DE2813087A1 - Kontaktelement aus feinwanderungsbestaendigem kontaktmaterial und herstellungsverfahren hierzu - Google Patents

Kontaktelement aus feinwanderungsbestaendigem kontaktmaterial und herstellungsverfahren hierzu

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Description

A 795 - 4 -
Anmelder: G. Rau, Pforzheim
Kontaktelement aus feinwanderungsbeständigem Kontaktmaterial und Herstellungsverfahren hierzu
Die Erfindung betrifft ein Kontaktmaterial aus feinwanderungsbeständigem Kontaktmaterial, welches als Verbundwerkstoff in überwiegendem Gewichtsanteil mindestens zwei ineinander lösliche metallene Komponenten enthält, von denen wenigstens die eine aus einem Edelmetall besteht.
Bei elektrischen Schaltkontakten tritt insbesondere bei Gleichstrombelastung eine Feinwanderung an den Kontaktflächen ein, welche bei bewährten Kontaktwerkstoffen eine starke Spitzen- und Kraterbildung verursacht, die zu einer vorzeitigen Zerstörung des Kontaktelementes führen kann. Diese Materialwanderung, die meist in der Richtung von Anode zur Kathode erfolgt, ist eine von der Struktur des Kontaktwerkstoffes abhängige Eigenschaft, die von der Art der Einlagerung der metallenen Komponenten abhängt.
Als feinwanderungsbeständige Kontaktwerkstoffe sind Legierungen AuCo und PdCu bekannt. Nachteilig ist hierbei der relativ hohe Edelmetallbedarf, da der für die gewünschten Eigenschaften erforderliche Gefügeaufbau nach dem Zustandsdiagramm der entsprechenden Legierungen nur mit einem bestimmten Edelmetallanteil erreicht werden kann. Diese feinwanderungsbeständigen Legierungen, in denen die metallenen
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Komponenten in einem durch das Zustandsdiagramm vorgegebenen thermodynamisch stabilen Ordnungs- bzw. heterogenen Zustand vorliegen, zeigen zusätzlich eine schlechte Verarbeitbarkeit, die beispielsweise bei der herkömmlichen Herstellung plattierter Kontaktniete mit einer Kontaktauflage aus der Legierung PdCu 60/40 aufwendige Plattierverfahren erfordert.
Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein Kontaktelement aus feinwanderungsbeständigem Kontaktmaterial zu schaffen, welches bei relativ geringem Edelmetallgehalt eine gute Verarbeitbarkeit, insbesondere eine gute Verschweißung mit Kontaktträgern, ermöglicht. Zur lösung dieser Aufgabenstellung ist vorgesehen, daß die ineinader vollständig löslichen metallenen Komponenten in dem Verbundwerkstoff heterogen als reine Metallkomponenten eingelagert sind« Überraschend hat es sich gezeigt, daß solche VerbundwerkstoffeP die somit in einem thermodynamisch instabilen Zustand vor« liegen, eine geringe Materialwanderung im Vergleich mit den entsprechenden homogenen Legierungen (Mischkristalle gleicher Zusammensetzung) aufweisen,. Der Verbundwerkstoffp welcher als mehrphasiger Werkstoff die beteiligten Komponenten in metallen reiner Form enthält, besitzt gegenüber dem homogenen Mischkristall zusätzliche Vorteile höherer elektrischer und Wärmeleitfähigkeit,,
Die heterogene Einlagerung der N'Hallkomponente kann zweckmäßig in der Weise erfolgen^ daß der Verbundwerkstoff
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ein die ineinander löslichen Komponenten als Matrix und Fasern enthaltender Faserverbundwerkstoff ist. Dabei erscheint es gegebenenfalls zweckmäßig, eine Vielzahl von Fasern einzubetten, deren Faserdurchmesser in der Größenordnung von 0,001 bis 0,1 mm liegt. Es sind sowohl gleichmäßige Faserdurchmesser aller Fasern als auch in bestimmten Anwendungsfällen Fasern unterschiedlichen Faserdurchmessers vorteilhaft verwendbar.
Der Edelmetallgehalt kann dabei je nach den gegebenen Voraussetzungen zwischen 8 Gew.# und 70 Gew.# liegen.
Anstelle eines Faserverbundwerkstoffes erscheinen auch andere Verbundwerkstoffe mit heterogener Verteilung der ineinander löslichen Komponenten zweckmäßig, bei denen insbesondere in die Matrixkomponente metallene Einschlüsse der anderen Komponente, beispielsweise in Kugel- bzw. Kornform, eingelagert sind.
Bei einem Faserverbundwerkstoff erscheint eine solche Ausbildung zweckmäßig, bei der in Längsrichtung im wesentlichen parallel liegende, gleichmäßig durchgehende Fasern vorhanden sind.
Zusätzlich zu den beiden ineinander löslichen metallenen Komponenten, von denen wenigstens die eine aus einem Edelmetall besteht, können noch gegebenenfalls vorteilhaft ande-
