Werkstoffe auf Gold-Basis

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Reines Gold ist neben Platin das chemisch beständigste aller Edelmetalle. Gold in unlegierter Form ist für die Verwendung als Kontaktwerkstoff in elektromechanischen Bauelementen aufgrund seiner Neigung zum Kleben und Kaltschweißen auch bei kleinen Kontaktkräften weniger gut geeignet. Außerdem ist Feingold nicht ausreichend mechanisch verschleißfest und widerstandsfähig bei elektrischer Belastung (Table 4). Daher beschränkt sich sein Einsatz meist auf dünne, galvanisch oder vakuumtechnisch aufgebrachte Schichten.

In der Praxis werden daher üblicherweise schmelztechnisch hergestellte Gold- Legierungen eingesetzt. Der Schmelzvorgang erfolgt dabei je nach Legierungskomponente in reduzierender Atmosphäre oder im Vakuum. Die Wahl der Legierungszusätze hängt wesentlich von der Anwendung der Werkstoffe ab. Aus der breiten Palette von Gold-Legierungen sind die binären Legierungen mit Zusätzen < 10 Massen-% an Edelmetallen wie Pt, Pd oder Ag bzw. Unedelmetallen wie Ni, Co, Cu hervorzuheben (Table 2). Diese Zusätze erhöhen einerseits die mechanische Festigkeit und wirken sich vorteilhaft auf das Schaltverhalten aus, verringern andererseits je nach Legierungspartner mehr oder weniger stark die elektrische Leitfähigkeit und die Korrosionsbeständigkeit (Figure 1).

Vor allem unter dem Aspekt der Goldeinsparung sind die ternären Legierungen mit Goldgehalten von ca. 70 Massen-% und Zusätzen von Ag und Cu bzw. Ag und Ni, z.B. AuAg25Cu5 oder AuAg20Cu10 zu sehen, die für viele Anwendungsfälle bei guten mechanischen Eigenschaften ausreichende Beständigkeit gegenüber Fremdschichtbildung bieten (Table 3).

Table 1: Überblick über die gebräuchlichsten Gold-Qualitäten

Bezeichnung

Zusammensetzung Au

(Mindestanteil)

Beimengungen in ppm/p></th>

<p class="s12">Hinweise für die Verwendung

Spektralreines Gold

Gold

99.999

Cu < 3

Ag < 3

Ca < 1

Mg <1

Fe < 1

Drähte, Bleche, Legierungszusätze für Halbleiter, elektronische Bauelemente

Hochreines Gold

99.995

Cu < 10

Ag < 15

Ca < 20

Mg < 10

Fe < 3

Si < 10

Pb < 20

Granalien für hochreine Legierungen, Bleche, Bänder, Rohre, Profile

Barren-Gold

99.95

Cu < 100

Ag < 150

Ca < 50

Mg < 50

Fe < 30

Si < 10

Legierungen, übliche Qualität

Table 2: Physikalische Eigenschaften von Gold und Goldlegierungen
Figure 1: Einfluss von 1-10 Atom-% verschiedener Zusatzmetalle auf den spez. elektrischen Widerstand p von Gold (nach Linde)


Table 3: Festigkeitseigenschaften von Gold und Goldlegierungen
Werkstoff Festigkeitszustand Zugfestigkeit Rm [MPa] min. Dehnung A10 [%] min. Vickershärte HV
Au R 140
R 170
R 200
R 240
140
170
200
240
30
3
2
1
20
50
60
70
AuAg20 R 190
R 250
R 320
R 390
190
250
320
390
25
2
1
1
38
70
95
115
AuAg30 R 220
R 260
R 320
R 380
220
260
320
380
25
3
1
1
45
75
95
110
AuAg25Cu5 R 400
R 470
R 570
R 700
400
470
570
700
25
4
2
2
90
120
160
185
AuAg20Cu10 R 480
R 560
R 720
R 820
480
560
720
820
20
3
1
1
125
145
190
230
AuAg26Ni3 R 350
R 420
R 500
R 570
350
420
500
570
20
2
1
1
85
110
135
155
AuAg25Pt6 R 280
R 330
R 410
R 480
280
330
410
480
18
2
1
1
60
90
105
125
AuCo5 R 340
R 390
R 450
R 530
340
390
450
530
10
2
1
1
95
105
120
150
AuCo5 vergütet heterogen 360 3 110-130
AuNi5 R 380
R 450
R 560
R 640
380
450
560
640
25
3
2
1
115
135
160
190
AuPt10 R 260
R 310
R 370
R 410
260
310
370
410
20
2
1
1
80
90
100
105
AuCu14Pt9Ag4 R 620
R 700
R 850
R 950
vergütet
620
700
850
950
900
20
3
2
1
3
190
225
260
270
280

Weitere ternäre Legierungen, die aus dem AuAg-System hervorgehen, sind die Werkstoffe AuAg26Ni3 und AuAg25Pt6. Diese Legierungen ähneln in ihren mechanischen Eigenschaften den AuAgCu-Legierungen, sind aber bei höheren Temperaturen deutlich oxidationsbeständiger (Table 4).

