Difference between revisions of "Beschichtungsverfahren"

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!Anwendungsbeispiele
 
!Anwendungsbeispiele
 
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|Farbe
|Pleasing appearance
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|gutes Aussehen
|Brass plated lamps and furniture hardware
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|vermessingte Leuchten, Möbelbeschläge
 
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|Luster
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|Glanz
|Decorative appearance, Light reflection
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|dekoratives Aussehen, Reflexionsvermögen
|Chrome plated fixtures, silver coated mirrors
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|verchromte Armaturen, versilberte Spiegel
 
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|Hardness / Wear Resistance
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|Härte/Verschleißfestigkeit
|Prolonging of mechanical wear life
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|Erhöhung der Standzeit
|Hard chrome plated tools
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|hartverchromte Werkzeuge
 
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|Sliding properties
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|Gleitfähigkeit
|Improvement of dry sliding wear
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|Verbesserung der Trockengleiteigenschaften
|Lead-tin-copper alloys for slide bearings
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|Blei-Zinn-Kupfer-Legierungen für Gleitlager
 
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|Chemical stability
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|Chemische Beständigkeit
|Protection against chemical effects
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|Schutz gegen Chemikalieneinwirkung
|Lead-Tin coatings as etch resist on PC boards
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|Blei-Zinn-Schichten als Ätzresist bei gedruckten Schaltungen
 
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|Corrosion resistance
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|Korrosionsbeständigkeit
|Protection against environmental corrosion
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|Schutz gegen die atmosphärische Korrosion
|Zinc coatings on steel parts
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|Zinkschichten auf Werkstücken aus Stahl
 
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|Electrical conductivity
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|Elektrische Leitfähigkeit
|Surface conduction of electrical current
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|Leitung des elektrischen Stromes auf der Oberfläche
|Conductive path on PC boards
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|Leiterbahnen auf gedruckten Schaltungen
 
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|Thermal conductivity
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|Wärmeleitfähigkeit
|Improved heat conduction on the surface
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|verbesserter Wärmeübergang auf der Oberfläche
|Copper plated bottoms for cookware
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|verkupferte Böden von Töpfen für Elektroherde
 
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|Machining capability
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|Zerspanbarkeit
|Shaping through machining
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|Formgebung durch spanabhebendes Bearbeiten
|Copper coatings on low pressure cylinders
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|Kupferschichten auf Tiefdruckzylindern
 
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|Magnetic properties
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|Magnetische Eigenschaften
|Increase of coercive force [[#text-reference|<sup>*)</sup>]]  
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|Erhöhung der Koerzitivkraft [[#text-reference|<sup>*)</sup>]]  
|Cobalt-nickel layers on magnetic storage media
+
|Kobalt-Nickel-Legierungen auf Magnetspeichern
 
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|Brazing and soldering
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|Lötbarkeit
|Brazing without aggressive fluxes
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|Löten ohne aggressive Flußmittel
|Tin-Lead coatings on PC board paths
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|Zinn-Blei-Schichten auf Leiterbahnen gedruckter Schaltungen
 
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|Adhesion strength
+
|Haftfähigkeit
|Improvement of adhesion
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|Verbesserung der Haftung
|Brass coating on reinforcement steel wires in tires
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|Messingschichten auf Reifeneinlegedraht
 
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|Lubricating properties
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|Schmierfähigkeit
|Improvement of formability
+
|Verbesserung der Verformbarkeit
|Copper plating for wire drawing
+
|Verkupfern beim Drahtziehen
 
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man hauptsächlich vier Beschichtungsvarianten <xr id="tab:Characteristics of the Most Important PVD Processes"/><!--(Table 7.6-->:
 
man hauptsächlich vier Beschichtungsvarianten <xr id="tab:Characteristics of the Most Important PVD Processes"/><!--(Table 7.6-->:
  
*Vapor deposition    
+
*Aufdampfen    
*Sputtering (Cathode atomization)
+
*Kathodenzerstäuben (Sputtern)
*Arc vaporizing      
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*Lichtbogenverdampfen      
*Ion implantation
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*Ionenplattieren
  
In all four processes the coating material is transported in its atomic form to the substrate and deposited on it as a thin layer (a few nm to approx. 10 μm)
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In allen vier Prozessen wird der Schichtwerkstoff unter Vakuum atomar von der
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Quelle zum Substrat transportiert und dort als dünne Schicht (einige nm bis ca.
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10 μm) niedergeschlagen.
  
