Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Pressverbindung, Stabilisierungsmasse zur Durchführung des Verfahrens und nach dem Verfahren hergestellte elektrische Pressverbindung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Press- verbindung zwischen zwei Leitern, wovon mindestens einer aus Aluminium besteht, eine Stabilisierungs masse zur Durchführung des Verfahrens und nach dem Verfahren hergestellte elektrische Pressverbindung.
Es ist in der Elektrotechnik üblich, Verbindun gen zwischen Leitern und damit zu verbindenden Kör pern durch Aufpressen einer Hülse auf den Leiter herzustellen. Die Hülse kann entweder ein Teil einer Klemme oder eines Kabelschuhes bilden oder auch als Teil eines Verbinders zweier Drahtenden ausge bildet sein. Meist besitzen solche, eine aufgepresste Hülse aufweisenden Verbindungen eine gute elek trische Leitfähigkeit, wie auch Festigkeit und lösen sich auch nicht, wenn sie Vibrationen unterworfen sind.
Die Verbindung kann auf einfache Weise her gestellt werden; es braucht dazu nur das Drahtende in die Hülse eingeführt zu werden, wonach diese mittels eines Presswerkzeuges oder einer Pressvorrich- tung auf den Draht aufgepresst wird. Aus diesen Gründen haben diese Verbindungen in der Elektro technik eine grosse Verbreitung gefunden und in vielen Fällen andere Verbindungen verdrängt.
Wenn sowohl der Leiter wie die Hülse aus Kupfer bestehen, was oft der Fall ist, genügt lediglich das Aufpressen der Hülse, um eine bleibend starke und elektrisch gut leitende Verbindung herzustellen. Es hat sich dagegen gezeigt, dass dort, wo entweder die Hülse oder der Leiter aus Aluminium besteht, der elektrische Widerstand der Pressverbindung zwi schen dem Leiter und der aufgepressten Hülse sofort nach dem Aufpressen etwas grösser ist als bei einer aufgepressten Kupfer-Kupfer-Verbindung von ent sprechender Grösse.
Überdies hat es sich gezeigt, dass der elektrische Widerstand einer Pressverbindung, bei der mindestens ein Teil aus Aluminium besteht, im Laufe der Zeit zunimmt, wobei der Temperatur zyklus diesen Vorgang noch beschleunigt. Der Tem peraturzyklus, das heisst die wechselweise Erwärmung und Kühlung der Verbindung entsteht bei intermittie- rendem Stromdurchgang durch die Verbindung. Ins besondere solche Pressverbindungen, bei denen eines der Glieder aus Aluminium und das andere aus Kupfer besteht, zeigen diese Erscheinung in besonders hohem Masse; sie tritt aber auch bei Verbindungen von Aluminium auf Aluminium auf, wenn auch nicht in so starkem Masse wie bei Aluminium auf Kupfer.
Die Hauptursache der schlechten Eigenschaften der Verbindungen mit Aluminiumgliedern liegt wohl in -der Bildung von A1203. Wahrscheinlich löst sich infolge des Temperaturzyklus, der ja eine Dehnung und Schrumpfung der aufgepressten Teile zur Folge hat, die Verbindung, so dass Luft und Feuchtigkeit zu den Berührungsflächen zwischen Leiter und Hülse vordringen können, dort A1203 bilden und die elek trische Leitfähigkeit der Verbindung herabsetzen.
Diese Theorie wird noch erhärtet durch die Beob achtung, dass Pressverbindungen von Aluminium und Kupfer, und zwar insbesondere solche mit kupferner Hülse und Aluminiumleiter sich besonders schnell verschlechtern, da ja die verwendeten Materialien verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten auf weisen. In übereinstimmung mit dieser Theorie ist zu erwarten, dass die Wirkung des thermischen Zyklus, und damit die Oxydation, grösser ist, wenn Hülse und Leiter verschiedene thermische Ausdeh nungskoeffizienten haben, als dort, wo Hülse und Leiter die gleichen Ausdehnungskoeffizienten besitzen.
Es ist, insbesondere wenn die Verbindung aus Alumi nium auf Kupfer besteht, auch möglich, dass sich bei der engen Berührung dieser zwei ungleichen Metalle ein galvanisches Element bildet und die Metalle auf galvanischem Wege korrodieren.
