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Verfahren zum Herstellen von Zweischichten-Kontaktstücken als Formteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Zweischichten-Kontakt stücken
mit einer abbrandarmen Kontaktschicht und einer lötbaren und/oder schweißbaren Trägerschicht,
wobei auf einer ersten aus einem hochschmelzenden Metallpulver, einer Mischung von
hochschmelzenden Metallpulvern oder einem Jeweils hochschmelzenden Legierungs- und/oder
Metallverbindungspulver bestehende Schicht eine zweite aus einem jeweils niedrigschmelzenden
Metall- oder Legierungspulver bestehende Schicht aufgebracht wird, daß zunächst
die erste Schicht gepreßt wird, daß dann beide Schichten gleichzeitig zu einem Formkörper
verdichtet werden und dieser Formkörper oberhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffes
der zweiten Schicht unter Schutzgas, in Inertgas oder im Vakuum wärmebehandelt wird,
daß infolge der bemessenen Pulvermenge der zweiten Schicht die Poren der ersten
Schicht praktisch vollständig getränkt werden und die Trägerschicht gebildet wird.
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Bei der Herstellung von Kontaktstücken besteht eine Schwierigkeit
darin, einen Kontaktwerkstoff herzustellen, der neben einem möglichst kleinen Abbrand
im Lichtbogen auch eine kleine SchweiB-kraft beim Schalten von Kurzschlußströmen
aufweist, damit die Kontaktstücke unter diesen Schaltbedingungen nicht verschweißen.
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Weiterhin soll die Schaltkammer nach Nennstrom- und Kurzschlußschaltungen
hochspannungsfest sein, Die geschlossenen Kontaktstücke sollen ferner einen niedrigen
Kontaktwiderstand haben, damit die Erwärmung bei Dauernennstrom nicht zu hoch ansteigt.
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Außerdem soll das Kontaktstück mit dem Trägermetall sicher verbunden
werden können. Darüber hinaus sollen die Kontaktstücke in großen Stückzahlen möglichst
wirtschaftlich hergestellt werden können. Bei derartigen Verbundwerkstoffen ist
es schwierig, mit wirtschaftlichem Fertigungsaufwand die obengenannten Zweischichtenkontakte
als Fertigformteile herzustellen. Um einen kleinen Abbrand im Lichtbogen zu erzielen,
soll der Kontaktwerkstoff eine möglichst kleine Porosität aufweisen. Ein kleiner
Abbrand wird
erzielt durch Kombination eines hochschmelzenden Metalls,
z.B.
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Wolfram, mit einem niedrigschmelzenden Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit,
z.B. Silber.
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Es ist bekannt, aus zwei verschiedenen Pulverschichten durch Aufeinanderfüllen
und Pressen einen Zweischichten-Preßkörper herzustellen, der unter der Schmelztemperatur
beider Schichten zu einem Zweischichten-Sinterkörper gesintert wird ("Pulvermetallurgie
elektrischer Kontakte", Springer-Verlag Berlin, 1964, S.148/149 und S.211 bis 213;
"Gesinterte mehrschichtige Fertigformkontakte", Siemens-Zeitschrift 36, 1962, S.804
bis 808). Da die Verzahnung der beiden Pulverschichten in der Größe der Pulverteilchen
liegt, kann durch Einebnen der ersten Schicht bzw. Vorpressen dieser Schicht eine
ebenere Berührungsfläche zwischen beiden Schichten erreicht werden.
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Weiterhin ist die Sinter-Tränktechnik bekannt. Hierbei wird aus der
höher schmelzenden Komponente ein Gerüst gepreßt und gesintert und ein zweiter Preßkörper
aus einer niedriger schmelzenden Komponente in einer zweiten Wärmebehandlung, im
sogenannten Tränkvorgang, dem Gerüst auf- oder untergelegt, wobei es nach dem Aufschmelzen
des zweiten Preßkörpers zu einer Tränkung des Gerüstes kommt. Bei dieser Technik
entsteht ein Durchdringungs-Verbundmetall (z.B. WCu) als Einschichtenkontaktstück.
