EP2524384B1 - Elektrisches kontaktelement und verfahren zur herstellung eines elektrischen kontaktelements - Google Patents

Elektrisches kontaktelement und verfahren zur herstellung eines elektrischen kontaktelements Download PDF

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EP2524384B1
EP2524384B1 EP11700420.0A EP11700420A EP2524384B1 EP 2524384 B1 EP2524384 B1 EP 2524384B1 EP 11700420 A EP11700420 A EP 11700420A EP 2524384 B1 EP2524384 B1 EP 2524384B1
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semi
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Andreas Koffler
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Umicore AG and Co KG
TE Connectivity Germany GmbH
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    • Y10T428/24314—Slit or elongated

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an electrical contact element from a semifinished product as well as to the electrical contact element and the corresponding semifinished product.
  • Electrical contacts are found in electrical appliances and switchgear, such as e.g. in light switches, circuit breakers or relays, diverse applications and are widely used.
  • noble metal / metal oxide composite materials for example silver / tin oxide
  • a contact carrier material by welding
  • the object underlying the present invention can therefore be seen to provide a method for producing a contact element, on the one hand ensures optimum properties of the contact element during operation and on the other hand, a material-saving and cost-effective manufacturability.
  • the present invention is based on the idea that for the production of the actual contact as a semi-finished part of a wire of metal composite material is used as the first conductive material, which is provided with a metal coating as a second electrically conductive material, wherein the metal coating on a part the surface was removed again to expose the core of metal composite at the later contact surface.
  • the metal composite material may consist of a suitable metal, such as copper, copper-nickel alloy, chromium-nickel alloy or silver, which oxides such as tin oxide, zinc oxide, iron oxide such as Fe 2 O 3 , copper oxide, cadmium oxide, indium oxide, antimony oxide, lanthanum oxide, Magnesium oxide, manganese oxide, bismuth oxide, tellurium oxide, carbon (in the form of carbon blacks, graphite or carbon fibers), or nickel, if the metal is otherwise different from nickel.
  • a suitable metal composite material are described for example in DE 2 259 792 . DE 102 007 040 171 .
  • EP 736885 are examples of a metal composite material.
  • the metal coating may consist of the same metal (s) as the metal composite forming the core, but does not contain any of the ingredients which cause the weld strength of the metal composite.
  • the silver sheath of a silver tin oxide wire is removed from the region of the subsequent contact point by scraping or splitting. In this way, a minimum loss of precious metal is guaranteed and at the same time a contamination of the switching component with the noble metal in the region of the contact point is avoided and thus prevents welding of the switching contact.
  • the production can be greatly simplified and the manufacturing cost can be kept low.
  • the use of precious metals is minimal because the precious metal does not have to be used for mechanical tasks. In the area of the switching point there is no weldable metallic precious metal.
  • a part of the wire is scraped in an axial direction so that a segment is removed at the circular cross section of the wire.
  • the advantageous properties of the present invention are particularly useful when the contact element according to the invention in a switching device, such as an electromagnetic relay, is used, since the problem of welding is particularly critical here.
  • Fig. 1 shows a perspective view of the contact element 100 according to the invention using the example of a relay contact.
  • the actual electrical contact 102 is connected to a contact carrier 104 shown here only schematically by welding.
  • the contact surface 106 which comes into electrical connection with a mating contact during operation, is formed by a material which has no tendency to weld. According to the present embodiment, this is a silver-tin oxide composite material. But there are also other composite materials in question, for example, cadmium oxide, indium oxide, zinc oxide, copper oxide, antimony oxide, lanthanum oxide, magnesium oxide, manganese oxide, bismuth oxide, or tellurium oxide or a combination thereof.
  • a metal sheath 114 in particular a noble metal sheath, in the present case metallic silver, whereby the fixation of the contact 102 to the carrier 104 is possible by means of a simple welding.
  • Fig. 2 shows a perspective view of a preliminary stage of the contact 100, in which the semifinished product 110 according to the invention is fixed on the contact carrier 104.
  • the semifinished product consists of a cylindrical noble metal / metal oxide 112, which is partially surrounded by a metallic noble metal shell 114.
  • the jacket 114 which consists of a weldable material, is arranged in particular in the region of the weld 108. In the area of the later contact point 106, however, the jacket is removed.
  • the semifinished product 110 subsequently becomes transformed into the actual contact 102.
  • the preforming direction 116 is transverse to a longitudinal axis 118 of the wire piece.
