ES2476841T3 - A contact element and a contact set - Google Patents
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Abstract
Un elemento de contacto para hacer un contacto eléctrico con un miembro de contacto para permitir que fluya una corriente eléctrica entre dicho elemento de contacto y dicho miembro de contacto (2, 6, 7, 18), comprendiendo dicho elemento de contacto (1, 5, 14, 15, 16, 25) un cuerpo (3) que tiene al menos una superficie de contacto del mismo recubierta con una capa de contacto para aplicarse contra dicho miembro de contacto, comprendiendo dicha capa de contacto (4) una película de nanocompuesto que tiene una matriz de carbono amorfo y nanocristales, esto es, con dimensiones en el intervalo de 1 a 100 nm, de al menos un carburo metálico embebidos en la misma, caracterizado porque la hibridación de dicha matriz de carbono amorfo tiene un elevado cociente de enlaces sp2/sp3 entre átomos de carbono de dicha matriz de carbono amorfo, siendo dicho cociente superior a 0,6A contact element for making an electrical contact with a contact member to allow an electric current to flow between said contact element and said contact member (2, 6, 7, 18), said contact element (1, 5 , 14, 15, 16, 25) a body (3) having at least one contact surface thereof coated with a contact layer to be applied against said contact member, said contact layer (4) comprising a nanocomposite film having a matrix of amorphous carbon and nanocrystals, that is, with dimensions in the range of 1 to 100 nm, of at least one metal carbide embedded therein, characterized in that the hybridization of said matrix of amorphous carbon has a high ratio of sp2/sp3 bonds between carbon atoms of said amorphous carbon matrix, said ratio being greater than 0.6
Description
Un elemento de contacto y un conjunto de contacto A contact element and a contact set
5 Campo técnico de la invención y técnica anterior 5 Technical field of the invention and prior art
La presente invención se refiere a un elemento de contacto para hacer un contacto eléctrico con un miembro de contacto para permitir que fluya una corriente eléctrica entre dicho elemento de contacto y dicho miembro de contacto, comprendiendo dicho elemento de contacto un cuerpo que tiene al menos una superficie de contacto del The present invention relates to a contact element for making an electrical contact with a contact member to allow an electric current to flow between said contact element and said contact member, said contact element comprising a body having at least one contact surface of
10 mismo recubierta con una capa de contacto para aplicarse contra dicho miembro de contacto, as� como un conjunto de contacto eléctrico deslizante, esto es, un conjunto de contacto en el cual dos superficies de contacto adaptadas para aplicarse una contra otra para establecer un contacto eléctrico pueden deslizarse relativamente entre s� al establecer y/o interrumpir y/o mantener la acción de contacto. 10 itself coated with a contact layer to be applied against said contact member, as well as a sliding electrical contact assembly, that is, a contact assembly in which two contact surfaces adapted to be applied against each other to establish a contact electrical can slide relatively with each other when establishing and / or interrupting and / or maintaining the contact action.
15 Tal elemento de contacto puede tener muchas aplicaciones diferentes, en las cuales dicha capa de contacto se dispone para establecer un contacto eléctrico con un miembro de contacto con propiedades deseadas, tales como una baja resistencia de contacto, una alta resistencia al desgaste y un bajo coeficiente de fricción con respecto al material del miembro de contacto con el que va hacer contacto, etc. Tales aplicaciones son, por ejemplo, realizar contactos para dispositivos semiconductores en una oblea de uno o más de dichos dispositivos, para establecer e Such a contact element can have many different applications, in which said contact layer is arranged to establish an electrical contact with a contact member with desired properties, such as low contact resistance, high wear resistance and low coefficient of friction with respect to the material of the contact member with which it will make contact, etc. Such applications are, for example, making contacts for semiconductor devices on a wafer of one or more of said devices, to establish and
20 interrumpir un contacto eléctrico en seccionadores y disyuntores mecánicos, y para establecer e interrumpir contactos eléctricos en conjuntos de contactos de tipo enchufable. Tales elementos de contacto eléctrico, que pueden establecer contactos deslizantes o contactos estacionarios, tienen preferiblemente un cuerpo fabricado, por ejemplo, de cobre o Al. Es sabido recubrir dicho cuerpo con una capa de contacto met�lica para proteger las superficies de contacto del elemento de contacto contra el desgaste y la corrosión. Sin embargo, se ha descubierto 20 interrupt an electrical contact in disconnectors and mechanical circuit breakers, and to establish and interrupt electrical contacts in plug-in type contact assemblies. Such electrical contact elements, which can establish sliding contacts or stationary contacts, preferably have a body made, for example, of copper or Al. It is known to coat said body with a metallic contact layer to protect the contact surfaces of the element of contact against wear and corrosion. However, it has been discovered
25 que los metales utilizados hasta ahora para tal capa de contacto muestran una tendencia a quedarse adheridos a la superficie del miembro de contacto contra el que apoyan, lo que puede dar como resultado daños en la superficie cerca de porciones del elemento de contacto y/o miembro de contacto, cuando fuerzas de tracción intentan mover el elemento de contacto con respecto al miembro de contacto, por ejemplo como consecuencia de una diferencia en el coeficiente de expansión térmica del material del elemento de contacto y del miembro de contacto tras cambios de 25 that the metals used so far for such a contact layer show a tendency to stick to the surface of the contact member against which they rest, which may result in surface damage near portions of the contact element and / or contact member, when tensile forces attempt to move the contact element with respect to the contact member, for example as a result of a difference in the coefficient of thermal expansion of the material of the contact element and of the contact member after changes of
30 temperatura, o cuando el elemento de contacto y el miembro de contacto se mueven relativamente entre s� en un contacto deslizante. Este problema se ha resuelto lubricando las superficies de contacto del elemento de contacto y del miembro de contacto con un lubricante. Tal lubricante puede tener un aceite o grasa como base, aunque existen igualmente lubricantes sólidos, tales como el grafito. Sin embargo, los lubricantes sólidos presentan una conductividad eléctrica mala y a menudo se desgastan cuando las superficies deslizan una contra otra. 30 temperature, or when the contact element and the contact member move relative to each other in a sliding contact. This problem has been solved by lubricating the contact surfaces of the contact element and the contact member with a lubricant. Such a lubricant may have an oil or grease as a base, although there are also solid lubricants, such as graphite. However, solid lubricants have poor electrical conductivity and often wear out when surfaces slide against each other.
