DE102017129388A1

DE102017129388A1 - Kontaktanordnung für elektrische Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102017129388A1
Application number: DE102017129388.4A
Authority: DE
Inventors: Leonardo Ajdelsztajn; Samuel Stephen Kim; Maxime Michel Pean; Jeffrey Jon Schoonover; Linda Yvonne Jacobs; Katherine Marjorie Coughlin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2018-06-21
Also published as: US20200043675A1; US10446336B2; CN108206100A; CN108206100B; US11600454B2; US20180174769A1

Abstract

Es werden eine Kontaktanordnung für eine elektrische Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Anordnung präsentiert. Die Kontaktanordnung weist ein Substrat und ein auf dem Substrat angeordnetes Kontaktmaterial auf. Das Kontaktmaterial weist ein Verbundmaterial auf, das ein feuerfestes Material und ein Matrixmaterial aufweist. Das Matrixmaterial weist eine höhere Duktilität als das feuerfeste Material auf. Das Verbundmaterial weist ferner einen Kernbereich und einen den Kernbereich umgrenzenden äußeren Bereich auf, wobei der Kernbereich eine höhere Konzentration des feuerfesten Materials als der äußere Bereich aufweist. Das Verfahren wendet ein Kaltspritzen eines vermischten Ausgangsmaterials an, um eine Schicht zu erzeugen, die das vorstehend beschriebene Verbundmaterial enthält.

Description

HINTERGRUND
Diese Offenbarung betrifft allgemein elektrische Kontaktanordnungen und Verfahren zur Herstellung von diesen; insbesondere betrifft diese Offenbarung Verfahren zur Herstellung elektrischer Kontaktanordnungen für Vorrichtungen, wie elektrische Schalter, Leistungsschutzschalter, Schütze und Relais.
Kontakte und Kontaktanordnungen sind in der Technik von Schutzschaltern wohl bekannt. Kontaktanordnungen mit elektrischen Kontakten zur Herstellung und Unterbrechung eines elektrischen Stroms werden nicht nur in elektrischen Schutzschaltern, sondern auch in anderen elektrischen Vorrichtungen, wie beispielsweise in Drehschutzschaltern mit Doppelunterbrechung, Schützen, Relais, Schaltern und Trennschaltern verwendet. Die Anwendungen für diese elektrischen Vorrichtungen umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, die Energieversorgungs-, Industrie-, kommerziellen, Wohnungs- und Automobilindustrien.
Die primäre Funktion einer Kontaktanordnung besteht darin, einen Träger für einen elektrischen Kontakt bereitzustellen, der in der Lage ist, betätigt zu werden, um den Kontakt von einem zweiten Kontakt zu trennen, wodurch die Schaffung und Unterbrechung eines elektrischen Stroms in einem Stromkreis ermöglicht wird. Elektrische Kontakte, die für die erwähnten Anwendungen geeignet sind, enthalten häufig Silber, um den Großteil des elektrischen Stroms zu führen, und in vielen Fällen ein feuerfestes Material, wie etwa Wolfram, Nickel, Molybdän oder Wolframkarbid, um Beständigkeit gegen Erosion und Stoßbeanspruchung zu bieten, oder Graphit, um einen Widerstand gegen ein Verschweißen von Kontakten zu bieten und dabei gleichzeitig einen geringen elektrischen Widerstand aufrechtzuerhalten.
Der Kontakt ist im Allgemeinen mit einem Substrat, wie beispielsweise einem Kontaktarm, der gewöhnlich, jedoch nicht notwendigerweise, aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ist, in einer derartigen Weise verbunden, dass die Anordnung die thermischen, elektrischen und mechanischen Belastungen, die während eines Betriebs der Hostvorrichtung erfahren werden, toleriert. Ein Versagen der Kontakte tritt häufig wenigstens zum Teil aufgrund eines Verschleißes durch Stoßbeanspruchung oder Erosion von einem elektrischen Lichtbogenüberschlag auf. Zu Faktoren, die normalerweise zu einer Kontaktbeeinträchtigung beitragen, gehören eine Konfiguration oder Geometrie des Kontaktes (unterschiedliche Schicht/Dicke), Auswahl von Materialien und Fehler bei der Bearbeitung (Hartlötung/Schweißung), die Hohlräume an der Verbindungsstelle zwischen dem Kontakt und seinem Substrat schaffen können, was die Wärmeübertragung von dem Subkontakt auf das Substrat verschlechtert und, unabhängig oder zusätzlich, zu einer Trennung des Kontaktes von dem Substrat führen kann. Es besteht folglich ein Bedarf nach einer verbesserten Herstellung von Kontaktanordnungen, die eine geeignete Verschleiß- und Erosionsbeständigkeit haben und eine qualitativ hochwertige Verbindungsstelle, die das Substrat und den Kontakt verbindet, aufweisen.
KURZBESCHREIBUNG
Aspekte der vorliegenden Erfindung sind dazu vorgesehen, diese und andere Bedürfnisse zu erfüllen. Ein Aspekt ist eine Kontaktanordnung für eine elektrische Vorrichtung. Die Kontaktanordnung weist ein Substrat und ein Kontaktmaterial auf, das auf dem Substrat angeordnet ist. Das Kontaktmaterial weist ein Verbundmaterial auf, das ein feuerfestes Material und ein Matrixmaterial aufweist. Das Matrixmaterial weist eine höhere Duktilität als das feuerfeste Material auf. Das Verbundmaterial weist ferner einen Kernbereich und einen äußeren Bereich auf, der den Kernbereich umgrenzt, wobei der Kernbereich eine höhere Konzentration des feuerfesten Materials als der äußere Bereich aufweist.
