DE1920412A1

DE1920412A1 - Elektrischer Kontaktwerkstoff aus Silber-Kadmium-Oxyd und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1920412A1
Application number: DE19691920412
Authority: DE
Inventors: Haarbye Frederik Olaf
Original assignee: PR Mallory and Co Inc
Current assignee: Duracell Inc USA
Priority date: 1968-04-22
Filing date: 1969-04-22
Publication date: 1970-08-27
Also published as: FR2007490A1

Description

dr. MDLLER-BORE dipl.-ing. gralfs 1920412

DIPL.-PHYS. DR. MANlTZ DIPL.-CHEM. DR. DEUFEL

PATENTANWÄLTE

22. April 1969 P/Sch - M 2006

P.R. PIALLOHY & GO.INC.

3029 East Wahington Street, Indianapolis 46202, Indiana, -USA

Elektrischer Kontaktwerkstoff aus Silber-Kadmium-Oxyd und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen Kontaktwerkstoff aus Silber-Kadmium- Oxyd sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Materialien bzw. Werkstoffe aus Silber-Kadmium-Oxyd werden immer häufiger als elektrische Kontaktwerkstoffe in zahlreichen elektrischen Anwendungsfällen verwendet. Ein derartiger Werkstoff beseitigt im wesentlichen die Tendenz des Klebens oder Haftens beim Schließen und Unterbrechen und besitzt einen niedrigen Widerstand und damit eine höhere Strombelastbarkeit. Wird der Werkstoff für elektrische Kontakte benutzt, so wird er gewöhnlich in Form von Streifen hergestellt, die ansdiießend an einem geeigneten Rückschicht- oder Trägermaterial wie beispielsweise rostfreiem Stahl befestigt werd^ u™· äen elektrischen Kontakt zu bilden. Ein derartiges Trägermaterial bildet den Schaft des Kontakts. Normalerweise erfolgt die Befestigung durch Schweißen oder Löten. Es wurde Jedoch festgestellt, daß Silber-Kadmium-Oxyd-Kontaktmaterialien schwierig direkt an dem Trägermaterial aus rostfreiem Stahl mittels eines Lötmaterials zu befestigen sind. Silber-Kadmium-Oxyd—Streifen . werden daher zunächst mit einer Silberschicht unterlegt. Durch das Aufbringen einer derartigen Silber-Unterschicht

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wird eine Fläche geschaffen, auf die ein Lötmittel zur Befestigung des Silber-KadmiunHMaterials an dem rostfreien Stahl aufgebracht werden kann. ·

Das Aufbringen einer derartigen Silber-Bückschicht auf den Silber-Kadmium-Oxyd-Streifen ist jedoch nicht ohne Schwierigkeiten. Beispielsweise wird bei bekannten Materia.liai, die eine Unterschicht aus Silber besitzen, häufig in der Nähe oder an der Grenzschicht einer solchen Unterschicht eine starke Kadmium-Oxyd-Schicht angetroffen. Die Folge einer derartigen Schicht ist eine Verschlechterung der Befestigung des Streifens an dem rostfreien Stahl, und zwar aufgrund der geringem mechanischen Festigkeit des Kadmium-Oxyds. Auch beim Aufbringen der Silber-Bückschicht ist es aus Gründen einer einfachen Handhabung über_aus erwünscht, daß das Silber auf ein relativ dickes Material von beispielsweise 3/8 Zoll oder mehr aufgebracht wird. Daher wird das Silber bevorzugt auf eine Silber-Kadmium-Legierung aufgebracht und in einer späteren Stufe die Oxydation durchgeführt, und nicht auf eine Silber-Kadmium-Oxyd-Legierung, da es schwierig ist, die Dicke von SiIber-Kadmium-Oxyd ohne Brechen zu verringern. Will die Silber-Unterschicht auf eine Silber-Kadmium-Legierung aufgebracht, so besteht jedoch eine starke üendenz des Kadmiums zu dem Silber zu wandern oder wenigstens zu der Fläche_t auf die das Silber aufgebracht wird. Auf diese Weise entsteht die vorstehend beschriebenen Kadmium-Oxyd-Schicht.

Aufgabe der Erfindung ist die. Herstellung eines elektrischen Kontaktmaterials aus einem Silber-Kadmium-Oxyd-Körper, auf den eine Schicht eines Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit aufgebracht ist, das für nachfolgendes Löten geeignet netzbar ist, wobei des weiteren erreicht werden soll, daß das Kontaktmaterial an der Grenzfläche zwischen dieser Schicht und dem Silber-Kadmium-Oxyd-Material nicht mit .Kadmium·?·Oxyd angereichert ist.