35 El documento WO 01/41167 divulga una solución a estos problemas mediante el diseño de dicha capa de contacto como una película continua que comprende un material laminado de múltiples elementos. WO 01/41167 discloses a solution to these problems by designing said contact layer as a continuous film comprising a laminated material of multiple elements.
Un elemento de contacto de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 se conoce del documento US A contact element according to the preamble of claim 1 is known from US.
40 2003/087096 A1. Es muy ventajoso utilizar una película de nanocompuesto como capa de contacto gracias a la naturaleza de la matriz de carbono amorfo que permite una adaptación física de la superficie de intercara de la capa de contacto a una capa de contacto correspondiente u otra de dicho miembro de contacto en combinación con los cristales de carburo met�lico embebidos en la misma, lo que reduce la resistividad de la capa de contacto con relación a la capa que es tan solo de carbono amorfo. La presencia del carburo met�lico en la matriz o fase ligante 40 2003/087096 A1. It is very advantageous to use a nanocomposite film as a contact layer thanks to the nature of the amorphous carbon matrix that allows a physical adaptation of the interface surface of the contact layer to a corresponding or other contact layer of said contact member in combination with the crystals of methyl carbide embedded in it, which reduces the resistivity of the contact layer relative to the layer that is only amorphous carbon. The presence of methyl carbide in the matrix or binding phase
45 de carbono amorfo aumenta igualmente la resistencia al desgaste de tal capa de contacto. 45 amorphous carbon also increases the wear resistance of such a contact layer.
Aunque estas características preferidas est�n en el elemento de contacto descrito en dicho documento, existe por supuesto un intento en curso para mejorar tal elemento de contacto todavía más con respecto a las características que constituyen el contacto del mismo. Although these preferred features are in the contact element described in said document, there is of course an ongoing attempt to improve such a contact element even more with respect to the characteristics that constitute the contact thereof.
Sumario de la invención Summary of the invention
El objeto de la presente invención es, por lo tanto, proporcionar un elemento de contacto de acuerdo con el preámbulo de la nueva reivindicación adjunta 1 que es una mejora de al menos una característica que constituye el The object of the present invention is therefore to provide a contact element according to the preamble of the new attached claim 1 which is an improvement of at least one characteristic that constitutes the
55 contacto con respecto a tales elementos de contacto ya conocidos. 55 contact with respect to such known contact elements.
Este objeto se obtiene de acuerdo con la invención proporcionando dicho elemento de contacto en el que dicha matriz de carbono amorfo tiene un cociente elevado de enlaces sp2/sp3 entre átomos de carbono de dicha matriz de carbono amorfo, siendo dicho cociente superior a 0,6. La denominada hibridación de la matriz de carbono amorfo 60 caracterizada por tal cociente elevado hace que la matriz sea más similar al grafito que al diamante, lo que da como resultado una mayor conductividad eléctrica que en el caso opuesto. Este hecho, combinado con el hecho de que la matriz ser� al mismo tiempo más blanda, mejorando la adaptabilidad de la superficie de la capa de contacto a la superficie del miembro de contacto al presionarlos entre s�, contribuye a un valor total reducido de la resistividad de la capa de contacto y de la resistividad del contacto cuando el elemento de contacto se presiona hacia el miembro This object is obtained in accordance with the invention by providing said contact element in which said amorphous carbon matrix has a high ratio of sp2 / sp3 bonds between carbon atoms of said amorphous carbon matrix, said ratio being greater than 0.6 . The so-called hybridization of the amorphous carbon matrix 60 characterized by such a high ratio makes the matrix more similar to graphite than to diamond, which results in greater electrical conductivity than in the opposite case. This fact, combined with the fact that the matrix will be softer at the same time, improving the adaptability of the surface of the contact layer to the surface of the contact member when pressed together, contributes to a reduced total value of the resistivity of the contact layer and the resistivity of the contact when the contact element is pressed towards the member
65 de contacto de lo que ocurriría si no existiera tal elevado cociente. 65 of contact with what would happen if there was no such high ratio.