Es ist bekannt, dass eine fettige, feste Teilchen enthaltende Masse in der Hülse oder eine vor dem Pressen auf das Leiterende aufgeschmierte Schicht einer solchen Masse den elektrischen Widerstand der Pressverbindung herabsetzt und während längerer Zeit konstant hält als dies sonst ohne eine solche Masse der Fall ist. Als fettige Masse wird meist Vaselin verwen det und verschiedene feste Materialien, wie z. B. Zink und Graphit, sind schon als Stabilisierungsmaterialien vorgeschlagen worden. Diese Stabilisierungsmaterialien wirken insofern günstig, als sie die anfängliche elek trische Leitfähigkeit der Pressverbindung verbessern und deren Tendenz, ihren Widerstand zu erhöhen, unterdrücken.
Wahrscheinlich erhöhen diese Metall partikel die anfängliche Leitfähigkeit der Verbindung durch die schleifende und kratzende Wirkung, die sie auf die Aluminiumoberfläche ausüben, wobei sie die A120.-Schicht teilweise entfernen und das reine Aluminium freilegen. Aber auch bei Verbindungen mit diesen bekannten Massen nimmt der Widerstand unter dem Einfluss veränderlicher Temperatur noch zu. Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem wirk sameren Stabilisator für elektrische Pressverbindun- gen, bei denen mindestens ein Glied aus Aluminium besteht, mit dem der Widerstand einer solchen Ver bindung so weit stabilisiert werden kann, dass er mit demjenigen einer Kupfer-Kupfer-Verbindung ver gleichbar ist.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen Kabelschuh und einen Leiter vor dem Aufpressen des Kabelschuhes auf den Leiter, und Fig. 2 zeigt die fertige Verbindung, bei der der Kabelschuh auf den Leiter aufgepresst ist.
In den Figuren ist 1 der Kabelschuh mit einer Hülse 4 und einer Anschlussfahne 2. Dieser Kabel schuh ist aus verzinntem Kupfer hergestellt und die Hülse ist auf der oberen Seite verlötet. Von den einzelnen Drähten 6 des Aluminiumleiters des Kabels ist bereits die Isolation entfernt. Auf und zwischen die einzelnen Stränge ist ein aus einer ungesättigten Fettsäure und nickelhaltigen Teilchen bestehendes Gemisch 8 angebracht worden.
Das so vorbereitete Leiterende wird nun in die Hülse 4 eingeschoben, worauf diese auf das Kabel aufgepresst wird. Zum Aufpressen dient eine nicht dargestellte Spezialzange, mit deren Hilfe tiefe Rillen in die Hülse gepresst werden. Durch dieses Aufpres- sen werden die einzelnen Stränge aufeinander und gegen die Innenwand der Hülse gepresst, und zwar so stark, dass eine metallische Berührung zwischen diesen Teilen entsteht.
Die in die Masse eingemisch ten nickelhaltigen Teilchen werden dabei in die Metalloberflächen eingepresst und bilden Brücken für den Stromübergang, während die ungesättigte Fett säure dafür sorgt, dass der anfänglich niedere über gangswiderstand erhalten bleibt, wahrscheinlich indem sie die Oxydation verhütet. Es hat sich gezeigt, dass elektrische Pressverbindun- gen mit einer Aluminiumhülse oder mit einem Alumi niumleiter, mit niederem anfänglichen Widerstand und sehr guter Stabilität hergestellt werden können, wenn ein eine ungesättigte Fettsäure und Metall partikel enthaltendes Stabilisierungsmaterial angewen det wird.
Zum Beispiel werden Oleinsäure und Nickel- oder Zinkteilchen vermischt, und zwar in einem Ver- hältnis von 90 % Ni oder Zn und 10 % Oleinsäure. Dieses Gemisch wird auf das Leiterende verteilt und im Fall eines verseilten Leiters auch zwischen die einzelnen Drähte gebracht,
wonach das Leiterende in die Hülse gesteckt und diese auf den Leiter aufge- presst wird. Die Nickel- oder Zinkteilchen sollten mindestens so klein sein, dass sie durch ein 200- Maschensieb und vorzugsweise durch ein 300- Maschensieb hindurch getrieben werden können. Es können aber, wenn dies erwünscht oder notwendig ist, auch etwas grössere Teilchen als die durch ein 200-Maschensieb getriebenen verwendet werden.
