DE2151603B2 - Verfahren zur Herstellung eines Vormaterials für elektrische Kontakte - Google Patents

Description

Für viele technische Zwecke ist es notwendig, einen Metallkörper mit einer metallhaltigen Schicht zu versehen, um ihn gegen mechanischen Verschleiß und/oder chemische Korrosion zu schützen. Hierbei ist es vielfach erwünscht, nur gewisse Oberflächenbereichc des Mctalikörpers zu beschichten. Es werden beispielsweise elektrische Kontakte mit Schutzschichten aus Edelmetall oder Edelmetall-Legierungen versehen. Wegen des hohen Preises der Edelmetalle ist man bestrebt, die Beschichtung des Kontaktwerkstoff auf die eigentliche Kontaktstelle zu beschränken, um Verluste an Edelmetallen auf ein Minimum herabzusetzen.

Es sind verschiedene Möglichkeiten zum Bösewichten eines Metallkörpers bekannt. So ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 1131484 ein Verfahren zum Bedampfen des Randstreifens eines Mctallbandcs mit Ede!· metallen bekannt. Aus dem beschichteten Band werden elektrische Kontakte hergestellt. Bei diesem Verfahren wird das Metallband auf einen schwach konisch ausgebildeten Zylinder in der Weise spiralförmig aufgewickelt, daß , der zu beschichtende Randstreifen des Bandes unbedeckt

to bleibt Dieses Verfahren hat sich sehr bewährt, jedoch können Verluste an Edelmetall nicht vermieden werden, weil beim Ausstanzen von K ontakten aus dem beschichteten Metallband sich notwendigerweise mit Edelmetall beschichteter Stanzabfall ergibt

ij Aus der deutschen Offcnlegungsschrift 2 017 860 ist ein Verfahren zum partrJlen Beschichten eines Mctallpanücs aus Kontaktfederwerkstoff mit Edelmetall auf galvanischem Wege bekannt Aus dem an diskreten Stellen beschichteten Metallband werden elektrische Kontakte gestanzt Bei diesem Verfahren wird das zu beschichtende Band zunächst mit einem Abdeck-Überrn·» derart versehen, daß jeweils den Kontaktflächen der elektrischen Kontakte entsprechende Steilen unbedeckt bleiben. Danach wird das so vorbereitete Metallband einem GaI-vanisiervorgang unterworfen, bei dem auf die unbedeckten Stellen des Bandes Edelmetall aufgebracht wird. Anschließend wird der Abdeck-Überzug wieder vom Band entfernt Bei diesem Verfahren treten keine Edelmetallverluste mehr auf. Das Verfahren ist jedoch in seinem Anwendungsbereich außerordentlich beschränkt, weil es auf galvanischem Wege nicht möglich ist, Kontaktschichten aus Legierungen oder Gemischen bestimmter prozentualer Zusammensetzung herzustellen.

Aus den US-Patentschriften 3 453 849 und 3102044 ist es bekannt, durch Aufschlämmen schlamm- bzw. breifürmige, metallhaltige Materialien auf eine Unterlage aufzubringen, den verdampfbaren Anteil der Flüssigkeitskomponente zu verflüchtigen und die Schicht dann zu verdichten und zu sintern, wobei auch Nachverdichtungen erfolgen können. Diese Patentschriften betreffen jedoch die Herstellung von Verbundrcetallen und nennen hierfür Werkstoffe, welche für die Anwendung bei elektrischen Kontakten kaum geeignet sind. Ferner ist in beiden Patentschriften ein Verfahren zum Überziehen der gesamten Oberfläche, nicht aber zur partiellen Beschichtung mit den Auflragmaterialien beschrieben.

Aus dem Buch von Eisenkolb „Fortschritte der Pulvermetallurgie" ist ersichtlich, daß nicht alle Metall-Boride, -Carbide, -Nitride, -Silizidc und -Oxide gleich gute elektrische Eigenschaften aufweisen.

Aus der Deutschen Offcnlegungsschrift 2 057175 ist ein Verfahren zum Aufbringen von Metallüberzügen auf .Stahlplatten bekannt, bei dem eine Beschichtung mit einem Schlamm des Metallpulver erfolgt, welcher anschließend getrocknet, gewalzt und wärmcbehandelt wird. Durch die Verwendung von Wasser anstelle von organischen Lösungsmitteln als Dispersionsmittel sollen Feuersgefahren und die Bildung giftiger Gase verhindert werden. Für den Korrosionsschutz sind bei diesem Verfahren Additive notwendig.

