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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Kontaktbauteils für einen elektrischen Schalter, bei dem elektrochemisch eine Kontaktschicht, aufweisend eine Matrix aus Silber, hergestellt wird, wobei in die Matrix Graphitpartikel eingelagert werden. Außerdem betrifft die Erfindung ein Kontaktbauteil, eine Vakuumschaltröhre mit einem solchen Kontaktbauteil bzw. eine Schaltanlage mit einer solchen Vakuumschaltröhre.
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Elektrische Schalter der eingangs angegebenen Art sind z. B. aus der
DE 41 33 466 A1 bekannt. Diese Schalter weisen Kontaktbauteile auf, wobei deren Funktion darin besteht, bei einem Schaltvorgang in gegenseitigen Kontakt zu kommen, um den elektrischen Strom zu übertragen. Die Kontaktbauteile sind in dem Schalter in einer mechanischen Anordnung zueinander positioniert, die es erlaubt, den Schaltvorgang durchzuführen. Unter anderem können derartige Schalter auch als Vakuumschaltröhren ausgeführt werden. Elektrische Schalter werden in Schaltanlagen eingebaut, die die Integration des Schalters beispielsweise in ein elektrisches Netz erlauben.
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Gemäß der
DE 41 33 466 A1 ist beschrieben, dass Kontaktbauteile für einen Schalter mit einer Kontaktschicht beschichtet werden können. Diese kann beispielsweise aus Silber bestehen und elektrochemisch aufgebracht werden. Während des elektrochemischen Beschichtens werden überdies Graphitpartikel in die sich ausbildende Schicht eingebaut. Die Graphitpartikel werden dem für das elektrochemische Beschichten verwendeten Elektrolyt beigemischt, so dass eine Dispersion entsteht. Dies ermöglicht den Einbau der Graphitpartikel während des elektrochemischen Beschichtens.
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Die an der zu beschichtenden Oberfläche während des elektrochemischen Beschichtens ablaufenden dynamischen Vorgänge begrenzen die Menge an Graphitpartikeln, die in die Schicht eingebaut werden können. Außerdem stellt die maximal mögliche Konzentration an dispergierten Graphitpartikeln einen limitierenden Faktor dar. Bei höheren Partikelkonzentrationen im Elektrolyt besteht außerdem die Gefahr, dass die dispergierten Graphitpartikel agglomerieren und/oder nicht in Dispersion gehalten werden können. Um dem entgegenzuwirken, muss der Elektrolyt beispielsweise ständig in Bewegung gehalten werden oder es werden Dispergiermittel dem Elektrolyten zugesetzt. Die Abscheidung der Dispergiermittel in der sich ausbildenden Schicht kann jedoch nicht vollständige verhindert werden, wodurch die Schichtqualität beeinträchtigt wird. Als Dispergiermittel kommen beispielsweise Tenside zum Einsatz, welche die Graphitpartikel mit einer dünnen Schicht belegen und dadurch beispielsweise deren elektrische Leitfähigkeit in der Kontaktschicht beeinträchtigen.
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Aus der
DE 10 2009 048 669 A1 ist es weiterhin bekannt, dass elektrochemisches Beschichten auch durch ein Brush Plating durchgeführt werde kann. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um mechanisch stark beanspruchte Bauteile wie beispielsweise die Arbeitswalzen für Walzwerke zu beschichten. Der Verschleißwiderstand solcher Bauteile kann durch eine elektrochemische Beschichtung bei gleichzeitiger Einlagerung von Carbonnanotubes (CNT) oder Bornitridnanotubes (BNNT) verbessert werden.
