DE1192720B - Verfahren zur elektrischen Isolierung der Oberflaeche eines elektrischen Leiters ausAluminium - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIb

Deutsche Kl.: 21c-2/33

Nummer: 1192720

Aktenzeichen: W 26448 VIII d/21 c

Anmeldetag: 25. September 1959

Auslegetag: 13. Mai 1965

In der Elektrotechnik sind zahlreiche Maßnahmen zur Isolierung leitender Bauelemente, wie Widerstände, Spulen, Gleichrichter, Transistoren, bekannt. Auch für die Isolierung ganzer Bauteile, wie Motorengehäuse, Chassis und Armierung sind mannigfache Isolierungen in Vorschlag gebracht worden. Das gleiche gilt für elektrisches Leitungsmaterial, wie Drähte, Schienen u. dgl.

Zu den bekannten Isolierungen gehören insbesondere die isolierenden Überzüge und Filme. Bei diesen wiederum wird zwischen Niederschlägen bzw. Auftragungen einerseits und Isolierschichten, die durch chemische Veränderung der Leiteroberfläche gebildet werden, unterschieden.

Es ist bekannt, Gegenstände aus Stahl oder Eisen, insbesondere Transformatorbleche, mit einem Eisenfluoridüberzug gegen Korrosion, der zugleich elektrisch isolierend ist, zu schützen. Der Eisenfluoridüberzug wird nach dem bekannten Verfahren durch eine anodische Oxydation des Eisenwerkstücks unter Verwendung einer aus Kaliumfluorid-Fluorwasserstoff-Komplexen bestehenden Schmelze als Elektrolyten hergestellt. Als Anzeige für die Bildung einer ausreichenden Eisenfluoridschicht auf dem Werkstück wird ein nach einigen Sekunden infolge der isolierenden Eigenschaften der Schicht auftretender Abfall des Elektrolysestromes benutzt, wonach das Werkstück aus der Elektrolytschmelze entfernt wird. Die so erhaltene Eisenfluoridschicht besitzt ausreichende, mit einer Spannung von 1,5 bis 2VoIt geprüfte Isolationseigenschaften, um beispielsweise Blechlamellen eines Transformatorkernes od. dgl. gegeneinander zu isolieren. Da der die Bildung der Schicht anzeigende Abfall des Elektrolysestromes etwa 10 bis 20% beträgt, folgt, daß die durch anodische Oydation erhaltene Eisenfluoridschicht auf Eisen keinesfalls dicht sein kann, vielmehr porös ist, da sonst der Elektrolysestrom angesichts des vergleichsweise guten Isolationswiderstandes von Eisenfluorid praktisch auf Null abfallen müßte. Die Porosität der so erhaltenen Schicht hat naturgemäß nachteilige Auswirkungen auf die elektrische Durchschlagsfestigkeit und die Biegefestigkeit derselben. Das bekannte Verfahren ist daher insbesondere für die Behandlung von Motor- und Transformatorblechen empfohlen worden, wo neben einem erwünschten Korrosionsschutz verhältnismäßig kleine Durchschlagsspannungen und Isolationswiderstände genügen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Isolierung durch Bildung einer isolierenden

Verfahren zur elektrischen Isolierung der
Oberfläche eines elektrischen Leiters aus
Aluminium

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Steward Samuel Flaschen, New Providence, N. J.; Paul Donald Garn, Madison, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 22. Oktober 1958
(768 973)

Schicht auf der Oberfläche eines elektrischen Leiters aus Aluminium zu schaffen, wobei die Schicht einen hohen Isolationswiderstand, eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit und eine hohe Haft- und Biegefähigkeit aufweisen soll. Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Leiteroberfläche einer einen oxydierenden Fluorträger enthaltenden Atmosphäre bei einer Temperatur ausgesetzt wird, die sowohl unter dem Schmelzpunkt der Oberfläche als auch unterhalb der Temperatur liegt, bei welcher das gebildete Metallfluorid leicht verflüchtigt.

Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ohne weiteres möglich, dichte Schichten zu erzeugen, deren Durchschlagsfestigkeit etwa 500VoIt je Mikron Schichtdicke beträgt. Außerdem weisen die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten isolierenden Überzüge eine gute Haftfestigkeit und große Biegefähigkeit auf.

Als oxydierender Fluorträger kann gasförmiges Fluor verwendet werden.

