EP2353209B1 - Verfahren zur herstellung eines halbzeugs für elektrische kontakte - Google Patents

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EP2353209B1
EP2353209B1 EP09744077.0A EP09744077A EP2353209B1 EP 2353209 B1 EP2353209 B1 EP 2353209B1 EP 09744077 A EP09744077 A EP 09744077A EP 2353209 B1 EP2353209 B1 EP 2353209B1
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EP
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silver
composite material
block
powder
strand
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Helmut Heinzel
Andreas Kraus
Evelyn MAHLE-MÖSSNER
Johann Wenz
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Doduco Contacts and Refining GmbH
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Doduco GmbH and Co
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
    • H01R13/02—Contact members
    • H01R13/03—Contact members characterised by the material, e.g. plating, or coating materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/001—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides
    • C22C32/0015—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides with only single oxides as main non-metallic constituents
    • C22C32/0021—Matrix based on noble metals, Cu or alloys thereof

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a semifinished product for electrical contacts with an intended for electrical contact top of a composite material based on silver, in which one or more metal oxides or carbon are embedded, and a good solderable and weldable support layer of silver or a silver alloy on which the composite is located.
  • Composite materials of silver-based with embedded metal oxide or carbon particles can not or only very poorly welded and soldered. In the production of semifinished products for electrical contacts, therefore, a lower side of the contact material is provided with a good solderable or weldable carrier layer of silver or a silver alloy. Such carrier layers are usually applied by plating a silver band on contact materials.
  • Another known possibility is to coat a contact material block with a silver tube and then reshape by composite extrusion. By longitudinally dividing a composite strand produced in this way, a semifinished product is obtained with a top surface of contact material and a bottom surface of silver.
  • the production of a suitable silver tube and the fitting of a contact material block in a silver tube are very expensive.
  • the object of the invention is to show a way how inexpensively a strand-shaped semifinished product for electrical contacts can be made, which has a certain for the electrical contact top of a composite material based on silver and a bottom made of silver or a silver alloy.
  • a block of a composite material based on silver is first produced by powder metallurgy, for example by mixing silver powder with metal oxide powder, pressing it and then sintering it. It is also possible, for example, to mix silver powder with a base metal powder, to compress and then to sinter in an oxidizing atmosphere, so that metal oxide particles are formed by oxidation of the non-noble metal particles.
  • the block produced by powder metallurgy is sheathed with silver powder or powder of a silver-based alloy and then pressed to compact the powder sheath, preferably at pressures of 500 bar to 2500 bar.
  • the powder of silver or of a silver-based alloy may also be admixed with base metal powder so as to produce by powder metallurgical means a jacket of a silver-based alloy, that is to say an alloy consisting predominantly of silver.
  • the preferably isostatically pressed block is sintered in a further production step and then formed by extrusion, preferably hot-formed. Thereafter, at least one sub-strand having a composite top surface and a silver or silver-based bottom surface is produced.
  • Preferably, two such partial strands are produced by dividing the strand formed by extrusion in its longitudinal direction. It is of course possible to make more longitudinal divisions perpendicular to the dividing plane. The statement that preferably two partial strands are generated is therefore to be understood in the sense of at least two. But it is also possible to produce only a partial strand by the silver or the silver alloy is removed on one side of the strand formed by extrusion, for example by milling, and so a surface of composite material is exposed.
  • an approximately cylindrical block can be produced by isostatic pressing and subsequent sintering, the lateral surface of which is turned off prior to extrusion in order to adapt to the dimensions of an extrusion die.
  • the block is formed by extrusion from a cylindrical shape into a rectangular section shape.
  • the extrusion is preferably carried out at temperatures of at least 600 ° C, in particular between 700 ° C and 950 ° C.
  • This measure has the advantage that an advantageously high compression is achieved by the extrusion.
  • Advantageous it can be achieved that the strand has a relative density of 99.9% of the theoretically possible density.
  • the two flanks of the strand which extend from the contact-making upper side to the well solderable and weldable underside of the strand, trimmed, in particular by cutting or milling.
  • the trimming of the flanks of the strand formed by extrusion can optionally be carried out before or after the longitudinal division of the strand.
