EP1535292B1 - Kontaktstück aus wolfram mit einer korrosionshemmenden schicht aus zinn - Google Patents

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EP1535292B1
EP1535292B1 EP04728163A EP04728163A EP1535292B1 EP 1535292 B1 EP1535292 B1 EP 1535292B1 EP 04728163 A EP04728163 A EP 04728163A EP 04728163 A EP04728163 A EP 04728163A EP 1535292 B1 EP1535292 B1 EP 1535292B1
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tungsten
tin
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contact
contact piece
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FER Fahrzeugelektrik GmbH
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Renner Louis GmbH
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49105—Switch making

Definitions

  • Tungsten as a contact pad in electromechanical switchgear is due its extraordinary erosion resistance of all refractory metals the metal of choice when it comes to fast switching associated with significant Sparking is possible.
  • tungsten contact pieces in the various switching devices such as vehicle breakers, car horns and relays be used without interference.
  • the contact piece is usually as a rivet with a Wolframide soldered as a contact pad on a rivet-shaped carrier Soft iron or copper made (see Fig.1).
  • Tungsten is not a precious metal. When switching under air is with oxidic Cover layers to be expected. Corrosion phenomena on tungsten contact pieces have been known as a problem for over 50 years and interfere with unfavorable Switching conditions the universal scope of tungsten as Contact material. In dry air, even in a hot environment (desert climate) remains the tungsten contact for a long time unimpaired and fully functional. But kick Adding moisture (tropical climate), rapid corrosion takes place of the unprotected Wolfram.
  • Tungsten contact pairings tend to increase in warm and humid climates To fail. This is observed in a statistically conspicuous way with horn contacts, if, for example, before the sales type of a new car type a certain Number of cars on heap is produced, there may be months under Warm humid conditions are available before they go to the dealer for delivery reach.
  • a process well known to those skilled in the art is the coating of the complete Contact rivet before installation in the switching device with a thin nickel layer. Due to the passivation of the nickel, the contact remains uncovered Undamaged nickel layer long time bright and free of corrosion layers.
  • Ni-layer is the horn manufacturer by the necessary honking of the new horn on the switching surface partly destroyed The protective effect of the Ni-layer is greatly degraded. In the field trial is a positive effect of a Nickel plating is no longer clear.
  • US-A-2,547,947 describes electrical contact arrangements for Ignition systems of internal combustion engines, in which the movable Part consists of a steel or iron arm, on which a tungsten contact disk plotted or - welded. To obstruct the Deformation of dark colored deposits on the tungsten surface if the arrangement is plated with nickel, chromium, cadmium or zinc, the contact surface and its edges after the Plating to remove plated metal from these Areas of the tungsten surface were polished.
  • Japanese Patent Publication 20128/1974 discloses the use of Graphite powder as carburizing agent.
  • German Offenlegungsschrift 3232097 A1 discloses the use of propane as carburizing agent in a protective gas furnace. An impairment of the solder side of Tungsten contact pad by simultaneous unwanted carburization and a Impairment of OfenMapleiter is not excluded.
  • German Offenlegungsschrift 3626144 A1 discloses contact, a silver base, an intermediate layer of tin and an outer layer from tungsten.
  • the invention is therefore based on the object, one of a Cu or Ag brazing Tungsten pad soldered to a metallic support Contact piece to develop under corrosive conditions, especially under the Exposure to a warm and humid climate does not affect the Show switching properties.
  • the invention thus relates to a contact piece with tungsten support (1), the Lot (2) and carrier (3) coated with a thin layer (4) of tin is.
  • Preferred Au exitsformen of the rivet are the subject of claims 2 to 3.
  • a method for producing the contact piece is in claims 4 to 7 described.
  • Tin is only slightly in the voltage series in contrast to the less noble metals Ni, Cu, Cd and Zu proposed in US Pat. No. 2,547,547, which are particularly suitable proved. It should be emphasized in a galvanic deposition of Sn, that it This is a very cost effective method with an aesthetic appealing result.
  • Form nobler elements such as copper (as Cu solder) or Ag (as electrolytic Cover) with W a local element, preferably the tungsten of the W contact pad as a so-called sacrificial anode in solution.
  • a local element formation is Ag as a protective layer counterproductive and copper as adjacent solder layer even conducive to corrosion. The same is to be assumed for the by potential shift cathodic, that is nobler behaving Ni.
  • Humidity sets On a separate porcelain carrier rivets, as they correspond to the state of the art - added without reference additional galvanic base metal layer - as a reference.
  • the desiccator is heated to a constant 50 ° C in a climate controlled cabinet for 48 h.
  • FIGS. 2 and 4 The result after 48h is shown in FIGS. 2 and 4.
  • the galvanic post-treated rivets show in comparison to the non-corroded standard (FIG. only slight tarnish on the contact surface.
  • the W surface with thick greenish-brown Crusts that extend from the circumference of the Cu solder into the tungsten surface partially reach to the middle, covered.
  • These crusts are presumably inorganic salts of copper and tungsten. Are they? between the closed contacts of a horn, this leads to the increase of the Contact resistance and therefore to the failure of the horn.