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Des weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Eontaktmaterials aus Süber-Kadmium-Oxyd, das mit einer Silberschicht oder einer anderen Schicht "verbunden ist, geschaffen werden, wobei an oder in der Nähe derjenigen Fläche, die mit der Silberschicht oder anderen Schicht verbunden werden soll, eine Sperre gegen die Wanderung von Kadmium aufgebaut sein soll.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung besteht ein elektrisches Kontaktmaterial aus einem Körper aus Silber und Kadmium-Oxyd mit einem mit Silber angereicherten Bereich, der durch eine relativ dünne Zone von Silber-Kadmium-Oxyd bedeckt ist und eine Schicht aus einem geeignet netzbaren Material von hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, das mit dieser Silber-Kadmium-Oxyd'-Zone verbunden ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktmaterials mit einer Schicht aus einem geeignet netzbaren und hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweisenden Material, das auf ein Silber-Kadmium-Oxyd-Material aufgebracht ist, zeichnet sich dadurch aus, daß zunächst ein Teil eines Silber-Kadmium-Materials intern oxydiert wird, das dann die Schicht auf den teilweise oxydierten Teil aufgebracht und anschließend die Innenoxydierung des Silber-Kadmium-Materials vervollständigt wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert; in dieser zeigt:

Fig.«1 ein Blockdiagramm der verschiedenen bei Ausführung dei Erfindung durchzuführenden Schritte,

Fig. 2 einen Querschnitt eines Silber-Kadmium-Materials, der den Zustand dieses Materials bei verschiedenen Schritten gemäß der Erfindung erkennen läßt, und

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Fig. J eine Mikrοstruktur eines Teils des Kontaktmaterials gemäß der Erfindung, in der die mit dem Silber-Kadmium-Oxyd-Material verbundene Schicht zu erkennen ist.

Bei dem "bekannten Silber-Kadmium-Oxyd-Kontaktmaterial, das mit einer Silberschicht verbunden ist, findet sich üblicherweise - wie bereits beschrieben - eine starke Ablagerung an Kadmium-Oxyd an der Grenzschicht zwischen der Silberschicht und dem Silber-Kadmium-Oxyd-Material. Kittels ~ ' einer derartigen MikroStruktur konnte festgestellt werden, ™ daß es sogar mit der Silberschicht, die für das nachfolgende Löten als Netzmittel wirkt, sehr schwierig ist, das elektrische Kontaktmaterial aus Silber-Kadmium-Oxyd sicher an einem Trägermaterial wie rostfreiem Stahl zu befestigen. Im einzelnen bedeutet dies, daß mit der starken Konzentration von Kadmium-Oxyd an der Löt-Grenzflache, wenn keine Silberschicht verwendet wird, oder an der Grenzfläche zwischen dem Silber-Kadmium-Oxyd-Körper und der Silberschicht, wenn eine Silberschicht verwendet wird, aufgrund der niedrigen physikalischen Festigkeit der Kadmium-Oxyd-Schicht eine Einbuße hinsichtlich der Festigkeit der -Befestigung hingenommen werden muß. Diese Schwierigkeit wird durch fc die Erfindung im wesentlichen beseitigt.

Die Figuren 1 und 2 zeigen die speziellen Schritte, die bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen sind. Bei Schritt 1 wird ein Silber-Kadmium-Material 18 vorgesehen. Das Material kann verschiedene Formen, wie Tafel- oder Streifenform, aufweisen, und in dem Material können verschiedene Anteile von Silber und Kadmium verwendet werden. Im allgemeinen beträgt gemäß der Erfindung in der Praxis der Kadmium-Änteil von 2 Gewichtsprozent des gesamten Silber-Kadmium-Materials 18 bis zu etwa 15 Gew.%, wobei der Rest im wesentlichen Silber ist. Spezielle Werte von Kadmium in Gew.% innerhalb dieses Bereiches umfassen

