DE4131775A1 - Verfahren zur herstellung von kontaktkoerpern und/oder kontaktbauelementen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und/oder Verarbei­ tung von Kontaktkörpern, insbesondere von Schaltkontakten aus Edelmetall oder Edelmetallegierungen und/oder die Herstellung von Kontaktbauelementen gemäß den Patentansprüchen.

Allgemein besteht der Wunsch nach einer möglichst langen Lebensdauer der schalten­ den Kontakte und nach einer guten Verformbarkeit insbesondere der Metalloxid enthaltenden Silberkontaktwerkstoffe.

Es ist bekannt, daß elektrische Kontaktstücke häufig Nietschaltstücke sind und ent­ sprechend verarbeitet werden. Wesentlicher Vorteil des Nietens ist dessen hohe Ver­ arbeitungsgeschwindigkeit (Wirtschaftlichkeit). Nachteilig wirkt sich oftmals die mangelhafte metallische Berührung zwischen Kontakt- und Trägerwerkstoff auf die Schalteigenschaften und auf die Lebensdauer aus.

Es ist aber auch bekannt, daß Kontaktplättchen auf metallische Träger aufgeschweißt oder aufgelötet werden. Widerstandsgeschweißte Kontaktstücke haben nur eine punkt­ förmige Verbindung zur Unterlage. Lotzwischenschichten sind teuer und wirken zudem widerstandserhöhend. Insbesondere bei gelöteten Silber-Metalloxid-Werkstoffen sind Entmischungserscheinungen an der Grenzfläche zu beobachten: Metalloxidpartikel reichern sich in der Grenzfläche an, erhöhen den Übergangswiderstand beträchtlich und verringern die Haftfestigkeit. Silberlotzwischenschichten sind teuer.

Dieser Nachteil tritt beim Ultraschallmetallschweißen nicht auf. Ohne widerstand­ serhöhende Zwischenschichten kommt es zu einer vollflächigen metallischen Ver­ bindung zwischen Kontaktschicht und Unterlage (s. STÖCKEL: DE 25 17 347; DE 26 42 323; DE 26 42 338 sowie F & M 91 (1983) 6,253-308). Außerdem werden Oberflä­ chenverunreinigungen bzw. Verunreinigungen in der Fügegrenzfläche durch die Ultraschalleinwirkung während des Schweißvorganges an den Rand der Fügefläche transportiert.

Vollflächigkeit und Sauberkeit in der Grenzfläche sind die Ursache für den ausge­ zeichneten elektrischen und thermischen Kontakt zwischen Schaltstück und Unterlage. Nachteil des Ultraschallmetallschweißens ist seine geringe Taktzeit. Sie liegt in der Größenordnung von ungefähr zwei Sekunden (WODARA: Dissertation B, TH Magde­ burg 1984).

Die schlechte Verformbarkeit metalloxidhaltiger Silberkontaktwerkstoffe ist ebenfalls bekannt. Dieses eher spröde Verhalten ist von Nachteil sowohl bei der Herstellung der Schaltstücke, insbesondere bei plattierten Kontaktnieten mit großem Verhältnis von Durchmesser zur Dicke der Plattierschicht, als auch bei der Verarbeitung durch Umformen oder Nieten.

Es ist ersichtlich, daß sowohl das Verfahren des Nietens als auch das des Ultraschall­ metallschweißens erhebliche Nachteile aufweist. Ebenfalls von Nachteil ist die um­ formtechnische Verarbeitung insbesondere von Silbermetalloxid-Werkstoffen.

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens, welches eine gute Umformbarkeit der Kontaktwerkstoffe sowohl während der Herstellung der Schalt­ stücke als auch während der Verarbeitung gewährleistet und durch welches bei der Verarbeitung der Nietschaltstücke ein guter metallischer und möglichst vollflächiger Kontakt zwischen Schaltstück und Unterlage garantiert wird, sowie der Kontaktwerk­ stoff derartig beeinflußt wird, daß die maximale Schaltspielzahl auf das Mehrfache des Üblichen gesteigert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Spezielle Merkmale, die Art des Kontaktes betreffend, gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 5 hervor.

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren, welches die Vorteile des Nietens und des Ultraschallschweißens nutzt bei gleichzeitiger Unterdrückung der Nachteile dieser Verfahren. So wurde überraschenderweise beim Ultraschallschweißen festge­ stellt, daß sich unter Einwirkung von Ultraschall schlecht verformbare Silber-Metall­ oxid-Werkstoffe beispielsweise bei einer Frequenz von 20 KHz sehr gut und ohne nen­ nenswerte Verfestigung plastisch umformen lassen. Sogar nur gesinterte Kontaktstücke aus Ein- oder Mehrmetall konnten gleichzeitig mittels Ultraschall verdichtet und kali­ briert werden.

