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Elektrisches Kontaktstück
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Kontaktstück oder Stromleiter aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder Eisen mit einem galvanisch aufgebrachten Überzug aus Zinn, der bewirkt, dass der Übergangswiderstand des Kontaktstückes konstant bleibt und ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Überzug aus Zinn und dem Grundmetall eine Sperrschicht aus Messing (vorzugsweise 60% Cu und 40% Zn), aus
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Kontaktstücke in Schaltgeräten und hier besonders die sogenannten Schaltstückauflagen, d. h. diejenigen Teile, die der galvanischen Kontaktgabe dienen, fertigt man aus einem Material, das einen geringen spezifischen Widerstand hat. Bei diesen Kontaktstücken liegt die Aufgabe vor, die Kontaktfläche auf möglichst lange Zeit metallisch rein zu halten. Damit soll-ohne Rücksicht auf den Kontaktdruck - der Übergangswiderstand, der den Spannungsabfall am Kontaktstück und damit die Verlustwärme bedingt, nicht unzulässig erhöht werden und in bestimmten vorgeschriebenen Grenzwerten bleiben. Aus diesem Grunde benutzt man hiefür vorzugsweise Edelmetalle, insbesondere Silber oder Silberlegierungen. Solche Kontaktstücke haben aber den Nachteil, anfällig gegen Schwefel oder schwefelhaltige Medien zu sein.
Besonders kritisch ist das bei ruhenden Kontaktstücken, d. h. bei solchen Kontaktstücken, die weniger häufig geschaltet werden, so dass eine sogenannte Selbstreinigung der Kontaktstücke nicht stattfindet.
Kontaktstücke, z. B. Schaltstückauflagen, die aus einem unedlen Metall, z. B. Kupfer, bestehen, hat man mit einem Überzug aus einem edleren Metall, wie Silber, versehen.
Man hat auch Kontaktstücke anlaufbeständiger gemacht durch Umwandlung der Oberfläche in Chromatverbindungen. Aber auch hier bilden sich im Betriebe und insbesondere beim Vorhandensein agressiver Medien Sulfidschichten, die den Übergangswiderstand der Kontakte erhöhen. Es ist auch bekannt, an Stelle von Überzügen aus Edelmetallen, solche aus einem unedlen Metall, z. B. Zinn, anzuwenden.
Diese Überzüge sind so lange beständig gegen schwefelhaltige Atmosphäre, wie die Temperatur, der das Kontaktstück ausgesetzt ist, unterhalb gewisser Grenzen bleibt. Aber auch hier lässt sich nicht mit Bestimmtheit eine Zeitangabe machen, wie lange das Kontaktstück ohne Veränderung seines Übergangswiderstandes arbeitet, denn es tritt auf alle Fälle (bei hohen Temperaturen schnell, bei niedrigen Temperaturen langsam) eine Diffusion des Zinns in das Grundmaterial ein. Bei Kupfer entstehen intermetallische Verbindungen aus CugSn und CUgSng.
Dieser Vorgang bewirkt eine Veränderung des spezifischen Widerstandes und damit eine Erhöhung des Spannungsabfalles. Die Verschlechterung des Kontaktstückes ist progressiv.
Durch die deutsche Patentschrift Nr. 830269 sind Gleitlager mit Zinnlaufflächen bekannt. Zur Verhinderung der Diffusion des Zinns in das Grundmaterial bringt man Schichten von galvanisch abgeschiedenem Eisen, Nickel und Kobalt auf, um die Gleiteigenschaften des Zinns für das Einlaufen von Gleitlagern zu erhalten.
Bei verzinnten Kupferkontaktstücken tritt an sich in schwefelhaltiger Atmosphäre keine Sulfidbildung
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und keine Erhöhung des Spannungsabfalles ein. Ein solches Kontaktstück kann aber nur so lange befriedigend arbeiten, wie es einer geringen Erwärmung ausgesetzt ist, d. h. dass es nur gering belastet wird. Wird die Stromdichte betriebsmässig höher oder wird die Betriebstemperatur dauernd höher, etwa durch Erhöhung des Übergangswiderstandes infolge niedrigen Kontaktdruckes, ergibt sich eine Temperaturerhöhung, die eine Umwandlung der Zinnschicht in Diffusionsschichten zur Folge hat. Es bilden sich dann wieder intermetallische Schichten aus Cu3Sn und CUgSng.
Infolge des höheren Kupferanteiles der Cu3SnPhase gegenüber der CUgSng-Phase kann eine Oxydation der Oberfläche eintreten, die die Erhöhung des Spannungsabfalles und die dauernde Verschlechterung des Kontaktstückes bewirkt.
Durch die Erfindung kann die Änderung der elektrischen Eigenschaften durch Einbau einer Diffusionssperrschicht verhindert werden. Sperrschichten aus Eisen, Nickel und Kobalt und deren Legierungen (s. deutsche Patentschrift Nr. 830269) haben nicht die Wirkung wie die in der Erfindung angegebene, da sie selbst bei höheren Temperaturen durch die Bildung von FeSnz und NixSny-Schichten die elektrischen Widerstände erhöhen.
Gemäss der Erfindung ist zwischen dem Überzug aus Zinn und dem Grundmetall eine Sperrschicht aus
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z. B. 2000C keine Erhöhung der Spannungsabfälle auf.