  • the strand produced by extrusion is reduced in its thickness by rolling, in particular by cold rolling.
  • a strip-shaped semifinished product can be produced in a particularly favorable manner.
  • the rolling takes place after the longitudinal splitting of the strand.
  • the strand is reduced in its thickness by at most 50% of its original thickness during rolling, in order to avoid that mechanical properties of the semi-finished product are adversely affected.
  • the thickness is reduced by more than 50%, there is a risk of the material becoming too hard.
  • the strand is reduced in its thickness by 30 to 50% of its original thickness during rolling.
  • the method uses a composite that is a silver-metal oxide composite.
  • Tin oxides and / or zinc oxide and / or indium oxide and / or cadmium oxide can be used in particular as metal oxides.
  • the use of bismuth oxide or tungsten oxide is also possible.
  • the composite used in the invention contains several metal oxides. Equally well it is possible that the composite material only contains a single metal oxide.
  • the metal oxide component of the composite material preferably consists predominantly of tin oxide.
  • the silver-based contact material used may also contain carbon, for example in the form of graphite.
  • the composite block encased in base metal powder is cold isostatically pressed.
  • the cold isostatic pressing can be carried out easily at room temperature.
  • the cold isostatic pressing can also be carried out at elevated temperatures, but in any case it is preferred that the cold isostatic pressing is carried out at a temperature at which the base metal is at best oxidized to a negligible extent in the presence of atmospheric oxygen.

Landscapes

  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Contacts (AREA)
  • Manufacture Of Switches (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs für elektrische Kontakte mit einer für die elektrische Kontaktgabe bestimmten Oberseite aus einem Verbundwerkstoff auf Silberbasis, in welchem eines oder mehrere Metalloxide oder Kohlenstoff eingelagert sind, und einer gut löt- und schweißbaren Trägerschicht aus Silber oder einer Silberlegierung, auf welcher der Verbundwerkstoff liegt.
  • Verbundwerkstoffe aus Silberbasis mit eingelagerten Metalloxid- oder Kohlenstoffpartikeln lassen sich nicht oder nur sehr schlecht verschweißen und verlöten. Bei der Herstellung von Halbzeugen für elektrische Kontakte wird deshalb eine Unterseite des Kontaktwerkstoffs mit einer gut löt- oder schweißbaren Trägerschicht aus Silber oder einer Silberlegierung versehen. Derartige Trägerschichten werden üblicherweise durch Aufplattieren eines Silberbandes auf Kontaktwerkstoffe aufgebracht.
  • Bekannt ist es auch eine Herstellung in Einzelpresstechnik, bei der auf eine Schicht aus Silberpulver eine Schicht aus Kontaktwerkstoffpulver aufgebracht und durch anschließendes Pressen und Sintern ein Halbzeug mit einer Vorderseite aus Kontaktwerkstoff und einer Rückseite aus Silber erzeugt wird. Dabei können die beiden Pulverschichten gemeinsam verpresst werden oder zunächst eine Schicht aus nur einem Pulver vorgepresst und anschließend das zweite Pulver aufgebracht und verpresst werden. Nachteilig an einer Herstellung in Einzelpresstechnik ist jedoch, dass sich kein bandförmiges Halbzeug herstellen lässt.
  • Eine weitere bekannte Möglichkeit besteht darin, einen Kontaktwerkstoffblock mit einem Silberrohr zu ummanteln und anschließend durch Verbundstrangpressen umzuformen. Durch Längsteilen eines auf diese Weise hergestellten Verbundstrangs erhält man ein Halbzeug mit einer Oberseite aus Kontaktwerkstoff und einer Unterseite aus Silber. Die Herstellung eines geeigneten Silberrohres und das Einpassen eines Kontaktwerkstoffblocks in ein Silberrohr sind jedoch sehr aufwändig.
