DE2433788B1

DE2433788B1 - Switches for erosion-proof electrical contacts and processes for their production

Info

Publication number: DE2433788B1
Application number: DE2433788A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Phys. Dr. 7535 Koenigsbach Imm; Guenter 7531 Eisingen Stempel
Original assignee: Doduco GmbH and Co KG Dr Eugen Duerrwaechter
Current assignee: Doduco Solutions GmbH
Priority date: 1974-07-13
Filing date: 1974-07-13
Publication date: 1975-10-30

Description

Für Schaltstücke, an die hohe Anforderungen sowohl hinsichtlich Leitfähigkeit als auch hinsichtlich Kontaktwiderstand gestellt werden, ist aber gerade die Kombination aus einem Kontaktteil, welches mit Silber oder einer Silberbasis-Legierung getränkt ist, mit einem Trägerteil aus Kupfer oder einer Kupferbasislegierung interessant. For contact pieces with high requirements in terms of conductivity as well as with regard to contact resistance, but this is precisely that combination from a contact part which is impregnated with silver or a silver-based alloy is interesting, with a support part made of copper or a copper-based alloy.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Schaltstücke der eingangs genannten Art so aufzubauen, daß ihre Kontaktteile unter Verzicht auf Löten oder Schweißen fugenlos, fest und metallisch leitend mit ihrem Trägerteil aus Kupfer oder kupferhaltigen Legierungen verbunden werden. Dabei soll die Leitfähigkeit in der Übergangszone zwischen Kontakt- und Trägerteil nicht das beim üblichen Löten stets auftretende Minimum aufweisen. Diese Verbesserung der Leitfähigkeit bedeutet eine entscheidende Qualitätsverbesserung für die Werkstoffkombination. Der Verzicht auf das Löten bringt außer einer wirtschaftlichen Einsparung auch die Vermeidung der dem Lötvorgang anhaftenden Fehler (Lunker und Blasenbildung) und stellt damit einen besonders wichtigen Fortschritt auf dem Gebiet elektrischer Kontaktwerkstoffe dar. Accordingly, the object of the invention is to provide contact pieces of the to be built up in such a way that their contact parts do not require soldering or welding seamless, solid and metallically conductive with their support part made of copper or alloys containing copper. The conductivity in the transition zone between contact and carrier part is not the same as with conventional soldering always have occurring minimums. This means improvement in conductivity a decisive quality improvement for the material combination. The waiver In addition to economic savings, soldering also means avoidance the defects adhering to the soldering process (voids and blistering) and thus represents a particularly important advance in the field of electrical contact materials represent.

Zum Verständnis der durch die Erfindung gegebenen Lösung dieser Aufgabe sei folgendes vorausgeschickt: Nach M. Hansen und K. Anderko, Constitution of Binary Alloys, McGraw-Hill Book, Co. Inc., ändert der Zusatz anderer Metalle zu Silber bzw. Kupfer in Gehalten bis zu einigen Prozent im Prinzip nichts an dem bei einer Temperatur von 779" C bestehenden Ag/Cu-Eutektikum aus 72 Gewichtsprozent Cu, sondern verschiebt nur die Temperaturlage und die Konzentration des Eutektikums. Der besondere Vorteil des Ag/Cu-Eutektikums wie auch der über- bzw. untereutektischen Ag/Cu-Legierungen ist, daß sie gegenüber den zum Verbinden von Kontaktteil und Trägerteil üblicherweise verwendeten Ag-Loten eine um ein Vielfaches höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen. To understand the solution to this problem given by the invention the following should be sent in advance: After M. Hansen and K. Anderko, Constitution of Binary Alloys, McGraw-Hill Book, Co. Inc., changes the addition of other metals to silver or copper in contents up to a few percent, in principle nothing like that in one Temperature of 779 "C existing Ag / Cu eutectic made of 72 percent by weight Cu, but rather only shifts the temperature and the concentration of the eutectic. The special one Advantage of the Ag / Cu eutectic as well as the hypoeutectic or hypoeutectic Ag / Cu alloys is that they are usually opposite to that for connecting the contact part and the carrier part Ag solders used have a much higher electrical conductivity.

