DE2726480A1 - Elektrisches kontaktmaterial - Google Patents

Description

Düsseldorf, 1o. Juni 1977

MMC 3.0-002
7742

Werner Peter Metz
Mountainside/ N. J., V. St. A

Elektrisches Kontak tmateriaI

Die Erfindung betrifft elektrische Kontaktmaterialien, Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kontaktmaterialien sowie aus derartigen Materialien bzw. gemäß derartigen Methoden hergestellte elektrische Kontakte. Insbesondere richtet sich die vorliegende Erfindung auf elektrische Kontaktmaterialien, die aus Metall/Metalloxid bestehen.

Die Verwendung von Metall/Metalloxid für elektrische Kontakte ist bekannt. Derartige Materialien, insbesondere die der aus Silber/Cadmiumoxid bestehenden Gruppe besitzen den Vorteil, daß sie die Haftneigung bei Anwendungen wesentlich vermindern, bei denen der Kontakt geschlossen und wieder geöffnet wird. Außerdem zeigen elektrische Kontakte, die aus derartigen Materialien hergestellt sind, gute Lichtbogenunterbrechungeigenschaften, niedrigen Kontaktwiderstand und hohen Widerstand gegenüber elektrischer Erosion. Jedoch sind bestimmte derartige Materialien wie beispielsweise Silber/Cadmiumoxid, die für die Anwendung elektrische Kontakte besonders gute Funktionseigenschaften besitzen, nicht für preisgünstige Produktionsverfahren wie Stauchen geeignet. Die niedrige Formbarkeit derartiger Materialien führt oft zu Brüchen während des Stauchens und damit zu dem entsprechenden Verlust an Funktionsqualitäten.

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Es wurde erkannt, daß ein hoher Gehalt an Metalloxid anzustreben ist, um Dispersionshärtung zu erreichen und den aus diesen Materialien hergestellten Kontakten Erosionwiderstandsfähigkeit zu geben, daß aber die nachteiligen Effekte des Metalloxids auf die Formbarkeit bisher zu einer Begrenzung des im sich schließlich ergebenden Produkt möglichen Metalloxidgehalts geführt hat.

Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kontakten aus Metall/Metalloxidmaterialien bekannt geworden. Beispielsweise wird in der britischen Patentschrift 1 397 319 ein Verfahren zur Herstellung von Kontaktformen beschrieben, bei dem Silber/Cadmiumoxidpulver unter Druck kompaktiert wird, um einen kompaktierten Körper zu formen, der danach gesintert und schließlich in die gewünschte Kontaktform gepreßt wird. Es wurde jedoch gefunden, daß dieses Verfahren zu drei wesentlichen Herstellungsproblemen führt. Der erste liegt daran, daß wegen der vielen miteinander zu Verbindenden integralen Teilchen ein außerordentlich großes Oberflächengebiet vorhanden ist, das nur schwer von Verunreinigungen freizuhalten ist. Ein zweites Problem liegt darin, daß während der Konsolidierung der Teilchen Zwischenflächen gebildet werden, die sich mit zufällig verteilten Richtungen zur Oberfläche des konsolidierten Körpers erstrecken, wo sie als Belastungserhöher wirken (z. B. durch Erhöhung der Kerbwirkung) ..Drittens ist die Größe und Verteilung der Metalloxidteilchen innerhalb des fertigen Produktes sehr ungleichmäßig und daher wegen der sich ändernden Oxidationswege schwierig zu steuern, wenn integrale Teilchen unterschiedlicher Größe vorhanden sind.

Bestimmte Probleme, die sich bei dem oben angegebenen Verfahren einstellen, wurden in gewissem Ausmaß durch andere bekannte Verfahren verringert, bei denen ein Streifen aus silber/ metallische¹ Legierung dadurch hergestellt wird, daß Stücke des Legierungsmaterials geschmolzen und gegossen und dann diese Stücke zu Streifen von ungefähr der gewünschten Form

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und Dicke des Endproduktes ausgewalzt werden, gefolgt durch innere Oxidation des Streifens und - wenn nötig - durch einen zweiten Walzvorgang, um das Produkt auf Endgröße zu bringen. Ein noch anderes Verfahren umfaßt die Extrusion von voroxidiertem Silber/Metalloxidmaterial in Form von Schrotkörnern oder Pellets. Dieses Verfahren, das in dem US-Reissue Patent Nr. 27 075 offenbart wird, besteht im allgemeinen aus den Verfahrensschritten der Bildung des Silber/Cadmiummetallschrots, internen Oxidierens des Schrots, Kompaktieren des oxidierten Schrots, Extrudieren des Schrots und kalten Bearbeiten der extrudierten Form auf die gewünschte Endgröße.

Jüngst wurde in den US-Patentschriften 3 932 935 und 3 932 936 ein Verfahren zur Herstellung von Silber/Metalloxidmaterialien beschrieben, aus denen elektrische Kontakte hergestellt werden können. Das aus diesen Patentschriften bekanntgewordene Verfahren umfaßt Extrusionspressen einer angeordneten Vielzahl von Platten und Drähten aus Metall/Metalloxidmaterialien, die vorher durch entweder interne Oxidation oder durch pulvermetallurgische Verfahren vorbehandelt wurden. Die auf diese Weise hergestellten extrudierten Produkte sollen gute Formbarkeit zeigen, wenn sie anschließend zu elektrischen Kontakten geformt werden. Es wird offenbart, daß die Faserstruktur der Metalloxidschicht, die sich bei diesem Verfahren ergibt, günstige Effekte hinsichtlich der nachfolgenden Handhabung des extrudierten Produktes zeigt, wenn dieses zu einem elektrischen Kontakt geformt wird, jedoch existiert eine derartige Schicht nur in einer einzigen Ebene, wodurch sich eine nicht vollständig gleichförmige Metalloxidverteilung im Endprodukt ergibt. Dieser Mangel an vollständiger Gleichförmigkeit kann zur Endstehung von Belastungserhöhungen und demzufolge zu nachteiligen Effekten hinsichtlich der Formbarkeit führen.