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Unter Brush Plating ist ein elektrochemisches Beschichtungsverfahren zu verstehen, bei dem das zu beschichtende Substrat nicht in einen Elektrolyten eingetaucht wird, sondern der Elektrolyt mit einem als Brush oder auch „Bürste“ bezeichneten Überträger auf das Substrat aufgebracht wird. Dabei muss keine Bürste im engeren Sinne zum Einsatz kommen. Vielmehr muss der Überträger die Eigenschaften aufweisen, aufgrund vorrangig kapillarer Wirkungen den Elektrolyten auf das Substrat übertragen zu können. Hierzu eignet sich beispielsweise eine Bürste deswegen, weil zwischen den einzelnen Borsten kapillare Kanäle entstehen, die zum Transport des Elektrolyten geeignet sind. Andere Strukturen, die sich zur Übertragung des Elektrolyten eignen, sind beispielsweise schwammartige, d. h. offenporige, in sich elastische Materialien.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das oben beschriebene Verfahren zum Beschichten von Kontaktbauteilen dahingehend zu verbessern, dass der Einbau von Graphitpartikeln in eine Kontaktschicht aus Silber mit einem geringeren Aufwand möglich ist und dabei möglichst hohe Gehalte an Graphitpartikeln in der Kontaktschicht abgeschieden werden können. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Kontaktbauteil, eine Vakuumschaltröhre mit einem solchen Kontaktbauteil bzw. eine Schaltanlage mit einer solchen Vakuumschaltröhre anzugeben, die sich mit einem möglichst einfacheren Verfahren zur elektrochemischen Abscheidung und damit kostengünstiger herstellen lassen.
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Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als elektrochemisches Beschichten ein Brush Plating durchgeführt wird, bei dem ein Elektrolyt und die Graphitpartikel mit einem Überträger auf das Kontaktbauteil aufgetragen werden. Das Kontaktbauteil ist diejenige Komponente, die in einem Schalter mit einem anderen Kontaktbauteil den elektrischen Kontakt herstellt. Zumindest diese Kontaktfläche, also die Fläche, an der sich die beiden Kontaktbauteile berühren, vorzugsweise ausschließlich diese Kontaktfläche, kann erfindungsgemäß mit der Kontaktschicht durch Brush Plating beschichtet werden. Dabei ist es von Vorteil, dass durch Brush Plating eine elektrochemisch hergestellte Kontaktschicht auch partiell auf das Kontaktbauteil aufgebracht werden kann, da der Überträger einen lokalen Schichtaufbau im Bereich seiner Überträgerfläche ermöglicht. Anders als bei elektrochemischen Beschichtungsverfahren mit einem Elektrolytbad, in das das Kotaktbauteil eingetaucht werden müsste, können also Teile des Kontaktbauteils, die nicht mit dem anderen Kontaktbauteil in Berührung stehen, unbeschichtet bleiben. Hierdurch lässt sich die Beschichtungszeit verkürzen und auch der Verbrauch an Beschichtungsmaterial minimieren.
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Es hat sich gezeigt, dass mittels Brush Plating abgeschiedene Kontaktschichten aus Silber mit eingelagerten Graphitpartikeln hervorragende elektrische Eigenschaften aufweisen. Einerseits verringern die Graphitpartikel die Geschwindigkeit einer Abnutzung der Kontaktschicht. Andererseits lässt sich eine Kontaktschicht mit einer genügenden elektrischen Leitfähigkeit herstellen, die durch die eingelagerten Graphitpartikel nur in geringem Maße herabgesetzt wird. Insbesondere, wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung der Elektrolyt ohne Dispergiermittel für die Graphitpartikel hergestellt wird, lassen sich gute Leitfähigkeitswerte für die Kontaktschicht erreichen, da ein ungewollter Einbau des Dispergiermittels (auch Netzmittel genannt) ausgeschlossen werden kann.
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Müssten die dispergierten Graphitpartikel in dem Elektrolyt gehalten werden, könnte dies auf Dauer nur durch Einsatz eines Dispergiermittels (beispielsweise eines Tensids, einem Alkalisalz von Alkylsulfaten bzw. -sulfonaten oder einem Alkalisalz einer hochsulfatierten Fettsäure) erfolgen. Um eine Agglomeration der Graphitpartikel zu verhindern, docken die Dispergiermittel üblicherweise an die Oberfläche der Graphitpartikel an und verhindern auf diese Weise eine Sedimentation derselben im Elektrolyt. Deswegen kann ein Einbau in die sich ausbildende Schicht jedoch nicht vollständig verhindert werden, da die Graphitpartikel mitsamt der Schicht aus Dispergiermittel in die Matrix aus Silber eingelagert wird.
