DE102009019779A1

DE102009019779A1 - Bauteil zur Führung eines elektrischen Stromes wie Stromschiene und Verfahren zur dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102009019779A1
Application number: DE102009019779A
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Stier; Christian Dr. Urbanke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2010-11-11
Also published as: WO2010124948A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Bauteil wie z. B. eine Stromschiene (11) zur Führung eines elektrischen Stromes. Diese ist aus Al oder einer Al-Legierung gefertigt und weist mindestens ein Kontaktstück (19) aus Cu oder einer Cu-Legierung auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Kontaktstück (19) über eine Lötverbindung (18) mit der Stromschiene (11) verbunden ist, wobei eine Vermittlerschicht (16) zur Verbesserung der Lötverbindung zum Einsatz kommt. Es wird dadurch vorteilhaft möglich, die Stromschiene aus einem kostengünstigen Material (Al) zu fertigen, wobei die Druckstabilität der Kontaktstücke (19) aufgrund der Werkstoffwahl (Cu) gewährleistet ist. Weiterhin ist als Verfahren zur Herstellung der Vermittlerschicht (16) erfindungsgemäß ein Kaltgasspritzen vorgesehen. Dieses führt an einer Grenzfläche (21) zwischen der Stromschiene (11) und der Vermittlerschicht (16) zu einer Verkrallung, wodurch die hervorragende Haftung der Vermittlerschicht (16) zustande kommt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil zur Führung eines elektrischen Stromes aus Al oder einer Al enthaltenden Legierung, aufweisend mindestens ein Kontaktstück aus Cu, oder einer Cu-Basislegierung, wobei dieses Kontaktstück stoffschlüssig mit dem Bauteil verbunden ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem Bauteil zur Führung eines elektrischen Stromes aus Al oder einer Al enthaltenden Legierung und einem Kontaktstück aus Cu oder einer Cu-Basislegierung.
Ein Bauteil der eingangs angegebenen Art in Form einer Stromschiene ist beispielsweise gemäß der US 6,109,983 bekannt. Diese Stromschiene ist beispielsweise an ihrem Ende mit einem Kontaktstück versehen. Während die Stromschiene aus Al gefertigt ist, besteht das Kontaktstück aus Cu. Das Kontaktstück ist klammerartig ausgebildet und kann daher mittels eines geeigneten Werkzeuges über das Ende der Stromschiene geschoben werden. Die inneren Schenkel des Kontaktstückes sind mit einer Silberbeschichtung versehen und können in einem auf die Montage folgenden Fertigungsschritt mit der Stromschiene verschweißt werden. Auf diese Weise entsteht eine stoffschlüssige Verbindung, so dass ein Verfahren zur Herstellung einer solchen stoffschlüssigen Verbindung der eingangs erwähnten Art ebenfalls in der US 6,109,983 beschrieben ist.
Die Aufgabe besteht darin, ein Bauteil zur Führung eines elektrischen Stromes wie z. B. eine Stromschiene und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, bei dem mit vergleichsweise kostengünstigen Materialien eine vergleichsweise, zuverlässige Funktionsweise des Bauteils hinsichtlich der Stromführung zwischen dem Bauteil und dessen Kontaktstücken gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Bauteil erfindungsgemäß dadurch gelöst, das die stoffschlüssige Verbindung aus einer Hartlötverbindung besteht, wobei die Hartlötverbindung jeweils zwischen dem Kontaktstück und einer Vermittlerschicht auf dem Bauteil ausgebildet ist. Der erfindungsgemäße Aufbau des Bauteils hat den Vorteil, dass für das Material des Bauteils ein verhältnismäßig kostengünstiges Metall, insbesondere Al ausgewählt werden kann. Normalerweise ist dieses Metall für eine zuverlässige Kontaktierung mit anderen stromführenden Bauteilen jedoch nicht geeignet, obwohl dessen Stromtragfähigkeit für die Leitung des Stroms innerhalb des Bauteils ausreicht. Die Kontaktbereiche des Bauteils werden jedoch hinsichtlich ihrer Druckstabilität mechanisch zu stark belastet, so dass in diesem Bereich auf eine Verwendung von Cu oder Cu-Basislegierungen nicht verzichtet werden kann.