Gegenwärtig werden mehrere Hundert unterschiedliche Kontaktmaterialien hergestellt, um die Markterfordernisse zu erfüllen. Im allgemeinen werden mehrere unterschiedliche Funktionsqualitäten beim Kontaktmaterial benötigt, damit für eine gegebene

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Anwendung beste Betriebsergebnisse erzielt werden. Beispielsweise werden auf dem Markt der im Haushalt angewendeten Schaltkreisunterbrecher für die elektrischen Kontakte am häufigsten Silber/ Molybden/Wolfram-, Silber/Molybden- und Silber/Cadmiumoxid-Materialien verwendet. Andererseits werden auf dem Gerätekontaktsektor Feinsilber-, Silber/Kupfer-Legierungs- und Silber/Cadmiumoxid-Materialien in großem Umfang verwendet. In beiden Fällen liefert jede Art von hitzebeständigem Material eine bestimmte wünschenswerte Eigenschaft für das dieses Material enthaltene Kontaktmaterial. Jedoch zwingen Herstellungsschwierigkeiten häufig zu Kompromissen und die optimale Zusammensetzung für das Kontaktmaterial kann nicht immer verwendet werden. Bisher wurde die Herstellung von zusammengesetzten Kontaktmaterialien dadurch erreicht, daß in das Basismetall/Metalloxid-Material ein gewünschtes Additivmaterial in der Form eines Pulvers hinzugefügt wurde, wie beispielsweise in der britischen Patentschrift 1 397 319 offenbart wird, die oben bereits erläutert wurde, siehe aber auch die US-Patentschriften 3 158 469 und 3 827 883. Alternativ kann das Material dadurch eingefügt werden, daß es zusammen mit den Basismaterialien geschmolzen und in die Form eines Barrens gegossen wird, bevor der Barren ausgewalzt wird, um eine Bramme zu bilden, aus der die elektrischen Kontakte dann hergestellt werden. Dieses letztgenannte Verfahren wird in der US-Patentschrift 3 694 197 offenbart. Aus der US-Patentschrift 3 821 848 ist auch bekannt, daß zusammengesetzte Kontaktmaterialien dadurch hergestellt werden können, daß eine Schicht eines gewünschten Additivmaterials direkt auf einen elektrischen Kontakt aus Metall/Metalloxid metallurgisch aufgebunden wird.

Jedes der vorgenannten bekannten Verfahren zur Herstellung zusammengesetzter Materialien für elektrische Kontakte leidet unter bestimmten Nachteilen, wie sie vorstehend bezüglich der Herstellung von elektrischen Kontaktmaterialien allgemein erläutert wurden. Außerdem führt die Herstellung von zusammengesetzten elektrischen Kontaktmaterialien gemäß den bekannten

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Verfahren nicht zu einer so gleichförmigen Verteilung des Additivmaterials im fertigen Produkt, wie es wünschenswert wäre. Wiederum kann dieser Mangel an vollständiger Gleichförmigkeit zur Anwesenheit von Belastungserhöhern und zu nachteiligen Einflüssen auf die Formbarkeit führen, insbesondere in dem Fall, in dem zusätzliche· Material vor der internen Oxidation hinzugefügt wird, so defl dieses zusätzliche Material teilweise auch oxidiert wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines elektrischen Kontaktmaterials, ein·· Verfahrens zur Herstellung derartiger Kontaktmaterialien sowie elektrischer Kontakte aus diesem Material, bei denen die vorgenannten Nachteile vermieden werden, d. h., daß unter Beibehaltung der günstigen Eigenschaften der Metall/Metalloxidmaterialien bei der Anwendung für elektrische Kontakte deren Herstellung verbilligt und verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, die Erfindung liegt also in der Schaffung eines elektrischen Kontaktmaterials, das aus einem mechanisch gestreckten Knüppelbesteht, der zumindest ein erstes Material enthält, das ein Metall mit guten elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften umfaßt, sowie ein zweites Metall, das weniger gut kaltverformbar ist, als das erste Material und aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Metalle, Metalloxide, Metallegierungen und Mischungen davon umfaßt, wobei der Knüppel aus mehreren alternierenden ersten und zweiten Zonen besteht, die sich über die Gesamtlänge des Knüppels erstrecken und im wesentlichen symmetrisch und coaxial zur Längsachse des Knüppels liegen, wobei die erste Zone aus dem wesentlichen dem ersten Material und die zweite Zone aus im wesentlichen aus dem zweiten Material besteht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktmaterials gelöst, das von einem mechanisch gestreckten Knüppel ausgeht, der aus zumindest einem ersten Material aus einem Metall mit guten

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elektrisch Leitwerteigenschaften und einem zweiten Material besteht, das weniger gut kaltverformbar ist als das erste Material und aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Metalle, Metalloxide, Metallegierungen und Mischungen davon umfaßt, wobei das Verfahren aus den folgenden Verfahrensschritten besteht» Bilden des Knüppels mit einer Mehrzahl von alternierenden ersten und aweiten Zonen, die sich über die Gesamtlänge des Knüppel· liegen, erstrecken und im wesentlichen symmetrisch koaxial zur Längsachse des Knüppels liegen, wobei die erste Zone aus im wesentlichen dem ersten Material und die zweite Zone aus im wesentlichen dem zweiten Material besteht.