En esta descripción, “matriz” se interpretar� no solo en relación a una fase mayoritaria continua, en la cual est�n contenidas partículas de carburo. La matriz de carbono puede ser asimismo una fase minoritaria y ni siquiera continua, y esta matriz puede consistir tan sólo, en el caso extremo, en unas pocas capas atómicas alrededor de los granos de carburo. As� pues, la matriz debe ser interpretada como este tipo de fase ligante. In this description, "matrix" will be interpreted not only in relation to a continuous majority phase, in which carbide particles are contained. The carbon matrix can also be a minor and not even continuous phase, and this matrix can consist only, in the extreme case, of a few atomic layers around the carbide grains. Thus, the matrix must be interpreted as this type of binding phase.
5 Las diferentes propiedades de la matriz de carbono amorfo y de los nanocristales de carburo met�lico hacen posible, por supuesto, optimizar la capa de contacto para cada uso pretendido del elemento de contacto cambiando principalmente el cociente carburo met�lico/matriz de carbono. La dureza de la capa de contacto aumentar� con el aumento de tal cociente, mientras que la resistividad de la misma disminuir� con un cociente carburo met�lico/matriz de carbono creciente. Sin embargo, la resistencia de contacto cambiar� con dicho cociente creciente. 5 The different properties of the amorphous carbon matrix and the metal carbide nanocrystals make it possible, of course, to optimize the contact layer for each intended use of the contact element by mainly changing the ratio of metal carbide / carbon matrix . The hardness of the contact layer will increase with the increase of such a ratio, while the resistivity of the contact layer will decrease with an increasing metal carbide / carbon matrix ratio. However, the contact resistance will change with this increasing ratio.
De acuerdo con un modo de realización de la invención, dicho metal es un metal de transición, esto es, un elemento de los grupos 3 al 12 de la tabla periódica. Se ha encontrado que tal metal otorga excelentes propiedades a la capa de contacto, especialmente con relación a una baja resistencia de contacto. Como ejemplo de metales adecuados According to an embodiment of the invention, said metal is a transition metal, that is, an element of groups 3 to 12 of the periodic table. It has been found that such metal gives excellent properties to the contact layer, especially in relation to low contact resistance. As an example of suitable metals
15 para dichos carburos met�licos de nanotama�o se pueden mencionar el niobio y el titanio. 15 for said nanotame metal carbides, niobium and titanium can be mentioned.
De acuerdo con otro modo de realización de la invención, dicha película solo comprende un metal, esto es, se trata de un sistema binario. Se ha descubierto que es suficiente principalmente tener tan solo un metal que forme un carburo met�lico embebido en dicha matriz de carbono amorfo para tener las propiedades de la capa de contacto que se persiguen. According to another embodiment of the invention, said film comprises only one metal, that is, it is a binary system. It has been found that it is sufficient primarily to have only one metal that forms a metal carbide embedded in said amorphous carbon matrix to have the properties of the contact layer being pursued.
De acuerdo con otro modo de realización de la invención, dicha película comprende nanocristales de un carburo de al menos un segundo metal adicional. Este metal puede ser ventajosamente un metal de transición. Se ha encontrado que añadir dicho segundo metal mejora las posibilidades de adaptar las propiedades de la capa de According to another embodiment of the invention, said film comprises nanocrystals of a carbide of at least one additional second metal. This metal can advantageously be a transition metal. It has been found that adding said second metal improves the possibilities of adapting the properties of the layer of
25 contacto a las exigencias sobre el elemento de contacto para el uso pretendido. A veces, es más importante una resistencia de contacto muy baja que una elevada resistencia al desgaste, o viceversa, y esto puede ser abordado as� añadiendo dicho segundo metal. Las denominadas propiedades del carburo met�lico de la película de nanocompuesto pueden ser mejoradas mediante la adición de este metal adicional que forma carburo. 25 contact to the requirements on the contact element for the intended use. Sometimes, a very low contact resistance is more important than a high wear resistance, or vice versa, and this can be addressed thus by adding said second metal. The so-called metal carbide properties of the nanocomposite film can be improved by the addition of this additional carbide-forming metal.
De acuerdo con otro modo de realización de la invención, dichos cristales tienen una dimensión diametral en el intervalo de 5 a 50 nm. Se ha descubierto que este tamaño de cristal da como resultado unas características particularmente ventajosas, requeridas a menudo para una capa de contacto de este tipo. According to another embodiment of the invention, said crystals have a diametral dimension in the range of 5 to 50 nm. It has been found that this crystal size results in particularly advantageous features, often required for such a contact layer.
De acuerdo con otro modo de realización de la invención, dicha matriz comprende además un tercer metal adicional, According to another embodiment of the invention, said matrix further comprises a third additional metal,
35 dispuesto en una fase embebida en el carbono de dicha matriz y separado con respecto al carbono de dicha matriz. Añadir dicho metal que no forma un carburo met�lico cambiar� principalmente las propiedades de dicha matriz y puede reducir la resistividad de la misma, y por lo tanto de toda la capa de contacto. 35 arranged in a phase embedded in the carbon of said matrix and separated with respect to the carbon of said matrix. Adding said metal that does not form a metal carbide will mainly change the properties of said matrix and can reduce its resistivity, and therefore of the entire contact layer.
