DE2166925C3

DE2166925C3 - Verfahren zum Herstellen von Zweischichten-Kontaktstücken als Formteil

Info

Publication number: DE2166925C3
Application number: DE19712166925
Authority: DE
Inventors: Bernhard 8500 Nürnberg Rothkegel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-09-01
Filing date: 1971-09-01
Publication date: 1985-01-31
Also published as: DE2166925A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Zweischichten-Kontaktstücken 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.

Bei der Herstellung von Kontaktstücken besteht eine Schwierigkeit darin, einen Kontaktwerkstoff herzustellen, der neben einem möglichst kleinen Abbrand im Lichtbogen auch eine kleine Schweißkraft beim Schalten von Kurzschlußströmen aufweist, damit die Kontaktstücke unter diesen Schaltbedingungen nicht verschweißen. 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. 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. Wolfram, mit einem niedrigschmelzenden Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit, z. B. Silber.

Es ist bekannt, aus zwei verschiedenen Pulverschichten durch Aufeinanderfüllen und Pressen eines Zweischichten-Preßkörper herzustellen, der unter der Schmelztemperatur beider Schichten zu einem Zweischichten-Sinterkörper gesintert wird (»Pulvermetallurgie elektrischer Kontakte«, Springer-Vet !ag 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.
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.

Zur Verringerung der Handarbeitszeiten ist ebenfalls bekannt, einen Zweischichten-Preßkörper mit einer niedriger schmelzenden Schicht oberhalb der Schmelztemperatur dieser Schicht zu erhitzen und damit die erste Schicht zu tränken. Auch hier entsteht ein Einschichten-Durchdringungs-Verbundmetall. Bei Verwendung von Tränküberschuß mußte bisher bei dieser Technik der unregelmäßig anhaftende Überschuß des Tränkmetalls spangebend nachbearbeitet werden (deutsche Auslegeschrift 20 18 642).

Aus der US-PS 33 59 623 ist die Herstellung von Zweischichten-Kontaktstücken mit einer abbrandarmen Kontaktschicht und einer schweißbaren Trägerschicht bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren erfolgt die Herstellung des Zweischichten-Kontaktstükkes 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 hochschmelzcnden 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 Werk-

Stoffs der ersten Schicht 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 de? beiden Schichten in den Füllraum einer Presse und gleichzeitiges Verdichten der beiden Pulver hergestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Verfahren dahingehend zu verbessern, daß beim Herstellen von Zweischichten-Kontaktstücken kein nachträglicher Zerspanungsprozeß erforderlich ist

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.

Zur Bildung der Trägerschicht eignen sich z. B. Silberpulver, Kupferpulver 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.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und von Ausführungsbeispielen erläutert.

In den Fig. 1 bis 7 ist das Herstellen eines. Zweischichten-Formkörpers schematisch dargestellt.

Wie in F i g. 1 dargestellt ist, wird in den zylindrischen Füllraum der Matrize 1 zur Bildung der Kontaktschicht eine Pulverschicht 3 aus dem hochschmelzenden Metallpulver gefüllt. Mit 23 ist der obere Preßstempel mit der profilierten Preßfläche 24 und mit 16 der untere Preßstempel mit der konkaven Preßfläche bezeichnet. Wie in F i g. 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. Der Formkörper 28 wird nun, wie in F i g. 6 gezeigt ist, mit der Trägerschicht 2' auf einer profilierten Keramikplatte 9 angeordnet, die eine profilierte Oberfläche mit regelmäßigen Vertiefungen 10 besitzt. Nach der Wärmebehandlung oberhalb der Schmelztemperatur der niedrigschmelzenden Trägerschicht entsteht, wie in F i g. 7 gezeigt, ein Zweischichten-Kontaktstück als Formteil 32, 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 tO der Keramikplatte 9 bewirkt die gleichmäßige Aufteilung des Trägermetalls nach dem Aufschmelzen und Tränken des porenhaltigen Gerüstes auf der Kontaktstückunterseite.

Das nachfolgende Beispiel soll dieses Verfahren näher erläutern.

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 Wolframpulver der Teilchengröße <45 μιη, das durch Reduktion aus WO3 gewonnen wurde, gefüllt und mit einem wabenförmig profilierten Oberstempel 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 Elektroiysesilberpulver der Teilchengröße < 37 μπι zur Porenfüllung ausreicht und eine zweite Schicht der Dicke 0,3 mm 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. 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 < 5 μιη.

Nachfolgend sind die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens nochmals zusammenfassend aufgezeigt. 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 überrachend, daß es bei der Kombination der Zweischichten-Preßtechnik mit der Sinter-Tränktechnik durchaus möglich ist, Zweischichten-Formteile herzustellen, bei denen sogar auf die übliche Nachpreßtechn'k, die zur Erzielung enger Endtoleranzen angewendet wird, verzichtet werden kann.

Bisher waren für Tränkwerkstoffe zwei Vorgänge erforderlich. Im ersten Preßvorgang wurde ein Gerüst hergestellt und 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.

Das neue Verfahren bietet die Möglichkeit der Herstellung eines Zweischichten-Durchdringungsverbundwerkstoffes in einer einzigen Wärmebehandlung (T oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls der Trägerschicht).

Ein weiterer Vorteil besteht in der Einsparung einer kostspieligen Nachbearbeitung. Weil bei den bisherigen Durchdringungsverbundmetallen nach der üblichen Tränktechnik mit einem Tränküberschuß gearbeitet werden mußte, traten auf der Tränkseite Unregelmäßigkeiten der Oberfläche durch diesen Tränküberschuß auf. Die endgültige Form konnte nur durch spangeben-

de Bearbeitung dieser Flächen erreicht werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dagegen die Tränkmenge als zweite Schicht des Formpreßkörners so dosiert, daß nach der Wärmebehandlung die flüssige Phase der Trägerschicht zum überwiegenden 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 bildet.

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 mit niedrigen Herstellungskosten gefertigt werden. Eine zusätzliche Kosteneinsparung wird dadurch erzielt, daß die Zweischichten-Kontaktstücke als Formteile nicht mehr spangebend bearbeitet werden müssen.

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 Anwendung von Keramikformteilen nicht sicher vermieden werden. 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Zweischichten-Kontaktstücken 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 Werkstoffs 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, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl beim Verdichten der ersten Schicht (3) als auch beim Verdichten zum Formkörper (28) ein Oberstempel (23) mit profilierter Preßfläche in Form regelmäßiger Vertiefungen (24) verwendet wird und daß der Formkörper (28) vor der Wärmebehandlung mit der profilierten zweiten Schicht (2') auf einer profilierten Keramikplatte (9) mit regelmäßigen Vertiefungen (10) angeordnet wird.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf Silberpulver, Kupferpulver oder ein Silber- oder Kupfer-Legierungspulver für die Trägerschicht und auf ein Metallpulver aus einem der Metalle Wolfram, Molybdän, Rhenium, einer Mischung dieser Metallpulver, einer intermetallischen Verbindung oder Legierung dieser Metalle für die Kontaktschicht.