  

Revision as of 19:03, 19 September 2014

Neben der Herstellung der Kontaktwerkstoffe aus der festen Phase, z.B. auf schmelz- oder pulvermetallurgischem Wege, bietet sich die Herstellung über die flüssige und gasförmige Phase vor allem dann an, wenn dünne Schichten im μm-Bereich benötigt werden, die nach den üblichen Plattiertechniken nicht wirtschaftlich herstellbar sind Table 1. Derartige Schichten erfüllen, abhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung und Dicke, unterschiedliche Anforderungen. Sie dienen z.B. als Korrosions- und Verschleißschutz oder übernehmen die Funktion einer Kontaktschicht, an die bestimmte technische Anforderungen gestellt werden. Daneben stellen sie für dekorative Zwecke eine optisch ansprechende und verschleißfeste Oberflächenschicht dar.

Table 1: Übersicht über einige wichtige Eigenschaften galvanisch abgeschiedener Schichten und die jeweiligen Anwendungen
Eigenschaften Anwendungszweck Anwendungsbeispiele
Farbe gutes Aussehen vermessingte Leuchten, Möbelbeschläge
Glanz dekoratives Aussehen, Reflexionsvermögen verchromte Armaturen, versilberte Spiegel
Härte/Verschleißfestigkeit Erhöhung der Standzeit hartverchromte Werkzeuge
Gleitfähigkeit Verbesserung der Trockengleiteigenschaften Blei-Zinn-Kupfer-Legierungen für Gleitlager
Chemische Beständigkeit Schutz gegen Chemikalieneinwirkung Blei-Zinn-Schichten als Ätzresist bei gedruckten Schaltungen
Korrosionsbeständigkeit Schutz gegen die atmosphärische Korrosion Zinkschichten auf Werkstücken aus Stahl
Elektrische Leitfähigkeit Leitung des elektrischen Stromes auf der Oberfläche Leiterbahnen auf gedruckten Schaltungen
Wärmeleitfähigkeit verbesserter Wärmeübergang auf der Oberfläche verkupferte Böden von Töpfen für Elektroherde
Zerspanbarkeit Formgebung durch spanabhebendes Bearbeiten Kupferschichten auf Tiefdruckzylindern
Magnetische Eigenschaften Erhöhung der Koerzitivkraft *) Kobalt-Nickel-Legierungen auf Magnetspeichern
Lötbarkeit Löten ohne aggressive Flußmittel Zinn-Blei-Schichten auf Leiterbahnen gedruckter Schaltungen
Haftfähigkeit Verbesserung der Haftung Messingschichten auf Reifeneinlegedraht
Schmierfähigkeit Verbesserung der Verformbarkeit Verkupfern beim Drahtziehen
*) Koerzitivkraft = Kraft, mit der ein Stoff versucht, die einmal angenommene Magnetisierung zu behalten

Um den mechanischen Verschleiß bei dünnen Schichten zu verringern, kommen bei Gleit- und Steckkontakten Schmiermittel meist in flüssiger Form zum Einsatz. Bei Silber-Kontakten bieten sog. Passivierungsschichten einen Schutz gegenüber Silbersulfidbildung.

Beschichtung über die flüssige Phase

Für dünne, über die flüssige Phase erzeugte Schichten bieten sich zwei Herstellungsverfahren an. Sie unterscheiden sich dadurch, dass die metallische Abscheidung mit oder ohne äußere Stromquelle erfolgt. Im ersten Fall handelt es sich um eine galvanische Beschichtung, im zweiten um eine chemische Beschichtung.

Galvanische Beschichtung

Zur galvanischen Abscheidung von Metallen, insbesondere Edelmetallen, werden wässrige Lösungen (Elektrolyte) verwendet, die die abzuscheidenden Metalle in Form von Ionen (z.B. gelöste Metallsalze) enthalten. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zwischen der Anode und dem kathodisch geschalteten Beschichtungsgut gelangen positiv geladene Metallionen zur Kathode, wo sie ihre Ladung abgeben und sich als Metall auf der Oberfläche abscheiden. Je nach Einsatz, in der Elektrotechnik und Elektronik oder für dekorative Zwecke, kommen unterschiedliche galvanische Bäder (Elektrolyte) zur Anwendung. Die für die Edelmetallbeschichtung eingesetzten Galvanisieranlagen und der Umfang ihrer Ausrüstung werden durch den vorgesehenen technologischen Prozess bestimmt. Die galvanischen Arbeitsverfahren erstrecken sich nicht nur auf den Vorgang der reinen elektrochemischen Metallabscheidung, sondern umfassen auch die Vor- und Nachbehandlung der zu beschichtenden Ware. Wichtigste Voraussetzung für die Herstellung eines festhaftenden Überzuges ist eine metallisch blanke, d.h. fett- und oxidfreie Oberfläche des zu veredelnden Werkstückes. Hierfür gibt es verschiedene Vorbehandlungsverfahren, die auf den Oberflächenzustand und die Eigenschaften des Werkstoffes abgestimmt sind. In den folgenden Abschnitten werden galvanische Bäder - Edelmetall- und Unedelmetallbäder - sowie die wichtigsten Galvanisierverfahren beschrieben.