Table 4: Kontakt- und Schalteigenschaften von Gold und Goldlegierungen

Werkstoff

Eigenschaften

Au

Höchste Korrosionsbeständigkeit,

geringe Härte

hohe elektrische Leitfähigkeit,

starke Neigung zum Kaltschweißen

AuAg8

Hohe Korrosionsbeständigkeit,

thermokraftarm

niedriger Kontaktwiderstand

AuPt10

AuPd5

Sehr hohe Korrosionsbeständigkeit

hohe Härte

AuAg10 - 30

Weitgehend korrosionsbeständig

höhere Härte

AuNi5

AuCo5

Hohe Korrosionsbeständigkeit,

geringe Neigung zur Materialwanderung

hohe Härte

AuAg25Pt6

Hohe Korrosionsbeständigkeit, niedriger Kontaktwiderstand

hohe Härte

AuAg26Ni3

AuAg25Cu5

AuAg20Cu10

Bedingt korrosionsbeständig

hohe Härte

AuPd40

AuPd35Ag10

AuCu14Pt9Ag4

Hohe Korrosionsbeständigkeit

hohe Verschleißfestigkeit

Aufgrund des hohen Goldpreises tendiert seit Jahren die Entwicklung zu Goldlegierungen mit weiter reduziertem Goldgehalt. Ausgangspunkt hierfür ist das System AuPd, für das eine durchgehende Mischbarkeit der Komponenten besteht. Neben binären Legierungen z.B. AuPd40 und ternären Legierungen AuPd35Ag9 wurden auch Vielstofflegierungen entwickelt. Diese Legierungen enthalten meist weniger als 50 Massen-% Au und sind häufig aushärtbar, so dass Härte und Festigkeit noch deutlich gesteigert werden können. Derartige Werkstoffe kommen vor allem in Gleitkontaktsystemen zum Einsatz.

Gold-Legierungen werden in Form von geschweißten Draht- und Profilabschnitten, Kontaktnieten und plattierten Stanzteilen eingesetzt. Je nach konstruktiver Gestaltung der Kontaktteile ist für die Wahl des Verbindungsverfahrens die Wirtschaftlichkeit des Fügeprozesses und vor allem der sparsame Einsatz des teuren Edelmetalles entscheidend.

Gold-Legierungen werden sowohl als schaltende Kontakte in Relais und Tasten, als auch in Steckverbindern sowie in verschiedenen Gleitkontaktsystemen, wie Potentiometer, Sensoren, Schleifringübertragung und DC-Kleinstmotoren eingesetzt (Table 5).

Table 5: Anwendungsbeispiele und Anwendungsformen von Gold und Goldlegierungen

Werkstoff

Anwendungsbeispiele

Anwendungsformen

Feingold

(galvanisch)

Korrosionsschutz für Kontaktteile, ruhende Kontakte, Bondverbindungen

Galvanische Überzüge, Bondschichten

Hartgold

(galvanisch)

Kontaktteile für Steckverbinder und Schalter, Gleitkontaktbahnen, Bondverbindungen

Galvanische Überzüge auf Kontaktnieten und Stanzteilen

Hartgold

(gesputtert)

Kontaktstellen in Schaltern und Relais für geringe Lasten, Signalrelais

Kontaktschicht auf Miniprofilen

AuAg8

Schaltende Kontakte in trockenen Stromkreisen, Signalrelais

Kontaktniete, geschweißte Kontaktteile

AuAg20

Schaltende Kontakte für geringe Lasten,

Signalrelais

Kontaktniete, geschweißte Kontaktteile

AuAg25Cu5

AuAg25Cu10

AuAg26Ni3

Kontaktteile für Steckverbinder, Schalter und Relais

Plattierungen auf Cu-Legierungen, Kontaktniete, Kontaktschicht auf Miniprofilen

AuNi5

AuCo5 (heterogen)

Kontaktstellen in Schaltern und Relais für geringe und mittlere Lasten, materialwanderungsbeständige Kontakte