In der zuvor erwähnten Kontaktanordnung kann das feuerfeste Material metallisches Wolfram, ein Karbid, Graphit oder ein Nitrid aufweisen.
Vorzugsweise kann das feuerfeste Material Wolfram aufweisen.
In bevorzugten Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Kontaktanordnung kann das Matrixmaterial eine elektrische Leitfähigkeit von wenigstens 3,0 × 10⁷ Siemens pro Meter aufweisen.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann das Matrixmaterial Silber, Kupfer, Gold, Aluminium oder eine Kombination, die eines oder mehrere der vorstehenden Metalle enthält, aufweisen.
In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Kontaktanordnung kann das feuerfeste Material in dem Kernbereich des Verbundmaterials in einer Konzentration von wenigstens 30 Volumenprozent vorhanden sein.
Vorzugsweise kann das feuerfeste Material in dem Kernbereich des Verbundmaterials in einer Konzentration von wenigstens 35 Volumenprozent vorhanden sein.
In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Kontaktanordnung kann das feuerfeste Material in dem Außenbereich in einer Konzentration von weniger als 30 Volumenprozent vorhanden sein.
Vorzugsweise kann der äußere Bereich das feuerfeste Material in einem Konzentrationsbereich von 20 Volumenprozent bis 25 Volumenprozent aufweisen.
In vorteilhaften Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Kontaktanordnung kann das feuerfeste Material Wolfram aufweisen, und das Matrixmaterial kann Silber aufweisen.
Insbesondere kann der Kernbereich von 35 Volumenprozent bis 40 Volumenprozent Wolfram und von 60 Volumenprozent bis 65 Volumenprozent Silber aufweisen, und der äußere Bereich kann von 20 Volumenprozent bis 25 Volumenprozent Wolfram und von 75 Volumenprozent bis 80 Volumenprozent Silber aufweisen.
In jeder beliebigen vorstehend erwähnten Kontaktanordnung kann das Substrat Kupfer aufweisen.
Ein weiterer Aspekt ist eine elektrische Vorrichtung, die die Kontaktanordnung einer beliebigen vorstehend erwähnten Art aufweist.
Die elektrische Vorrichtung kann vorzugsweise ein Schutzschalter sein.
Ein weiterer Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktanordnung für eine elektrische Vorrichtung. Das Verfahren weist auf: axiales Zuführen eines pulverförmigen Ausgangsmaterials in einen Gasstrom einer Kaltspritzbeschichtungsvorrichtung, wobei das Ausgangsmaterial ein erstes Pulver, das ein feuerfestes Material aufweist, und ein zweites Pulver aufweist, das ein Matrixmaterial aufweist, wobei das Matrixmaterial eine höhere Duktilität als das feuerfeste Material aufweist; und Richten des Gasstroms und des mitgeführten Ausgangsmaterials durch eine Düse auf ein Substrat, um das Ausgangsmaterial auf dem Substrat in einer kontinuierlichen Schicht anzuordnen, wobei das mitgeführte Ausgangsmaterial im Wesentlichen fest bleibt, und wobei die Schicht ein Verbundmaterial mit einem Kernbereich und einem den Kernbereich umgrenzenden äußeren Bereich aufweist, wobei der Kernbereich eine höhere Konzentration des feuerfesten Materials als der äußere Bereich aufweist.
In dem zuvor erwähnten Verfahren kann der Gasstrom durch die Düse auf eine Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden.
In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Verfahren kann das Ausgangsmaterial das feuerfeste Material in einer Konzentration von etwa 50 Gewichtsprozent bis etwa 90 Gewichtsprozent aufweisen.
In bevorzugten Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann der Gasstrom auf eine Temperatur von bis zu etwa 800 Grad Celsius erhitzt werden.
In bevorzugten Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann das feuerfeste Material ein Wolframmetall aufweisen, und das Matrixmaterial kann Silber aufweisen.
In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Verfahren kann das Substrat einen Kontaktarm oder eine Schutzschalterklinge aufweisen.
Figurenliste
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gelesen wird, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Teile darstellen, worin zeigen:

1 eine schematische Querschnittsansicht einer Schicht mit einer Struktur, die in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist; und
2 eine schematische Querschnittsansicht eines Gegenstands gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
3 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine näherungsweise Formulierung, wie sie hierin überall in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, kann angewandt werden, um jede quantitative Darstellung zu modifizieren, die in zulässiger Weise variieren könnte, ohne zu einer Veränderung der Grundfunktion, mit der sie in Beziehung steht, zu führen. Demgemäß sollte ein Wert, der durch einen Ausdruck oder Ausdrücke, wie „etwa“ und „im Wesentlichen“ modifiziert ist, nicht auf den genauen angegebenen Wert beschränkt sein. In einigen Fällen kann die näherungsweise Formulierung der Genauigkeit eines Instrumentes zur Messung des Wertes entsprechen. Hier und in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen können Bereichsgrenzen miteinander kombiniert und/oder gegeneinander ausgetauscht werden; derartige Bereiche sind identifiziert und umfassen all die darin enthaltenen Teilbereiche, sofern aus dem Kontext oder der Formulierung nicht etwas anderes hervorgeht.
In der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen umfassen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“ bzw. „das“ mehrere Bezugsobjekte, sofern aus dem Kontext nicht deutlich etwas anderes hervorgeht. In dem hierin verwendeten Sinne soll der Begriff „oder“ nicht ausschließlich sein, und er bezieht sich darauf, dass wenigstens eine der in Bezug genommenen Komponenten vorhanden ist, und umfasst Fälle, in denen eine Kombination der in Bezug genommenen Komponenten vorhanden sein kann, sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht.
