Werkstoffe auf Gold-Basis

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 5). 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 4).

Table 1: Überblick über die gebräuchlichsten Gold-Qualitäten

Bezeichnung	Zusammensetzung Au (Mindestanteil)	Beimengungen in ppm/p>	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 Gold-Legierungen

Material	Gold Anteil [gew.%]	Dichte [g/cm3]	Schmelzpunkt [°C]	Elektrischel Widerstandskraft [µΩ*cm]	Elektrische Leitfähigkeit [MS/m]	Thermische Leitfähigkeit [W/(m*K)]	Temp. Koeff. des elektrischen Widerstands [10-3/K]	Elastizitätsmodul [GPa]
Au (99,95)	>99,95	19,3	1064	2,32	43	317	4,0	79
AuAg8	92	18,1	1058	6,13	16,3	147	1,25	82
AuAg20	80	16,4	1035 - 1045	10,0	10	75	0,86	89
AuNi5	95	18,3	995 - 1018	13,5	7,4	53	0,71	83
AuCo5	95	18,2	1010 - 1015	55,6	1,8		0,68	88
AuCo5 (het.)	95	18,2	1010 - 1015	5,99	16,7
AuAg25Cu5	70	15,2	950 - 980	12,2	8,2		0,75	89
AuAg20C10	70	15,1	865 - 895	13,3	7,5	66	0,52	87
AuAg26Ni3	71	15,4	990 - 1020	11,0	9,1	59	0,88	114
AuPt10	90	19,5	1150 - 1190	12,5	8,0	54
AuAg25Pt6	69	16,1	1060	15,9	6,3	46	0,54	93
AuCu14Pt9Ag4	73	16,0	955	14,3 - 25	4 - 7

Table 3: 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 4: 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 5).

Table 5: 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 6).

Table 6: 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: 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

Referenzen