Werden Silber und Kupfer miteinanderi-riii rung gebracht und auf Temperaenerhitzt, welche oberhalb der wn is-chen, jedoch unterhalb der -4ciimiztemperatur des Kupfers liegen, so legieren sich die Metalle unter Bildung des Eutektikums. Diese Legierungsbildung tritt auch dann auf, wenn ein mit Silber infiltrierter Verbundwerkstoff mit massivem Kupfer in Berührung gebracht und erhitzt wird. Are silver and copper brought together and brought up Temperatures heated to above the wn is-chen, but below the -4ciimiz temperature of the copper, the metals alloy to form the eutectic. This alloy formation also occurs when a composite material infiltrated with silver is brought into contact with solid copper and heated.

Die Lösung der obengenannten Aufgabe besteht hiernach darin, den Trägerteil mit dem Kontaktteil durch eine aus einem Teil des Tränkmetalls und einem Teil des Trägerteilmetalls gebildete Übergangszone metallisch fugenlos so zu verbinden, daß die Leitfähigkeit vom Kontaktteil zum Trägerteil hin ansteigt. The solution to the above problem is then to the Carrier part with the contact part by one of a part of the impregnation metal and a The transition zone formed in part of the carrier metal is to be connected in such a way that it is metallically seamless, that the conductivity increases from the contact part to the carrier part.

Ein wirtschaftliches Herstellungsverfahren besteht darin, den Tränkvorgang des porösen Grundkörpers mit dem Vorgang der Verbindungsbildung zu kombinieren. Hierzu wird der zu infiltrierende Pulverpreßling einerseits mit dem Tränkmaterial, andererseits mit dem Trägerteil so zusammengebracht, daß nach Erreichen der Schmelztemperatur des Tränkmetalls, dieses zunächst in den porösen Grundkörper eindringt und nach vollständiger Porenfüllung sich mit dem Trägerteil aus Kupfer oder einer Kupferlegierung verbindet. Das so entstandene Schaltstück ist ein metalli- scher Verbundkörper, der in der Prinzipzeichnung Abb. 1 im Schnitt dargestellt ist. An economical manufacturing process consists in the impregnation process of the porous base body to combine with the process of connection formation. For this purpose, the powder compact to be infiltrated is on the one hand with the impregnation material, on the other hand brought together with the carrier part so that after reaching the melting temperature of the impregnation metal, this first penetrates into the porous base body and gradually complete pore filling with the support part made of copper or a copper alloy connects. The contact piece created in this way is a metallic shear composite body, the in the principle drawing Fig. 1 is shown in section.

Hier ist 1 das mit Ag oder einer Ag-Basis-Legierung getränkte Kontaktteil, 2 das Trägerteil aus Kupfer oder einer hochkupferhaltigen Legierung und 3 die beim Tränken entstandene Übergangszone, die beide Teile metallisch und fugenlos miteinander verbindet. Here 1 is the contact part impregnated with Ag or an Ag-based alloy, 2 the support part made of copper or an alloy with a high copper content and 3 the Soaking created transition zone, the two parts metallic and seamless with each other connects.

Die Dicke der Legierungsschicht ist hierbei abhängig von der Erhitzungstemperatur sowie von der Dauer der Temperatureinwirkung. Der Tränk- und Verbindungsvorgang kann sowohl im Vakuum als auch in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt werden. The thickness of the alloy layer depends on the heating temperature as well as the duration of the temperature exposure. The soaking and bonding process can be carried out both in a vacuum and in a reducing atmosphere.

Das folgende Ausführungsbeispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren näher beschreiben: Eine Pulvermischung, bestehend aus 11 Gewichtsprozent Ag, 1 Gewichtsprozent Ni, Rest W, wird mit einem Preßdruck von 49 kN/cm2 (5 Mp/cm2) zu einem Preßling mit einer Dichte von 13,3 g/cm3 und den Abmessungen 25 mm m X 5 mm verpreßt. The following exemplary embodiment is intended to illustrate the method according to the invention Describe in more detail: A powder mixture consisting of 11 percent by weight Ag, 1 percent by weight Ni, remainder W, becomes a compact at a pressure of 49 kN / cm2 (5 Mp / cm2) pressed with a density of 13.3 g / cm3 and the dimensions 25 mm x 5 mm.

