DE4205795A1 - Verfahren zur herstellung von formkoerpern fuer elektrische kontakte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Durchdringungsverbundwerkstoffen für elektrische Kontakte durch Tränken eines porösen Grundmetallgerüstes aus Wolfram, Wolframcarbid, Molybdän oder Molybdankarbid mit einer Silberbasis- oder Kupferbasislegierung als Tränkmetall bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Silberbasis- oder Kupferbasislegierung.

Für elektrische Kontakte, insbesondere in großen Leistungsschaltern, werden Werkstoffe verwendet, die aus einer hochschmelzenden, abbrandfesten Komponente und einer elektrisch gutleitenden Metallegierung bestehen. Als hochschmelzende, abbrandfeste Komponente finden vorzugsweise Wolfram, Wolframcarbid, Molybdän oder Molybdäncarbid Verwendung, als gutleitende Legierung Silberbasis- oder Kupferbasislegierungen.

Die Herstellung dieser Durchdringungsverbundwerkstoffe erfolgt im allgemeinen so, daß aus der pulverförmigen hochschmelzenden Komponente, dem Grundmetall, durch einen Sintervorgang ein Formkörper erzeugt wird, der offene Poren enthält. Dieses Skelett wird dann mit der Silberbasis- oder Kupferbasislegierung oberhalb derer Schmelzpunkte getränkt, so daß die Poren des Formkörpers mit der Metallschmelze gefüllt werden und ein dichter Verbundwerkstoff entsteht. Ein solches Verfahren wird beispielsweise in der DE-AS 20 18 642 beschrieben.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß bei der Herstellung des Sinterskeletts je nach Preßdruck und Sintertemperatur unterschiedlich große Poren mit inhomogener Verteilung entstehen. Außerdem müssen die Rohskelette gepreßt werden. Das hat den Nachteil, daß das Herstellungsverfahren für solche elektrische Kontakte teuer ist und meist zu einem inhomogenen Gefüge führt.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Durchdringungsverbundwerkstoffen für elektrische Kontakte durch Tränken eines porösen Grundmetallgerüstes aus Wolfram, Wolframcarbid, Molybdän oder Molybdäncarbid mit einer Silberbasis- oder Kupferbasislegierung als Tränkmetall bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Silberbasis- oder Kupferbasislegierung zu entwickeln, das zu einer möglichst gleichmäßigen Porenverteilung im Grundmetallgerüste führt und das umständliche Pulverpreßverfahren vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das pulverförmige Grundmetall mit 5 bis 40 Vol.% thermoplastischen Kunststoff zu einem flexiblen Formkörper verarbeitet, mit einer Folie aus dem Tränkmaterial oder einem flexiblen Formkörper aus pulverförmigem Tränkmetall und Kunststoff in Kontakt gebracht und auf die Tränktemperatur erhitzt wird, wobei der verwendete Kunststoff sich bei der Tränktemperatur restefrei thermisch zersetzen oder entweichen muß.

Als Kunststoff verwendet man vorzugsweise Ethylen-Vinylacetat-Copolymere, Ethylen-Propylen-Copolymere oder Butylkautschuk. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Formkörper neben dem Grundmetall bzw. Tränkmetall und Kunststoff noch 5 bis 40 Vol.% freie Poren enthalten. Unter Grundmetall werden hierbei auch die genannten Carbide verstanden.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den weiteren Vorteil, daß man den entstehenden Formkörper aus dem Durchdringungsverbundwerkstoff im gleichen Arbeitsgang auf einen Träger auflöten kann, indem man diesen Träger beim Erhitzen auf Tränktemperatur als Unterlage benutzt. Als Trägermaterial können beispielsweise Stahl oder Kupfer verwendet werden.

Die Einlagerung der Grundmetall- bzw. Tränkmetallpulverteilchen in den Kunststoff ist auf verschiedene Arten möglich. So kann man beispielsweise den Kunststoff mit einem organischen Lösungsmittel erweichen und die Pulverteilchen in einer Knetmaschine in den Kunststoff einbringen. Die Metallpulver- bzw. Metallcarbidpulver-Kunststoffmasse kann dann gewalzt und zu den gewünschten Formkörpern verarbeitet werden.

Beim Erhitzen der Formköper auf die Tränktemperatur werden die Kunststoffe thermisch zersetzt und das schmelzende Tränkmetall fließt in die Poren des Grundmetallgerüstes. Dieses Grundmetallgerüst hat eine sehr homogene Porenverteilung, deren Menge und Größen sich durch Variation des Kunststoffanteils gezielt einstellen lassen.

Vorteilhafterweise erzeugt man schon bei der Herstellung der Grundmetall-Kunststoff-Formkörper 5 bis 40 Vol.% freie Poren, da diese die schnelle und rückstandsfreie Zersetzung des Kunststoffes fördern. Diese Poren entstehen vorzugsweise beim Entweichen des Lösungsmittels.

Werden die Formkörper aus Grundmetall-Kunststoff und Tränkmetall bzw. Tränkmetall-Kunststoff beim Tränkprozeß auf einen Kontaktträger aus beispielsweise Stahl oder Kupfer aufgebracht, so findet nicht nur eine Tränkung des Grundmetallgerüstes statt, sondern gleichzeitig auch eine Auflötung des Formkörpers auf den Träger.