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re metallene und/oder nichtmetallene Komponenten in geringerem Anteil eingelagert sein. Beispielsweise erscheint für bestimmte Anwendungsfälle die Einlagerung von im Verbundwerkstoff in Längsrichtung liegenden Strängen aus Metallverbindungen, beispielsweise aus SnCL oder aus Graphit zweckmäßig.
Die ineinander löslichen Komponenten des feinwanderungsbeständigen Kontaktmaterials sind in verschiedenen Kombinationen, beispielsweise Kupfer/Palladium und Palladium/Silber zweckmäßig wählbar.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelementes aus Faserverbundwerkstoff kann dadurch erreicht werden, daß Manteldrähte aus den ineinander löslichen Komponenten gebündelt und durch spanlose Verformung zu einem Verbundwerkstoff metallurgisch verbunden werden. In einer Weiterbildung der Erfindung können gemeinsam mit den Manteldrähten Massivdrähte spanlos verformt werden, welche aus den bereits vorhandenen, ineinander löslichen Komponenten und/oder aus Zusatzkomponenten bestehen.
Eine alternative Ausbildung des Herstellungsverfahrens kann gegebenenfalls zweckmäßig vorsehen,daß die ineinander löslichen Komponenten als Massivdrähte gemeinsam spanlos verformt und beispielsweise durch Zieh- oder Walzvorgänge miteinander metallisch verbunden werden.
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Beim Herstellungsvorgang ist darauf zu achten, daß die gegenseitige Diffusion der in heterogener Verteilung vorliegenden Komponenten, insbeondere die Diffusion von Fasern und Matrix in erforderlichen Grenzen gehalten wird. Eine Diffusion bewirkt die Bildung von Mischkristallen und wirkt der angestrebten, rein heterogenen Verteilung entgegen. Hierzu können gegebenenfalls diffusionshemmende Zwischenschichten zur Umkleidung der einen in die Matrix eingelagerten Metallkomponente verwendet werden«
Neben Faserverbundwerkstoffen mit Kupfermatrix und Palladiumfasern erscheinen auch solche mit Silbermatrix oder Matrizen aus Kupfer- bzw. Silberlegierungen verwendbar. Bei einem geringen Edelmetallgehalt von etwa 8 bis 50 Gew.^ Pd ist die gute Verarbeitbarkeit der damit erzielten Faserverbundwerkstoffe anzumerken. Diese Werkstoffe können ohne Änderung der Prozeßparamenter auf den üblichen Warm- und Kaltschweißautomaten einfach und kostengünstig zu Bimetallnieten verarbeitet werden.
Die Erfindung beschreibt den Aufbau eines Kontaktelementes aus feinwanderungsbeständigem Kontaktmaterial, welches bei geringem Edelmetallanteil günstige elektrische Eigenschaften sowie hohe Wärmeleitung mit gutber Verarbeitbarkeit kombiniert.
Ausführungsbeispiel I:
Ein Kontaktelement aus dem Kontaktmaterial CuPd 33 als
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Faserverbundwerkstoff wurde durch Bündeln und gemeinsame Verformung durch Ziehen von Manteldrähten mit ca. 2mm 0 mit Palladiumkern und Kupfermantel entsprechender Zusammensetzung (67 Gew.^ Cu, 33 Gew.$ Pd) in mehreren, z.B. in 10 Ziehvorgängen, hergestellt. Durch übliche Verfahren der Kaltumformung wurden Kontaktniete aus diesem feinwanderungsbeständigen Kontaktmaterial hergestellt.
Die Prüfung erfolgte in handelsüblichen Relais bei 14 V Gleichstrom und Schaltkreisinduktivitäten von 1 bis 150 mH. Unter den üblichen Veränderungen der Schaltbedingungen ergab sich ein geringer und völlig flächenhafter Abbrand der Kontaktteile ohne Spitzen- und Kraterbildung bei gleichbleibend niedrigem Kontaktwiderstand. Werkstoffe gleicher Zusammensetzung in dem nach dem Zustandsdiagramm thermodynamisch stabilen, homogenen Zustand (einphasige Legierungen) zeigten dagegen bei gleicher Belastung ein stark zerklüftetes Aussehen mit erhöhten Abbrandverlusten.
Ausführungsbeispiel II:
Ein Kontaktelement nach dem Ausführungsbeispiel I wurde durch ein übliches automatisches Warmschweißverfahren zu plattierten Kontaktnieten mit Kupferschaft verarbeitet. Homogene Werkstoffe gleicher Zusammensetzung ließen sich nicht hinreichend mit dem Kupferschaft verbinden,, Die Prüfung unter elektrischer Schaltbelastung ergab die gleichen Ergebnisse wie im Ausführungsbeispiel I0
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Die beigefügte Zeichnung stellt vergrößert einen Kontaktniet dar, welcher eine Kontaktauflage aus einem Faserverbundwerkstoff aufweist, bei dem in Längsrichtung parallel liegende Palladiumfasern in ein Kupfermatrixmaterial im wesentlichen senkrecht zur Kontaktfläche eingelagert und mit dem Matrixmaterial metallisch verbunden sind.