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Zur Verringerung der Handarbeitszeiten ist ebenfalls bekannt, einen
Zweischichten-Preßkdrper mit einer niedriger schmelzenden Schicht oberhalb der Schmelztemperatur
dieser Schicht zu erhitzen und damit die erste Schicht zu tränken. Auch hier entsteht
ein Einschi¢hten-Durchdringungs-Verbundmetall. Bei Verwendung von Tränküberschuß
mußte bisher bei dieser Technik der unregelmäßig anhaftende Überschuß des Tränkmetalls
spangebend nachbearbeitet werden (deutsche Auslegeschrift 2 018 642).
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Aus der US-PS 3 359 623 ist die Herstellung von Zweischichten-Kontakt
stücken mit einer abbrandarmen Kontaktschicht und einer schweißbaren Trägerschicht
bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren erfolgt die Herstellung des Zweischichten-Kontakestückes
durch
Verdichten einer ersten aus einem jeweils niedrigschmelzenden
Metall- bzw. Legierungspulver bestehenden Schicht, nachfolgendes Verdichten einer
auf der ersten Schicht aufgebrachten zweiten Schicht aus einem hochschmelzenden
Metallpulver, einer Mischung von hochschmelzenden Metallpulvern oder einem jeweils
hochschmelzenden Legierungs- und/oder Metallverbindungspulver und anschließende
Wärmebehandlung des durch das Verdichten gebildeten Formkörpers oberhalb der Schmelztemperatur
des Werkstoffs der ersten Schicht.
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Die Pulvermenge der ersten Schicht ist hierbei so bemessen, daß die
Poren der zweiten Schicht praktisch vollständig getränkt werden und die schweißbare
Trägerschicht gebildet wird. Bei diesem bekannten Verfahren kann der Formkörper
auch durch getrenntes Einfüllen der Pulver der beiden Schichten in den Füllraum
einer Presse und gleichzeitiges Verdichten der beiden Pulver hergestellt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Verfahren
dahingehend zu verbessern, daß beim Herstellen von Zweischichten-Kontaktstücken
kein nachträglicher Zerspanungsprozeß erforderlich ist.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß sowohl
beim Verdichten der ersten Schicht als auch beim Verdichten zum Formkörper ein Oberstempel
mit profilierter Preßfläche in Form regelmäßiger Vertiefung verwendet wird und daß
der Formkörper vor der Wärmebehandlung mit der profilierten zweiten Schicht auf
einer profilierten Keramikplatte mit regelmäßigen Vertiefungen angeordnet wird.
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Zur Bildung der Trägerschicht eignen sich z.B. Silberpulver, Kupferæ
pulver oder ein Silber- oder Kupfer-Legierungspulver und zur Bildung der Kontaktschicht
ein Pulver aus einem der Metalle Wolfram, Molybdän, Rhenium, einer Mischung dieser
Metallpulver, einer intermetallischen Verbindung oder Legierung dieser Metalle.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und von Ausführungsbeispielen
erläutert.
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In den Fig. 1 bis 7 ist das Herstellen eines Zweischicmhten-tormkörpers
schematisch dargestellt.
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Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird in den zylindrischen Füllraum
der Matrize 1 zur Bildung der Kontakt schicht eine Pulverschicht 3 aus dem hochschmelzenden
Metallpulver gefüllt. Mit 23 ist der obere PreBstempel mit der profilierten Preßfläche
24 und mit 16 der untere Preßstempel mit der Konkavenpreßfläche bezeichnet. Wie
in Fig. 2 gezeigt ist, wird die Pulverschicht mit dem profilierten Oberstempel 23
zu dem Preßkörper 3' verdichtet. Darauf wird oberhalb des Preßkörpers 3' eine zweite
Schicht 2 mit dem Pulver aus dem niedrigschmelzenden Metall angefüllt (Fig.3). Fig.
