CH618044A5 - Body of composite material in web or sheet form and production process for it - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen bahn- oder plattenförmigen Körper aus Verbundwerkstoff als Halbzeug für elektrische Kontaktstücke, welcher Körper einseitig mit einer verbindungsfähigen metallenen, insbesondere lötfähigen Auflage versehen ist und der Verbundwerkstoff aus Silber-Metalloxid besteht.

Nach dem Stande der Technik ist es bekannt, dass Silber-Metalloxid-Werkstoffe mit Gehalten an Metalloxiden zwischen 2 und 20 Gewichtsprozent, beispielsweise mit Cadmiumoxid, Zinnoxid und Zinkoxid eine geringe Schweissneigung besitzen. Sie werden daher in der Elektrotechnik für Kontaktstücke elektrischer Schaltgeräte verwendet.

Von diesen Kontaktwerkstoffen hat das Silber-Cadmium-oxid die weiteste Verbreitung gefunden. Es dient in grossem Umfang zur Herstellung von abbrandfesten und oxidationsbe-ständigen Kontakten bis zu hohen Schaltleistungen. Derartige Silber-Cadmiumoxid-Kontakte zeigen neben der sehr guten elektrischen Leitfähigkeit eine sehr geringe Schweissneigung beim Schalten. Cadmiumoxid dissoziiert bei 1000 bis 1500 °C, so dass beim Schaltvorgang unter dem Einfluss des Schaltlichtbogens zusätzlich eine Selbstreinigung der Kontaktflächen erzielt wird. Durch diese Selbstreinigung wird der Kontaktwiderstand niedrig gehalten. Die lichtbogenlöschende Wirkung dieses Kontaktwerkstoffes bietet weitere Vorteile für das Kontaktverhalten, insbesondere hinsichtlich der Abbrandfestigkeit.

Zur Herstellung von Silber-Cadmiumoxid-Kontaktwerk-stoffen werden zwei grundsätzlich verschiedene Verfahren angewandt.

Das bekannte pulvermetallurgische Verfahren eignet sich sowohl für die Herstellung von Halbzeugen als auch von Fertigteilen. Hierbei werden Pulver aus Silber und Cadmiumoxid in dem gewünschten Gewichtsverhältnis intensiv gemischt, gepresst und gesintert. Dieses Verfahren ergibt jedoch nur eine grob disperse Einlagerung der Cadmiumoxid-Teilchen in die Silbermatrix. Eine bekannte Verbesserung besteht in dem Verfahren der Mischfällung. Hierbei werden die Hydroxide des Silbers und des Cadmiums gleichzeitig aus einer Silbernitrat- und Cadmiumnitratlösung ausgefällt. Durch die nachfolgende Wärmebehandlung ergibt sich eine Umwandlung der Hydroxide in metallisches Silber und Cadmiumoxid. Die dabei entstehende Pulvermischung wird dann den üblichen Press- und Sintervorgängen unterworfen.

Bei dem bekannten Verfahren der inneren Oxidation wird eine auf schmelzmetallurgischem Wege hergestellte Silber-Cadmium-Legierung in sauerstoffhaltiger Atmosphäre geglüht. Dabei werden Sauerstoffatome im Silber gelöst, diese diffundieren in das Innere der Legierung und reagieren mit dem unedleren Cadmium unter Bildung von fein dispers verteiltem Cadmiumoxid in der Silbermatrix. Ein derartiger Kontaktwerkstoff ermöglicht zwar eine erwünschte feine Verteilung des Cadmiumoxids, jedoch ist die erzielte Verteilung in Höhenlagen parallel zur Kontaktfläche ungleichmässig, und ausserdem erfordert die Durchführung des Verfahrens einen hohen Zeitaufwand.

Die Dauer der inneren Oxidation ist mit der Schichtdicke durch ein parabolisches Zeitgesetz derart verknüpft, dass sich bei grösseren Abmessungen sehr lange Oxidationszeiten ergeben. So werden beispielsweise für die Oxidation eines 20 mm dicken Bleches bei einer Temperatur von 800 °C und einem Sauerstoffdruck von 2 ata mehr als 1000 Stunden benötigt. Diese lange Behandlungsdauer bedingt hohe Fertigungskosten. Es tritt ausserdem bei der inneren Oxidation eine Zunahme der Teilchengrösse mit fortschreitender Oxidationstiefe auf. Dieser Teilchengrössengradient beeinflusst die Eigenschaften des Kontaktwerkstoffes nachteilig. Da beim Schaltvorgang Kontaktmaterial abgetragen wird, ergibt sich mit zunehmender Betriebsdauer des Schaltgerätes eine Vergrösserung der in der Kontaktfläche vorliegenden Teilchen, wodurch sich gleichsinnig Abbrand und Schweissneigung vergrössern.

