scheuern mittels Korund aufgerauht und dann mit Grafit inkorporiert und mittels Kugelpolierverfahren kaltverfestigt werden.
6. Verfahren nach Ansprüchen 1 - 5 dadurch gekennzeichnet, daß die verzinnten Kontaktteile im Kugelpolierverfahren mit ca. 0,15 - 0,20 pro Mille Naturgrafit gerollt werden.
7. Verfahren nach Ansprüchen 1 - 6 dadurch gekennzeichnet, daß neben Grafit auch Carbonylnickel -undJoder Silbersubstrate mit eingerollt werden.