4 zeigt wie beide Schichten mittels der Stempel 23 und 16 zu einem Zweischichten-Formkörper
28 verdichtet werden. Fig. 5 zeigt diesen Zweischichten-Formkörper 28 nach dem Ausstoßen
aus der Matrize. Nach dem zweiten Preßvorgang bleiben die regelmäßigen Vertiefungen
in der Kontaktschicht 3' erhalten und sind von dem aufgepreßten Metallpulver aus
dem niedrigschmelzenden Metall der Trägerschicht 2' ausgefüllt.
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Der Formkörper 28 wird nun, wie in Fig. 6 gezeigt ist, mit der Träger
schicht 2' auf einer profilierten Keramikplatte 9 angeordnet, die eine profilierte
Oberfläche mit regelmäßigen Vertiefungen 10 besitzt.
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Nach der Wärmebehandlung oberhalb der Schmelztemperatur der niedrigschmelzenden
Trägerschicht entsteht, wie in Fig. 7 gezeigt, ein Zweischichten-Kontaktstück als
Formteil i, das in seiner Kontaktschicht 11 aus dem hochschmelzenden Gerüst besteht,
dessen Poren mit der niedrigschmelzenden Komponente praktisch vollständig getränkt
sind und auf der aufliegenden Kontaktstückseite eine zweite Schicht 2" aus dem Trägermetall
besitzt. Die Profilierung 10 der Keramikplatte 9 bewirkt die gleichmäßige Aufteilung
des Trägermetalls nach dem Aufschmelzen und Tränken des porenhaltigen Gerüstes auf
der Kontaktstückunterseite.
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Das nachfolgende Beispiel soll dieses Verfahren näher erläutern.
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Beispiel Zur Herstellung eines Zweischichten-Kontaktstückes mit einer
Kontaktschicht aus Wolfram-Silber (WAg) und einer Trägerschicht aus Silber (Ag)
als Fertigformteil wird wie folgt verfahren: In einer Preßmatrize aus Stahl wird
eine Schicht aus Wolfram pulver der
Teilchengröße L45 Rm, das durch
Reduktion aus WO3 gewonnen wurde, gefüllt und mit einem wabenförmig profilierten
Ober-2 stempel mit 4 Mp/cm2 verdichtet. Der Wolframpreßkörper hat eine Dichte von
12,6 g/cm3, entsprechend einem Raumerfüllungsgrad von 0,655. Der Füllraum oberhalb
des Wolframpreßkörpers wird so eingestellt, daß die darüber gefüllte Schicht aus
Elektrolysesilberpulver der Teilchengröße < 37 Rm zur Porenfüllung ausreicht
und eine zweite Schicht der Dicke 0,3 mm 2 bildet. Die beiden Schichten werden gemeinsam
mit 4 Mp/cm2 zu einem Zweischichten-Formkörper zusammengepreßt. Nach dem Ausstoßen
wird der kantenfeste Formkörper mit der Silberschicht nach unten auf eine profilierte
Keramikplatte gelegt, deren Oberfläche regelmäßige wabenförmige Vertiefungen der
Fläche 2 . 2 mm2 und der Tiefe 0,5 mm besitzt. Die darauffolgende Wärmebehandlung
erfolgt in Wasserstoff bei 110O0C im Durchstoßofen. Die mittlere Verweilzeit in
der temperaturkonstanten Zone beträgt etwa 60 Minuten. Nach dem Abkühlen des wärmebehandelten
Kontaktstückes zeigt dies ein praktisch porenfreies Gefüge in der WAg-Kontaktschicht;
auf der Silberträgerseite sind die in die Kontaktschicht eingepreßten Vertiefungen
mit Silber ausgefüllt.
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Die Silberschichtdicke liegt zwischen 0,1 und 0,5 mm. Die größte Schichtdicke
von 0,5 mm wird an den tiefsten Stellen der Vertiefungen erreicht. Die Oberfläche
der WAg-Kontaktschicht ist mit einer sehr dünnen glänzenden Silberschicht überzogen,
und zwar mit einer Schichtdicke C 5 m.
