DE2259792A1

DE2259792A1 - Elektrischer kontakt mit einem aus kupfer bestehenden grundkoerper und verfahren zur herstellung eines solchen

Info

Publication number: DE2259792A1
Application number: DE2259792A
Authority: DE
Inventors: Melvin L Backstrom
Original assignee: Textron Inc
Current assignee: Textron Inc
Priority date: 1971-12-06
Filing date: 1972-12-06
Publication date: 1973-06-20
Also published as: DE2259792C3; CA1003882A; US3775067A; DE2259792B2

Description

Textron Inc., Providence, Rhode Island, USA".

Elektrischer Kontakt mit einem aus Kupfer bestehenden Grundkörper und Verfahren zur Herstellung eines solchen

Es hat sich als unmöglich erwiesen, einen: Kupferkörper mit einem aus Silber-Kadmiumoxyd bestehenden elektrischen Kontakt zu verbinden. Wegen der Affinität von Kupfer und Sauerstoff führt eine Erhitzung in einer oxydierenden Atmosphäre zur Bildung von Kupferoxyd und dies ist ein Isolator. Andererseits ist die Kinetik von Silber-Kadmiumoxyd derart, daß bei Erhitzung in einer neutralen oder reduzierenden Atmosphäre eine Zersetzung eintritt. Das Kadmiumoxyd zersetzt sich bei ungefähr 76O⁰C (14OO°P) und die Zersetzung kann bereits bei Temperaturen von 2oO°C (500⁰F) einsetzen je nach der Behandlungsdauer innerhalb einer, reduzierenden Atmosphäre.

Um die einander zuwiderlaufenden Vorgänge vereinbar zu machen, sieht die Erfindung einen Bimetallstreifen, bestehend "aus Kupfer mit einem feinen Silfoerbelag vor. Die Silberoberfläche des Bimetalls wird in Berührung mit dem Silber-Kadmiumoxyd gebracht und die miteinander verbindbar en; Oberflächen wenden zusammengerollt, um einen zusammengesetzten elektrischen Kontakt zu bilden, der eine Silber-Kadmiumoxydschient,-eine nicht mehr als IQjg und vorzugsweise! - 5$ der Oeeamtdioke des. Kontaktes betragende Silberschicht und eine Kupferträgerschicht aufweist, Die Kupferträgersehlchfe des aus drei Sohlohten-bestehenden taktes kann leicht auf ©ine® Kontaktträger festgelegt werdea_c

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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrundei ein aus drei Schichten bestehendes Kontaktelement zu schaffen, dessen Kontaktmaterial, z.B. von Silber-Kadmiumoxyd, gebildet wird, wobei eine aus reinem Silber bestehende Mittelschicht und eine Kupferträgerschicht vorhanden sind. Die Silberschicht wird fest auf dem Kupferträger aufgebracht und ebenso mit der Silber-Kadmiumoxydschicht verbunden, wodurch sich ein Kontaktaufbau ergibt, der sehr leicht an einem Kontaktträger in einer Vorrichtung befestigt werden kann, die zur Steuerung elektrischer Schaltkreise dient.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines aus drei Lagen bestehenden Kontaktes und dieses Verfahren umfaßt die folgenden Stufen: Es wird ein aus einem Silber-Kupfer bestehendes Bimetall vorgesehen und auf der Silberoberfläche des Bimetalls wird ein Kontaktmaterial, z.B. Silber-Kadmiumoxyd aufgebracht.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Oberfläche zur Hart- oder Weichverlötung von Silber-Kadmiumoxyd oder anderen auf Silber basierenden Legierungen, die allein nicht durch Hartoder Weichlöten festlegbar sind.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeiapiel der Erfindung beschrieben.