Dicho tercer metal adicional es ventajosamente un metal de transición, y puede ser, por ejemplo, Ag. Said third additional metal is advantageously a transition metal, and can be, for example, Ag.
De acuerdo con otro modo de realización de la invención, dichos cristales de carburo contienen una solución sólida de un metal débil o que no forma carburo. Por “débil” se entiende que el metal tiene una baja inclinación a formar un carburo. Añadir dicho metal a los cristales de carburo causa un descenso en el contenido de carbono de la fase de carburo, y por ello un aumento en la cantidad de carbono en la fase de matriz. Esto es debido al hecho de que este In accordance with another embodiment of the invention, said carbide crystals contain a solid solution of a weak or non-carbide metal. By "weak" is meant that the metal has a low inclination to form a carbide. Adding said metal to the carbide crystals causes a decrease in the carbon content of the carbide phase, and therefore an increase in the amount of carbon in the matrix phase. This is due to the fact that this
45 metal se ligar� con el metal de dicho al menos un carburo met�lico, de modo que ese metal no podr� ligarse con tanto carbono, forzando de otro modo al carbono a integrarse en la fase de matriz y aumentando la cantidad de carbono de la misma. Esto influir� en las propiedades mecánicas y eléctricas de un modo que puede ser importante para aplicaciones de contacto. Dicho metal débil o que no forma carburo es un metal de transición de los grupos 7 a 12 de la tabla periódica o Al, o combinaciones de los mismos. Especialmente se puede utilizar Al para ligarse con titanio. The metal will be bonded to the metal of said at least one metal carbide, so that metal cannot bind with so much carbon, otherwise forcing carbon to integrate into the matrix phase and increasing the amount of carbon Of the same. This will influence the mechanical and electrical properties in a way that may be important for contact applications. Said weak or non-carbide metal is a transition metal of groups 7 to 12 of the periodic table or Al, or combinations thereof. Especially Al can be used to bond with titanium.
De acuerdo con otro modo de realización de la invención, el grosor de dicha película est� en el intervalo de 0,05 a 10 μm, que es adecuado para la mayoría de las aplicaciones. According to another embodiment of the invention, the thickness of said film is in the range of 0.05 to 10 μm, which is suitable for most applications.
55 De acuerdo con otro modo de realización de la invención, dicha película se deposita en dicho cuerpo mediante el uso de una técnica de deposición de vapor, que puede ser una deposición en fase de vapor (PVD) o deposición química en fase de vapor (CVD). La película puede formarse asimismo sobre dicho cuerpo mediante el uso de un procedimiento de disolución, tal como un sol-gel. According to another embodiment of the invention, said film is deposited in said body by the use of a vapor deposition technique, which can be a vapor phase deposition (PVD) or chemical vapor deposition ( CVD). The film can also be formed on said body by the use of a dissolution process, such as a sol-gel.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar un conjunto de contacto eléctrico deslizante del tipo definido en la introducción que permite un movimiento de dos superficies de contacto aplicadas una contra otra a la vez que reduce en gran medida los inconvenientes discutidos anteriormente. Another object of the present invention is to provide a sliding electrical contact assembly of the type defined in the introduction that allows a movement of two contact surfaces applied against each other while greatly reducing the drawbacks discussed above.
Este objeto se obtiene de acuerdo con la invención proporcionando dicho conjunto con un elemento de contacto de This object is obtained in accordance with the invention by providing said assembly with a contact element of
65 acuerdo con la presente invención dispuesto para formar un contacto seco con un bajo coeficiente de fricción, inferior a 0,3, preferiblemente inferior a 0,2, con un miembro de contacto. According to the present invention arranged to form a dry contact with a low coefficient of friction, less than 0.3, preferably less than 0.2, with a contact member.
Las características básicas y ventajas de tal conjunto de contacto est�n asociadas con las características del elemento de contacto de acuerdo con la presente invención, y aparecen de la discusión anterior de tal elemento de contacto. Sin embargo, se señala que “contacto eléctrico deslizante” incluye todos los tipos de disposiciones que hacen contacto eléctrico entre los miembros, que se pueden mover relativamente entre s� cuando se establece el The basic characteristics and advantages of such a contact assembly are associated with the characteristics of the contact element according to the present invention, and appear from the previous discussion of such a contact element. However, it is noted that "sliding electrical contact" includes all types of arrangements that make electrical contact between the members, which can be moved relative to each other when the
5 contacto y/o se interrumpe y/o cuando la acción de contacto se mantiene. Por consiguiente, esto incluye no solo contactos deslizantes uno junto a otro mediante la acción de un miembro de accionamiento, sino asimismo los denominados contactos estacionarios que tienen dos elementos de contacto presionados uno contra otro y que se mueven relativamente entre s� en el estado de contacto como consecuencia de la magnetostricci�n, ciclo térmico y materiales de los elementos de contacto con diferentes coeficientes de expansión térmica o diferencias de temperatura entre diferentes partes de los elementos de contacto que varían con el tiempo. 5 contact and / or is interrupted and / or when the contact action is maintained. Accordingly, this includes not only sliding contacts next to each other by the action of a drive member, but also the so-called stationary contacts that have two contact elements pressed against each other and that move relative to each other in the state of contact as a result of the magnetostriction, thermal cycle and materials of the contact elements with different coefficients of thermal expansion or temperature differences between different parts of the contact elements that vary with time.
