DE112013007018T5

DE112013007018T5 - Nietenkontakt und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE112013007018T5
Application number: DE112013007018.9T
Authority: DE
Inventors: Masao Kuroda; Hiroshi Shirahata
Original assignee: Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
Current assignee: Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
Priority date: 2013-05-02
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2016-01-28
Also published as: US20160064157A1; TWI505304B; US9666382B2; TW201517089A; MY176306A; JPWO2014178155A1; JP6051298B2; JP2013239437A; WO2014178155A1; CN105164778A; CN105164778B

Abstract

Die vorliegende Erfindung ist ein Nietenkontakt, umfassend einen Kopfteil und einen Fußteil mit einer kleineren Breite als der Kopfteil, worin der Kopfteil eine Kontaktmaterialschicht aufweist mit mindestens einem oberen Teil, der ein Kontaktmaterial auf Ag-Basis enthält; wobei ein Rest des Kopfteils und der Fußteil ein Basismaterial umfassen, das Cu oder eine Cu-Legierung umfasst; und worin eine Barriereschicht, die eine Ag-Legierung umfasst, bereitgestellt wird an einer Verbindungsgrenzfläche zwischen dem Kontaktmaterial und dem Basismaterial. Hier wird vorzugsweise eine Ag-Legierung, die auf eine solche Art und Weise erhalten wird, dass ein oder mehrere Basismetallelemente aus Sn, In, Cu, Ni, Fe, Co, W, Mo, Zn, Cd, Te und Bi zu Ag in 0,03 bis 20 Masse-% gegeben werden, als die Ag-Legierung verwendet, die die Barriereschicht bildet.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Nietenkontakt, insbesondere einen Nietenkontakt, der die Menge eines zu verwendenden Kontaktmaterials, wie etwa eine Ag-Legierung, verringern kann, und ebenfalls eine gute Haltbarkeit sogar unter der Anwendungsumgebung hat, in welcher der Kontakt einer hohen Kapazitätsbelastung ausgesetzt ist.
Elektrische Kontakte, die mechanisch Stromkreise schalten, sind als Komponenten verschiedener Schalter oder Relais von elektrischen Ausstattungen in den unterschiedlichsten Bereichen verwendet worden, von Haushaltsgeräten, Büroelektronik, Elektroteilen für Automobile und dergleichen bis hin zu elektrischen Großmaschinen. Als elektrische Kontakte des Schaltungstyps gibt es einen spitzenförmigen Kontakt, der direkt mit einem Trägerelement verbunden ist, wie etwa ein Federelement, jedoch wird im Allgemeinen ein Nietenkontakt in vielen Fällen verwendet. Der Nietenkontakt umfasst einen Kopfteil, der als ein elektrischer Kontakt dient, und einen Fußteil mit einer kleineren Breite als der Kopfteil. Der Fußteil wird durch ein Verstemmen verformt wenn der Nietenkontakt an dem Trägerelement fixiert wird.
Dann ist es erforderlich, dass der elektrische Kontakt ein verlässliches mechanisches Schalten beibehalten kann, d. h. in der Lage ist zur Übertragung von Strom und Signal, die zu dem Kontakt fließen, ungehindert zum Zeitpunkt des In-Kontakt-tretens, und ungehindert getrennt werden kann zum Zeitpunkt der Trennung. Weiterhin ist es auch erforderlich, dass der elektrische Kontakt einen stabilen Kontaktwiderstand hat. Auf der anderen Seite treten Schmelzen, Verdampfen, Verbrauch und dergleichen des Materials aufgrund von Entladung auf einer Oberfläche des Schaltkontakts auf. Diese Phänomene verhindern eine Kontaktfunktion des elektrischen Kontakts und Verschmelzen manchmal die Kontakte miteinander. Dies werden Faktoren, die Leistungsverminderung oder einen Ausfall eines Elektroprodukts oder dergleichen verursachen. Aus diesem Grund sind auch viele Studien bezüglich Bestandteilmaterialien durchgeführt worden, damit der elektrische Kontakt die oben beschriebenen Grundfunktionen ausführen kann, selbst unter solchen schweren Belastungen. Unter ihnen wird als ein geeignetes Kontaktmaterial derzeit ein Kontaktmaterial auf Silberbasis erachtet, und im Speziellen wird eine dispergiertes Oxid-Ag-Legierung (Ag-SnO₂-Legierung, Ag-SnO₂-In₂O₃-Legierung, Ag-ZnO-Legierung oder dergleichen) mit verschiedenen Metalloxiden, wie etwa SnO₂, In₂O₃ und CuO, dispergiert in einer Ag-Matrix, häufig verwendet.
Die Gesamtstruktur des herkömmlichen Nietenkontakts ist häufig aus einem Kontaktmaterial gebildet. Jedoch in jüngerer Zeit ist es in Hinblick auf das teure Kontaktmaterial, wie etwa Ag-Legierung, allgemein üblich gewesen einen Doppelschicht-Nietenkontakt zu verwenden, in welchem das Kontaktmaterial auf einen Teil des Kontakts aufgebracht wird, um Kosten für ein Element zu verringern, und ein relativ kostengünstiges Material (Basismaterial), wie etwa Cu und eine Cu-Legierung bildet andere Teile des Kontakts.
An sich ist ein Doppelschicht-Nietenkontakt mit einer Kombination aus der Ag-Legierung und des Materials auf Cu-Basis, zum Beispiel ein Nietenkontakt, in welchem ein Kontaktmaterial einen oberen Teil eines Kopfteils bildet und ein Basismaterial, wie etwa Cu einen unteren Teil des des Kopfteils und einen Fußteil bildet (7(a), siehe Patentdokument 1), und ein Nietenkontakt, in welchem das Kontaktmaterial den gesamten Kopfteil bildet und ein Basismaterial einen Fußteil bildet (7(b), siehe Patentdokument 2), bekannt.
Dokumente der verwandten Technik
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP 5-282957 A
Patentdokument 2: Japanische Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 3098834

Zusammenfassung der Erfindung
Probleme, die durch die Erfindung gelöst werden sollen
Der herkömmliche Doppelschicht-Nietenkontakt ist ausreichend hinsichtlich sowohl Kosten des Elements als auch Kontaktfunktion. Die Haltbarkeit des herkömmlichen Doppelschicht-Nietenkontakts ist ausreichend für allgemeinen Gebrauch.