In dem hierin verwendeten Sinne können die Ausdrücke „kann“ und „möglicherweise“ eine Möglichkeit eines Auftretens innerhalb eines Satzes von Umständen, einen Besitz einer angegebenen Eigenschaft, Charakteristik oder Funktion anzeigen und/oder ein anderes Verb relativieren, indem eines oder mehrere von einer Möglichkeit, Fähigkeit oder Wahrscheinlichkeit, die dem relativierten Verb zugeordnet ist bzw. sind, ausgedrückt wird bzw. werden. Demgemäß zeigt die Verwendung von „kann“ und „möglicherweise“ an, dass ein modifizierter Begriff für eine angezeigte Fähigkeit, Funktion oder Verwendung offensichtlich passend, in der Lage oder geeignet ist, während berücksichtigt wird, dass in einigen Fällen der modifizierte Begriff manchmal möglicherweise nicht passend, in der Lage oder geeignet sein kann.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktanordnung für eine elektrische Vorrichtung einen Kaltspritzbeschichtungsprozess, um ein Pulvergemisch auf ein Substrat, z.B. ein kupferhaltiges Substrat, wie beispielsweise einen Kontaktarm oder eine Schutzschalterkontaktklinge, unmittelbar aufzusprühen. Das resultierende Kontaktmaterial ist dicht, gut an das Substrat gebunden und weist nachgewiesene attraktive Testergebnisse auf. Außerdem hat die Technik zur Abscheidung des Materials eine Abscheidung mit einer einheitlichen und vorteilhaften Struktur zur Folge. Das Verfahren kann die Ausbeute verbessern und Herstellungskosten reduzieren und dabei die Qualität im Vergleich zu existierenden Herstellungsprozessen, die Pulververdichtungs- und Lötschritte umfassen, aufrechterhalten.
In einem Kaltspritzbeschichtungsprozess werden Partikel eines pulverförmigen Ausgangsmaterials mit einem Gas vermischt, und das Gas und die Partikel werden anschließend zu einem Ultraschallstrahl beschleunigt, während das Gas und die Partikel bei einer hinreichend niedrigen Temperatur gehalten werden, um ein Schmelzen und eine übermäßige Oxidation der Partikel zu verhindern. Typische Kaltspritzverfahren verwenden eine Kaltspritzbeschichtungsvorrichtung, im Allgemeinen eine Sprühpistole, die ein Hochdruckgas, wie z.B. Helium, Stickstoff oder Luft, und ein Rohausgangsmaterial, wie z.B. Metalle, feuerfeste Metalle, Legierungen oder Verbundwerkstoffmaterialien in Pulverform, empfängt. Die Pulvergranulate werden unter einem hohen Druck in einen Gasstrom in der Sprühpistole eingebracht und aus einer Düse ausgegeben. Die Partikel werden in dem Gasstrom auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt, die eine Überschallgeschwindigkeit erreichen kann. Der Gasstrom kann erwärmt werden. Typischerweise werden die Gase auf weniger als den Schmelzpunkt der Partikel erwärmt, um eine Oxidation im Flug und Phasenveränderungen in dem abgeschiedenen Material auf ein Minimum zu reduzieren. Aufgrund der relativ niedrigen Abscheidungstemperaturen und sehr hohen Geschwindigkeiten bieten Kaltspritzprozesse die Möglichkeit zur Abscheidung gut haftender, metallurgisch gebundener, dichter, harter und verschleißfester Beschichtungen, deren Reinheit in erster Linie von der Reinheit des verwendeten Ausgangsmaterialpulvers abhängt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktanordnung für eine elektrische Vorrichtung ein axiales Zuführen eines pulverförmigen Ausgangsmaterials in einen Gasstrom einer Kaltspritzbeschichtungsvorrichtung. In dem hierin verwendeten Sinne bedeutet „axiales Zuführen“, dass das pulverförmige Ausgangsmaterial in den Gasstrom in eine Richtung eingeführt wird, die im Wesentlichen parallel zu der Strömung des Gasstroms verläuft. Eine axiale Zuführung kann die Neigung des Pulvers, sich nach Größe und/oder Dichte zu trennen, während es innerhalb des Gasstroms strömt, im Vergleich zu einer radialen Zuführung reduzieren, bei der das Pulver von dem äußeren Randumfang des Gasstroms aus in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung zugeführt wird. Eine Reduktion der Neigung eines Ausgangsmaterialpulvers, sich auf diese Weise zu trennen, kann für eine Abscheidung höherer Qualität sorgen.
Der Gasstrom weist Eigenschaften auf, die für den Kaltspritzprozess kennzeichnend sind. Zum Beispiel kann der Gasstrom ein oder mehrere Gase enthalten, die gewöhnlich in einem Kaltspritzprozess verwendet werden, wie beispielsweise Helium, Stickstoff oder Luft. Der Gasdruck, der verwendet wird, um den Gasstrom zu erzeugen, liegt im Allgemeinen oberhalb von 1,5 Megapascal, wie beispielsweise oberhalb von 2 Megapascal. In einigen Ausführungsformen beträgt der Druck wenigstens 3 Megapascal. Die Gasstromgeschwindigkeit - und folglich die Geschwindigkeit des in dem Gasstrom mitgeführten Ausgangsmaterials - neigt dazu, mit steigenden Druck anzusteigen; da eine hohe Ausgangsmaterialgeschwindigkeit erwünscht ist, um die Bindung der Partikel innerhalb der Abscheidung zu verbessern, sind in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gewöhnlich hohe Drücke erwünscht. Typische Geschwindigkeiten für diesen Prozess können größer als 500 Meter pro Sekunde sein und in einigen Ausführungsformen bis zu etwa 1000 Meter pro Sekunde betragen.