siehe Artikel: Galvanische Beschichtung

Stromlose Beschichtung

Unter stromloser Metallabscheidung versteht man Beschichtungsverfahren, die ohne Anwendung einer äußeren Stromquelle ablaufen. Sie ermöglichen eine gleichmäßige Metallbeschichtung unabhängig von der geometrischen Form der zu beschichtenden Teile. Aufgrund der sehr guten Streufähigkeit dieser Bäder lassen sich z.B. auch Innenseiten von Bohrungen beschichten. Prinzipiell können zwei Verfahren der außenstromlosen Metallabscheidung unterschieden werden: Verfahren, bei denen das zu beschichtende Substratmaterial als Reduktionsmittel dient (Austauschverfahren), und solche, bei denen dem Elektrolyt ein Reduktionsmittel zugesetzt wird (Reduktionsverfahren).

siehe Artikel: Stromlose Beschichtung

Beschichtung über die Gasphase (Vakuumbeschichtung)

Unter der Bezeichnung PVD (physical vapor deposition) werden Beschichtungsverfahren zusammengefasst, bei denen die Abscheidung von Metallen, Legierungen sowie chemischen Verbindungen im Vakuum durch Zufuhr thermischer oder kinetischer Energie mittels Teilchenbeschuss erfolgt. Dabei unterscheidet man hauptsächlich vier Beschichtungsvarianten Table 2:

  • Aufdampfen
  • Kathodenzerstäuben (Sputtern)
  • Lichtbogenverdampfen
  • Ionenplattieren

In allen vier Prozessen wird der Schichtwerkstoff unter Vakuum atomar von der Quelle zum Substrat transportiert und dort als dünne Schicht (einige nm bis ca. 10 μm) niedergeschlagen.


Table 2: Characteristics of the Most Important PVD Processes
Process Principle Process Gas Pressure Particle Energy Remarks
Vapor deposition Vaporizing in a crucible
(electron beam or resistance heating)
10-3 Pa < 2eV Separation of alloy components may occur
Arc vaporizing Vaporizing of the target
plate in an electrical arc
10-1 Pa-1Pa 80eV-300eV Very good adhesion due to ion bombardement
Sputtering Atomizing of the target plate
(cathode) in a gas discharge
10-1 Pa-1Pa 10eV-100eV Sputtering of non-conductive materials possible through RF operation
Ion implantation Combination of vapor
deposition and sputtering
10-1 Pa-1Pa 80eV-300eV Very good adhesion from ion bombardment but also heating of the substrate material


The sputtering process has gained the economically most significant usage. Its process principle is illustrated in Figure 1.

Principle of sputtering Ar = Argon atoms; e = Electrons; M = Metal atoms

Initially a gas discharge is ignited in a low pressure (10-1 -1 Pa) argon atmosphere. The argon ions generated are accelerated in an electric field and impact the target of material to be deposited with high energy. Caused by this energy atoms are released from the target material which condensate on the oppositely arranged anode (the substrate) and form a layer with high adhesion strength. Through an overlapping magnetic field at the target location the deposition rate can be increased, making the process more economical.

The advantages of the PVD processes and especially sputtering for electrical contact applications are:

  • High purity of the deposit layers
  • Low thermal impact on the substrate
  • Almost unlimited coating materials
  • Low coating thickness tolerance
  • Excellent adhesion (also by using additional intermediate layers)

Coatings produced by PVD processes are used for contact applications, for example on miniature-profiles, in electrical engineering and for electronic components, for solderability in joining processes, for metalizing of nonconductive materials, as well as in semiconductors, opto-electronics, optics, and medical technology applications.

There are few limitations regarding the geometrical shape of substrate parts. Only the interior coating of drilled holes and small diameter tubing can be more problematic (ratio of depth to diameter should be < 2:1). Profile wires, strips, and foils can be coated from one side or both; formed parts can be coated selectively by using masking fixtures that at the same time serve as holding fixtures.

