EP0299099B1 - Verfahren zum Herstellen von Silber/Me0-Kontaktplättchen mit löt- oder schweissfähiger Unterseite - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Silber/Me0-Kontaktplättchen mit löt- oder schweissfähiger Unterseite Download PDF

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EP0299099B1
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H11/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches
    • H01H11/04—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches of switch contacts
    • H01H11/041—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches of switch contacts by bonding of a contact marking face to a contact body portion
    • H01H11/045—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches of switch contacts by bonding of a contact marking face to a contact body portion with the help of an intermediate layer

Definitions

  • the invention relates to a method for applying a solderable or weldable layer either of silver, silver-copper and other silver alloys or of copper, copper-nickel or other copper alloys, on the back (underside) of a silver / MeO contact plate where Me is preferably Cd , Sn, Zn, Cu, Bi, Mo, W or In, in which the MeO particles are fiber-shaped and are approximately perpendicular to the contact surface with their fiber longitudinal direction.
  • Modern electrical switching devices are characterized by a small design, high functional reliability and a long service life. These features depend to a large extent on the design of the electrical contacts, in particular on the selection of the contact material.
  • a material made from a silver alloy with metal oxide components has proven to be optimal in recent years.
  • a particularly noteworthy group is a silver-cadmium oxide alloy.
  • Such contact material can be produced in various ways.
  • a silver base metal alloy can be oxidized through, or oxidized silver / base metal particles can also be joined together by pressing, sintering and, if necessary, re-stamping.
  • a targeted termination of the oxidation process can ensure that the underside of the silver / base metal sheet or a corresponding block remains free of metal oxide components, so that this underside can be soldered or welded without difficulty.
  • the underside has to be machined so that the contact made of this material can be soldered or welded.
  • the oxides are also deformed in the longitudinal direction during the forming process and / or broken down into smaller particles. It has been shown that the properties of these silver / metal oxide materials depend on the orientation of the metal oxide fibers to the contact surface.
  • the contact plates required for switching devices in energy technology are separated from the semi-finished product in such a way that the fiber direction of the oxides is either parallel or perpendicular to the subsequent contact surface. It is known from numerous studies that the switching properties of the contact plates, in particular the material burn-off, when the fibers are arranged perpendicular to the button, are considerably more favorable than with parallel alignment. The greater the fiber structure of the oxides, the greater this effect. This influence of anisotropy has been observed to an increased extent in particular also on contact materials which have been produced in a reaction spray process, for example according to DE-PS 29 29 630. In the case of contacts produced in this way, in an economical manner, it is therefore expedient, in order to achieve reduced contact material erosion or silver savings, to produce contact plates with an oxide fiber direction oriented perpendicular to the button.
  • the object of the invention is to provide contact plates made of silver / Me0 material with a fiber direction of the metal oxides lying approximately perpendicular to the contact surface with a solderable and weldable underside.
  • This underside which is capable of being soldered and welded, should not only allow good adhesion to be established with the contact carrier, which is made of copper or a copper alloy, but should also be inexpensive to implement.
  • the layer is also hot-plated on the contact plate, but not, as is known, by the usual hot roll cladding with a high degree of deformation, but by hot-pressure welding, that is to say practically without forming the layer to be plated.
  • hot-pressure welding that is to say practically without forming the layer to be plated.
  • the hot-press cladding according to the invention should take place under an inert gas or, better still, under a reducing atmosphere.
  • This not only prevents oxidation of the connecting surfaces with certainty, but also ensures that an at least superficial reduction takes place during the heating of the parts, that is to say the metal oxide particles on the surface of the connecting point are converted to metals.
  • the silver-metal oxide materials are more or less brittle at room temperature, a close approximation of the atoms in the platelet surface and plating layer is only guaranteed when they are warm and under pressure.
  • the metallic connection is improved by diffusion and healing processes.
  • the pressing temperature is expediently between 500 ° C. and 900 ° C., depending on the alloy composition of the layer material used. Hydrogen gas, nitrogen or a mixture of these gases has proven itself as the surrounding atmosphere, which not only gives good results but is also inexpensive.
  • the level of the required pressure is advantageously between 1000 and 10000 bar. It depends on the level of the selected pressing temperature, the material combination of the layer structure and the type of material and geometry of the press punch and die.
