耐磨性和寿命电触点之间的相关性

文摘

镀电触点通常是为了防止腐蚀。电镀的可拆式电触点之间的运动体验穿因为联系人。一旦保护板已经磨损,电触点会失败迅速由于腐蚀或接触腐蚀。因此镀层的耐磨性是一个非常重要的参数对电触点的长寿命。许多措施改善耐磨性可以减少电镀的导电率。因为电镀的电触点必须有高耐磨性和高导电性,高性能电镀生产的电触点构成了巨大的挑战。我们的研究显示首先镀层的耐磨性和寿命之间的关系的电触点和措施,提高耐磨性,而不影响电气性能的联系。

1。介绍

铜和铜合金是最广泛使用的基本材料电触点。铜和铜合金都容易腐蚀和氧化。因此电触点通常涂有保护板。最广泛使用的涂层材料是锡、银、金、钯、镍、和多元合金的金属。而被认为是另一个主要问题,影响电连接器的一生。不同的现象与担忧,如磨损、接触疲劳、接触腐蚀,氧化绝缘层,1- - - - - -3]。在这些现象腐蚀、隔热层和氧化物基本上是一个主要的直接原因增加接触电阻。著的电镀金属通常容易接触腐蚀。因此使用金属很少或没有成膜的倾向,一般称为贵重金属,镀材料应该是一个有效的措施避免失败而造成的。黄金是一种最常用的珍贵的电镀材料高性能电触点。精金是很软。当使用黄金作为涂层材料,一生的限制之一是镀层的耐磨材料。这是一些作者观察到(1,2]。硬金通常是为了提高使用金镀层的耐磨性。高硬度是通过合金化元素,如钴、铁或镍。然而,合金元素的影响是有限的电镀过程和其他表面性质,也需要电接触。

而不是合金元素,纳米粒子,主要是金属氧化物,也可以用于电镀的修改。使用纳米粒子的原因是基于纯黄金的硬度是高压70的硬度硬金是高压170 (3]。纳米级的金属氧化物颗粒的硬度范围从高压700 - 2300 (4]。众所周知从摩擦学的研究一般硬材料比软耐磨材料,提供其他特征的材料是相同的2]。聚四氟乙烯之间的摩擦接触,因此降低了磨损。这些可以提供额外的一生中改进5]。然而聚四氟乙烯基本上是一个电气隔离器。因此它必须小心使用电触点为了缓解增加接触电阻。

2。实验

的磨损和接触腐蚀测试仪器使一个小的和精确的位移而运动接触界面(图1)。piezoelectrical致动器向前和向后移动生成联系人之间的相对运动。擦是50μ米,与位移之间的热膨胀差异造成的PCB和连接器。的时间周期是1 s,这足够缓慢,使表面氧的化学吸收作用和足够快,使一个可接受的测试时间。提供了接触力恒载。法向力是2 N。联系人连接四线电阻测量。计算机控制的数据采集系统。

透射电子显微镜(TEM)加上一个图像处理程序被用于表征纳米粒子的粉末。超细粒子分析仪(UPA)合并控制参考方法(CRM)在动态光散射仪,用于测定电解质的粒度分布。穿的接触面积测量磨损试验后用共焦激光扫描显微镜(样品形貌),表面形貌的测量精度10纳米。扫描电子显微镜(SEM)和聚焦离子束(FIB)系统和能量色散x射线能谱(EDX)、x射线荧光光谱仪和光学显微镜也用于电镀的材料和表面分析。

接触弹簧上。贱金属使用磷青铜(CuSn)。大小和设置如图2。

板材料进行本研究锡、银、精金,和硬金、修改与不同的硬合金元素,铁、有限公司或镍纳米粒子。锡和银盘的厚度是3μm。金镀层的厚度通常是更薄,因为黄金的高成本。金镀的厚度用于这项研究是在0.6和1之间μm。在黄金镀镍层间(阻挡层)的利用,从而防止黄金与基材之间的扩散和建筑的金属间化合物阶段。纳米粒子用于调查的材料是铝或钛氧化物和聚四氟乙烯。铝和钛氧化物的纳米粒子是由IME RWTH大学亚琛。被用于不同的峰值大小和尺寸分布调查,以找出粒子大小的影响。聚四氟乙烯是x - 7986三叶草技术。聚四氟乙烯的平均粒径约200海里。样品都是电镀的。每个测试的配件总是用同样的材料涂层。在修改与纳米粒子的情况下,这些被添加到电解质没有预处理,使其振动为了实现粒子在电解质的均匀分布。的一个工艺参数影响纳米颗粒的浓度在镀纳米粒子的数量增加电解质。 It was expected that with increasing concentration of nanoscale particles in electrolytes more nanoscale particles would find their way to platings.

