WO2006082248A1 - Elektrischer kontakt und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Elektrischer kontakt und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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galvanic bath
nickel
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Silvan Hippchen
Christian Lang
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    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
    • H01R13/02—Contact members
    • H01R13/03—Contact members characterised by the material, e.g. plating, or coating materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R43/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors
    • H01R43/16—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for manufacturing contact members, e.g. by punching and by bending
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/24—Connections using contact members penetrating or cutting insulation or cable strands

Definitions

  • the invention relates to an electrical contact and a method for producing the same according to the preamble of the independent claims.
  • a suitable pretreatment of the surface is provided at least one of the two joining partners.
  • a limitation of the joining forces is achieved by a corresponding lubricating effect or reduction of the coefficient of friction between the joining partners, wherein the state of the surface should be as defined as possible and reproducible. This is a prerequisite for ensuring a positive and non-positive connection as well as a successful process control (force-distance monitoring).
  • a disadvantage of tin coatings is that chips are formed systematically in the clamping area when joining the corresponding joining partners, which can lead to short circuits in the subsequent application.
  • the application of a chemical surface treatment involves the risk that chemical substances are being carried off and it can be strong Are subject to process fluctuations. This also makes a process control difficult.
  • the object of the present invention is to propose an electrical contact or a cost-effective coating method for its production, which enables reliable application of the cold-contacting technique.
  • the electrical contact according to the invention or the method for its production with the characterizing features of the independent claims has the advantage that in a simple and cost-effective manner, a modification of the surface of the electrical contact can be achieved, which is suitable for a reliable application of the cold bonding technique.
  • the contact surface in particular one
  • Coating formed from a dispersion of particles of carbon and / or a polymer in a metal The particles embedded in the metallic matrix act as a lubricant, which makes the surface of the coated electrical contact lubricious.
  • Particularly advantageous is the use of a copper or nickel-containing metal as a metallic matrix for incorporation of the particles, since these
  • Metals are characterized by hardness and corrosion resistance. It is also advantageous if graphite particles or particles of PTFE particles are used as carbon particles, since these show good lubricating properties.
  • the coating of the electrical contact is galvanic, wherein the galvanic bath carbon particles are added.
  • the coating of the contact surface can be carried out inexpensively and largely free of process fluctuations.
  • the galvanic bath used for the coating contains surfactants, since in this way an agglomeration of the dispersed in the galvanic bath Particles can be avoided. In this way, a reproducible incorporation of the particles is ensured in the metallic structure of the coating.
  • FIG. 1a schematically shows an application of the cold contacting technique with joining partners according to the prior art
  • FIG. 1b schematically shows an application of the cold contacting technique with joining partners according to the present invention
  • FIG. 2 shows a cutting space through a coated surface of an electrical contact according to the invention.
  • the electrical contact according to the present invention has, at least in its contact region, a coating which comprises a metallic matrix in which particles of carbon and / or a polymer are incorporated.
  • the main constituent of this particle-containing, metallic dispersion layer is in particular copper and / or nickel, since these metals form sufficiently hard and corrosion-resistant coatings; however, silver-based coatings may also be used.
  • the coating may include alloys of said metals with each other or with other metallic components. If a silver-containing coating is considered, then when applying the contact as an insulation displacement connection both joining partners should be provided with a silver-containing coating.
  • carbon particles in particular graphite particles are suitable because they show a good lubricating effect.
  • carbon black in particular furnace black
  • polymer particles in particular particles of polytetrafluoroethylene (PTFE) are suitable; the use of particles of silicone or perfluorosilicone is also conceivable.
  • the particles preferably have an average diameter of up to 4 ⁇ m, in particular from 1 to 3.5 ⁇ m.
  • the particles are contained in the coating, for example, to 0.4 to 2.5 wt.%. - A -
  • the coating of the surface of the electrical contact is preferably carried out galvanically.
  • the particles intended for storage in the resulting metallic layer are added to the galvanic bath and dispersed.
  • the electrical contact to be coated is immersed in the galvanic bath and contacted as a cathode.
  • the galvanic bath contains a suitable copper or nickel electrolyte, for example based on corresponding metal cyanides.
  • a suitable copper or nickel electrolyte for example based on corresponding metal cyanides.
  • Exemplary compositions of plating baths for copper or nickel deposition are given below:
  • Free potassium cyanide content 20 g / l
  • the electrical contact is preferably subjected to a pretreatment before the coating.
  • at least the surface of the electrical contact to be coated for example, first subjected to degreasing, preferably electrolytically at a temperature of about 50 to 70 0 C, in particular at 60 0 C and a current density of about 2 to 5
  • a / dm 2 in particular at 3 A / dm 2 is carried out for about 5 minutes.
  • the degreased surface is then preferably subjected to a one-minute rinse with demineralized water.
  • activation of the surface to be coated can then follow. For example, it is exposed to a 5% sulfuric acid solution at room temperature for, for example, 2 minutes. The surface to be coated is then rinsed again. The thus pretreated surface of the electrical contact to be coated is then subjected to the actual coating.
  • the coated electrical contact As a post-treatment of the coated electrical contact this can first be rinsed again, followed by a one-minute hot rinse in demineralized water at 70 to 95 0 C, in particular at 90 0 C can follow. Finally, the coated electrical contact is subjected to drying at 60 ° C., preferably for 2 minutes in a drying oven.
  • Kaltcardiertechnik takes place a compression of the two joining partners, for example in the form of an insulation displacement connection or by press-fitting. This procedure is graphically illustrated in the figures Ia and Ib. If, as illustrated in FIG. 1 a, a pin 12 is inserted into a clamp or sleeve 14 which has a coating 15 according to the prior art, then a chip 16 may form, which may possibly lead to a short circuit. If, on the other hand, the sleeve 14 is provided with a coating 15a according to the present invention, then, as shown in FIG. 1b, it does not occur
  • FIG. 2 shows a transverse section through an electrical contact coated with a carbon-containing copper layer. It can be seen that the coating 15a contains embedded carbon particles 18.
  • the invention is not limited to the coating of a joining partner when using cold bonding techniques. Rather, both joining partners can be provided with a coating. Furthermore, the coating can also be applied in an electroless manner. The coating can also be applied to others