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2,2 % Kadmium, 4,5 % Kadmium, 9 % Kadmium, 12 % Kadmium, 13,4 % Kadmium und 15 % Kadmium, wobei der Rest Silber ist. Das Silber-Kadmium-Material wird dann im Schritt 2 intern oxydiert, so daß ein Teil des Silber-Kadmiums unter Ausbildung relativ dünner Zonen 16, 16' von Silfeea?k-a6L Silber-Kadmium-Oxyd oxydiert ist. Die Zonen 16 und 16' wirken als Sperren und müssen dick genug sein, um zu verhindern, daß Kadmium von dem Rest des Materials 18 durch die Sperre dringt, wenn auf die Oberfläche eine Schicht aus einem geeignet netzbaren und hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweisenden Material zum Löten, wie Silber, Kupfer,. Aluminium oder Gold,aufgebracht wird. Die Oxydation wird im allgemeinen dadurch ausgeführt, daß das Material durch einen Ofen in oxydierender Atmosphäre wie Luft oder Sauerstoff geführt und das Material auf eine maximale Temperatur von 825°C> und vorzugsweise auf eine Temperatur in dem Bereich von 800 bis 825°C aufgeheizt wird.

Die zur Bildung der Zone 16 benötigte Zeit ist von dem Betrag an Kadmium in dem Material und der erforderlichen Dicke der Schicht abhängig. Für ein Material mit 2 bis 15 Gew.% Kadmium wurde festgestellt, daß die Oxydationszeit 15-20 Minuten betragen sollte, um eine ausreichende Dicke der Zone 16 von etwa 0,001 Zoll zu erzielen. Beim Durchführen des Materials durch den Ofen wird keine besondere Sorgfalt aufgewendet, um zu gewährleisten, daß eine Silber-Kadmium-Oxyd-Schicht nur an einer Oberfläche ausgebildet wird. Somit wird der Sauerstoff von der oxydierenden Atmosphäre von allen Seiten und Enden des Materials eindringen und daher die andere Zone 16' ausbilden. Wichtig ist jedoch, daß nur eine ausreichende Oxydation erfolgt, so daß ein relativ dünner, als Sperrmaterial wirkender Bereich 16 und 16' geschaffen wird.

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Sollten auf der Oberfläche dfes Materials noch irgendwelche geringe Anteile von Kadmium-Oxyd, Rost oder sonstigem Beschlag vorhanden sein, so wird im Schritt 3 das Material gereinigt. Eine derartige EeMgung kann durch mechanisches Bürsten oder durch Verwendung geeigneter Silberreinigungsmittel wie z.B. Salzsäure erfolgen.

Im Schritt 4- wird auf das Material eine Silberschicht aufgebracht. Es wurde bereits erwähnt, daß auch Kupfer, Aluminium, Gold oder ein anderes geeignet netzbares Material verwendet werden können. Die Schicht wird üblicherweise durch einen Warmwalz-Bindevorgang auf- gebracht. Vor dem Warmwalzschritt wird zunächst eine geschichtete Anordnung des Materials mit der Silberschicht hergestellt. Wie/Pig. 2 gezeigt ist, wird ein Silberstreifen 20 über die Oberfläche gelegt, auf die die Silberschicht aufgebracht werden soll. Um ein adäquates Verlöten des Silber-Kadmium-Oxyd-Endmaterials mit dem zur Bildung der elektrischen Kontakte verwendeten Trägermaterial sicherzustellen, sollte die Dicke des Streifens 20 in , der Endgröße minimal etwa 0,005 Zoll, oder allgemeiner etwa 5 his 10 % des Silber-Kadmium-Materials 18 betragen. Diese geschichtete Anordnung wird dann in einem Ofen bei einer Temperatur von etwa 800 bis 825°G in einer oxydierenden Atmosphäre während einer auf etwa 15 bis 25. Minuten begrenzten Periode vorgeheizt, so daß die Öxydierurig des .·;■-.-Silber-Kadmium-Materials nicht zu Side geführt wird. Diese Zeit und die Temperatur, auf die die geschichtete Anord- .. : nung erhitzt wird, sind von den Walzcharakteristiken des-Materials abhängig, welche ihrerseits vom vorhandenen. Kadmium-Anteil abhängen. Während des Vorheizschrittes wird die Sperrzone 16 besonders wichtig. Sie verhindert ' die Wanderung (Diffusion) des Kadmiums von dem Silber-Kadmium-Material 18 zu dem Silber' oder der Grenzschicht zwischen dem Silber-Kadmium und der Silberschicht. Eine derartige Wanderung würde die Ausbildung einer starken