若干标准可以用来决定电触点的生命周期。周期的数量迅速增加接触电阻在这项研究中使用的一生,因为它有最强的对电触点的行为的影响。设置两个极限的一生。一生中我被定义为周期导致的数量增加了300%的接触电阻和终身II的周期当300Ω的接触电阻测量(6]。一生结束时我第一次镀发生损害和联系人通常还能正常工作。年底一生第二电触点不能预期的正常功能(图3)。

电触点磨损的同时测量接触电阻的测试。磨损率,定义为每1000周期运动,磨损深度可以从磨损曲线计算。通常有两个阶段的磨损。第一个阶段是在板的磨损,通常发生的速度比第二阶段。第二阶段是夹层或贱金属的磨损(图4)。通常有一个很好的阶段我的磨损和寿命之间的相关性的电气联系,即时的时间以来第一阶段的磨损部分的对应时间的即时的板导致第一个电触点不稳定。第一阶段的磨损速度穿是穿镀层的性能。因此这是电镀的研究有关。

3所示。结果与讨论

数据5(一个)和5 (b)显示电触点的有生之年I和II的镀锡、银、精金(软黄金)。我一生所有的镀锡只有大约100个周期。这意味着初始伤害后观察到的只有很短的操作时间。原因是非常柔软的锡镀层,有部分磨损后少量的运动周期。接触银和软黄金镀显示更长的寿命I和II。应该提到这一点,银镀层的厚度(3μ米)远高于黄金镀(0.6和1μ米)。

耐磨性的意义对电触点寿命明显观察磨损率之间的相关性和电触点(人物的一生6(一)和6 (b))。最好的相关性是观察之间的磨损率和生命周期,自第一不稳定发生一旦首次开始在板的局部磨损。一生二世是一个实用的定义,但身体的定义有点模糊。部分取决于电阻增加的程度的碎片分布在接触区,尤其是贵金属。在这个阶段都穿的碎片和交通板电阻中发挥重要作用。可以观察到不同的磨损模式,这将在稍后讨论。

一生的黄金电镀可以进一步提高通过修改黄金镀硬质合金元素或纳米粒子。不同的纳米粒子的影响一生的电触点磨损和接触腐蚀测试,相比纯黄金,黄金,这是最广泛的用于高性能电接触,如图7。大范围的一生并不是因为一个失控的值,但经由大量的测量。了一生的大范围一方面显示了广泛的潜在的纳米粒子改性金电镀,另一方面大量的参数在过程链中从生成纳米粒子的纳米粒子改性金电镀,还需要调查和特点。

一个非常好的黄金镀层的磨损率之间的相关性和电触点的生命周期在磨损和接触腐蚀的测试中都可以观察到终身I和II (cf数据8(一个)和8 (b))。与磨损率增加(减少耐磨性)电触点的寿命减少。纯(软)的磨损率金与锡相当。通过黄金的修改,可以降低磨损率两到三年,因此电触点的生命周期也可以增加了20多年。这意味着许多措施用于提高轴承材料和经验在这个领域也可以申请涂层材料的电触点。它也指出,在摩擦系数方面的要求轴承和电触点都是相似的。低摩擦系数会导致较低的电连接器插拔力,这是想要的。

这一事实之间有很好的相关性的磨损率和生命周期支持的方法调查。增加镀层的耐磨性可以导致长寿命与黄金镀电触点。

的纳米粒子改性镀层显示一个非凡的长和短的一生表明,(我)有一个巨大的潜在的改善金镀的一生与纳米粒子;(2)将纳米粒子单独在电镀不会充分的。其他基本条件必须考虑为了达到预期的效果。

因此,进一步分析这些基本条件进行了研究。

3.1。纳米粒子的浓度在电解质和电镀

不同的纳米粒子的样本镀电解质浓度。一定浓度的纳米粒子,样品与长时间的观察(图9)。浓度的进一步增加没有改善镀层的性能(图10)。调查显示,无论是纳米粒子的浓度之间的相关性在电解质和电镀,也不是一生的电触点之间的相关性和镀层中纳米粒子的浓度存在。这些事实意味着镀层中纳米粒子的数量不确定参数电触点的一生。因为我们知道,有一个很好的金镀层的磨损率之间的相关性和电触点的生命周期,这些结果还说明,镀层中纳米粒子的数量不确定参数的耐磨性。

3.2。最大粒度的影响

峰值粒度的定义是最经常观察粒子的大小。因此粒子的特征之一。小粒子一般较难产生比更大,但认为更强烈绑定到基质材料,因为它们更大的特定的表面(表面/体积)。图11显示,这并不一定导致长寿命。