Ausserdem wird auch eine mit der Diffusion zusammenhängende Verfärbung des Zinnüberzuges unterbunden.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. So zeigen Fig. 1 ein aus Kupfer bestehendes Kontaktstück mit einem Zinnüberzug, Fig. 2 ein Mehrschichtensystem und Fig. 3 ein weiteres Mehrschichtensystem.
In Fig. 1 ist 1 ein aus Kupfer bestehendes Kontaktstück. Auf das Kupfergrundmetall ist galvanisch eine aus Messing, Zinn-Zink oder Zinn-Blei bestehende Sperrschicht 2 aufgetragen, auf diese wieder die Zinnschicht 3. Es würde genügen, die Sperrschicht 2 und die Zinnschicht 3 nur auf die Kontaktfläche aufzutragen, da nur hier die elektrische Belastung des Kontaktstückes erfolgt. Die Aufbringung der Schichten 2 und 3 erfolgt galvanisch. Es lohnt nicht, die Seitenflächen abzudecken, um hier die Auftragung zu verhindern. Aus diesem Grunde ist das Kontaktstück 1 allseitig mit der Sperrschicht und der Zinnschicht versehen.
Eine noch weitergehende Beständigkeit eines solchen Kontaktstückes gegen Oxydation selbst bei höheren Temperaturen und längerer Einwirkungsdauer lässt sich erfindungsgemäss dadurch erreichen, dass die Folge : Sperr-Zinnschicht mehrfach auf das Grundmetall aufgetragen ist. Obwohl ein Zinnüberzug nicht oder nicht immer absolut porenfrei ist, wird durch die Erfindung selbst unter extrem ungünstigen Umständen ein angreifendes Medium ohne störenden Einfluss auf die Oberfläche des Kontaktstückes bleiben, da einer Diffusion des Sn-Überzuges in das Kupfergrundmetall eine mehrfache Sperrschicht-Schranke gesetzt ist.
So kann man bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Fünfschichtensystem aus KupferMessingsperrschicht-Zinn-Messingsperrschicht-Zinn anwenden.
Ein diesem System entsprechendes Kontaktstück ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Dabei sind die Stärken der einzelnen Schichten der Deutlichkeit halber übertrieben stark gezeichnet.
Auf dem Grundmetall Cu ist galvanisch eine erste Messing-Sperrschicht Msl, auf diese eine erste Zinnschicht Snl, auf diese eine zweite Messingsperrschicht Msz und aufdiese eine zweite Zinn- schicht Sn aufgetragen.
Ein solches Kontaktstück kann als Druckkontaktstück, Schiebe-Gleit-Einfahr-Kontaktstück, auch als Kontaktmesser ausgebildet sein, wobei die Erfindung besonders bei ruhenden Kontakten, d. h. solchen, die weniger häufig geschaltet werden, Bedeutung hat.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist für einen solchen Stromleiter ein MehrschichtenSystem angewendet, von dem mindestens eine Schicht als Diffusionsschicht wirkt, die mit dem Grundmetall (Cu, Cu-Legierungen, und Fe) nicht, aber mit einem Auftragsmetall (Sn) diffundiert. Dadurch wird erreicht, dass auch bei extrem ungünstigen Umständen in bezug auf das angreifende Medium, die Temperatur, die auf einen solchen Stromleiter einwirkt und die Einwirkungsdauer selbst bei nicht absolut porenfreien äusseren Schichten das Auftreten von freiem Cu an der Oberfläche des Stromleiters, z. B. der Kontaktfläche eines Kontaktstückes verhindert ist.
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In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
Bei dem erfindungsgemässen Mehrschichten-System werden nicht reine Metalle oder Legierungen, sondern intermetallische Phasen als Sperrschichten eingebaut.
Hiebei wird auf dem Kupfer-Grundmaterial Cu als erste Sperrschicht ein Metall aufgebracht, das mit dem Kupfer erst bei Temperaturen weit über 200 C Mischkristalle bildet, z. B. Silber, Schicht Ag (Fig. 3). Eine Diffusion zwischen diesen Metallen findet bei den üblicherweise auftretenden Temperaturen nicht statt.
Auf diese erste Metallschicht folgt dann eine Schicht Sn, die mit dem Silber Diffusionsschichten bilden kann.
Als dritte Schicht folgt dann Messing Ms und hierauf als Deckschicht Zinn.
Das System auf Kupfer oder Messing als Grundmetall zeigt dann gemäss Fig. 3 den Aufbau SilberZinn- Messing- Zinn, wobei die Schichtstärken für Silber 1-5 , vorzugsweise dz betragen, für Zinn
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Dieses System wird vor Inbetriebnahme der Kontaktstücke 6 - 200 h, vorzugsweise 48 h bei 2000C wärmebehandelt, um die Bildung der Diffusionsschicht zwischen Silber und Zinn zu gewährleisten.
Dieses System bewährt sich in schwefelhaltigen Atmosphären gut, weil intermetallische Phasen aus Silber und Zinn darin beständig sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrisches Kontaktstück oder Stromleiter aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder Eisen mit einem galvanisch aufgebrachten Überzug aus Zinn, der bewirkt, dass der Übergangswiderstand des Kontakt-
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und 401o Pb) galvanisch aufgebracht ist.