Jedoch, wie oben beschrieben, reicht die Anwendung von Schaltkontakten weit, vom Schalten und Unterbrechen einer niederen Last bis zum Schalten und Unterbrechen einer hohen Last, wie etwa dutzende oder hunderte Ampere Nennstrom. Gemäß den Erfindern der vorliegenden Erfindung hat in einer solchen Anwendung mit hoher Last der herkömmliche Doppelschicht-Nietenkontakt ein Problem mit dem Kontaktmaterialteil, der die Ag-Legierung enthält, die sich von dem Basismaterial im Verlauf der Anwendung ablöst. Wenn das Ablösen des Kontaktmaterials in einem Kontakt (fester Kontakt) auftritt, kommt der andere Kontakt (beweglicher Kontakt) in Kontakt mit dem Basismaterial oder schließt mit dem Basismaterial kurz. Dies kann ein Faktor eines Versagens der Ausstattung werden.
Das oben beschriebene Problem beim Nietenkontakt mit der Doppelschichtstruktur tritt aufgrund der Tatsache ein, dass die Kombination verschiedener Materialien den Kontakt aufbaut. Das Problem tritt nicht auf solange eine Ag-Legierung den gesamten Kontakt bildet, jedoch ist der Doppelschicht-Nietenkontakt eine vernünftige Konfiguration in Hinblick auf die Kosten der Elemente. Daher besteht ein Bedarf die Haltbarkeit des Kontakts unter Beibehaltung einer solchen vernünftigen Konfiguration zu zu berücksichtigen. Somit liefert die vorliegende Erfindung einen Nietenkontakt mit ausgezeichneter Haltbarkeit ohne Ablösen des Kontaktmaterials, wie oben beschrieben.
Mittel zum Lösen der Probleme
Zum Lösen der obigen Probleme haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung zuerst den Faktor des Ablösens des Kontaktmaterials, das in dem herkömmlichen Doppelschicht-Nietenkontakt auftritt, untersucht. Als ein Ergebnis haben die Erfinder das Verhalten von Sauerstoff in einer Umgebung, die spezifisch für einen Hochleistungsschaltkontakt ist, betrachtet.
Während des Kontakts zwischen Kontakten wird die Oberfläche von jedem Kontakt einer Belastung von Lichtbogenwärme oder Joulescher Erwärmung in Abhängigkeit von einer elektrischen Kapazität des Kontakts ausgesetzt und eine Temperatur einer Oberfläche eines Hochleistungskontakts steigt beachtlich an. Zu diesem Zeitpunkt tritt Sauerstoff aus einer externen Atmosphäre (Luft) in das Kontaktmaterial ein. Da Ag als ein Hauptbestandteilmetall des Kontaktmaterials ein Metall ist, in welches der Sauerstoff leicht diffundieren kann, diffundiert hier der Sauerstoff, der eingetreten ist, in das Kontaktmaterial und gelangt gegebenenfalls zu einer Verbindungsgrenzfläche bzw. Kontaktgrenzfläche zwischen dem Kontaktmaterial und dem Basismaterial. Dann bildet der Sauerstoff, der an der Verbindungsgrenzfläche angekommen ist, ein Cu-Oxid durch Bindung an und Oxidation von Cu, das das Basismaterial bildet. Da das Cu-Oxid eine schwache Bindungskraft in Bezug auf das Kontaktmaterial (Ag) hat, bewirkt das Cu-Oxid das Ablösen.
Zusätzlich, als ein Einfluss des Sauerstoffs, kann auch ein Einfluss von Sauerstoff, der in dem Kontaktmaterial an sich enthalten ist, auch betrachtet werden, zusätzlich zu dem Sauerstoff, der aus der externen Atmosphäre eintritt. Dies bedeutet, dass wenn eine Ag-Oxid-Legierung als das Kontaktmaterial verwendet wird, der Sauerstoff des dispergierten Oxids von dem Oxid unter einer hohen Temperatur von dem Oxid dissoziiert und in das Kontaktmaterial diffundiert, um zu der Verbindungsgrenzfläche zu gelangen und ein Oxid an der Verbindungsgrenzfläche zu bilden.
Aus der obigen Untersuchung haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen, dass Unterdrücken der Bildung von Oxiden an der Verbindungsgrenzfläche zwischen dem Kontaktmaterial und dem Basismaterial wirkungsvoll ist, um das Ablösen des Kontaktmaterials zu unterdrücken. Selbstverständlich ist nicht klar, ob der Faktor der Bildung von Oxiden der Sauerstoff von der externen Atmosphäre oder der Sauerstoff von dem Oxid in dem Kontaktmaterial ist. Weiterhin ist es nicht möglich die externe Atmosphäre des Kontakts zu verändern. Darüber hinaus ist das Oxid in dem Kontaktmaterial ein Hauptbestandteil der Ag-Oxid-Legierung und es ist nicht realistisch die Menge des Oxids im Falle der Verwendung der Ag-Oxid-Legierung zu begrenzen.
Somit haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung gefunden, dass eine Barriereschicht, die die Diffusion des Sauerstoffs in die Verbindungsgrenzfläche verhindert, aufgebaut wird als Mittel zum Unterdrücken der Bildung der Oxide an der Verbindungsgrenzfläche, und weiterhin die Ag-Legierung vorzugsweise als ein Bestandteilmaterial der Barriereschicht verwendet wird, und haben die vorliegende Erfindung entwickelt.
Das heißt, die vorliegende Erfindung ist ein Nietenkontakt, umfassend einen Kopfteil und einen Fußteil mit einer kleineren Breite als der Kopfteil, worin der Kopfteil eine Kontaktmaterialschicht aufweist, die mindestens einen oberen Teil aufweist, der ein Kontaktmaterial auf Ag-Basis enthält, wobei der Rest des Kopfteils und der Fußteil ein Basismaterial enthalten, das Cu- oder eine Cu-Legierung enthält, und eine Barriereschicht, die eine Ag-Legierung enthält, bereitgestellt wird an der Verbindungsgrenzfläche zwischen dem Kontaktmaterial und dem Basismaterial.