De acuerdo con un modo de realización de la presente invención, el elemento de contacto y el miembro de contacto est�n adaptados para presionarse entre s� para establecer dicho contacto, y el conjunto puede comprender medios para cargar por resorte el elemento de contacto y el miembro de contacto uno contra el otro para realizar dicho According to an embodiment of the present invention, the contact element and the contact member are adapted to press each other to establish said contact, and the assembly may comprise means for spring-loading the contact element and the contact member against each other to perform said
15 contacto eléctrico. 15 electrical contact.
Ventajas adicionales as� como características ventajosas de la invención aparecerán de la siguiente descripción y de las otras reivindicaciones dependientes. Additional advantages as well as advantageous features of the invention will appear from the following description and from the other dependent claims.
Breve descripción de los dibujos Brief description of the drawings
Con referencia a los dibujos adjuntos, lo que sigue es una descripción específica de modos de realización de la invención citados como ejemplos. With reference to the accompanying drawings, the following is a specific description of embodiments of the invention cited as examples.
25 En los dibujos: 25 In the drawings:
la figura 1 ilustra muy esquemáticamente un elemento de contacto eléctrico de acuerdo con un modo de realización de la invención, Figure 1 illustrates very schematically an electrical contact element according to an embodiment of the invention,
la figura 2 muestra la resistencia de contacto frente a la fuerza de contacto para un contacto tradicional y uno de acuerdo con la invención, Figure 2 shows the contact resistance against the contact force for a traditional contact and one according to the invention,
la figura 3 es una vista en sección de un elemento de contacto eléctrico del tipo de contacto helicoidal de acuerdo con otro modo de realización de la invención, Fig. 3 is a sectional view of an electrical contact element of the helical contact type according to another embodiment of the invention,
35 la figura 4 ilustra muy esquemáticamente un conjunto de contacto de acuerdo con la presente invención, en un seccionador, Figure 4 illustrates very schematically a contact assembly according to the present invention, in a disconnector,
la figura 5 ilustra muy esquemáticamente un conjunto de contacto deslizante en un cambiador de tomas de un transformador, de acuerdo con un modo de realización de la invención, Figure 5 illustrates very schematically a sliding contact assembly in a tap changer of a transformer, according to an embodiment of the invention,
la figura 6 ilustra muy esquemáticamente un conjunto de contacto de acuerdo con la presente invención en un relé, y Figure 6 illustrates very schematically a contact assembly according to the present invention in a relay, and
la figura 7 es una vista en sección parcial y despiece de un conjunto para fabricar un contacto eléctrico a un chip de 45 semiconductor, de acuerdo con otro modo de realización de la invención. Figure 7 is a partial and exploded sectional view of an assembly for manufacturing an electrical contact to a semiconductor chip, according to another embodiment of the invention.
Descripci�n detallada de modos de realización preferidos de la invención Detailed description of preferred embodiments of the invention
Un elemento de contacto 1 que forma un contacto eléctrico con un miembro de contacto 2 para permitir que una corriente eléctrica fluye entre dicho elemento de contacto y dicho miembro de contacto se muestra muy esquemáticamente en la figura 1. El elemento de contacto comprende un cuerpo 3, que puede ser, por ejemplo, de aluminio o cobre, y tiene al menos una superficie de contacto del mismo recubierta con una capa de contacto 4 para aplicarse contra dicho miembro de contacto. La capa de contacto 4 tiene típicamente un grosor de 0,05 a 10 μm, de modo que el grosor mostrado en la figura 1 est� exagerado con respecto a otras dimensiones del elemento de A contact element 1 forming an electrical contact with a contact member 2 to allow an electric current to flow between said contact element and said contact member is shown very schematically in Figure 1. The contact element comprises a body 3 , which can be, for example, aluminum or copper, and has at least one contact surface thereof coated with a contact layer 4 to be applied against said contact member. The contact layer 4 typically has a thickness of 0.05 to 10 μm, so that the thickness shown in Figure 1 is exaggerated with respect to other dimensions of the element of
55 contacto y del miembro de contacto a efectos ilustrativos. 55 contact and contact member for illustrative purposes.
