DE3712268C1 - Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kontaktwerkstoffen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von elektrischen KontaktwerkstoffenInfo
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- H01H11/04—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches of switch contacts
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
elektrischen Kontaktwerkstoffen gemäß dem Oberbegriff von
Patentanspruch 1.
Ein Verfahren der gattungsgemäßen Art ist aus der DE-PS
5 54 720 bekannt. Dabei werden verhältnismäßig große Berüh
rungsflächen mit gut leitendem Werkstoff gebildet, so daß
sich örtliche Überhitzungen negativ auf die Abbrandfestig
keit und die Lebensdauer auswirken können. Ein weiteres
derartiges Verfahren zur Herstellung von flächigen Verbund
werkstoffen aus heterogenen Komponenten ist aus der DE-PS
7 58 108 bekannt; dabei werden zunächst Vertiefungen in Form
von parallelen Rillen in dem einen Material hergestellt, die
anschließend durch Füllmaterial, z. B. Metalloxid, pulver
förmiger Graphit, schwer schmelzbare Werkstoffe wie Wolfram
oder leitender Werkstoff wie Silber gefüllt werden, wodurch
sich eine heterogene Kontaktoberfläche ergibt. Die ange
strebte Heterogenität ist jedoch nur in einer Richtung,
nämlich quer zu den gefüllten Rillen realisiert.
Zur Herstellung derartiger Verbundwerkstoffe ist es ferner
bekannt, einen Manteldraht, dessen Kern aus einem Metall
hoher Festigkeit, z. B. aus Nickel, und dessen Mantel aus
einem Metall guter elektrischer Leitfähigkeit, z. B. aus
Silber, besteht, wiederholt zu bündeln und zu strecken,
worauf das so geformte Faserbündel quer zur Faserausrichtung
in einzelne Scheiben zerteilt wird. Der so gebildete Kon
taktwerkstoff hat aufgrund des Silbernetzes eine gute elek
trische und thermische Leitfähigkeit, während die von dem
Silber umschlossenen Nickelkerne die Abbrandfestigkeit erhö
hen bzw. die Schweißneigung vermindern (siehe Firmenschrift der
Firma G. Rau, Pforzheim). Nachteilig bei diesem Kontaktwerk
stoff ist eine ungleichmäßige Werkstoffverteilung infolge
von Schwankungen der Nickelkerndurchmesser. Auch besteht die
Gefahr von Faserbrüchen durch das mehrfache Umformen.
Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird eine durch
Mischfällung erzeugte Metallpulvermischung gepreßt und ge
sintert (A. Keil, W. A. Merl, E. Vinaricky: "Elektrische
Kontakte und ihre Werkstoffe", Springer-Verlag, Berlin,
Heidelberg, New York, Tokyo 1984). Zur Erhöhung der Dichte
kann der so entstandene Sinterkörper anschließend durch
Strangpressen zu Stangen weiterverformt werden. Auch dieser
Verbundwerkstoff weist eine ungleichförmige Verteilung sei
ner Komponenten auf wegen der statistischen Schwankungen in
der Partikelgröße des Pulvergemischs. Außerdem besteht die
Gefahr, daß einzelne Partikel aus der Oberfläche des Werk
stoffes ausbrechen.
Bei einem weiteren pulvermetallurgischen Verfahren wird
durch Sintern eines hochschmelzenden Metalls eine porenhal
tige Struktur erzeugt, in welche ein niederschmelzendes
Metall durch Kapillarkräfte eingesaugt wird (A. Keil, W. A.
Merl, E. Vinaricky: "Elektrische Kontakte und ihre Werkstof
fe", Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo
1984). Aber auch diese nach dem Sinter-Tränkverfahren herge
stellten Kontaktwerkstoffe weisen große Schwankungen in der
Porengröße auf. Dies führt dazu, daß sich elektrische und
thermische Leitfähigkeit einerseits und Abbrandfestigkeit
andererseits lokal stark ändern, was sich nachteilig auf den
Kontaktwiderstand und die Kontaktlebensdauer auswirkt. Gene
rell müssen sowohl bei den Faserverbundwerkstoffen als auch
bei den pulvermetallurgisch hergestellten Verbundwerkstoffen
Materialverluste durch den Verschnitt beim Abstechen von
Scheiben aus den Bündeln oder Stangen in Kauf genommen
werden.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung
eines elektrischen Kontaktwerkstoffes in Gestalt eines Kon
taktkörpers aus einem heterogenen Verbund aus zwei Komponen
ten zu schaffen, bei dem die laterale, d. h. quer zum elek
trischen Stromfluß des Kontaktkörpers sich erstreckende
Verteilung und Geometrie der beiden Komponenten im µm-Be
reich frei wählbar und mit hoher Genauigkeit einhaltbar
sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Kennzeichen der
Patentansprüche 1 und 2 genannten Maßnahmen vorgeschlagen.
