DE1187333B - Elektrischer Kontakt mit grosser Schweisssicherheit, hoher Abbrandfestigkeit und guter Haftfestigkeit der Kontaktschicht auf dem Kontakttraeger - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIb

Deutsche Kl.: 21g-32

Nummer: 1187 333

Aktenzeichen: S 60505 VIII c/21 g

Anmeldetag: 5. November 1958

Auslegetag: 18. Februar 1965

Von einem elektrischen Kontakt werden bei gewissen Anwendungsfällen, insbesondere bei hoher Strombelastung, verschiedenartige physikalische, chemische und technologische Eigenschaften verlangt, deren gleichzeitige Erfüllung große Schwierigkeiten bereitet und bisher nur durch Kompromisse — also durch Bevorzugung einer Eigenschaft auf Kosten einer anderen, je nach den geforderten Betriebsbedingungen — annähernd erreicht ist. Auf dem Hochstromgebiet werden vor allem große Schweißsicherheit, hohe Abbrandfestigkeit und gute Haftfestigkeit des Kontaktmaterials auf dem Träger gefordert. Unter Schweißsicherheit versteht man hierbei, daß die durch die Kontaktlast aufeinandergedrückten Kontakte bei vorgegebener Strombelastung nicht verschweißen. Abbrandfest wird ein Kontakt bezeichnet, wenn er beim Schalten von Strömen vorgegebener Größe (Nennstrom) nur einen tragbaren — als Gewichtsabnahme feststellbaren — Materialverlust und damit eine ausreichende Lebensdauer aufweist. Bei hohen Strombelastungen besteht die Gefahr, daß ein Ablöten der Kontaktschicht von der Trägerschicht eintritt; es muß also eine bei vorgegebener Strombelastung verbleibende Haftfestigkeit gefordert werden.

Es ist bekannt, mehrschichtige Kontakte z. B. durch Plattieren herzustellen. Hierbei wird auf das Kontaktmetall ein Trägermetall oder Lotmetall warm aufgewalzt. Dies führt bei Kontaktwerkstoffen, die aus einem Verbundmetall (z. B. Ag-Ni) oder einem Verbundstoff (ζ. B. Ag-CdO) bestehen, zu einem nicht erwünschten Richtgefüge. Bei Kontaktstoffen, die sich nicht walzverformen lassen, z. B. bei Werkstoffen mit hohem Wolfram- oder Nickelgehalt, ist dieses Verfahren nicht anwendbar. Darüber hinaus sind die aufplattierten Metalle dicht, d. h., sie besitzen keine Restporosität, auf deren Bedeutung unten noch eingegangen wird.

Es sind auch bereits elektrische Kontakte bekannt, bestehend aus einem Kontaktsinterkörper und einer an diesen eingeseigerten kompakten gutlötbaren Zwischenschicht, aufweiche der Träger aufgelötet ist.

Diese bekannten Kontakte entsprechen jedoch noch nicht den eingangs genannten an sie zu stellenden Anforderungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kontakt mit den eingangs genannten Eigenschaften zu schaffen, der betriebssicher arbeitet und einfach herzustellen ist. Dies wird dadurch erreicht, daß bei einem Kontakt der obengenannten Art erfindungsgemäß der Kontaktkörper an der dem Kontaktträger zugewandten Fläche eine mit ihm gemeinsam ver-

Elektrischer Kontakt mit großer Schweißsicherheit, hoher Abbrandfestigkeit und guter
Haftfestigkeit der Kontaktschicht auf dem
Kontaktträger

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. techn. habil. Horst Schreiner, Nürnberg

preßte, gesinterte und mechanisch verzahnte, gutlötbare poröse Schicht hat und daß der Kontaktkörper an dieser Schicht mit Hilfe eines Lotes auf den Kontaktträger aufgelötet ist.

Im Gegensatz zu den bekannten Kontakten bestehen bei den elektrischen Kontakten nach der Erfindung der Kontaktkörper und die Zwischenschicht aus Sinterkörpern, die beide miteinander mechanisch verzahnt sind. Dieser Aufbau hat insbesondere den Vorteil, daß die Zwischenschicht porös ist und bleibt, wodurch bei der Verlötung eine wesentlich höhere Haftfestigkeit des Kontaktkörpers auf dem Träger erreicht wird.

Für den Kontaktkörper eignen sich z. B. Silber oder Kupfer als Grundmetall, Cadmium oder Cadmiumoxyd als Wirkmetall und/oder Nickel, Eisen, Chrom, Molybdän oder Wolfram als Zusatzmetall. Geeignet ist z. B. auch ein Silber-Nickel-Cadmium-Gemisch mit einem Nickelanteil zwischen 5 und 40% und einem Cadmiumanteil zwischen 3 und 10% oder auch ein Nickelanteil von 10% und ein Cadmiumanteil von 5%. Als Zusatzmetalle bezeichnet man solche Metalle, durch die die mechanischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften, speziell die Härte, die Abbrandfestigkeit und der Übergangswiderstand des Kontaktwerkstoffes verbessert werden, und als Wirkmetalle solche Metalle, durch die die Schweißsicherheit des Kontaktwerkstoffes erhöht wird.