  • pre-press-post-press very good joining properties arise when the plating is carried out in two stages (pre-press-post-press). This may be due to the fact that all gas inclusions impairing the connection are pressed out of the connection zone during the pre-pressing. If, according to a further feature of the invention, a pressing tool with a stamp is used for the pre-pressing, the working side of which is knovex, then a shaping work, albeit slight, is also performed, which may also benefit the connection. In addition, a uniform layer thickness of the applied solderable and weldable layer can also be achieved during repressing.
  • a contact plate is inserted into a press die (1, 11), the MeO particles of which run in a fibrous manner and, as indicated by dashed lines, are perpendicular to the contact surface.
  • a foil (or metal powder) (2) made of solderable or weldable material is placed on it and is to be connected to the contact plate (3). Since the connection is to be made by hot pressure welding, the press die (1, 11) is made of high-temperature steel, graphite or ceramic.
  • a stamp (4) or a pair of stamps (14) presses the foil (or the metal powder) (2) onto the knotting plate (3) and thus provides the Connection between these two parts.
  • the pressing or plating takes place under an inert gas atmosphere or a reducing atmosphere.
  • the hot press cladding or hot press welding should take place in two stages, pre-pressing and post-pressing.
  • a stamp (24) FIG. 3a
  • a convex working surface (5) is expediently used, so that a component results after the pre-pressing, as shown in FIG. 3c.
  • the layer thickness of the cladding is then somewhat thinner in the middle of the plate than at the edge. As a result, a reduction in the layer thickness at the edge of the platelet, as can often be observed as a result of burr formation in the case of single-stage pressing, can be avoided in the subsequent step.
  • re-pressing Fig.
  • the layer is brought back into the desired shape with the usual embossing stamp (4), so that a contact plate (13) provided with a solderable and weldable layer (12) (Fig. 3f) with a uniform plating layer thickness.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftragen einer löt- oder schweißfähigen Schicht entweder aus Silber, Silber-Kupfer und anderen Silberlegierungen oder aus Kupfer, Kupfer-Nickel oder anderen Kupferlegierungen, auf der Rückseite (Unterseite) eines Silber/MeO-Kontaktplättchens wobei Me vorzugsweise Cd, Sn, Zn, Cu, Bi, Mo, W oder In ist, bei dem die MeO-Partikel faserförmig ausgebildet sind und mit ihrer Faser-Längsrichtung etwa senkrecht zur Kontaktoberfläche liegen.
  • Moderne elektrische Schaltgeräte zeichnen sich durch eine kleine Bauweise, hohe Funktionssicherheit und große Lebensdauer aus. Diese Merkmale hängen zum wesentlichen Teil von der Gestaltung der elektrischen Kontakte, insbesondere von der Auswahl des Kontaktwerkstoffes ab. Für Schaltgeräte, die Ströme im Bereich 50 A bis 3000 A zu schalten haben, hat sich in den letzten Jahren ein Werkstoff aus einer Silberlegierung mit Metalloxidanteilen als optimal erwiesen. Eine besonders hervorzuhebende Gruppe ist hierbei eine Silber-Cadmiumoxid-Legierung.
  • Derartiges Kontaktmaterial kann auf verschiedene Art und Weise hergestellt werden. So kann eine Silber-Unedelmetall-Legierung durchoxidiert werden, oder es können auch oxidierte Silber/ Unedelmetall-Partikel durch Pressen, Sintern und gegebenenfalls Nachprägen zusammengefügt werden. Im ersten Fall kann durch gezieltes Abbrechen des Oxidationsvorganges erreicht werden, daß die Unterseite des Silber/Unedelmetall-Bleches beziehungsweise eines entsprechenden Blockes frei von Metalloxid-Anteilen bleibt, so daß diese Unterseite ohne Schwierigkeiten zu verlöten oder zu verschweißen ist. Bei dem aus oxidierten Silber/Unedelmetall-Partikeln zusammengefügten Material ist dies jedoch nicht möglich. Hier muß nachträglich die Unterseite so bearbeitet werden, daß ein Verlöten oder Verschweißen des aus diesem Material gefügten Kontaktes möglich ist.
