DE2530704A1

DE2530704A1 - Verbundwerkstoff als halbzeug fuer elektrische kontaktstuecke und herstellungsverfahren hierzu

Info

Publication number: DE2530704A1
Application number: DE19752530704
Authority: DE
Inventors: Manfred Ing Grad Dihlmann; Friedrich Ing Grad Schneider; Dieter Dipl Ing Dr Re Stoeckel
Original assignee: RAU FA G
Current assignee: RAU FA G
Priority date: 1975-07-10
Filing date: 1975-07-10
Publication date: 1977-01-20
Also published as: ATA510776A; FR2317750A1; IT1066039B; FR2317750B1; GB1556748A; DE2530704B2; CH618044A5; DE2530704C3; AT361573B

Description

Patentanwalt 75 Karlaryhe.Nowtckaniaga 16

A 721

Anmelderin: G-. Bau, Pforzheim

Verbundwerkstoff als Halbzeug für elektrische Kontaktstücke und Herstellungsverfahren hierzu

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff als Halbzeug für elektrische Kontaktstücke mit lötfähiger, metallener Unterseite, welcher aus Silber-Metalloxid besteht.

Nach dem Stande der Technik ist es bekannt, daß Silber-Metalloxid-Werkstoffe mit Gehalten an Metalloxiden zwischen 2 und 20 Gewichtsprozent, beispielsweise mit Cadmiumoxid, Zinnoxid und Zinkoxid eine geringe Schweißneigung besitzen. Sie werden daher in der Elektrotechnik für Kontaktstücke . elektrischer Schaltgeräte verwendet.

Von diesen Kontaktwerkstoffen hat das Silber-Cadmiumoxid die weiteste Verbreitung gefunden. Es dient in großem Umfang zur Herstellung von abbrandfesten und oxidationsbeständigen Kontakten bis zu hohen Schaltleistungen, Derartige Silber-Cadmiumoxid-Kontakte zeigen neben der sehr guten elektrischen Leitfähigkeit eine sehr geringe Schweißneigung beim Schalten. Cadmiumoxid disoziiert bei 1000 bis 1500 ⁰G, so daß beim

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Schaltvorgang unter dem Einfluß des Schaltlichtbogens zusätzlich eine Selbstreinigung der Kontaktflächen erzielt wird. Durch diese Selbstreinigung wird der Kontaktwiderstand niedrig gehalten. Die lichtbogenlöschende Wirkung dieses Kontaktwerkstoffes bietet weitere Vorteile für das Kontaktverhalten, insbesondere hinsichtlich der Abbrandfestigkeit.

Zur Herstellung von Silber-Cadmiumoxid-Kontaktwerkstoffen werden zwei grundsätzlich verschiedene Verfahren angewandt.

Das bekannte pulvermetallurgische Verfahren eignet sich sowohl für die Herstellung von Halbzeugen als auch von Fertigteilen. Hierbei werden Pulver aus Silber und Cadmiumoxid in dem gewünschten Gewichtsverhältnis intensiv gemischt, gepreßt und gesintert. Dieses Verfahren ergibt jedoch nur eine grob disperse Einlagerung der Cadmiumoxid-Teilchen in die Silbermatrix. Eine bekannte Verbesserung besteht in dem Verfahren der Mischfällung. Hierbei werden die Hydroxide des Silbers und des Cadmiums gleichzeitig aus einer Silbernitrat- und Cadmiumnitratlösung ausgefällt. Durch die nachfolgende Wärmebehandlung ergibt sich eine Umwandlung der Hydroxide in metallisches Silber und Cadmiumoxid. Die dabei entstehende Pulvermischung wird dann den üblichen Preß- und Sintervorgängen unterworfen.

Bei dem bekannten Verfahren der inneren Oxidation wird eine auf schmelzmetallurgischem Wege hergestellte Silber-Cadmium-Legierung in sauerstoffhaitiger Atmosphäre geglüht. Dabei werden Sauerstoffatome im Silber gelöst, diese diffundieren in das Innere der Legierung und reagieren mit dem unedleren Cadmium unter Bildung von fein dispers verteiltem Cadmiumoxid in

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der Silbermatrix. Ein derartiger Kontaktwerkstoff ermöglicht zwar eine erwünschte feine Verteilung des Cadmiumoxids, jedoch ist die erzielte Verteilung in Höhenlagen parallel zur Kontaktfläche ungleichmäßig, und außerdem erfordert die Durchführung des Verfahrens einen hohen Zeitaufwand.

