<Desc/Clms Page number 1>
Elektrischer Kontakt für grosse Stromstärken
Von einem elektrischen Kontakt werden bei gewissen Anwendungsfällen, insbesondere bei hoher Strombelastung, verschiedenartige physikalische, chemische und technologische Eigenschaften verlangt, deren gleichzeitige Erfüllung grosse Schwierigkeiten bereitet und bisher nur durch Kompromisse-also durch Bevorzugung einer Eigenschaft auf Kosten einer andern, je nach den geforderten Betriebsbedingun-
EMI1.1
sicherheit versteht man hiebei, dass die durch die Kontaktlast aufeinandergedruckten Kontakte bei vorge- gebener Strombelastung nicht verschweissen. Abbrandfest wird ein Kontakt bezeichnet, wenn er beim Schalten von Strömen vorgegebener Grösse (Nennstrom) nur einen tragbaren als Gewichtsabnahme feststell- baren Materialverlust und damit eine ausreichende Lebensdauer aufweist.
Bei hohen Strombelastungen besteht die Gefahr, dass ein Ablöten der Kontaktschicht von der Trägerschicht eintritt ; es muss also eine bei vorgegebener Strombelastung verbleibende Haftfestigkeit gefordert werden.
Es sind Bimetallkontakte bekannt, die zur Vermeidung von Verlusten bzw. Abfällen aus pulverförmigen Edelmetallen oder Edelmetallegierungen, gegebenenfalls unter Zusatz von Unedelmetall, als Kontaktschichte und pulverförmigen Unedelmetallen oder Unedelmetallegierungen als Zwischenschichte hergestellt sind, wobei die beiden Schichten zusammengesintert und miteinander verzahnt sind und die gut lötbare Zwischenschicht, vorzugsweise Kupfer- oder Eisenpulver, auf einem gut lötenden Kontaktträger mit Hilfe eines Lotes auflotbar ist. Derartige legierte kontaktschlchten sind fur hohe Stromstärken ungeeignet. Da die Kontaktschichten bereits an sich sehr gut lötbar sind, dient die Verwendung der Zwischenschichte lediglich zur Verminderung der Menge des für den Kontaktkörper erforderlichen Edelmetalles.
Gegenstand der Erfindung ist ein elektrischer Kontakt für grosse Stromstärken, dessen metallischer Kontaktkörper eine mit der Kontaktschicht zusammengesinterte und verzahnte gut lötbare Zwischenschicht besitzt, an der er mit Hilfe eines Lotes auf einem gut lötbaren Kontaktträger aufgelötet ist, und der die vorgenannten Forderungen hinsichtlich Schweisssicherheit, Abbrandfestigkeit und Haftfestigkeit der Kon" taktschicht auf dem Träger gleichzeitig erfüllt. Dies ist erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Kontaktschicht aus Verbundmetall oder Verbundstoff besteht und schlecht oder nicht lötbar ist und dass die Zwischenschicht vorzugsweise aus Feinsilber oder Kupfer oder aus einer Legierung dieser beiden Metalle besteht. Für die Kontaktschicht eignen sich z. B.
Silber oder Kupfer als Grundmetall, Cadmium oder Cadmiumoxyd als Wirkmetall und bzw. oder Nickel, Eisen, Chrom, Molybdän oder Wolfram als Zusatzmetall. Vorteilhaft ist z. B. ein Silber-Nickel-Cadmium-Gemisch mit einem Nickelanteil zwischen 5% und 40% und einem Cadmiumanteil zwischen 3% und love, besonders günstig ist ein Nickelanteil von 10% und ein Cadmiumanteil von 5%. Als Zusatzmetalle bezeichnet man solche Metalle, durch die die mechanischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften, speziell die Härte, die Abbrandfestigkeit und der Übergangswiderstand des Kontaktwerkstoffes verbessert werden, und als Wirkmetalle solche Metalle, durch die die Schweisssicherheit des Kontaktwerkstoffes erhöht wird.