Gemäß der Erfindung ist ein elektrisches Kontaktmaterial und ein als Träger dienender Bimetallstreifen vorgesehen. Das Kontaktma.«- terial kann Silber-Kadmiumoxyd sein, wobei das Kadmiumoxyd etwa 50 Gewichtsprozent ausmacht. Die Sprödigkeit des Kontaktmaterials erhöht sich jedoch mit der Erhöhung'des KadmiumoxydProzentsatzes und es ist daher zweckmäßig, «in Material zu benutzen, das etwa ,, 2,5 bis 15 Gewichtsprozent Kadmiumoxyd und als: Rest Silber ent- .' hält. ■· .' ■■ · ■ ..ν- ■-:-: .;.' ■■■ .■■'-.,' ·· ^J ■,: . , ... ··■ . ; .'

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Der Bimetallträgerstreifen besitzt eine Silberschicht und eine Schicht aus einem Material, z.B. Kupfer, das leicht hart oder welch verlötet werden kann. Die Silberoberfläche des Bimetallträgerstreifens bildet nun die Mittel zur Befestigung des Bimetall· Streifens auf dem Kontakt und die Kupferoberfläche schafft eine leicht hart oder weich verlötbare Oberfläche, die benutzt werden kann, um den Kontakt auf dem Kontaktträgeraufbau oder die elektrische Schaltungseinheit aufzubringen.

Der Bimetallsilber-Kupferstreifen kann auf an,sich bekannte Welse, z.B. durch Kalt- oder Warmverbindung, durch Walzen, durch Druck, durch Plattierung oder auf andere Weise,hergestellt werden? d.h. nach allen bekannten Verfahren zur Herstellung von Bimetallstreifen. Ein Verfahren, welches gegenwärtig in der Metallindustrie für diesen Zweck benutzt wird, ist eine Heißwalzverbindung. Bei diesem Verfahren werden die zu verbindenden Metalle vorerhitzt und hohen örtlichen Kräften ausgesetzt, indem die beiden.Schichten übereinanderliegend durch einen Walzenstuhl hindurohgefahren werden. Als Ergebnis der Kombination erhöhter Temperatur und Walzdruck wird eine metallurgische Verbindung erlangt. Es kann jede gewünschte Dicke von Kupfer und Silber benutzt werden, vorausgesetzt daß die Silberdicke eine zufriedenstellende verbindung zwischen Silber und Silbexmfedmiumoxyd ergibt, wenn der aus drei Schichten bestehende Kontakt mechanisch bearbeitet wird.

Die Oberfläche des Kontaktmaterials, die am Bimetallstreifen festgelegt werden soll und die Silberoberfläche des Bimetalls werden gründlich in bekannter Weise gereinigt, Dey Bimetallstrelfen und das Kontaktmaterial werden in der Weise miteinander in Berührung gebracht, daß während des Verfahrens eine kontinuierliche Ausrichtung gewährleistet 1st. Dies kann dadurch bewirkt werden, daß das Bimetall mechanisch so geformt wird, daß eine physikalisch festgelegte verbindung entsteht, z.B. durch Punktverschweißung oder andere mechanische !Fixierung des Bimetall-

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trägers auf der Silber-Kadmiumoxydsohioht bevor die Verbindung eingeleitet wird.

Die Verbindung des Bimetallträgerstreifens und des Silber-Kadmiumojcyd-Kontaktmaterials wird durch mechanische Beaufschlagung der gegenüberliegenden Flächen bewirkt. Weil Kupfer-KadmiuiBoatyd nioht in einer reduzierenden oder einer neutralen Atmosphäre erhitzt werden kann und well Kupfer nioht in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt werden kann, ist es zu bevorzugen, die einleitende Verbindung durch Walzen des Gesamtaufbaus durchzuführen, um bei Umgebungstemperatur eine Dickenverminderung zu erreichen. Der Aufbau wird bis zu einer Dickenverminderung von nicht mehr als 50# gewalzt, wobei soviel Durchgänge als nötig benutzt werden. Stattdessen ist es auch möglich, diese Reduktion %n einem Schritt vorzunehmen. Der Zweck der Walzoperation besteht darin, eine vollständige metallurgische verbindung zu erzielen und es hat sich gezeigt, daß eine gute metallurgische Verbindung ηνφ dann erreicht werden kann, wenn eine anfängliche Verminderung von wenigstens beim ersten Durchlauf durch die Walzen erreicht wird.