纳米粒子在电解液结块。由于电解质的粒度测量峰值远远大于粉或水。图12表明,如果聚集变得太大,平均寿命将会缩短。极限似乎金板的厚度。

3.3。镀层的厚度的影响

自穿镀成正比的运动周期,周期的数量金板的磨损应该与金板的厚度成正比。黄金板磨损后,层间的接触腐蚀可以开始。因此依赖一生的厚度。我们的研究结果表明,最小厚度约为0.7μm是需要实现长寿命。然而,厚度是一个长寿命的必要条件但不是充分条件。一些样品用厚板也显示一个简短的一生。

镍层间有强烈影响一生的电触点。样品与镍层间为2.3μ或少存活不到10000周期。所有样品的幸存下来的异常大量的周期超过200000的镍层间超过3μm。一批纳米粒子的详细分析,显示大约120000周期的平均寿命最长,证实镍层间的重要性。乍一看还有一个非常大的散射的结果。批的厚度从0.85到1.2不等μm。不过最好的样品厚度为1μm(图13)。不过确定镍层间可以清楚地证明的重要性;参见图14。

类似的现象也观察到硬金镀层。这一现象的原因是地下塑性变形,导致深化穿槽表面和扣在夹层的形成。以上这些扣,局部表面磨损发生。重复循环,最终夹层材料的接触发生在这些网站。这个事件表明当地膨胀的层间通过最后的涂层。发现足够厚和硬镀机理可能被淘汰2]。这一现象的另一个原因是层间粗糙度的依赖在夹层的厚度。发现的层间粗糙度随厚度增加而降低4μ米(7]。应该提到这一点,夹层的厚度当然不是唯一确定参数的电触点寿命与纳米粒子改性黄金电镀。黄金镀纳米粒子的数量必须超过一定限制,可以间接地取决于纳米粒子的浓度。

3.4。聚四氟乙烯颗粒

正如所料,标本与聚四氟乙烯(图显示平均时间更长15)。为了缓解负面影响电气接触电阻,200海里的最小可用聚四氟乙烯颗粒被用于联系人。

3.5。地形的黄金镀

一旦等量的纳米颗粒在黄金电镀,表面地形也是一个重要因素。球形结构表面(图16)似乎比光滑表面(图更有利17)。使用的纳米粒子,金镀层的厚度,黄金镀层中纳米粒子的数量相同的在这两种情况下。金镀的厚度是1μm和纳米粒子的比例是1%。

3.6。穿模式

从电镀系统如图18三个穿模式可能开发(8]。

第一次穿模式是总穿的上层(图19)。在这种情况下我们有直接接触的屏障层,对接触腐蚀的敏感。因此电接触失败后不久,这个阶段。

第二个穿模式是最青睐的一个电动的联系人。贵金属在接触面积和他们不是氧化物(图覆盖着20.)。因此在这种情况下较低的接触电阻测量。电接触正常工作。

然而贵金属的底部穿坑并不是唯一标准的正确工作电接触。如果贵重金属部分氧化的碎片(图覆盖着21),联系人也会失败。

穿的黄金和穿之间的紧密依赖模式上可以观察到纳米粒子改性镀金。数据(22日)和22 (b)显示两个标本后的磨损面积50000 -循环测试。标本与低电阻更低的磨损,因此很多黄金仍然可以观察到50000 -循环测试后,人物(22日),说良好的磨损情况。标本50000 -周期之后高接触电阻测试有更高程度的磨损和接触面积是完全覆盖氧化镍的夹层和黑暗的黑色(图所示22 (b))。这是一个典型的磨损情况。

耐磨性和磨损情况也可以用能量色散x射线能谱分析(EDX)。高耐磨性,黄金的行扫描分布显示大量的黄金长期试验后的接触面积(图23日(一))。在镀金耐磨性差的情况下,黄金的行扫描分布显示了一个小得多的黄金数量的接触面积经过长期测试(图23日(b))。

4所示。结论

我们的研究表明,有一个非常好的相关性电触点的磨损率和生命周期。这意味着许多措施用于提高轴承材料除了知识和经验还可以应用于摩擦学涂层材料的电气接触。

第一个方法进行修改的黄金镀硬质合金元素和纳米粒子。他们可以增加黄金镀的耐磨性,因此导致大量增加的寿命电接触。必须满足的条件以达到所需的一生中改进。在这些条件下,数量、大小和黄金镀纳米粒子、金镀层和镍的厚度夹层,和黄金镀的地形是最重要的。

许多实验仍然需要为了找到最佳的纳米粒子对黄金电镀,掌握电镀过程和纳米颗粒的生产。纳米粒子的关键问题是稳定的粒度分布和颗粒分布在镀金。

确认

调查财务支持的欧洲联盟(欧盟、项目Nanogold)和德国Northrhine-Westfalia状态(NRW)。Enthone GmbH, Langenfeld RWTH大学、亚琛帕德伯恩大学特制产品,谢尔·菲尼克斯,显得过于支持材料的调查,标本,测量。

引用

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