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Description

Wolfram als Kontaktauflage in elektromechanischen Schaltgeräten ist aufgrund seiner außerordentlichen Abbrandfestigkeit von allen hochschmelzenden Metallen das Metall der Wahl, wenn es um schnelle Schaltfolgen verbunden mit erheblicher Funkenbildung geht. Mit der Einschränkung einer ausreichend hohen Kontaktkraft und einer Mindestschaltspannung können Wolframkontaktstücke in den verschiedensten Schaltgeräten, wie Kfz-Unterbrecher, Kfz-Hupen und Relais störungsfrei eingesetzt werden. Das Kontaktstück ist in der Regel als Niet mit einer Wolframscheibe als Kontaktauflage gelötet auf einem nietförmigen Träger aus Weicheisen oder Kupfer gefertigt (vgl. Fig.1).
Wolfram ist jedoch kein Edelmetall. Beim Schalten unter Luft ist mit oxidischen Deckschichten zu rechnen. Korrosionserscheinungen an Wolframkontaktstücken sind seit über 50 Jahren als Problem bekannt und beeinträchtigen unter ungünstigen Schaltbedingungen den universellen Anwendungsbereich von Wolfram als Kontaktwerkstoff. Bei trockener Luft, auch in heißer Umgebung (Wüstenklima) bleibt der Wolframkontakt über lange Zeit unbeeinträchtigt und voll funktionsfähig. Tritt aber Feuchtigkeit hinzu (tropisches Klima), erfolgt rasche Korrosion des ungeschützten Wolframs.
Umstände und Auswirkungen der Korrosionserscheinungen sind in folgenden Veröffentlichungen beschrieben:
Keil, A.:
Eine spezifische Korrosionserscheinung an Wolfram- Kontakten. Werkstoffe und Korrosion 7 (1952) 263 - 265.
Keil, A.:
Meyer, C.L.: Korrosionserscheinungen an Unterbrecherkontakten. Elektropost 7 (1954) 93-95.
Vinaricky, E et al.:
Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen, Berlin 2002 S. 178.
Die Veröffentlichungen berichten über Kontaktstörungen durch freigesetzte organische Stoffe, besonders unter tropischen Bedingungen.
In neuerer Zeit sind Störungen an Fanfaren und Signalhömem im Kfz-Zulieferbereich durch Korrosion der Kontaktstücke intensiv untersucht worden. Ähnliches gilt für elektromechanische Relais, deren Vor- oder Hauptköntakte mit Wolfram bestückt sind.
Wolfram-Kontaktpaarungen neigen bei feuchtwarmem Klima verstärkt zum Versagen. Zu beobachten ist dies in statistisch auffälliger Weise bei Hupehkontakten, wenn beispielsweise vor dem Verkaufssart eines neuen Kfz-Typs eine bestimmte Anzahl an PKW auf Halde produziert wird, dort unter Umständen monatetang unter feuchtwarmen Bedingungen stehen, bevor sie über den Händler zur Auslieferung gelangen.
Fällt eine Hupe aus, zeigt sich nach dem Öffnen des reklamierten Stückes häufig eine dicke Oxidschicht aus Wolframoxid und Wolframaten an und zwischen den geschlossenen Wolfram-Kontaktstücken. Durch diese Zwischenschicht trennen sich die Kontakte, der Kontaktwiderstand wird hochohmig, die Hupe fällt aus. Zur Behebung dieses für den Kunden ärgerlichen und den Hersteller kostenintensiven Umstandes hat es nicht an Bemühungen gefehlt:
Ein dem Fachmann allgemein bekanntes Verfahren ist der Überzug des kompletten Kontaktnietes vor dem Einbau in das Schaltgerät mit einer dünnen Nickelschicht. Bedingt durch die Passivierung des Nickels bleibt der unbeschaltete Kontakt bei unbeschädigter Nickelschicht lange Zeit blank und frei von Korrosionsschichten. Die Ni-Schicht wird jedoch beim Hupenhersteller durch das notwendige Anhupen der neuen Hupe an der Schaltoberfläche teilweise zerstört Die Schutzwirkung der Ni-Schicht wird stark herabgesetzt. Im Feldversuch ist eine Positivwirkung einer Vernickelung nicht mehr klar zu beweisen.
US-A-2,547,947 beschreibt elektrische Kontaktanordnungen für Zünchsysteme von Innenverbrennüngsmotoren, bei denen der bewegliche Teil aus einem Stahl-oder Eisenarm besteht, auf den eine Wolframkontaktscheibe aufgelotet oder - geschweisst ist. Zur Verbinderung der Entstelung dunkel gefärbter Ablagerungen auf der Wolframoberfläche ist die Anordnung mit Nickel, Chrom, Kadmium oder Zink plattiert, wobei die Kontakfläche und ihre Kanten nach dem Plattirgen zum Entfernung von platiertem Metall von diesen Bereichen der Wolframoberfläche poliert wurden.