Folgende Beispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern:

1. Wolframcarbidpulver mit einer mittleren Korngröße von ca. 10 Mikrometern wurde mit einem thermoplastischen Kunststoff intensiv vermischt und das entstehende Pulver/Kunststoff-Gemisch durch konventionelle Umformoperationen, wie Pressen und Walzen zu flexiblen Bändern verarbeitet. Es ergab sich ein Wolframcarbidvlies mit etwa 1,5 Gew.% Kunststoff und einem auf das Volumen bezogenen Wolframcabidanteil von etwa 70% mit gleichmäßig verteilter Porosität. Aus diesem Vlies wurden Formteile ausgeschnitten und auf einen Stahlträger aufgelegt. Die Oberfläche dieses Formteils wurde belegt mit einer Metallfolie, deren Menge auf das Poren- und Kunststoffvolumen des Wolframcarbidformteils abgestimmt war.

Als Tränkmetall wurde eine Legierung mit 67% Silber, 28% Kupfer und 5% Nickel eingesetzt. Ein so vorbereitetes Werkstück wurde in einem Ofen unter Wasserstoff bei 1080°C wärmebehandelt. Hierbei entweicht der organische Kunststoff rückstandsfrei und hinterläßt eine definierte Porosität. Diese Porosität übt anschließend eine Kapillarwirkung auf die aufschmelzende Metallegierung aus. Die Metallegierung infiltriert in den porösen Wolframcarbidkörper, bildet mit diesem einen Verbundwerkstoff und lötet das Formteil gleichzeitig in einem Arbeitsgang auf dem Stahlsubstrat fest. Es ergibt sich ein WC/Silberkontakt, der als Schaltstück eingesetzt werden kann.

2. Analog zu Beispiel 1 wurde ein Wolframcarbidvlies mit Butylkautschuk hergestellt. In ähnlicher Weise wurde ein Vlies aus einer Kupferlegierung mit 2,5 Gew.% Nickel und 0,6 Gew.% Silizium hergestellt. Die Dicke des so erzeugten Tränkmetallvlieses wurde auf das zu füllende Porenvolumen des Wolframcarbidvlieses eingestellt. Aus beiden Vliesen wurden Formteile ausgeschnitten und auf ein Substrat aus unlegiertem Stahl in der Weise aufgebracht, daß das Wolframcarbidformteil auf das Stahlsubstrat und das Tränkmetallformteil auf das Wolframcarbidformteil aufgelegt wurde. Ein so vorbereitetes Werkstück wurde in einem Ofen unter Wasserstoff bei einer Temperatur von 1150°C wärmebehandelt.

Nach Entweichen des Kunststoffes und Aufschmelzen der Metallegierung infiltriert die Kupferlegierung das Wolframcarbidformteil und lötet dieses in einem Arbeitsgang auf dem Stahlsubstrat fest. Hierdurch wurde ein Wolframcarbid/Kupfer-Kontakt erzeugt.

3. Analog zu den beiden oben genannten Beispielen wurde ein Vlies hergestellt, wobei anstelle von Wolframcarbid metallisches Wolframpulver eingesetzt wurde. Ein zweites Vlies wurde aus Kupferlot hergestellt. Aus beiden Vliesen wurden Formteile mit aufeinander abgestimmter Dicke hergestellt. Das Wolframformteil wurde auf ein Stahlsubstrat aufgelegt und wiederum mit einem Formteil aus Kupferlot bedeckt. Ein so vorbehandeltes Werkstück wurde in einem Ofen unter Wasserstoff bei 1130°C wärmebehandelt. Hierbei entweicht der Kunststoff und die Metallegierung infiltriert nach dem Aufschmelzen in das Wolframformteil. Es bildet sich ein Wolfram/Kupfer-Verbundwerkstoff, der durch das Kupferlot in einem Arbeitsgang auf das Stahlsubstrat aufgelötet wird. Es entsteht auf diese Weise ein Wolfram/Kupfer-Kontaktstück, wie es z. B. für Elektroden eingesetzt werden kann.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Durchdringungsverbundwerkstoffen für elektrische Kontakte durch Tränken eines porösen Grundmetallgerüstes aus Wolfram, Wolframcarbid, Molybdän oder Molybdäncarbid mit einer Silberbasis- oder Kupferbasislegierung als Tränkmetall bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der Silberbasis- oder Kupferbasislegierung, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Grundmetall mit 5 bis 40 Vol.% thermoplastischem Kunststoff zu einem flexiblen Formkörper verarbeitet, mit einer Folie aus dem Tränkmetall oder einem flexiblen Formkörper aus pulverförmigem Tränkmetall und Kunststoff in Kontakt gebracht und auf die Tränktemperatur erhitzt wird, wobei der verwendete Kunststoff bei dieser Temperatur sich restefrei thermisch zersetzen oder entweichen muß.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff Ethylen-Vinylacetat-Copolymere, Ethylen-Propylen-Copolymere oder Butylkautschuk verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper 5 bis 40 Vol.% freie Poren enthalten.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper beim Erhitzen auf Tränktemperatur auf einem Kontaktträger liegen und dabei aufgelötet werden.