La capa de contacto 4 comprende una película de nanocompuesto, que tiene una matriz de carbono amorfo y nanocristales, esto es, de dimensiones en el intervalo de 1 a 100 nm, de al menos un carburo met�lico embebidos en la misma. Esto otorga a la superficie de contacto las excelentes propiedades referidas anteriormente. El metal es preferiblemente un metal de transición. La hibridación de la matriz de carbono amorfo, esto es, cómo se liga el carbono a s� mismo en la matriz, se caracteriza preferiblemente por un elevado cociente sp2/sp3, lo que convierte la matriz en más similar al grafito que al diamante. Se puede añadir un tercer componente al nanocompuesto para cambiar las propiedades del mismo. Este puede ser otro metal para mejorar las propiedades del carburo met�lico formando otro carburo met�lico embebido en la matriz, u otro metal que cambien las propiedades del compuesto al 65 disponerse en una fase embebida en el carbono de la matriz y separado respecto al carbono de la matriz. Dependiendo de la aplicación del elemento de contacto, las propiedades de la estructura de contacto total pueden The contact layer 4 comprises a nanocomposite film, which has an amorphous carbon matrix and nanocrystals, that is, of dimensions in the range of 1 to 100 nm, of at least one metal carbide embedded therein. This gives the contact surface the excellent properties referred to above. The metal is preferably a transition metal. Hybridization of the amorphous carbon matrix, that is, how carbon binds itself in the matrix, is preferably characterized by a high sp2 / sp3 ratio, which makes the matrix more similar to graphite than to diamond. A third component can be added to the nanocomposite to change its properties. This may be another metal to improve the properties of the metal carbide by forming another metal carbide embedded in the matrix, or another metal that changes the properties of the compound when disposed in a phase embedded in the carbon of the matrix and separated with respect to to the matrix carbon. Depending on the application of the contact element, the properties of the total contact structure may
ser optimizadas mediante: be optimized by:
1) el cambio en el cociente matriz de carbono/carburo met�lico, con los resultados discutidos anteriormente, 1) the change in the carbon / metal carbide matrix ratio, with the results discussed above,
5 2) el cambio en el tamaño de grano de los cristales de carburo met�lico para cambiar la resistividad en volumen de la capa de contacto, que en la mayoría de los casos se reducir� cuando aumenta el tamaño de grano, 5 2) the change in the grain size of the crystals of metallic carbide to change the resistivity in volume of the contact layer, which in most cases will be reduced when the grain size increases,
3) el cambio en el cociente sp2/sp3 de la matriz de carbono amorfo, con el resultado anterior, 3) the change in the sp2 / sp3 ratio of the amorphous carbon matrix, with the previous result,
4) la adición de un segundo metal que forma carburo o que no forma carburo, tal como Ag, con el resultado anterior. 4) the addition of a second metal that forms carbide or that does not form carbide, such as Ag, with the above result.
Se puede obtener as� una capa de contacto que tiene las siguientes ventajas: Thus a contact layer can be obtained that has the following advantages:
a) una baja resistencia de contacto en un amplio intervalo de cargas (fuerzas) de contacto, a) low contact resistance over a wide range of contact loads (forces),
15 b) una elevada resistencia de desgaste, 15 b) high wear resistance,
c) una baja fricción, c) low friction,
d) una elevada resistencia a la corrosión, d) high corrosion resistance,
e) buenas propiedades a alta temperatura, e) good high temperature properties,
f) un gran potencial de ajustar diversas propiedades como se describió anteriormente. f) a great potential to adjust various properties as described above.
25 La ventaja a) se ilustra en la figura 2, en la que se muestra la resistencia de contacto frente a la fuerza de contacto para un contacto tradicional, representado por una arandela recubierta de Ni, de acuerdo con A, y una película de nanocompuesto de una matriz de carbono amorfo con nanocristales de NbC embebidos en la misma, de acuerdo con B. Ambos recubrimientos se midieron frente a Ag. Claramente se ve que la capa de contacto de acuerdo con la invención tiene una resistencia de contacto significativamente reducida en un amplio intervalo de cargas de contacto con respecto al contacto tradicional. Es particularmente interesante que la resistencia de contacto es mucho más baja incluso para bajas cargas. The advantage a) is illustrated in Figure 2, which shows the contact resistance against the contact force for a traditional contact, represented by a Ni-coated washer, according to A, and a nanocomposite film of an amorphous carbon matrix with NbC nanocrystals embedded therein, according to B. Both coatings were measured against Ag. It is clearly seen that the contact layer according to the invention has a significantly reduced contact resistance in a wide range of contact loads with respect to traditional contact. It is particularly interesting that the contact resistance is much lower even for low loads.
A modo de ejemplo se puede mencionar que posibles películas de nanocompuesto en elementos de contacto de As an example, it can be mentioned that possible nanocomposite films in contact elements of
35 acuerdo con la invención pueden ser películas delgadas de nanocompuesto de Ti-C, con una composición que varía en porcentaje de átomos entre 14 y 57 de Ti y un grosor de alrededor de 0,2 μm. Estas películas tienen cristales de TiC embebidos en una fase de carbono amorfo. La relación entre las dos fases varía en porcentaje de átomos entre 45 y 95 de C amorfo-fase de C. En un modo de realización concreto, la película del compuesto tiene un grosor de 0,2 μm y una composición total en porcentaje de átomos de 53% de Ti y 47% de C. Esta película tiene una matriz de carbono amorfo (en la que aproximadamente un porcentaje de átomos de carbono del 56% est�n ligados) y cristales de TiC (en los que aproximadamente un 44% del carbono est� ligado). Los cristales tienen un diámetro promedio de 13 nm. According to the invention, thin films of Ti-C nanocomposite may be used, with a composition that varies in percentage of atoms between 14 and 57 of Ti and a thickness of about 0.2 μm. These films have TiC crystals embedded in an amorphous carbon phase. The relationship between the two phases varies in percentage of atoms between 45 and 95 C amorphous-C phase. In a specific embodiment, the film of the compound has a thickness of 0.2 μm and a total composition in percentage of atoms of 53% Ti and 47% C. This film has an amorphous carbon matrix (in which approximately a percentage of 56% carbon atoms are bound) and TiC crystals (in which approximately 44% of carbon is bound). The crystals have an average diameter of 13 nm.