In einem Graphittiegel werden zuunterst 6,5 g der Tränklegierung AgCu5 in fester Form eingegeben. At the bottom 6.5 g of the impregnating alloy are placed in a graphite crucible AgCu5 entered in solid form.

Darauf wird der Preßling und auf diesen ein entsprechend vorbereitetes Teil aus sauerstofffreiem Kupfer gelegt. Diese Anordnung wird in einem widerstandsbeheizten Ofen von 900" C gebracht, der mit NH3-Spaltgas beschickt wird. Nach einer Reduktionsbehandlung von 5 min bei 900" C wird die Ofentemperatur auf 980 bis 1000" C erhöht. Hierbei schmilzt das Tränkmetall, dringt in den porösen Pulverpreßling ein und verbindet sich nach vollständiger Porenfüllung mit dem Kupferteil unter Bildung einer eutektischen Übergangsschicht, deren Dicke durch die Dauer der Wärmebehandlung reguliert werden kann. Anschließend wird das Teil abgekühlt und dem Ofen entnommen. The pressed part is then prepared, and a suitably prepared one for it Part made of oxygen-free copper. This arrangement is in a resistance heated Brought furnace to 900 "C, which is charged with NH3 cracked gas. After a reduction treatment after 5 minutes at 900 "C, the furnace temperature is increased to 980 to 1000" C. Here the impregnating metal melts, penetrates the porous powder compact and connects after the pores are completely filled with the copper part, forming a eutectic Transition layer, the thickness of which is regulated by the duration of the heat treatment can. The part is then cooled and removed from the furnace.

Um den Verlaufderelektrischen Leitfähigkeit beim Übergangvam Kontaktteil zum Trägerteil zu ermiti, wird ein in der oben beschriebenen Weise hergestelltes Schaltstück in der Drehbank von der Stirnseite her und parallel zu dieser schichtweise abgedreht. About the course of the electrical conductivity at the transition from the contact part to ermiti to the carrier part, one is produced in the manner described above Contact piece in the lathe from the front side and parallel to this in layers turned off.

Nach jedem Schritt wird die elektrische Leitfähigkeit mit einem Wirbelstromprüfgerät gemessen. After each step, the electrical conductivity is checked with an eddy current tester measured.

In der Abb. 2 gibt die Kurve 4 den Verlauf der elektrischen Leitfähigkeit wieder, wie sie in dem erfindungsgemäßen Schaltstück vorliegt. In Fig. 2, curve 4 shows the course of the electrical conductivity again as it is present in the contact piece according to the invention.

Im Gegensatz hierzu zeigt die Kurve 5 den Verlauf der elektrischen Leitfähigkeit in einem konventionell hergestellten Schaltstück, bei welchem das zunächst separat infiltrierte Kontaktteil mit einem normalen Silberlot mit dem Trägerteil aus Kupfer durch Löten verbunden wurde. Während bei diesem in der Übergangszone zwischen Kontaktteil und Trägerteil ein ausgeprägtes Minimum der elektrischen Leitfähigkeit auftritt, ist die Leitfähigkeit in dem erfindungsgemäßen Schaltstück in der Verbindungszone höher als in dem Tränkwerkstoff selbst. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß völlig poren- und lunkerfreie Verbindungen erhalten werden, während bei dem üblichen Löten stets mit teilweise beachtlichen Lunkeranteilen gerechnet werden muß. Entscheidend ist dabei, daß der zusätzliche Lötarbeitsgang jetzt ganz entfällt. In contrast to this, curve 5 shows the course of the electrical Conductivity in a conventionally manufactured contact piece, in which the first separately infiltrated contact part with a normal silver solder with the carrier part made of copper was connected by soldering. While with this in the transition zone a pronounced minimum in electrical conductivity between the contact part and the carrier part occurs, the conductivity in the contact piece according to the invention is in the connection zone higher than in the impregnation material itself. Another advantage of the process is in that completely pore-free and void-free connections are obtained, while at The usual soldering always has to be expected with partly considerable voids got to. It is crucial that the additional soldering step is now completely eliminated.

Claims

Claims: 1. Contact piece for erosion-proof electrical contacts, consisting of a contact part made of a silver or silver-based alloy Impregnated penetration composite metal of the refractory metals or metal carbides W, Mo, Re, WC, MoC and / or their combinations and a carrier part Copper or alloys with a high copper content, characterized in that the carrier part (2) with the contact part (1) through one of a part of the impregnation metal and a Transition zone (3) formed in part of the partial carrier metal so connected in a metal-free manner is that the conductivity increases from the contact part to the carrier part.