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Abstract

Es wird ein elektrischer Kontakt für die Kaltkontaktiertechnik beschrieben mit einem metallischen Substrat (14), das mit einer Beschichtung (15a) versehen ist, wobei die Beschichtung (15a) aus einer Dispersion von Partikeln (18) aus Kohlenstoff und/oder einem Polymer in einem Metall gebildet ist.

Description

Elektrischer Kontakt und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Kontakt und ein Verfahren zur Herstellung desselben nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Bei Anwendung von Verfahren der Kaltkontaktiertechnik, die beispielsweise auf der Verwendung von Schneidklemmverbindungen oder einer geeigneten Einpresstechnik beruhen, ist bei mindestens einem der beiden Fügepartner eine geeignete Vorbehandlung der Oberfläche vorgesehen. Auf diese Weise wird eine Begrenzung der Fügekräfte durch eine entsprechende Schmierwirkung bzw. Reduktion der Reibzahl zwischen den Fügepartnern erreicht, wobei der Zustand der Oberfläche möglichst definiert und reproduzierbar sein sollte. Dies ist eine Voraussetzung für die Sicherstellung einer form- und kraftschlüssigen Verbindung sowie einer erfolgreichen Prozesskontrolle (Kraft- Weg- Überwachung).
Bisher sind Verfahren bekannt, bei denen eine Schmierwirkung entweder über eine Zinnbeschichtung mit einigen Mikrometern Dicke oder über die Applikation von chemischen Stoffen erreicht wird, deren Rückstände eine Reduktion der Reibzahl der behandelten Oberfläche bewirken.
Nachteilig an Zinnbeschichtungen ist, dass beim Fügen der entsprechenden Fügepartner systematisch im Klemmbereich Späne gebildet werden, was in der späteren Anwendung zu Kurzschlüssen führen kann. Die Applikation einer chemischen Oberflächenbehandlung birgt die Gefahr, dass chemische Substanzen verschleppt werden und sie kann starken Prozessschwankungen unterliegen. Damit gestaltet sich auch eine Prozesskontrolle schwierig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Kontakt bzw. ein kostengünstiges Beschichtungsverfahren zu dessen Herstellung vorzuschlagen, das eine zuverlässige Anwendung der Kaltkontaktiertechnik ermöglicht.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße elektrische Kontakt bzw. das Verfahren zu dessen Herstellung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, dass auf einfache und kostengünstige Weise eine Modifizierung der Oberfläche des elektrischen Kontaktes erreicht werden kann, die für eine zuverlässige Anwendung der Kaltkontaktiertechnik geeignet ist. Dazu weist die Kontaktoberfläche insbesondere eine
Beschichtung auf, die aus einer Dispersion von Partikeln aus Kohlenstoff und/oder einem Polymer in einem Metall gebildet ist. Die in der metallischen Matrix eingelagerten Partikel wirken dabei als Schmierstoff, der die Oberfläche des beschichteten elektrischen Kontaktes gleitfähig macht. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung eines kupfer- bzw. nickelhaltigen Metalls als metallische Matrix zur Einlagerung der Partikel, da diese
Metalle sich durch Härte und Korrosionsbeständigkeit auszeichnen. Weiterhin ist von Vorteil, wenn als Kohlenstoffpartikel Graphitpartikel bzw. als Polymerpartikel PTFE- Partikel eingesetzt werden, da diese gut schmierende Eigenschaften zeigen.
Mit den in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen elektrischen Kontaktes bzw. Verfahrens möglich.
So ist es von Vorteil, wenn die Beschichtung des elektrischen Kontaktes galvanisch erfolgt, wobei dem galvanischen Bad Kohlenstoffpartikel zugesetzt werden. Auf diese Weise kann die Beschichtung der Kontaktoberfläche kostengünstig und weitgehend frei von Prozessschwankungen durchgeführt werden.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn das zur Beschichtung verwendete galvanische Bad Tenside enthält, da auf diese Weise ein Agglomeration der im galvanischen Bad dispergierten Partikel vermieden werden kann. Auf diese Weise wird ein reproduzierbarer Einbau der Partikel in das metallische Gefüge der Beschichtung gewährleistet.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur Ia zeigt schematisch eine Anwendung der Kaltkontaktiertechnik mit Fügepartnern gemäß Stand der Technik, Figur Ib zeigt schematisch eine Anwendung der Kaltkontaktiertechnik mit Fügepartnern gemäß vorliegender Erfindung und Figur 2 eine Schnittaumahme durch eine beschichtete Oberfläche eines erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktes.