Die Dauer der inneren Oxidation ist mit der Schichtdicke durch ein parabolisches Zeitgesetz derart verknüpft, daß sich bei größeren Abmessungen sehr lange Oxidationszeiten ergeben. So werden beispielsweise für die Oxidation eines 20 mm dicken Bleches bei einer Temperatur von 800° C und einem Saueistoffdruck von 2 ata mehr als 1000 Stunden benötigt. Diese lange Behandlungsdauer bedingt hohe Fertigungskosten. Es tritt außerdem bei der inneren Oxidation eine Zunahme der Teilchengröße mit fortschreitender Oxidationstiefe auf. Dieser Teilchengrößengradient beeinflußt die Eigenschaften des Kontaktwerkstoffes nachteilig. Da beim Schaltvorgang Kontaktmaterial abgetragen wird, ergibt sich mit zunehmender Betriebsdauer des Schaltgerätes eine Vergrößerung der in der Kontaktfläche vorliegenden Teilchen, wodurch sich gleichsinnig Abbrand und Schweißneigung vergrößern.

Ein weiterer Nachteil des durch innere Oxidation hergestellten Silber-Cadmiumoxidsbesteht darin, daß sich beim Schaltvorgang eine stark zerklüftete Kontaktoberfläche bildet. Ferner nimmt mit fortschreitendem Abbrand des Kontaktwerkstoffes - bedingt durch die zunehmende Teilchengröße - die Härte des Kontaktwerkstoffes ab.

Die bereits erwähnte geringe Schweißneigung des Silber-Cadmium-

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oxids im Schaltbetrieb führt bei der Befestigung des Kontaktwerkstoffes durch Löten oder Schweißen auf einem Träger zu Schwierigkeiten. Deshalb muß der Silber-CadmiumoxidTKontaktwerkstoff an seiner Unterseite bereits bei der Herstellung mit einer lot- oder schweißfähigen Schicht versehen werden. Hierzu sind bei inneroxidiertem Silber-Cadmiumoxid im wesentlichen folgende Verfahren bekannt:

1. Plattieren einer Silber-Gadmium-Legierung mit einer Silberschicht und anschließende Oxidation;

2. Einseitige Oxidation (ca. 2/3 der Gesamtmaterialdicke·) einer Silber-Cadmium-Legierung. Hierdurch entsteht eine lötbare oxidfreie Silber-Cadmium-Sohicht, die etwa 1/3 der Gesamtdicke ausmacht.

Bei dem Verfahren nach 1) diffundiert der Sauerstoff auch durch die Feinsilberschicht, so daß sich in der Mitte des Halbzeuges eine an Oxid verarmte Zone ergibt. Bei dem Verfahren nach 2) zeigt der Kontaktwerkstoff eine Neigung zur Trennung zwischen oxidiertem und nichtoxidiertem Bereich, vor allem bei mechanischen und thermischen Beanspruchungen.

Zum Stande der Technik gehört ferner ein Verfahren zur Herstellung eines duktilen Silber-Metalloxid-Halbzeugs, bei dem mehrere inneroxidierte oder pulvermetallurgisch hergestellte Silber-Metalloxid-Platten zu einem Barren zusammengesetzt und anschließend zu einem Draht mit hohen Oxidgehalten stranggepreßt werden. Dabei ergibt sich in einem drahtförmi-

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gen Halbzeug eine Schichtung Silber-Metalloxid im wesentlichen senkrecht zur Schaltfläche, die einer Holzfaserstruktur ähnelt· Die Herstellung eines solchen Kontaktwerkstoffes ist jedoch nicht in beliebigen Abmessungen möglich.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, einen Verbundwerkstoff als Halbzeug für elektrische Kontäktstücke zu schaffen, welcher eine lot- bzw. schweißfähige Unterseite aufweist, und der unter Beseitigung der oben beschriebenen Nachteile kostengünstig herstellbar ist. Das Kennzeichnende der Erfindung ist darin zu sehen, daß das Silber-Metalloxid in der Weise mehrschichtig angeordnet ist, daß mehrere, mindestens drei Bleche aus inneroxidierten Silberlegierungen untereinander und mit der lötfähigen Auflage direkt durch Walzplattierung verbunden sind. Ein damit aufgebautes elektrisches Kontaktstück zeigt im Querschnitt einen laminaren Aufbau mit periodisch schwankender Teilchengröße, wobei eine maximale Teilchengröße von 10 /um zweckmäßig nicht überschritten wird.