Die Prozessparameter werden ausgewählt, um eine Dichte, gut haftende Abscheidung mit den in dieser Offenbarung beschriebenen Eigenschaften zu schaffen. Zum Beispiel wird der Abstand von der Sprühpistole zu dem Substrat festgelegt, um dem mitgeführten Ausgangsmaterial zu ermöglichen, bis zu einem gewünschten Geschwindigkeitsbereich und (in einigen Fällen) einer gewünschten Temperatur zu beschleunigen, um zu ermöglichen, dass ein gewünschter Grad einer Verformung beim Zusammenprall von Partikeln mit dem Substrat auftritt, wodurch die Adhäsion, Kohäsion und die Abscheidungsdichte verbessert werden. In einigen Ausführungsformen beträgt dieser Abstand wenigstens etwa 10 mm. In bestimmten Ausführungsformen beträgt der Abstand bis zu etwa 50 mm. In bestimmten Ausführungsformen liegt der Abstand in einem Bereich von 10 mm bis etwa 50 mm. Die Sprühpistole enthält gewöhnlich eine Heizeinrichtung, die angeordnet ist, um den Gasstrom zu erwärmen, so dass die Temperatur der Ausgangsmaterialpartikel beim Aufprall innerhalb eines gewünschten Bereiches liegen kann. Die Wahl der Gastemperatur hängt zum Teil von der Beschaffenheit der Partikel, der Art des verwendeten Gases, der Gasstromgeschwindigkeit und der Zeitdauer ab, die die Partikel vor dem Aufprall in dem Gasstrom verbringen. Wie vorstehend erwähnt, kann ein gewisses Maß an Erwärmung der Partikel erwünscht sein, um eine plastische Verformung beim Aufprall zu fördern, wobei das Maß der Erwärmung im Allgemeinen begrenzt ist, um unerwünschte Oxidationsgrade in dem Ausgangsmaterial zu vermeiden und um das Ausgangsmaterial während seiner Zeit in der Gasströmung im Wesentlichen fest zu halten. „Im Wesentlichen fest“ bedeutet hier, dass das Ausgangsmaterial vorwiegend fest bleibt, jedoch eine beiläufige Menge an Partikeln, die schmelzen, wie beispielsweise eine geringe Anzahl feiner Partikel, akzeptabel sein kann, falls sie die Eigenschaften der Abscheidung nicht nachteilig beeinflusst. In einigen Ausführungsformen beträgt die Gastemperatur wenigstens 300 Grad Celsius. In einigen Ausführungsformen beträgt die Gastemperatur bis zu 800 Grad Celsius.
Die Auswahl des Ausgangsmaterials spiegelt den Wunsch wieder, ein Material mit elektrischen und mechanischen Eigenschaften abzuscheiden, die sich zur Schaffung einer qualitativ hochwertigen elektrischen Kontaktanordnung eignen. Natürlich kann die spezielle Vorgabe der elektrischen und mechanischen Eigenschaften für die Kontaktanordnung in Abhängigkeit von der Anwendung variieren; zum Beispiel kann die elektrische Leitfähigkeit des Kontaktes unter den verschiedenen Anwendungen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung über eine Größenordnung variieren. Allgemein enthält das Ausgangsmaterial eine erste Komponente, die ein feuerfestes Material enthält, um Verschleiß- und Erosionsbeständigkeit zu verleihen, und eine zweite Komponente, die ein Material aufweist, das eine höhere Duktilität als das feuerfeste Material aufweist. Zu Beispielen für ein geeignetes feuerfestes Material gehören, ohne Beschränkung, metallisches Wolfram, ein Karbid (wie beispielsweise Wolframkarbid), Graphit oder eine andere Form von Kohlenstoff oder ein Nitrid. Das Material (das hierin als „Matrixmaterial“ bezeichnet wird), das in der zweiten Komponente enthalten ist, bietet im Allgemeinen eine hohe elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu dem feuerfesten Material, und seine vergleichsweise hohe Duktilität ermöglicht diesem Matrixmaterial, einen Großteil der Adhäsions- und Kohäsionsfestigkeit der Abscheidung bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen weist das Matrixmaterial eine elektrische Leitfähigkeit von wenigstens 3 × 10⁷ Siemens pro Meter auf, um einen hohen Leitfähigkeitsgrad in der Abscheidung sicherzustellen. Zu Beispielen für geeignete Matrixmaterialien gehören, ohne Beschränkung, Silber, Kupfer, Gold, Aluminium oder eine Kombination, die eines oder mehrere der vorstehenden Metalle enthält. Ein beispielhaftes Ausgangsmaterial, das gute Ergebnisse in Tests gezeigt hat, umfasst Wolfram als ein feuerfestes Material und umfasst ferner Silber als ein Matrixmaterial.