Die vorliegende Erfindung wird unten detailliert beschrieben. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Nietenkontakt, mit der Doppelschichtstruktur, in welcher der Kopfteil die Kontaktschicht aufweist, worin mindestens der obere Teil das Kontaktmaterial auf Ag-Basis enthält und worin das Basismaterial, das Cu oder die Cu-Legierung enthält, den Rest des Kopfteils und den Fußteil bildet, in eine Dreischichtstruktur gebracht, in welcher die Barriereschicht, die die Ag-Legierung enthält, an der Verbindungsgrenzfläche zwischen der Kontaktschicht und dem Basismaterial gebildet wird.
Daher wird die Barriereschicht, die ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, beschrieben werden. Da Additivelemente der Silberlegierung (Bestandteilelemente, die von Ag verschieden sind) vorzugsweise an Sauerstoff gebunden werden und Oxide bilden, verhindert die Barriereschicht, die die Ag-Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, den Zugang von Sauerstoff zu der Verbindungsgrenzfläche und verhindert die Bildung eines Cu-Oxids. Die Ag-Legierung, die die Barriereschicht bildet, hat ausreichend Verbindungskraft bezüglich sowohl Kontaktmaterial (Kontaktmaterial auf Ag-Basis) als auch Basismaterial (Cu). Zusätzlich ist es möglich die Bildung von Oxiden an der Verbindungsgrenzfläche ohne Beeinträchtigung der elektrischen Eigenschaften des Kontakts zu verhindern, da die Ag-Legierung gute Leitfähigkeit und Zähigkeit aufweist.
In dieser Hinsicht kann auch in Betracht gezogen werden, dass ein Material, in welches Sauerstoff schwer diffundiert, eher als die Ag-Legierung als ein Bestandteilmaterial der Barriereschicht verwendet wird, um die Bewegung des Sauerstoffs an sich zu der Verbindungsgrenzfläche unwirksam zu machen. Jedoch sind Metallmaterialarten, in welche der Sauerstoff nicht diffundiert begrenzt. Darüber hinaus gibt es wenige Materialien mit ausgezeichneter Leitfähigkeit und Zähigkeit, welche auch ausreichend Verbindungskraft haben, sowohl bezüglich des Kontaktmaterials als auch des Basismaterials. Demgegenüber präzipitiert die Barriereschicht, die die Ag-Legierung enthält, die den Sauerstoff verbraucht, wie in der vorliegenden Erfindung, Oxide im Verlauf der Anwendung und wandelt sich so in eine Ag-Oxid-Legierung, ähnlich dem Kontaktmaterial, um. Die bedeutet, dass die Verschleißfestigkeit und Schmelzfestigkeit der Barriereschicht im Laufe der Anwendung verbessert werden, und es wird auch dahingehend ein Vorteil bereitgestellt, dass die Barriereschicht als eine Reserve dienen kann wenn das Kontaktmaterial abgenutzt ist.
Die Ag-Legierung, die als die Barriereschicht dient, ist vorzugsweise eine Ag-Legierung, die auf eine solche Art und Weise erhalten wird, dass ein oder mehrere Basismetallelemente aus Sn, In, Cu, Ni, Fe, Co, W, Mo, Zn, Cd, Te und Bi zu dem Ag mit 0,03 bis 20 Masse-% zugegeben werden. Wenn die Menge dieser zuzugebenden Basismetalle weniger als 0,03% ist, wird Sauerstoff die Verbindungsgrenzfläche erreichen. Zusätzlich, wenn die Menge der Basismetalle, die zuzugeben werden, 20 Masse-% übersteigt, wird die Verbindungsfestigkeit mit dem Basismaterial instabil. Es ist festzuhalten, dass in einem Fall, in welchem mehrere Additivelemente vorliegen, die Menge der Additivelemente, die zuzugeben werden, eine Gesamtmenge dieser Additivelemente ist. Zusätzlich kann die Ag-Legierung, die die Barriereschicht bildet, unvermeidbare Verunreinigungen enthalten.
Hier bedeutet, die „Ag-Legierung”, die die Barriereschicht bildet, dass sie sowohl eine Fest-Lösung-Legierung, in welcher Ag und Additivelemente (Basismetall) gelöst sind in einem Feststoff, als auch eine Verbundlegierung, in welcher Additivelemente, die nicht in einem Feststoff gelöst sind, teilweise präzipitieren, umfasst. In jeder der Formen oxidieren die Additivelemente und so wird eine Funktion als eine Barriereschicht ausgeübt.
Ein spezifisches Beispiel einer Ag-Legierung, die die Barriereschicht bildet, enthält eine Ag-Legierung (Ag-Cu-Legierung), die auf eine solche Art und Weise erhalten wird, dass 0,5 bis 20 Masse-% Cu zu Ag gegeben werden. Die Menge von Cu, das zuzugeben wird, ist vorzugsweise 3,0 bis 20 Masse-%. Weiterhin ist auch eine Ag-Legierung, die auf eine solche Art und Weise erhalten wird, dass 0,03 bis 1,0 Masse-% Ni zu der Ag-Cu-Legierung zugegeben werden, ebenfalls geeignet.
Zusätzlich ist als die Ag-Legierung, die die Barriereschicht bildet und ein zugegebenes Element enthält, das von Cu verschieden ist, auch eine Ag-Legierung geeignet, die auf eine solche Art und Weise erhalten wird, dass mindestens eines aus Sn, In, Zn und Cd zu Ag in 0,5 bis 20 Masse-% gegeben wird. Zum Beispiel ist eine Ag-Legierung (Ag-Sn-In-Legierung), die auf eine solche Art und Weise erhalten wird, dass 1,0 bis 10 Masse-% Sn und 0,5 bis 10 Masse-% In zu Ag gegeben werden, bevorzugt. Mithin ist auch eine Ag-Legierung, die auf eine solche Art und Weise erhalten wird, dass mindestens eines aus Ni und Te zu der Ag-Sn-ln-Legierung in 0,01 bis 1,0 Masse-% insgesamt gegeben wird, und eine Ag-Legierung, die auf eine solche Art und Weise erhalten wird, dass mindestens eines aus Fe, Co, Zn, Cu, Bi und Cd zu der Ag-Sn-In-Legierung in 0,01 bis 1,0 Masse-% insgesamt gegeben wird, geeignet.