Die hierauf bezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Lösung.
Mit der Erfindung lassen sich die jeweils gewünschten elek
trischen und mechanischen Eigenschaften des Kontaktwerk
stoffs ohne lokale Abweichungen aufgrund von Fertigungstole
ranzen realisieren. Dabei können die kleinsten lateralen
Abmessungen der Komponenten im µm-Bereich liegen bei einer
Strukturhöhe von bis zu 1 mm.
Die Herstellung von Mikrostrukturen auf röntgentiefenlitho
graphischem Wege mit der hiervon abgeleiteten Abformtechnik
(LIGA-Verfahren) ist in dem Bericht KfK 3995, Nov. 1985, des
Kernforschungszentrums Karlsruhe, auf den verwiesen wird,
beschrieben und dargestellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand
der Zeichnungen 1-5 erläutert: Die
Fig. 1 bis 5 veranschaulichen schematisch die Her
stellung eines elektrischen Kontaktwerkstoffes, bestehend
aus einem Verbund von zwei Komponenten, von denen die eine
Komponente eine große Härte und Festigkeit und die andere
Komponente eine hohe elektrische und thermische Leitfähig
keit aufweist.
Fig. 1 zeigt im Schnitt eine metallische Trägerschicht 1, z.
B. aus Chrom-Nickel-Stahl, auf der eine für Röntgenstrahlen
empfindliche Resistschicht 2 aufgebracht ist. Die Resist
schicht 2 wird über eine Röntgenmaske 3 mit Absorberstruktu
ren 3 a mit der extrem parallelen Strahlung 4 aus einem
Synchrotron belichtet. Bei der Bestrahlung werden die Berei
che der Resistschicht 2, die nicht von den Absorberstruktu
ren 3 a der Röntgenmaske 3 abgeschattet werden, strahlenche
misch verändert.
Nach der Bestrahlung werden beim Entwickeln die der Strah
lung ausgesetzten Bereiche der Resistschicht herausgelöst.
Es entsteht bei diesem Beispiel eine zapfenförmige Kunst
stofform 5 (Fig. 2), die der Absorberstruktur 3 a der Rönt
genmaske 3 entspricht und die die Dicke der Resistschicht 2
besitzt.
Die beim Entwickeln freigelegten Bereiche 6 der Kunststoff
form 5 werden unter Verwendung der metallischen Träger
schicht 1 als Elektrode galvanisch mit einem Metall hoher
Härte und Festigkeit 7, z. B. Nickel, aufgefüllt (Fig. 3).
Nach dem Einebnen der so entstandenen metallischen Struktur
7 wird der restliche Kunststoff (Zapfen) 5 herausgelöst. Es
entsteht eine zusammenhängende, netzförmige Metallstruktur 7
mit kammerartigen Vertiefungen 8 (Fig. 4).
Durch Tränken der Metallstruktur 7 mit einem Metall dessen
Schmelzpunkt niedriger als die Schmelzpunkte der Metalle 1
und 7 ist und das eine hohe elektrische und thermische
Leitfähigkeit besitzt, z. B. Silber, entsteht ein Kontakt
werkstoff, der die Eigenschaften seiner beiden Werkstoffkom
ponenten in sich vereint. Dabei kann die Metallstruktur 7
durch einen Tauchprozeß oder Aufdampfen einer Schicht be
netzbar für das Metall mit guter elektrischer und thermi
scher Leitfähigkeit gemacht werden. Nach dem Tränken kann
die Trägerschicht 1 entfernt werden. Fig. 5 zeigt diesen
Kontaktwerkstoff in der Draufsicht, bestehend aus Zapfen aus
einem Werkstoff hoher elektrischer und thermischer Leitfä
higkeit 9, die von der netzförmigen Metallstruktur 7 aus
einem Werkstoff hoher Härte und Festigkeit gekammert sind.
In manchen Anwendungsfällen ist es auch vorteilhaft, die
elektrisch leitfähige Trägerschicht an dem Kontaktkörper als
Kontaktträger zu belassen, z. B. in Form einer Zunge.