Das Ausgangsmaterial kann in beliebiger von mehreren verschiedenen Formen bereitgestellt werden. Zum Beispiel wird das Ausgangsmaterial in einer Ausführungsform als ein Gemisch zugeführt, was bedeutet, dass das Ausgangsmaterial in den Gasstrom als eine Mischung aus einem ersten Pulver, das das feuerfeste Material aufweist, und dem zweiten Pulver, das das Matrixmaterial aufweist, eingebracht wird. Als ein Beispiel kann ein Wolframpulver mit einem Silberpulver mechanisch vermischt werden, um ein vermischtes Ausgangsmaterial zu erzeugen, das dann in dem hierin verwendeten Verfahren verwendet werden kann, indem es z.B. unter Verwendung einer einzigen Pulverzuführeinrichtung dem Gasstrom zugeführt wird. Alternativ können die verschiedenen Komponenten des Ausgangsmaterials dem Gasstrom gesondert zugeführt werden. In diesen Ausführungsformen können die Komponenten während ihrer Zeit in dem Gasstrom hinreichend miteinander vermischt werden, um ein gewisses Maß an Gleichförmigkeit der Zusammensetzung in der resultierenden Abscheidung zu schaffen. Als ein Beispiel kann ein erstes Pulver, das Wolfram aufweist, dem Gasstrom unter Verwendung einer ersten Pulverzuführeinrichtung zugeführt werden, und ein zweites Pulver, das Silber aufweist, kann dem Gasstrom unter Verwendung einer zweiten Pulverzuführeinrichtung zugeführt werden. In einer noch weiteren Alternative kann das Pulver eine Kern/Schalen-Struktur aufweisen, wobei eine Komponente des Ausgangsmaterials sich an dem Kern des Partikels befindet, während die andere Komponente an dem Kern z.B. als eine Schale, die den Kern umgibt, oder als eine Gruppe um den Kern herum angehäufter kleinerer Partikel angeordnet ist. Als ein Beispiel kann ein Ausgangsmaterial mehrere Partikel aufweisen, wobei die Partikel eine Kern/Schalen-Struktur aufweisen, in der in einem typischen Partikel Wolfram an dem Kern vorhanden ist und eine Schale, die Silber aufweist, über dem Kern angeordnet ist.
Die Pulverpartikel können von einer beliebigen Gestalt sein, die eine effiziente Abscheidung ermöglicht. Sphärische Partikel, die durch Gaszerstäubung gebildet werden, stellen ein Beispiel dar, wobei jedoch nicht sphärische Pulver, wie beispielsweise diejenigen, die durch chemische Reduktionsprozesse oder durch mechanische Zerkleinerung gebildet werden, ebenfalls geeignet sein können. Die Größe der Pulverpartikel, die als das Ausgangsmaterial verwendet werden, kann ausgewählt sein, um gewünschte Eigenschaften in der resultierenden Abscheidung zu erzielen, wie dies in jeder Anwendung des Kaltspritzprozesses typisch ist. Gewöhnlich liegen die Partikeldurchmesser unterhalb von 100 Mikrometern. In einigen Ausführungsformen liegt die mittlere Partikelgröße unterhalb von 50 Mikrometern. Das erste Pulver und das zweite Pulver müssen nicht die gleiche Größe haben. Zum Beispiel weist das erste Pulver in einigen Ausführungsformen eine mittlere Größe auf, die kleiner als etwa 15 Mikrometer ist, während das zweite Pulver eine mittlere Größe von weniger als etwa 40 Mikrometer aufweist. In bestimmten Ausführungsformen wird die Größenverteilung des ersten Pulvers gesteuert, um die Anzahl sehr großer feuerfester Partikel (z.B. Partikel mit Durchmessern von mehr als dem Doppelten der mittleren Größe) zu reduzieren oder zu minimieren, die Schwierigkeiten bei der Bildung und/oder Aufrechterhaltung einer starken Bindung an das Matrixmaterial in der Abscheidung bereiten können.
Die relativen Anteile des feuerfesten Materials und des Matrixmaterials sind ausgewählt, um die gewünschte Struktur und die gewünschten Eigenschaften für die resultierende Abscheidung zu erzielen. Diese Anteile hängen zum Teil von der Beschaffenheit der gewählten Materialien und den Abscheidungsparametern, die zur Erzeugung der Abscheidung verwendet werden, ab. Zum Beispiel macht das feuerfeste Material in einigen Ausführungsformen bis zu wenigstens 50 Gewichtsprozent des dem Gasstrom zugeführten (entweder als ein Gemisch oder gesondert zugeführten, wie vorstehend beschrieben) Ausgangsmaterials auf. Wenn das feuerfeste Material ein Material mit hoher Atommasse, wie beispielsweise Wolfram, enthält, kann der Massenanteil des ersten Pulvers noch höher sein, wie etwa wenigstens 60% betragen. Wenn jedoch der Anteil des feuerfesten Materials steigt, kann die Abscheideeffizienz abnehmen, da die Menge des weicheren Matrixmaterials, wie z.B. Silber, unzureichend wird, um das feuerfeste Material innerhalb der Abscheidung effektiv zu binden. In einigen Ausführungsformen weist das Ausgangsmaterial weniger als 90 Gewichtsprozent des feuerfesten Materials auf, und in bestimmten Ausführungsformen weist das Ausgangsmaterial weniger als 80 Gewichtsprozent des feuerfesten Materials auf. Abhängig von der Anwendung kann der Anteil des feuerfesten Materials des Ausgangsmaterials noch geringer sein, etwa wenn das Ausgangsmaterial weniger als 50 Gewichtsprozent des feuerfesten Materials, wie beispielsweise weniger als 20 Gewichtsprozent, aufweist.
Der Gasstrom und das mitgeführte Ausgangsmaterial werden durch eine Düse auf ein Substrat gerichtet, um das Ausgangsmaterial in einer kontinuierlichen Schicht über dem Substrat abzuscheiden. Die Düse kann eine beliebige geeignete Konfiguration aufweisen, die zu dem Kaltspritzprozess passend ist, um eine Abscheidung der gewünschten Form auf dem Substrat zu schaffen. Zum Beispiel kann die Gestalt der Düse eingerichtet sein, um eine Wolke aus Partikeln zu schaffen, die geeignet ist, um die Partikel bei dem Pistole-SubstratAbstand, der für den Prozess gewählt wird, auf ein Substrat einer vorgegebenen Größe abzuscheiden.