Für die Kontaktschicht eignen sich vor allem Feinsilber oder Kupfer oder eine Legierung dieser Metalle.

Zur weiteren Erläuterung des Aufbaues des Kontaktes gemäß der Erfindung wird auf die Zeichnung hingewiesen; es zeigt

509 509/260

F i g. 1 den Kontaktkörper mit auf gesinterter und mechanisch verzahnter, gutlötbarer poröser Schicht,

Fig. 2 den Aufbau des fertigen Kontaktes gemäß der Erfindung.

In beiden Figuren ist jeweils der Kontaktkörper mit 1 und die mit ihm verzahnte, gutlötbare poröse Schicht mit 2 bezeichnet. In F i g. 2 ist mit 3 eine Hartlotschicht und mit 4 der Kontaktträger angegeben.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Kontakt wie folgt hergestellt werden:

In die Preßmatrize wird zuunterst das Metallpulver für die Zwischenschicht eingefüllt und anschließend, also in einem zweiten Füllvorgang, das Kontaktmetallpulvergemisch aufgefüllt. Die beiden Füllvorgänge können in der Reihenfolge vertauscht werden. Es stellt sich, bedingt durch das verhältnismäßig hohe Füllvolumen des Kontaktmetallpulvergemisches, eine ausgeprägte Verzahnung zwischen Kontaktschicht und Zwischenschicht ein, wie sie in der Zeichnung schematisch dargestellt ist. Die anschließende Pressung und Sinterung, ferner eine eventuelle Nachbehandlung und das Auflöten auf die Trägerschicht erfolgen nach den bekannten Verfahren. Die Bemessung der Preß- und Sinterbedingungen erfolgt so, as daß einerseits die Kontaktschicht eine möglichst hohe Sinterdichte erhält und andererseits in der Zwischenschicht —· bei ausreichender Festigkeit — eine Restporosität erhalten bleibt. Dadurch wird bei der nachfolgenden Hartlötung eine bessere Benetzung der Lötfläche und eine höhere Festigkeit der Lötfläche erreicht, so' daß auch bei hohen Strombelastungen keine Ablötung der Kontaktschicht von der Trägerschicht eintritt.

Die vorgenannte Forderung hinsichtlich einer mögliehst honen Sinterdichte der Kontaktschicht und einer Restporosität der Zwischenschicht kann dadurch erfüllt werden, daß das Nachpressen des Kontaktkörpers mit der Zwischenschicht — beide haben im Sinterzustaad eine Restporosität von etwa 5 bis 20% — mit einseitigem Preßdruck erfolgt, und zwar derart, daß nur der der Kontaktschicht zugewandte Stempel bewegt wird. Dabei besteht bei feststehender Matrize und feststehendem Gegenstempel nach diesem hin ein Druckabfall infolge der Reibung an der Matrizenwand, so daß die Nachverdichtung in derselben Richtung ab- und die Restporosität entsprechend zunimmt.

Die Bemessung der Sintertemperatur und Sinterzeit und die Dicke der Zwischenschicht sind so zu wählen, daß das Kontaktmetall oder dessen Komponenten nicht durch die ganze Zwischenschicht diffundieren. Es wurde nämlich festgestellt, daß die Wirkmetalle das Ablöten bei Strombelastung begünstigen. Daher ist es wichtig, daß keine Wirkkomponenten durch Diffusion durch die Zwischenschicht an die Lötschicht gelangen.

Im allgemeinen ist die vorgenannte Forderung bei den in Frage kommenden Sinterbedingungen und bei einer Dicke der Zwischenschicht im nachgepreßten Sinterzustand zwischen 0,2 und 0,5 mm zu erfüllen. In gewissen Fällen ist jedoch eine ausreichende Anpassung der vorgenannten drei Parameter — Sintertemperatur, Sinierzeit und Schichtdicke — nicht oder nur schwer möglich. Diese Schwierigkeit wird gemäß weiterer Erfindung dadurch beseitigt, daß die Zwischenschicht aus einer Doppelschicht besteht, aus einer dem Kontaktträger zugekehrten gutlötbaren Metallschicht und einer dem Kontaktmaterial zugekehrten, dessen Diffusion in das gutlötbare Metall verhindernden Schicht. Die letztgenannte Schicht wirkt also als Diffusionsbremse. Hierfür eignen sich Metalle, in denen die Diffusion des Kontaktmaterials unter den in Frage kommenden Bedingungen verhältnismäßig gering ist. Bei den nachfolgenden Beispielen eignet sich z. B. Chrom als Diffusionsbremse.

Das Verfahren nach der weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann auch so ausgebildet werden, daß das zur Auflötung des Kontaktkörpers mit Zwischenschicht auf den Träger erforderliche Hartlot in einem Arbeitsgang auf die Zwischenschicht mit aufgebracht wird.