  • Um diese nachträgliche Bearbeitung zu vermeiden, ist es auch aus der DE-A-24 36 927 bekannt geworden, ein Kontaktstück so herzustellen, indem eine Vorform aus Ag/CdO Verbundpulver mit pulverförmigem Silber überschichtet und mit hohem Preßdruck verdichtet wird. Anschließend wird dieser Restkörper auf 800°C erwärmt und in einem Warmpreßwerkzeug verpreßt.
  • Bei der pulvermetallurgischen Herstellung von Silber/Metalloxid-Werkstoffen, bei der die oxidierten Silber/Unedelmetall-Partikel durch Pressen, Sintern und Nachprägen zusammengefügt werden, kann eine ausgeprägte faserförmige (spießige) Anordnung der im Silber eingelagerten Oxide durch Strangpressen erreicht werden. Dabei werden die aus dem zugrundeliegenden Silber/Metalloxidpulver in bekannter Weise durch Pressen und Sintern hergestellten Rohlinge mit hohem Umformgrad zu stangenförmigem Halbzeug stranggepreßt. Die Oxidteilchen ordnen sich dabei in Preßrichtung faserförmig, parallel zur Stabachse (Längsrichtung) des Halbzeugs an. Je nach Größe, Art und Beschaffenheit werden die Oxide außerdem Beim Umformprozeß in Längsrichtung verformt und/oder in kleinere Partikel zerteilt. Es hat sich gezeigt, daß die Eigenschaften dieser Silber/Metalloxid-Werkstoffe abhängig sind von der Orientierung der Metalloxidfasern zur Kontaktoberfläche.
  • Die für Schaltgeräte der Energietechnik benötigten Kontaktplättchen werden so aus dem Halbzeug abgetrennt, daß die Faserrichtung der Oxide entweder parallel oder senkrecht zur späteren Kontaktoberfläche liegt. Aus zahlreichen Untersuchungen ist bekannt, daß die Schalteigenschaften der Kontaktplättchen, insbesondere der Materialabbrand, bei Anordnung der Fasern senkrecht zur Schaltfläche, wesentlich günstiger sind als bei paralleler Ausrichtung. Dieser Effekt ist umso größer, je ausgeprägter die Faserstruktur der Oxide ist. Insbesondere auch an Kontaktwerkstoffen, die in einem Reaktions-Sprüh-Verfahren, beispielsweise nach der DE-PS 29 29 630, hergestellt worden sind, wurde dieser Anisotropieeinfluß in verstärktem Maße beobachtet. Bei derart, auf wirtschaftliche Art und Weise, hergestellten Kontakten, ist es deshalb zur Erzielung eines verringerten Kontaktmaterialabbrands beziehungsweise einer Silbereinsparung zweckmäßig, Kontaktplättchen mit senkrecht zur Schaltfläche orientierter Oxidfaserrichtung herzustellen.
  • Es wurde schon erwähnt, daß infolge des hohen Metalloxidgehaltes, der im allgemeinen über 5 Gew.% liegt, derartige Kontaktplättchen nicht direkt auf einen Kontaktträger, der im allgemeinen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht, auflötbar oder aufschweißbar sind. Um trotzdem eine Löt- beziehungsweise Schweißbefestigung der Kontaktplättchen auf ihren Kontaktträgern zu ermöglichen, muß entweder, wie oben angeführt, durch gezielte Oxidation die Oxidation der Unterseite des Kontaktplättchens vermieden oder es muß auf dieser Unterseite eine lötfähige Schicht aufgebracht werden.
  • So ist es beispielsweise bekannt, bandförmiges Silber/Metalloxid-Halbezug durch Warmwalzplattieren bei hohem Umformgrad von 50 bis 65% mit einer lötfähigen Schicht aus Silber zu verbinden. Die aus solchem Material abgetrennten Kontaktplättchen weisen dann allerdings eine Oxidfaser auf, die parallel zur Kontaktoberfläche liegt.
  • Weiter bekannt sind noch verschiedene Verfahren zum Aufbringen einer derartigen Schicht durch Löten oder Hintergießen, die aber alle mit mehr oder wenigen großen Nachteilen verbunden sind.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Kontaktplättchen aus Silber/Me0-Werkstoff mit etwa senkrecht zur Kontaktoberfläche liegender Faserrichtung der Metalloxide mit einer löt- und schweißfähigen Unterseite zu versehen. Diese löt- und schweißfähige Unterseite soll nicht nur eine gute Haftung mit dem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehenden Kontaktträger herstellen lassen, sondern sie soll auch kostengünstig zu verwirklichen sein.