Die Auswahl des Ausgangsmaterials und des Verfahrens zur Zuführung desselben zu dem Gasstrom beeinflusst gewöhnlich die Mikrostruktur der resultierenden Abscheidung. Wenn zum Beispiel das Ausgangsmaterial ein erstes und ein zweites Pulver aufweist, unabhängig davon, ob in einem vorgemischten Gemisch oder ob sie gesondert dem Gasstrom zugeführt werden, haben die vorliegenden Erfinder eine Abscheidung mit einer einzigartigen Struktur geschaffen, wie sie in 1 veranschaulicht ist. In dieser Struktur enthält eine Schicht 100 ein Verbundmaterial 110 mit einem Kernbereich 120 und einem den Kernbereich 120 umgrenzenden äußeren Bereich 130. Der Kernbereich 120 weist eine andere Zusammensetzung als der äußere Bereich 130 auf. Insbesondere ist die Konzentration des feuerfesten Materials in dem Kernbereich 120 höher, als sie in dem äußeren Bereich 130 ist. Dies ist eine unerwartete Struktur, und sie kann wenigstens zum Teil auf die Beschaffenheit des Ausgangsmaterials zurückzuführen sein; weil das Ausgangsmaterial gesonderte Bestände von feuerfesten Materialpartikel und Matrixmaterialpartikeln aufweist, können die beiden Bestände unterschiedliche Abscheidewirkungsgrade und unterschiedliche Pulsübertragung haben, wenn sie auf das Substrat aufprallen, was eine Abscheidung mit der erwähnten Struktur zur Folge hat.
Wie in anderen Spritzbeschichtungsprozessen bewegen sich in der Praxis das Substrat und die Sprühpistole relativ zueinander, um eine Ausbildung der Schicht über der gewünschten Oberfläche des Substrats zu ermöglichen. Die gewählte Geschwindigkeit dieser relativen Bewegung hängt zum Teil von einer Anzahl von Faktoren, wie beispielsweise der Rate, mit der das Ausgangsmaterial dem Gasstrom zugeführt wird, der Gestalt der Partikelwolke innerhalb des Gasstroms (die mit den Düsenabmessungen in Beziehung steht, wie vorstehend erwähnt), dem Abscheidewirkungsgrad und der gewünschten Dicke der abgeschiedenen Schicht, ab. In einigen Ausführungsformen sind die Prozessparameter derart abgestimmt, dass die gewünschte Schichtstruktur in möglichst wenigen Durchläufen abgeschieden werden kann, wie beispielsweise wenn die gesamte Schicht in einem einzigen Durchlauf abgeschieden wird.
Unter Verwendung des vorstehend beschriebenen kaltspritzbasierten Verfahrens kann ein gut angebundenes, leitfähiges und mechanisch dauerfestes Kontaktmaterial mit Kontaktarmen oder anderen Komponenten von Schaltanlagen verbunden werden, ohne dass die Notwendigkeit eines Hartlötschrittes besteht, wie er gewöhnlich in herkömmlichen Prozessen zur Herstellung einer Kontaktanordnung verwendet wird.
Eine Kontaktanordnung für eine elektrische Vorrichtung, die das einzigartig strukturierte Verbundmaterial 110 enthält, das vorstehend beschrieben ist, stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Bezugnehmend auf 2 enthält die Kontaktanordnung 200 ein Substrat 210 und ein Kontaktmaterial 220, das auf dem Substrat 210 angeordnet ist. Das Substrat 210 enthält gewöhnlich ein elektrisch leitfähiges Material, wie beispielsweise Kupfer. In einer Ausführungsform ist das Substrat 210 ein Kontaktarm für einen elektrischen Schutzschalter.
Das Kontaktmaterial 220 weist ein Verbundmaterial 110 auf, das, wie vorstehend erwähnt, ein feuerfestes Material, wie beispielsweise metallisches Wolfram, ein Karbid (wie beispielsweise Wolframkarbid), Graphit oder eine andere Form von Kohlenstoff oder ein Nitrid enthält; und ein vergleichsweise duktileres Matrixmaterial, wie beispielsweise ein Material, das Silber, Kupfer, Gold oder Aluminium enthält.
Wie vorstehend erläutert, weist das Verbundmaterial 110 ferner einen Kernbereich 120 und einen äußeren Bereich 130 auf, der den Kernbereich 120 umgrenzt, wobei der Kernbereich 120 eine höhere Konzentration des feuerfesten Materials als der äußere Bereich 130 aufweist. Eine vorteilhafte Folge dieser einzigartigen Struktur ist, dass die Verbindungsstelle 230 zwischen dem Kontaktmaterial 220 und dem Substrat 210 vergleichsweise reich an dem duktilen, elektrisch leitfähigen Matrixmaterial ist, wodurch eine starke, elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Substrat 210 und dem Kontaktmaterial 220 geschaffen wird. Außerdem kann das Vorsehen des äußeren Bereiches 130, der vergleichsweise reich an Matrixmaterial ist, die Fähigkeit des Kontaktmaterials 220 erhöhen, Wärme über das Maß hinaus abzuführen, was die Fähigkeit sein würde, falls mehr feuerfestes Material in diesem Bereich vorhanden wäre. In einigen Ausführungsformen ist das feuerfeste Material in dem äußeren Bereich 130 in einer Konzentration von weniger als 30 Volumenprozent vorhanden (wenn beispielsweise eine Konzentration des Matrixmaterials wenigstens 70 Volumenprozent beträgt). In bestimmten Ausführungsformen weist der äußere Bereich 130 das feuerfeste Material in einem Konzentrationsbereich von 20 Volumenprozent bis 25 Volumenprozent auf (wenn beispielsweise eine Konzentration des Matrixmaterials wenigstens 75 Volumenprozent beträgt). In bestimmten Ausführungsformen ist das an der Verbindungsstelle 230 vorhandene Kontaktmaterial 220 im Wesentlichen frei von dem feuerfesten Material, was bedeutet, dass dieses Material abgesehen von zufälligen Verunreinigungen im Wesentlichen reines Matrixmaterial, wie etwa Silber, ist, womit eine metallurgische Verbindung und ein elektrischer Kontakt zwischen dem Kontaktmaterial 220 und dem Substrat 210 verstärkt werden.
