DE2453918A1 - Elektrisches kontaktmaterial und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Elektrisches kontaktmaterial und verfahren zu dessen herstellung

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Description

Elektrisches Kontaktmaterial und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Kontaktmaterial mit einem elektrisch leitenden Kontaktkörper, der eine Kontaktfläche aufweist und ein Verfahren zu dessen Herstellungo
Es sind Kontaktstücke aus Silber und anderen Legierungen bekannt. Sie werden in elektrischen Geräten, wie Kontaktgebern U0 äe, verwendet, wo sie hohen Stromstärken und der Bildung von Lichtbögen ausgesetzt sind.
Bei Kontaktstücken, die Lichtbögen ausgesetzt sind, besteht die Gefahr einer Verschweißung mit Gegenkontaktstücken u. ä..
Es ist auch bekannt, Kontaktstücke aus Legierungen herzustellen, denen hochtemperaturfestes Material beigefügt ist, wie es in der US-Patentschrift 3 166 660 beschrieben ist, und zwar Wolframcarbid, das als poröse, mit Silber imprägnierte Masse hergestellt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein billiges Kontaktmaterial mit hoher Hitzebeständigkeit und geringer Neigung zur Oxydation sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben·
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Nach der Erfindung 1st diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens die Oberfläche der Kontaktfläche mit .Übergangsmetallcarbiden und/oder Übergangsmetallnitriden beschichtet ist oder daraus besteht· Dadurch wird erreicht, daß man eine verhältnismäßig geringe Materialdicke verwenden kann, und diese Materialien zeichnen sich dadurch aus, daß sie einen sehr hohen Schmelzpunkt besitzen und nicht zur Verschweißung neigen, wenn die Oberfläche des Kontakts aus Übergangsmetallcarbiden und/ oder Übergangsmetallnitriden besteht.
Ferner kann die Kontaktoberfläche im wesentlichen aus Übergangsmet allcarbidmischungen und/oder Übergangsmetallnitridmischlingen bestehen.
Zu diesem Zweck können Mischungen von sowohl Übergangsmetallcarbiden als auch Übergangsmetallnitriden und eine damit mögliche Angleichung z. B. verschiedener Leitfähigkeiten sowie Aus-I nutzung von Materialeigenschaften, die sich bei den einzelnen Übergangsmetallcarbiden oder Übergangsmetallnitriden gegebenenfalls unterscheiden, vorteilhaft sein.
Bevorzugte Übergangsmetallcarbide und/oder -nitride sind solche, die einen hohen Schmelzpunkt und gute elektrische Leitfähigkeit besitzen. Dadurch ist gewährleistet, daß die Hitzebeständigkeit i bzw. die Widerstandsfähigkeit gegen ein Verschweißen so hoch wie möglich liegt, während zugleich der Übergangswiderstand so { niedrig wie möglich wird.
,Diese Materialien können auf der Basis von Titan (Ti), Wolfram (W), Niobium (Nb), Tantal (Ta) oder Hafnium (Hf) hergestellt sein.
i Ein besonders billiges Material ergibt sich, wenn der elek-1 trisch leitende Kontaktkörper, der die Übergangsmetallcarbid- und/oder -nitridschicht trägt, kein Edelmetall, sondern ein un- ': edles Metall aufweist. Der überwiegende Teil der bekannten Konitaktstücke enthält ein Edelmetall, wie Silber o. ä.. Nach der
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Erfindung ist es möglich, die dünne Schicht auf dem unedlen Metall herzustellen und dadurch im Verhältnis zu dem Edelmetall, das normalerweise für elektrische Kontakte verwendet wird, eine Einsparung zu erzielen.
Besonders günstig ist es, wenn der Schmelzpunkt des unedlen Metalls höher als 800° C ist· Dadurch ist, u. a. während des Betriebs, gewährleistet, daß das Material des tragenden Kontaktkörpers nicht schmilzt und außerdem einem etwaigen Wämebehandlungsprozeß bei der Herstellung standhält.
