Werkstoffe aus Platin-Metallen

Zur Platingruppe zählen die Elemente Pt, Pd, Rh, Ru, Ir und Os (Table 1). Für Anwendungen in der Kontakttechnik haben Platin und Palladium als Legierungsgrundmetalle sowie Ruthenium und Iridium als Legierungsbestandteile praktische Bedeutung. Pt und Pd sind zwar ähnlich korrosionsbeständig wie Au, neigen aber aufgrund ihrer katalytischen Eigenschaften dazu, an der Kontaktoberfläche adsorbierte organische Dämpfe zu polymerisieren. Bei Reibbeanspruchung der Kontaktpartner entsteht dabei als Polymerisationsprodukt das sog. brown powder, das zu einer starken Erhöhung des Kontaktwiderstandes führen kann. Daher werden Pt und Pd nicht rein, sondern ausschließlich in Legierungsform für Kontaktzwecke eingesetzt.

Table 1: Eigenschaften, Verarbeitung und Anwendungsformen der Platin-Metalle

Elemente	Eigenschaften	Verarbeitung	Anwendungsformen
Ru Ruthenium	Mattgrau bis silberweiß, sehr hart und spröde, gegen Säuren bei Anwesenheit von Sauerstoff beständig, oxidiert bei Erhitzen an Luft	Aufdampfen, Sputtern, pulvermetallurgisch, Warmverformen nur bei 1200-1500°C möglich	Pulver, in Blechen und Beschichtungen, in Drähten meist nur als Legierungsbestandteil
Rh Rhodium	Nahezu silberweiß, sehr hart und spröde, in Säuren unlöslich, oxidiert an Luft bei Rotglut	Galvanisch, Aufdampfen, Sputtern, nach Warmverformung bei 800-1000°C, Kaltverformen möglich	Beschichtungen (galvanische Überzüge), Legierungsbestandteil, in geringem Umfang als Bleche und Drähte
Pd Palladium	Mattweiß, duktil, gegen die meisten Säuren beständig, oxidiert bei Rotglut	Galvanisch, Aufdampfen, Sputtern, Kaltverformen	Bleche, Bänder, Rohre, Drähte, Niete und Beschichtungen
Os Osmium	Bläulichweiß, härtestes Platinmetall, sehr spröde, gegen nichtoxidierende Säuren beständig, an Luft leicht oxidierbar	Pulvermetallurgisch	Pulver, Legierungsbestandteil
Ir Iridium	Nahezu silberweiß, sehr hart und spröde, säurebeständig, oxidiert bei Rotglut	Aufdampfen, Sputtern, pulvermetallurgisch, bei 1200-1500°C Warmverformen möglich	Pulver, Legierungsbestandteil, in geringem, Umfang als Blech
Pt Platin	Grauweiß, duktil, säurebeständig außer gegen Königswasser, HBr und HJ, oxidationsbeständig bei Rotglut	Galvanisch, Aufdampfen, Sputtern, Kaltverformen	Bleche, Bänder, Rohre, Drähte, Niete und Beschichtungen

Rhodium kommt als massiver Kontaktwerkstoff nicht zum Einsatz, wird jedoch als galvanisch aufgebrachte Schicht z.B. in Gleitkontaktsystemen verwendet. Ruthenium dient hauptsächlich als Legierungskomponente in PdRu15. Die Metalle Osmium und Iridium finden keine praktische Anwendung in der Kontakttechnik.

Da Pd lange Zeit sehr preisstabil war, galt es als geeignete Alternative zu dem teuren Gold. Zwischenzeitlich hatte der Palladiumpreis ein Niveau erreicht, das über dem des Goldes lag, so dass der Einsatz von Pd für Kontaktzwecke stark rückläufig war. Heute (2011) liegt der Palladiumpreis bei ca. 50% des Goldpreises.

Die Legierungen des Pt mit Ru, Ir, Ni und W wurden vor allem in elektromechanischen Bauelementen der Fernmeldetechnik und in hochwertigen Zündunterbrechern verbreitet eingesetzt (Table 2).

Physikalische Eigenschaften von Platin-Metallen und deren Legierungen

Today these components have been replaced in many applications by solid state technology and the usage of these materials is greatly reduced. Pd alloys however have a more significant importance. PdCu15 is widely used for example in automotive flasher relays. Because of their resistance to sulfide formation PdAg alloys are applied in various relay designs. The ability to thermally precipitation harden some multi component alloys based on PdAgAuPt they find special usage in wear resistant sliding contact applications. Pd44Ag38Cu15PtAuZn is a standard alloy in this group Table 3 und Table 4

Platinum and palladium alloys are mainly used similar to the gold based materials in the form of welded wire and profile segments but rarely as contact rivets. Because of the high precious metal prices joining technologies are used that allow the most economic application of the contact alloy in the area where functionally needed. Because of their resistance to material transfer they are used for DC applications and due to their higher arc erosion resistance they are applied for medium electrical loads up to about 30W in relays and switches Table 5. Multi-component alloys based on Pd with higher hardness and wear resistance are mainly used as spring arms in sliding contact systems and DC miniature motors.