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Kadmium-Oxyd-Schicht an der Silberschicht-Grenzfläche verursachen, wie sie gewöhnlich bei den bekannten Materialien gefunden wird, wenn das Material vollständig oxydiert wird. Nach Herstellung der Schichtung wird diese 'durch eine geeignete Walζeinrichtung geführt, die auf eine Temperatur von etwa 300 bis 450 C vorgeheizt wurde, um den Silberstreifen 20 auf das Material 18 zu walzen und durch Druck zu verschweißen. Nach dem Durchlaufen der Walze ist die Dicke der,Schichtung beträchtlich verringert, wobei diese Verringerung etwa 10 bis 30 fo beträgt und das Optimum etwa bei einer Dickenverringerung von 20 % liegt. Gemäß Schritt 5 kann die Schichtung anschließend mehrere Male gewalzt werden, um die Dicke der Schichtung etwa auf die gewünschte Endgröße zu verringern. Ein derartiges Walzen kann entweder in Form eines Warmwalzens oder eines Kaltwalzens bei Umgebungstemperaturen erfolgen.

Gemäß Schritt 6 und Fig. 3 wird nach Beendigung des Walzens das Silber-Kadmium-Material 18, von dem ein Teil bereits oxydiert ist und das mit der Silberschicht verbunden ist, intern oxydiert, um die Oxydation in der Weise zu vervollständigen, daß das gesamte Silber-Kadmium-Material im wesentlichen vollständig oxydiert ist. Diese Oxydation

Anwird in ähnlicher Weise durchgeführt wie beim/fangs-Oxydationsschritt entsprechend Schritt 2. Der Sauerstoff wird auch in die Silberschicht _20, die mit dem Körper verbunden wurde, eindringen, aber es wird im wesentlichen kein Eindringen von Kadmium aus dem Silber-Kadmium-Material 18 in die Grenzschicht zwischen der Silberschicht und dem Material erfolgen, und zwar aufgrund der Sperre des Silber-Kadmium-r-Oxyds 16. Die zur Vollendung der Oxydation ausreichende Zeit ist von dem Kadmium-Anteil in dem ursprünglichen Silber-Kadmium-Material und der Dicke des Materials abhängig. Wie durch Schritt 7 angegeben ist, kann das Material, nachdem es vollständig oxydiert ist, falls erforderlich auf die Endgröße gewalzt werden.

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Figur 3 zeigt einen Teilschnitt des fertigen Gegenstandes. Der fertige Gegenstand umfaßt einen Körper 18' aus Silber-. Kadmium-Oxyd 18" mit einem mit Silber angereicherten Bereich 24, der durch einen relativ dünnen Bereich 16 von Silber-Kadmium-Oxyd abgedeckt ist, und eine mit der Zone 16 aus Silber-Kädmium-Oxyd verbundene Silberschicht 20. Dieses Material kann dann mit einem geeigneten Trägermaterial wie rostfreiem Stahl, aus dem ein elektrischer Kontakt gemacht werden kann, verlötet werden. Nach im wesentlichen vollständiger Oxydation besteht der in den Teilen 18" und 16 vorhandene Anteil an Silber-Kadmium-Oxyd aus etwa 2 bis 17 Gew.% des Materials in den Teilen, wobei P der Rest im wesentlichen Silber ist. Spezielle Prozentanteile an Kadmium-Oxyd innerhalb dieses Bereiches umfassen 2,6%, 5 %, 10 %, 13,4 %, 15 % und 16,8 %, wobei der Rest in jedem Falle im wesentlichen Silber ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können in der nachfolgend angegebenen Weise Silberschichten mit jedem von 0,3 Zoll dicken Streifen von Silber-Kadmium-Legierungen verbunden werden, wobei jeweils 9 und 14,3 Gew.% der Streifen aus Kadmium besteht.

Die Streifen können zuerst in Luftatmosphäre bei einer Temperatur von 800 bis 825°C während einer Periode von ^ 1"5 bis 20 Minuten oxydiert werden, um eine Sperrzone 16 mit einer Dicke von wenigstens 0,001 Zoll zu erzielen. Auf jeden dieser teilweise oxydierten Streifen kann an einer der Oberflächen eine Silberschicht von 0,033 Zoll aufgebracht werden, indem zunächst eine Schichtung aus dem Streifen umL der Schicht hergestellt wird und dann durch Warmwalzen ein Verbinden dieser Schicht mit dem Streifen bei einer Temperatur von 350 bis 450⁰C vorgenommen wird. Die Streifen mit der Silberschicht können um 0,066ZoIl in der Dicke verringert werden, so daß eine Dickenverringerung von 20 % erreicht wird. Der gewalzte Streifen mit der

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SiIberschient kann dann durch Walzen "bei Umgebungstemperaturen auf eine Enddicke von 0,125 Zoll verringert werden.

