DE2203776A1

DE2203776A1 - Hochbelastbare elektrische kontakte und elektroden sowie verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2203776A1
Application number: DE19722203776
Authority: DE
Inventors: Hans Prof Dr Ahlborn; Heinrich Dr Winter
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1972-01-27
Filing date: 1972-01-27
Publication date: 1973-08-02
Also published as: DE2203776B2

Description

Hochbelastbare elektrische Kontakte und Elektroden sowie Verfahren zu deren Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf hochbelastbare elektrische Kontakte oder Elektroden aus Metallen, Legierungen oder Kohlenstoff, insbesondere auf Elektroden für elektroerosive Arbeitsverfahren und zum Einsatz im Punkt schweißmaschinen, Ferner betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung solcher Kontakte und Elektroden.
Grundsätzlich wird die Eignung eines Werkstoffes als Material zur Herstellung von hochbelasteten Kontakten oder Elektroden, beispielsweise von Elektroden für elektroerosive Bearbeitungsverfahren sowie zum Punktschweißen, außer von der speziellen elektrischen Leitfähigkeit des Materials vor allem von dessen Verschleißfestigkeit bestimmt. Die Verschleißfestigkeit wiederum ist nicht nur von mechanischen Eigenschaften, wie Härte und Abriebfestigkeit, abhängig, sondern beruht auch in einem wesentlichen Maße auf Vorgängen, die sich bei hohen Temperaturen abspielen. Von Bedeutung sind in diesem Zusammenhang die Verdampfungsrate, insbesondere von niedriger schmelzenden Bestandteilen, und die Temperaturbeständigkeit eventuell eingelagerter höher schmelzender, hart~ Phasen sowie die Wärmeleitfähigkeit bei hohen Temperaturen.
Eine theoretische Voraussage von Verschleißraten für elektrische Kontakte und Elektroden ist aufgrund der komplexen Vorgänge, die von vielen Faktoren, wie Stromstärke, Spannungshöhe, Kontaktdruck, Kontaktzeit, Kontaktfrequenz und dem umgebenden Medium, bestimmt werden, nur bedingt möglich.
Die Eignung eines Werkstoffes kann daher nur unter den jeweiligen Betriebsbedingungen experimentell ermittelt werden.
Für hochbelastete Kontakte und Elektroden ist man bisher gezwungen, Edelmetalle oder andere relativ teure, hochschmelzenden Werkstoffe zu verwenden, weil die gebräuchlichen metallischen, beispielsweise aus Kupfer bestehenden Kontakte und Elektroden nur eine sehr geringe Lebensdauer aufweisen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, hochbelastbare elektrische Kontakte und Elektroden zu entwickeln, die sich gegenüber vergleichbaren derartigen Bauelementen durch eine wesentlich erhöhte Lebensdauer ohne nennenswerte Steigerung des Herstellungsaufwandes auszeichnen.
Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe durch Kontakte oder Elektroden gelöst werden kann, die dadurch gekennzeichnet sind, daß sie gerichtete oder einkristalline Struktur aufweisen.
Eine vorteilhafte Ausführungsart der Erfindung besteht darin, daß die beanspruchten Flächen der Kontakte oder Elektroden dicht oder dichtest mit Atomen belegte Kristallebenen darstellen. Es stellte sich nämlich heraus, daß die Orientierung der Metallkristalle zur Beanspruchungsrichtung eine wesentliche Rolle spielt. Diese Feststellung deckt sich mit theoretischen Erwägungen über die Abdampfungs#eschwindigkeit in Abhängigkeit von der Orientierung. Dabei sind es die am dichtesten mit Atomen belegten Flächen, die den größten Widerstand leisten. Experimentell hat es sich weiterhin erwiesen, daß die Korrosionsgeschwindigkeit sowie die Härte und die Abriebfestigkeit und in weniger symmetrisch ausgebildeten Kristallsystemen auch die Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme eine ausgepräg#teAbhängigkeit von der Orientierung aufweisen.
Es stelle sich bei Verschleißversuchen an erfindungsgemässen Kontakten aus Einkristallen heraus, daß bei der Beanspruchung unterschiedlich orientierter Flächen in Kubisch flächenzentrierten Metallen, wie Kupfer, die (ill) - Flächen den geringsten Verschleiß aufwiesen.
Ferner hat es sich als günstig erwiesen, in die beanspruchten Flächen der Kontakte oder Elektroden die Stirnflächen gerichtet ausgeschiedener langgestreckter Phasen zu legen.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung werden die Kontakte oder Elektroden dadurch hergestellt, daß man die Ausgangswerkstoffe für diese Kontakte oder Elektroden gerichtet oder einkristallin erstarren, aufwachsen oder rekristallisieren läßt.
Des weiteren hat es sich erfindungsgemäß als günstig erwiesen, Legierungen auf der Basis von Kupfer mit stöchiometrisch abgestimmten Anteilen an Silicium und/oder Bor sowie silizid-und/oder boridbildenden Metallen, wie Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und y insbesondere in ihrer eutektischen Zusammensetzung Kupfer-Metallsilizid oder Kupfer-Metallborid, als Ausgangswerkstoffe für die Herstellung der erfindungsgemäßen Kontakte oder Elektroden zu verwenden. Als besonders geeignet erwiesen sich dabei die eutektischen Zusammensetzungen auf den Quasibinärschnitten Cu - ZrCuSi und Ag - ZrAgSi mit etwa 2 - 3 AtX Zr und Si. Bei der gerichteten Erstarrung dieser Schmelzen scheiden sich langestreckte faden- oder röhrenförmige Kristalle einer harten Silizidphase in der Tbo 7 Richtung aus. Werden genau gleiche Anteile in Atomprozent an Zr und Si zugesetzt, so ist die Matrix weitgehend frei von Zr und Si und zeigt eine gute Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme. Diese aus gerichtet erstarrten Kristallen bestehenden Legierungen mit orientierten Ausscheidungen fadenförmiger Phasen zeigen in den (ooi) Flächen auch bei hoher Strombelastung eine hervorragende Verschleißbeständigkeit. Dies dürfte damit zusammenhängen, daß dann gerade die Stirnseiten der ausgeschiedenen fadenförmigen harten und hochschmelzenden Phasen beansprucht werden.
Die erfindungswesentliche gerichtete oder einkristalline Erstarrung der Schmelze kann durch Abführen der Wärme aus dem Fuß einer aufgeheizten Kokille oder durch langsames Absenken des Tiegels mit der Schmelze durch eine Heizzone hindurch erreicht werden. Andererseits ist es jedoch auch möglich, diese Erstarrung durch langsames Herausziehen der Schmelze aus dem Sc-hmelzbad oder durch Zonenschmelzen herbeizuführen.