  • Examples of vacuum coated semi-finished materials and parts
Examples of vacuum coated semi finished materials and parts


  • Materials

Selection of possible combinations of coating and substrate materials

Substrate Materials

Coating Materials

Ag

Au

Pt

Pd

Cu

Ni

Ti

Cr

Mo

W

Ai

Si

Precious metal / alloys

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NF metals / alloys

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Fe alloys / stainless steel

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Special metals (Ti, Mo, W)

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Carbide steels (WC-Co)

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Ceramics (Al2O3, AlN)

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Glasses (SiO2, CaF)

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Plastics (PA, PPS)

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K7-gef.png can be produced K7-leer.png can be produced with intermediate layer

  • Dimensions
Dimensions
Coating thickness: 10 nm - 15 μm
Coating thicknesses for contact applications: 0.1 - 10 μm

For the geometry of semi-finished products to be coated there are few restrictions. Only the coating of the inside of machined holes and tubing has limitations.

  • Tolerances

Coating thickness ±10 - 30 %, depending on the thickness

  • Quality criteria

Depending on the application the following parameters are tested and recorded (see also: Electroplating of parts):

  • Coating thickness
  • Solderability
  • Adhesion strength
  • Bonding property
  • Porosity
  • Contact resistance

These quality tests are performed according to industry standards, internal standards, and customer specifications resp.

Comparison of Deposition Processes

The individual deposition processes have in part different performance characteristics. For each end application the optimal process has to be chosen considering all technical and economical factors. The main selection criteria should be based on the electrical and mechanical requirements for the contact layer and on the design characteristics of the contact component. Table 3 gives some indications for a comparative evaluation of the different coating processes.

The electroless metal coating is not covered here because of the low thickness of deposits which makes them in most cases not suitable for contact applications.


Table 3: Comparison of different coating processes
Process / Coating Properties Mechanical Processes (Cladding) Electroplating Vaccum Deposition (Sputtering)
Coating material formabe metal and alloys metals, alloys only limited metals and alloys
Coating thickness > 1μm 0.1 - approx. 10 μm
(in special cases up to 100 μm)
0.1 approx. 10 μm
Coating configuration selectively, stamping edges not coated all around and selectively
stamping edges coated
mostly selectivity
Adhesion good good very good
Ductility good limited good
Purity good inclusions of foreign materials very good
Porosity good good for > approx. 1μm good
Temperature stability goodvery good good very good
Mechanical wear little very little little
Environmental impact little significant none

The main differences between the coating processes are found in the coating materials and thickness. While mechanical cladding and sputtering allow the use of almost any alloy material, electroplating processes are limited to metals and selected alloys such as for example high-carat gold alloys with up to .3 wt% Co or Ni. Electroplated and sputtered surface layers have a technological and economical upper thickness limit of about 10μm. While mechanical cladding has a minimum thickness of approx. 1 μm, electroplating and sputtering can also be easily applied in very thin layers down to the range of 0.1 μm.

The properties of the coatings are closely related to the coating process. Starting materials for cladding and sputtering targets precious metals and their alloys which in the case of gold and palladium based materials are vacuum melted and therefore exhibit a very high purity. During electroplating, depending on the type of electrolytes and the deposition parameters, some electrolyte components such as carbon and organic compounds are incorporated into the precious metal coating. Layers deposited from the gaseous phase however are very pure.

Hot (-Dipped) Tin Coated Strip Materials

During hot-dip tinning pre-treated strip materials are coated with pure tin or tin alloys from a liquid solder metal. During overall (or all-around) tinning the stripsthrough a liquid metal melt. For strip tinning rotating rolls are partially immersed into a liquid tin melt and transport the liquid onto the strip which is guided above them. Through special wiping and gas blowing procedures the deposited tin layer can be held within tight tolerances. Hot tinning is performed directly onto the base substrate material without any pre-coating with either copper or nickel. Special cast-on processes or the melting of solder foils onto the carrier strip allow also the production of thicker solder layers ( > 15 μm).

The main advantage of hot tinning of copper and copper alloys as compared to tin electroplating is the formation of an inter-metallic copper-tin phase (Cu3Sn, Cu6Sn5) at the boundary between the carrier material and the tin layer. This thin (0.3 – 0.5 μm) intermediate layer, which is formed during the thermal tinning process, is rather hard and reduces in connectors the frictional force and mechanical wear. Tin coatings produced by hot tinning have a good adhesion to the substrate material and do not tend to tin whisker formation.

A special process of hot tinning is the “Reflow” process. After depositing a tin coating by electroplating the layer is short-time melted in a continuous process. The properties of these reflow tin coatings are comparable to those created by conventional hot tinning.

Besides overall tin coating of strip material the hot tinning can also be applied in the form of single or multiple stripes on both sides of a continuous substrate strip.