Ausführungsbeispiel
Der elektrische Kontakt gemäß vorliegender Erfindung weist zumindest in dessen Kontaktbereich eine Beschichtung auf, die eine metallische Matrix umfasst, in die Partikel aus Kohlenstoff und/oder einem Polymer eingelagert sind. Hauptbestandteil dieser partikelhaltigen, metallischen Dispersionsschicht ist insbesondere Kupfer und/oder Nickel, da diese Metalle ausreichend harte und korrosionsbeständige Beschichtungen bilden; es können jedoch auch Beschichtungen auf der Basis von Silber zur Anwendung kommen. Die Beschichtung kann dabei Legierungen der genannten Metalle untereinander oder mit weiteren metallischen Komponenten umfassen. Wird eine silberhaltige Beschichtung in Betracht gezogen, so sollte bei Anwendung des Kontakts als Schneidklemmverbindung beide Fügepartner mit einer silberhaltigen Beschichtung versehen sein.
Als Kohlenstoffpartikel sind insbesondere Graphitpartikel geeignet, da diese ein gute Schmierwirkung zeigen. Alternativ ist jedoch die Verwendung von Ruß, insbesondere von Ofenruß als kohlenstoffhaltige Komponente möglich. Als Polymerpartikel sind insbesondere Partikel aus Polytetrafluorethylen (PTFE) geeignet; die Verwendung von Partikeln aus Silicon oder Perfluorosiliconen ist ebenfalls denkbar. Die Partikel weisen dabei vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von bis zu 4 μm, insbesondere von 1 bis 3.5 μm auf. Die Partikel sind in der Beschichtung bspw. zu 0.4 bis 2.5 Gew.% enthalten. - A -
Die Beschichtung der Oberfläche des elektrischen Kontaktes erfolgt vorzugsweise galvanisch. Dabei werden die zur Einlagerung in die entstehende metallische Schicht vorgesehenen Partikel dem galvanischen Bad zugesetzt und dispergiert. Der zu beschichtende elektrische Kontakt wird in das galvanische Bad eingetaucht und als Kathode kontaktiert.
Das galvanische Bad enthält einen geeigneten Kupfer- bzw. Nickelelektrolyten, beispielsweise auf der Basis entsprechender Metallcyanide. Beispielhafte Zusammensetzungen galvanischer Bäder zur Kupfer- bzw. Nickelabscheidung sind nachfolgend angegeben:
Kupferabscheidung:
Kupfergehalt: 45 g/l
Freier Kaliumcyanidgehalt: 20 g/l
Kaliumhydroxidgehalt: 10 g/l
Glanzzusatz
Netzmittel
Graphitpulver: 100 g/l
Tenside (50%ige Lösung): 5 g/l
Nickelabscheidung:
Grundelektrolyt: Wattscher Nickelelektrolyt
70 g/l Nickel (in Form von Nickelsulfat bzw. Nickelchlorid)
15 g/l Chlorid (in Form von Nickelchlorid)
40 g/l Borsäure 50 - 100 ml/1 Netzmittel
Insgesamt 70 - 100 ml/1 Glanzzusätze
100 g/l Graphitpulver
5 ml Tenside (50%ige Lösung) Durch Zugabe eines Tensides wird die Agglomeration der Partikel verhindert und der Einbau der Partikel in die Beschichtung gewährleistet. Das galvanische Bad wird während der Abscheidung der Beschichtung vorzugsweise bei einer Arbeitstemperatur von 20 bis 600C betrieben, vorzugsweise bei 400C für die Abscheidung von Kupfer bzw. bei 500C für die Abscheidung von Nickel. Weiterhin wird während der Abscheidung eine Stromdichte von ca. 1-2 A/dm2 bei der Abscheidung von Kupfer und von ca. 3 A/dm2 bei der Abscheidung von Nickel eingehalten. Während der Abscheidung wird das galvanische Bad bewegt, beispielsweise durch Rühren oder eine geeignete Kreislaufführung des Elektrolyts.
Der elektrische Kontakt wird vor der Beschichtung vorzugsweise einer Vorbehandlung unterzogen. Dazu wird zumindest die zu beschichtende Oberfläche des elektrischen Kontaktes beispielsweise zunächst einer Entfettung unterzogen, die vorzugsweise elektrolytisch bei einer Temperatur von ca. 50 bis 700C, insbesondere bei 600C und einer Stromdichte von ca. 2 bis 5