Ein weiterer Nachteil des durch innere Oxidation hergestellten Silber-Cadmiumoxids besteht darin, dass sich beim Schaltvorgang eine stark zerklüftete Kontaktoberfläche bildet. Ferner nimmt mit fortschreitendem Abbrand des Kontaktwerkstoffes - bedingt durch die zunehmende Teilchengrösse -die Härte des Kontaktwerkstoffes ab.

Die bereits erwähnte geringe Schweissneigung des Silber-Cadmiumoxids im Schaltbetrieb führt bei der Befestigung des Kontaktwerkstoffes durch Löten oder Schweissen auf einem Träger zu Schwierigkeiten. Deshalb muss der Silber-Cadmium-oxid-Kontaktwerkstoff an seiner Unterseite bereits bei der Herstellung mit einer löt- oder schweissfähigen Schicht versehen werden. Hierzu sind bei inneroxidiertem Silber-Cadmium-oxid im wesentlichen folgende Verfahren bekannt:

1. Plattieren einer Silber-Cadmium-Legierung mit einer Silberschicht und anschliessende Oxidation;

2. Einseitige Oxidation (ca. % der Gesamtmaterialdicke) einer Silber-Cadmium-Legierung. Hierdurch entsteht eine lötbare oxidfreie Silber-Cadmium-Schicht, die etwa !h der Gesamtdicke ausmacht.

Bei dem Verfahren nach 1) diffundiert der Sauerstoff auch durch die Feinsilberschicht, so dass sich in der Mitte des Halbzeuges eine an Oxid verarmte Zone ergibt. Bei dem Verfahren nach 2) zeigt der Kontaktwerkstoff eine Neigung zur Trennung

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zwischen oxidiertem und nichtoxidiertera Bereich, vor allem von der verbindungsfähigen, z. B. lötfähigen Unterseite vermie-

bei mechanischen und thermischen Beanspruchungen. den.

Zum Stande der Technik gehört ferner ein Verfahren zur Ein zweckmässiges Verfahren zur Herstellung eines VerHerstellung eines duktilen Silber-Metalloxid-Halbzeugs, bei bundkörpers der beschriebenen Art kann dadurch ausgeführt dem mehrere inneroxidierte oder pulvermetallurgisch herge- 5 werden, dass mindestens drei zu schichtende Bleche mit einer stellte Silber-Metalloxid-Platten zu einem Barren zusammenge- Dicke unterhalb von 2 mm aus einer Silberlegierung zunächst setzt und anschliessend zu einem Draht mit hohen Oxidgehal- in sauerstoffhaltiger Atmosphäre vollständig inneroxidiert und ten stranggepresst werden. Dabei ergibt sich in einem drahtför- nach einer Oberflächenreinigung aufeinander geschichtet wer-migen Halbzeug eine Schichtung Silber-Metalloxid im wesentli- den, dass zur Erreichung der verbindungsfähigen Auflage ein chen senkrecht zur Schaltfläche, die einer Holzfaserstruktur 10 metallenes nicht oxidiertes Blech als Aussenschicht beigefügt ähnelt. Die Herstellung eines solchen Kontaktwerkstoffes ist wird, und dass das Paket der Bleche durch Walzplattierung jedoch nicht in beliebigen Abmessungen möglich. schweissverbunden wird.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, einen Verbundwerkstoff als Halbzeug für elektrische Kontaktstücke Die Zahl der Schichten ergibt sich aus der Zahl der verwen-zu schaffen, welcher eine verbindungsfähige, z. B. löt- bzw. 15 deten Einzelbleche. Die Dicke der Bleche im Ausgangszustand schweissfähige, Unterseite aufweist, und der unter Beseitigung liegt dabei zweckmässig unterhalb von 2 mm, beispielsweise be der oben beschriebenen Nachteile kostengünstig herstellbar 1 mm. Die Verwendung dünner Ausgangsbleche bewirkt eine ist. Das Kennzeichnende der Erfindung ist darin zu sehen, dass wesentliche Verkürzung der Oxidationszeiten und dadurch das Silber-Metalloxid in mindestens drei vollständig inneroxi- eine erhebliche Verbilligung der Fertigung. Da die Plattierung dierten Schichten angeordnet ist und diese Schichten unterein- 20 der inneroxidierten Bleche und der verbindungsfähigen Rückander sowie mit der verbindungsfähigen Auflage durch Walz- seite glëichzeitig erfolgt, ergeben sich gravierende Kostenein-plattierung schweissverbunden sind. Ein damit aufgebautes sparungen der Fertigung.