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Die Graphitpartikel sind elektrisch leitfähig. Diese können daher an der Übertragung eines elektrischen Stroms durch die Kontaktschicht beteiligt sein. Allerdings entsteht durch eingebautes Dispergiermittel, welches den elektrischen Strom nicht leitet, ein Übergangswiderstand zwischen der Matrix aus Silber und den Graphitpartikeln, weswegen bei Einsatz eines Dispergiermittels der elektrische Widerstand der erzeugten Kontaktschicht durch den Einbau von Graphitpartikeln mehr als nötig verringert würde. Hier setzt die Erfindung an, indem auf ein Dispergiermittel im Elektrolyt verzichtet wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen werden, dass der Überträger ein erstes Leitungssystem und ein zweites Leitungssystem aufweist. Mit dem ersten Leitungssystem wird der Elektrolyt mit einer Konzentration an Graphitpartikeln gefördert, die entweder geringer ist als die Konzentration von Graphitpartikeln im zweiten Leitungssystem, oder es wird vorgesehen, dass der Elektrolyt ganz ohne Graphitpartikel gefördert wird. Vorteilhaft steht damit für eine Dosierung der Graphitpartikel im gewünschten Umfang das zweite Leitungssystem zur Verfügung. Hier können die Graphitpartikel in einer hohen Konzentration gefördert werden, wobei dies alternativ mit dem Elektrolyt, oder mit einem anderen Dispersionsmedium möglich ist. Beispielsweise kann ein leicht flüchtiges Dispersionsmittel verwendet werden, welches nach Zudosierung verdampft (z. B. Ethanol). Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein gasförmiges Dispersionsmedium zu verwenden. Eine Durchmischung mit dem Elektrolyt aus dem ersten Leitungssystem wird in den kapillaren Kanälen des Überträgers erzwungen.
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Die Konzentration an Graphitpartikeln im durch das erste Leitungssystem geförderten Elektrolyt entspricht vorteilhaft höchstens derjenigen Konzentration, welche ohne Einsatz von Dispergiermitteln im Elektrolyt möglich ist. Dies hängt damit zusammen, dass der Elektrolyt gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung aufgefangen wird und Graphitpartikel, die nicht im Elektrolyten gehalten werden können, wieder abgetrennt werden. Diese können anschließend in hoher Konzentration dem zweiten Leitungssystem wieder zugeführt werden. Auf diesem Wege wird nicht verwendetes Beschichtungsmaterial recycelt, genauso wie nicht verbrauchter Elektrolyt. Dabei muss der Elektrolyt auch hinsichtlich des verbrauchten Silbers wieder aufbereitet werden.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass die Graphitpartikel vor der Behandlung mit dem Überträger direkt auf das Kontaktbauteil aufgebracht wird. In diesem Fall lagern sich die Graphitpartikel an der Oberfläche des zu beschichtenden Kontaktbauteils an und werden dort nachfolgend durch den Aufbau von Silber als Matrixmaterial in die Kontaktschicht eingebaut. Durch Zudosieren der Graphitpatikel in dem Überträger wird jedoch auch ein Einbau der Graphitpartikel in die Matrix der Kontaktschicht erzwungen. Selbstverständlich können auch beide Maßnahmen, also die Dosierung von Graphitpartikeln vor dem Überträger als auch die Zudosierung von Graphitpartikeln in den Überträger gleichzeitig erfolgen. Hierfür muss das zweite Leitungssystem mit den erforderlichen Zuführstellen ausgestattet sein.
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Gute Beschichtungsergebnisse konnten vorteilhaft mit Graphitpartikeln mit einer mittleren Größe zwischen 5 µm und 20 µm in die Kontaktschicht erreicht werden. Vorteilhaft für einen genügenden Verschleißwiderstand bei gleichzeitig guter elektrischer Leitfähigkeit sind Kontaktschichten mit einem Graphitgehalt zwischen 1 Gew.-% und 6 Gew.-%.