Das Problem, das normalerweise bei der mechanischen Verbindung von Cu oder Cu-Basislegierungen mit Metallen wie Al entsteht, wird erfindungsgemäß dadurch umgangen, dass auf dem Bauteil eine geeignete Vermittlerschicht für eine Hartlötverbindung vorgesehen wird. Die Vermittlerschicht kann mit einer für den Anwendungsfall ausreichenden Haftung auf dem Bauteil aufgebracht werden. Anschließend wird das Kontaktstück mit der Vermittlerschicht verlötet, die hierzu die erforderlichen Anforderungen mitbringt. Die zur Auswahl stehenden Werkstoffpaarungen, bestehend aus dem Material der Vermittlerschicht, dem Lotwerkstoff und dem Kontaktstück, sind allgemein bekannt und können in Abhängigkeit des Anwendungsfalls ausgewählt werden.
Als Al enthaltende Legierungen im Sinne der Erfindung sind solche Legierungen zu verstehen, die Al als einen Hauptlegierungsbestandteil von mehr als 10 Gew-% enthalten. Selbstverständlich können außerdem auf den Bauteil auch mehrere Kontaktstücke verlötet werden. Üblich sind mindestens zwei Kontaktstücke, so dass der Strom an einer Stelle des Bauteils eingeleitet und an einer anderen Stelle des Bauteils wieder abgenommen werden kann (Stromschienen sind zumeist zumindest an ihren Enden mit Kontaktstücken versehen).
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vermittlerschicht aus Cu oder einer Cu-Basislegierung besteht. Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass die zu verlötenden Partner (Kontaktstück und Bauteil) zumindest weitgehend gleichartige Metalle als Oberfläche zur Verlötung zur Verfügung stellen. Eine Verlötung mittels Hartlöten ist daher besonders unproblematisch. Hierbei können beispielsweise Hartlote auf Ag- oder Cu-Basis gemäß der Norm DIN EN 1044 zum Einsatz kommen. Als Hartlote im Sinne der Erfindung sind Lotwerkstoffe zu verstehen, die Schmelztemperaturen oberhalb von ca. 450°C aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gefüge der Vermittlerschicht mit dem Gefüge des Bauteils verkrallt ist. Hierdurch ist eine besonders zuverlässige Haftung der Vermittlerschicht auf dem Bauteil zu erreichen. Außerdem kann, wenn das Bauteil wie im Falle von Al als Material mit einer elektrisch isolierenden Passivschicht überzogen ist, durch Zerstörung derselben eine Verringerung des elektrischen Übergangswiderstandes erreicht werden. Zu den Herstellungsmöglichkeiten einer mit dem Gefüge des Bauteils verkrallten Vermittlerschicht wird im Weiteren unten noch eingegangen.
Vorteilhaft ist es auch, wenn das Kontaktstück in eine Vertiefung des Bauteils eingepasst ist. Zum einen wird hierdurch die Zuverlässigkeit der Lötverbindung durch eine Vergrößerung der für die Lötverbindung zur Verfügung stehenden Oberfläche vergrößert. Außerdem hilft die Vertiefung dabei, das Kontaktstück maßgenau mit dem Bauteil zu verbinden.
Eine Lösung der Aufgabe wird weiterhin mit dem oben angegebenen Verfahren dadurch erreicht, dass das Bauteil im Bereich der herzustellenden stoffschlüssigen Verbindung mit einer Vermittlerschicht beschichtet wird und dann zwischen dem Kontaktstück und der Vermittlerschicht eine Hartlötverbindung erzeugt wird. Dies ist nur durch den erfindungsgemäßen Einsatz der Vermittlerschicht ohne Probleme möglich, da die Vermittlerschicht einerseits gut auf dem Bauteil haftet und andererseits eine zum Hartlöten geeignete Oberfläche zur Verfügung stellt. Insbesondere kann daher für das Bauteil Al oder eine Al enthaltende Legierung zum Einsatz kommen, die zu geringeren Materialkosten bei der Herstellung des Bauteils führt.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist weiterhin vorgesehen, dass die Vermittlerschicht mit einer Hartlotschicht beschichtet wird und letztere bei der Erzeugung der Hartlötverbindung aufgeschmolzen wird. Vorteilhaft kann durch Beschichtung der Vermittlerschicht mit einem Hartlot eine genaue Dosierung an Material erfolgen. Dies ist außerdem vorteilhaft mit geringen Fertigungskosten realisierbar, da ohnehin ein Beschichtungsverfahren für die Vermittlerschicht vorgesehen werden muss. Dieses Beschichtungsverfahren kann ebenfalls für die Erzeugung einer Hartlotschicht auf der Vermittlerschicht verwendet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Beschichten der Vermittlerschicht und/oder der Hartlotschicht durch Kaltgasspritzen erfolgt. Dieses Verfahren zeichnet sich vorteilhaft dadurch aus, dass Partikel des Beschichtungswerkstoffes mit Überschallgeschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche beschleunigt werden. Die Haftung der Beschichtungspartikel auf der Oberfläche kommt durch deren kinetische Energie zustande, wobei dieser Prozess durch einen Eintrag an thermischer Energie in die Partikel unterstützt werden kann. In jedem Fall wird jedoch ein Aufschmelzen der Partikel zum Zwecke ihrer Abscheidung auf der Oberfläche vermieden.