Kontaktniete, geschweißte Kontakte, Kontaktschicht auf Miniprofilen

AuPt10

AuAg25Pt6

Kontakte höchster chemischer Beständigkeit in Schaltern und Relais

Kontaktniete, Kontaktschicht auf Miniprofilen

AuCu14Pt9Ag4

Gleitkontakte für Messwertübertrager

Drahtbiegeteile


Figure 2 Fig. 2.3: Zustandsdiagramm von Gold-Platin


Figure 3 Fig. 2.4: Zustandsdiagramm von Gold-Silber


Figure 4 Fig. 2.5: Zustandsdiagramm von Gold-Kupfer


Figure 5 Fig. 2.6: Zustandsdiagramm von Gold-Nickel


Figure 6 Fig. 2.7: Zustandsdiagramm von Gold-Kobalt


Figure 7 Fig. 2.8: Verfestigungsverhalten von Au durch Kaltumformung


Figure 8 Fig. 2.9: Erweichungsverhalten von Au nach 0,5h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%


Figure 9 Fig. 2.10: Verfestigungsverhalten von AuPt10 durch Kaltumformung


Figure 10 Fig. 2.11: Verfestigungsverhalten von AuAg20 durch Kaltumformung


Figure 11 Fig. 2.12: Verfestigungsverhalten von AuAg30 durch Kaltumformung


Figure 12 Fig. 2.13: Verfestigungsverhalten von AuNi5 durch Kaltumformung


Figure 13 Fig. 2.14: Erweichungsverhalten von AuNi5 nach 0,5h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%


Figure 14 Fig. 2.15: Verfestigungsverhalten von AuCo5 durch Kaltumformung


Figure 15 Fig. 2.16: Aushärtung von AuCo5 bei 400°C Aushärtungstemperatur


Figure 16 Fig. 2.17: Verfestigungsverhalten von AuAg25Pt6 durch Kaltumformung


Figure 17 Fig. 2.18: Verfestigungsverhalten von AuAg26Ni3 durch Kaltumformung


Figure 18 Fig. 2.19: Erweichungsverhalten von AuAg26Ni3 nach 0,5h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%


Figure 19 Fig. 2.20: Verfestigungsverhalten von AuAg25Cu5 durch Kaltumformung


Figure 20 Fig. 2.21: Verfestigungsverhalten von AuAg20Cu10 durch Kaltumformung


Figure 21 Fig. 2.22: Erweichungsverhalten von AuAg20Cu10 nach 0,5h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%


Figure 22 Fig. 2.23: Verfestigungsverhalten von AuCu14Pt9Ag4 durch Kaltumformung


Figure 23 Fig. 2.24: Aushärtung von AuCu14Pt9Ag4 nach 50% Kaltumformung bei verschiedenen Anlasstemperaturen


Figure 2: Zustandsdiagramm von Gold-Platin
Figure 3: Zustandsdiagramm von Gold-Silber
Figure 4: Zustandsdiagramm von Gold-Kupfer
Figure 5: Zustandsdiagramm von Gold-Nickel
Figure 6: Zustandsdiagramm von Gold-Kobalt
Figure 7: Verfestigungsverhalten von Au durch Kaltumformung
Figure 8: Erweichungsverhalten von Au nach 0,5h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%
Figure 9: Verfestigungsverhalten von AuPt10 durch Kaltumformung
Figure 10: Verfestigungsverhalten von AuAg20 durch Kaltumformung
Figure 11: Verfestigungsverhalten von AuAg30 durch Kaltumformung
Figure 12: Verfestigungsverhalten von AuNi5 durch Kaltumformung
Figure 13: Erweichungsverhalten von AuNi5 nach 0,5h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%
Figure 14: Verfestigungsverhalten von AuCo5 durch Kaltumformung
Figure 15: Aushärtung von AuCo5 bei 400°C Aushärtungstemperatur
Figure 16: Verfestigungsverhalten von AuAg25Pt6 durch Kaltumformung
Figure 17: Verfestigungsverhalten von AuAg26Ni3 durch Kaltumformung
Figure 18: Erweichungsverhalten von AuAg26Ni3 nach 0,5h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%
Figure 19: Verfestigungsverhalten von AuAg25Cu5 durch Kaltumformung
Figure 20: Verfestigungsverhalten von AuAg20Cu10 durch Kaltumformung
Figure 21: Erweichungsverhalten von AuAg20Cu10 nach 0,5h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%
Figure 22: Verfestigungsverhalten von AuCu14Pt9Ag4 durch Kaltumformung
Figure 23: Aushärtung von AuCu14Pt9Ag4 nach 50% Kaltumformung bei verschiedenen Anlasstemperaturen

Referenzen

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