DE1514889A1

DE1514889A1 - Verfahren zum Herstellen zusammengesetzter elektrischer Kontaktaggregate

Info

Publication number: DE1514889A1
Application number: DE19651514889
Authority: DE
Inventors: Gwyn Jun Childress B
Original assignee: Talon Inc
Current assignee: Talon Inc
Priority date: 1964-12-23
Filing date: 1965-11-12
Publication date: 1969-09-04
Also published as: DE1514889B2; FR1464955A; GB1048520A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum ^.erstellen zusammengesetzter elektrischer Kontaktaggregate, und sie betrifft insbesondere die Herstellung derartiger Aggregate, die nietenförmige Kontakte umfassen, welche fest mit Iragorganen verbunden sind.■

In zahlreichen Fällen findet man fehlerhafte Verbindungen, die in G-renzfallen sogar einer nahezu vollständigen Isolierung entsprechen können, zwischen elektrischen Kontaktelementen und den Unterstützungen, mit denen sie vereinigt sind. Solche Fehler können z.Bο von der Anwendung ungeeigneter Verfahren bei der verstellung der Kontaktaggregate herrühren, ferner von falschen Abmessungen, von Oxydations-, Sulfatierungserscheinungen usw_e an den Trennflächen zwischen den Kontaktelementen und ihren Tragorganen oder von Bimetallvorgängen, die sich bei hohen limgebungs- oder Betriebstemperaturen abspielen können_o . ■■"■■' - ..-■■'

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Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen zusammengesetzter elektrischer Kontaktaggregate vorzusehen, bei dem die vorstehend genannten Nachteile nicht auftreten, und das die Herstellung von Kontaktaggregaten ermöglicht, bei denen die Bindung zwischen dem Kontaktelement und dem zugehörigen Tragorgan erheblich verbessert ist«,

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in-der Schaffung eines Verfahrens der genannten Art, das die Erzielung wirt-. schaftlicher Vorteile bei der Herstellung elektrischer Kontaktnieten und ähnlicher Aggregate ermöglichte

ffeitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnungen·

Figo 1 ist eine perspektivische Darstellung einer elektrischen Kontaktniete,- die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird.

Mg. 2 zeigt in größerem Maßstabe und im Längsschnitt eine Kontaktniete ähnlich derjenigen nach Mg₀ "I₀

Mg. 3 zeigt im Längsschnitt eine bevorzugte Ausbildungsform eines zusammengesetzten Kontaktkörpers, öer bei der Herstellung zusammengesetzter Kontaktaggregate verwendet wird₀

Fig. 4 ist ein Querschnitt durch den zusammengesetzten Kontaktkörper nach Mg. 3* ·

Fig. 5 ist ein Längsschnitt ähnlich Fig. 3, der jedoch eine andere Ausbildungsform eines zusammengesetzten Kontaktkörpers zeigt,, 9098 36/057 8

...₃-.-. 151Λ889

Fig. 6 ist ein Querschnitt durch den Kontaktkörper nach

Fig. 5.

Fig. 7 zeigt in einem senkrechten Schnitt eine zusammengesetzte Kontakthiete mit einem Tragorgan, wobei die aufeinander folgenden Stadien A, B und 0 bei der Herstellung eines zusammengesetzten Kontaktaggregats dargestellt sind ο