Table 3: Mechanical Properties of the Platinum Metals and their Alloys

Material	Tensile Strength [MPa]		Elongation A [%]		Vickers Hardness HV 1
	soft	70% cold worket	soft	70% cold worket	soft	70% cold worket
Pt (99,95)	150	360	40	3	40	120
PtIr5	260	550	25	2	85	160
PtIr10	340	570	24	2	105	210
PtRu10	650	1000	24	2	195	320
PtNi8	640	950	22	2	200	320
PtW5	530	860	21	2	150	270
Pd (99,95)	200	420	42	2	40	90
PdCu15	400	780	38	2	90	220
PdCu40	550	950	35	2	120	260
PdNi5	340	700	25	2	95	200
Pd35AuAgPt						420*
Pd44Ag38Cu15 PtAuZn						405*
Pd40Co40W20						680*

• maximum hardness

Table 4: Contact and Switching Properties of the Platinum Metals and their Alloys

Material	Properties
Pt	Very high corrosion resistance
PtIr5 - 10	Very high corrosion resistance, low contact resistance	High arc erosion resistance, high hardness
PtRu10	Very high corrosion resistance, low welding tendency	Low contact resistance, very high hardness
PtNi8	Low material transfer tendency	Very high hardness
PtW5	Low material transfer tendency	High hardness
Pd	Strong tendency to “Brown Powder” formation	Less arc erosion resistant than Pt
PdCu15 PdCu40	Tendency to “Brown Powder” formation	Mostly resistant to material transfer, high hardness
PdNi5	Strong tendency to “Brown Powder” formation	Low welding tendency
Pd44Ag38Cu15 PtAuZn	High mechanical wear resistance	Standard material for sliding contact brushes

Table 5: Application Examples and Form of Supply for Platinum Metals and their Alloys

Material	Application Examples	Forms of Supply
Pt (99,95)	Relays	Contact rivets, welded contact parts
PtIr5 PtIr10 PtRu10 PtNi8 PtW5	Relays, sliding contact systems, automotive ignition breaker points	Semi-finished Contact Materials: Wire, seam-welded contact profiles Contact Parts: Tips, wire-formed parts, solid and composite contact rivets, welded contact parts
Pd (99,95) PdNi5	Relays	Micro-profiles (weld tapes), contact rivets, welded contact parts
PdCu15 PdCu40	Automotive flasher relays	Micro-profiles, composite contact rivets
Pd35AuAgPt Pd44Ag38Cu15 PtAuZn Pd40Co40W20	Potentiometers, slip rings, miniature DC motors	Wire-formed parts, welded wire segments, multi-arm sliding contact brushes

Figure 1Influence of 1-20 atom% of different additive metals on the electrical resistivity p of platinum (Degussa)

Figure 2 Influence of 1-22 atom% of different additive metals on the electrical resistivity p of palladium

Figure 3Fig. 2.27: Phase diagram of platinum-iridium

Figure 4 Fig. 2.28: Phase diagram of platinum-nickel

Figure 5 Fig. 2.29: Phase diagram of platinum-tungsten

Figure 6 Fig. 2.30: Phase diagram of palladium-copper

Figure 7 Fig. 2.31: Strain hardening of Pt by cold working

Figure 8 Fig. 2.32: Softening of Pt after annealing for 0.5 hrs after 80% cold working

Figure 9 Fig. 2.33: Strain hardening of PtIr5 by cold working

Figure 10 Fig. 2.34: Softening of PtIr5 after annealing for 1 hr after different degrees of cold working

Figure 11Fig. 2.35: Strain hardening of PtNi8 by cold working

Figure 12 Fig. 2.36: Softening of PtNi8 after annealing for 1 hr after 80% cold working

Figure 13Fig. 2.37: Strain hardening of PtW5 by cold working

Figure 14Fig. 2.38: Softening of PtW5 after annealing for 1hr after 80% cold working

Figure 15Fig. 2.39: Strain hardening of Pd 99.99 by cold working

Figure 16Fig. 2.40: Strain hardening of PdCu15 by cold working

Figure 17Fig. 2.41: Softening of PdCu15 after annealing for 0.5 hrs

Figure 18Fig. 2.42: Strain hardening of PdCu40 by cold working

Figure 19Fig. 2.43: Softening of PdCu40 after annealing for 0.5 hrs after 80% cold working

Figure 20Fig. 2.44: Electrical resistivity p of PdCu alloys with and without an annealing step for forming an ordered phase

Figure 1: Influence of 1- 20 atom% of different additive metals on the electrical resistivity p of platinum (Degussa)

Figure 2: Influence of 1-22 atom% of different additive metals on the electrical resistivity p of palladium

Figure 3: Fig. 2.27:Phase diagram of platinum-iridium

Figure 4: Fig. 2.28:Phase diagram of platinum-nickel

Figure 5: Fig. 2.29:Phase diagram of platinum-tungsten

Figure 6: Fig. 2.30: Phase diagram of palladium-copper

Figure 7: Fig. 2.31: Strain hardening of Pt by cold working

Figure 8: Fig. 2.32: Softening of Pt after annealing for 0.5 hrs after 80% cold working

Figure 9: Fig. 2.33: Strain hardening of PtIr5 by cold working

Figure 10: Fig. 2.34: Softening of PtIr5 after annealing for 1 hr after different degrees of cold working

Figure 11: Fig. 2.35: Strain hardening of PtNi8 by cold working

Figure 12: Fig. 2.36: Softening of PtNi8 after annealing for 1 hr after 80% cold working

Figure 13: Fig. 2.37: Strain hardening of PtW5 by cold working

Figure 14: Fig. 2.38: Softening of PtW5 after annealing for 1 hr after 80% cold working

Figure 15: Fig. 2.39: Strain hardening of Pd 99.99 by cold working

Figure 16: Fig. 2.40: Strain hardening of PdCu15 by cold working

Figure 17: Softening of PdCu15 after annealing for 0.5 hrs

Figure 18: Strain hardening of PdCu40 by cold working

Figure 19: Softening of PdCu40 after annealing for 0.5 hrs after 80% cold working

Figure 20: Electrical resistivity p of PdCu alloys with and without an annealing step for forming an ordered phase

Referenzen

Referenzen