Nachfolgend werden zwei Beispiele für die Herstellung der Kontaktschicht mit aufgesinterter Zwischenschicht nach der Erfindung beschrieben:

Beispiel 1

Als Zwischenschicht wird reines Silberpulver verwendet und in die Preßmatrize in solcher Menge eingefüllt, daß sich nach dem Nachpressen eine etwa 0,2 mm starke Zwischenschicht ergibt. In einem zweiten Einfüllvorgang wird das Kontaktmetallpulvergemisch aus Silber—Nickel—Cadmium mit der Zusammensetzung 85:10:5 (in Gewichtsprozenten) aufgefüllt. Anschließend wird mit 1 t/cm² gepreßt und hierbei eine Dichte von 6,75 g/cm^s erhalten. Nach einer einstündigen Sinterung bei 800° C in Wasserstoffatmosphäre beträgt die Dichte 9,08 g/ cm³. Durch Nachpressen bei feststehender Matrize in der gleichen Preßform mit 8 t/cm² erhält man den maßgenauen Fertigteil der Kontaktschicht mit Zwischenschicht. Beide Schichten sind infolge der eingetretenen Verzahnung außerordentlich stabil miteinander verbunden, und es läßt sich mit den bekannten Methoden eine Verlötung mit der Trägerschicht erzielen, die auch extremen Strombelastungen standhält. Die Dichte der Kontaktschicht steigt beim Nachpresssen auf 10,08 g/cm³, die einem Raumerfüllungsgrad von 0,998 entspricht. Mit dem Nachpressen kann in einem Arbeitsgang der Kontaktoberfläche zur Steigerung der Schweißsicherheit bei den ersten Schaltungen ein Waffel- oder entsprechendes Muster eingeprägt werden.

Beispiel 2

Das Füllen der Matrize erfolgt in drei Stufen: Zuerst wird das Kontaktpulvergemisch, z. B. aus Silber—Nickel—Cadmium mit der Zusammensetzung 85:10:5 (in Gewichtsprozent), eingefüllt, anschließend — nach dem Senken des Unterstempels um die Füllhöhe — das Reinsilberpulver für die Zwischenschicht und darauf das Legierungspulver des Silberhartlotes nachgefüllt; dieses ist so zusammengesetzt, daß seine Arbeitstemperatur bei etwa 800° C liegt. Die Mengen der Pulver werden so bemessen, daß nach dem Nachpressen der Kontaktkörper eine Stärke von 4 mm, die Zwischenschicht von 0,4 mm und die Lotschicht von 0,2 mm aufweisen. Die Sinterung erfolgt bei 750° C in Wasserstoffatmosphäre während einer Stunde; dabei erhält man eine Sinterdichte von 8,8 g/cm³. Das Nachpressen erfolgt bei feststehender Matrize mit 8 t/cm², und zwar so, daß die Lot- und Zwischenschicht am feststehenden Stempel liegen und dadurch etwas weniger als das Kontaktmaterial verdichtet werden. Dabei behält die Zwischenschicht eine Restporosität

von 5%, während der Kontaktkörper praktisch die theoretische Dichte besitzt. Anschließend wird der so hergestellte Körper auf den Kupferträger durch Hochfrequenzerhitzung bei 800° C während 30 Sekunden aufgelötet.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Kontakt mit großer Schweißsicherheit, hoher Abbrandfestigkeit und guter Haftfestigkeit des Kontaktkörpers auf dem Kontaktträger, mit einem Kontaktkörper aus schlecht- oder nichtlötbarem Verbundmetall oder Verbundstoff und einem Kontaktträger aus gutlötbarem Metall, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktkörper an der dem Kontaktträger zugewandten Fläche eine mit ihm gemeinsam verpreßte, gesinterte und mechanisch verzahnte, gutlötbare poröse Schicht hat und daß der Kontaktkörper an dieser Schicht mit Hilfe eines Lotes auf den Kontaktträger aufgelötet ist.

2. Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanisch verzahnte poröse Schicht aus Feinsilber oder Kupfer oder einer Legierung dieser Metalle besteht.

3. Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanisch verzahnte poröse Schicht aus einer Doppelschicht besteht, und zwar aus einer dem Kontaktträger zugekehrten gutlötbaren Metallschicht und einer dem Kontaktkörper zugekehrten, dessen Diffusion in das gutlötbare Metall verhindernden Schicht.

4. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver der Zwischenschicht zuunterst in die Preßmatrize und in einem zweiten Füllvorgang das Kontaktmetallpulvergemisch darüber eingefüllt wird — oder umgekehrt — und daß anschließend die Pressung und Sinterung in an sich bekannter Weise erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlot in einem Arbeitsgang auf die mechanisch verzahnte poröse Schicht mit aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Preß-, Sinter- und Nachpreßbedingungen so gewählt werden, daß einerseits die Kontaktschicht eine möglichst hohe Sinterdichte erhält und andererseits bei der Zwischenschicht eine Restporosität, die mindestens 5% beträgt, erhaltenbleibt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 860525, 807416;
USA.-Patentschrift Nr. 2706 759.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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