DE102010014745A1

DE102010014745A1 - Elektrisches Kontaktelement und Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements

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Publication number: DE102010014745A1
Application number: DE102010014745A
Authority: DE
Inventors: Jens 14612 Heinrich; Ralf 12349 Hoffmann; Peter 12207 Sandeck; Martin 12203 Wieberger; Andreas 61130 Koffler; Bernd Dr. 63839 Kempf; Peter Dr. 63755 Braumann; Alan Rich. Molvar
Original assignee: Umicore AG and Co KG; Tyco Electronics AMP GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2030-04-14
Also published as: CN102782787A; BR112012017590A2; WO2011086167A1; JP2015201454A; CN102782787B; DE102010014745B4; ES2613615T3; JP6280524B2; EP2524384A1; EP2524384B1; JP2013517594A; US8749330B2; US20130002380A1; BR112012017590B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements aus einem Halbzeug sowie auf das elektrische Kontaktelement und das entsprechende Halbzeug. Das Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements (100), das durch einen Gegenkontakt elektrisch kontaktierbar ist, umfasst die folgenden Schritte: Herstellen eines Drahtes (120) aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material (112); Beschichten der Drahtoberfläche mit einem Mantel (114) aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material; teilweises Entfernen des Mantels (114) in einer Richtung längs einer Drahtlängsachse (118); Ausbilden mindestens eines zylindrischen Halbzeugs (110) durch Unterteilen des Drahtes in einer Richtung quer zu der Drahtlängsachse; Fixieren des Halbzeugs auf einem Kontaktträger (104), so dass das zweite elektrisch leitfähige Material mit dem Kontaktträger verbunden ist; und Umformen des verschweißten Halbzeugs zum Ausbilden des Kontaktelements (100), wobei eine Kontaktfläche (106), die für einen Gegenkontakt zugänglich ist, durch das erste elektrisch leitfähige Material gebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements aus einem Halbzeug sowie auf das elektrische Kontaktelement und das entsprechende Halbzeug.
Elektrische Kontakte finden in elektrischen Geräten und Schaltgeräten, wie z. B. in Lichtschaltern, Schutzschaltern oder Relais, vielfältige Anwendung und sind weit verbreitet. An die an den Schaltvorgängen beteiligten Bestandteile eines elektrischen Kontaktes, insbesondere an die Kontaktschicht, werden hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit, Abnutzungsfestigkeit, mechanischer Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegen Verschweißen vor allem bei Temperatureinwirkungen, hohe Anforderungen gestellt. Es hat sich gezeigt, dass diese die Werkstoffwahl oft gegensätzlich bestimmenden Anforderungen besonders zufriedenstellend von Edelmetall/Metalloxid-Verbundwerkstoffen erfüllt werden können.
Gerade wegen ihrer Schweißresistenz können aber derartige Edelmetall/Metalloxid-Verbundwerkstoffe, beispielsweise Silber/Zinnoxid, auf einem Kontaktträgermaterial nicht direkt durch Schweißen befestigt werden.
Daher ist bekannt, die Kontakte mittels einer Vernietung zu befestigen, wie dies beispielsweise bei den sogenannten Bimetallnieten der Fall ist, oder aber eine schweißbare Schicht durch Aufbauen eines Multilayerkontakts bereitzustellen. Hier wird die Verbindung durch ein Kaltschweißverfahren oder Walzplattieren hergestellt. Bei diesen Konzepten ist aber von Nachteil, dass ein hoher Fabrikationsaufwand nötig ist und darüber hinaus ein verfahrenbedingtes Mindestvolumen für das aufzubringende Kontaktmaterial gefordert werden muss. Bei Massivkontakten oder beim Drahtabschnittsnieten wird außerdem ein Teil des Edelmetalls nicht für die eigentliche Schaltfunktion und somit zweckentfremdet verwendet.