Ein Verfahren zur Herstellung des Kontaktmaterials oder eines Kontaktstücks besteht darin, daß der Kontaktkörper, der die Oberflächenschicht tragen soll, in einer Atmosphäre angeordnet wird, die Übergangsmetallhalogenide, Methan und/oder Wasser- ; stoff plus Stickstoff enthält, und der Kontaktkörper in dieser l Atmosphäre einer solchen Temperatur ausgesetzt wird, daß sich ! am Kontaktkörper Übergangsmetallcarbide und/oder -nitride bilden«
Nach diesem verhältnismäßig einfachen Verfahren lassen sich ; viele Kontaktstücke auf einmal oder ein großflächiges Kontaktmaterial, das in kleinere Kontaktstücke zerteilt wird, herstellen. Die Übergangsmetallcarbide oder -nitride und/oder Mischungen \ beider können in demselben Prozeß gebildet werden. Die Temperatur, der das Kontaktmaterial ausgesetzt wird, bestimmt die Dicke : der Ubergangsmetallcarbid- und/oder -nitridschicht. Diese ist '
jedoch auch von der Zeit abhängig. Deshalb ist es zweckmäßig, j
eine passende Wahl von Temperatur und Zeit zu treffen-*- um die j
.£ , UUl VULC
gewünschte Dicke der Oberflächenschicht zu erzielen.
Ein anderes Verfahren zur Herstellung des Kontaktmaterials zeichnet sich dadurch aus, daß die Übergangsmetallcarbide und/oder -nitride mittels eines Elektrophoreseprozesses aufgebracht werden. Bei diesem Prozeß kann man gegebenenfalls Kontaktkörper-Materialien benutzen, die einen niedrigeren Schmelzpunkt haben und zur Aufbringung bestimmter Formen von Übergangsmetallcarbiden oder -nitriden zweckmäßiger sind.
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Außerdem kann es vorteilhaft sein, daß ein in der Elektrophorese behandelter Kontaktkörper einer anschließenden Wärmebehandlung unterzogen wird, bei der die Temperatur unter dem Schmelzpunkt des tragenden Kontaktkörper-Materials liegt,. Dadurch wird eine kompaktere und mechanisch widerstandsfähigere Schicht erzielt, da durch die Wärmebehandlung bessere Eigenschaften entstehen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines schematisch im Schnitt dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben.
Das Kontaktstück 1 ist mittels eines Stutzens 2 mit einem Kontakthebel 3 vernietet. Das Kontaktstück besteht aus dem tragenden Kontaktkörper 4, der aus unedlem Metall hergestellt sein kann. Dieser tragende Kontaktkörper 4 hat mindestens an der Kontaktfläche 5 eine Oberflächenschicht 6, die auch die Seite 7 des Kontaktstücks 1 bedecken kann, jedoch nicht notwendigerweise bedecken muß. Die Kontaktflächenschicht 6 kann aus Übergangsmetallcarbiden und gegebenenfalls aus Mischungscarbiden bestehen, wodurch der hohe Schmelzpunkt des einen Carbids und die bessere Leitfähigkeit des anderen Carbids ausgenutzt werden können. Es kann ebenfalls vorteilhaft sein, wenn Mischungen von sowohl Carbiden als auch Nitriden vorhanden sind, da es einfach ist, auch diese in demselben Prozeß, und zwar dem Prozeß einer chemischen Dampfphasenabscheidung der betreffenden Oberflächenmaterialien herzustellen. An verwendbaren Materialien sind insbesondere Titancarbid (TiC), Titannitrid (TiN), Wolframcarbide (WC), Niobiumcarbide (NbC), Tantalcarbide und Hafniumcarbide oder -nitride zu nennen. Sie sind nur Beispiele von Materialien, die gute elektrische Leitfähigkeiten sowie hohe Schmelzpunkte besitzen. Diese Materialien sind besonders vorteilhaft, wenn es sich um stöchiometrische Mischungen handelt, schließen jedoch nicht aus, daß kleinere Defizite an Kohlenstoff oder Stickstoff entstehen können.