Ferner kann der Aluminiumleiter nach Bildung der Fluoridschicht einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur ausgesetzt werden, die sowohl unter dem Schmelzpunkt der Oberfläche als auch unterhalb der Temperatur, bei welcher das gebildete

509 569/312

3 4

Metallfluorid leicht verflüchtigt, und auch unterhalb Die ausgezeichneten elektrischen und physikali-

der Temperatur liegt, bei welcher das gebildete sehen Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestell-

Metalloxyd leicht verflüchtigt. ten Isolationsschichten machen sie besonders ge-

Die Minimaltemperaturen, bei welchen das erfin- eignet als Dielektrika in Wickelkondensatoren. Zu dungsgemäße Verfahren durchgeführt werden soll, 5 diesem Zweck wird eine Folie aus Aluminium mit

hängen von der Art der zu bearbeitenden Aluminium- einem oxydierenden Fluorträger zusammengebracht,

sorte, deren Verwendungszweck und des Reaktor- so daß auf der ganzen Oberfläche ein isolierender

mediums unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Er- Fluoridfilm hergestellt wird. Die behandelte Folie

wägungen ab. Im allgemeinen wird hierzu die Ein- wird zusammen mit einer zweiten Aluminiumelek-

haltung einer Reaktionstemperatur von 350° C und io trode in Form einer getrennten Folie oder einem

darüber empfohlen. niedergeschlagenen Metallfilm aufgewickelt. An jede

Die Erfindung wird in der folgenden, ins einzelne der beiden Elektroden wird ein elektrischer Angehenden Beschreibung näher erläutert, wobei auf Schluß angebracht. Das fertige Teil wird dann in die Zeichnungen Bezug genommen wird, in der einen Behälter eingesetzt oder in Papier eingewickelt. Zeichnung zeigt 15 Ein solcher Kondensator ist in F i g. 4 veranschau-

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ab- licht.

Schnitts aus einem Drahtleiter vor der erfindungs- In F i g. 4 sind die beiden Aluminiumelektroden

gemäßen Behandlung, 15 und 16 und die beiden Fluoridschichten 17 und

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht, teilweise ge- 18 auf jeder Seite der Folie 15 gezeigt. Die Anschnitten, des in Fig. 1 gezeigten Drahtes, der mit 20 schlußdrähte 19 und 20 ragen aus dem Behälter21 einer isolierenden Schicht entsprechend der Erfin- heraus und sind an die Elektroden 15 und 16 leitend dung überzogen ist, angeschlossen.

Fig.3 einen Querschnitt eines Teiles eines Kon- Die Kapazität des in Fig.4 gezeigten Bauteiles

densators der mit einem erfindungsgemäß hergestell- kann durch Hinzufügung eines Elektrolyten in den

ten Dielektrikum ausgestattet ist, 25 Behälter erhöht werden. Der Elektrolyt erhöht die

F i g. 4 eine perspektivische Ansicht, teilweise im wirksame Fläche der Folien, indem der Kontakt Schnitt, eines erfindungsgemäß hergestellten Wickel- zwischen der unisolierten Folie und der Isolationskondensators, schicht verbessert wird.

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht, teilweise im Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht, teilweise

Schnitt eines Trocken-Elektrolytkondensators, der 30 in Schnittdarstellung eines Trocken-Elektrolytkon-

mit einer erfindungsgemäß hergestellten Schwamm- densators mit einer Schwammanode 25, die erfin-

anode ausgestattet ist, dungsgemäß hergestellt ist. Ein in üblicher Weise

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht, teilweise ge- hergestellter gesinterter Schwammkörper wird er-

schnitten, einer erfindungsgemäß hergestellten isolier- findungsgemäß behandelt, so daß auf seiner ganzen

ten Spule und 35 Oberfläche eine dünne Fluoridschicht 26 erzeugt

Fig. 7A und 7B Front- und Seitenansichten, wird. Der Kondensator wird dann entsprechend dem

teilweise im Schnitt, eines Koaxialkabels, bei dem üblichen Verfahren zusammengebaut. In Fig. 5 sind

die erfindungsgemäßen Isolationsfilme angewandt deshalb außer der Anode 25 eine Elektrolytschicht

wurden. 27, eine Graphitschicht 28, ein Metallbehälter 29

Zunächst soll klargestellt werden, daß keine der 40 und Zuführungen 30 und 31 gezeigt.
Figuren maßstabsgerecht gezeichnet ist und daß die Schwammanoden der oben beschriebenen Art Dicke des isolierenden Überzuges erheblich über- können auch in Verbindung mit Naß-Elektrolyttrieben wurde. kondensatoren benutzt werden.