Die Herstellung kann in einfacher Weise, ausgehend von einem Stapel übereinander geschichteter inneroxidierter Bleche erfolgen, deren Oxidationsvorgang bei geringer Blechstärke nur wenig Zeit in Anspruch nimmt. Die Zahl der Schichten ergibt sich aus der Zahl der verwendeten Einzelbleche. In einer bevorzugten Ausführung wird eine Mehrzahl von mindestens drei vollständig inneroxidierten Blechen verwendet, welche die Kontaktauflage bilden. Die Dicke der Bleche im Ausgangszustand kann zweckmäßig unterhalb von 2 mm, beispielsweise bei 1 mm liegen. Als Metalloxid wird zweckmäßig Cadmiumoxid verwendet.

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Es hat sich gezeigt, daß ein derartiger Kontaktwerkstoff den nach üblichen Schweißverfahren hergestellten Materialien hinsichtlich der Kontakteigenschaften sowie hinsichtlich der Herstellungskosten überlegen ist. Insbesondere besteht beim Walzplattieren gegenüber dem Preßschweißen ohne flüssige Phase der Vorteil, daß die Dimensionierung des Halbzeugs nicht an die Druckkraft und Abmessung der Schweißpressen gebunden ist. Da beim Walzplattieren eine im wesentlichen linienartige Einwirkung des Plattierdruckes erfolgt, entstehen hierdurch sehr hohe spezifische Walzdrucke, die unabhängig von der Länge der zu plattierenden Halbzeuge sind. Eine kontinuierliche Herstellung des Kontaktwerkstoffes unter Zufuhr von endlosen Blechstreifen erscheint möglich.

Gleichzeitig mit dem Plattiervorgang erfolgt eine Qnerschnittsreduzierung, die sich vorwiegend in einer Längenänderung der zu plattierenden Halbzeuge ausdrückt. Eine Weiterverformung dieses Ausgangsproduktes ergibt Halbzeuge in Form von Bändern, die vorteilhaft für die Herstellung von Kontaktteilen verwendet werden können.

Da sich während des Walzprozesses keine wesentlichen Änderungen der Größe der eingelagerten Teilchen ergeben, ist die mittlere Teilchengröße bei konstanten Oxidationsbedingungen abhängig von der Dicke der zur Plattierung verwendeten Einzelbleche bzw. Blechbänder. Die meßbare Schwankung der Teilchengröße nimmt mit zunehmender Anzahl der Einzelbleche und mit zunehmendem Verhältnis von Atisgangs- zu Biddicke ab. Dadurch ergibt sich ein gleichmäßiges Kontaktverhalten über die Gesamtdicke des Kontaktwerkstoffes. Da die lötfähige Rückseite des Kontakt-

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materials (aus Silber, dessen Legierungen oder Kupfer) sehr dünn im Verhältnis zur G-esamtdieke ist, kann praktisch die gesamte Kontakthöhe zum Abbrand ausgenutzt werden, wodurch eine längere Lebensdauer der Kontakte erreicht wird.

Überraschend hat es sich gezeigt, daß der laminare Aufbau des Kontaktwerkstoffes ein günstigeres Abbrandverhalten gegenüber herkömmlichen gesinterten und inneroxidierten Kontaktwerkstoffen ergibt. Dies trifft vor allem bei hohen Schaltzahlen zu. Dieser Abbrand erfolgt im wesentlichen flächenhaft, d.h. die bei herkömmlichen Werkstoffen beobachtete Kraterbildung tritt nicht auf. Es ist außerdem die bereits beschriebene Neigung zur Trennung des Silber-Metalloxids von der lötfähigen Unterseite vermieden.

Die Verwendung dünnerer Ausgangsbleche bewirkt eine erhebliche Verkürzung der Oxidationszeiten und dadurch eine wesentliche Verbilligung der Fertigung. Da die Plattierung der inneroxidierten Bleche gleichzeitig mit der Aufbringung der lötfähigen Rückseite erfolgt, ergeben sich gravierende Kosteneinsparungen der Fertigung.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffes kann in der Weise ausgeführt werden, daß die zu schichtenden Bleche zunächst in sauerstoffhaltiger Atmosphäre inneröxidiert und nach einer Oberflächenreinigung übereinandergeschichtet werden, daß zur Erreichung einer verbindungsfähigen Unterseite ein metallenes, nichtoxidiertes Blech als Außenschicht beigefügt wird, und daß das Paket der Bleche einem

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Walzverfahren in der Art. unterworfen wird, daß eine Verschweißung der Bleche untereinander eintritt. Gleichzeitig mit dem Plattiervorgang erfolgt die.Querschnittsreduzierung, welche im ersten Walzstich vorteilhaft mindestens 40 Ji beträgt.