Aus Üem britischen Patent 539 846 ist es bekannt, einen Kontaktträger aus Wolfram oder Molybdän mit einer Rhodiumschicht zu versehen. Die Rhodiumschicht kann in Form einer fcinvcrtciltcs Rhodium enthaltenden Paste auf den Kontaktträger aufgedruckt werden. Zur Erzielung einer guten Verbindung zwischen Wolfram oder Molybdän und der Rhodiumschicht wird ein Teil des Rhodiums in das Wolfram oder Molybdän cindiffundicit

Pns feinpulvrige Rhodium kann auch mittels einer geeigneten Presse in die Oberfläche des Wolfram- oder MalyMänkörpers eingepreßt werden. Dieses Verfahren liefert eine Rhodiumschicht, bei der die kömige Struktur des Ausgangsmatcrials erhalten bleibt, d. h. eine Rhodiumschicht mit inhomogenem Autbau. Solche Schichten bcsiteen keine ausreichende Duktilität, so daß die .beschichteten Körper praktisch nicht nachverformt werden können. Dieses Verfahren ist daher ebenfalls in seinem Anwendungsbereich außerordentlich eingeengt, weil es to wegen der mangelnden Nachverformbarkett nur tür vorgefertigte Koniaktstücke benutzt werden kann. Darüber hinaus resultieren aus der kömigen, d. h. inhomogenen, Struktur der Rhodiumschicht eine ungleichmäßige Stromdichte in dieser Schicht, was eine Erhöhung des Kontakt- Übergangswiderstandes bedingt, und eine verminderte Abriebfestigkeit. Zudem führt die kömige Struktur der Rhodiumschicht zu einer in sich stark schwankenden Schichtdicke, wodurch die Lebensdauer solcher Kontakte erheblich vermindert wird. *

Aus der Herstellang von Dickfilm-Schaltkreisen ist es bekannt, auf einen keramischen Träger im Siebdruckverfahren durch eine Schablone Widerstands- und Leiterbahnen und andere Schaltkreiselemente aufzudrucken. Hierbei werden Pasten benutzt, die neben einer Metallkomponente noch eine die Verbindung mit dem keramisehen Träger vermittelnde Fritte enthalten. Deshalb eignen sich solche Pasten nicht zur Beschichtung eines Metallkörpers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Vormaterials für elektrische Kontakte, insbesondere Steckkontakte, zu schaffen, um auf einen Metallkörper aus einem Kontalafcderwerksvoff einen Kontaktwerkstoff in dünner Schichtdicke partiell aufzubringen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Vormaterials für elektrische Kontakte, insbesondere Steckkontakte, gemäß dem auf einem metallischen Träger; wie Kupfer ein Kontaktwerkstoff aus wenigstens einem Edelmetall, einer Edelmetall-Legierung, c/icm Gemisch aus Edelmetall oder einer Edelmetall-Legierung mit einem Borid, Carbid, Nitrid, Silizid und/oder Oxid, das mit den anderen Gemischbestandteilen keinen glasartigen Werkstoff bildet, partiell aufgebracht wird, worauf der beschichtete Träger einer Druck- und Wärmebehandlung unterworfen wird.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe besteht ' darin, daß der fcinteiügc Kontaktwerkstoff in bekannter Weise mit einem Siebdruckmittel zu einer Paste verarbeitet wird, die Paste im Siebdruckverfahren in einer Schichtdicke von mindestens 20 um auf den Träger aufgetragen und durch Austreiben des Siebdruckrr.ittcls in inerter oJer reduzierender Gasatmolphäre vorverdichtet wird, worauf die vorverdichtete Kontaktwerkstoffschicht entweder angcsintcrt und gewalzt oder durch teilweises Schmelzen aufcine Schichtdicke überO^nm nachverdichtet wird. In der Paste muß der auf den Metallkörper aufzubringende Schichtwerkstoff in so fein verteilter Form vorliegen, daß er mühelos die Maschen des Drucksiebes passieren kann. Das ist dann gewährleistet, wenn die Schichtwcrkstofftcilchen eine Korngröße von weniger als 5(Vmbesitzen.BcvorzugtwerdenSchichtwerkstoffteilchen benutzt, deren Korngröße im Bereich von etwa 1 bis 5 um liegt Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, als metallische Schichtwerkstoff schuppenformige Pulverteilchen zu verwenden. Als Siebdruckmittel, mit denen die feintei- . ■ ligen Schichtwerkstolte zu einer Paste angerührt werden, können beispielsweise Lösungen von Kunstharzen verwendet werden. Damit die Paste auf dem Drucksieb go· nügend lange drucUfBhig bleibt, darf das Kunstharzlösungsmittel nicht zu flüchtig sein; dor Siedepunkt des Lösungsmittels sollte daher über IiO⁰C liegen. Das Kunstharz samt Lösungsmittel muß sieb beim Erhitzen unter Luftausschluss möglichst vollständig und rückstandsfrei verflüchtigen, damit keine unerwünschten Einschlüsse in der aufgebrachten Schicht zurückbleiben. Als geeignet haben sich Kunstharze auf Polyacrylat-Basis erwiesen.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf. Es lassen sich elektrische Kontakte herstellen, die an vorgegebenen Stellen mit einer gewünschten Beschichtung versehen sind. Durch dieses partielle Aufbringen entstehen keine Verluste an hochwertigem Beschichtungswerkstoff. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet, eine gegenüber dem Stand der Technik größere Auswahl an Werkstoffzusammensetzungen für die Beschichtung zu verwenden. Die erfindungsgemäß aufgebrachte Schicht enthält keine Lösungsmittel- oder Oxideinschlüsse meh.'. Die homogene Struktur der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Schicht weist den Vorteil auf, daß sich im Betrieb der elektrischen Kontakte eine gleichmäßige Stromdichte in dieser Schicht ergibt, was eine Herabsetzung des .Contaktwiderstands zur Folge hat und damit eine erhöhte Lebensdauer.