Es sei bemerkt, daß der Ausdruck Aluminium, wie F i g. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht, teilweise

er hierin verwendet wird, sich nicht nur auf Rein- 45 in Schnittdarstellung, einer Spule 35, die erfindungs-

aluminium verschiedener Reinheitsgrade beschränkt, gemäß isoliert wurde. Die Spule 35 soll auch Spulen

sondern auch Aluminiumlegierungen für Gußzwecke repräsentieren, die in üblichen Transformatoren be-

und konstruktiven Einsatz umfaßt, die üblicherweise nutzt werden können. Wie in F i g. 6 veranschaulicht,

einige Prozente Magnesium, Silizium, Kupfer, Zink ist die ganze Oberfläche des Leiters mit einer

usw. oder Mischungen hiervon enthalten. 50 Fluoridschicht 36 überzogen, die erfindungsgemäß

In F i g. 1 ist ein Abschnitt eines Drahtes 1 gezeigt, hergestellt wurde. Eine solche Spule kann entweder dessen Oberfläche 2 erfindungsgemäß behandelt vor dem Wickelvorgang oder nach dem Wickelvorwerden soll. Wie oben bereits erwänht, ist das erfin- gang isoliert werden.

dungsgemäße Verfahren immer anwendbar, wenn Ein anderer wichtiger Anwendungsbereich der

auf der Oberfläche eines elektrischen Elementes ein 55 erfindungsgemäßen Isolierfilme ist die Anwendung

isolierender Überzug hergestellt werden soll. als Dielektrikum bei Leitern für hohe Frequenzen.

F i g. 2 ist eine perspektivische Ansicht, teilweise Solche Leiter zeichnen sich meist dadurch aus, daß

im Schnitt, eines Abschnittes eines Drahtes 1, nach- die mit dem Skineffekt verbundenen Verluste herab-

dem dieser erfindungsgemäß behandelt wurde und gesetzt sind. Solche Leiter bestehen beispielsweise

mit einer Fluoridschicht 3 versehen wurde, deren 60 aus einer Vielzahl von leitenden Elementen, die von-

Dicke übertrieben dargestellt ist. einander isoliert sind. Das erfindungsgemäße Ver-

F i g. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil fahren kann zur Isolation dieser leitenden Elemente

eines erfindungsgemäß hergestellten Kondensators. angewandt werden.

Die Teile 12 und 13 stellen leitende Platten dar, und In Fig. 7A und 7B ist ein solcher Leiter der gedie Zwischenschicht 14 stellt einen erfindungsgemäß 65 nannten Art veranschaulicht. Fig. 7 A ist eine Fronthergestellten Fluoridfilm als Dielektrikum dar. Eine ansieht und Fig.7B eine Seitenansicht, teilweise in solche Anordnung kann bei Herstellung von Kon- Schnittdarstellung eines Koaxialkabels 40, das aus densatorsäulen benutzt werden. einem inneren Leiter 41 und einem äußeren Leiter

5 6

44 besteht. Der innere Leiter ist aus einer Anzahl der im vorliegenden Falle bei etwa 660° C lag. Die koaxialer Metalleiter 42 zusammengesetzt, die durch obere Temperaturgrenze bei dieser Reaktion ist jekoaxiale dielektrische Zwischenschichten 43 getrennt doch auch durch die Flüchtigkeit des hergestellten sind. Der Raum zwischen dem inneren Leiter 41 und Metallfluorids gegeben.

dem äußeren Leiter 44 ist mit einem Isolierstoff 45 5 Die Minimaltemperaturen, bei welchen die Reakausgeiüllt. Der Kern 40 kann mit Metall oder einem tionen der in Rede stehenden Art durchgeführt Dielektrikum ausgefüllt werden. Gewünschtenfalls werden, hängen von der Art der zu bearbeitenden kann das Innere des koaxialen Leiters 42 auf der dem Aluminiumsorte, deren Verwendungszweck und des Kern zuweisenden Seite mit einer isolierenden Reaktormediums unter Berücksichtigung wirtschaft-Schicht 47 isoliert sein. io licher Erwägungen ab. Höhere Reaktionstempe-

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders gut raturen ergeben eine höhere Reaktionsgeschwindigzur Isolation der zylindrischen Metalleiter 42 ge- keit und damit eine Herabsetzung der zur Erzeugung eignet. Jeder dieser Leiter wird mit dem erfindungs- einer bestimmten Filmdicke erforderlichen Zeit. So gemäßen Verfahren behandelt, so daß auf der Innen- ist bei der oben beschriebenen Behandlung der und Außenseite ein Fluoridfilm erzeugt wird. Die 15 Aluminumlegierung mit Fluor schon bei 350° C eine Leiter werden dann zum inneren Leiter 41 zusam- annehmbare Reaktionsgeschwindigkeit zu erreichen; mengebaut. die Behandlung wird jedoch vorzugsweise bei einer