Die vorliegende Erfindung lehrt auch, daß gemäß den vorgenannten Verfahren und/oder unter Anwendung des vorerwähnten elektrischen Kontaktmaterials elektrische Kontakte hergestellt werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Verfahrens-^ schritte gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Mikroskopfotografie von 1oofacher Vergrößerung eines Teilquerschnittes durch einen extrudierten Knüppel aus erfindungsgemäß hergestelltem Silber/Cadmiumoxid;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Makrostruktur einer Querschnittsfläche eines gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren extrudierten Produktes;

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Fig. 4 eine schematische Darstellung der Makrostruktur einer Querschnittsfläche eines weiteren erfindungsgemäßen erhaltenen extrudierten Produktes;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Makrostruktur eines Vertikalschnittes eines gemäß den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten elektrischen Kontaktes; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Makrostruktur eines vertikalen Querschnittes eines erfindungegemäß hergestellten Kontaktes.

Bevor im einzelnen auf die Zeichnungen eingegangen wird, sei bemerkt, daß erfindungegemäß elektrische Kontaktmaterialien dadurch hergestellt werden, daß ein metallischer Legierungestreifen geschaffen wird, der zumindest aus einem ersten Metall besteht, das gute elektrische Leitfähigkeitseigenschaften aufweist, sowie einem zweiten Metall, das leichter oxidierbar ist, als das erste Metall, wonach der Streifen intern oxidiert wird, um einen Streifen zu erhalten, der aus dem ersten Metall und dem Oxid des zweiten Metalls besteht. Während der inneren Oxidation des Streifens entsteht im Zentrum des Streifens zumindest teilweise ein Mangel an dem zweiten Metall und dieser Bereich ist im wesentlichen frei an Metalloxid. Nach der internen Oxidation wird der Streifen gewickelt, um einen gewickelten Knüppel zu bilden, der dann mechanisch gestreckt wird, wodurch ein duktiles Metall/Metalloxidprodukt erhalten wird. Die mechanische Streckung kann gemäß bekannter Verfahren erfolgen, wie beispielsweise durch Extrusion, durch Ziehen oder durch Stangenwalzen. Das so erhaltene Produkt kann dann gemäß herkömmlicher Verfahren zu jeder gewünschten endgültigen Kontaktform umgeformt werden. Metalle mit guten elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften, die erfindungsgemäß als erstes Metall verwendet werden können, sind Silber, Gold, Paladium, Platin und Aluminium. Das zweite Material, das leichter oxidierbar ist als das erste Material, kann aus einer Gruppe ausgewählt

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werden, die Cadmium, Zinn, Zink, Blei, Thallium, Kupfer, Thorium, Indium, Titan, Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Uran und Zirconium umfaßt. Die vorzugsweise Zusammensetzung für das endgültige Produkt ist jedoch Silber/Cadmiumoxid, da man sich im allgemeinen darüber einig ist, daß dadurch die besten Lichtbogenunterbrechungseigenschaften, niedriger Kontaktwiderstand und hohe Widerstandskraft gegenüber elektrischer Erosion gegenüber anderen Materialien, die gegenwärtig zur Herstellung von elektrischen Kontakten verwendet werden, zu erhalten sind.

Der Streifen aus Metall/Metalloxid-Material, der aufwickelt und mechanisch erfindungsgemäß gestreckt werden soll, kann mittels verschiedener Verfahren hergestellt werden, beispielsweise durch Schmelzen und Gießen einer Metall/Mtetallegierung zu einem Barren, Walzen des Barrens zu einem Streifen und anschließend Unterwerfen des gewalzten Streifens einer internen Oxidation. Wenn gewünscht kann jedoch der Streifen auch durch die Mischung von Pulvern von ersten und zweiten Metallen hergestellt werden, gefolgt durch Sinterung der gemischten Pulver zur Bildung eines Barrens, der daraufhin zur Bildung des Streifens ausgewalzt wird, bevor die innere Oxidation stattfindet.

Der metallische Legierungsstreifen kann einem geeigneten Säuberungsverfahren ausgesetzt werden, entweder vor oder nach der inneren Oxidation, oder auch vor und nach der Oxidation. Die Form des Streifens, der eine verhältnismäßig kleine Oberfläche aufweist, verglichen mit der Oberfläche von separaten integralen Teilchen von kompaktierten Material, zur Bildung der elektrischen Kontakte gemäß bestimmter bekannter Verfahren begünstigt sehr stark eine derartige Reinigung und die entsprechende Entfernung irgendwelcher Oberflächenverunreinigungen.

Der intern oxidierte Metall/Metalloxidstreifen kann zu einem gewickelten Knüppel entweder mit oder ohne im zentralen Kern angebrachten Draht aus gleichartigem Metall/Metalloxid sein.