elektrisches Kontaktstück zeigt im Querschnitt eine laminare Die Walzverformung im Herstellungsverfahren kann

Schichtung mit periodisch schwankender Teilchengrösse, zweckmässig bei erwärmtem Paket erfolgen, die Erwärmung wobei jedoch eine maximale Teilchengrösse von 10 um zweck- 25 wird dabei vorteilhaft oberhalb von 500 °C ausgeführt. Gleich-

mässig nicht überschritten wird. zeitig mit dem Plattiervorgang erfolgt eine Querschnittsverrin-

Eine zweckmässige Ausbildung kann vorsehen, dass die Sil- gerung, welche im ersten Walzschritt z. B. mindestens 40% ber-Metalloxid-Schichtung im wesentlichen parallel zur verbin- beträgt. Zwischen die einzelne Walzschritte werden gegebe-dungsfähigen Auflage liegt. Damit ergibt sich ein Aufbau des nenfalls zweckmässig Zwischenglühungen eingelegt. Kontaktstückes, bei dem die Laminierung im wesentlichen 20 Bei Anwendung der Merkmale der Erfindung wird ein Versenkrecht zur Wirkungsrichtung des Kontaktdrucks und parai- bundwerkstoff für elektrische Kontaktstücke geschaffen, wel-lel zur Befestigungsfläche liegt. Die Metalloxidschichten kön- eher kostengünstig herstellbar ist und gegenüber vergleichba-nen vorteilhaft Cadmiumoxid enthalten. ren Werkstoffen ein erheblich verbessertes Abbrandverhalten

Es hat sich gezeigt, dass ein derartiger Kontaktwerkstoff aufweist.

den nach üblichen Schweissverfahren hergestellten Materia- 35 Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbei-

lien hinsichtlich der Kontakteigenschaften sowie hinsichtlich spiel erläutert.

der Herstellungskosten überlegen ist. Insbesondere besteht 20 Bleche einer Silber-Cadmium-Legierung mit 10 Gewicht beim Walzplattieren gegenüber dem Pressschweissen ohne prozent Cadmium in der Abmessung 1 mm Dicke x 130 mm flüssige Phase der Vorteil, dass die Dimensionierung des Halb- Breite x 500 mm Länge wurden bei 800 °C und 2 ata Sauerstoff zeugs nicht an die Druckkraft und Abmessung der Schweiss- 40 druck über die Dauer von 4 Stunden inneroxidiert.

pressen gebunden ist. Da beim Walzplattieren eine im wesent- Diese Bleche wurden anschliessend gereinigt und überein-

lichen linienartige Einwirkung des Plattierdruckes erfolgt, ent- ander geschichtet. Zur Erreichung einer lötfähigen Rückseite stehen hierdurch sehr hohe spezifische Walzdrucke, die unab- wurde ein 0,5 mm dickes Feinsilberblech gleicher Breite und hängig von der Länge der zu plattierenden Halbzeuge sind. Länge beigelegt.

Eine kontinuierliche Herstellung des Kontaktwerkstoffes unter 45 Das Paket der Bleche wurde auf 700 °C erwärmt und einer

Zufuhr von endlosen Blechstreifen erscheint möglich. Querschnittsverringerung von 50% im ersten Walzschritt

Da sich während des Walzprozesses keine wesentlichen unterworfen. Hierbei ergab sich bereits eine vollständige Ver-

Änderungen der Grösse der eingelagerten Teilchen ergeben, schweissung aller Schichten. Das so erhaltene Blech wurde ist die mittlere Teilchengrösse bei konstanten Oxidationsbedin- durch Kaltwalzen mit drei Zwischenglühungen von etwa gungen abhängig von der Dicke der zur Plattierung verwende- 50 600 °C weiterverformt bis zu einer Enddicke von 2 mm. Ein Sölten Einzelbleche bzw. Blechbänder. Die messbare Schwankung ches Halbzeug eignet sich beispielsweise für die Herstellung der Teilchengrösse nimmt mit zunehmender Anzahl der Einzel- von Auflötkontakten, die aus dem Halbzeug ausgestanzt oder bleche und mit zunehmendem Verhältnis von Ausgangs- und ausgeschnitten werden.