Verformungs- und Schwingungsrichtung des Ultraschallschwingers bildeten bei den Umformungen nahezu einen Winkel von 90 Grad. Andere Winkel sind entsprechend der Aufgabenstellungen möglich. Dabei befindet sich im einfachsten Fall der Kon­ taktwerkstoff in einem Umformwerkzeug, wobei der Teil des Werkzeuges feststehend ist, in dem das Kontaktmaterial formschlüssig gehalten wird und der andere Teil zur Umformung beweglich ist. Dieser Teil des Werkzeuges schwingt mit einer Frequenz, die im Ultraschallbereich liegt. Die Größe der Frequenz ist abhängig von der Größe des Schaltstückes. Beispielsweise wurden für die Herstellung von Schaltstücken mit einem Durchmesser von 3 mm Frequenzen von 20 KHz und 40 KHz verwendet. Dieser bewegliche Teil kann die Ultraschallsonotrode selbst sein oder er wird durch einen zusätzlichen Ultraschallschwinger in Schwingungen versetzt. Es können auch beide Teile des Werkzeuges gegeneinander in Schwingungen versetzt werden oder ein drittes Teil eines Werkzeuges überträgt die Schwingungen auf den umzuformenden Werkstoff. Das Kontaktstück kann aus einem oder aus mehreren Werkstoffen bestehen. Besonders vorteilhaft kann das Verfahren zur Herstellung plattierter Nietschaltstücke und Mehr­ metallschaltstücke mit dünnen Kontaktmetallauflagen angewendet werden.

Überraschenderweise beeinflußt der Ultraschall die elektrische Lebensdauer der Kon­ taktmaterialien derart, daß die Zahl der Lastschaltspiele um ein Mehrfaches erhöht wird. Diese positive Änderung sollte mit dem Begriff ultraschallveredelt bezeichnet werden. Nutzt man die Wirkung des Ultraschalls bei der Herstellung der Kontaktschaltstücke, so ist es natürlich auch möglich, die beschriebene positive Wirkung bei der Verarbei­ tung von Nietschaltstücken zu verwenden. Beispielsweise kann das Aufnieten der Schaltstücke so erfolgen, daß der Nietstempel entweder mit Ultraschall angeregt wird oder dieser die Sonotrode selbst ist.

Eine mögliche Fertigungsvariante soll nachfolgend beschrieben werden: der Kontaktniet liegt im unteren, feststehenden Teil des Nietwerkzeuges. Auf den Niet wird der Kon­ taktträger aufgesteckt. Die Sonotrode oder der schwingende Nietstempel wird auf den Nietschaft abgesenkt und verformt diesen auf die gewünschte Kontakthöhe. Dabei entsteht eine Nietverbindung, die neben dem Formschluß zusätzlich einen Stoffschluß aufweist. Durch die Ultraschalleinwirkung verformt sich das Kontaktmaterial ausge­ zeichnet. Es entstehen keine Hohlräume zwischen Niet-und Trägerwerkstoff. Uner­ wünschte Dopplungen oder Falten im Nietkontakt sind nicht festzustellen. Eventuell noch vorhandene Oberflächenschichten werden wie beim Schweißen an den Rand tran­ sportiert. Ein direkter metallischer Kontakt ist gewährleistet. Damit sind elektrische und thermische Übergangswiderstände minimal. Wegen des Reinigungseffektes ist es nicht mehr notwendig, Nietherstellung und Verarbeitung synchron mit der Stanzteilher­ stellung ablaufen zu lassen. Dabei wurde der Kontaktwerkstoff wiederum ultraschall­ veredelt.

Es sei auch noch auf die Möglichkeit hingewiesen, herkömmlich genietete Kontaktstücke nachträglich mit Ultraschall zu veredeln, indem die genieteten Kontakte mit der Sono­ trode, die die Negativform des Kontaktstückes enthält, mit Ultraschall nachbehandelt werden. Gleichzeitig wird der Kontakt auf die notwendige Kontakthöhe gebracht.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Kontaktkörpern und/oder Kontaktbauelementen mit verbesserten elektrischen Eigenschaften, insbesondere der Schaltstücklebensdauer, beispielsweise durch Stauchen oder Nieten, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung zusätzlich Ultraschall verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kontaktplättchen aus Einmetall hergestellt oder verarbeitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kontaktplättchen aus Mehrmetall hergestellt oder verarbeitet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Nietschaltstücke aus Einmetall hergestellt oder verarbeitet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß plattierte Nietschaltstücke hergestellt oder verarbeitet werden.