  • Außerdem war ein in besonderer Weise angepaßtes Preßwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens auszugeben.
  • Erreicht wird dies durch eine Verfahrensweise gemäß Anspruch 1 und einem Presswerkzeug nach Anspruch 7.
  • Nach der Erfindung wird also ebenfalls die Schicht warm auf das Kontaktplättchen plattiert, jedoch nicht wie bekannt im Wege des üblichen Warmwalzplattierens mit hohem Umformgrad, sondern im Wege des Warmpreßschweißens, also praktisch ohne Umformung der zu plattierenden Schicht. Infolge von Druck und Temperatur ergibt sich, wie eingehende Versuche gezeigt haben, eine mechanisch feste und elektrisch widerstandsarme Verbindung, die es ermöglicht, derartige Kontaktplättchen ohne Schwierigkeiten auf Kontaktträger aufzulöten oder aufzuschweißen.
  • Mit dazu beitragen mag auch, daß das Warmpreßplattieren nach der Erfindung unter Inertgas-oder besser noch unter reduzierender Atmosphäre stattfinden soll. Dadurch wird nicht nur mit Sicherheit eine Oxidation der Verbindungsflächen vermieden, sondern auch noch erreicht, daß während des Aufwärmens der Teile, eine zumindest oberflächige Reduktion stattfindet, die Metalloxidpartikel an der Oberfläche der Verbindungsstelle also zu Metallen umgewandelt werden. Da die Silber-Metalloxidwerkstoffe bei Raumtemperatur mehr oder weniger spröde sind, ist eine enge Annäherung der Atome in der Plättchenoberfläche und Plattierschicht nur in warmen Zustand und unter Druck gewährleistet. Je nach Höhe der gewählten Preßtemperatur erfolgt dann durch Diffusions- und Ausheilvorgänge eine Verbesserung der metallischen Verbindung.
  • Wie Versuche gezeigt haben, liegt die Preßtemperatur zweckmäßigerweise, je nach Legierungszusammensetzung des verwendeten Schichtwerkstoff, zwischen 500°C und 900°C. Als umgebende Atmosphäre hat sich Wasserstoffgas, Stickstoff oder eine Mischung dieser Gase bewährt, die nicht nur gute Ergebnisse erzielen lassen, sondern auch preiswert sind. Die Höhe des erforderlichen Preßdruckes liegt zweckmäßigerweise zwischen 1000 und 10000 bar. Sie richtet sich nach der Höhe der gewählten Preßtemperatur, der Werkstoffkombination des Schichtverbandes sowie nach Materialart und Geometrie von Preßstempel und -matrize.
  • Insbesondere für extrem belastete Kontakte empfiehlt es sich, die nach der Erfindung plattierten Kontaktplättchen in einer Folgebehandlung, vorzugsweise unter Inertgas, mit einer Temperatur zwischen 600°C und 950°C zu glühen, um die oben geschilderten Diffusionsvorgänge und damit die Festigkeit der Verbindung zu unterstützen. Außerdem lassen sich bei dieser Glühung eventuelle Verbindungsfehler oder Gaseinschlüsse durch Blasenbildung erkennen.
  • Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß sehr gute Verbindungseigenschaften dann entstehen, wenn das Plattieren in zwei Stufen (Vorpressen-Nachpressen) erfolgt. Dies mag darauf zurückzuführen sein, daß beim Vorpressen sämtliche die Verbindung beeinträchtigenden Gaseinschlüsse aus der Verbindungszone herausgedrückt werden. Wird einem weiteren Erfindungsmerkmal nach beim Vorpressen ein Preßwerkzeug mit einem Stempel verwendet, dessen Arbeitsseite knovex ausgebildet ist, so wird auch noch eine, wenn auch geringe, Umformarbeit geleistet, die ebenfalls der Verbindung zugute kommen mag. Außerdem kann damit auch eine gleichmäßige Schichtdicke der aufgebrachten löt-und schweißbaren Schicht beim Nachpressen erzielt werden.