Claims

Patentansprüche

1. Hochbelastbare elektrische Kontakte und Elektroden aus Metallen, Legierungen oder Kohlenstoff, insbesondere Elektroden für elektroerosive Arbeitsverfahren und zum Einsatz in Punktschweißmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kontakte oder Elektroden gerichtete oder einkristalline Struktur aufweisen.

2. Kontakte oder Elektroden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beanspruchten Flächen dieser Kontakte oder Elektroden dicht oder dichtes mit Atomen belegte Kristallebenen darstellen.

3. Kontakte oder Elektroden nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den beanspruchten flächen dieser Kontakte oder Elektroden die Stirnflächen gerichtet ausgeschiedener langgestreckter Phasen liegen.

4. Verfahren zur Herstellung der Kontakte oder Elektroden nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den Ausgangswerkstoff für die Kontakte oder Elektroden gerichtet oder einkristallin erstarren, aufwachsen oder rekristallisieren läßt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangswerkstoffe Legierungen auf der Basis von Kupfer mit stöchiometrisch abgestimmten Anteilen an Silicium und/oder Bor sowie silizid- und/oder boridbildenden Metallen, Wie Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und W, insbesondere in ihrer eutektischen Zusammensetzung Kupfer Metallsilizid oder Kupfer-Metallborid, verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gerichtete oder einkristalline Erstarrung der Schmelze durch Abführen der Wärme aus dem Fuß einer aufgeheizten Kokille erreicht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gerichtete oder einkristalline Erstarrung der Schmelze durch langsames Absenken des Tiegels mit der Schmelze durch eine Heizzone hindurch erreicht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gerichtete oder einkristalline Erstarrung der Schmelze durch langsames Herausziehen der Schmelze aus dem Schmelzbad erreicht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gerichtete oder einkristalline Erstarrung der Schmelze durch Zonenschmelzen erreicht wird.