Die Oxydation des Silber-Kadmium-Streifens mit der Silberschicht kann dann dadurch vollendet werden, daß der Streifen in Luftatmosphäre während einer Dauer von 70 bis 75 Studen oxydiert wird. Am Ende besteht das Kontaktmaterial aus Silber-Kadmium-Oxyd-Streifen mit etwa 10 bis 15 Gew.% Kadmium-Oxyd, wobei jeder Streifen mit einer Silberschicht verbunden ist, deren Dicke etwa 0,0125 Zoll beträgt.

Entsprechende Verfahren können zur Bildung von Silber-Kadmium-Oxyd-Streifen, die mit einer Silberschicht verbunden sind, verwendet werden, falls von den anderen angeführten Prozentsätzen an Silber-Kadmium-Oxyd Gebrauch gemacht werden soll.

Vorstehend wurde somit ein elektrisches Kontaktmaterial beschrieben, das besser an einem Bückschicht- oder Trägermaterial wie rostfreiem Stahl zur Bildung des Kontaktes befestigt werden kann. Da an der Silberschicht - Silber-Kadmium-Oxyd-Grenzschicht keine starke Kadmium-Oxyd-Schicht vorhanden ist, wird das Silber wirksamer als Netzmittel für das nachfolgende Löten ausgenutzt.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1.1 Elektrisches Kontaktmaterial, g e k e η η ζ e i c-h-net durch einen Körper aus Silber und Kadmium-Oxyd mit einem mit Silber angereicherten Bereich,, der durch eine relativ dünne Zone "von Silber-Kadmium-Oxyd abgedeckt ist, und eine Schicht aus einem hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit besitzenden und gut netzbaren Material, das mit der Zone aus Silber-Kadmium-Oxyd verbunden ist.

2: Elektrisches Kontaktmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht aus dem hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit besitzenden und gut netzbaren Material aus der Gruppe der Materialien Silber, Kupfer, Aluminium und Gold ausgewählt ist und vorzugsweise aus Silber besteht.

3· Elektrisches Kontaktmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Anteil an Kadmium-Oxyd in dem Silber-Kadmium-Oxyd zwischen awei 2 und 17 Gew.% schwankt und der Eest im wesentlichen aus Silber besteht.

4. Elektrisches Kontaktmaterial nach Anspruch Λ , dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der Schicht zwischen 5 uncL 10 % der Dicke des Silber-Kadmium-Oxyd-Materials , in dem der mit Silber angereicherte Bereich ausgebildet ist, beträgt.

5. Elektrisches Kontaktmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Zone aus Silber-Kadmium-Oxyd eine Dicke von wenigstens 0,025 mm besitzt.

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— Ί 1 —

6. Elektrisches Kontaktmaterial nach Anspruch 1,. dadurch gekennzeichnet , daß der Körper Streifenform besitzt.

7. Elektrisches Kontaktmaterial nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper auf ein vorzugsweise aus rostfreiem Stahl bestehendes Trägermaterial gelötet ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktmaterials, bei dem. eine Schicht aus einem hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit besitzenden und gut netzbarem Material auf ein Silber-Kadmium-Oxyd-Material aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet , daß ein Teil eines Silber-Kadmium-Materials zur Ausbildung einer dünnen Zone von Silber-Kadmium-Oxyd intern oxydiert wird, daß dann die Schicht mit dieser Zone verbunden wird und daß anschließend die interne Oxydation des Silber-Kadmium-Materials zuBide geführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Silber-Kadmium-Material vor dem Aufbringen der Schicht während einer Dauer von etwa 15 bis 20 Minuten bei einer Temperatur zwischen 800 und 850°C oxydiert wird.

10t Verfahren nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet , daß das leitende Material wie Silber auf diese Oberfläche der Zone des Silber-Kadmium-Streifens, der zum Teil oxydiert ist, warm aufgewalzt wird, daß dann der mit Silber unterlegte Streifen etwa auf Eiidgröße ge-• walzt wird, daß anschließend die Oxydation des Silber- Kadmium-Streifens mit der Silberunterlage zuBide geführt und.schließlich der Streifen mittels der Silberunterlage auf ein Trägermaterial wie rostfreiem Stahl gelötet wird.

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Verfahren nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Oberfläche des teilweise oxydierten Silber-Kadmium-Streifens vor dem warmen Aufwalzen der Silberunterlage auf den Streifen gereinigt wird.

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