  • Fig. 3 to 6 illustrate various special ways to free the later contact area 106 of the metallic silver layer.
  • Fig. 3 shows the blank, in which a core 112, which, as already mentioned, may for example consist of silver-tin oxide composite material, with a metallic noble metal shell 114 is surrounded.
  • the precious metal is, for example, metallic silver.
  • partial removal of the metallic cladding layer 114 may be accomplished by scraping a segment of the cross section.
  • Fig. 6 shows an embodiment in which as much as possible of the metallic silver sheath 114 is removed from the later contact area by performing two further shaving steps in a radially offset direction to the first shaving step.
  • Table 1 below shows the versions of the 4, 5 and 6 compared with the cross-sectional area, the respective material losses in the case that a wire diameter of about 1.2 mm is viewed with a silver coating of 40 microns.
  • Table 1 shows the versions of the 4, 5 and 6 compared with the cross-sectional area, the respective material losses in the case that a wire diameter of about 1.2 mm is viewed with a silver coating of 40 microns.
  • Table 1 shows the versions of the 4, 5 and 6 compared with the cross-sectional area, the respective material losses in the case that a wire diameter of about 1.2 mm is viewed with a silver coating of 40 microns.
  • Table 1 shows the versions of the 4, 5 and 6 compared with the cross-sectional area, the respective material losses in the case that a wire diameter of about 1.2 mm is viewed with a silver coating of 40 microns.
  • Table 1 shows the versions of the 4, 5 and 6 compared with the cross-sectional area, the respective material losses in the case that a wire diameter

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements aus einem Halbzeug sowie auf das elektrische Kontaktelement und das entsprechende Halbzeug.
  • Elektrische Kontakte finden in elektrischen Geräten und Schaltgeräten, wie z.B. in Lichtschaltern, Schutzschaltern oder Relais, vielfältige Anwendung und sind weit verbreitet. An die an den Schaltvorgängen beteiligten Bestandteile eines elektrischen Kontaktes, insbesondere an die Kontaktschicht, werden hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit, Abnutzungsfestigkeit, mechanischer Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegen Verschweißen vor allem bei Temperatureinwirkungen, hohe Anforderungen gestellt. Es hat sich gezeigt, dass diese die Werkstoffwahl oft gegensätzlich bestimmenden Anforderungen besonders zufriedenstellend von Edelmetall/Metalloxid-Verbundwerkstoffen erfüllt werden können.
  • Gerade wegen ihrer Schweißresistenz können aber derartige Edelmetall/Metalloxid-Verbundwerkstoffe, beispielsweise Silber/Zinnoxid, auf einem Kontaktträgermaterial nicht direkt durch Schweißen befestigt werden.
  • Daher ist bekannt, die Kontakte mittels einer Vernietung zu befestigen, wie dies beispielsweise bei den sogenannten Bimetallnieten der Fall ist, oder aber eine schweißbare Schicht durch Aufbauen eines Multilayerkontakts bereitzustellen. Hier wird die Verbindung durch ein Kaltschweißverfahren oder Walzplattieren hergestellt. Bei diesen Konzepten ist aber von Nachteil, dass ein hoher Fabrikationsaufwand nötig ist und darüber hinaus ein verfahrenbedingtes Mindestvolumen für das aufzubringende Kontaktmaterial gefordert werden muss. Bei Massivkontakten oder beim Drahtabschnittsnieten wird außerdem ein Teil des Edelmetalls nicht für die eigentliche Schaltfunktion und somit zweckentfremdet verwendet.
  • Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, kann daher darin gesehen werden, ein Verfahren zum Herstellen eines Kontaktelements anzugeben, das einerseits optimale Eigenschaften des Kontaktelements im Betrieb und andererseits eine materialsparende und kostengünstige Herstellbarkeit gewährleistet.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, dass für die Herstellung des eigentlichen Kontaktes als Halbzeug ein Teil eines Drahtes aus Metall-Verbundwerkstoff als erstes leitfähiges Material verwendet wird, der mit einem Metallüberzug als zweites elektrisch leitfähiges Material versehen ist, wobei der Metallüberzug an einem Teil der Oberfläche wieder entfernt wurde, um den Kern aus Metall-Verbundwerkstoff an der späteren Kontaktfläche freizulegen.