Darüber hinaus ist in Betracht zu ziehen, dass zusätzlich zu den oben beschriebenen Ag-Legierungen eine Ag-Legierung, die auf eine solche Art und Weise erhalten wird, dass mindestens eines aus Ni, Fe, Co, W und Mo zu Ag in 0,03 bis 20 Masse-% insgesamt gegeben wird, ebenfalls geeignet ist. Da diese Additivelemente jeweils eine relativ niedrige Fest-Lösung-Grenze bezüglich Ag haben, ist die resultierende Ag-Legierung eine Verbund-Ag-Legierung, in welcher die Additivelemente teilweise und unabhängig präzipitieren. Gegenwärtig ist, wenn Ni ein Additivelement ist, die untere Grenze der Menge von Ni, die zuzugeben wird, vorzugsweise 0,03 Masse-%. Zusätzlich, wenn Fe, Co, W und Mo Additivelemente sind, ist die untere Grenze der Gesamtmenge von Fe, Co, W und Mo, die zuzugeben wird, vorzugsweise 0,05 Masse-%.
Die Dicke der Barriereschicht ist vorzugsweise 0,03 mm bis 0,3 mm. Wenn die Dicke weniger als 0,03 mm ist, ist die Sauerstoffeinfangwirkung der Barriereschicht nicht ausreichend und es ist nicht möglich die Bildung von Oxiden an der Verbindungsgrenzfläche ausreichend zu unterdrücken. Die obere Grenze der Dicke der Barriereschicht ist nicht besonders begrenzt, sie ist jedoch vorzugsweise etwa 0,3 mm in Hinblick auf die Abmessung des Kontakts.
Der Nietenkontakt der vorliegenden Erfindung, der mit der oben beschriebenen Barriereschicht ausgestattet ist, ist im Wesentlichen der Gleiche in anderen Konfigurationen als dem Nietenkontakt mit der Doppelschichtstruktur.
Das Kontaktmaterial, das den oberen Teil des Kopfteils bildet, enthält das Kontaktmaterial auf Ag-Basis und ist im Speziellen reines Ag oder eine Ag-Legierung (Ag-Ni-Legierung, Ag-Cu-Legierung oder dergleichen). Als die Ag-Legierung ist auch eine dispergiertes Oxid-Ag-Oxid-Legierung (Ag-SnO₂-Legierung, Ag-SnO₂-In₂O₃-Legierung, Ag-ZnO-Legierung oder dergleichen) verwendbar. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung besonders geeignet ist in einem Fall, in welchem die Ag-Oxid-Legierung als das Kontaktmaterial verwendet wird. Der Grund ist, dass Sauerstoff von diesen Oxiden in das Kontaktmaterial diffundieren kann, wie oben beschrieben.
Darüber hinaus ist als das Basismaterial, welches mit dem Kontaktmaterial verbunden ist und hauptsächlich den Fußteil bildet, Cu oder eine Cu-Legierung (Cu-Ni-Legierung oder Cu-Sn-Legierung) verwendbar.
Es ist zu beachten, dass das Kontaktmaterial nur mit dem oberen Teil des Kopfteils verbunden sein muss. Die bevorzugte Dicke des Kontaktmaterials kann eingestellt werden in Abhängigkeit von einer Kontaktbelastung (Nennstrom oder dergleichen). Die Dicke muss nur 0,1 mm oder mehr sein für einen Niederlast-Kontakt, muss jedoch etwa 1 bis 2 mm für einen Hochlast-Kontakt (Nennstrom von 50 A oder mehr), wie etwa als ein Schalter. Unter einem spezifischen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann nur ein oberer Teil des Kopfteils aus dem Kontaktmaterial gebildet sein ( 1(a)) und auch der gesamte Kopfteil kann aus dem Kontaktmaterial gebildet sein und der Fußteil kann aus dem Basismaterial gebildet sein (1(b)). Außerdem, wie in 2 gezeigt, wird der Fußteil aus dem Basismaterial gebildet und ein Flanschteil mit einem Durchmesser, der größer als der des Fußteils ist, ist in der Form des Fußteils ausgebildet, während der Kopfteil aus dem Kontaktmaterial gebildet wird, und der Fußteil kommt auf Einbettungsart in Kontakt mit dem Kopfteil, sodass eine Fläche am unteren Ende des Flanschteils im wesentlichen flach wird hinsichtlich einer Fläche am unteren Ende des Kopfteils. Gegenwärtig ist eine Länge (I) zwischen einem äußersten Teil eines Flanschteils und einem Ausgangspunkt des Fußteils vorzugsweise I < L (vorzugsweise 0,4 L ≤ I ≤ 0,6 L) bezüglich einer Länge (L) zwischen einem äußersten Teil des Kopfteils und dem Ausgangspunkt des Fußteils.
Weiterhin ist die Dicke der Barriereschicht vorzugsweise einheitlich, jedoch muss die Form der Barriereschicht nicht perfekt eben sein. D. h. die Barriereschicht kann entlang der im Wesentlichen flachen Verbindungsgrenzfläche ausgebildet sein, wie in 1(a) gezeigt, jedoch kann die Barriereschicht auch entlang einer bogenförmigen Verbindungsgrenzfläche gebildet sein, wie in den 3(a) und 3(b) gezeigt. Darüber hinaus kann die Verbindungsgrenzfläche wellenförmig sein.