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Ein vorteilhaftes Verfahren zur Aufbringung dieser Oberflächenschichten besteht darin, daß man mit Hilfe von Ventilen über bzw. durch feste oder flüssige Verbindungen von Übergangsmetallhalogeniden Gase leitet und die dadurch entstandene Gasmischung über Kontaktkörper, die auf eine passende Temperatur, z. B. 1000° C, erhitzt sind oder werden, strömen läßt, wobei diese Gasatmosphäre dekomponiert und am Kontaktkörper Übergangsmetallcarbide und/oder -nitride abscheidet. Sind die den Übergangsmetallcarbiden zugeleiteten Gase z. B, reines H2, N2 und CH4 und sind die Übergangsmetallhalogenide in diesem Fall TiCl4, so entsteht
TiCl4 + 2H2 + 1/2N2 —> TiN + 4HCl, und gleichzeitig bildet .sich
TiCl4 + CH4-* TiC + 4HCl β
Während des Prozesses zeigt es sich, daß, wie vorstehend erwähnt, eine Mischung von Titannitrid sowie Titancarbid in der genannten Oberflächenschicht entsteht. Dies ist indessen nur ein Beispiel eines solchen Prozeßverlaufs.
So kann in dem vorgenannten Prozeß bei einer Temperatur von ca. 1000° C und einer Behandlungszeit von 30 Minuten eine Schicht hergestellt werden, die eine Dicke von ca. 20 Mikrometer aufweist.
Ein anderes Herstellungsverfahren wäre die Aufbringung der Oberflächenschicht mittels Elektrophorese, z. B. in der Weise, wie sie zur Aufbringung solcher Schichten auf Schneidwerkzeugen aus Hartmetall angewandt wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß man Tragmaterialien mit niedrigem Schmelzpunkt verwenden kann, während in dem obenerwähnten Prozeß Materialien benutzt werden müssen, deren Schmelzpunkt höher liegt als die gewählte Temperatur, auf die die Kontaktkörper erhitzt werden und die
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wiederum von der für die Dekomposition der Atmosphäre gewählten Temperatur in dem Ofen, in dem die Fällung der Übergangsmetallnitride oder -carbide stattfindet, abhängig ist. Die durch Elektrophorese hergestellte Oberflächenschicht läßt sich gegebenenfalls qualitativ verbessern, wenn sie einer anschließenden Wärmebehandlung unterzogen wird«. Dadurch entsteht zwischen den einzelnen Carbiden und/oder Nitriden und dem Tragmaterial eine bessere Bindung,
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Claims (1)

  1. 2453818
    - 7 - . Patentansprüche
    , 1J Elektrisches Kontaktmaterial mit einem elektrisch leitenden Kontaktkörper, der eine Kontaktfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Oberfläche der Kontaktfläche mit Übergangsmetallcarbiden und/oder Übergangsmetallnitriden beschichtet ist oder daraus besteht.
    2ο Elektrisches Kontaktmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktoberfläche im wesentlichen aus Übergangsmetallcarbidmischungen und/oder Übergangsmetallnitridmischlingen besteht.
    3c Elektrisches Kontaktmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bevorzugten Übergangsmetallcarbide oder -nitride einen hohen Schmelzpunkt und gute elektrische Leitfähigkeit besitzen,,
    4. Elektrisches Kontaktmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3t dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsmetallcarbide oder -nitride auf der Basis von Titan (Ti), Wolfram (W), Niobium * (Nb), Tantal (Ta) oder Hafnium (Hf) hergestellt sind.
    5. Elektrisches Kontaktmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4,. dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Kontakt- [ körper, der die Ubergangsmetallcarbid- und/oder -nitridschicht trägt, ein unedles Metall ist.
    6ο Elektrisches Kontaktmaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzpunkt des unedlen Metalls höher als . 800° C liegt.
    7. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß.der Kontaktkörper, der die Oberflächenschjbtit tragen soll, in einer Atmosphäre angeordnet wird, die Übergangsmetallhalogenide, Methan und/oder Wasserstoff plus Stickstoff enthält, und der
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    Kontaktkörper in dieser Atmosphäre einer solchen Temperatur ausgesetzt wird, daß sich am Kontaktkörper Übergangsmetallcarbide und/oder -nitride bilden.
    8. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsmetallcarbide und/oder -nitride durch einen Elektrophoreseprozeß aufgebracht werden,
    9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Elektrophorese behandelte Kontaktkörper einer anschließenden Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei die Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Kontaktkörpenaaterials liegt.
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