Jedes der in der Zeichnung veranschaulichten Teile Temperatur von mindestns 500° C durchgeführt, um weist ein elektrisches Element auf, das mit einem die Reaktionszeit noch weiter herabzusetzen. Es kann erfindungsgemäß hergestellten Überzug versehen ist. 20 aber auch im einen oder anderen Fall eine erheblich Das soll jedoch nicht so verstanden werden, daß ■ niedrigere Reaktionsgeschwindigkeit erwünscht sein, hiermit eine erschöpfende Aufzählung der Elemente wenn bestimmte Umstände eine höhere Reaktionsgegeben ist, auf die die vorliegende Erfindung ange- geschwindigkeit nicht zulassen,
wandt werden kann. Die Durchschlagsspannung und der elektrische

Die fluorhaltigen Materialien, die mit der zu be- 25 Widerstand der erfindungsgemäßen Fluoridüberzüge handelnden Oberfläche zur Herstellung des Isolier- wird durch seine Dicke bestimmt. Wenn die Dicke films zusammengebracht werden können, müssen erhöht wird, erhöht sich die Durchschlagsspannung mindestens ein chemisches Element enthalten, das und der elektrische Widerstand des Überzugs. Die die zu behandelnde Oberfläche oxydieren kann. Aus höchst zulässige Dicke des Überzugs wird durch die diesem Grunde werden solche Materialien gewöhn- 30 Biegefestigkeit und Haftfestigkeit begrenzt, die für lieh »oxydierende Fluorträger« genannt. Materialien die spezielle Anwendung gefordert wird. Im alldieser Art sind z. B. gasförmiges Fluor, flüssiges gemeinen sind Überzüge mit einer Dicke bis zu Fluor, Fluorwasserstoff, die Halogenfluoride, wie 5 Mikron außerordentlich gut haftend und biegsam. Bromtrifluorid und Chlortrifluorid, die Fluormethane Wenn die Dicke von 5 Mikron jedoch überschritten wie Fluoroform (CHF₃), die Fluoräthane, wie Di- 35 wird, läßt die Haftfestigkeit des Films und seine fluoräthan (C₂H₄F₂), Schwefelfluorid (S₂F₂) und Biegsamkeit nach. Bei erheblich über 10 Mikron Schwefelhexafluorid" (SF₆). Die Einzelheiten der Her- liegenden Filmdicken wurde Springen und Brechen stellung eines Isolationsfilms auf einer Oberfläche des Überzuges festgestellt.

durch direkte Reaktion mit einem der genannten Irgendwelche unteren Grenzen für die Dicke des

fluorhaltigen Materialien soll am Beispiel der Reak- 40 Überzuges sind nicht vorhanden; es können Schichten tion einer Aluminiumlegierung mit gasförmigem von nur einem hundertstel Mikron und dünner her-Fluor erläutert werden. gestellt werden, die als Isolationsschichten mit Durch-

Es wurde eine Aluminiumlegierung mit etwa 99% Schlagsspannungen von etwa 10 Volt geeignet sind. Aluminium verwandt. Die tatsächlich benutzte Dicke wird durch den beab-

Vor der Fluorbehandlung wird die Metallober- 45 sichtigten Verwendungszweck gegeben. So ist zu Isofläche mit einem leichten Kohlenwasserstofflösungs- lationszvvecken die untere Grenze der Dicke durch mittel, wie Toluol, gesäubert. die Spannung gegeben, der die Schicht ausgesetzt

Die gesäuberte Oberfläche der Aluminiumlegierung wird. Für Kondensatorteile sollte im allgemeinen die wird dann mit gasförmigem Fluor bei einer Tempe- kleinste Schichtstärke gewählt werden, die die geratur von ungefähr 550° C für 20 Minuten zusam- 50 wünschte Durchschlagsspannung noch halten kann, mengebracht. so daß die Kapazität pro Volumeneinheit auf einen

Nach dieser Behandlung ist die Aluminiumober- Maximalwert gebracht werden kann,
fläche mit einer kontinuierlichen, festhaftenden Die Oberflächeneigenschaften des erfindungs-