Bei mikroskopischen Untersuchungen an Schnitten von aufgepressten Verbindungen hat sich gezeigt, dass einige der Nickel- oder Zinkteilchen sowohl in die Oberfläche der Hülse als auch in die Oberfläche des Leiters eingedrungen sind und daher als elektrisch leitende Brücken zwischen der Berührungsfläche der Hülse mit dem Leiter dienen. Bei mehrdrähtigen Leitern hat sich gezeigt, dass sich die Nickel- oder Zinkpartikel zwischen die Drähte schieben und lei tende Brücken zwischen benachbarten Drähten bilden. Die Nickel- oder Zinkteilchen sollten daher nicht so gross sein, dass sie sich nicht mehr auf diese Weise einbetten lassen.
Obwohl Oleinsäure als ungesättigte Fettsäure den Vorzug verdient, wurden auch gute Resultate erzielt mit Linolsäure und mit Linolensäure. Zwar wurde vorzugsweise ein Mischverhältnis von 10 % unge- sättigter Fettsäure und 90"/o Metallteilen verwendet, es hat sich aber gezeigt, dass diese Proportionen nicht kritisch sind.
Es sind mit gutem Erfolg auch Ge- mische mit 901)/o Säure und 10% Metall verwendet worden. Beide Komponenten müssen in genügenden Mengen vorhanden sein und nur wenn die obenge- nannten äussersten Grenzen überschritten werden, ist entweder zu wenig Fettsäure oder sind ungenügend Metallpartikel da.
Es können dem Gemisch aber auch verschiedene inerte Materialien, wie Silikonfett, Vase line oder Bentonit zugefügt werden, um dem Gemisch die gewünschte Konsistenz zu geben. Die Zufügung solcher Materialien scheint aber die den Widerstand stabilisierende Wirkung des Ge misches der Fettsäure mit den Metallpartikeln zu beeinträchtigen.
Wird nur ein einziger Leiter in die Hülse einge- presst, dann genügt es, das Ende dieses Leiters in das Gemisch von Säure und Metallpartikel einzutau chen oder das Gemisch auf der Innenseite der Hülse zu verteilen, bevor diese aufgepresst wird. Kommt dagegen ein verseilter Leiter mit mehreren Drähten zur Anwendung, dann lohnt es sich, einige Mühe auf zuwenden, um das Gemisch sowohl zwischen die einzelnen Drähte als auf die Aussenfläche desselben aufzubringen.
Vorzugsweise wird ein geflochtener Leiter vor dem Aufpressen so vorbereitet, dass ein Becher oder ein Fingerhut, dessen Durchmesser nur wenig grösser als derjenige des Leiters ist, mit dem Gemisch gefüllt wird, wonach das Leiterende hinein gesteckt und hin und her bewegt wird, so dass Säure und Metallteile zwischen die Drähte gelangen. Ist dagegen die Hülse mit dem Säure-Metall-Gemisch gefüllt, so wird der geflochtene Leiter vor dem Ruf pressen darin hin und her bewegt, damit das Gemisch sich gleichmässig zwischen die Drähte verteilt.
Die Tabelle zeigt die überlegenheit der neuen Verbindung. Die Daten der Tabelle wurden auf fol gende Weise gesammelt: Es wurden verschiedene Stabilisierungsmateria lien hergestellt, von denen verschiedene in den Rah men der vorliegenden Erfindung fallen und andere mit bekannten Materialien hergestellt waren. Mit jedem Gemisch wurden je zehn Pressverbindungen hergestellt, und zwar mit einer verzinnten Kupfer klemme und einem Aluminiumleiter. Die ganze Gruppe von Klemmen wurde dann in einen Ofen gebracht, der 100 Tage lang auf 100 C gehalten wurde. Ein- bis zweimal je 24 Stunden wurden die Versuchsstücke aus dem Ofen herausgenommen und auf Zimmertemperatur abgekühlt.
In bestimmten Zeitintervallen wurden die Klemmen geprüft, um ihren elektrischen Widerstand festzustellen, wozu ein Strom von 101 Ampere durch die Verbindung gelei tet und der Spannungsabfall in Millivolt gemessen wurde.
EMI0003.0014
<I>Tabelle</I>
<tb> Millivolt <SEP> Spannungsabfall
<tb> Gemisch <SEP> <I>zu <SEP> Anfang <SEP> nach <SEP> 100 <SEP> Tagen</I> <SEP> Versuch
<tb> Min. <SEP> Mittel <SEP> Max. <SEP> Min. <SEP> Mittel <SEP> Max. <SEP> Nr.