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Der Querschnitt des Knüppels kann jede gewünschte Form haben, solange wie die Wicklung symmetrisch um die Längsachse des Knüppels liegt. In jedem Falle wurde gefunden, daß das sich ergebende Produkt nach der mechanischen Streckung eine Serie von ringförmigen laminaren Flußlinien aus dem Oxidmaterial durch die Silbermatrix hindurch zeigt, wodurch sich eine koaxiale und symmetrische Verteilung des Oxids innerhalb des mechanisch gestreckten Knüppels ergibt. Es wurde gefunden, daß eine derartige Verteilung zu verbesserter Formbarkeit des mechanisch gestreckten Produktes führt, verglichen mit Metall/Metalloxid-Materialien, die gemäß dem Stand der Technik hergestellt wurden. Zwar soll hier keine bestimmte Theorie als maßgeblich angeführt werden, jedoch wird angenommen, daß die verbesserte Formbarkeit sich aus der Tatsache ergibt, daß während der internen Oxidation des metallischen Legierungsstreifens Zonen gebildet werden, die einen Mangel an Metalloxid aufweisen, was zu einer Dispersionshärtung des Endproduktes führt, wodurch Gleitzonen des ersten leichter verformbaren Metalls zurückbleiben. Wenn der intern oxidierte Streifen gewickelt wird, um den gewickelten Knüppel zu bilden, besitzt jede Wickellage ihre eigene Mangelzone, was bewirkt, daß eine Serie von koaxialen und symmetrischen Gleitzonen innerhalb des gewickelten Knüppels entstehen, die frei von metallischem Oxid sind. Da die Zonen, die frei von Metalloxid sind, viel leichter formbar sind, als das dispersionsgehärtete Metalloxid, wird sich grundsätzlich das mechanisch gestreckte Produkt symmetrisch um die Längsachse des Produktes deformieren, wenn es in eine senkrecht dazu gerichtete Richtung gestaucht wird. Die . Gleitzonen ermöglichen somit eine wirksamere Stauchung als sie für andere Kontaktmaterialien erhältlich ist, einschließlich Materialien mit zufällig verteilten dispersionsgehärteten Gebieten des Metalloxids, wie sie gemäß bekannter Verfahren erhalten werden.

Wie bereits oben erwähnt, können Materialien aus Silber und metallischem Oxid, die gemäß den US-Patentschriften 3 932 935 und 3 932 936 hergestellt wurden, so etwas wie eine Faserstruktur der Metalloxidschicht aufweisen, wobei diese Struktur

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die Formbarkeit des so hergestellten Produktes erhöht, jedoch ist leicht zu erkennen, daß eine derartige Struktur nicht die koaxialen und symmetrischen Gleitzonen liefern kann, die sich über die gesamte Längserstreckung des mechanisch gestreckten Knüppels erstrecken, wie es erfindungsgemäß möglich ist.

Ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in der Tatsache, daß zusammengesetzte Materialien dadurch hergestellt werden können, daß zusätzliche Materialstreifen übereinanderliegend auf dem intern oxidierten metallischen Basislegierungsstreifen aufgelegt werden, dann die Streifen zusammengewalzt werden, um einen gewickelten Knüppel zu bilden, wonach dann der gewickelte Knüppel mechanisch gestreckt wird. Das sich ergebende Produkt wird getrennte koaxiale und symmetrische Zonen des zusätzlichen Materials enthalten, die mit den Gleitzonen des elektrisch leitfähigen Materials des ersten Bleches und der dispersionsgehärteten Zonen des Metalloxides alternieren. Es wird ohne weiteres deutlich, daß dieses Verfahren zu einer außerordentlich gleichförmigen Verteilung des zusätzlichen Materials führt, die auf andere Weise gemäß bekannter Verfahren nicht erhältlich ist. Außerdem werden die gleichen Vorzüge der Formbarkeit, die sich aus der Anwesenheit der Gleitzonen ergeben, wie weiter oben erläutert, auch erhalten. Unter den Materialien, die die gewünschten Eigenschaften den elektrischen Kontakten geben, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind Metall/Metalloxide anderer Zusammensetzung als der Grundstreifens, reines Silber, Silbergrafit, Wolfram, Silber/Wolfram, Molybden, Silber/MOlybden, Silber/Eisen, Silber/Nickel, Gold, Platin, Palladium, Aluminium, Kupfer und Mischungen davon. Natürlich kann der Fachmann ohne Schwierigkeiten feststellen, welches Additivmaterial jeweils die besonders gewünschten Eigenschaften des Endproduktes liefert und demgemäß handeln.

Es sollte auch bemerkt werden, daß die Vorteile, die durch die Anwesenheit der koaxialen und symmetrischen Gleitzonen

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erfindungsgemäß erhalten werden, auch durch alternierendes Stapeln von Blechen aus einem elektrisch leitfähigen Material wie Silber/und aus dispersiongehärteten Materialien wie Silber/ Cadmiumoxid erreicht werden können, wenn danach der Stapel aus Blechen gewalzt wird, um einen gewickelten Knüppel zu bilden, und der gewickelte Knüppel dann mechanisch gestreckt wird. Die reine Silberschicht dient als Gleitzone und ermöglicht eine symmetrische Stauchung längs der Längsachse des mechanisch gestreckten Knüppels in der gleichen Weise, wie es weiter oben ausgeführt wurde. Natürlich kann jede besondere Kombination von gewünschten Materialien in die Form eines Knüppels gewickelt und dann mechanisch gestreckt werden, wodurch die Vorteile erreicht werden, solange wie zumindest eines der Bleche gute elektrische Leitfähigkeitseigenschaften aufweist und leichter formbar ist als die anderen verwendeten Materialien.