Falls erforderlich, kann eine Vorerhitzung durchgeführt werden*um die Dehnbarkeit des Kontaktmaterials zu erhöhen und um zu gewährleisten, daß während des Walzvorganges,der unmittelbar danach stattfindet, die Werkstoffe sich nioht von einander treipen und keine dünnen Stellen auftreten. Eine Temperatur von 26Ö bis 400⁰C (500 bis 750⁰F) läßt man solange einwirken* da# keine »erkl ehe Zersetzung der erhitzten Werkstoffe eintritt. Wenn das Kon*· taktmaterial Silber-Kadmiumoxyd 1st, dann kann die Erhitzung in Luft stattfinden. Wenn das Kontaktmaterial einen anderen Aufbau, z.B. Silber-Wolfram,besitzt, kann die Erhitzung in einer reduzierenden Atmosphäre stattfinden, beispielsweise in

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Ein typischer elektrischer Kontakt mit Kupferträger wird erfindungsgemäß wie folgt hergestellt:. Tafeln mit einer Zusammensetzung von 90$ Silber und 10 Kadmium-Oxyd werden in Abschnitte von 13 mm mal 44 mm mal 153 mm (1/2" χ 1-3/4" x 6") geschnitten. Ein kommerziell verfügbarer Bimetallstreifen aus kalt gepreßtem feinem oxydationsfreiem hochleiifähigem Silber-Kupfer mit einer Gesamtdicke von 1,5 mm (O,o6o") und einer einer feinen Silberschicht von 0,15 mm (0,006") wurde zugeschnitten und mechanisch so gebogen, daß sich eine V-Form ergab. Das Kontaktmaterial und der Bimetallstreifen wurden mechanisch durch Sanden gereinigt und mechanisch miteinander verbunden. Die Gesamtdicke betrug 14,2 mm (0,560"). Dieser Schichtenkörper, wurde über Führungswalzen einem Quetschwalze» paar mit einem Durchmesser von 3550 mm (14" Durchmesser) zugeführt, welches einen Quetschspalt von 6,3 mm besaß. Die Walzgeschwindigkeit betrug 50 m pro Sekunde und der Berührungswinkel betrug etwa 4°. Nach dem ersten Durchlauf durch die Walzen ergab sich ein Streifen von einer Breite von 44 mm (1 3/4") und einer Länge von 290 mm (11 1/2") mit einer Dicke von 6,5 mm (0,256").

Der sich ergebende Streifen wurde im Hinblick auf eine Verbindungsfestigkeit und Lötcharakteristik berechnet. Ein Abschnitt des Streifens wurde in einem Schraubstock eingespannt und um 90° abgebogen und dies führte zu einem Aufbrechen des Silber-Kadmiumoxydab-Schnitts, jedoch reichte die Integrität der Verbindung aus, um ein Abschälen der Lage vom Trägeraufbau zu vermeiden. Ein anschließendes Ausmeißeln an der ZwIsehenflache führte zu einem Bruch des Silber-Kadmiumoxyds, nicht aber zu einer Zerstörung der Verbindung. Der lötversuch wurde durchgeführt, indem verschiedene Kontaktabschnitte mit den Abmessungen I3 mm mal I3 mm mal 6,5 mm (1/2" χ 1/2" χ 0,256") zurechtgeschnitten würden; und die Abschnitte durch Induktionserhitzung auf einem Träges· aufgelötet wurden«, Ein© handelsübliche Lötlegierung, die unter der Bezeichnung "Sil-Fos" im Handel ist, wurde.als Lötmittel -benutzt. Biese während' der lötung aufgebrachte Hitze führte nicht zu einer Trenntang der