2. A method for producing the contact piece described according to claim 1, characterized in that the connection of the carrier part (2) to the contact part (1) is achieved by the impregnation process, namely after complete pore filling of the contact part (1).

The invention relates to a contact piece for erosion-resistant electrical Contacts, consisting of a contact part made of a silver or silver-based alloy Impregnated penetration composite metal of the refractory metals or metal carbides W, Mo, Re, WC, MoC and / or their combinations and a support part made of copper or alloys with a high copper content and the process for their production.

In the manufacture of electrical contact pieces, the task is the erosion-proof contact parts with the current-carrying carrier parts as possible easy way to connect. An important requirement here is the electrical Conductivity at such junctions should not be reduced because any reduction in conductivity occurs with continuous current load can lead to inadmissibly high heating (see H. Schreiner, Powder metallurgy of electrical contacts, Springer-Verlag, Berlin 1964).

Currently the most widely used method for connecting contact and The support part is the soldering. However, both parts must be made separately and then connected to one another in a further step. Come in addition, that penetration composite metals are particularly difficult to solder because they z. B. tend to oxidize in the commonly used flame soldering and therefore none make a good soldered connection. It was therefore included in the German interpretative publications 1483300, 2 143843 and 2 143 844 as well as in the Austrian patent specification 205759 and British Patent 836749, by appropriate sizing the amount of impregnation metal in addition to the required pore filling of the erosion-resistant framework to form a layer of impregnation metal on the soldering side, on which then soldered will. The procedures described here are undefined (Austrian patent specification 205 759 and British Patent 836799) or require either a very precise one Powder grain size distribution (German interpretation 1483300) or an elaborate one Two-layer press technology (German Auslegeschriften 2 143 843 and 2 143 844), without however, to save the subsequent difficult soldering process.

These difficulties lie in the risk of cavities being formed by trapped flux or gas bubbles and on the other hand in the mostly bad Conductivity of the solders used today.

Both lead to a strong increase in resistance in the junction and thus to the undesirable heating with continuous current load.

Another possibility is in the German Offenlegungsschrift 2259958 the connection formation described. Here is a in a previous operation Impregnated molding with an impregnation metal layer on the connection surface with a adjacent massive support part heated so high that a metallic connection is formed between the two parts. The procedure described leaves open, whether this connection is achieved by sintering or melting.

Another way of making a good connection between Contact and carrier part consists in the fact that an impregnated contact part consists of one Penetration composite metal cast or cast behind with the material of the carrier part will. This process is described in Kieffer, Hotop »Powder Metallurgy and Sintered Materials«, Springer-Verlag 1943, page 329, described. With this procedure the Reduction of conductivity in the transition zone. However, it is only applicable if the melting point of the impregnation metal is equal to or higher than that of the material of the carrier part is. For example, back-pouring or pouring-on is one that is infiltrated with Ag Composite material with copper or its alloys is not possible. Are carrier part material and impregnation metal are the same, according to patent no.

12078 of the Office for Inventions and Patents in East Berlin Tränken and casting can be carried out in one operation. However, it is not here either possible, a contact piece from a z. B.

silver-containing impregnation material with any other carrier except To produce silver: Another possibility to connect the contact and carrier part, is the separate production of contact and carrier parts in porous form by pressing and sintering suitable metal powders. Both parts are then put together and impregnated together so that they are connected to one another via the impregnation metal. This mode of operation has been described several times, for example in Eisenkolb »Introduction in materials science "Volume V," Powder Metallurgy "VEB Verlag Technik, Berlin 1966, Pages 134 and 135, in the USA. Patent 3359623 and in the German Auslegeschrift 2005681. But even after this procedure it is not possible to find the particularly interesting Combination of a penetrating composite metal body impregnated with Ag or Ag alloy to be produced as a burn-off contact with a carrier part made of copper or copper alloys, because when the silver-containing impregnation metal penetrates into the still porous carrier part made of Cu or copper-containing alloys immediately a significantly deeper than the impregnation metal Melt-free Ag / Cu eutectic is created, which melts and destroys the carrier part.