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, kann daher darin gesehen werden, ein Verfahren zum Herstellen eines Kontaktelements anzugeben, das einerseits optimale Eigenschaften des Kontaktelements im Betrieb und andererseits eine materialsparende und kostengünstige Herstellbarkeit gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, dass für die Herstellung des eigentlichen Kontaktes als Halbzeug ein Teil eines Drahtes aus Metall-Verbundwerkstoff als erstes leitfähiges Material verwendet wird, der mit einem Metallüberzug als zweites elektrisch leitfähiges Material versehen ist, wobei der Metallüberzug an einem Teil der Oberfläche wieder entfernt wurde, um den Kern aus Metall-Verbundwerkstoff an der späteren Kontaktfläche freizulegen.
Der Metallverbundwerkstoff kann aus einem geeigneten Metall, wie Kupfer, Kupfer-Nickel-Legierung, Chrom-Nickel-Legierung oder Silber bestehen, welcher Oxide wie Zinnoxid, Zinkoxid, Eisenoxid wie Fe₂O₃, Kupferoxid, Cadmiumoxid, Indiumoxid, Antimonoxid, Lanthanoxid, Magnesiumoxid, Manganoxid, Wismutoxid, Telluroxid, Kohlenstoff (in Form von Rußen, Graphit oder Kohlenstofffasern) enthält, oder auch Nickel, wenn das Metall ansonsten von Nickel verschieden ist. Besonders geeignet als Metall-Verbundwerkstoff sind beispielsweise beschrieben in EP 508055 , EP 1505164 , EP 725154 , EP 736885 , EP 795367 , DE 10012250 , EP 1142661 , EP 1915765 und EP 2004349 sowie den dort zitierten Dokumenten beschrieben. Vorteilhaft sind insbesondere die auf Silber basierenden Metall-Verbundwerkstoffe aus EP 508055 und EP 1505164 , worauf Bezug genommen wird. Hierbei handelt es sich um auf Silber-Zinnoxid basierende Kontaktwerkstoffe, welche zusätzlich noch Indiumoxid, Telluroxid, Wismutoxid, Kupferoxid, Nickeloxid oder deren Mischungen enthalten können. Solche Werkstoffe können pulvermetallurgisch oder durch innere Oxidation hergestellt werden.
Der Metallüberzug kann aus dem gleichen Metall bzw. Metallen bestehen wie der Metall-Verbundwerkstoff, welcher den Kern bildet, enthält jedoch keine der Inhaltsstoffe, welche die Verschweißfestigkeit des Metall-Verbundwerkstoffes bewirken.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch Schaben oder Spalten der Silbermantel eines Silberzinnoxiddrahtes aus dem Bereich der späteren Kontaktstelle entfernt. Auf diese Weise ist ein minimaler Edelmetallverlust gewährleistet und gleichzeitig wird eine Kontamination des schaltenden Bauteils mit dem Edelmetall im Bereich der Kontaktstelle vermieden und somit ein Verschweißen des Schaltkontakts verhindert.
Andererseits kann durch das direkte Aufschweißen des Silberzinnoxid-Kontaktmaterials auf einen Kontaktträger die Herstellung stark vereinfacht werden und die Fabrikationskosten niedrig gehalten werden. Der Edelmetalleinsatz ist minimal, da das Edelmetall nicht für mechanische Aufgaben verwendet werden muss. Im Bereich der Schaltstelle befindet sich kein schweißbares metallisches Edelmetall.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Teil des Drahtes in einer axialen Richtung abgeschabt, so dass an dem kreisförmigen Querschnitt des Drahts ein Segment entfernt ist. Nach dem Aufteilen in zylindrische Halbzeuge und dem Umformen in einen elektrischen Kontakt kann auf diese Weise besonders einfach und mit vergleichsweise wenig Materialverlust der gewünschte Kontakt hergestellt werden. Will man noch mehr von dem metallischen Mantel entfernen, so können weitere Schabeschritte in radial versetzter Richtung durchgeführt werden.
Eine Ausführungsform, bei der überhaupt kein Abfall anfällt, ist dann gegeben, wenn der Draht mittig gespalten wird und beide Teile verwendbar bleiben.
Die vorteilhaften Eigenschaften der vorliegenden Erfindung kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn das erfindungsgemäße Kontaktelement in einem Schaltgerät, wie beispielsweise einem elektromagnetischen Relais, eingesetzt wird, da hier die Problematik des Verschweißens besonders kritisch ist.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Es zeigen:
1 eine schematische Perspektivdarstellung eines fertigen Kontaktelements;
2 eine perspektivische Darstellung des aufgeschweißten erfindungsgemäßen Halbzeugs vor dem Umformen;
3 einen Querschnitt des ummantelten Drahts vor dem Schaben;
4 einen Querschnitt des Drahtes nach einem ersten Schabeschritt;
5 einen Querschnitt des Drahtes nach einem Spaltschritt;
6 einen Querschnitt des Drahtes nach dem Durchführen mehrerer Schabeschritte.
1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung das erfindungsgemäße Kontaktelement 100 am Beispiel eines Relaiskontakts. Der eigentliche elektrische Kontakt 102 ist mit einem hier nur schematisch dargestellten Kontaktträger 104 durch Verschweißen verbunden. Die Kontaktfläche 106, die im Betrieb mit einem Gegenkontakt in elektrische Verbindung kommt, ist dabei durch ein Material gebildet, welches keine Verschweißneigung aufweist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist dies ein Silber-Zinnoxid-Verbundmaterial. Es kommen hier aber auch andere Verbundmaterialien in Frage, die beispielsweise Cadmiumoxid, Indiumoxid, Zinkoxid, Kupferoxid, Antimonoxid, Lanthanoxid, Magnesiumoxid, Manganoxid, Wismutoxid, oder Telluroxid oder eine Kombination daraus enthalten. In dem Bereich der Schweißstelle 108 liegt ein Metallmantel 114, insbesondere ein Edelmetallmantel, im vorliegenden Fall metallisches Silber, vor, wodurch die Fixierung des Kontakts 102 an dem Träger 104 über ein einfaches Schweißen möglich ist.
2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Vorstufe des Kontakts 100, bei der das erfindungsgemäße Halbzeug 110 auf dem Kontaktträger 104 fixiert ist.
Wie in 2 schematisch angedeutet, besteht das Halbzeug aus einem zylindrischen Edelmetall/Metalloxidkern 112, der teilweise von einem metallischen Edelmetallmantel 114 umgeben ist. Der Mantel 114, der aus einem schweißbaren Material besteht, ist insbesondere im Bereich der Schweißstelle 108 angeordnet. Im Bereich der späteren Kontaktstelle 106 ist der Mantel dagegen entfernt. Durch Ausüben von Druck in einer Richtung 116 auf den Kontaktträger 104 zu, wird das Halbzeug 110 anschließend in den eigentlichen Kontakt 102 umgeformt. Dabei ist zu bemerken, dass die Vorformrichtung 116 quer zu einer Längsachse 118 des Drahtstücks verläuft.
Die 3 bis 6 erläutern verschiedene spezielle Möglichkeiten, den späteren Kontaktbereich 106 von der metallischen Silberschicht zu befreien. Dabei wird jeweils ein Schnitt durch den Draht 120, aus dem durch Schneiden quer zu seiner Längsachse das Halbzeug 110 hergestellt wird, gezeigt. 3 zeigt das Rohteil, bei dem ein Kern 112, der wie bereits erwähnt, beispielsweise aus Silber-Zinnoxid-Verbundwerkstoff bestehen kann, mit einem metallischen Edelmetallmantel 114 umgeben ist. Bei dem Edelmetall handelt es sich beispielsweise um metallisches Silber. Wie in 4 gezeigt, kann das teilweise Entfernen der metallischen Mantelschicht 114 durch Abschaben eines Segments des Querschnitts erfolgen.
Alternativ kann entweder bis zur Mitte 122 des Drahtes 120 geschabt werden oder der Draht in zwei Hälften gespalten werden, wie dies in 5 dargestellt ist. Die in
5 gezeigte Variante bietet zwar als Halbzeug den Vorteil, eine möglichst große, silberfreie Kontaktfläche 106 zu bieten, hat aber den Nachteil, dass vergleichsweise viel Material verloren geht, wenn dieser Querschnitt durch Schaben hergestellt wird.
Verwendet man ein Spaltverfahren, bei dem beide Hälften des Drahtes verwendbar bleiben, stellt diese Variante allerdings die materialsparendste Lösung dar.
6 zeigt eine Ausführungsform, bei der möglichst viel von dem metallischen Silbermantel 114 aus dem späteren Kontaktbereich dadurch entfernt wird, dass zwei weitere Schabeschritte in radial versetzter Richtung zu dem ersten Schabeschritt durchgeführt werden.