A/dm2, insbesondere bei 3 A/dm2 für ca. 5 Minuten durchgeführt wird. Die entfettete Oberfläche wird danach vorzugsweise einer einminütigen Spülung mit demineralisiertem Wasser unterzogen.
Bedarfsweise kann sich dann eine Aktivierung der zu beschichtenden Oberfläche anschließen. Dazu wird diese beispielsweise einer 5%igen Schwefelsäurelösung bei Raumtemperatur für beispielsweise 2 Minuten ausgesetzt. Die zu beschichtende Oberfläche wird dann erneut gespült. Die so vorbehandelte Oberfläche des zu beschichtenden elektrischen Kontakts wird dann der eigentlichen Beschichtung unterzogen.
Als Nachbehandlung des beschichteten elektrischen Kontakts kann dieser zunächst erneut gespült werden, worauf sich ein einminütiges Heißspülen in demineralisiertem Wasser bei 70 bis 95 0C, insbesondere bei 900C anschließen kann. Abschließend wird der beschichtete elektrische Kontakt einer Trocknung bei 600C, vorzugsweise für 2 Minuten in einem Trockenofen unterzogen.
Der elektrische Kontakt ist vorzugsweise als Steckkontakt ausgeführt. Bei der
Kaltkontaktiertechnik findet eine Verpressung der beiden Fügepartner statt, beispielsweise in Form einer Schneidklemmverbindung oder durch Einpresstechnik. Diese Vorgehensweise ist graphisch in den Figuren Ia und Ib verdeutlichet. Wird dabei, wie in Figur Ia verdeutlicht, ein Pin 12 in eine Klemme bzw. Hülse 14 eingeführt, die eine Beschichtung 15 gemäß Stand der Technik aufweist, so kann es zur Bildung eines Spanes 16 kommen, der ggf. zu einem Kurzschluss führen kann. Wird dagegen die Hülse 14 mit einer Beschichtung 15a gemäß vorliegender Erfindung versehen, so kommt es, wie in Figur Ib dargestellt, nicht zur
Spanbildung.
In Figur 2 ist ein Querschliff durch einen mit einer kohlenstoffhaltigen Kupferschicht beschichteten elektrischen Kontakt dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass die Beschichtung 15a eingelagerte Kohlenstoffpartikel 18 enthält.
Die Erfindung ist nicht auf die Beschichtung eines Fügepartners bei Anwendung von Kaltkontaktiertechniken beschränkt. Vielmehr können auch beide Fügepartner mit einer Beschichtung versehen werden. Weiterhin kann die Beschichtung auch auf stromlosem Wege aufgebracht werden. Die Beschichtung kann zudem auch auf andere
Anwendungsfelder übertragen werden, für die die Existenz harter Beschichtungen mit geringem Reibwert unabdingbar sind. Dies ist beispielsweise bei Ventilen, Düsen oder kolbenführenden Systemen der Fall.

Claims

Ansprüche
1. Elektrischer Kontakt für die Kaltkontaktiertechnik mit einem metallischen Substrat (14), das mit einer Beschichtung (15a) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (15a) aus einer Dispersion von Partikeln aus Kohlenstoff (18) und/oder einem Polymer in einem Metall gebildet ist.
2. Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Kupfer und/oder Nickel enthält.
3. Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (18) Graphitpartikel und/oder PTFE-Partikel sind.
4. Elektrischer Kontakt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelanteil in der Beschichtung (15a) 0.4 bis 2.5 Gew.% beträgt.
5. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein metallisches Substrat (14) galvanisch beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem galvanischen Bad Kohlenstoffpartikel und/oder PTFE-Partikel zugesetzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das galvanische Bad einen Nickel- und/oder einen Kupferelektrolyt enthält.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das galvanische Bad ein Tensid enthält.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das galvanische Bad auf eine Temperatur von 30 bis 60 0C aufgeheizt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das galvanische Bad mit einer Stromdichte von 1 bis 4 A/dm2 betrieben wird.
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