La figura 3 ilustra un ejemplo de un conjunto de contacto en el cual es ventajoso recubrir al menos una de las Figure 3 illustrates an example of a contact assembly in which it is advantageous to coat at least one of the
45 superficies de contacto con la capa de contacto de acuerdo con la invención para formar un contacto seco autolubricado con una fricción muy baja. Este modo de realización se refiere a un conjunto de contacto helicoidal que tiene un elemento de contacto 5 en forma de un cuerpo anular cargado por resorte, tal como un anillo de alambre enrollado helicoidalmente, adaptado para establecer y mantener un contacto eléctrico con un primer miembro de contacto 6, tal como un manguito interno o una clavija, y un segundo miembro de contacto 7, tal como un manguito externo o tubo. El elemento de contacto 5 est� en un estado de contacto presionado, de modo que al menos una superficie de contacto 8 del mismo se apoyar� de modo cargado por resorte contra la superficie de contacto 9 del primer miembro de contacto 6, y al menos otra superficie de contacto 10 del primer elemento de contacto 5 se apoyar� de modo cargado por resorte contra al menos una superficie de contacto 11 del segundo miembro de contacto 7. De acuerdo con este modo de realización de la invención, al menos una de las superficies 45 contact surfaces with the contact layer according to the invention to form a self-lubricated dry contact with a very low friction. This embodiment refers to a helical contact assembly having a contact element 5 in the form of a spring loaded ring body, such as a helically wound wire ring, adapted to establish and maintain an electrical contact with a first member of contact 6, such as an internal sleeve or a pin, and a second contact member 7, such as an external sleeve or tube. The contact element 5 is in a pressed contact state, so that at least one contact surface 8 thereof will be supported in a spring loaded manner against the contact surface 9 of the first contact member 6, and at least another contact surface 10 of the first contact element 5 will be supported in a spring loaded manner against at least one contact surface 11 of the second contact member 7. In accordance with this embodiment of the invention, at least one of the surfaces
55 de contacto 8-11 est� total o parcialmente recubierta con una capa de contacto que comprende una película de nanocompuesto de acuerdo con la invención. Tal conjunto de contacto helicoidal se utiliza, por ejemplo, en un disyuntor eléctrico de un interruptor. Contact 8-11 is fully or partially coated with a contact layer comprising a nanocomposite film according to the invention. Such a helical contact assembly is used, for example, in an electrical circuit breaker of a switch.
La figura 4 ilustra muy esquemáticamente cómo un conjunto de contacto eléctrico de acuerdo con la invención puede disponerse en un seccionador 12 con una película de baja fricción 13 en forma de una película de nanocompuesto que tiene una matriz de carbono amorfo y nanocristales de un carburo met�lico embebidos en la misma en al menos una de las superficies de contacto de dos elementos de contacto 14, 15 movibles relativamente entre s� para establecer un contacto eléctrico entre ambos y obtener una desconexi�n visible de los elementos de contacto. Figure 4 illustrates very schematically how an electrical contact assembly according to the invention can be arranged in a disconnector 12 with a low friction film 13 in the form of a nanocomposite film having an amorphous carbon matrix and nanocrystals of a met carbide Only embedded in it on at least one of the contact surfaces of two contact elements 14, 15 relatively movable to each other to establish an electrical contact between the two and obtain a visible disconnection of the contact elements.
65 La figura 5 ilustra esquemáticamente un conjunto de contacto deslizante de acuerdo con otro modo de realización de la invención, en el cual el elemento de contacto 16 es una pieza movible de un cambiador de toma 17 de un transformador, adaptado para deslizar en contacto eléctrico lo largo de contactos 18 hasta el bobinado secundario del transformador, formando por consiguiente el miembro de contacto, para drenar tensión de un nivel deseado desde dicho transformador. Una película de baja fricción 19 que comprende una matriz de carbono amorfo con 65 Figure 5 schematically illustrates a sliding contact assembly according to another embodiment of the invention, in which the contact element 16 is a movable part of a tap-changer 17 of a transformer, adapted to slide in electrical contact along contacts 18 to the secondary winding of the transformer, thereby forming the contact member, to drain voltage from a desired level from said transformer. A low friction film 19 comprising an amorphous carbon matrix with
5 nanocristales de un carburo met�lico se dispone en la superficie de contacto del elemento de contacto 16 y/o en el miembro de contacto 18. El elemento de contacto 16 puede ser movido de este modo fácilmente a lo largo del bobinado a la vez que mantiene una baja resistencia de contacto con el mismo. 5 nanocrystals of a metal carbide are disposed on the contact surface of the contact element 16 and / or on the contact member 18. The contact element 16 can thus be easily moved along the winding at the same time. which maintains a low contact resistance with it.