  • In der DE 195 23 922 A1 werden sowohl eine Herstellung in Einzelpresstechnik als auch eine Herstellung durch Strangpressen beschrieben, wobei ein gesinterter Kontaktwerkstoffblock mit einem Silbermantel versehen und dann durch Strangpressen umgeformt wird. Die US 5 445 895 A offenbart ebenfalls ein Herstellungsverfahren, bei dem zunächst aus Pulver durch isostatisches Pressen und anschließendes Sintern ein Block hergestellt wird, der dann mit Silber ummantelt und durch Strangpressen in Streifen umgeformt wird, die dann in Längsrichtung geteilt werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie kostengünstig ein strangförmiges Halbzeug für elektrische Kontakte hergestellt werden kann, das eine für die elektrische Kontaktgabe bestimmte Oberseite aus einem Verbundwerkstoff auf Silberbasis und eine Unterseite aus Silber oder einer Silberlegierung hat.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst pulvermetallurgisch ein Block aus einem Verbundwerkstoff auf Silberbasis hergestellt, beispielsweise indem Silberpulver mit Metalloxidpulver vermischt, verpresst und anschließend gesintert wird. Möglich ist es beispielsweise auch, Silberpulver mit einem unedlen Metallpulver zu vermischen, zu verpressen und anschließend in einer oxidierenden Atmosphäre zu sintern, so dass durch Oxidation der unedlen Metallpartikel Metalloxidpartikel entstehen.
  • In einem zweiten Schritt wird der pulvermetallurgisch hergestellte Block mit Silberpulver oder Pulver aus einer Silberbasislegierung ummantelt und anschließend zum Verdichten des Pulvermantels gepresst, bevorzugt bei Drücken von 500 bar bis 2500 bar. Dem Pulver aus Silber oder einer Silberbasislegierung kann dabei auch unedles Metallpulver beigemischt sein, um so auf pulvermetallurgischem Weg einen Mantel aus einer Silberbasislegierung, also einer überwiegend aus Silber bestehenden Legierung, zu erzeugen.
  • Der bevorzugt isostatisch gepresste Block wird in einem weiteren Herstellungsschritt gesintert und anschließend durch Strangpressen umgeformt, vorzugsweise warmumgeformt. Danach wird mindestens ein Teilstrang mit einer Oberseite aus Verbundwerkstoff und einer Unterseite aus Silber oder einer Silberbasislegierung erzeugt. Bevorzugt werden zwei derartige Teilstränge erzeugt, indem der durch Strangpressen gebildete Strang in seiner Längsrichtung geteilt wird. Dabei ist es selbstverständlich möglich, senkrecht zu der Teilungsebene weitere Längsteilungen vorzunehmen. Die Angabe, dass bevorzugt zwei Teilstränge erzeugt werden, ist deshalb im Sinne von mindestens zwei zu verstehen. Möglich ist es aber auch, nur einen Teilstrang zu erzeugen, indem auf einer Seite des durch Strangpressen gebildeten Strangs das Silber oder die Silberlegierung abgetragen wird, beispielsweise durch Fräsen, und so eine Oberfläche aus Verbundwerkstoff freigelegt wird.
  • Nach dem Sintern haftet das Silber bzw. die Silberlegierung in der Regel bereits ausreichend stark an dem Block, so dass dieser formgebend bearbeitet werden kann, damit er passgenau in ein Strangpresswerkzeug eingesetzt werden kann. Beispielsweise kann durch isostatisches Pressen und anschließendes Sintern ein annährend zylindrischer Block hergestellt werden, dessen Mantelfläche vor dem Strangpressen abgedreht wird, um eine Anpassung an die Maße eines Strangpresswerkzeugs zu erreichen. Bevorzugt wird der Block durch das Strangpressen von einer zylindrischen Form in eine Form mit rechteckigem Querschnitt umgeformt.
  • Das Strangpressen wird bevorzugt bei Temperaturen von mindestens 600°C, insbesondere zwischen 700°C und 950°C, durchgeführt. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass durch das Strangpressen eine vorteilhaft hohe Verdichtung erreicht wird. Vorteilhaft lässt sich insbesondere erreichen, dass der Strang eine relative Dichte von 99,9 % der theoretisch möglichen Dichte hat.