? Kontaktwerkstoffe zu stellenden Anforderungen, 'die sich zum Teil sogar widersprechen, lassen sich am besten durch eine größere Auswahl an Schichtwerkstoffen erfüllen, wie sie durch das erfindungsgemäße Verfahren gegeben ist. Neben dem mechanischer. Verschleiß ist bei Kontakten auch der elektrische Verschleiß, z. B. durch Abbrand und Materialwanderung,zu beachten, ferner der Kontaktwiderstand und seine Veränderung infolge von Fremdschichten, wie gegebenenfalls Oxid-Schichten, sowie die Neigung bestimmter Kontaktwerkstoffe zum Kleben und Schweißen oder Prellen und Flattern. Von größter Bedeutung für die Auswahl der Kontaktwerkstoffe sind die beim Einsatz der Kontakte zu erfüllenden Schaltbedingungen. Die Schaltbedingungen wiederum sind von ausschlaggebender Bedeutung für die Lebensdauer der Kontakte. Um eine hohe Lebensdauer zu gewährleisten, werden für die erfindungsgemäß hergestellten Kontakte edelmetallhaltige Schichtwerkstoffe verwendet Hierdurch kann der Kontaktwiderstand nahezu konstant gehalten werden bzw. der Spannungsabfall ist gering und kontinuierlich. Je höher der Anteil der Edelmetalle an den KontaktwcrkstofTen ist, um so mehr nimmt ihre elektrische und thermische Leitfähigkeit zu und um so weniger neigt ihre Oberfläche zur Bildung von Fremdschichten, z. B. durch Oxidation, welche eine Erhöhung des Kontaktwiderstandes verursachen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch t.as Sintern das Siebdruckmittel ausgetrieben und die aufgedruckte Schicht vorverdichtet Das Sintern erfolgt in inerter oder reduzierender Gasatmosphäre, um eine Oxidation des aufgedruckten Werkstoffes und/oder des Metallkörpers zu vermeiden, auf den die Schicht aufgedruckt ist. Pie Sintertemperatur liegt in vieler» AnwendungsfäUen über 500⁰C. Durch das Nachverdichten der gesinterten Schicht durch Walzen erhält man dann eine homogene, duktile Übcrzugsschicht gleichmäßiger Dicke, die auch eine Nachverformung gestattet