Es sollte bemerkt werden, daß das Konzept der Wicklung von länglichem metallischem Material zu einem Wickel, bevor eine Extrusion stattfindet, bereits in Verbindung mit der Herstellung von Titanbasismetallformen offenbart worden ist. So ist in der US-Patentschrift 3 579 800 ein derartiges Verfahren unter besonderen Bedingungen, die sich direkt auf die Titanmetallurgie beziehen, in Verbindung mit der Herstellung von länglichen Titanbasisextrusionen wie Röhren oder Stangen benutzt worden, und es wird gesagt, daß dieses Verfahren zu einer Verringerung von Belastungserhöhern während derartiger Herstellung führt, welche Belastungserhöher zu einem Brechen und Aufsplittern der Stangen während der nachfolgenden Tiefziehoperationen sonst führen würden. Insbesondere umfaßt das Verfahren die Schritte der Orientierung des Bleches aus Titanbasismetall in seine Walzrichtung, so daß die gestreckten Kristalle des Metalls spezifisch längs der ersten Achse orientiert sind, Drehen des orientierten Bleches um eine zweite Achse senkrecht zur ersten Achse, um mehrere Umdrehungen um die zweite Achse zu erhalten und einen Extrusionsknüppel zu bilden und dann den Knüppel bei erhöhter Temperatur, die oberhalb von

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65o C liegt, zu extrudieren. Das sich ergebende Produkt wird hauptsächlich für Rohrverbindungen bei der Herstellung von Luftfahrzeugen verwendet. Es sollte jedoch klar sein, daß trotz der Tatsache, daß das allgemeine Konzept des Wickeins von Blechmaterial zu einem Wickel vor der Extrusion offenbart worden ist, es/her nicht bekannt war, daß ein derartiges Verfahren auch bei der Herstellung von elektrischen Kontaktmaterialien aus Metall/Metalloxid anwendbar ist, wo eine gleichförmige Verteilung des Oxids innerhalb des Endproduktes erforderlich ist, um dem Material ein hohes Maß an Formbarkeit zu geben, ohne daß damit auch Brüche während der Herstellung verbunden wären. Desweiteren bestand keinerlei Hinweis darauf, daß die Mangelzonen des Metalloxids die sich auf Grund der internen Oxidation von Metall/Metallegierungsstreifen ergeben, bei denen das zweite Metall leichter oxidierbar ist, als das erste Metall, zu Gleitzonen in dem Produkt führen wurde, das durch mechanische Streckung von aus solchen Streifen gewickelten Knüppeln entsteht,und daß die Anwesenheit dieser Gleitzonen zu erhöhter Formbarkeit des mechanisch gestreckten Produktes führen würden, wobei gleichzeitig ein höherer Gehalt an metallischem Oxid möglich ist, als es bisher gemäß dem Stand der Technik bei der Herstellung von elektrischen Kontakten der Fall war.

Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung, die in der Fig. 1 in der Form eines Flußdiagramms erläutert wird, wird ein Barren aus Silber/metallische Legierung, vorzugsweise aus unoxidiertem Silber/Cadmium geschmolzen und gemäß bekannter Verfahren gegossen. Die Legierungsbestandteile reichen typischerweise von etwa 5 % Cadmium bis etwa 25% Cadmium. Zusätzlich können andere Metalle wie Nickel oder Kobalt vorhanden sein, die zu einer Kristallverfeinerung des Silbers im Endprodukt führen. Die jeweiligen Ausmaße des Barrens können beliebig gewählt werden, solange eine derartige Größe zum nachfolgenden Walzen zur Bildung des zu wickelnden Streifens geeignet ist.

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Der silber-metallische Barren wird dann bis zu einer Dicke von etwa 2,54 - o,o254 mm ausgewalzt und dann der Streifen innerer Oxidation unter geeigneten Bedingungen ausgesetzt, die nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten wie auch nach den gewünschten Eigenschaften des fertigen Produktes ausgewählt werden. Es wurde gefunden, daß die Eigenschaften des fertigen Produktes die sich auf die Teilchengröße und die Verteilung des Cadmiumoxids und der Silbermatrix beziehen, in wesentlichem Ausmaß durch die Dicke des Streifens während der Oxidation beeinflußt werden und daß Streifen mit einer Dicke im vorgenannten Bereich in dieser Hinsicht gute Resultate liefern. Während der internen Oxidation des gewalzten Streifens wird das Zentrum des Streifens zumindest teilweise arm an Cadmium und ist daher im wesentlichen frei von irgendwelchem Cadmiumoxid.

Nach Beendigung der internen Oxidation wird der gewalzte und oxidierte Streifen dann einem Säuberungsverfahren ausgesetzt, um irgendwelche Oberflächenverunreinigungen zu entfernen, die sich während der Oxidationoperation gebildet haben mögen. Die Säuberung kann mittels irgendwelcher bekannter chemischer oder mechanischer Einrichtungen erfolgen. Gemäß einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung werden die Streifenoberflächen auch schon vor der internen Oxidation des Streifens mittels geeigneter Reinigungsverfahren gesäubert. Verglichen mit der Oberfläche von getrennten integralen Teilchen einer Legierung, die kompaktiert wird, um gemäß einiger bekannter Verfahren elektrische Kontaktmaterialien zu bilden, ist das Oberflächengebiet des Streifens verhältnismäßig klein und ermöglicht eine wirksame Entfernung von Oberflächenverunreinigungen, die die Eigenschaften des Endproduktes negativ beeinflussen könnten.