  • Durch Teilen des durch Strangpressen gebildeten Strangs in seiner Längsrichtung entsteht ein Halbzeug mit einer Schicht aus dem Verbundwerkstoff auf Silberbasis, welche die zur Kontaktgabe bestimmte Oberseite des Halbzeugs bildet, und einer gut löt- und schweißbaren Trägerschicht als Unterseite.
  • Bevorzugt werden die beiden Flanken des Strangs, welche sich von der kontaktgebenden Oberseite bis zur gut löt- und schweißbaren Unterseite des Strangs erstrecken, getrimmt, insbesondere durch Schneiden oder Fräsen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass bei der weiteren Verarbeitung des Halbzeugs oder beim späteren Gebrauch eines mit dem Halbzeug hergestellten elektrischen Kontakts kein Material der Trägerschicht auf die Kontaktfläche gelangt und deren Funktion beeinträchtigt. Das Trimmen der Flanken des durch Strangpressen gebildeten Strangs kann wahlweise vor oder nach der Längsteilung des Strangs durchgeführt werden.
  • Bevorzugt wird der durch Strangpressen erzeugte Strang in seiner Dicke durch Walzen, insbesondere durch Kaltwalzen, reduziert. Auf diese Weise lässt sich besonders günstig ein bandförmiges Halbzeug herstellen. Bevorzugt ist dabei insbesondere, dass das Walzen nach dem Längsteilen des Strangs erfolgt. Bevorzugt ist ferner, dass der Strang beim Walzen in seiner Dicke um höchstens 50% seiner ursprünglichen Dicke reduziert wird, um zu vermeiden dass mechanische Eigenschaften des Halbzeugs nachteilig beeinträchtigt werden. Insbesondere besteht bei einer Reduktion der Dicke um mehr als 50% die Gefahr, dass das Material zu hart wird. Besonders bevorzugt wird der Strang beim Walzen in seiner Dicke um 30 bis 50% seiner ursprünglichen Dicke reduziert.
  • Bevorzugt wird bei dem Verfahren ein Verbundwerkstoff verwendet, der ein Silber-Metalloxid-Verbundwerkstoff ist. Als Metalloxide können insbesondere Zinnoxid und/oder Zinkoxid und/oder Indiumoxid und/oder Kadmiumoxid verwendet werden. Möglich sind beispielsweise auch die Verwendung von Bismutoxid oder Wolframoxid. Dabei ist es möglich, dass der erfindungsgemäß verwendete Verbundwerkstoff mehrere Metalloxide enthält. Ebenso gut ist es möglich, dass der Verbundwerkstoff nur ein einziges Metalloxid enthält. Bevorzugt besteht die Metalloxidkomponente des Verbundwerkstoffs überwiegend aus Zinnoxid. Als Alternative oder zusätzlich zu Metalloxiden kann der verwendete Kontaktwerkstoff auf Silberbasis auch Kohlenstoff enthalten, beispielsweise in Form von Grafit.
  • Bevorzugt wird der mit unedlem Metallpulver ummantelte Verbundwerkstoffblock kaltisostatisch gepresst. Das kaltisostatische Pressen kann problemlos bei Raumtemperatur durchgeführt werden. Prinzipiell kann das kaltisostatische Pressen auch bei erhöhten Temperaturen durchgeführt werden, bevorzugt ist aber jedenfalls, dass das kaltisostatische Pressen bei einer Temperatur durchgeführt wird, bei welcher das unedle Metall in Anwesenheit von Luftsauerstoff allenfalls unwesentlich oxidiert wird.
    • Ausführungsbeispiele:
    1. 1. Durch Mischen von Silberpulver und Zinnoxidpulver, kaltisostatisches Pressen und anschließendes Sintern wird ein zylindrischer Block aus einem Kontaktwerkstoff auf Silberbasis hergestellt. Dieser Block kann beispielweise zu 8 bis 14 Gewichtsprozent aus Metalloxid und im übrigen aus Silber bestehen.
      Der Verbundwerkstoffblock wird mit Silberpulver ummantelt und dann kaltisostatisch verpresst. Der isostatisch gepresste Block wird dann unter Luft bei 800°C bis 900°C gesintert, beispielsweise für 2 bis 5 Stunden. Der gesinterte Block wird anschließend abgedreht, damit er maßgenau in eine Strangpresse eingesetzt werden kann. Der Block wird dann durch Strangpressen bei einer Temperatur von 750° bis 775° C von seiner zylindrischen Form in eine Form mit rechteckigem Querschnitt umgeformt.