Zum Herstellen des Nietenkontakts gemäß der vorliegenden Erfindung ist es erforderlich ein Formungsverfahren an dem Nietenkontakt durchzuführen, bei welchem der Kopfteil und der Fußteil in einem Zustand sind, in welchem das Kontaktmaterial, die Ag-Legierung, die als die Barriereschicht dient, und das Basismaterial fest miteinander verbunden werden, um die Haltbarkeit zu gewährleisten. Hierbei umfasst ein Verfahren zur Herstellung des Nietenkontakts der vorliegenden Erfindung: Stumpfpressverbinden eines ersten Strangabschnitts, der ein Kontaktmaterial enthält, eines zweiten Strangabschnitts, der eine Ag-Legierung enthält und eines dritten Strangabschnitts, der ein Basismaterial enthält, miteinander, um ein Verbundmaterial herzustellen; Bilden eines Nieten-förmigen Raums durch eine Kombination aus einem Verbindungsstempel mit einem ausgesparten Raum und einer Verbindungsmatrize mit einem zylindrischen Raum; Einpressen des Verbundmaterials in den Raum des Verbindungsstempels von einem unteren Teil der Verbindungsmatrize; und Füllen des Raums in dem Verbindungsstempel mit dem ersten Strangabschnitt, um eine Kontaktmaterialschicht zu bilden, die mindestens die obere Schicht eines Kopfteils bildet, und gleichzeitiges Füllen des zweiten Strangabschnitts und des dritten Strangabschnitts in einen Restraum in dem Verbindungsstempel, um den Rest des Kopfteils, eine Barriereschicht und einen Fußteil zu bilden.
In dem Verfahren zum Herstellen des Nietenkontakts gemäß der vorliegenden Erfindung werden zuerst der erste Strangabschnitt, der das Kontaktmaterial enthält, der zweite Strangabschnitt, der die Ag-Legierung enthält, und der dritte Strangabschnitt, der das Basismaterial enthält, miteinander Pressverbunden, um ein Verbundmaterial herzustellen. Ein Verfahren zum Herstellen des Verbundmaterials ist wesentlich zum Herstellen des Nietenkontakts gemäß der vorliegenden Erfindung. Der erste Strangabschnitt und der zweite Strangabschnitt werden fest miteinander verbunden und somit folgt eine Verbindungsoberfläche der Verformung des ersten Strangabschnitts während der Bildung des Kopfteils und der zweite Strangabschnitt und der dritte Strangabschnitt können ebenfalls verformt werden. Das Pressverbinden wird vorzugsweise mit einer leistungsstarken Verfahrenskraft von 0,8 bis 3,0 Tonnen·f durchgeführt.
Es ist möglich den Nietenkontakt herzustellen durch Presspassung bzw. Einpressen des hergestellten Verbundmaterials in eine Matrize, die gebildet wird durch eine Kombination aus dem Verbindungsstempel und der Verbindungsmatrize. In dem Formungsverfahren nimmt der erste Strangabschnitt, der in den Raum des Verbindungsstempels eingepresst wird, eine Form des Kopfteils an während er durch eine Wandoberfläche des Verbindungsstempels verformt wird, und jede Verbindungsoberfläche des Verbundmaterials folgt dieser Verformung, sodass der Rest des Kopfteils, die Barriereschicht und der Fußteil gebildet werden. Dabei kann die Form des Nietenkontakts eingestellt werden durch ein Verhältnis zwischen einem Volumen des ersten Strangabschnitts und einem Innenraumvolumen des Verbindungsstempels. Wenn das Volumen des ersten Strangabschnitts kleiner als das Innenraumvolumen des Verbindungsstempels ist, wird der Kopfteil, der drei Schichten aus der Kontaktmaterialschicht, der Barriereschicht und dem Basismaterial enthält, wie in 1(a) gezeigt, gebildet. Darüber hinaus wird, wenn das Volumen des ersten Strangabschnitts gleich oder größer ist als das Innenraumvolumen des Verbindungsstempels, der gesamte Kopfteil aus dem Kontaktmaterial gebildet, da kein Restraum in dm Verbindungsstempel vorliegt (1(b)). Eine Kraft beim Einpressen des Verbundmaterials muss nur eine Kraft sein, die den ersten Strangabschnitt verformen und Bearbeiten kann, und kann eingestellt werden in Abhängigkeit von den Kontaktmaterialarten des ersten Strangabschnitts.
Die Herstellung des Verbundmaterials und das Formungsverfahren mittels Presspassung, wie oben beschrieben, kann bei Raumtemperatur durchgeführt werden. Hinsichtlich des Nietenkontakts, der mit dem Kopfteil und dem Flanschteil gebildet wird, kann der Kopfteil geeigneterweise einem Formungsverfahren mit Pressbearbeitungsmöglichkeit unterzogen werden. Das Formungsverfahren ist geeignet wenn eine strenge Steuerung der Form und Abmessung des Kopfteils erforderlich ist.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Wie oben beschrieben, ist der Nietenkotakt gemäß der vorliegenden Erfindung ein verbesserter Doppelschicht-Nietenkontakt, erhalten durch eine Kombination des Kontaktmaterials auf Ag-Basis und dem Basismaterial, wie etwa Cu, Ablösen und Nachlassen des Kontaktmaterials werden durch Einstellen der Barriereschicht unterdrückt und die Haltbarkeit des Nietenkontakts ist ausgezeichnet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1(a) und 1(b) sind Ansichten, die ein Beispiel einer Konfiguration eines Nietenkontakts gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
2 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer anderen Konfiguration eines Nietenkontakts gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
3(a) und 3(b) sind Ansichten, die einen Zustand einer Verbindungsgrenzfläche in einem Nietenkontakt gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
4(A) bis 4(C) sind Ansichten, die Verfahren zum Herstellen des Nietenkontakts der vorliegenden Erfindung zeigen.
5 ist eine Fotographie einer Verbindungsgrenzfläche nach einem Erwärmungstest in Beispiel 2, Vergleichsbeispiel 1 und konventionellem Beispiel.
6 zeigt ein Ergebnis eines Haltbarkeitstests in Beispiel 2, Vergleichsbeispiel 1 und konventionellem Beispiel.
7(a) und 7(b) sind Ansichten, die eine Konfiguration eines konventionellen Nietenkontakts mit einer Doppelschichtstruktur zeigen.