Claims (13)

A795 Ansprüche
1.,Kontaktelement aus feinwanderungsbeständigem Kontaktmaterial, welches als Verbundwerkstoff in überwiegendem Gewichtsanteil mindestens zwei ineinander lösliche metallene Komponenten enthält, von denen wenigstens die eine aus einem Edelmetall besteht, dadurch gekennzeichnet , daß die ineinander löslichen metallenen Komponenten in dem Verbundwerkstoff heterogen als reine Metallkomponenten eingelagert sind.
2. Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff ein die ineinander löslichen Komponenten als Matrix und Fasern enthaltender Faserverbundwerkstoff ist.
3. Kontaktelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von Fasern eingebettet ist, deren Faserdurchmesser in der Größenordnung von 0,001 bis 0,1 mm liegt.
4. Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff die ineinander löslichen Komponenten als Matrix und metallene Einschlüsse enthält.
ORIGINAL INSPECTED 903840/0192
2613Ö87
5. Kontaktelement nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzei chnet, daß die ineinander löslichen Komponenten Kupfer und Palladium sind.
6. Kontaktelement nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinander löslichen Komponenten Palladium und Silber sind.
7. Kontaktelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberfläche der Fasern eine Diffusionshemmschicht vorgesehen ist.
8. Kontaktelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Faserverbundwerkstoff in Längsrichtung im wesentlichen parallel liegende, gleichmäßig durchgehende Fasern aufweist.
9. Kontaktelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebetteten Fasern gruppenweise unterschiedlichen Querschnitt aufweisen.
10. Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich in Längsrichtung parallel liegende, durchgehende Stränge aus Metallverbindungen oder Graphit eingebettet sind.
11. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelementes nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 5 bis 10, dadurch
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gekennzeichnet, daß Manteldrähte aus den ineinander löslichen Komponenten gebündelt und durch spanlose Verformung zu einem Verbundwerkstoff metallurgisch verbunden werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß gemeinsam mit den Mantel·= drähten Massivdrähte spanlos verformt werden, welche aue den ineinander löslichen Komponenten und/oder Zusätzkomponenten bestehen.
13. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelementes nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinander löslichen Komponenten als Massivdrähte gemeinsam spanlos verformt und zu einem Verbundwerkstoff metallurgisch verbunden werden.
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