-.-■ Gemäß der Erfindung hat es sich gezeigt, daß sich eine ■bessere Bindung zwischen elektrischen Kontaktelementen und den zugehörigen Tragorganen erzielen läßt, wenn man einen zusammengesetzten langgestreckten Kontaktkörper in Form eines Kerns, der mit einer Umhüllung versehen ist, wobei der Kern Kupfer, eine Kupferlegierung, Stahl, Nickel, Monelmetall oder Aluminium als Kontaktstützmaterial umfaßt, während die Umhüllung aus einem Silber, Zinn- oder Zinn-Blei-Löt- bzw.-Hartlotmaterial· dafür besteht, mit einem Kontaktdeckteil verbindet, das aus Silber, einer Silberlegierung, Platin oder einem anderen Metall der Platingruppe, z.B_o Palladium, in reiner oder legierter Form oder aus geschmeidigen Kombinationen von vvolfram, Molybdän, Rhenium, Kadmiumoxyd, V/olframkarbid oder liolybdänkarbid besteht, wobei diese Auflage die Arbeitsfläche des Kontaktes bildete Der zusammengesetzte Kontaktkörper und die ihn berührende Kontaktabdeckung werden im kalten Zustand durch Aufbringen von Druck miteinander verbunden, wobei der aufgebrachte Druck mindestens etwa 140 kg/cm^ beträgt und vorzugsweise zwischen etwa 2 800 und etwa 21 000 kg/cm² liegt\ die Druckkraft wird mit einer hohenGeschwindigkeit von mindestens etwa 250 mm/see auf die sich berührenden Teile aufgebracht= Hierdurch wird'

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"bewirkt, daß die verbundenen Teile dauerhaft aneinander haften und ein zusammengesetztes Nietenelement bilden, das einen Kopf und einen damit verschweißten Schaft umfaßt, wobei das Hartlötmaterial der Umhüllung die Unterseite des Nietenkopfes überdeckt und unter dem die Kontaktauflage bildenden Teil des Materials des Kopfes liegt, ohne die Arbeitsfläche des Kontaktes selbst zu überdecken»

Die zusammengesetzte Kontaktniete oder das sonstige Kontaktorgan, das auf diese Weise hergestellt wurde, wird auf einem Kontakttragorgan angeordnet, das ζ_βΒ· aus Kupfer oder Stahl besteht? zu diesem Zweck wird der Schaft des Elements durch eine Öffnung geführt, mit der die Unterstützung versehen ist, und danach wird das vom Kopf der Niete abgewandte Ende des Schaftes angestaucht, um das Kontaktelement mechanisch mit der Unterstützung zu verbinden, wobei sich das Hartlötmaterial der Umhüllung im wesentlichen über die ganze Trennfläche zwischen dem Kontaktelement und der Unterstüzung erstreckt. Schließlich wird das zusammengesetzte Aggregat erhitzt, um das zusammengesetzte Kontaktelement durch Hartlöten mit der Unterstützung zu verbinden, so daß eine dauerhafte, elektrisch leitende Verbindung zwischen der Kontaktniete und ihrer Unterstützung entsteht·

Dadurch, daß das Kontaktaggregat in der beschriebenen Weise hergestellt wird, wird die Entstehung einer dauerhaften, elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem den Kontakt tragenden Arm oder einem sonstigen Bauteil gewährleistet. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das zusammen-

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gesetzte Kontaktelement eine Umhüllung aus einem Hartlötmaterial umfaßt, welche die gesamte Trennfläche zwischen dem Kontaktelement der Kontaktunterstützung überdeckt. Wenn man den zusammengesetzten Kontaktkörper und die Kontaktauflage in einer Matrize von geeigneter Form im kalten Zustand ataucht, wobei die erwähnte Y/indung vorgesehen ist, zeigt es sich, daß das Hartlötmaterial in den Raum zwischen dem Material des Kontaktkörpers -und dem Material der Auflage gedrückt wird, und zwar im Bereich des Handes der Auflage, ohne daß eine Verunreinigung der Arbeitsfläche des fertigen Aggregats eintritt. Yfenn die Kontaktniete in dieser tfeise hergestellt wird, wobei die Umhüllung aus dem Hartlötmaterial die Außenflächen des Schaftes und der Unterseite des Nietenkopfes bildet, benötigt man ferner geringere Drücke, niedrigere Temperaturen und kürzere Zeitspannen, um eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Kontaktkörper, der Auflage und der Unterstützung zu erzielen.