Schicht aus Aluminiumfluorid mit einer Dicke von gemäßen Fluoridüberzuges können durch weitere 1 Mikron überzogen. Wiederholtes Biegen der be- 55 Behandlungen geändert oder modifiziert werden, so handelten Oberfläche um etwa 90° beeinflußt die daß sie bestimmten Verwendungszwecken noch Haftung des Fluoridüberzuges nicht. besser angepaßt werden können. So kann eine Modi-

Der Widerstand des Aluminiumfluoridfilrns be- fizierung eines mittels eines oxydierenden Fluorträgt etwa 10¹¹ Ohm, und die Durchschlagsspannung trägers auf Aluminium hergestellten Fluoridfilms ist etwa 450VoIt. Der Film behält seine hervor- 60 durch Behandlung mit Sauerstoff erreicht werden, ragenden dielektrischen Eigenschaften auch bei er- Der sich ergebende sauerstoffbehandelte Film weist höhten Temperaturen bei. So hat z. B. bei 500° C verbesserten Abriebwiderstand auf, d. h. verbesserte dieser Fluoridfilm einen Widerstand von etwa mechanische Beanspruchbarkeit. Durch eine solche 7 · 10 Ohm und eine Durchschlagsspannung von Behandlung werden auch die wasserabweisenden 450 Volt. 65 Eigenschaften des Films in der Weise verbessert, daß

Die höchste Temperatur, bei der die oben be- keine Wasseraufnahme des Films feststellbar ist, schriebene Reaktion durchgeführt werden kann, ist auch wenn er längere Zeit kochendem Wasser ausdurch den Schmelzpunkt der Oberfläche gegeben, gesetzt war.

Zur Erzielung der genannten Verbesserungen können Luft oder andere Mischungen von Sauerstoff und den Fluoridfilm nicht angreifenden Gasen benutzt werden. Die Behandlung wird vorzugsweise bei Temperaturen in derselben Größenordnung durchgeführt, wie sie zur Herstellung des Fluoridfilms benutzt wurden. Die gegenseitige Abhängigkeit von Zeit und Temperatur ist die gleiche, wie oben in Verbindung mit der Fluoridfilmherstellung bereits besprochen.

Unter gewissen Umständen kann eine solche Modifizierung der Oberflächeneigenschaften, auch dadurch erreicht werden, daß Sauerstoff der Fluorträgeratmosphäre während der Herstellung des Fluoridfilmes zugesetzt wird. Diese Form der Sauer-Stoffbehandlung ist dort geeignet, wo die Oberfläche im wesentlichen nur mit dem Fluorträger reagiert und nicht mit dem Sauerstoff. Der Sauerstoff reagiert dann mit dem Fluorfilm, so daß die gewünschten Eigenschaften erzielt werden.

Im folgenden ist ein weiteres Verfahrensbeispiel beschrieben.

Beispiel

Eine Aluminiumlegierung mit etwa 99% Aluminium wurde bei 520° C für etwa 25 Minuten mit Fluorwasserstoff in gasförmiger Form in Berührung gebracht. Dabei bildete sich ein Film von etwa 1 Mikron Stärke. Dieser Film hatte einen Widerstand von l€^u Ohm und eine Durchschlagsspannung von etwa 500 Volt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur elektrischen Isolierung der Oberfläche eines elektrischen Leiters aus Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteroberfläche einer einen oxydierenden Fluorträger enthaltenden Atmosphäre bei einer Temperatur ausgesetzt wird, die sowohl unter dem Schmelzpunkt der Oberfläche als auch unterhalb der Temperatur liegt, bei welcher das gebildete Metallfluorid leicht verflüchtigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteroberfläche mit gasförmigem Fluor in Berührung gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumleiter nach Bildung der Fluoridschicht einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur ausgesetzt wird, die sowohl unter dem Schmelzpunkt der Oberfläche als auch unterhalb der Temperatur, bei welcher das gebildete Metallfluorid leicht verflüchtigt, und auch unterhalb der Temperatur liegt, bei welcher das gebildete Metalloxyd leicht verflüchtigt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Aluminiumleiters einer Atmosphäre, welche außer einem oxydierenden Fluorträger Sauerstoff enthält, bei einer Temperatur ausgesetzt wird, die sowohl unter dem Schmelzpunkt der Oberfläche als auch unterhalb der Temperatur, bei welcher das gebildete Metallfluorid leicht verflüchtigt, und auch unterhalb der Temperatur liegt, bei welcher das gebildete Metalloxyd leicht verflüchtigt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungstemperatur wenigstens 350° C beträgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 759 886.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 569/312 S. 65 © Bundesdruckerei Berlin