Bei Anwendung der Merkmale der Erfindung wird ein Verbundwerkstoff für elektrische Kontaktstücke geschaffen, welcher kostengünstig herstellbar ist und gegenüber vergleichbaren Werkstoffen ein erheblich verbessertes Abbrandverhalten aufweist.

Ausführungsbeispiel:

20 Bleche einer Silber-Cadmium-Legierung mit 10 Gewichtsprozent Cadmium in der Abmessung 1 mm Dicke χ 130 mm Breite χ 500 mm Länge wurden bei 800° C und 2 ata Sauerstoffdruck über die Dauer von 4 Stunden inneroxidiert.

Diese Bleche wurden anschließend gereinigt und übereinander geschichtet. Zur Erreichung einer lötfähigen Bückseite wurde ein 0,5 mm dickes Feinsilberblech gleicher Breite und Länge beigelegt.

Das Paket der Bleche wurde auf 700° C erwärmt und einer Q&erSchnittsverringerung von 50 1» im ersten Walzstich unterworfen. Hierbei ergab sich bereits eine vollständige Verschweißung aller Schichten. Das so erhaltene Blech wurde durch Kaltwalzen mit drei Zwischenglühungen von etwa 600° q

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weiterverformt bis zu einer Enddicke von 2 mm. Ein solches Halbzeug eignet sich beispielsweise für die Herstellung von Auflötkontakten, die aus dem Halbzeug ausgestanzt oder ausgeschnitten werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung schematisch dargestellt; es zeigen:

Figur 1 einen vergrößerten Schnitt durch einen

Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung

Figur 2 eine isometrische Ansicht eines Auflötkontaktes aus einem Verbundwerkstoff gemäß Figur 1 in vergrößerter Darstellung.

In Figur 1 erkennt man einen Schnitt, durch den mit den Merkmalen der Erfindung im Walzplattierverfahren hergestellten Verbundwerkstoff, welcher 20 miteinander verbundene Bleche 1 sowie ein zur Schaffung der verbindungsfähigen Unterlage aufgelegtes, nichtoxidiertes Silberblech 2 aufweist.

Figur 2 erläutert die lage der Schichten in Höhenrichtung des Kontaktbereiches. Die gezeigte vielschichtige Ausbildung bietet besondere Vorteile.

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Claims

- ίο - Ansprüche

1./Verbundwerkstoff als Halbzeug für elektrische Kontakt- -- stücke mit lötfähiger metallener Unterseite, welcher aus Silber-Metalloxid besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Silber-Metalloxid in der Weise mehrschichtig angeordnet ist, daß mehrere, mindestens drei Bleche aus inneroxidierten Silberlegierungen untereinander und mit der lötfähigen Aullage direkt durch WaIzplattierung verbunden sind.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch !,dadurch g e kennz e i chnet, daß die Metalloxidschichten Cadmiumoxid enthalten.

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der vollständig inneroxidierten Bleche im Ausgangszustand unterhalb von 2 mm liegt.

4. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu schichtenden Bleche zunächst in sauerstoffhaltiger Atmosphäre inneroxidiert und nach einer Oberflächenreinigung übereinandergeschichtet werden, daß zur Erreichung einer verbindungsfähigen Unterseite ein metallenes, nicht oxidiertes Blech als Außenschicft beigefügt wird, und daß das Paket der Bleche einem Walzverfahren derart unterworfen wird, daß eine Verschweißung der Bleche eintritt.

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5. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzverformung bei erwärmtem Paket erfolgt.

6. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung oberhalb von 500° C liegt.

7. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverringerung im ersten Walzschritt mindestens 40 # beträgt.

8. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Walzschritten Zwischenglühungen eingelegt sind.

9. Kontaktstück aus einem Verbundwerkstoff nach Anspruch

1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtung im wesentlichen parallel zur Befestigungsfläche des Kontaktstückes liegt.

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