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Als Kontaktbauteile für Vakuumschaltröhren können vorteilhaft Stromzuführungsbolzen oder Kontaktplättchen zur Befestigung an einem Stromzuführungsbolzen beschichtet werden. Dabei ist es möglich, jeweils nur die Stirnfläche des Stromzuführungsbolzens bzw. des Kontaktplättchens zu beschichten, da diese später den Kontakt herstellt. Der Stromzuführungsbolzen kann beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und das Kontaktplättchen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sein.
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Die eingangs angegebene Aufgabe wird außerdem durch ein Kontaktbauteil, eine Vakuumschaltröhre mit einem solchen Kontaktbauteil oder durch eine Schaltanlage mit einer solchen Vakuumschaltröhre gelöst, indem eine Kontaktschicht nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wird. Dabei werden die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschilderten Vorteile erreicht.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch und
- 2 ein Ausführungsbeispiel für den Einsatz von erfindungsgemäßen Kontaktbauteilen in einer Vakuumschaltröhre, geschnitten dargestellt.
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Eine Beschichtungsvorrichtung 11 zum elektrochemischen Beschichten gemäß 1 weist einen Überträger 12 und ein Leitungsmodul 13 auf, an das der Überträger 12 angeschlossen ist. Bei dem Überträger handelt es sich um eine Bürste, die auf die Oberfläche 14 eines Kontaktbauteils 15 aufgesetzt werden kann. Es kann jedoch auch eine offenporige Struktur, wie zum Beispiel ein Schwamm, verwendet werden (nicht dargestellt). Wie im Folgenden näher erläutert wird, lässt sich mit der Vorrichtung eine Kontaktschicht 16 auf dem Kontaktbauteil 15 erzeugen, in der nicht näher dargestellte Partikel dispergiert sind.
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Zum Zwecke der Herstellung der Kontaktschicht 16 wird das Kontaktbauteil 15 in einem Auffangbehälter 17 platziert. Weiterhin wird das Kontaktbauteil 15 und die Vorrichtung 11 an eine Spannungsquelle 18 angeschlossen, wobei das Substrat als Kathode geschaltet ist. Aus einem Elektrolyt-Vorratsbehälter 19 wird ein Elektrolyt in den Überträger 12 eingespeist. Dieser enthält Silberionen des Beschichtungswerkstoffes, welcher die metallische Matrix (nicht näher dargestellt) der Kontaktschicht 16 bilden wird. Außerdem wird aus einem Partikelvorratsbehälter 20, der eine hochkonzentrierte Suspension der Graphitpartikel enthält, die in die Kontaktschicht 16 eingebaut werden sollen, in einen vorderen Teilbereich 12a des Überträgers 12 eingeleitet. Alternativ (nicht dargestellt) kann die hochkonzentrierte Suspension wie auch der Elektrolyt über den ganzen Überträger 12 verteilt zugeführt werden, so dass sich die Suspension mit dem Elektrolyt in dem Überträger mischt.
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Das Leitungsmodul 13 weist ein erstes Leitungssystem 21 für den Elektrolyten und ein zweites Leitungssystem 22 mit einer Mündung 22a für die Partikel auf. Diese sind unabhängig voneinander, d. h., dass das erste Leitungssystem durch den Elektrolytvorratsbehälter 19 und unabhängig davon das zweite Leitungssystem 22 von dem Partikel-Vorratsbehälter 20 gespeist werden kann. Als Dispersionsmittel für die Partikel kann beispielsweise eine leicht flüchtige Flüssigkeit, die nach dem Aufbringen der Partikel schnell verdampft, oder auch eine Flüssigkeit mit der Zusammensetzung des Elektrolyts zum Einsatz kommen.
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Um die Kontaktschicht 16 auszubilden, wird nun die Vorrichtung 11 in der angedeuteten Richtung (Pfeil) über die Oberfläche 14 des Kontaktbauteils 15 gezogen. Dabei wird ein ständiger Fluss an Partikeln und Elektrolyt aufrechterhalten, wobei die im vorderen Teil 12a des Überträgers aufgebrachten Partikel zunächst einen Film 16a auf der Oberfläche 14 bilden und in die anschließend mit einer Übertragungsfläche 12b des Überträgers aufgebrachte Schicht 16 eingebaut werden.