      Die Flanken des so erzeugten Strangs werden abgeschnitten und der Strang anschließend in Längsrichtung geteilt. Die auf diese Weise gebildeten Teilstränge werden anschließend kaltgewalzt und dabei in ihrer Dicke um 30 bis 50%, beispielsweise um 45%, reduziert. Das aus diese Weise hergestellte bandförmige Halbzeug hat eine Trägerschicht, deren Dicke etwa 10% bis 20% der Dicker der Verbundwerkstoffschicht ausmacht, und kann zur Herstellung elektrischer Kontaktstücke verwendet werden, indem von dem Halbzeug Abschnitte abgeschnitten und gemäß den Anforderungen einer spezifischen Anwendung umgeformt werden.
    2. 2. Durch Mischen von Silberpulver und Graphitpulver, kaltisostatisches Pressen, anschließendes Sintern wird ein zylindrischer Block aus einem Kontaktwerkstoff auf Silberbasis hergestellt. Dieser Block kann beispielweise zu 2 bis 5 Gewichtsprozent aus Kohlenstoff und im Übrigen aus Silber bestehen. Der Verbundwerkstoffblock wird mit Pulver aus Silber oder einer Silberbasislegierung ummantelt und einige Stunden bei 750° bis 775° gesintert. Die weitere Verarbeitung des gesinterten Blocks kann wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgen.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung eines strangförmigen Halbzeugs für elektrische Kontakte, wobei das Halbzeug eine für die elektrische Kontaktgabe bestimmte Oberseite aus einem Verbundwerkstoff auf Silberbasis hat, in welchem eines oder mehrere Metalloxide oder Kohlenstoff eingelagert sind, und einer den Verbundwerkstoff tragenden gut löt- oder schweißbaren Trägerschicht aus Silber oder einer Silberbasislegierung hat, mit den folgenden Schritten:
    - Pulvermetallurgisches Herstellen eines Blocks aus dem Verbundwerkstoff auf Silberbasis,
    - Ummanteln des Blocks aus dem Verbundwerkstoff mit einem Pulver das überwiegend aus Silber besteht,
    - Pressen des mit dem Metallpulver ummantelten Blocks zum Verdichten des Metallpulvers,
    - Sintern des gepressten Blocks,
    - Umformen des gesinterten Blocks durch Strangpressen,
    - Erzeugen eines Teilstrangs mit einer Oberseite aus Verbundwerkstoff und einer Unterseite aus Silber oder einer Silberbasislegierung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Teilstränge erzeugt werden, indem der durch Strangpressen gebildete Strang in seiner Längsrichtung geteilt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff ein Silber-Metalloxid Verbundwerkstoff ist.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff auf Silberbasis Zinnoxid und/oder Zinkoxid und/oder Indiumoxid und/oder Kadmiumoxid enthält.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ummanteln des Blocks aus dem Verbundwerkstoff auf Silberbasis eine Mischung aus Silberpulver und unedlem Metallpulver verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ummanteln des Blocks aus dem Verbundwerkstoff auf Silberbasis Silberpulver oder Pulver aus einer Silberbasislegierung verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ummantelte Block isostatisch gepresst wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strangpressen bei Temperaturen von mindestens 600°C durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des durch Strangpressen erzeugten Strangs oder eines Teilstrangs durch Walzen reduziert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Walzen die Dicke um höchstens 50% reduziert wird.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flanken des Stranges, welche sich von der Kontakt gebenden Oberseite bis zur von der Trägerschicht gebildeten gut löt- und schweißbaren Unterseite des Stranges erstrecken, getrimmt werden.
  12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein annährend zylindrischer gesinterter Block hergestellt wird, dessen Mantelfläche vor dem Strangpressen abgedreht wird.
  13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Block durch das Strangpressen von einer zylindrischen Form in eine Form mit rechteckigem Querschnitt umgeformt wird.
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