<tb> 90% <SEP> Ni <SEP> 50 <SEP> 50 <SEP> 50 <SEP> 50 <SEP> 60 <SEP> 70 <SEP> 219
<tb> 101/o <SEP> Oleinsäure <SEP> '
<tb> 50% <SEP> Ni <SEP> 4,0 <SEP> <B><I>5,0 <SEP> 5,5</I></B> <SEP> 9 <SEP> 10 <SEP> 11 <SEP> 212
<tb> 50% <SEP> Oleinsäure <SEP> 225% <SEP> Ni <SEP> 4,0 <SEP> <B>6,0 <SEP> <I>5,0</I></B> <SEP> 7 <SEP> 10 <SEP> 15 <SEP> 172
<tb> 75 <SEP> % <SEP> Oleinsäure <SEP> 50% <SEP> Ni <SEP> 4,0 <SEP> 4,5 <SEP> <B><I>5,0</I></B> <SEP> 10 <SEP> <B><I>15,5</I></B> <SEP> 37 <SEP> 208
<tb> 50% <SEP> Linolsäure <SEP> 500/<B><I>9</I></B> <SEP> Ni <SEP> 4,2 <SEP> <B><I>5,0</I> <SEP> 6,
0</B> <SEP> 8 <SEP> 16 <SEP> 22 <SEP> 210
<tb> 50% <SEP> Linolensäure <SEP> 50-% <SEP> Zn <SEP> <B><I>5,5</I> <SEP> 6,0 <SEP> 7,0</B> <SEP> 10 <SEP> 14 <SEP> 23 <SEP> 192
<tb> 50% <SEP> Oleinsäure <SEP> 50% <SEP> Fe <SEP> <B><I>5,0</I> <SEP> 6,0 <SEP> 7,0</B> <SEP> 18 <SEP> 32 <SEP> 58 <SEP> 201
<tb> 50% <SEP> Oleinsäure <SEP> 90% <SEP> Ni <SEP> 6 <SEP> 7 <SEP> 8 <SEP> <B>9,6 <SEP> 12,7 <SEP> 15,6</B> <SEP> 254
<tb> 10% <SEP> Oleinsäure <SEP> 90% <SEP> Ni
<tb> 10% <SEP> teilweise <SEP> hydrierter <SEP> 6 <SEP> 8 <SEP> 10 <SEP> 16 <SEP> 22 <SEP> 43 <SEP> 256
<tb> Oleinsäureester
<tb> <B><I>5011o,</I></B> <SEP> Ni <SEP> 4,5 <SEP> <B>6,0 <SEP> 7,0</B> <SEP> 14 <SEP> 21 <SEP> 27 <SEP> 160
<tb> 50% <SEP> Vaseline <SEP> 500/a <SEP> Ni <SEP> 4,0 <SEP> <B><I>5,0</I> <SEP> 7,5</B> <SEP> 35 <SEP> 76 <SEP> <B>1</B>17 <SEP> 165
<tb> 50% <SEP> Silikon <SEP> 50% <SEP> Zn <SEP> <B>3,
0</B> <SEP> 4,5 <SEP> 6 <SEP> 11 <SEP> 21 <SEP> 34 <SEP> 19
<tb> 50% <SEP> Vaseline <SEP> Oleinsäure <SEP> (ohne <SEP> Metall- <SEP> 7,5 <SEP> 10 <SEP> 14,5 <SEP> 18,5 <SEP> 50 <SEP> 87 <SEP> 170
<tb> partikel)
<tb> Vaseline <SEP> (ohne <SEP> Metall- <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP> 23 <SEP> 85 <SEP> 145 <SEP> @\ <SEP> partikel)
<tb> * <SEP> Letzte <SEP> Messung <SEP> des <SEP> Spannungsabfalles <SEP> in <SEP> Millivolt <SEP> nach <SEP> 119 <SEP> Tagen Aus den Daten der Tabelle geht hervor, dass die Verbindungen, bei denen Nickel oder Zink und eine ungesättigte Fettsäure verwendet wurden, eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit besitzen,
und dass von diesen diejenigen vom Versuch Nr. 219 mit 90% Ni und 10% Oleinsäure hervorragend sind. Bei diesen besondern Mustern wurden die Versuche noch über die Periode von<B>100</B> Tagen hinaus weiter fortgesetzt, wobei es sich zeigte,
dass nach zweieinhalb Jahren fortgesetztem Temperaturwechsel der Spannungs abfall in Millivolt auf nahezu demselben Niveau wie am Ende des 100 Tage dauernden Versuchs blieb. Nach zweieinhalb Jahren war sogar der Spannungs abfall bei den Mustern des Versuches Nr. 219 nicht wesentlich höher als die nach 100 Tagen gemessenen 7 Millivolt.