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Durch die angelegte Spannung kommt es zu einer vergleichsweise schnellen Ausbildung der Kontaktschicht 16, wobei überschüssiger Elektrolyt, gemischt mit den Partikeln, in dem Auffangbehälter 17 aufgefangen wird. Von diesem führt eine Rückflussleitung 23 zu einer Trenneinrichtung 24, wo die Partikel wieder von dem Elektrolyt getrennt werden. Der Elektrolyt, der nun nur noch unwesentliche Mengen an Partikeln enthält, wird zurück in den Elektrolyt-Vorratsbehälter 19, und die Partikel, die in der Flüssigkeit des Elektrolytes stark aufkonzentriert sind, werden in den Partikel-Vorratsbehälter 20 zurückgeführt, wobei evtl. noch ein Wechsel des Dispersionsmittels vollzogen werden muss. Nun kann der Beschichtungsprozess mit dem wiedergewonnenen Elektrolyt bzw. den wiedergewonnenen Partikeln fortgeführt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der an der Oberfläche 14 erfolgende Stoffumsatz bei der Ausbildung der Schicht 16 in nicht dargestellter Weise ersetzt werden muss.
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Eine Vakuumschaltröhre 110 gemäß 2 weist ein evakuiertes Gehäuse 111 auf, das im Wesentlichen aus zwei koaxial zueinander angeordneten hohlzylindrischen Keramikisolatoren 112 und 113 und zwei Deckeln 114 und 115 besteht. Durch die Deckel 114, 115 sind Stromführungsbolzen 116, 117 zu einer Kontaktanordnung 122 hindurchgeführt (der Stromführungsbolzen 116 ist zwecks Durchführen des Schaltvorgangs axial beweglich ausgeführt). Teil des Gehäuses ist auch ein Faltenbalg 118, der einerseits mit dem Deckel 115 und andererseits mit dem Stromführungsbolzen 116 verlötet ist. Innerhalb des Gehäuses ist ein Hauptschirm 119 und als Abschirmelemente ein oberer Endschirm 120 und ein unterer Endschirm 121 angeordnet.
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In der Vakuumschaltröhre 110 kommen zwei Kontaktbauteile 15a, 15b zum Einsatz. Das Kontaktbauteil 15b ist über den Stromführungsbolzen 117 fest mit dem Gehäuse 111 verbunden und bildet damit den Festkontakt. Das Kontaktbauteil 15a ist über den Stromführungsbolzen 116, der axial beweglich ist, als Schaltkontakt ausgeführt. Die stirnseitigen Enden der Kontaktbauteile 15a, 15b, die einander gegenüberliegen, weisen jeweils die Kontaktschicht 16 auf, die sich auf je einem Kontaktplättchen 123 befindet, welches seinerseits auf dem Stromführungsbolzen 116 bzw. dem Stromführungsbolzen 117 aufgelötet ist. Hierzu stellen die Stromführungsbolzen 116, 117 jeweils einen Kontaktkopf 124 zur Verfügung, welcher mit Schlitzen 125 versehen ist.
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Mit dem Verfahren gemäß 1 ist es möglich, die Kontaktplättchen 123 vor dem Verlöten mit den Kontaktköpfen 124 zu beschichten. Es kann aber auch erst ein Verlöten erfolgen, um die Kontaktplättchen 123 danach mit der Kontaktschicht 16 elektrochemisch zu beschichten. Beide Varianten sind möglich, da vorteilhaft ein Brush Plating durchgeführt wird, welches die partielle Beschichtung von Bauteilen, hier also der Vorderseite der Kontaktplättchen 123 erlaubt. Die so hergestellten Kontaktschichten 16 entsprechen genau zum Schalten der Kontaktbauteile 15a, 15b erforderlichen Kontaktflächen 126, die durch die beiden zugewandten Stirnseiten der Kontaktbauteile 15a, 15b gebildet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4133466 A1 [0002, 0003]
- DE 102009048669 A1 [0005]