Die hohe kinetische Energie der Beschichtungspartikel hat zusätzlich den Vorteil, dass eine vergleichsweise gute Haftung der Vermittlerschicht auf dem Bauteil erreicht werden kann. Die kinetische Energie der Partikel wird insbesondere dahingehend genutzt, dass die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils verformt wird, wodurch ein Verkrallen der Gefüge der Vermittlerschicht und des Bauteils erreicht werden kann. Eine derart aufgebrachte Vermittlerschicht weist vorteilhaft eine sehr gute Haftung auf.
Vorteilhaft kann das Kaltgasspritzen außerdem dazu benutzt werden, vor dem Beschichten die Oberfläche des Bauteils zumindest im zu beschichtenden Bereich zu reinigen. Hierbei wird der kinetische Energieeintrag in den Kaltgasstrahl soweit verringert, dass die Beschichtungspartikel nicht auf der Oberfläche des Bauteils haften bleiben, jedoch diese Oberfläche angreifen. Der Effekt ist mit dem des Sandstrahlens zu vergleichen, insbesondere kann die Passivierungsschicht aus Aluminiumoxid auf dem Bauteil entfernt werden. Hierdurch lässt sich vorteilhaft der Übergangswiderstand zwischen dem Bauteil und der Vermittlerschicht verringern.
Vorteilhaft ist es auch, wenn vor dem Beschichten mit der Vermittlerschicht in das Bauteil eine Vertiefung eingebracht wird, in die das Kontaktstück vor dem Erzeugen der Hartlötverbindung eingepasst wird. Die hiermit verbundenen Vorteile sind bereits erläutert worden. Das toleranzarme Verbinden zwischen dem Kontaktstück und dem Bauteil wird hierdurch erleichtert und die zur Verfügung stehende Grenzfläche für eine sichere Halterung des Kontaktstückes sowie eine Übertragung des Stroms vergrößert.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Bauteile sind hierbei jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen die
1 bis 3 verschiedene Stadien eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bauteils unter Anwendung verschiedener Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein Bauteil 11 gemäß 1 in Form einer Stromschiene ist beispielsweise durch Fräsen mit einer Vertiefung 12 versehen worden. Diese verläuft ringförmig in der Oberseite 13 des Bauteils. Das Bauteil ist aus einer Al-Legierung gefertigt. In 1 ist der Verfahrensschritt zu erkennen, dass mit einem Kaltgasstrahl 14, der mit einer nicht dargestellten Kaltgas-Spritzvorrichtung erzeugt wird, eine Vorbehandlung des Nutgrundes 15 der Vertiefung 12 vorgenommen wird. Hierbei wird ein nicht näher dargestelltes Aluminiumoxid (Passivierungsschicht) von der Oberfläche des Bauteils 11 entfernt.
Die Partikel in dem Kaltgasstrahl 14 bleiben jedoch nicht haften, sondern werden an der Oberfläche abgelenkt.
In 2 ist ein Verfahrensschritt dargestellt, bei dem durch den Kaltgasstrahl 14 in der Vertiefung 12 eine Schichtfolge produziert wird. Zunächst wurde (nicht dargestellt) eine Vermittlerschicht 16 auf dem Nutgrund 15 erzeugt. In einem nachfolgenden Schritt, der in 2 dargestellt ist, wird auf der Vermittlerschicht 16 eine Lotschicht 17 eines silber- oder kupferbasierten Hartlotes aufgebracht. Bei dem Verfahrensschritt gemäß 2 wurde der Energieeintrag in den Kaltgasstrahl 14 vergrößert, so dass die in dem Kaltgasstrahl transportierten Partikel auf der zu beschichtenden Oberfläche haften bleiben.