In der nachfolgenden Tabelle 1 werden für die Versionen der 4, 5 und 6 in Bezug auf die Querschnittsfläche die jeweiligen Materialverluste für den Fall verglichen, dass ein Drahtdurchmesser von ca. 1,2 mm mit einer Silberbeschichtung von 40 μm betrachtet wird. Tabelle 1

	Rohteil	Fig. 4	Fig. 5	Fig. 6
Mantel	0,4084 mm²	0,301 mm²	0,2042 mm²	0,2173 mm²
Verlust Mantel	0%	26%	50%	47%

Kern	1,131 mm²	1,0413 mm²	0,5655 mm²	1,0426 mm²
Verlust Kern	0%	8%	50%	8%

Gesamt	1,5393 mm²	1,3423 mm²	0,7697 mm²	1,2599 mm²
Verlust Gesamt	0%	13%	50%	18%

Wie aus dieser Übersicht deutlich wird, ist der geringste Materialverlust bei der Variante der 4 zu verzeichnen, während aber die Variante der 6 die effektivste Entfernung des Mantelmaterials beinhaltet.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die erfindungsgemäße Herstellung von Kontaktelementen, beispielsweise für schaltende oder führende Kontakte an Relais, zum Einen eine einfache Herstellbarkeit durch das direkte Aufschweißen des Silber-Zinnoxid-Kontaktmaterials erlaubt, aber zum Anderen eine besonders geringe Verschweißneigung im Bereich des eigentlichen elektrischen Kontakt sicherstellt. Durch sparsame Verwendung von edelmetallhaltigen Ausgangsstoffen können die Kosten weiter gesenkt werden. Bezugszeichenbeschreibung

100	Kontaktelement
102	elektrischer Kontakt
104	Kontaktträger
106	Kontaktfläche
108	Schweißstelle
110	Halbzeug
112	Kern
114	Mantel
116	Richtung des Umformdrucks
118	Längsachse des Drahtes
120	Draht
122	Mitte des Drahtquerschnitts

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

EP 508055 [0008, 0008]
EP 1505164 [0008, 0008]
EP 725154 [0008]
EP 736885 [0008]
EP 795367 [0008]
DE 10012250 [0008]
EP 1142661 [0008]
EP 1915765 [0008]
EP 2004349 [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements (100), das durch einen Gegenkontakt elektrisch kontaktierbar ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Drahtes (120) aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material (112) mit einem Mantel (114) aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material; teilweises Entfernen des Mantels (114) in einer Richtung längs einer Drahtlängsachse (118); Ausbilden mindestens eines zylindrischen Halbzeugs (110) durch Unterteilen des Drahtes in einer Richtung quer zu der Drahtlängsachse; Fixieren des Halbzeugs auf einem Kontaktträger (104), so dass das zweite elektrisch leitfähige Material mit dem Kontaktträger verbunden ist; Umformen des verschweißten Halbzeugs zum Ausbilden des Kontaktelements (100), wobei eine Kontaktfläche (106), die für einen Gegenkontakt zugänglich ist, durch das erste elektrisch leitfähige Material gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des teilweisen Entfernens des Mantels (114) in einer Richtung längs einer Drahtlängsachse (118) umfasst: Abschaben eines Teils des Drahtes in einer axialen Richtung, so dass an dem kreisförmigen Querschnitt des Drahts ein Segment entfernt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des teilweisen Entfernens der Beschichtung in einer Richtung längs einer Drahtlängsachse umfasst: Abschaben eines Teils des Drahtes in einer axialen, gegenüber dem vorangegangenen Abschabeschritt um einen definierten radialen Winkel versetzten Richtung, so dass an dem kreisförmigen Querschnitt des Drahts mindestens ein weiteres Segment entfernt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des teilweisen Entfernens der Beschichtung in einer Richtung längs einer Drahtlängsachse umfasst: Spalten des Drahtes in einer axialen Richtung, so dass der kreisförmige Querschnitt des Drahts geteilt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste leitfähige Material nicht schweißbar ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das erste leitfähige Material eine Edelmetall/Metalloxid-Legierung umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite leitfähige Material schweißbar ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das zweite leitfähige Material elementares Edelmetall umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kontaktelement (100) ein Kontakt für ein elektromagnetisches Relais ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Fixierens des Halbzeugs (110) auf dem Kontaktträger (104) mittels Schweißens erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Schritt des Fixierens des Halbzeugs auf dem Kontaktträger das zylindrische Halbzeug (110) so mit seiner Zylindermantelfläche auf dem Kontaktträger fixiert ist, dass der Bereich, in dem die Beschichtung entfernt ist, dem Kontaktträger abgewandt ist.
Elektrisches Kontaktelement, das durch einen Gegenkontakt elektrisch kontaktierbar ist, wobei das Kontaktelement (100) mittels eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt ist.
Halbzeug zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements, wobei das Halbzeug einen Kern (112) aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material und einen Mantel (114) aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material aufweist und wobei der Mantel wenigstens teilweise in einer Richtung längs einer Längsachse (118) des Halbzeugs entfernt ist.
Halbzeug nach Anspruch 13, wobei das Halbzeug eine zylindrische Gestalt hat.
Verwendung des Halbzeugs gemäß Anspruch 13 oder 14 zur Herstellung von elektrischen Kontakten.
Elektromagnetisches Relais mit mindestens einem schaltbaren Kontaktelement gemäß Anspruch 12.