CH618044A5 - Body of composite material in web or sheet form and production process for it - Google Patents
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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. The invention relates to a sheet or plate-shaped body made of composite material as a semifinished product for electrical contact pieces, which body is provided on one side with a connectable metal, in particular solderable pad and the composite material consists of silver metal oxide.
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. It is known from the prior art that silver-metal oxide materials with a content of metal oxides of between 2 and 20 percent by weight, for example with cadmium oxide, tin oxide and zinc oxide, have a low tendency to sweat. They are therefore used in electrical engineering for contact pieces of electrical switching devices.
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. Of these contact materials, silver-cadmium oxide has been most widely used. It is used to a large extent for the manufacture of erosion-resistant and oxidation-resistant contacts up to high switching capacities. Such silver-cadmium oxide contacts show, in addition to the very good electrical conductivity, a very low tendency to sweat when switching. Cadmium oxide dissociates at 1000 to 1500 ° C, so that the contact surfaces are additionally self-cleaning during the switching process under the influence of the switching arc. This self-cleaning keeps the contact resistance low. The arc-quenching effect of this contact material offers further advantages for the contact behavior, especially with regard to the erosion resistance.
Zur Herstellung von Silber-Cadmiumoxid-Kontaktwerk-stoffen werden zwei grundsätzlich verschiedene Verfahren angewandt. Two fundamentally different processes are used to produce silver-cadmium oxide contact materials.
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. The well-known powder metallurgical process is suitable for the production of semi-finished products as well as finished parts. Here, powders of silver and cadmium oxide are mixed, pressed and sintered in the desired weight ratio. However, this process only results in a roughly disperse embedding of the cadmium oxide particles in the silver matrix. A known improvement is the mixed precipitation process. The hydroxides of silver and cadmium are precipitated simultaneously from a silver nitrate and cadmium nitrate solution. The subsequent heat treatment results in a conversion of the hydroxides into metallic silver and cadmium oxide. The resulting powder mixture is then subjected to the usual pressing and sintering processes.
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. In the known process of internal oxidation, a silver-cadmium alloy produced by melt metallurgy is annealed in an oxygen-containing atmosphere. Oxygen atoms are dissolved in the silver, these diffuse into the interior of the alloy and react with the less noble cadmium to form finely dispersed cadmium oxide in the silver matrix. Although such a contact material enables a desired fine distribution of the cadmium oxide, the distribution achieved at high altitudes parallel to the contact surface is uneven, and moreover, the implementation of the method requires a great deal of time.
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. The duration of the internal oxidation is linked to the layer thickness by a parabolic time law in such a way that very long oxidation times result with larger dimensions. For example, the oxidation of a 20 mm thick sheet at a temperature of 800 ° C and an oxygen pressure of 2 ata takes more than 1000 hours. This long treatment time entails high manufacturing costs. There is also an increase in particle size with increasing oxidation depth during the internal oxidation. This particle size gradient adversely affects the properties of the contact material. Since contact material is removed during the switching process, the particles present in the contact area increase with increasing operating time of the switching device, which means that burn-off and tendency to sweat increase in the same direction.
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. Another disadvantage of the silver-cadmium oxide produced by internal oxidation is that a strongly jagged contact surface forms during the switching process. Furthermore, as the contact material erodes, the hardness of the contact material decreases due to the increasing particle size.
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: The already mentioned low tendency to sweat of silver-cadmium oxide in switching operation leads to difficulties when fastening the contact material by soldering or welding on a carrier. Therefore, the silver-cadmium oxide contact material has to be provided with a solderable or weldable layer on its underside during manufacture. The following methods are essentially known for this in the case of internally oxidized silver-cadmium oxide:
1. Plattieren einer Silber-Cadmium-Legierung mit einer Silberschicht und anschliessende Oxidation; 1. Plating a silver-cadmium alloy with a silver layer and subsequent 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. 2. One-sided oxidation (approx.% Of the total material thickness) of a silver-cadmium alloy. This creates a solderable oxide-free silver-cadmium layer, which makes up about! H of the total thickness.