Gemäß den Zeichnungen werden unter Verwendung von Kpntakt-

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nieten dex in Mg» 1 und 2 gezeigten Art nietenförmige Kontaktaggregate hergestellt; eine bevorzugte Ausbildungsform der Erfindung ist in Fig. 7 bei 0 wiedergegeben. Jede der in Fig. 1 und 2 gezeigten Kontaktnieten 11^ und 11a umfaßt einen Schaft und einen Kopf 13. Die Mete 11a unterscheidet sich von der Niete 11 dadurch, daß das freie Ende des Schaftes 12 mit einer allgemein konischen Vertiefung 14 versehen ist, die vorgesehen werden kann, um das Anstauchen der Niete zu erleichtern/wenn die Niete mit der zugehörigen Unterstützung verbunden werden soll.;

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Gemäß Pig. 2 umfaßt der Schaft 12 einen ^ern 15 und eine auf geeignete Weise auf den Kern aufgebrachte Umhüllung 16«, Der Kopf 13 der Niete umfaßt ebenfalls einen Kern 15a, der sich an den Kern 15 des Schaftes anschließt, sowie eine Kontaktauflage 17, die sich über die ganze obere Seite bzw. die Arbeitsfläche des Kopfes erstreckt«, Gemäß Fig., 2 umfaßt der Kopf der Niete ferner einen !Ceil 16a der Umhüllung, der sich an die Umhüllung 16 des Schaftes anschließt, wobei der Teil 16a der Umhüllung die ganze Unterseite des Nietenkopfes überdeckt. Dieser Teil der Umhüllung umfaßt ferner einen Abschnitt 16b, der zwischen dem Material der Kontaktauflage und dem Material des Nietenkörpers nahe dem Rand der Kontaktauflage 17 und unter diesem Rand liege„ Wenn man eine zusammengesetzte Niete dieser Art bei der Herstellung von Kontaktaggregaten verwendet, wird ' eine optimale Bindung zwischen der Niete und der Unterlage oder Unterstützung erzielt, ohne daß eine Verunreinigung der Arbeitsfläche des Kontaktes eintritt.

Die zusammengesetzten Kontaktnieten nach Mg. 1 und 2 werden in der Weise hergestellt, daß ein langgestreckter Kontaktkörper, z.B₀ ein zylindrischer Körper nach Mg, 3 und 4, im kalten Zustand mit einem hier nicht gesondert dargestellten Kontaktauflageteil von geeigneter Form verbunden wird,, Der hier, gezeigte zusammengesetzte Kontaktkörper umfaßt einen Kern 150, der, wie schon erwähnt, aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Stahl, Nickel, Monelmetell (z.B. etwa 60 bis 65 Gewichtsprozent Nickel, 23 bis 30 Gewichtsprozent Kupfer, 2 bis 3,5 Gewichtsprozent Eisen und 0,10 bis 0,50 Gewichtsprozent Silizium oder Mangan) oder aus Aluminium bestehen kann. Der Kern 150 ist auf

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geeignete Weise mit einer Umhüllung 160 versehen, die, wie ebenfalls bereits erwähnt, aus Silber, Zinn oder einem Zinn-Blei-Lot bestehen kann. Man kann verschiedene bekannte Arten von Silberlot verwenden, z.B. die Silberhartlötlegierungen Easy-Plo oder SIL-FOSf besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn man ein Silberlot verwendet, das etwa 45 Gewichtsprozent Silber enthält, ferner 15 Gewichtsprozent Kupfer, 15 'Gewichtsprozent Zink und 24 Gewichtsprozent Kadmium? dieses lot hat einen Schmelzpunkt von etwa 605° 0, einen elektrischen Widerstand von etwa 20 Mikroohm/cm⁵ und eine Bruchfestigkeit (Zug) von etwa 1400 kg/cm². Im Pail der zinnhaltigen Hartlötmittel ist es zweckmäßig, mit 100^ Zinn zu arbeiten (Schmelzpunkt etwa 230° C; elektrischer Widerstand 11,5 Mikroohm/cm⁰} Zugfestigkeit etwa 113 kg/cm²) oder mit Zinn-Blei-Lötmitteln bis herab zu 10$ Zinn und 90$ Blei (Schmelzpunkt etwa 355° 0; elektrischer Widerstand etwa 21 Mikroohm/cm ),