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Nachfolgend sind die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens nochmals
zusammenfassend aufgezeigt.
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Bisher bestand die Meinung, daß mit der bekannten Sinter-Tränktechnik
keine Zweischichten-Fertigformkontaktstücke innerhalb der Feintoleranz nach DIN
7151 erhalten werden können. Es war daher überraschend, daß es bei der Kombination
der Zweischichten-Preßtechnik mit der Sinter-Tränktechnik durchaus möglich ist,
Zweischichten-Formteile herzustellen, bei denen sogar auf die übliche Nachpreßtechnik,
die zur Erzielung enger Endtoleranzen angewendet wird, verzichtet werden kann.
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Bisher waren für Tränkwerkstoffe zwei Vorgänge erforderlich. Im ersten
Preßvorgang wurde ein Gerüst nach dem Sintern dieses Gerüst in einer zweiten Wärmebehandlung
mit einer vorgegebenen Tränkmenge in Form eines zweiten Preßkörpers getränkt. Beim
erfindungsgemäßen Verfahren ist nur ein Preßvorgang und in Sonderfällen ein zusätzlicher
Zwischenpreßvorgang erforderlich.
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Das neue Verfahren bietet die Möglichkeit der Herstellung eines Zweischichten-Durchdringungsverbundwerkstoffes
in einer einzigen Wärmebehandlung (T oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls
der Trägerschicht).
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Ein weiterer Vorteil besteht in der Einsparung einer kostspieligen
Nachbearbeitung. Während die bisherigen Durchdringungsverbundmetalle nach der üblichen
Tränktechnik mit einem Tränküberschuß arbeiten mußten, traten auf der Tränkseite
Unregelmäßigkeiten der Oberfläche durch diesen Tränküberschuß auf. Die endgültige
Form konnte nur durch spangebende Bearbeitung dieser Flächen erreicht werden. Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dagegen die Tränkmenge als zweite Schicht des
Formpreßkörpers so dosiert, daß nach der Wärmebehandlung die flüssige Phase der
Trägerschicht als überwiegender Teil durch das poröse Gerüst aufgesaugt wird und
nur ein Teil des Überschusses der Trägerschicht eine praktisch ebene einwandfrei
lötbare Fläche als zweite Schicht auf dem Kontaktstück verbleibt.
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Ein anderer wesentlicher Fortschritt wurde durch die sehr wirtschaftliche
Herstellungsmethode (nur ein Preßvorgang - eventuell ein Zwischenpreßvorgang - und
nur eine Wärmebehandlung bei der Kontaktstückherstellung) erreicht. Dadurch können
derartige Kontaktstücke zu niedrigen Herstellungskosten gefertigt werden. Eine zusätzliche
Kosteneinsparung wird dadurch erzielt, daß die Zweischichten-Kontaktstücke als Formteile
nicht mehr spangebend bearbeitet werden müssen.
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Außerdem wird durch das Verfahren gemäß der Erfindung eine Ausschußrate
vermieden, die bei der üblichen Sintertränktechnik auftritt. Bei dieser Technik
werden die gesinterten Preßkörper aus der Kontaktschicht auf oder unter einen Preßkörper
aus dem Tränkmetallpulver gelegt. Die aufeinandergelegten Teile werden durch einen
Durchlauf-
oder Durchschubofen geleitet. Durch die dabei auftretenden Erschütterungen verrutscht
ein Teil gegeneinander, wodurch ein Ausschuß infolge von Fehltränkungen entsteht.
Dieser Fehler kann auch durch Verwendung von Keramikformteilen nicht sicher vermieden
werden.
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Bei zu enger Keramikpassung steigt das Tränkmetall zwischen die Keramikringe
und Kontaktteile, so daß keine Formteile mehr erhalten werden. Dagegen werden beim
Verfahren gemäß der Erfindung diese Fehler vermieden. Vor allem bei größeren, hohen
Kontaktstücken und bei kleinen Kontaktstücken zeigt sich der erhebliche Vorteil
des erfindungsgemäßen Verfahrens.