Die genauen Ursachen für diese hervorragenden Resultate sind zwar nicht genau bekannt; es wird aber vermutet, dass die unten beschriebenen Faktoren eine Rolle spielen. Die nachfolgende theoretische Erörterung ist daher nicht verbindlich. Ungesättigte Fettsäuren weisen mindestens eine doppelte Bindung auf und besitzen dank diesen eine Affinität zu Sauerstoff. Es ist möglich, dass die unge sättigte Fettsäure in der aufgepressten Verbindung den Sauerstoff bindet, der sich sonst mit dem Alumi nium zu A1203 verbinden würde. Ferner haben un gesättigte Fettsäuren gute belagbildende Eigenschaf ten und haben die Neigung, die Oberfläche der Hülse und des Leiters mit einem monomolekularen Belag zu überziehen.
Beim Aufpressen werden die Hülse und der Leiter zusammengepresst und es wird dieser Belag wahrscheinlich bei den Stellen engster Berüh rung durchbrochen. In der Umgebung der metalli schen Berührungsflächen bleibt dagegen der Belag intakt und wirkt wahrscheinlich als antioxydierender Schmierbelag, der einen Zutritt von Sauerstoff zu den Berührungsstellen verhütet. Nach obiger Theorie hat daher die ungesättigte Fettsäure eine doppelte Wir kung, indem sie erstens die Aluminiumoberfläche be deckt und die eigentliche Pressverbindung abdichtet und indem sie zweitens den Sauerstoff bindet, der sonst eine Bildung von A1203 hervorrufen würde.
Ein Vergleich der Resultate der Versuche 254 und 256 stützt die Theorie, dass eine ungesättigte Fettsäure Sauerstoff bindet und so die Bildung von M203 verhütet. Beim Versuch Nr. 256 ist ein Ge misch von Nickelteilchen und dem im Handel unter der Markenbezeichnung Crisco erhältlichen Koch fett verwendet worden. Dieser Stoff besteht zur Hauptsache aus teilweise hydriertem Oleinsäureester, so dass erwartet werden konnte, dass er sich etwa wie Oleinsäure verhalten würde.
Der Stoff hat aber viel weniger Doppelbindungen als Oleinsäure und ist daher weniger Sauerstoff aufnahmefähig als Olein- säure. Die Resultate zeigen, dass erwartungsgemäss die mit einem Gemisch von 90% Ni und 100/a Crisco (Versuch 256)
hergestellten Verbindungen schlechter sind als die mit 90% Ni und 10% Oleinsäure her- gestellten Verbindungen (Versuche 219 und 254).
Die ungesättigte Fettsäure allein genügt aber nicht, um den elektrischen Widerstand der aufgepress- ten Verbindung zu stabilisieren, wie die Resultate aus Versuch Nr.<B>170</B> in Tabelle lehren. Die Metallpartikel sind wesentlich und von den untersuchten Metallen gab Nickel die besten Resultate. Wie schon erwähnt, werden die Nickelpartikel in die Hülse und in den Leiter und wenn dieser verseht ist, auch in die einzelnen Drähte eingebettet. Man kann daraus schliessen, dass diese Partikel wie leitende Brücken wirken.
Der Ausdruck Aluminium , wie er in obigem verwendet ist, soll die bekannten, zur Hauptsache aus Aluminium bestehenden Legierungen, wie sie zur Herstellung von elektrischen Leitern und von Klem men verwendet werden, miteinschliessen. Gleicher weise soll der Ausdruck Kupfer die zur Hauptsache aus Kupfer bestehenden bekannten Materialien um fassen. Die Ausdrücke Nickel und Zink um fassen Materialien, welche mehrheitlich oder ganz aus Nickel oder Zink bestehen.