Beschreibung der Ausführungsformen
Hier werden nachfolgend bevorzugte Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Erste Ausführungsform
Beispiele 1 bis 5: Eine Ag-Oxid-Legierung wurde als ein Kontaktmaterial verwendet, Cu wurde als ein Basismaterial verwendet und eine Ag-Cu-Legierung mit 3,0 bis 20 Masse-% Cu und 0,5 Masse-% dazu zugegebenem Ni wurde als eine Barriereschicht verwendet zum Herstellen eines Nietenkontakts. Die 4(A) bis 4(C) zeigen Verfahren zum Herstellen des Nietenkontakts gemäß dieser Ausführungsform. Zuerst wurde ein erster Strangabschnitt (Abmessung: ϕ 2,2 mm, 0,79 mm) von einem Draht aus einer Ag-Oxid-Legierung (Ag-SnO₂-In₂O₃-Legierung: Handelsname SIE-29B) abgeschnitten, ein zweiter Strangabschnitt (Abmessung: ϕ 2,2 mm, 0,14 mm) wurde von einem Draht aus einer Ag-Cu-Legierung abgeschnitten und ein dritter Strangabschnitt (Abmessung: ϕ 2,2 mm, 2,1 mm) wurde von einem Draht aus Cu abgeschnitten.
Dann wurden, wie in (4A) gezeigt, der erste Strangabschnitt, der zweite Strangabschnitt und der dritte Strangabschnitt miteinander überlappt, um in einem Verbindungsmatrize angeordnet zu werden, und wurden miteinander pressverbunden, um ein Verbundmaterial herzustellen. Die Verbindungsmatrize weist einen Hartmetallhohlraum mit einem Durchmesser ϕ 2,45 mm auf. Eine Kraft für dieses Verbinden war dann 2,2 Tonnen·f. Es ist festzuhalten, dass die ersten bis dritten Strangabschnitte in der Verbindungsmatrize angeordnet wurden und miteinander in dieser Ausführungsform verbunden wurden damit zweckmäßigerweise ein Formungsverfahren direkt durchgeführt werden kann, und auch, um eine einwandfreie Eingrenzung in einer transversalen Richtung zu verleihen, so dass das Verbundmaterial nicht übermäßig verformt wird. Es ist festzuhalten, dass der Durchmesser des Matrizenhohlraums, in welchem die Strangabschnitte angeordnet werden, so ausgelegt wird, dass er größer ist als ein Durchmesser des Stranggabschnitts, um 0,05 bis 0,25 mm.
Als nächstes wurde, wie in 4(B) gezeigt, ein Verbindungsstempel auf die Verbindungsmatrize gesetzt und das Verbundmaterial wurde in eine Nietenform bearbeitet. Der Verbindungsstempel besteht aus Hartmetall und hat einen scheibenförmigen Raum mit gekrümmten Seiten (Abmessungen: ein oberes Teil mit ϕ 2,4 mm, ein unteres Teil mit ϕ 2,8 mm und eine Höhe von 1,1 mm). In diesem Verfahren wurde das Verbundmaterial auf einmal in den Raum des Verbindungsstempels von einem unteren Teil der Verbindungsmatrize eingepresst, derart, dass der erste Strangabschnittteil einen oberen Teil eines Kopfteils bildet, der dritte Strangabschnitt einen unteren Teil des Kopfteils und einen Fußteil bildet und der zweite Strangabschnitt verformt wurde, um eine Barrriereschicht zu bilden.
Nachdem der Nietenkontakt durch eine Metallmatrize hergestellt wurde, wie in 4(C) gezeigt, wurde der Verbindungsstempel entfernt und der obere Teil des Kopfteils wurde einem Pressformen durch eine schalenförmige Metallmatrize zum Formen unterzogen. Der wie oben beschrieben, hergestellte Nietenkontakt hat die folgenden Abmessungen: der Kopfteil mit ϕ 3,2 mm und einer Dicke von 0,8 mm, und der Fußteil mit ϕ 2,45 mm und einer Länge von 1,2 mm. Dann war die Dicke der Kontaktschicht des Kopfteils 0,45 mm und die Dicke der Barriereschicht war 0,07 μm.
Vergleichsbeispiele 1 bis 3: Hier wurde eine Ag-Oxid-Legierung (Ag-SnO₂-In₂O₃-Legierung) als das Kontaktmaterial verwendet, Cu wurde als ein Basismaterial verwendet und eine Ag-Cu-Legierung aus reinem Ag (Vergleichsbeispiel 1) und dazu zugegebenen 0,3 Masse-% Cu (Vergleichsbeispiel 2) und 28 Masse-% Cu (Vergleichsbeispiel 3) wurde als eine Barriereschicht zum Herstellen eines Nietenkontakts verwendet.
Konventionelles Beispiel: Weiterhin wurde eine Ag-Oxid-Legierung (Ag-SnO₂-In₂O₃-Legierung) als ein Kontaktmaterial verwendet, Cu wurde als ein Basismaterial verwendet und ein herkömmlicher Nietenkontakt ohne eine Barriereschicht wurde hergestellt. Ein erster Strangabschnitt und ein dritter Strangabschnitt wurden miteinander ohne die Verwendung eines zweiten Strangabschnitts (Ag-Cu-Legierung) wie in dem Verfahren von Beispiel 1, verbunden und wurden einem Formungsverfahren wie in Beispiel 1 ausgesetzt. Die Dicke der Kontaktschicht war die Gleiche wie in Beispiel 1.