  • Auf der Zeichnung ist die Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigen:
    • Fig. 1 ein einachsiges Preßwerkzeug,
    • Fig. 2 ein biaxiales Preßwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens und
    • Fig. 3 den Vorgang des Vor- und Nachpressens.
  • In ein Preßgesenk (1, 11) ist ein Kontaktplättchen eingelegt, dessen MeO-Partikel faserförmig verlaufen und etwa, wie gestrichelt angedeutet, senkrecht zur Kontaktoberfläche liegen. Darauf aufgelegt ist eine Folie (beziehungsweise Metallpulver) (2) aus löt- oder schweißfähigem Material, die mit dem Kontaktplättchen (3) zu verbinden ist. Da die Verbindung im Wege des Warmpreßschweißens erfolgen soll, ist das Preßgesenk (1, 11) aus hochwarmfestem Stahl, aus Graphit oder Keramik.
  • Nach Aufheizen des Kontaktplättchens (3) und der Folie (beziehungsweise des Metallpulvers) (2) drückt ein Stempel (4) beziehungsweise ein Stempelpaar (14) die Folie (beziehungsweise das Metallpulver) (2) auf das Knotaktplättchen (3) und stellt somit die Verbindung zwischen diesen beiden Teilen her. Das Pressen beziehungsweise Plattieren erfolgt unter Inertgas-Atmosphäre oder reduzierender Atmosphäre.
  • Wie beschrieben, soll das Warmpreßplattieren beziehungsweise Warmpreßschweißen in zwei Stufen, Vorpressen und Nachpressen, erfolgen. Hierbei wird zweckmäßigerweise, wie in Fig. 3 gezeigt, ein Stempel (24) (Fig. 3a) mit konvexer Arbeitsfläche (5) verwendet, so daß sich nach dem Vorpressen ein Bauteil ergibt, wie dies Fig. 3c zeigt. Die Schichtdicke der Plattierung ist dann in der Plättchenmitte etwas dünner als am Rand. Dadurch kann eine Verringerung der Schichtdicke am Plättchenrand, wie dies häufig infolge Gratbildung bei einstufiger Pressung zu beobachten ist, im nachfolgenden Schritt vermieden werden. Beim Nachpressen (Fig. 3d bis f) wird mit dem üblichen Prägestempel (4) die Schicht wieder in die gewünschte Form gebracht, so daß sich sodann ein, mit einer löt- und schweißfähigen Schicht (12) versehenes Kontaktplättchen (13) (Fig. 3f) mit gleichmäßiger Plattierschichtdicke ergibt.

Claims (8)

1. Verfahren zum Auftragen einer löt- oder schweißfähigen Schicht, entweder aus Silber, Silber-Kupfer und anderen Silberlegierungen oder aus Kupfer, Kupfer-Nickel und anderen Kupferlegierungen auf der Rückseite (Unterseite) eines Silber/MeO-Kontaktplättchens wobei Me vorzugsweise Cd, Sn, Zn, Cu, Bi, Mo, W oder In ist, bei dem die MeO-Partikel faserförmig ausgebildet sind und mit ihrer Faser-Längsrichtung etwa senkrecht zur Kontaktoberfläche liegen, und daß die Schicht (12) als Folie (2) oder Pulver durch Warmpreßplattieren im Wege des Warmpreßschweißens unter Inertgas- oder reduzierender Atmosphäre aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßtemperatur zwischen 500°C und 900°C liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßdruck zwischen 1000 bar und 10000 bar liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als umgebende Atmosphäre Wasserstoffgas, Stickstoff oder eine Mischung dieser Gase dient.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die plattierten Kontaktplättchen (13) in einer Folgebehandlung, vorzugsweise unter Inertgas, mit einer Temperatur zwischen 600°C und 950°C geglüht werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattieren in zwei Stufen, Vorpressen und Nachpressen erfolgt.
7. Preßwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bestehend aus einem den äußeren Abmessungen der Kontaktplättchen (3) entsprechenden Preßgesenk (1) sowie einem in das Preßgesenk (1) eingreifenden Preßstempel (4), wobei der Preßstempel (24) zum Vorpressen eine konvexe Arbeitsfläche (5) aufweist.
8. Preßwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es aus hochwarmfestem Stahl, aus Graphit oder aus Keramik besteht.
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