Die Dicke der nach dem erfindungsgemüßen Ver fahren hergestellten Überzugsschicht hängt von dem Feststoffgehalt der Siebdruckpastc an Schichtwerkstoff, von der Dicke der Siebdruckschablone und vom Grad der Nachverdichtung ab. Die Dicke der ÜhJ

liegt im allgemeinen zwischen 2 und lOjim. Durch Mchrfachbcschichtung können auch höhere S.chichUlicken erzielt werden. Dabei wird auf die erste aufgedruckte Pastenschicht nach wenigstens teilweiscr Austreibung dos Sicbdruckmittels dieser ersten Pastenschicht oder nach der Nachverdichtung der ersten Pastenschicht eine weitere Pastenschicht nach dem erfindungsgcniäikn Verfahren aufgebracht. In analoger Weise können auf diese weitere Pastenschicht noch je nach Erfordernis zusätzliche Schichten aufgebracht werden. Dabei können alle Schichten aus dem gleichen Werkstoff bestehen. Das erfindungsgemäße Verfahren gestaltet es aber, auch Schichten unterschiedlicher Werkstoffzusammensetzung übereinander auf den Metallkörper aufzubringen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß keine Verluste an Beschichtungswerkstoff entstehen, wirkt sich besonders aus, weil eine ein Edelmetall oder eine Edelm'etall-Legierung oder ein sehr teueres Uneddmetall oder eine Unedclmctall-Lcgierung enthaltende Paste auf einen Metallkörper aufgedruckt wird, selbst w«nn die Paste noch andere Komponenten wie ein Borid. Carbid, Nitrid, Silizid und/oder Oxid, das mit den anderen Pastenkomponenten (Gemischkomponenten) keinen glasartigen Werkstoff bildet, zusätzlich enthält.

Als Metallkörper aus Kontaktfederwerkstoff haben sich insbesondere Mctallbändcr bewährt, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nur an vorbestimmten diskreten Stellen mit einer KontaktwerkstolTschicnt versehen werden. Aus dem partiell beschichteten Metallband werden dann dtrch Ausstanzen und Nach verformen die gewünschten elektrischen Kontakte hergestellt. Mittels des erfiPdungsgcmäßen Verfahrens können in vorteilhafter Weise auch Kontaktwerkstoffschichten aus Ag/CdO auf einen Metallkörper aufgebracht werden. Zu diesem Zweck wird eine Paste im Siebdruckverfahreri aufgedruckt, die feinteiliges Silber und Kadmiumoxid enthält.

Anhand des nachfolgenden Beispiels wird die Herstellung einer Kontaktschicht aus einer AgPd30-Legierung auf einem Kupferträger erläutert:

Es werden 26 Teile schuppenfbrmigcs Paiiadiumpulver und 60 Teile schuppenförmiges Silberpulver - die Dicke der schuppenförmigen Teilchen betrug etwa 1 um, ihr Durchmesser war kleiner als 15 um - mit 14 Teilen eines Siebdruckmittels, das aus einer zehnprozentigen Lösung eines Polymethacrylats in TerpineoJ besteht, zu einer Siebdruckpaste angerührt. Die fertige Paste wird durch eine Siebdruckschablone aus einem P^yamidgewebe mit 77 Fäden/cm in Form eines Streifens auf ein Kupferblech gedruckt Nach dem Trocknen bei 125°C wird das bedruckte Kupferblech 30 min lang in Formiergas (unbrennbares Gasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff) auf 700⁰C erhitzt. Aus der aufgedruckten Schicht entweicht während dieser Wärmebehandlung das Siebdruckmittel rückstandslos. Nach dieser Wärmebehandlung ist die aufgedruckte Schicht fest an das Kupferblech angesintert. Sie wird dann durch Walzen nachverdichtet Durch röntgenographische Untersuchung wurde festgestellt,daß eine homogene, duktile AgPdSO-Kontaktschicht auf dem Kupferblech vorliegt Die Härte dieser nach dem erfindungsgcmiißen Verfahren hergestellten AgPd30-Kontaktschicht entspricht dem für diese Legierung bekannten üblichen Wert.

Anhand der Figuren werden das erfindungsgemäße. Verfahren und damit hergestellte Produkte erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch das erfindungsgcmäße Aufbringen von Beschichtungen auf ein Metallband, F i g. 2Λ bis 2 D im Querschnitt jeweils ein Teilstück

• o eines erfindungsgemäß beschichteten Bandes nach vorbestimmten Stufen des Herstellungs-Verfahrcns,

F i g. 3 in Ansicht einen elektrischen Kontakt mit crfindungsgemäß aufgebrachter Beschichtung.