Ein Erwärmungstest wurde mit jedem der Nietenkontakte der Beispiele, Vergleichsbeispiele und dem konventionellen Beispiel durchgeführt, um das Vorliegen oder Fehlen eines Ablösens des Kontaktmaterials unter einer Hochtemperaturatmosphäre zu bestätigen. In dem Erwärmungstest wurde jeder der Kontakte auf 600°C, 700°C und 750°C für drei Stunden erwärmt und nachfolgend wurde der Kopfteil des Nietenkontakts in einer tranversalen Richtung zusammengepresst, um das Vorliegen oder Fehlen des Ablösens der Verbindungsgrenzfläche zu beobachten wenn der Kopfteil zusammengeprsst wurde bis der Durchmesser des Kopfteils ½ wurde. Das Ergebnis des Erwärmungstests ist in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1

	Konfiguration des Kontakts (Kontaktmaterial/Barriereschicht/Basismaterial)	Erwärmungstest
		600°C	700°C	750°C
Beispiel 1	SIE-296/Ag-3,0Cu/Cu	O	O	O
Beispiel 2	SIE-29B/Ag-10Cu/Cu	O	O	O
Beispiel 3	SIE-29B/Ag-15Cu/Cu	O	O	O
Beispiel 4	SIE-296/Ag-20Cu/Cu	O	O	O
Beispiel 5	SIE-29B/Ag-4,0Cu-Ni0,5/Cu	O	O	O
Vergleichsbeispiel 1	SIE-296/Ag/Cu	O	x	x
Vergleichsbeispiel 2	SIE-296/Ag-0,3Cu/Cu	O	x	x
Vergleichsbeispiel 3	SIE-29B/Ag-28Cu/Cu	x	x	x
Konventionelles Beispiel	SIE-296/Cu	x	x	x

O: Kein Ablösen (geeignet)
x: Auftreten von Ablösen (ungeeignet)

Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass das Ablösen der Verbindungsgrenzfläche bei keinem der Beispiele 1 bis 5 gefunden wurde, das mit der Ag-Cu-Legierung ausgestattet ist, die einen geeigneten Zusammensetzungsbereich als die Barriereschicht aufweist, selbst wenn der Kontakt auf 600 bis 750°C erwärmt und zusammengepresst wurde. Im Gegensatz hierzu trat das Ablösen der Verbindunggrenzfläche bei einer Erwärmungsphase von 600°C bei dem konventionellen Beispiel ein, das nicht die Barriereschicht aufweist. Darüber hinaus, wie in Vergleichsbeispiel 1 mit der Konfiguration mit der Barriereschicht aus reinem Ag als die Barriereschicht, trat das Ablösen nicht ein solange der Kontakt auf 600°C erwärmt wurde, jedoch trat das Ablösen ein wenn der Kontakt auf 700°C oder höher erwärmt wurde. Weiterhin, selbst wenn die Ag-Cu-Legierung als die Barriereschicht verwendet wird, ist es, da das Ablösen auf Grund von Überschuss und Mangel von zugegebenem Cu auftritt, wenn der Kontakt auf 700°C oder höher erwärmt wird (Vergleichsbeispiele 2 und 3), erforderlich den Zusammensetzungsbereich der Ag-Cu-Legierung zu beachten.
5 zeigt ein Beobachtungsergebnis der Verbindungsgrenzfläche nachdem der Erwärmungstest an jedem Kontakt von Beispiel 2, Vergleichsbeispiel 1 und konventionellem Beispiel durchgeführt wurde. In dem Kontakt, der nicht die Barriereschicht aufweist, das konventionelle Beispiel, tritt das Ablösen deutlich auf wenn der Kontakt auf 600°C erwärmt wird. Darüber hinaus wurde in Vergleichsbeispiel 1 das Ablösen nicht gefunden wenn der Kontakt auf 600°C erwärmt wurde, jedoch wird Präzipitation (schwarzer Teil) eines Oxids (Cu-Oxid) an der Grenzfläche zwischen dem Basismaterial (Cu) und der Barriereschicht (Ag) gefunden. Folglich steigt die Menge des Oxids an und das Ablösen tritt auf der Stufe ein, bei der die Erwärmungstemperatur 700°C oder höher erreicht. Im Gegensatz hierzu wird in Beispiel 2 eine deutliche Veränderung bis der Kontakt auf 700°C erwärmt wird nicht gefunden und ein Cu-Oxid wurde in geringfügiger Menge an der Grenzfläche zwischen dem Kontaktmaterial und der Barriereschicht gefunden wenn der Kontakt auf 750°C erwärmt wurde. Jedoch wird weder die Erzeugung von Oxiden zwischen der Barriereschicht und dem Basismaterial beobachtet, noch tritt ein Ablösen auf. Es kann in Betracht gezogen werden, dass die Oxide zwischen dem Kontaktmaterial und der Barriereschicht erzeugt werden wenn Cu der Ag-Cu-Legierung, die als die Barriereschicht dient, Sauerstoff einfängt. Mit den obigen Ergebnissen kann bestätigt werden, dass die Barriereschicht, die die Ag-Legierung enthält, das Ankommen des Sauerstoffs an dem Basismaterial verhindern kann.
Als nächstes wurde die Haltbarkeit von jedem Nietenkontakt beurteilt. Die Haltbarkeit wurde auf eine solche Art und Weise beurteilt, dass der Nietenkontakt mit einem Gelenk-Wechselstrom-Basisrelais als ein fixierter Kontakt verbunden wurde; ein Schaltschritt wurde wiederholt in einem Zustand mit Stromlast; und die Anzahl der Schaltungen während der Haltbarkeit bis zum Eintreten eines Ausfalls wurde gemessen. Die Testbedingungen im Haltbarkeitsbeurteilungstest sind wie folgt.
Testspannung: Wechselstrom 250 V
Teststrom: 10 A
Belastung: Belastungswiderstand
Schaltfrequenz: An – eine Sekunde/Aus – eine Sekunde
Der obige Haltbarkeitstest wurde mit mehreren Relais-Testvorrichtungen durchgeführt und die Anzahl von Schaltungen bis jedes Relais versagte (Haltbarkeit) wurde auf Weilbull-Wahrscheinlichkeitspapier aufgetragen. Die Ergebnisse sind in 6 angegeben. Nach 6 war eine charakteristische Haltbarkeit von jedem Nietentyp-Kontakt etwa 260000 mal in Beispiel 2, etwa 240000 mal in Vergleichsbeispiel 1 und etwa 220000 mal im konventionellen Beispiel. Demgemäß war es möglich zu bestätigen, dass der Nietenkontakt dieser Ausführungsform eine ausgezeichnete Haltbarkeit aufweist.