Der Kernbereich 120 verleiht dem Kontaktmaterial 220 mechanische Festigkeit und Erosionsbeständigkeit, was im Allgemeinen auf das Vorhandensein des feuerfesten Materials in höherem Anteil, als es in dem äußeren Bereich 130 vorzufinden ist, zurückzuführen ist. In einigen Ausführungsformen weist der Kernbereich 120 das feuerfeste Material in einer Konzentration von wenigstens 30 Volumenprozent im Vergleich zu dem gesamten Volumen des Verbundmaterials 110 auf, und in bestimmten Ausführungsformen beträgt diese Konzentration wenigstens 35 Volumenprozent des feuerfesten Materials. Obere Grenzen für die Konzentration des feuerfesten Materials in dem Kernbereich 120 sind im Allgemeinen durch die erforderliche Kohäsion und die erforderlichen elektrischen Eigenschaften für das Material festgelegt; falls die Menge an Matrixmaterial zu gering wird, kann z.B. die elektrische Leitfähigkeit des Kernbereichs 120 unangemessen niedrig werden.
In einem anschaulichen Beispiel enthält die feuerfeste Materialkomponente des Verbundmaterials 110 Wolfram, wie beispielsweise metallisches Wolfram, und die Matrixmaterialkomponente weist Silber auf. In einer speziellen Ausführungsform weist der Kernbereich 120 von 35 Volumenprozent bis 40 Volumenprozent Wolfram und von 60 Volumenprozent bis 65 Volumenprozent Silber auf; und der äußere Bereich 130 weist von 20 Volumenprozent bis 25 Volumenprozent Wolfram und von 75 Volumenprozent bis 80 Volumenprozent Silber auf.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen eine beliebige elektrische Vorrichtung, die die Kontaktanordnung 200 enthält. Zu Beispielen für derartige Vorrichtungen gehören Schutzschalter, Schalter und andere Komponenten, die eine dauerhafte, leitfähige Kontaktanordnung erfordern. Wie in 3 veranschaulicht, enthält eine Vorrichtung 300 gewöhnlich eine erste Kontaktvorrichtung 310 und eine zweite Kontaktvorrichtung 320. In der gezeigten anschaulichen Ausführungsform ist die erste Kontaktvorrichtung 310 bewegbar, und die zweite Kontaktvorrichtung 320 ist ortsfest, wobei diese Anordnung nicht notwendig ist, da in einigen Ausführungsformen beide Kontaktvorrichtungen bewegbar sein können. Jede der oder beide Kontaktvorrichtungen 310, 320 kann bzw. können die Kontaktanordnung 200, wie sie hierin beschrieben ist, sein oder enthalten. In der veranschaulichten Ausführungsform enthält die erste Kontaktvorrichtung 310 die Kontaktanordnung 200.
Das einzigartige Kontaktmaterial 220 ist von herkömmlichen gesinterten oder gelöteten Kontakten auf verschiedene Weise leicht unterscheidbar. Zuerst beruht der Kaltspritzprozess auf einer Kaltverschweißung, um die Verbindungen zwischen Partikeln zu schaffen, und nicht auf einer Diffusionsverbindung, wie sie bei der Sinterung erfolgt. Außerdem wird die Verbindung zwischen dem Substrat 210 und dem Kontaktmaterial 220 in dem festen Zustand, erneut durch einen Kaltverschweißungsmechanismus gebildet, und sie ist im Wesentlichen frei von der hartgelöteten Struktur, wie sie üblicherweise bei einer herkömmlichen Herstellung verwendet wird. Schließlich bietet das Vorhandensein des Kernbereiches 120 und des äußeren Bereiches 130 bestimmte Vorteile, wie vorstehend erwähnt, und es unterscheidet sich von dem homogener aufgebauten gesinterten Kontaktmaterial, das in herkömmlichen Prozessen verwendet wird.
BEISPIELE
Die folgenden Beispiele werden präsentiert, um nicht beschränkende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weiter zu veranschaulichen.
Reines Wolframpulver mit einer nominellen mittleren Größe von etwa 10 Mikrometer wurde mit reinem Silberpulver mit einer nominellen mittleren Größe von etwa 30 Mikrometer vermischt. Das resultierende Gemisch wurde einer Kaltsprühpistole zugeführt, die mit Argon bei einem Druck von mehr als 3 MPa und einer Temperatur von bis zu 800°C arbeitet, und auf einem Kupfersubstrat abgeschieden, das bis zu 50 Millimeter von der Düse der Pistole entfernt angeordnet war. Es wurde beobachtet, dass die resultierende Abscheidung einen mit Wolfram relativ angereicherten Kernbereich mit einem äußeren Bereich von etwa 200 Mikrometer Dicke, und der eine geringere Wolframkonzentration als der Kernbereich aufwies, um den Umfang der Abscheidung herum hatte. Die Dichte, die mechanischen Eigenschaften und elektrischen Eigenschaften der Abscheidung wurden als den Erwartungen für Materialien, die sich zur Verwendung als eine elektrische Kontaktstelle eignen, entsprechend festgestellt.