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 In the process according to 1), the oxygen also diffuses through the fine silver layer, so that there is a zone depleted of oxide in the middle of the semi-finished product. In the method according to 2), the contact material shows a tendency to separate
2 2nd
5 5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
bO bO
b5 b5
3 61804 3 61804
zwischen oxidiertem und nichtoxidiertera Bereich, vor allem von der verbindungsfähigen, z. B. lötfähigen Unterseite vermie- between the oxidized and unoxidized area, especially from the connectable, e.g. B. solderable underside
bei mechanischen und thermischen Beanspruchungen. den. with mechanical and thermal loads. the.
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. The state of the art also includes a method for a practical method for producing a manufacture of a ductile silver-metal oxide semifinished product. In the case of bundles of the type described, a plurality of internally oxidized or powder-metallurgically produced 5 that at least three sheets to be layered with one put silver-metal oxide plates together into an ingot - thickness below 2 mm made of a silver alloy and then completely oxidized and then extruded into a wire with a high oxide content in an oxygen-containing atmosphere. This results in a layering of silver-metal oxide in a wire-shaped semi-finished product that is layered on top of one another after surface cleaning, so that a layer perpendicular to the button that resembles a wood fiber structure 10 metal unoxidized sheet added as an outer layer to achieve the connectable support . The production of such a contact material is possible and that the stacking of the sheets by roll cladding is not possible in any dimensions. is welded.
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. The invention is based on the task of creating a composite material as a semifinished product for electrical contact pieces. The number of layers results from the number of layers, which is a connectable, e.g. B. solder or 15 deten individual sheets. The thickness of the sheets in the initial state has weldable underside, and the amount to be removed is expediently below 2 mm, for example, the disadvantages described above can be produced inexpensively 1 mm. The use of thin starting sheets causes an is. The characteristic of the invention is to be seen in the fact that substantial reduction in the oxidation times and thereby the silver-metal oxide in at least three completely inner oxi significantly reduce the cost of manufacture. Since the plating is arranged in layers and these layers occur concurrently with the inner-oxidized sheets and the connectable return and with the connectable support by the rolling side, there are serious cost plating associated with welding. This saves on manufacturing.
elektrisches Kontaktstück zeigt im Querschnitt eine laminare Die Walzverformung im Herstellungsverfahren kann Electrical contact piece shows a laminar cross-section. The roll deformation in the manufacturing process can
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- Layering with periodically fluctuating particle size, expediently with a heated package, the heating, however, a maximum particle size of 10 μm is advantageously carried out above 500 ° C. Equal-
mässig nicht überschritten wird. zeitig mit dem Plattiervorgang erfolgt eine Querschnittsverrin- is not exceeded moderately. a cross-sectional reduction takes place at the
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 Appropriate training can provide that the silage, which in the first rolling step z. B. is at least 40% over metal oxide stratification substantially parallel to the connec. There is an applicable support between the individual rolling steps. This results in a structure of the intermediate annealing which is expediently inserted. Contact piece, in which the lamination essentially 20 When using the features of the invention, a perpendicular to the direction of action of the contact pressure and para-composite material for electrical contact pieces is created, which lies to the mounting surface. The metal oxide layers can be produced more cheaply and can advantageously contain cadmium oxide compared to comparable ones. materials have significantly improved combustion behavior
Es hat sich gezeigt, dass ein derartiger Kontaktwerkstoff aufweist. It has been shown that such a contact material has.
den nach üblichen Schweissverfahren hergestellten Materia- 35 Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbei- the materials produced by conventional welding processes.
lien hinsichtlich der Kontakteigenschaften sowie hinsichtlich spiel erläutert. lien explained in terms of contact properties and game.