  • Typical examples of hot tinned strip materials
Typical examples of hot tinned strip materials


  • Materials

Coating materials: Pure tin, tin alloys
Substrate materials: Cu, CuZn, CuNiZn, CuSn, CuBe and others

  • Dimensions and Tolerances
Width of tinning: ≥ 3 ± 1 mm
Thickness of tinning: 1 - 15 μm
Tolerances (thickness): ± 1 - ± 3 μm depending on tin thickness
  • Quality Criteria

Mechanical strength and dimensional tolerances of hot tinned strips are closely related to the standard for Cu and Cu alloy strips according to DIN EN 1652 and DIN EN 1654. Quality criteria for the actual tin coatings are usually agreed upon separately.

Contact Lubricants

By using suitable lubricants the mechanical wear and frictional oxidation of sliding and connector contacts can be substantially reduced. In the electrical contact technology solid, as well as high and low viscosity liquid lubricants are used.

Contact lubricants have to fulfill a multitude of technical requirements:

  • They must wet the contact surface well; after the sliding operation the lubrication film must close itself again, i.e. mechanical interruptions to heal
  • They should not transform into resins, not evaporate, and not act as dust collectors
  • The lubricants should not dissolve plastics, they should not be corrosive to non-precious metals or initiate cracking through stress corrosion of plastic components
  • The specific electrical resistance of the lubricants cannot be so low that wetted plastic surfaces lose their isolating properties
  • The lubricant layer should not increase the contact resistance; the wear reducing properties of the lubricant film should keep the contact resistance low and consistent over the longest possible operation time

Solid lubricants include for example 0.05 – 0.2 μm thin hard gold layers which are added as surface layers on top of the actual contact material.

Among the various contact lubricants offered on the market contact lubrication oils have shown performance advantages. They are mostly synthetic, chemically inert, and silicone-free oils such as for example the DODUCONTA contact lubricants which differ in their chemical composition and viscosity.

For sliding contact systems with contact forces < 50 cN and higher sliding speeds oils with a lower viscosity (< 50 mPa·s) are preferential. For applications with higher contact forces and operating at higher temperatures contact oils with a higher viscosity are advantageous. Contact oils are mainly suited for applications at low current loads. At higher loads and in situations where contact separation occurs during the sliding operation thermal decomposition may be initiated which causes the lubricating properties to be lost.

Most compatible with plastics are the contact oil varieties B5, B12K, and B25, which also over longer operating times do not lead to tension stress corrosion.

For the optimum lubrication only a very thin layer of contact oil is required. Therefore it is for example recommended to dilute the oil in iso-propylenealcohol during the application to contact parts. After evaporation of the alcohol a thin and uniform layer of lubricant is retained on the contact surfaces.


  • Properties of the Synthetic DODUCONTA Contact Lubricants
LubricantDODUCONTA
B5B9B10B12KB25

Contact force

>1N

0.1 - 2N

< 0.2N

0.2 - 5N

<1N

Density (20°C)

[g/cm³]

1.9

1.0

0.92

1.0

1.0

Specificel. Resis-

tance [S · cm]

2 x 1010

1010

6 x 109

5 x 108

Viscosity (20°C)

[mPa·s]

325

47

21

235

405

Congeal temp.[°C]

-55

-60

-40

-35

Flash point[°C]

247

220

238

230


  • Applications of the Synthetic DODUCONTA Contact Lubricants

Lubricant

Applications

DODUCONTA B5

Current collectors, connectors, slider switches

DODUCONTA B9

Wire potentiometers, slip rings, slider switches, measuring range selectors, miniature connectors

DODUCONTA B10

Precision wire potentiometers, miniature slip rings

DODUCONTA B12K

Wire potentiometers, slider switches, miniature slip rings, connectors

DODUCONTA B25

Current collectors, measuring range selectors, connectors

Passivation of Silver Surfaces

The formation of silver sulfide during the shelf life of components with silver surface in sulfur containing environments can be significantly eliminated by coating them with an additional protective film layer (Passivation layer). For electrical contact use such thin layers should be chemically inert and sufficiently conductive, or be easily broken by the applied contact force.

Typical process flow for the SILVERBRITE W ATPS process

The passivation process SILVERBRITE W ATPS is a water-based tarnish preventer for silver. It is free of chromium(VI) compounds and solvents. The passivating layer is applied by immersion which creates a transparent organic protective film which barely changes the appearance and only slightly increases the good electrical properties such as for example the contact resistance. The good solderability and bond properties of silver are not negatively affected. Because of its chemical composition this protective layer has some lubricating properties which reduce the insertion and withdrawal forces of connectors noticeably.

Figure 2 Typical process flow for the SILVERBRITE W ATPS process

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