Der zusammengesetzte Kontaktkörper kann gemäß Pig. 3 und eine zusammenhängende äußere Umhüllung 160 aufweisen. Alternativ kann man eine Umhüllung aus Hartlot in Form einer Einlage 160a, einer Auflage 160b und einer durchgehenden Zwischenschicht 160c vorsehen, wie es in Pig. 5 und 6 gezeigt ist· In jedem Pail wird das zusammengesetzte Bauteil auf bekannte Weise hergestellt, z.B. dadurch, daß man einen Kern in einem äußeren Körper aus dem gewünschten Überzugsmaterial formt und die betreffenden Elemente durch Schmieden, Ziehen oder dergleichen miteinander verbindet, oder daß man den Kern durch ein geschmolzenes Bad aus dem Überzugsmaterial führt und das so mit einem überzug versehene Kernmaterial durch eine geeignete Zieh«

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oder Schmiedevorrichtung leitet, oder daß man den Kern mit Hilfe eines geeigneten MetalliBierungsverfahrens mit einem Überzug versieht, oder daß man auf den Kern eine Hülle aus dem Überzugsmaterial aufbringt, das in einem geeigneten Bindemittel, z.B. Kollodium, enthalten ist·

Der zusammengesetzte Körper wird im kalten Zustand mit einer Kontaktauflage verbunden, die aus einem beliebigen geeigneten Material bestehen kann, das sich im kalten Zustand mit den Materialien des Kerns und der Umhüllung verbinden läßt, und das so geschmeidig ist, daß es gestaucht werden oder im kalten Zustand fließen kannf wie schon erwähnt, verwendet man als Auflage vorzugsweise Silber oder eine Silberlegierung, Platin oder ein anderes Metall der Platingruppe oder eine ein solches Metall enthaltende Legierung oder eine geschmeidige Legierung aus Wolfram, Molybdän, Rhenium, Kadmiumoxyd oder Wolfram oder Molybdänkarbid, z.B. eine Legierung mit 90$ Silber und 10$ Kadmiumoxyd oder mit 65$ Silber und 35$ Wolfram. Um die genannten Teile im kalten Zustand miteinander zu verbinden, wird das mit einer starken Stoßwirkung arbeitende atomare Bindeverfahren angewendet, wie ee z.B. in dem U.S.A.-Patent 3 15I 385 beschrieben ist. Bei der Anwendung dieses Verfahrens werden der Kontaktkörper und die Kontaktauflage aufeinander gelegt und Druckkräften von mindestens etwa 140 kg/cm² und vorzugsweise von etwa 2800 bis etwa 21 000 kg/c_ffi2 ausgeeetzt,· die mit einer Geschwindigkeit von mindestens etwa 250 mm/seo und vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von etwa 500 bis 750 nnn/sec aufgebracht werden, um die betreffenden Materialien miteinander zu verbinden und si®.zu verschweißen,

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Die auf diese Weise hergestellte zusammengesetzte Kontaktniete 12 wird mit Hilfe des Verfahrens, dessen Stadien A, B und C in Jig. 7 dargestellt sind, mit einer geeigneten Unterstützung 18 verbunden. Die Unterstützung, bei der es sich um einen Tragarm oder dergleichen handeln kann, weist eine durchgehende Öffnung 19 auf, deren Durchmesser etwas größer ist als der Durchmesser des allgemein zylindrischen Schaftes der zusammengesetzten Kontaktniete« Die Uiete wird zunächst in die Öffnung 19 eingeführt (Stadium B), so daßmder Schaft 12 durch die Öffnung ragt, wobei,die Teile 16 und 16a der Umhüllung an der Unterstützung anliegen und sich zwischen dem Material der Auflage 17 und dem Kernabschnitt 15a am Rand des Me teilkopf es erstrecken«

Das von dem Kopf 13 abgewandte Ende 21 der Niete wird dann mechanisch gestaucht (Stadium Ö), um das Kontaktelement mit der Unterstützung zu verbinden} hierbei wird ein Teil des Abschnitts 16d der Umhüllung der Kontaktniete zur Anlage an der Unterseite der Unterstützung 18 gebracht. Wenn man dieses Aggregat auf eine Temperatur zwischen etwa 260 und etwa 880° erhitzt, wobei sich die Temperatur nach dem Schmelzpunkt der Hartlotlegierung richtet, aus der die Umhüllung besteht, wird das Kontaktelement mit der Unterstützung durch einen Hartlötvorgang fest verbunden, so daß zwischen diesen Teilen eine dauerhafte elektrisch leitende Verbindung entsteht.