Der oxidierte und gesäuberte Streifen wird dann zu einem festgewickelten Knüppel gebunden, der gemäß herkömmlicher Verfahren mechanisch gestreckt werden kann, um das Endprodukt zu bilden. Typischerweise wird der Knüppel eine Länge von etwa 15 - 5o cn» und einen Durchmesser von etwa 5 - 2o cm aufweisen, wobei

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der jeweilige Durchmesser nur von dem Apparat festgelegt wird, der zur Durchführung der mechanischen Streckung verwendet wird,

sowie von den gewünschten Dimensionen des Endproduktes. Wenn gewünscht, kann ein Kern aus Silber/Metalloxid-Draht im Zentrum des Knüppels vorgesehen werden, wobei ein derartiger Kern entweder vorher gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt oder gemäß irgendeinem bekannten Verfahren erhalten wurde.

Das vorzugsweise Verfahren für die Durchführung der mechanischen Streckung des gewickelten Knüppels ist die Extrusion, und zwar aufgrund der relativen Wirksamkeit der Extrusion verglichen mit anderen Verfahren zur mechanischen Streckung, wie Ziehen oder Stangenwalzen. Jedoch kann in bestimmten Fällen das Ziehen oder Stangenwalzen vorzuziehen sein, da derartige Verfahren eine höhere Materialausnutzung ermöglichen. In dieser Hinsicht führt das Extrusionsverfahren zur Bildung eines Stumpfendes an dem extrudierten Produkt, das vor der weiteren Verarbeitung entfernt werden muß. Obwohl bei vielen extrudierten Produkten das Stumpfende geborgen und direkt wieder verwendet werden kann, ist dies im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht möglich. Der Grund liegt daran, daß der erfindungsgemäß extrudierte Knüppel ein wertvolles Metall/Metalloxid umfaßt, das nicht einfach für nachfolgende Wiederverwendung eingeschmolzen werden kann. Um die wertvollen Edelmetallkomponenten des Stumpfendes wieder zu gewinnen, ist es notwendig, daß Stumpfende einem teuren und komplizierten Raffinierungsverfahren auszusetzen. Außerdem mag im Falle von Metall/Metalloxidprodukten, die als eine Komponente Cadmium enthalten, eine Raffinierung aufgrund der hohen Giftigkeit des Cadmiums und der Effekte von Cadmiumdämpfen, die sich beim Raffinieren ergeben, auf die Atmosphäre unpraktisch sein. Nichtsdestoweniger wird ohne weiteres deutlich, daß bei Metall/Metalloxiden, die Edelmetalle wie Silber, Gold, Paladium und Platin enthalten, wie es gemäß der vorliegenden Erfindung meist der Fall ist, die wirtschaftliche Bedeutung des einfachen Wegwerfens der Stumpfenden des Extrusionsproduktes recht bedeutsam werden kann und daß die Raffinierung zur Wieder-

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gewinnung der Bestandteile eine wirtschaftliche Notwendigkeit wird.

Aus den obigen Gründen und um die Raffinierung und damit die dabei möglicherweise auftretenden Umweltprobleme zu vermeiden, können bei Bedarf auch die weniger wirksamen Verfahren des Ziehens und Stangenwalzens angewendet werden, um derartige Probleme zu vermeiden, wobei das letztere Verfahren eine vollständige Verwendung des Materials ermöglicht. Auf jeden Fall werden die Vorteile, die sich aus der Anwesenheit der Gleitzonen ergeben, wenn das gestreckte Produkt gestaucht wird, um einen elektrischen Kontakt zu bilden, erreicht, unabhängig davon, ob ein extrudiertes, gezogenes, gewalztes oder auf andere Weise gestrecktes Produkt verwendet wird.

Der mechanisch gestreckte Knüppel, typischerweise mit einem Durchmesser von 1,3-5 cm, wird gemäß herkömmlicher Herstellungsverfahren zu dem endgültigen elektrischen Kontakt geformt, wie beispielsweise durch Stauchen oder durch Verbinden zu einem Niet oder Kontakt. Der tatsächliche Durchmesser des Knüppels wird natürlich von dem jeweils benutzten Endherstellungsverfahren festgelegt. Auf jeden Fall wird das mechanisch gestreckte Produkt wie auch der daraus schließlich hergestellte elektrische Kontakt größere Formbarkeit und Stauchbarkeit gegenüber Materialien zeigen, die gemäß bekannter Verfahren hergestellt wurden. Wie bereits oben erwähnt, wird angenommen, daß diese höhere Formbarkeit durch die Anwesenheit der cadmiumoxidverarmten Zonen herrühren, die zur Bildung von Gleitzonen aus im wesentlichen reinem Silber führen, nachdem der Streifen gewickelt und mechanisch gestreckt wurde. Die Gleitzonen ermöglichen eine symmetrische Stauchung des mechanisch gestreckten Produktes um die Längsachse herum. In dieser Hinsicht sei auf die Figuren 2-6 verwiesen, die durch Vergleich mit Strukturen 4o und 5o des Standes der Technik die Anwesenheit der Gleitzonen aus Silber sowie die ringförmigen laminaren Fließzonen des Oxidmaterials über dem Querschnitt des Produktes ziemlich deutlich machen, verglichen

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mit der verhältnismäßig zufälligen Verteilungseigenschaft bei gemäß bekannter Verfahren hergestellter Materialien. Insbesondere ist in Fig. 2 der Querschnitt eines extrudierten Silber/Cadmiumoxid-Knüppels vor der Deformation zur elektrischen Kontaktform wiedergegeben, wobei die Kante des Produktes durch die Bezugszahl 1o und die Zwischenfläche zwischen aufeinanderfolgenden Wicklungen des Silber/Cadmiumoxid-Streifens durch die Bezugszahl 16 angedeutet wird. Wie deutlich zu erkennen ist, umfaßt das Produkt Abmagerungszoneη 12 aus im wesentlichen reinen Silber, die mit dispersionsgehärteten Zonen 14 aus Silber/Cadmiumoxid durch den Querschnitt des Produktes hindurch alternieren.