Für spezielle Kontakte, z. B. in der Meß- oder Nachrichten
technik, ist es auch vorteilhaft, zuerst die Zapfen aus einem
Werkstoff hoher Härte und Festigkeit nach dem LIGA-Verfahren
aufzubauen und die dabei entstehenden, netzförmig miteinan
der verbundenen Kanäle durch Tränken mit einem Werkstoff
hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit aufzufül
len. In diesem Falle wird eine Röntgenmaske mit einer Absor
berstruktur verwendet, die zu der in Fig. 1 gezeigten
Absorberstruktur 3 a komplementär ist.
Bei mechanisch besonders hoch belasteten Kontakten kann es
vorteilhaft sein, die freien Bereiche 6 der Kunststofform 5
(Fig. 2) mit einer pasteusen, aushärtbaren Keramikmasse 7
(Fig. 3), z. B. Al2O3 in einem Bindemittel aus Härter und
einem Material, das unter der Bezeichnung "Trolit" im Handel
erhältlich ist, aufzufüllen. Nach dem Aushärten der Kera
mikmasse 7 wird der restliche Kunststoff 5 herausgelöst. Es
entsteht nun eine zusammenhängende, netzförmige Keramik
struktur 7 mit kammerartigen Vertiefungen 8 (Fig. 4). Durch
Tränken der Keramikstruktur 7 mit einem Metall 9 mit einer
hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit entsteht
ein Kontaktwerkstoff aus einem Metall/Keramik-Verbund. Nach
dem Tränken kann die Trägerschicht 1, die in diesem Fall
nicht elektrisch leitfähig sein muß, wiederum entfernt wer
den. Handelt es sich bei der Trägerschicht 1 um einen elek
trisch leitenden Kontaktträger, der an dem Kontaktwerkstoff
verbleiben soll, so können die Vertiefungen 8 der Keramik
struktur 7 unter Verwendung der Trägerschicht 1 als Elek
trode auch galvanisch mit einem Metall hoher elektrischer
und thermischer Leitfähigkeit 9 aufgefüllt werden.
Insbesondere für Kontakte in der Starkstromtechnik, bei
denen eine gute Abbrandfestigkeit gefordert wird, kann es
vorteilhaft sein, zum galvanischen Auffüllen der freien
Bereiche 6 der Kunststofform 5 (Fig. 2) Metallegierungen
bzw. Metalle, z. B. eine Wolframlegierung oder Chrom bzw.
Aluminium, zu verwenden, die sich nach Entfernen des restli
chen Kunststoffes 5 durch eine chemische Umwandlung (Karbo
nisieren, Oxidieren oder Nitrieren) in die Komponente mit
großer Härte und Festigkeit umwandeln lassen. Durch Tränken
der so gebildeten Struktur 7 mit einem Metall 9 (Fig. 5) mit
hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit entsteht
ein Kontaktwerkstoff aus einem Metall/Metallkarbid-, einem
Metall/Metalloxid- bzw. einem Metall/Metallnitrid-Verbund
mit guter elektrischer Leitfähigkeit und hoher Abbrandfe
stigkeit.
Eine hohe Sicherheit gegen Verschweißen bieten Kontaktwerk
stoffe mit Kohlenstoff. Zur erfindungsgemäßen Herstellung
eines solchen Kontaktwerkstoffs werden die freien Bereiche 6
der Kunststofform 5 (Fig. 2) galvanisch mit einem Metall 7 mit
hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, z. B.
Kupfer, aufgefüllt und der restliche Kunststoff 5 herausge
löst. Die so entstandenen Vertiefungen 8 der netzförmigen
Metallstruktur 7 (Fig. 4) werden mit einer organischen Ver
bindung, z. B. mit einem Polymer, Phenolharz, aufgefüllt.
Bei der Pyrolyse des Polymers (bei gleichzeitiger Pressung
zum Ausgleich des Volumenschwundes) entsteht ein Polymerkoh
lenstoff 9 (Glaskohlenstoff) mit extremer Härte. Nach der
Pyrolyse kann die Trägerschicht 1 wiederum entfernt werden.
Eine vorteilhafte Alternative ist außerdem eine Auffüllung
der Vertiefungen mit Ruß oder Graphitpulver bzw. einer Auf
schlämmung solcher Materialien.