schon erwähnt, liegt der Teil 16b des Umhüllungamaterials unter dem Rand des Aufladeteils 17 der Mete, d.h. er überdeckt keinen Teil der Arbeitsfläche des Kontaktes. Wenn da*

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Kontaktelement mit der Unterlage 18 durch Hartlöten verbunden wird, bewirkt das fließen des Hartlots eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Auflagematerial 17 und dem Material des Kerne 15, ohne daß jedoch eine Verunreinigung irgendwelcher i'eile der Oberseite der Kontaktniete eintritt, und ohne daß die wirksame Fläche der Kontaktauflage 17 verkleinert wird·

Bei einer bevorzugten Ausbildungsform wurde mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ein zusammengesetztes elektrisches Kontaktaggregat hergestellt, das eine Kontaktniete umfaßte, deren Arbeitsfläche zu 90 Gewichtsprozent aus Silber und zu 10 Gewichtsprozent aus Kadmiumoxyd bestand (Zugfestigkeit etwa 3500 kg/cm ), ferner einen zentralen Kern aus Kupfer mit einer Zugfestigkeit von etwa 4600 kg/cm und eine äußere Umhüllung, die aus einem Silberhartlot bestand} dieses Hartlot enthielt etwa 45 Gewichtsprozent Silber, 15 Gewichtsprozent Kupfer, 16 Gewichtsprozent Zink und 24 Gewichtsprozent Kadmium j die Kontaktniete wurde durch Hartlöten mit einem Tragarm aus Chromkupfer verbunden. Dieses Aggregat zeigte eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit zwischen der Arbeirsflache des Kontaktes und dem !Tragarm? außerdem wurde eine feste dauerhafte Verbindung zwischen der Kontaktniete und dem Tragarm erzielt.

Es sei bemerkt, daß man bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die verschiedensten Abänderungen und Abwandlungen vorsehen kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Patentansprüche \ 909836/0578

Claims

PA TEN IA N S P R ti C H E

Verfahren zum Herstellen eines zusammengesetzten elektrischeü Kontaktaggregats, dadurch gekennzeichnet ,daß ein zusammengesetzter langgestreckter Kontaktkörper in Form eines Kerns mit einer Umhüllung bereitgestellt wird, wobei der Kern aus einem Hontaktunterlagenmaterial besteht, das aus der Gruppe gewählt ist, welche Kupfer, Kupferlegierungen, Stahl, Nickel, Monelmetall und Aluminium umfaßt, und wobei die Umhüllung aus einem Hartlötmaterial besteht, das aus der Gruppe gewählt ist, welche Silberlotmaterialien, Zinn und Zinn-Blei-Lotlegierungen umfaßt, daß ein Kontaktabdeckungsorgan nahe einem Ende des zusammengesetzten Körpers angeordnet wird_# wobei das Abdeokungsorgan aus einem Material besteht, das aus der Gruppe gewählt ist, welche Silber, Silberlegierungen, Platin, andere Metalle aus der Platingruppe und deren Legierungen, Wolfram, Molybdän, Rhenium, Kadmiumoxyd, Wolframkarbid und Molybdänkarbid umfaßt, daß der zusammengesetzte Körper zusammen mit dem darauf angeordneten Abdeckungsorgan einem Druck von mindestens etwa 140 kg/cm ausgesetzt wird, wobei diese Druckkraft auf die beiden Bauteile mit einer Geschwindigkeit von mindestens etwa 250 mm/sec aufgebracht wird, um die beiden Seile miteinander zu verbinden, so daß eine zusammengesetzte Mete mit einem Kopf und einem damit im kalten Zustand verbundenen Schaft entsteht, wobei das Hartlötmaterial der Umhüllung die Unterseite des Kopfes Überdeckt und mindestens unter einem Teil des aus dem Kontaktauflagematerial bestehenden Teil des