In 3 ist das fertige Bauteil 11 zu erkennen, welches über eine Lötverbindung 18 mit dem Kontaktstück 19 verbunden ist. Die Lötverbindung ist durch Aufschmelzen der in dem Fertigungsschritt gemäß 2 erzeugten Lotschicht 17 hergestellt worden. Das als Stromschiene ausgebildete Bauteil 11 kann nun über das Kontaktstück 19 mit einem anderen stromführenden Bauteil verbunden werden. Zu diesem Zweck ist eine Bohrung 20 vorgesehen, mit deren Hilfe eine Schraubverbindung mit dem nicht dargestellten Partnerbauteil der Stromschiene hergestellt werden kann. Diese Schraubverbindung sorgt für einen erforderlichen Anpressdruck des Kontaktstückes auf dem benachbarten Bauteil, um den erforderlichen Anpressdruck zur Übertragung des Stromes zu gewährleisten. Hierbei weist das Kontaktstück 19 eine genügende Druckfestigkeit zur Herstellung dieser Schraubverbindung auf. Das Bauteil 11 selbst weist Materialeigenschaften auf, die diesen Anforderungen nicht genügen würden.
Der Ausschnittvergrößerung in 3 lässt sich weiterhin entnehmen, dass eine Grenzfläche 21 zwischen dem Material des Bauteils 11 und der Vermittlerschicht 16 dadurch vergrößert ist, dass das Gefüge der Vermittlerschicht mit dem Gefüge des Bauteils 11 verkrallt ist. Dies lässt sich verfahrensbedingt durch Herstellung mittels des Kaltgasspritzens erreichen, indem die Oberfläche des Bauteils 11 durch den auftreffenden Kaltgasstrahl bzw. die darin enthaltenen Partikel plastisch stark verformt wird. Durch die Verzahnung der Grenzfläche 21 wird einerseits die Haftung der Vermittlerschicht verbessert, andererseits vergrößert sich die Übertragbarkeit des Stromes.
Alternativ zur Ausgestaltung gemäß 3 kann statt der Nut 12 auch ein runder Durchgang durch die Stromschiene (Bauteil 11) vorgesehen werden, dessen Wandung durch eine strichpunktierte Linie 25 angedeutet ist. Diese Wandung kann in nicht dargestellter Weise in der oben beschriebenen Art mit einer Vermittlerschicht und optional auch mit einer Lotschicht versehen werden. Anschließend wird in die Öffnung ein zylindrisches Kontaktstück eingepasst und verlötet. Letzteres kann auch eine Bohrung zur Vereinfachung der Montage aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6109983 [0002, 0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Norm DIN EN 1044 [0007]

Claims

Bauteil (11) zur Führung eines elektrischen Stromes aus Al oder einer Al enthaltenden Legierung, aufweisend mindestens ein Kontaktstück (19) aus Cu oder einer Cu-Basislegierung, wobei dieses Kontaktstück (19) stoffschlüssig mit dem Bauteil (11) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung aus einer Hartlötverbindung (18) besteht, wobei die Hartlötverbindung (18) jeweils zwischen dem Kontaktstück (19) und einer Vermittlerschicht (16) auf dem Bauteil (11) ausgebildet ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermittlerschicht (16) aus Cu oder einer Cu-Basislegierung besteht.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefüge der Vermittlerschicht (16) mit dem Gefüge des Bauteils (11) verkrallt ist.
Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktstück (19) in eine Vertiefung (12) des Bauteils eingepasst ist.
Verfahren zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem Bauteil zur Führung eines elektrischen Stromes aus Al oder einer Al enthaltenden Legierung und einem Kontaktstück (19) aus Cu oder einer Cu-Basislegierung, dadurch gekennzeichnet, dass • das Bauteil im Bereich der herzustellenden stoffschlüssigen Verbindung mit einer Vermittlerschicht (16) beschichtet wird, • zwischen dem Kontaktstück (19) und der Vermittlerschicht (16) eine Hartlötverbindung (18) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermittlerschicht (16) mit einer Hartlotschicht (17) beschichtet wird, und letztere bei der Erzeugung der Hartlötverbindung (18) aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten der Vermittlerschicht (16) und/oder der Hartlotschicht (18) durch ein Kaltgasspritzen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Beschichten mit der Vermittlerschicht (16) mit dem Kaltgasspritzen ein Reinigen der Oberfläche des Bauteils (11) im zu beschichtenden Bereich vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Beschichten mit der Vermittlerschicht (16) in das Bauteil (11) eine Vertiefung (12) eingebracht wird, in die das Kontaktstück (19) vor dem Erzeugen der Hartlötverbindung (18) eingepasst wird.