Im allgemeinen dienen die Abmagerungszonen, wenn ein mechanisch gestrecktes Produkt erfindungsgemäß längs seiner Längsachse gestaucht wird, als Gleitzonen, was zu einer praktisch gleichförmigen und symmetrischen Deformation des Knüppels in eine Richtung führt, die senkrecht zur Längsachse des Knüppels liegt. Die sich ergebende gleichförmige Deformation ergibt sich wie angenommen wird, ohne weiteres aus dem Vergleich der Figuren 4 und 6. Wie in den Figuren 4 und 6 schematisch wiedergegeben wird, deformiert sich somit das Metall ziemlich gleichförmig um seine Achse aufgrund der Anwesenheit der Gleitzonen 18, die mit den dispersionsgehärteten Zonen abwechseln, so daß die Gleitzonen und die dispersionsgehärteten Zonen im wesentlichen gleichförmig im geformten Produkt verteilt bleiben, was zu gleichförmigeren mechanischen und elektrischen Eigenschaften des geformten Kontaktes führt. Dies unterscheidet sich von der verhältnismäßig zufälligen Verteilung sowohl des elektrisch leitenden Materials als auch des dispersionsgehärteten Materials,

wie sie charakteristisch ist für eine Struktur gemäß dem Stand der Technik, die schematisch in den Figuren 3 und 5 wiedergegeben ist und die während des Stauchens zu Stauchbrüchen 22 führt.

Das folgende Beispiel soll die vorliegende Erfindung noch weiter erläutern.

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Eine Schmelze aus einer Silber/Cadmium-Legierunq, die 86,5 ΐ, Silber, 13, 3 % Cadmium, o,2 % Nickel enthielt, wurde bei einer Temperatur von ungefähr 1o2o C hergestellt. Das Metall wvirüe dann zu einem Rarren mit den Ausmaßen 5x3ox6o cm gegossen. Der Barren wurde dann gemäß herkömmlicher Kalzverfahren zu einer Dicke von 1 ,3 mm ausgev/alzt. Nach· dem Walzen wurde der Barren mit einem porösen Trenner aufgewickelt, um die V icke 1-lagen voneinander getrennt zu halten und danach auf 7 5o C erhitzt und 12 Stunden lang in einer unter einem Druck von 1,4

2
kg/cm stehenden Sauerstoffatmosphäre auf diener Temperatur gehalten. Am Ende der 12 Stundenperiode war der aufgewickelte Streifen vollständig oxidiert und wurde einer Säuberungsoperation mittels einer Streifenbürstenmaschine ausgesetzt, um überschüssiges Cadmiumoxid und andere Verunrein igunger, zu entfernen, die sich auf der Oberfläche des Streifens gebildet hatten. Der gesäuberte Streifen wurde dann auf eine Stange aus Silber/Cadmiumoxid mit einem Durchmesser von 1,3 cm eng aufgewickelt, welche Stange vorher extrudiert worden war. Der so hergestellte Extrusionsknüppel war 3o cm lang und besaß einen Durchmesser von 8,9 cm. Der Knüppel wurde dann auf 5oo°C vorerhitzt und gemäß normaler Extrusionsverfahren extrudiert, um, einen Draht mit einem Durchmesser von 7,6 mm zu bilden, der nachfolgend auf Endgröße gezogen und weichgenlüht wurde, um ihn nachfolgend zu einem Niet oder zu einem Kontakt zu stauchen oder zu binden.

Der so hergestellte Draht besaß eine Endzusammensetzung von etwa 85 % Silber und 15% Cadmiumoxid. Dies Material zeigte höhere Formbarkeit und Stauchbarkeit gegenüber Materialien, die lediglich 1o% Cadmiumoxid aufwiesen und gemäß herkömmlicher Verfahren hergestellt waren.

Die an Cadmiumoxidverarmten Zonen, die als Gleitzonen aus reinem Silber dienen, die symmetrisch und koaxial im Endprodukt verteilt sind und sich längs der gesamten Länge des Endproduktes erstrecken, ermöglichen es, das extrudierte Produkt um seine Längsachse symmetrisch zu stauchen. Die Anwesenheit dieser Gleitzonen ermöglicht daher den Einschluß eines höheren Prozent-

8 0 9 8 1 ß / 0 ■) 4 5 ORIGINAL INSPECTED

xr-

satzes von Cadmiumoxid in dem Endprodukt, als es geiräß bekannter Verfahren möglich war, ohne daß die Formbarkeit darunter leidet. Der Einschluß eines höheren Cadmiumoxidgehaltes trägt zur gleichmäßigeren Lichtbogenerosion und damit zu besseren Abnutzungscigenschaftjn der aus derartigen Materialien hergestellten Kontakte bei. Da außerdem die erfindungsgemäß hergestellten Materialien gleichförmig und symmetrisch gestaucht werden können, zeigen die so hergestellten Kontakte bessere Abnutzungseigenschaften, da sich der Lichtbogen gleichförmig verteilt, statt daß er sich an einen*, schwachen Punkt fokussiert, wie er in einem elektrischen Kontakt auftritt, der auf dem Kopf eine ungleichförmige Konfiguration aufweist. Eine derartige Gleichförmigkeit führt zu einem niedrigeren Temperaturanstieg während der Verwendung und daher zu gleichförmigeren elektrischen Eigenschaften.