Es ist bekannt, mehrschichtige Kontakte z. B. durch Plattieren herzustellen. Hiebei wird auf das Kontaktmetall das Trägermetall direkt oder ein Lotmetall warm aufgewalzt. Dies führt bei Kontaktwerkstoffen, die aus einem Verbundmetall (z. B. Ag-Ni) oder einem Verbundstoff (z. B. Ag-cdO) bestehen,
<Desc/Clms Page number 2>
zu einem nicht erwünschten Richtgefüge. Bei Kontaktstoffen, die sich nicht walzverformen lassen, z. B. bei Werkstoffen mit hohem Wolfram- oder Nickelgehalt, ist dieses Verfahren nicht anwendbar. Darüber hinaus sind die aufplattierten Metalle dicht, d. h. sie besitzen keine Restporosität, auf deren Bedeutung unten noch eingegangen wird.
Zur weiteren Erläuterung des Aufbaues des Kontaktes gemäss der Erfindung wird auf die Zeichnung hin- gewiesen ; es zeigt Fig. 1 die Kontaktschicht mit aufgesinterter und mit ihr verzahnter Zwischenschicht,
Fig. 2 den Aufbau des fertigen Kontaktes gemäss der Erfindung.
In beiden Figuren ist jeweils die Kontaktschicht mit 1 und die mit ihr verzahnte Zwischenschicht mit 2 bezeichnet. In Fig. 2 ist mit 3 eine Hartlotschicht und mit 4 die Trägerschicht angegeben.
Gemäss weiterer Erfindung kann der Kontakt wie folgt hergestellt werden :
In die Pressmatrize wird zu unterst das Metallpulver für die Zwischenschicht eingefüllt und anschlie- ssend, also in einem zweiten Füllvorgang, das Kontaktmetallpulvergemisch aufgefüllt. Die beiden Füllvorgänge können in der Reihenfolge vertauscht werden. Es stellt sich, bedingt durch das verhältnismässig hohe Füllvolumen des Kontaktmetallpulvergemisches, eine ausgeprägte Verzahnung zwischen Kontaktschicht und Zwischenschicht ein, wie sie in der Zeichnung schematisch dargestellt ist. Die anschliessende Pressung und Sinterung, ferner eine eventuelle Nachbehandlung und das Auflöten auf die Trägerschicht erfolgen nach den bekannten Verfahren.
Die Bemessung der Preys- fund Sinterbedingungen erfolgt so, dass einerseits die Kontaktschicht eine möglichst hohe Sinterdichte erhält und anderseits in der Zwischenschicht - bei ausreichender Festigkeit - eine Restporosität erhalten bleibt.
Dadurch wird bei der nachfolgenden Hartlötung eine bessere Benetzung der Lötfläche und eine höhere Festigkeit der Lötfläche erreicht, so dass auch bei hohen Strombelastungen keine Ablötung der Zwischenschicht von der Trägerschicht eintritt.
Die vorgenannte Forderung hinsichtlich einer möglichst hohen Sinterdichte der Kontaktschicht und einer Restporosität der Zwischenschicht kann dadurch erfüllt werden, dass das Nachpressen des Kontaktkörpers mit der Zwischenschicht - beide besitzen im Sinterzustand eine Restporosität von etwa 5% bis 20%-mit einseitigem Pressdruck erfolgt, u. zw. derart, dass nur der der Kontaktschicht zugewendete Stempel bewegt wird. Dabei besteht bei feststehender Matrize und feststehendem Gegenstempel nach diesem hin ein Druckabfall in Folge der Reibung an der Matrizenwand, so dass die Nachverdichtung in derselben Richtung ab-und die Restporosität entsprechend zunimmt.
Die Bemessung der Sintertemperatur und Sinterzeit und die Dicke der Zwischenschicht sind so zu wählen, dass das Kontaktmetall oder dessen Komponenten nicht durch die ganze Zwischenschicht diffun-
EMI2.1
Daher ist es wichtig, dass keine Wirkkomponenten durch Diffusion durch die Zwischenschicht an die Lötschicht gelangen.