  • Der Metallverbundwerkstoff kann aus einem geeigneten Metall, wie Kupfer, Kupfer-Nickel-Legierung, Chrom-Nickel-Legierung oder Silber bestehen, welcher Oxide wie Zinnoxid, Zinkoxid, Eisenoxid wie Fe2O3, Kupferoxid, Cadmiumoxid, Indiumoxid, Antimonoxid, Lanthanoxid, Magnesiumoxid, Manganoxid, Wismutoxid, Telluroxid, Kohlenstoff (in Form von Rußen, Graphit oder Kohlenstofffasern) enthält, oder auch Nickel, wenn das Metall ansonsten von Nickel verschieden ist. Besonders geeignet als Metall-Verbundwerkstoff sind beispielsweise beschrieben in DE 2 259 792 , DE 102 007 040 171 , EP 508055 , EP 1505164 , EP 725154 , EP 736885 , EP 795367 , DE 10012250 , EP 1142661 , EP 1915765 und EP 2004349 sowie den dort zitierten Dokumenten beschrieben. Vorteilhaft sind insbesondere die auf Silber basierenden Metall-Verbundwerkstoffe aus EP 508055 und EP 1505164 , worauf Bezug genommen wird. Hierbei handelt es sich um auf Silber-Zinnoxid basierende Kontaktwerkstoffe, welche zusätzlich noch Indiumoxid, Telluroxid, Wismutoxid, Kupferoxid, Nickeloxid oder deren Mischungen enthalten können. Solche Werkstoffe können pulvermetallurgisch oder durch innere Oxidation hergestellt werden.
  • Der Metallüberzug kann aus dem gleichen Metall bzw. Metallen bestehen wie der Metall-Verbundwerkstoff, welcher den Kern bildet, enthält jedoch keine der Inhaltsstoffe, welche die Verschweißfestigkeit des Metall-Verbundwerkstoffes bewirken.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch Schaben oder Spalten der Silbermantel eines Silberzinnoxiddrahtes aus dem Bereich der späteren Kontaktstelle entfernt. Auf diese Weise ist ein minimaler Edelmetallverlust gewährleistet und gleichzeitig wird eine Kontamination des schaltenden Bauteils mit dem Edelmetall im Bereich der Kontaktstelle vermieden und somit ein Verschweißen des Schaltkontakts verhindert.
  • Andererseits kann durch das direkte Aufschweißen des Silberzinnoxid-Kontaktmaterials auf einen Kontaktträger die Herstellung stark vereinfacht werden und die Fabrikationskosten niedrig gehalten werden. Der Edelmetalleinsatz ist minimal, da das Edelmetall nicht für mechanische Aufgaben verwendet werden muss. Im Bereich der Schaltstelle befindet sich kein schweißbares metallisches Edelmetall.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Teil des Drahtes in einer axialen Richtung abgeschabt, so dass an dem kreisförmigen Querschnitt des Drahts ein Segment entfernt ist. Nach dem Aufteilen in zylindrische Halbzeuge und dem Umformen in einen elektrischen Kontakt kann auf diese Weise besonders einfach und mit vergleichsweise wenig Materialverlust der gewünschte Kontakt hergestellt werden. Will man noch mehr von dem metallischen Mantel entfernen, so können weitere Schabeschritte in radial versetzter Richtung durchgeführt werden.
  • Eine Ausführungsform, bei der überhaupt kein Abfall anfällt, ist dann gegeben, wenn der Draht mittig gespalten wird und beide Teile verwendbar bleiben.
  • Die vorteilhaften Eigenschaften der vorliegenden Erfindung kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn das erfindungsgemäße Kontaktelement in einem Schaltgerät, wie beispielsweise einem elektromagnetischen Relais, eingesetzt wird, da hier die Problematik des Verschweißens besonders kritisch ist.
  • Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Perspektivdarstellung eines fertigen Kontaktelements;
    Fig. 2
    eine perspektivische Darstellung des aufgeschweißten erfindungsgemäßen Halbzeugs vor dem Umformen;
    Fig. 3
    einen Querschnitt des ummantelten Drahts vor dem Schaben;
    Fig. 4
    einen Querschnitt des Drahtes nach einem ersten Schabeschritt;
    Fig. 5
    einen Querschnitt des Drahtes nach einem Spaltschritt;
    Fig. 6
    einen Querschnitt des Drahtes nach dem Durchführen mehrerer Schabeschritte.
  • Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung das erfindungsgemäße Kontaktelement 100 am Beispiel eines Relaiskontakts. Der eigentliche elektrische Kontakt 102 ist mit einem hier nur schematisch dargestellten Kontaktträger 104 durch Verschweißen verbunden. Die Kontaktfläche 106, die im Betrieb mit einem Gegenkontakt in elektrische Verbindung kommt, ist dabei durch ein Material gebildet, welches keine Verschweißneigung aufweist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist dies ein Silber-Zinnoxid-Verbundmaterial. Es kommen hier aber auch andere Verbundmaterialien in Frage, die beispielsweise Cadmiumoxid, Indiumoxid, Zinkoxid, Kupferoxid, Antimonoxid, Lanthanoxid, Magnesiumoxid, Manganoxid, Wismutoxid, oder Telluroxid oder eine Kombination daraus enthalten. In dem Bereich der Schweißstelle 108 liegt ein Metallmantel 114, insbesondere ein Edelmetallmantel, im vorliegenden Fall metallisches Silber, vor, wodurch die Fixierung des Kontakts 102 an dem Träger 104 über ein einfaches Schweißen möglich ist.
  • Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Vorstufe des Kontakts 100, bei der das erfindungsgemäße Halbzeug 110 auf dem Kontaktträger 104 fixiert ist.
  • Wie in Fig. 2 schematisch angedeutet, besteht das Halbzeug aus einem zylindrischen Edelmetall/Metalloxidkern 112, der teilweise von einem metallischen Edelmetallmantel 114 umgeben ist. Der Mantel 114, der aus einem schweißbaren Material besteht, ist insbesondere im Bereich der Schweißstelle 108 angeordnet. Im Bereich der späteren Kontaktstelle 106 ist der Mantel dagegen entfernt. Durch Ausüben von Druck in einer Richtung 116 auf den Kontaktträger 104 zu, wird das Halbzeug 110 anschließend in den eigentlichen Kontakt 102 umgeformt. Dabei ist zu bemerken, dass die Vorformrichtung 116 quer zu einer Längsachse 118 des Drahtstücks verläuft.
  • Die Fig. 3 bis 6 erläutern verschiedene spezielle Möglichkeiten, den späteren Kontaktbereich 106 von der metallischen Silberschicht zu befreien. Dabei wird jeweils ein Schnitt durch den Draht 120, aus dem durch Schneiden quer zu seiner Längsachse das Halbzeug 110 hergestellt wird, gezeigt. Fig. 3 zeigt das Rohteil, bei dem ein Kern 112, der wie bereits erwähnt, beispielsweise aus Silber-Zinnoxid-Verbundwerkstoff bestehen kann, mit einem metallischen Edelmetallmantel 114 umgeben ist. Bei dem Edelmetall handelt es sich beispielsweise um metallisches Silber. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann das teilweise Entfernen der metallischen Mantelschicht 114 durch Abschaben eines Segments des Querschnitts erfolgen.
  • Alternativ kann entweder bis zur Mitte 122 des Drahtes 120 geschabt werden oder der Draht in zwei Hälften gespalten werden, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Die in Fig. 5 gezeigte Variante bietet zwar als Halbzeug den Vorteil, eine möglichst große, silberfreie Kontaktfläche 106 zu bieten, hat aber den Nachteil, dass vergleichsweise viel Material verloren geht, wenn dieser Querschnitt durch Schaben hergestellt wird. Verwendet man ein Spaltverfahren, bei dem beide Hälften des Drahtes verwendbar bleiben, stellt diese Variante allerdings die materialsparendste Lösung dar.
  • Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der möglichst viel von dem metallischen Silbermantel 114 aus dem späteren Kontaktbereich dadurch entfernt wird, dass zwei weitere Schabeschritte in radial versetzter Richtung zu dem ersten Schabeschritt durchgeführt werden.
  • In der nachfolgenden Tabelle 1 werden für die Versionen der Fig. 4, 5 und 6 in Bezug auf die Querschnittsfläche die jeweiligen Materialverluste für den Fall verglichen, dass ein Drahtdurchmesser von ca. 1,2 mm mit einer Silberbeschichtung von 40 µm betrachtet wird. Tabelle 1
    Rohteil Fig. 4 Fig. 5 Fig. 6
    Mantel 0,4084 mm2 0,301 mm2 0,2042 mm2 0,2173 mm2
    Verlust Mantel 0% 26% 50% 47%
    Kern 1,131 mm2 1,0413 mm2 0,5655 mm2 1,0426 mm2
    Verlust Kern 0% 8% 50 % 8%
    Gesamt 1,5393 mm2 1,3423 mm2 0,7697 mm2 1,2599 mm2
    Verlust Gesamt 0% 13% 50% 18%
  • Wie aus dieser Übersicht deutlich wird, ist der geringste Materialverlust bei der Variante der Fig. 4 zu verzeichnen, während aber die Variante der Fig. 6 die effektivste Entfernung des Mantelmaterials beinhaltet.
  • Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die erfindungsgemäße Herstellung von Kontaktelementen, beispielsweise für schaltende oder führende Kontakte an Relais, zum Einen eine einfache Herstellbarkeit durch das direkte Aufschweißen des Silber-Zinnoxid-Kontaktmaterials erlaubt, aber zum Anderen eine besonders geringe Verschweißneigung im Bereich des eigentlichen elektrischen Kontakt sicherstellt. Durch sparsame Verwendung von edelmetallhaltigen Ausgangsstoffen können die Kosten weiter gesenkt werden. Bezugszeichenbeschreibung
    100 Kontaktelement
    102 elektrischer Kontakt
    104 Kontaktträger
    106 Kontaktfläche
    108 Schweißstelle
    110 Halbzeug
    112 Kern
    114 Mantel
    116 Richtung des Umformdrucks
    118 Längsachse des Drahtes
    120 Draht
    122 Mitte des Drahtquerschnitts

Claims (16)

  1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements (100), das durch einen Gegenkontakt elektrisch kontaktierbar ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    Bereitstellen eines Drahtes (120) aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material (112) mit einem Mantel (114) aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material;
    teilweises Entfernen des Mantels (114) in einer Richtung längs einer Drahtlängsachse (118);
    Ausbilden mindestens eines zylindrischen Halbzeugs (110) durch Unterteilen des Drahtes in einer Richtung quer zu der Drahtlängsachse;
    Fixieren des Halbzeugs auf einem Kontaktträger (104), so dass das zweite elektrisch leitfähige Material mit dem Kontaktträger verbunden ist;
    Umformen des verschweißten Halbzeugs zum Ausbilden des Kontaktelements (100), wobei eine Kontaktfläche (106), die für einen Gegenkontakt zugänglich ist, durch das erste elektrisch leitfähige Material gebildet ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des teilweisen Entfernens des Mantels (114) in einer Richtung längs einer Drahtlängsachse (118) umfasst:
    Abschaben eines Teils des Drahtes in einer axialen Richtung, so dass an dem kreisförmigen Querschnitt des Drahts ein Segment entfernt ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des teilweisen Entfernens der Beschichtung in einer Richtung längs einer Drahtlängsachse umfasst:
    Abschaben eines Teils des Drahtes in einer axialen, gegenüber dem vorangegangenen Abschabeschritt um einen definierten radialen Winkel versetzten Richtung, so dass an dem kreisförmigen Querschnitt des Drahts mindestens ein weiteres Segment entfernt ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des teilweisen Entfernens der Beschichtung in einer Richtung längs einer Drahtlängsachse umfasst:
    Spalten des Drahtes in einer axialen Richtung, so dass der kreisförmige Querschnitt des Drahts geteilt ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste leitfähige Material nicht schweißbar ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das erste leitfähige Material eine Edelmetall/Metalloxid-Legierung umfasst.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite leitfähige Material schweißbar ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das zweite leitfähige Material elementares Edelmetall umfasst.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kontaktelement (100) ein Kontakt für ein elektromagnetisches Relais ist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Fixierens des Halbzeugs (110) auf dem Kontaktträger (104) mittels Schweißens erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Schritt des Fixierens des Halbzeugs auf dem Kontaktträger das zylindrische Halbzeug (110) so mit seiner Zylindermantelfläche auf dem Kontaktträger fixiert ist, dass der Bereich, in dem die Beschichtung entfernt ist, dem Kontaktträger abgewandt ist.
  12. Elektrisches Kontaktelement, das durch einen Gegenkontakt elektrisch kontaktierbar ist, wobei das Kontaktelement (100) mittels eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt ist.
  13. Halbzeug zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements, erhältlich nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Halbzeug einen Kern (112) aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material und einen Mantel (114) aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material aufweist und wobei der Mantel wenigstens teilweise in einer Richtung längs einer Längsachse (118) des Halbzeugs entfernt ist.
  14. Halbzeug nach Anspruch 13, wobei das Halbzeug eine zylindrische Gestalt hat.
  15. Verwendung des Halbzeugs gemäß Anspruch 13 oder 14 zur Herstellung von elektrischen Kontakten.
  16. Elektromagnetisches Relais mit mindestens einem schaltbaren Kontaktelement gemäß Anspruch 12.
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