Während nur bestimmte Merkmale der Erfindung hierin veranschaulicht und beschrieben sind, werden Fachleuten auf dem Gebiet viele Modifikationen und Veränderungen einfallen. Es sollte folglich verstanden werden, dass die beigefügten Ansprüche dazu bestimmt sind, alle derartige Modifikationen und Veränderungen, wie sie in dem wahren Rahmen der Erfindung fallen, zu umfassen.
Es werden eine Kontaktanordnung für eine elektrische Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Anordnung präsentiert. Die Kontaktanordnung weist ein Substrat und ein auf dem Substrat angeordnetes Kontaktmaterial auf. Das Kontaktmaterial weist ein Verbundmaterial auf, das ein feuerfestes Material und ein Matrixmaterial aufweist. Das Matrixmaterial weist eine höhere Duktilität als das feuerfeste Material auf. Das Verbundmaterial weist ferner einen Kernbereich und einen den Kernbereich umgrenzenden äußeren Bereich auf, wobei der Kernbereich eine höhere Konzentration des feuerfesten Materials als der äußere Bereich aufweist. Das Verfahren wendet ein Kaltspritzen eines vermischten Ausgangsmaterials an, um eine Schicht zu erzeugen, die das vorstehend beschriebene Verbundmaterial enthält.

Claims

Kontaktanordnung für eine elektrische Vorrichtung, wobei die Kontaktanordnung aufweist: ein Substrat; ein auf dem Substrat angeordnetes Kontaktmaterial, wobei das Kontaktmaterial ein Verbundmaterial aufweist, das ein feuerfestes Material und ein Matrixmaterial aufweist, wobei das Matrixmaterial eine höhere Duktilität als das feuerfeste Material aufweist; wobei das Verbundmaterial ferner einen Kernbereich und einen den Kernbereich umgrenzenden äußeren Bereich aufweist, wobei der Kernbereich eine höhere Konzentration des feuerfesten Materials als der äußere Bereich aufweist.
Kontaktanordnung nach Anspruch 1, wobei das feuerfeste Material metallisches Wolfram, ein Karbid, Graphit oder ein Nitrid aufweist; wobei das feuerfeste Material vorzugsweise Wolfram aufweist.
Kontaktanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Matrixmaterial eine elektrische Leitfähigkeit von wenigstens 3,0 × 10⁷ Siemens pro Meter aufweist; und/oder wobei das Matrixmaterial vorzugsweise Silber, Kupfer, Gold, Aluminium oder eine Kombination, die eines oder mehrere der vorstehenden Metalle enthält, aufweist.
Kontaktanordnung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das feuerfeste Material in dem Kernbereich des Verbundmaterials in einer Konzentration von wenigstens 30 Volumenprozent, vorzugsweise in einer Konzentration von wenigstens 35 Volumenprozent, vorhanden ist.
Kontaktanordnung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das feuerfeste Material in dem äußeren Bereich in einer Konzentration von weniger als 30 Volumenprozent vorhanden ist; wobei der äußere Bereich vorzugsweise das feuerfeste Material in einem Konzentrationsbereich von 20 Volumenprozent bis 25 Volumenprozent aufweist.
Kontaktanordnung nach Anspruch 1, wobei das feuerfeste Material Wolfram aufweist und das Matrixmaterial Silber aufweist; wobei der Kernbereich vorzugsweise von 35 Volumenprozent bis 40 Volumenprozent Wolfram und von 60 Volumenprozent bis 65 Volumenprozent Silber aufweist; und wobei der äußere Bereich vorzugsweise von 20 Volumenprozent bis 25 Volumenprozent Wolfram und von 75 Volumenprozent bis 80 Volumenprozent Silber aufweist.
Kontaktanordnung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat Kupfer aufweist.
Elektrische Vorrichtung, die die Kontaktanordnung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche aufweist; wobei die Vorrichtung vorzugsweise ein Schutzschalter ist.
Verfahren zur Herstellung einer Kontaktanordnung für eine elektrische Vorrichtung, wobei das Verfahren aufweist: axiales Zuführen eines pulverförmigen Ausgangsmaterials in einen Gasstrom einer Kaltspritzbeschichtungsvorrichtung, wobei das Ausgangsmaterial ein erstes Pulver, das ein feuerfestes Material aufweist, und ein zweites Pulver aufweist, das ein Matrixmaterial aufweist, wobei das Matrixmaterial eine höhere Duktilität als das feuerfeste Material aufweist; und Richten des Gasstroms und eines mitgeführten Ausgangsmaterials durch eine Düse auf ein Substrat, um das Ausgangsmaterial auf dem Substrat in einer kontinuierlichen Schicht anzuordnen, wobei das mitgeführte Ausgangsmaterial im Wesentlichen fest bleibt und wobei die Schicht ein Verbundmaterial mit einem Kernbereich und einem den Kernbereich umgrenzenden äußeren Bereich aufweist, wobei der Kernbereich eine höhere Konzentration des feuerfesten Materials als der äußere Bereich aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Gasstrom durch die Düse auf eine Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird; und/oder wobei der Gasstrom auf eine Temperatur von bis zu etwa 800°C erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Ausgangsmaterial das feuerfeste Material in einer Konzentration von etwa 50 Gewichtsprozent bis etwa 90 Gewichtsprozent aufweist; und/oder wobei das feuerfeste Material ein Wolframmetall aufweist und das Matrixmaterial Silber aufweist.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 9-11, wobei das Substrat einen Kontaktarm oder eine Schutzschalterklinge aufweist.