Die Beschichtung eines Bandes ist schematisch in F i g. 1

iS dargestellt. Das Metallband 8 wird von einer Vorratsrolle 1 abgewickelt. Es durchläuft dann zunächst die schematisch dargestellte Sicbdruckanlage 2. Nach dem Aufdrucken des pastenförmige^ Werkstoffes läuft das beschichtete Metallband unter einer Trocknungsvorrichtung 3 hindurch, die Infrarotstrahler 9 aufweist. Durch die Bestrahlung mit Infrarotstrahlen wird das Siebdruckmittel teilweise ausgetrieben. Danach durchläuft das Band einen Sinterofen 4 mit elektrischer Heizung 7, in dem dann die aufgedruckte Werkstoffschicht durch völliges Austreiben des Siebdruckmittcls vorverdichtet wird. Im Anschluß daran durchläuft das Band die Walzen 5. Dort wird die vorverdichtete aufgedruckt« Schicht zu einer homogenen Schicht nachverdichtet. Anschließend wird das Band auf einer Aufwickelvorrichtung 6 aufgewickelt.

Die F i g. 2A bis 2 D zeigen im Querschnitt Teilstückc des Bandes, wie es an den ir. F i g. I mit A bis D angedeuteten Stellen aussieht. F i g 2A stellt eine Ansicht des Bandes dar, wie es von der Vorratsrolle 1 in die Siebdruckanlagc 2 einläuft. Es weist also noch keine Schicht auf. Fig. 2B zeigt ein Tcilstück eines, Bandes nach Durchlaufen der Sicbdruckanlage. Der aufgedruckte pastenförmige Werkstoff ist mit 10 bezeichnet. Fi g. 2 C zeigt den Querschnitt des Bandes, nachdem es die Trocknungsvorrichtung 3 und den Sinterofen 4 durchlaufen hat. Die dann vorliegende vorverdichtete aufgedruckte Werkstoffschicht ist mit 11 bezeichnet. Fig. 2D zeigt den Querschnitt des Bandes, nachdem es dh Walzen 5 durchlaufen hat und nachverdichtet ist. Die nach verdichte'ε aufgedruckte Schicht ist mit 12 bezeichnet.

In Fig. 3 ist eine Ansicht eines elektrischen Kontaktes 13 mit erfindungsgemäßer Beschichtung 12 dargestellt

Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß das erfindun»sgernäße Verfahren in sehr einfacher und materialsparender Weise es ermöglicht, ein Metallband an einer vorgegebenen Stelle mit einer gewünschten Beschichtung zu versehen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sogar vorteilhafterweise für die automatische Herstellung elektrischer Kontakte benutzt werden. In diesem Fall wird nach den Walzen 5 das Band nicht aufgewickelt, sondern einer üblichen Stanz- und gegebenenfalls einer Verformungsvorrichtung zugeführt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (7)

1. Patentansprüche:

   Ij Verfahren zur Herstellung eines Vbrmaterials für elektrische Kontakte, insbesondere Steckkontakte, gemäß dem auf einen metallischen Träger, wie Kupfer, ein Kontaktwerkstoff aus wenigstens einem Edelmetall, einer Edelmetall-Legierung, einem Gemisch aus Edelmetall oder einer Edelmetall-Legierung mit einem Borid, Carbid.Nitrid,Suizid und/oder Oxid, das mit den anderen Gemischbestandteilen keinen glasartigen Werkstoff bildet, partiell aufgebracht wird, worauf der beschichtete Träger einer Druck- und Wärmebehandlung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet,daß der feintciligc Kontaktwerkstoff in bekannter Weise mit einem Siebdruckmittel zu einer Paste verarbeitet wird, die Paste im Siebdruckverfahren in einer Schichtdicke von mindestens20pmaufdenTrägeraufgetragenunddurch Austreiben des Siebdruckmittels in inerter oder reduzierender Gasatmosphäre vorverdichtet wird, worauf die vorverdierü-ne Kontaktwerkstoffschicht entweder angesintert und gewalzt oder durch teilweises Schmelzen auf eine Schichtdicke über 0,5 pm nachverdichtet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kontaktfederwerkstoff ein bandförmiger Metallkörper verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Silber und Cadmiumoxid enthaltende Paste aufgedruckt wird.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, ciu3 auf eine erste aufgedruckte Pastenschicht wenigstens eine weitere Pastenschicht nach der teiiweisen Austreibung cics Sieb= druckmittel* der ersten Pastiinsc' icht oder nach der Nachverdichtung der ersten Pasienschicht aufgedruckt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Pastenschicht eine von einer vorher aufgedruckten Pastenschicht im Werkstoff abweichend zusammengesetzte Werkstoffschicht aufgebracht wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Paste zusätzlich Unedelmetall zugesetzt wird.
7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der partiell auf dem Kontaktträgerwerkstoff aufgebrachten Kontaktwerkstoffschicht zwischen 2 und 10 |irn gewählt wird.