ES/ge 5

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ι ⁵· Leerseite

Claims (15)

1. Dohg. Ernst Stratmann

   Patentanwalt

   4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9

   •Düsseldorf, 1o. Juni 1977

   MMC 3.0-002
   7742

   . Werner Peter Metz Mountainside/ N. J., V. St. A.

   P a t e η t a η s ρ r ü c h e ;

   Elektrisches Kontaktmaterial, bestehend aus einem mechanisch gestreckten Knüppel, der zumindest ein erstes Material enthält, das ein Metall mit guten elektrischen Leitwerteigenschaften sowie ein zweites Material umfaßt, das weniger verformbar ist als das erste Material, wobei das zweite Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Metalle, Metalloxide, Metalllegierungen und Mischungen davon umfaßt, wobei der Knüppel gekennzeichnet ist durch mehrere alternierende erste und zweite Zonen, die sich über die gesamte Länge des Knüppels erstrecken und im wesentlichen symmetrisch und koaxial zu der Längsachse des Knüppels liegen, wobei die erste Zone (12 oder 18) aus im wesentlichen dem ersten Material und die zweite Zone (14) im wesentlichen aus dem zweiten Material besteht.
2. 2. Elektrisches Kontaktmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Knüppel zusätzliche Zonen umfaßt, die mit den ersten und zweiten Zonen alternieren, wobei die zusätzlichen Zonen sich ebenfalls über die gesamte Länge des Knüppels erstrecken und im wesentlichen symmetrisch und koaxial zur Längsachse des Knüppels liegen, wobei die zusätzlichen Zonen im wesentlichen aus Materialien bestehen, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die Metalle, Metalloxide, Metallegierungen und Mischungen davon umfaßt.

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3. 3. Elektrisches Kontaktmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Knüppels kreisförmig oder rechteckig ist.
4. 4. Elektrisches Kontaktmaterial nach Anspruch 1, 2 oder

   3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material Silber ist.
5. 5. Elektrisches Kontaktmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material Silber/Cadmiumoxid ist.
6. 6. Verfahren zur Herstellung des elektrischen Kontaktmaterials der vorhergehenden Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch Formen des Knüppels mit einer Vielzahl von alternierenden ersten und zweiten Zonen, die sich über die gesamte Länge des Knüppels erstrecken und im wesentlichen symmetrisch und koaxial zur Längsachse des Knüppels liegen, wobei die erste Zone (12 oder 18) im wesentlichen aus dem ersten Material und die zweite Zone (14) im wesentlichen aus dem zweiten Material besteht.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der alternierenden ersten und zweiten Zonen dadurch gebildet werden, daß ein metallischer Legierungsstreifen geschaffen wird, der aus zumindest einem ersten Metall mit guten elektrischen Leitwerteigenschaften und aus einem zweiten Metall besteht, das leichter oxidierbar ist, als das erste Metall, daß der Streifen intern oxidiert wird, um einen Streifen zu erhalten, der aus dem ersten Material, das das erste Metall umfaßt, und aus dem zweiten Material besteht, das das Oxid des zweiten Metalls umfaßt, wobei das Zentrum des Streifens zumindest teilweise an dem zweiten Metall während der internen Oxidation verarmt und im wesentlichen frei von Metalloxid

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   ist, daß der Streifen zur Bildung eines gewickelten Knüppels aufgewickelt wird und der aufgewickelte Knüppel mechanisch gestreckt wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren alternierenden ersten und zweiten Zonen dadurch geformt sind, daß ein erster Streifen aus dem ersten Material geliefert wird, daß zumindest ein zweiter Streifen aus dem zweiten Material über den ersten Streifen gelegt und die Streifen zur Bildung eines gewickelten Knüppels aufgewickelt und der gewickelte Knüppel mechanisch gestreckt wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Anordnen von zumindest einem zusätzlichen Streifen aus Material, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Metalle, Metalloxide, Metallegierungen und Mischungen davon umfaßt und daß dieser zusätzliche Streifen auf den ersten und den zweiten Streifen vor dem Aufwickeln dieser Streifen zur Bildung des gewickelten Knüppels aufgelegt wird, wobei der zusätzliche Streifen eine Zusammensetzung aufweist, die gegenüber dem ersten Streifen unterschiedlich ist.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Schaffung von zumindest einem zusätzlichen Streifen aus einem Material, das aus einem Metall, Metalloxide,Metallegierungen und Mischungen davon umfassenden Gruppe ausgewählt wird, Auflegen des Streifens auf den Streifen aus dem ersten und zweiten Material vor dem Aufwickeln zur Bildung des gewickelten Knüppels, wobei der zusätzliche Streifen eine Zusammensetzung aufweist, die gegenüber der Zusammensetzung des ersten Materials unterschiedlich ist.
11. 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 1o, dadurch gekennzeichnet, daß der gewickelte Knüppel um einen Kern aus einem Metall/Metalloxid-Draht geformt wird.

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12. 12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6-11, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material Silber ist.
13. 13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6-12, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material Silber/ Cadmiumoxid ist.
14. 14. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes, gekennzeichnet durch Formen eines elektrischen Kontaktes unter Anwendung der elektrischen Kontaktmaterialien gemäß einem der Ansprüche 6-13.
15. 15. Elektrischer Kontakt, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem elektrischen Kontaktmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-5 hergestellt ist.

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