Zweite Ausführungsform

In dieser Ausführungsform wurden die Wirkungen der Veränderung von Kontaktmaterialarten und Arten und Dicken von Ag-Legierungen, die als Barriereschichten dienen, bestätigt. Ein Basisherstellungsschritt ist der gleiche wie in Beispiel 1, und ein zweiter Strangabschnitt wurde von jeder Ag-Legierung-Art abgeschnitten, wobei die Dicke (Länge) der Ag-Legierung eingestellt wurde. Dann wurde jeder hergestellte Nietenkontakt einem Erwärmungstest auf dieselbe Art und Weise wie in der ersten Ausführungsform unterzogen. Eine Erhitzungstemperatur war 750°C. Die Beurteilungsergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2

	Konfiguration des Kontakts (kontaktmaterial/Barriereschicht/ Basismaterial)	Dicke der Barriereschicht	Ergebnisse des Erwärmungstests
Beispiel 2	SIE-298/Ag-10Cu/Cu	0,07 mm	Kein Ablösen
Beispiel 6	SIE-29B/Ag-10Cu/Cu	0,03 mm	Kein Ablösen
Beispiel 7	SIE-296/Ag-10Cu/Cu	0,14 mm	Kein Ablösen
Beispiel 8	SIE-29B/Ag-5Cu/Cu	0,07 mm	Kein Ablösen
Beispiel 9	FE-160/Ag-10Cu/Cu	0,03 mm	Kein Ablösen
Beispiel 10	Ag/Ag-10Cu/Cu	0,05 mm	Kein Ablösen

Kontaktmaterial: SIE-29B ... Ag-SnO₂-In₂O₃-Legierung
Fe-160 ... Ag-SnO2-Legierung
Ag... Reines Ag

Jede Barriereschichtart wurde Erwärmungs- und Zusammenpresstests unterzogen und, wie aus Tabelle 2 ersichtlich, wurde ein Ablösen an einer Verbindungsgrenzfläche bei keiner der Barriereschichten gefunden. Darüber hinaus war, selbst wenn das Kontaktmaterial verändert wurde, der Effekt nicht verändert. Es ist ersichtlich, dass die Barrierereschicht wirkungsvoll ist für jede Art von Kontaktmaterial.
Industrielle Anwendbarkeit
In einem Nietenkontakt gemäß der vorliegenden Erfindung werden Ablösen und Ausfallen eines Kontaktmaterials im Laufe der Anwendung verhindert. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich zu den ursprünglichen Charakteristika des konventionellen Doppelschicht-Nietenkontakts, der Verringerung der zu verwendenden Kontaktmaterialmenge und der Verringerung der Kosten der Elemente, eine verbesserte Haltbarkeit ergänzt. Der erfindungsgemäße Nietenkontakt ist geeignet für ein Relais oder einen Schalter für Haushaltsgeräte, Anlagentechnik und andere allgemeine Anwendungen oder einen Trennschalter und einen elektromagnetischen Schalter für Wohnbauverkabelung und Verkabelung in der Anlagentechnik.

Claims

Nietenkontakt, umfassend einen Kopfteil und einen Fußteil mit einer kleineren Breite als der Kopfteil, worin der Kopfteil eine Kontaktmaterialschicht aufweist mit mindestens einem oberen Teil, der ein Kontaktmaterial auf Ag-Basis umfasst, ein Rest des Kopfteils und der Fußteil ein Basismaterial umfassen, das Cu oder eine Cu-Legierung umfasst, und worin eine Barriereschicht, umfassend eine Ag-Legierung, bereitgestellt wird an einer Verbindungsgrenzfläche zwischen dem Kontaktmaterial und dem Basismaterial.
Nietenkontakt nach Anspruch 1, worin die Ag-Legierung, die die Barriereschicht bildet, eine Ag-Legierung ist, die auf eine solche Art und Weise erhalten wird, dass ein oder mehrere Basismetallelemente aus Sn, In, Cu, Ni, Fe, Co, W, Mo, Zn, Cd, Te und Bi zu Ag in 0,03 bis 20 Masse-% gegeben werden.
Nietenkontakt nach Anspruch 1 oder 2, worin die Ag-Legierung, die die Barriereschicht bildet, eine Ag-Legierung ist, die auf eine solche Art und Weise erhalten wird, dass Cu zu Ag in 0,5 bis 20 Masse-% gegeben wird.
Nietenkontakt nach Anspruch 3, worin die Ag-Legierung, die die Barriereschicht bildet, eine Ag-Legierung ist, die auf eine solche Art und Weise erhalten wird, dass Ni in 0,03 bis 1,0 Masse-% zugegeben wird.
Nietenkontakt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin eine Dicke der Barriereschicht 0,03 mm bis 0,3 mm ist.
Nietenkontakt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das Kontaktmaterial auf Ag-Basis reines Ag, eine Ag-Legierung und eine Ag-Oxid-Legierung ist.
Verfahren zum Herstellen des Nietenkontakts, wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 definiert, worin das Verfahren die Schritte umfasst: Stumpfpressverbinden eines ersten Strangabschnitts, der ein Kontaktmaterial enthält, eines zweiten Strangabschnitts, der eine Ag-Legierung enthält und eines dritten Strangabschnitts, der ein Basismaterial enthält, aneinander, um ein Verbundmaterial herzustellen; Bilden eines Nieten-förmigen Raums durch eine Kombination aus einem Verbindungsstempel mit einer Aussparung und einer Verbindungsmatrize mit einem zylindrischen Raum; Einpressen des Verbundmaterials in den Raum des Verbindungsstempels von einem unteren Teil der Verbindungsmatrize; und Füllen des Raums in dem Verbindungsstempel mit dem ersten Strangabschnitt, um eine Kontaktmaterialschicht zu bilden, die mindestens die obere Schicht eines Kopfteils bildet, und gleichzeitiges Füllen des zweiten Strangabschnitts und des dritten Strangabschnitts in einen Restraum in dem Verbindungsstempel, um den Rest des Kopfteils, eine Barriereschicht und einen Fußteil zu bilden.
Verfahren zum Herstellen des Nietenkontakts nach Anspruch 7, worin der erste Strangabschnitt, der zweite Strangabschnitt und der dritte Strangabschnitt miteinander durch eine Kraft von 0,8 bis 3,0 Tonnen·f in dem Verfahren zum Herstellen des Verbundmaterials pressverbunden werden.
Verfahren zum Herstellen des Nietenkontakts nach Anspruch 7 oder 8, umfassend den Schritt des Bildens eines oberen Teils des Kopfteils durch Pressformen nach Formen des Kopfteils und des Fußteils.