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Schichten. Es wurden metallurgische Untersuchungen durohgeführt und es wurde die Integrität des mehrfach verbundenen Querschnitts bestätigt. Dann wurde der aus drei Schichten bestehende Kontakt gewalzt, um bessere Querschnitte zu erzielen. Die anfänglich verbundenen Streifen wurden in einem Ofen mit Luftatmosphäre einer Erhitzung auf etwa 400°c (75O⁰P) 15 Minuten lang ausgesetzt. Die Walzen des Walzenstuhles wurden auf etwa 38⁰C (100⁰F) vorerwärmt. Es trat eine gewisse Oxydation des Kupfers ein, jedoch besessen die miteinander verbundenen Flächen eine genügende Integrität, um eine Lösung der metallurgisch verbundenen Oberflächen zu vermeiden. Die Walzen wurden dann so eingestellt, daß sich eine 20$lge Reduktion für den Durchlauf bei der gleichen WaIzgesohwindigkeit wie bei dem Anfangsdurchlauf ergab. Das gewalzte Material hatte dann eine Dicke von 5 mm (0,202"). Unter Benutzung des gleichen Erwärmungszyklüses wurden dann weitere Walzendurchläufe getätigt, jedoch wurden die individuellen Reduktionen auf etwa 10£ pro Durchlauf verringert, um die Möglichkeit der Überschreitung der maximalen Zugfestigkeit des Silber-Kadmiumoxyds zu vermeiden. Die Enddicke des Dreisohichtenkörpers betrug 1,27 mm (0,05") , wobei die Kupferträgerschicht 0,15 mm (0,006") stark war und die Silberzwischenschicht eine Stärke von 0,0254 mm (0,001") hatte.

Bs können verschiedene Änderungen und Abwandlungen bei dem Verfahren und dem Erzeugnis getroffen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die verschiedenen beschriebenen Ausführungsⁿ^7§ienen nur dazu, die Erfindung zu veranschaulichen, welche jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt

Patentansprüche :

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Claims

Patentansprüche;

^fl) Aus drei Sohichten bestehender elektrischer Kontakt, dadurch gekennzeichnet, daß er eine erste Schicht aus Silber-Kadmiumoxyd, eine Mittelschicht aus im wesentlichen reinem Silber und eine Schicht aus Kupfer aufweist, wobei die Silberschicht und die Kupferschicht als Bimetallstreifen ausgebildet sind und die Silberoberfläche des Bimetallstreifens mit der Silber-Kadmiumoxydsehicht durch Walzen der drei Schichten fixiert ist. . , .
2. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes gemäß . Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein Bimetallstreifen hergestellt wird, der auf der

Seite
einen / eine Silberoberfläche und auf der anderen Seite eine Kupferoberfläche darbietet, daß ein Teil des Streifens mit einem Kontaktmaterial verbunden wird, wobei die Silberoberfläche der Oberfläche des Kontaktmaterials zugewandt ist, und daß dieser Schichtenkörper gewalzt wird, um die Dicke zu verringern und die Silberoberfläche des Silber-Kupferbimetalls metallurgisch mit der Oberfläche des Kontaktmaterials zu verbinden.
3. Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktmaterial Silber-Kadmiumoxyd 1st,

4» Verfahren nach Anspruch J5,

dadurch gekennzeichnet«

daß der aus Bimetallstreifen und Jiontaktmaterial bestehende Schichtenkörper bis zu einer Piekenverminderung von wenigstens ■ etwa 5Q$ ausgewalzt wird.

Verfahren nach Anspruch 4« ·

dadurch gekennzeichnet,

daß der Bimetallstreifen an einem Ende an dem Kontaktmaterial festgeschweißt wird, bevor der Walzvorgang eingeleitet wird.

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