Ein weiterer Weg führt über die Aufkarburierung der Wolfram-Schaltoberfläche. Es bildet sich eine wolframcarbidhaltige, einige µm starke Hartschicht. Zweifelsohne zeigt eine solche Hartschicht eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit.
Die japanische Patentveröffentlichung 20128/1974 offenbart den Einsatz von Grafitpulver als Karburierungsmittel.
Die deutsche Offenlegungsschrift 3232097 A1 offenbart die Verwendung von Propan als Karburierungsmittel im Schutzgasofen. Eine Beeinträchtigung der Lotseite der Wolfram-Kontaktauflage durch gleichzeitige unerwünschte Karburierung sowie eine Beeinträchtigung der Ofenheizleiter ist hierbei nicht auszuschließen.
Zudem wird bei beiden Verfahren durch Beschalten der Hupe die dünne Schutzschicht zerstört und das freie Wolfram ist wiederum ungeschützt der Umgebungsatmosphäre ausgesetzt.
Die Herstellung solcher Schichten ist aufwendig und mit zusätzlichen Arbeitsschritten verbunden und daher zu teuer. In der Praxis konnten sich Wolfram-Kontakte mit Hartschichten nicht durchsetzen.
Weitere Versuche, die Korrosionsbeständigkeit von Wolfram-Kontaktnieten zu verbessern, bestanden in der Versilberung des Kontakniets oder in der Verwendung eines hochsilberhaltigen (und damit edleren) Lotes anstelle des üblichen Kupferlotes.
Auch diese Verfahren kamen nur sporadisch zum Einsatz und brachten keine durchgreifende Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit.
Die deutsche Offenlegerungsschrift 3626144 A1 offenbart der Kontakt, der eine Silberbasis, eine Zwischenschicht aus Zinn und eine außere Schicht aus Wolfram enthält.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein aus einer mit Cu- oder Ag-Hartlot auf einen metallischen Träger gelöteten Wolframauflage bestehendes Kontaktstück zu entwickeln, das unter korrosiven Bedingungen, besonders unter der Einwirkung eines feuchtwarmen Klimas keine Beeinträchtigung der Schalteigenschaften zeigt.
Diese Aufgabe wurde aufgrund des überraschenden Befundes gelöst, dass durch die Abdeckung der Lotschicht und des Trägers mit einer dünnen Zinnschicht die Korrosionsbeständigkeit der Wolframauflage erheblich verbessert werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Kontaktstück mit Wolframauflage (1), das an Lot (2) und Träger (3) mit einer dünnen Schicht (4) aus Zinn überzogen ist.
Bevorzugte Auführungsformen des Nietes sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis und 3. Ein Verfahren zur Herstellung des Kontaktstückes ist in den Ansprüchen 4 bis 7 beschrieben.
Zinn ist in der Spannungsreihe nur wenig im Gegensatz zu den in US-A-2,547,547 vorgeschlagenen unedleren Metallen Ni, Cu, Cd und Zu als besonders geeignet erwiesen. Hervorzuheben ist bei einer galvanischen Abscheidung von Sn, dass es sich hierbei um ein sehr kostengünstiges Verfahren mit einem ästhetisch ansprechenden Ergebnis handelt.
Vorteilhaft an der erfinderischen Lösung ist, dass im schaltenden Kontakt der Abbrandwerkstoff Wolfram frei von jedweder Schutz-/Frerndschicht ist und somit diese weder durch Funkenbildung zerstört werden kann noch mit anderen störenden Einflüssen beim Schalten zu rechnen ist. Die Wirkung der Zinnschicht geschieht nicht über eine physische Abdeckung des zu schützenden Wolframs, sondern alleine auf elektrochemischem Wege.
Die Erfinder vermuten, dass durch Ausbildung eines Lokalelementes unter Einschluss eines Flüssigkeitsfilms auf der betroffenen Oberfläche das Zinn sich bevorzugt unter den vorliegenden Potentialverhältnissen zugunsten des edler wirkenden Wolframs auflöst.