Im allgemeinen ist die vorgenannte Forderung bei den in Frage kommenden Sinterbedingungen und bei einer Dicke der Zwischenschicht im nachgepressten Sinterzustand zwischen 0,2 und 0,5 mm zu erfüllen. In gewissen Fällen ist jedoch eine ausreichende Anpassung der vorgenannten drei Parameter - Sintertemperatur, Sinterzeit und Schichtdicke - nicht oder nur schwer möglich. Diese Schwierigkeit wird gemäss weiterer Erfindung dadurch beseitigt, dass die Zwischenschicht aus einer Doppelschicht besteht, aus einer dem Kontaktträger zugekehrten gut lötbaren Metallschicht und einer dem Kontaktmaterial zugekehrten, dessenDiffusionin das gut lötbare Metall verhindernden Schicht. Die letztgenannte Schicht wirkt al-
EMI2.2
den in Frage kommenden Bedingungen verhältnismässig gering ist. Bei den nachfolgenden Beispielen eignet sich z. B.
Chrom als Diffusionsbremse.
Das Verfahren gemäss der Erfindung kann auch so ausgebildet werden, dass das zur Auflötung des Kontaktkörpers mit Zwischenschicht auf den Träger erforderliche Hartlot in einem Arbeitsgang auf die Zwischenschicht mit aufgebracht wird.
Nachfolgend werden zwei Beispiele für die Herstellung der Kontaktschicht mit aufgesinterter Zwischenschicht gemäss der Erfindung beschrieben : I. Beispiel : Als Zwischenschicht wird reines Silberpulver verwendet und in die Pressmatrize in solcher Menge eingefüllt, dass sich nach dem Nachpressen eine etwa 0,2 mm starke Zwischenschicht ergibt. In einem zweiten Einfüllvorgang wird das Kontaktmetallpulvergemisch aus Silber-Nickel-Cadmium mit der Zusammensetzung 85/10/5 (in Gewichtsprozenten) aufgefüllt. Anschliessend wird mit 1 t/cm gepresst und hiebei eine Dichte von 6,75 g/cm3 erhalten.
Nach einer einstündigen Sinterung bei 8000C in Wasserstoffatmosphäre beträgt die Dichte 9, 08 g/cm3. Durch Nachpressen bei feststehender Matrize in der gleichen Pressform mit 8 t/crn erhält manden massgenauen Fertigteil der Kontaktschicht mit Zwischen-
<Desc/Clms Page number 3>
schicht. Beide Schichten sind infolge der eingetretenen Verzahnung ausserordentlich stabil miteinander verbunden, und es lässt sich mit den bekannten Methoden eine Verlötung mit der Trägerschicht erzielen, die auch extremen Strombelastungen standhält. Die Dichte der Kontaktschicht steigt beim Nachpressen auf 10, 08 g/cm3, die einem Raumerfüllungsgrad von 0,998 entspricht.
Mit dem Nachpressen kann in einem Arbeitsgang der Kontaktoberfläche zur Steigerung der Schweisssicherheit bei den ersten Schaltungen ein Waffel- oder entsprechendes Muster eingeprägt werden.
2. Beispiel : Das Füllen der Matrize erfolgt in drei Stufen : Zuerst wird das Kontaktpulvergemisch, z. B. aus Silber-Nickel-Cadmium mit der Zusammensetzung 85/10/5 (in Gewichtsprozenten), eingefüllt, anschliessend-nach dem Senken des Unterstempels um die Füllhöhe - das Reinsilberpulver für die Zwischenschicht und darauf das Legierungspulver des Silberhartlotes nachgefüllt ; dieses ist so zusammengesetzt, dass seine Arbeitstemperatur bei etwa 8000C liegt. Die Mengen der Pulver werden so bemessen, dass nach dem Nachpressen der Kontaktkörper eine Stärke von 4 mm, die Zwischenschicht von 0, 4 mm und die Lotschichtvon 0, 2 mm aufweisen.
Die Sinterung erfolgt bei 7500C in Wasserstoffatmosphäre während einer Stunde ; dabei erhält man eine Sinterdichte von 8,8 g/cm3. Das Nachpressen erfolgt bei feststehender Matrize mit 8 t/cmz, u. zw. so, dass die Lot- und Zwischenschicht am feststehenden Stempel liegen und dadurch etwas weniger als das Kontaktmaterial verdichtet werden. Dabei behält die Zwischenschicht eine Restporosität von 5%, während der Kontaktkörper praktisch die theoretische Dichte besitzt. Anschliessend wird der so hergestellte Körper, auf den Kupferträger durch Hochfrequenzerhitzung bei 8000C während 30 sec aufgelötet.
PATENTANSPRÜCHE :
EMI3.1