Durch die frei wählbare Geometrie und Ausdehnung der Berei
che mit einem Werkstoff hoher elektrischer und thermischer
Leitfähigkeit und der Bereiche mit einem Werkstoff hoher
Härte und Festigkeit können die Kontaktwerkstoffeigenschaf
ten wie Kontaktwiderstand, Abbrandfestigkeit, Schweiß- und
Klebeneigung optimal an den jeweiligen Einsatz des Kontakts
in z. B. der Meßtechnik oder der Starkstromtechnik angepaßt
werden. Durch die präzise und gleichmäßige Verteilung der
Bereiche mit einem Werkstoff hoher elektrischer und thermi
scher Leitfähigkeit und der Bereiche mit einem Werkstoff
hoher Härte und Festigkeit werden lateral gleichmäßige Kon
taktwerkstoffeigenschaften erzielt, wodurch ein lokales
Festschweißen des Kontaktes beim Schalter weitgehend verhin
dert werden kann.
Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kontaktwerk
stoffen, bestehend aus einem heterogenen Verbund von zwei
Komponenten, von denen die eine Komponente eine große
Härte und Festigkeit und einen hohen Schmelzpunkt und die
andere Komponente eine hohe elektrische und thermische
Leitfähigkeit und einen niedrigeren Schmelzpunkt auf
weist, bei dem eine Vertiefungen aufweisende Struktur aus
der einen Komponente mit der anderen Komponente aufge
füllt wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens
schritte:
- a) Herstellen einer Form aus von einer Trägerschicht vorspringenden Kunststoffzapfen;
- b) Auffüllen der freien Bereiche der Form mit der einen Komponente und Entfernen des Kunststoffes;
- c) Auffüllen der Vertiefungen der so entstandenen Struk tur mit der anderen Komponente.
2. Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kontaktwerk
stoffen, bestehend aus einem heterogenen Verbund von zwei
Komponenten, von denen die eine Komponente eine große
Härte und Festigkeit und einen hohen Schmelzpunkt und die
andere Komponente eine hohe elektrische und thermische
Leitfähigkeit und einen niedrigeren Schmelzpunkt auf
weist, bei dem eine Vertiefungen aufweisende Struktur aus
der einen Komponente mit der anderen Komponente aufge
füllt wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens
schritte:
- a) Herstellen einer wabenförmigen Form aus Kunststoff auf einer Trägerschicht;
- b) Auffüllen der freien Bereiche der Form mit der einen Komponente und Entfernen des Kunststoffes;
- c) Auffüllen der Vertiefungen der so entstandenen Struktur mit der anderen Komponente.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die freien Bereiche der Form auf röntgentiefenlitho
graphischem Wege oder durch Kunststoffabformtechnik er
zeugt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die freien Bereiche der Kunststofform mit einer pa
steusen, aushärtbaren Keramikmasse aufgefüllt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kunststofform auf einer elektrisch leitenden
Trägerschicht aufgebracht wird und die freien Bereiche
der Kunststofform unter Verwendung der elektrisch leiten
den Trägerschicht als Elektrode galvanisch mit einem
Metall oder einer Metallegierung aufgefüllt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kunststofform auf einer elektrisch leitenden Träger
schicht aufgebracht wird und die Komponente mit hoher
elektrischer und thermischer Leitfähigkeit galvanisch in
die Vertiefungen der ausgehärteten Keramikstruktur einge
bracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vertiefungen der ausgehärteten Keramikstruktur mit
der Komponente mit hoher elektrischer und thermischer
Leitfähigkeit durch Tränken aufgefüllt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vertiefungen der Struktur aus einem Metall oder
einer Metallegierung durch Tränken mit der Komponente
mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit
aufgefüllt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
zum galvanischen Auffüllen ein Metall verwendet wird,
das sich durch Oxidieren, Karbonisieren oder Nitrieren
in die Komponente großer Härte und Festigkeit umwandeln
läßt.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß zum Auffüllen der Vertiefungen der Struktur
eine organische Verbindung verwendet wird, die sich
durch Erhitzen in eine Kohlenstoffmodifikation (z. B.
Glaskohlenstoff) umwandeln läßt.
11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Trägerschicht nach Herstellung des Kontakt
werkstoffes entfernt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß als Trägerschicht ein elektrisch leitfähiges
Material verwendt wird, das, z. B. ausgebildet in Form
einer Zunge, an dem Kontaktwerkstoff als Kontaktträger
verbleibt.
Priority Applications (4)
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