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Kopfes liegt, ohne die Arbeitsfläche des Kopfes zu überdecken, daß das so hergestellte zusammengesetzte Kontaktelement auf einem Kontakttragorgan angeordnet wird, wobei der Schaft des Kontaktelements durch eine Öffnung des Tragorgans ragt, daß das von dem Kopf des Kontaktelements abgewandte Ende des Schaftes des zusammengesetzten Kontaktelements gestaucht wird, um das Kontaktelement mechanisch mit dem Tragorgan zu verbinden, wobei sich das Hartlötmaterial der Umhüllung im wesentlichen über die ganze Trennfläche zwischen dem Kontaktelement und dem Tragorgan erstrecktι und daß &fts eo hergestellte Aggregat erhitzt wird, un eine Hartlötverbindung zwischen dem zusammengesetzten Kontaktelement und dem Tragorgan zu erzeugen, so daß das gewünscht· zusammengesetzt* elektrische Kontaktaggregat entsteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dal der Kern aus Kupfer und die Umhüllung aus Silberlot besteht·
3. Verfahren nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet , daß der Kern aus Kupfer und die Umhüllung aus Zinnlot besteht»

4· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus Kupfer und die Umhüllung aus eine® Zinn-Blei-Lot besteht.

5» ?ei*fahren zum Herstellen eines'zusammengesetzten Slek- · irische iumtaktaggregate,, dadurch gekennzeichnet s ä®B sin «tasttßimengsestzter langgestreckter Kontaktkörper in Vom eiae3 Ke-as mit eiaer ^TTffihÜll-ang bereitgestellt

wird, wobei der Kern aus Kupfer besteht und eine Zugfestigkeit von etwa 4500 kg/cm² besitzt, und wobei die Umhüllung aus einem Silberhartlötmaterial besteht, das sich aus etwa 45 Gewichtsprozent Silber, 15 Gewichtsprozent Kupfer, 16 Gewichtsprozent Zink und 24 Gewichtsprozent Kadmium zusammensetzt, daß ein Kontaktauflageorgan, das zu 90 Gewichtsprozent aus Silber und zu 10 Gewichtsprozent aus Kadmiumoxyd besteht, nahe einem Ende des zusammengesetzten Kontaktkörpers angeordnet wird, daß auf den zusammengesetzten Kontaktkörper und das damit in berührung stehende Auflageorgan ein -^ruck von mindestens etwa 140 kg/cm aufgebracht wird, wobei der Druck auf die beiden '^xe±le mit einer hohen Geschwindigkeit von mindestens etwa 250 mm/sec aufgebracht wird, um die beiden ¹ViIe miteinander zu verbinden, so daß eine zusammengesetzte Niete entsteht, die einen Kopf und einen damit im kalten Zustand verbundenen Schaft umfaßt, wobei das Hartlötmateriäl der Umhüllung die Unterseite des Kopfes überdeckt und mindestens unter einem Teil des einen Bestandteil des Kopfes bildenden Kontaktabdeckungsmaterials liegt, ohne die Arbeitsfläche des Kopfes zu Überdecken, daß das so hergestellte zusammengesetzte Kontaktelement auf einem Kontakttragorgan angeordnet wird, das aus einem Material besteht, das aus der Gruppe gewählt ist, welche Kupfer und Stahl umfaßt, wobei der Schaft des Kontaktelements durch eine Öffnung des Tragorgans ragt, daß das von dem Kopf des K_0ntaktelements abgewandte Ende des Schaftes des zusammengesetzten Kontaktelements gestaucht wird, um das Kontaktelement

aus dem

mechanisch mit dem Tragorgan zu verbinden, wobei sich die Hülle' a—' "--■ '■

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Hartlötmaterial im wesentlichen über die ganze Trennfläche zwischen dom Kontaktelement und dem Tragorgan erstreokt, und daß das so hergestellte Aggregat erhitzt wird, um eine Hart·«· lötverbindung zwischen dem zusammengesetzten Kontaktelement und dem Tragorgan herzustellen, so daß das gewünschte zusammen·· gesetzte elektrische Kontaktaggregat entsteht·

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