Bilden edlere Elemente, wie Kupfer (als Cu-Lot) oder Ag (als elektrolytische Abdeckung) mit W ein Lokalelement, geht bevorzugt das Wolfram der W-Kontaktauflage als sogenannte Opferanode in Lösung. Unter dem Gesichtspunkt einer Lokalelementbildung ist Ag als Schutzschicht kontraproduktiv und Kupfer als angrenzende Lotschicht der Korrosion sogar förderlich. Das gleiche ist zu vermuten für das durch Potentialverschiebung sich kathodisch, d.h edler verhaltende Ni.
In der beiliegenden Zeichnung zeigen:
Fig. 1:
ein Kontaktstück (schematisch) zur Verwendung als Hupen- und Relaiskontakt, bestehend aus einer Wolframkontaktauflage (1), gelötet mit Cu- oder Ag-Hartlot (2) auf einen metallischen Träger (3), erfindungsgemäß abgedeckt mit einer Zinnschicht (4).
Fig.2:
eine Kontaktauflage aus W auf Nietsockel, galvanisch geschützt mit 0,5 - 1 µm Zinnschicht nach dem Korrosionstest.
Fig. 3:
eine Kontaktauflage aus W eines Nietes, nach dem Stand der Technik als Referenz vor dem Korrosionstest.
Fig. 4:
eine Kontaktauflage aus W eines Nietes nach dem Stand der Technik nach dem Korrosionstest.
Das folgende, nicht einschränkende Beispiel erläutert eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung:
Beispiel:
Kontaktnieten mit einer Wolframauflage  4 mm x 0,8 mm stark, gelötet mit Cu-Lot auf vernickelten Eisenträgern werden mit einer 0,2 - 2µm starken galvanisch aufgebrachten Zinnschicht versehen. Anschließend wird das auf der Wolframoberfläche nur lose anhaftende Zinn mechanisch durch Gleitschleifen entfernt. Die so lieferfertigen Kontaktnieten werden im Korrosionstest einem Konstantklima ausgesetzt:
48h bei 96% rel. Luftfeuchte und 50°C. Dabei werden ca. 20 Stück der wie vorstehend mit einer Zinnschicht versehenen Nieten und freiliegender Wolframoberfläche auf einem Porzellanträger in einen Exsikkator eingebracht. Der Bodenraum des Exsikkators enthält eine gesättigte Kaliumsulfatlösung, über welcher sich 96% rel. Luftfeuchte einstellt. Auf einem separaten Porzellanträger werden Nieten, wie sie dem Stand der Technik entsprechen - ohne zusätzliche galvanische Unedelmetallschicht - als Referenz beigegeben. Der Exsikkator wird in einem Klimaschrank für 48h auf konstant 50°C temperiert.
Das Ergebnis nach 48h ist in den Figuren 2 und 4 dargestellt. Die galvanisch nachbehandelten Nieten zeigen im Vergleich zum nichtkorrodierten Standard (Fig.3) nur leichte Anlauffarben auf der Kontaktoberfläche. Bei der Referenz ohne galvanische Nachbehandlung hingegen ist die W-Oberfläche mit dicken grünlichbraunen Krusten, die vom Umfang ausgehen am Cu-Lot in die Wolframoberfläche teilweise bis zur Mitte hineinreichen, bedeckt. Bei diesen Krusten handelt es sich vermutlich um anorganische Salze des Kupfers und Wolframs. Befinden sich diese zwischen den geschlossenen Kontakten einer Hupe, so führt das zur Erhöhung des Kontaktwiderstandes und folglich zum Ausfall der Hupe.

Claims (8)

  1. Kontaktstück, umfassend eine auf einen metallischen Träger (3), durch eine Lotschricht (2) gelötete Wolframauflage (1), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teile der Lotschicht (2) und des Trägers (3) mit einer Schicht aus Zinn (4) überzogen sind.
  2. Kontaktstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Zinn 0,1 - 20 µm stark ist. ist.
  3. Kontaktstück nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Zinn 0,2-2 µm stark ist.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktstück nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Kontaktstück eine Schicht aus Zinn (4) aufgebracht und anschließend gegebenenfalls auf der Wolframauflage (1) vorhandenes Zinn (4) entfernt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Schicht galvanisch erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zinn selektiv auf das Lot und den metallischen Träger aufgebracht wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederfreilegung der Wolframauflage durch Gleitschleifen ausgeführt wird.
  8. Verwendung des Kontaktstückes nach einem der Ansprüche 1 - 3 als Hupenkontakt oder Relaiskontakt.
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