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. is superior to manufacturing costs. In particular, there are 20 sheets of a silver-cadmium alloy with 10 weight during roll cladding compared to pressure welding without percent cadmium in the dimension 1 mm thickness x 130 mm liquid phase the advantage that the dimensioning of the half width x 500 mm length were at 800 ° C and 2 ata oxygen do not testify to the pressure and dimension of the welding pressure over a period of 4 hours.
pressen gebunden ist. Da beim Walzplattieren eine im wesent- Diese Bleche wurden anschliessend gereinigt und überein- press is bound. Since the sheet metal was mainly used for roll cladding, these sheets were then cleaned and
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. The line-like effect of the plating pressure occurs layered on one another. In order to achieve a solderable back side, this results in very high specific roller pressures, which are a 0.5 mm thick fine silver sheet of the same width and depending on the length of the semi-finished products to be plated. Length enclosed.
Eine kontinuierliche Herstellung des Kontaktwerkstoffes unter 45 Das Paket der Bleche wurde auf 700 °C erwärmt und einer Continuous production of the contact material under 45 The package of sheets was heated to 700 ° C and one
Zufuhr von endlosen Blechstreifen erscheint möglich. Querschnittsverringerung von 50% im ersten Walzschritt Feeding of endless metal strips appears possible. Cross-section reduction of 50% in the first rolling step
Da sich während des Walzprozesses keine wesentlichen unterworfen. Hierbei ergab sich bereits eine vollständige Ver- Since none of them are subject to any significant during the rolling process. This has already resulted in a complete
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. Changes in the size of the embedded particles result in welding of all layers. The sheet obtained in this way was the mean particle size at constant oxidation conditions by cold rolling with three intermediate anneals of about gung, depending on the thickness of the plating used - 50 600 ° C to a final thickness of 2 mm. A Sölten single sheet or strip. The measurable fluctuation of the semifinished product is suitable, for example, for the production of the particle size with increasing number of individual solder contacts that are punched out or sheet metal from the semifinished product and with an increasing ratio of starting and cut out.
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. Final thickness. This results in a uniform contact. In the drawing, the exemplary embodiment of the counter-behavior over the total thickness of the contact material. Since the 55 state of the invention is shown schematically; It shows that the connectable back side of the contact material (from silver - FIG. 1 is an enlarged section through a composite material, its alloys or copper) is generally very thin in the material body according to the invention in relation to the total thickness, practically the entire FIG. 2 can be one An isometric view of a soldering contact from the contact height can be used for the erosion, as a result of which a composite body according to FIG. 1 is achieved in an enlarged, longer service life of the contacts. «> Representation.
Überraschend hat es sich gezeigt, dass der laminare Aufbau In Fig. 1 erkennt man einen Schnitt durch den im Walzplat- Surprisingly, it has been shown that the laminar structure in FIG. 1 shows a section through the
des Kontaktwerkstoffes ein günstigeres Abbrandverhalten tierverfahren hergestellten Verbundwerkstoff, welcher 20 mit- of the contact material has a more favorable burn-off behavior in animal-processed composite material, which
gegenüber herkömmlichen gesinterten und inneroxidierten einander verbundene Bleche 1 sowie ein zur Schaffung der ver- compared to conventional sintered and internally oxidized interconnected sheets 1 and a to create the ver
Kontaktwerkstoffen ergibt. Dies trifft vor allem bei hohen bindungsfähigen Unterlage aufgelegtes, nichtoxidiertes Silber- Contact materials results. This is especially true when the non-oxidized silver
Schaltzahlen zu. Dieser Abbrand erfolgt im wesentlichen flä- « blech 2 aufweist. Switching numbers too. This erosion occurs essentially flat 2.
chenhaft, d. h. die bei herkömmlichen Werkstoffen beobachtete Fig. 2 erläutert die Lage der Schichten in Höhenrichtung Chenish, d. H. FIG. 2 observed with conventional materials explains the position of the layers in the vertical direction
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. Crater formation does not occur. It is also the contact area. The shown multi-layered formation described tendency to separate the silver-metal oxide offers particular advantages.
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1 Blatt Zeichnung 1 sheet of drawing
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