Enddicke ab. Dadurch ergibt sich ein gleichmässiges Kontakt- In der Zeichnung ist das Ausführungsbeispiel des Gegenverhalten über die Gesamtdicke des Kontaktwerkstoffes. Da 55 Standes der Erfindung schematisch dargestellt; es zeigen: die verbindungsfähige Rückseite des Kontaktmaterials (aus Sil- Fig. 1 einen vergrösserten Schnitt durch einen Verbund-ber, dessen Legierungen oder Kupfer) allgemein sehr dünn im werkstoffkörper gemäss der Erfindung Verhältnis zur Gesamtdicke ist, kann praktisch die gesamte Fig. 2 eine isometrische Ansicht eines Auflötkontaktes aus Kontakthöhe zum Abbrand ausgenutzt werden, wodurch eine einem Verbundwerkstoffkörper gemäss Fig. 1 in vergrösserter längere Lebensdauer der Kontakte erreicht wird. «> Darstellung.

Überraschend hat es sich gezeigt, dass der laminare Aufbau In Fig. 1 erkennt man einen Schnitt durch den im Walzplat-

des Kontaktwerkstoffes ein günstigeres Abbrandverhalten tierverfahren hergestellten Verbundwerkstoff, welcher 20 mit-

gegenüber herkömmlichen gesinterten und inneroxidierten einander verbundene Bleche 1 sowie ein zur Schaffung der ver-

Kontaktwerkstoffen ergibt. Dies trifft vor allem bei hohen bindungsfähigen Unterlage aufgelegtes, nichtoxidiertes Silber-

Schaltzahlen zu. Dieser Abbrand erfolgt im wesentlichen flä- « blech 2 aufweist.

chenhaft, d. h. die bei herkömmlichen Werkstoffen beobachtete Fig. 2 erläutert die Lage der Schichten in Höhenrichtung

Kraterbildung tritt nicht auf. Es ist ausserdem die bereits des Kontaktbereiches. Die gezeigte vielschichtige Ausbildung beschriebene Neigung zur Trennung des Silber-Metalloxids bietet besondere Vorteile.

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1 Blatt Zeichnung

Claims (9)

618044 PATENTANSPRÜCHE

1. Bahn- oder plattenförmiger Körper aus Verbundwerkstoff als Halbzeug für elektrische Kontaktstücke, welcher Körper einseitig mit einer verbindungsfähigen metallenen Auflage versehen ist und der Verbundwerkstoff aus Silber-Metalloxid besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Silber-Metalloxid in mindestens drei vollständig inneroxidierten Schichten angeordnet ist und diese Schichten untereinander sowie mit der verbindungsfähigen Auflage durch Walzplattierung schweissverbunden sind.

2. Verbundwerkstoffkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallene Auflage lötfähig ist.

3. Verbundwerkstoffkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Silber-Metalloxidschichtung im wesentlichen parallel zur verbindungsfähigen Auflage liegt.

4. Verbundwerkstoffkörper nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxidschichten Cadmiumoxid enthalten.

5. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffkörpers nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei aus einer Silberlegierung bestehende zu schichtende Bleche mit einer Dicke unterhalb von 2 mm zunächst in sauerstoffhaltiger Atmosphäre vollständig inner-oxidiert und nach einer Oberflächenreinigung aufeinander geschichtet werden, dass zur Erreichung der verbindungsfähigen Auflage ein metallenes nicht oxidiertes Blech als Aussen-schicht beigefügt wird, und dass das Paket der Bleche durch Walzplattierung schweissverbunden wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzverformung bei erwärmtem Paket erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung oberhalb von 500 °C liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverringerung im ersten Walzschritt mindestens 40% beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Walzschritten Zwischenglühun-gen eingelegt sind.