Finalmente, la figura 6 ilustra esquemáticamente un conjunto de contacto de acuerdo con otro modo de realización Finally, Figure 6 schematically illustrates a contact assembly according to another embodiment
10 de la invención, utilizado en un relé 20, y una o ambas de las superficies de contacto de elementos de contacto opuestas 21, 22 pueden estar provistas de una película de baja fricción 23 de acuerdo con la invención, lo que dar� como resultado un menor desgaste de la superficie de contacto y la har� resistente a la corrosión como consecuencia del carácter de dicho material de la capa de contacto. 10 of the invention, used in a relay 20, and one or both of the contact surfaces of opposing contact elements 21, 22 may be provided with a low friction film 23 according to the invention, which will result in less wear on the contact surface and will make it resistant to corrosion as a result of the character of said material of the contact layer.
15 Un conjunto para hacer un buen contacto eléctrico con un componente semiconductor 24 se ilustra en la figura 7, aunque los diferentes miembros dispuestos en un apilamiento y comprimidos entre s� con una alta presión, que supera preferiblemente un MPa y típicamente es de entre 6 y 8 Mpa, se muestran separados entre s� por claridad. Cada mitad del apilamiento comprende una pieza común 25 en forma de placa de cobre para realizar una conexión con el componente semiconductor. Cada pieza común est� provista de una delgada película de nanocompuesto 26. An assembly for making a good electrical contact with a semiconductor component 24 is illustrated in Figure 7, although the different members arranged in a stack and compressed together with a high pressure, which preferably exceeds an MPa and is typically between 6 and 8 Mpa, are separated from each other for clarity. Each half of the stack comprises a common piece 25 in the form of a copper plate to make a connection with the semiconductor component. Each common piece is provided with a thin nanocomposite film 26.
20 El coeficiente de expansión térmica del material semiconductor, por ejemplo Si, SiC o diamante, del componente semiconductor y del Cu difiere mucho (2,2 x 106/K para el Si y 16 X 10-6/K para el Cu), lo que significa que las placas de Cu 25 y el componente semiconductor 24 se moverán lateralmente relativamente entre s� cuando la temperatura de los mismos cambie. La baja fricción de una película de acuerdo con la presente invención hace posible omitir miembros adicionales en dicho apilamiento entre la pieza común y el componente semiconductor para asumir la 20 The coefficient of thermal expansion of the semiconductor material, for example Si, SiC or diamond, of the semiconductor component and of the Cu differs greatly (2.2 x 106 / K for the Si and 16 X 10-6 / K for the Cu), which means that the plates of Cu 25 and the semiconductor component 24 will move laterally relative to each other when the temperature thereof changes. The low friction of a film according to the present invention makes it possible to omit additional members in said stacking between the common piece and the semiconductor component to assume the
25 tendencia a moverse mutuamente por el ciclo térmico con el fin de evitar grietas en el componente de semiconductor y/o desgaste de la superficie de contacto de dicho componente. The tendency to move each other through the thermal cycle in order to avoid cracks in the semiconductor component and / or wear of the contact surface of said component.
Un elemento de contacto y un conjunto de contacto eléctrico deslizante de acuerdo con la presente invención puede encontrar muchas otras aplicaciones preferidas, en tales aplicaciones serían evidentes para el experto en la técnica A contact element and a sliding electrical contact assembly according to the present invention can find many other preferred applications, in such applications they would be apparent to the person skilled in the art.
30 sin alejarse de la idea básica de la invención como se define en las reivindicaciones adjuntas. 30 without departing from the basic idea of the invention as defined in the appended claims.
Asimismo se indica que pueden ser adecuados otros metales de transición distintos a los mencionados anteriormente para formar dichos nanocristales de carburo met�lico para satisfacer diferentes necesidades de la capa de contacto en diferentes aplicaciones. It is also indicated that other transition metals other than those mentioned above may be suitable for forming said metal carbide nanocrystals to meet different needs of the contact layer in different applications.
Claims (20)
- 4.Four.
- Un elemento de contacto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha película solo comprende un metal. A contact element according to any of the preceding claims, characterized in that said film comprises only one metal.
- 5.5.
- Un elemento de contacto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque dichas películas comprenden nanocristales de un carburo de al menos un segundo metal adicional. A contact element according to any one of claims 1-3, characterized in that said films comprise nanocrystals of a carbide of at least one additional second metal.
- 6.6.
- Un elemento de contacto de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque dicho segundo metal es un A contact element according to claim 5, characterized in that said second metal is a
- 7.7.
- Un elemento de contacto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque dichos cristales tienen una dimensión diametral en el intervalo de 5 a 50 nm. A contact element according to any one of claims 1-6, characterized in that said crystals have a diametral dimension in the range of 5 to 50 nm.
- 8.8.
- Un elemento de contacto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3 y 5, 6 y 7, caracterizado porque dicha matriz comprende además un tercer metal adicional, dispuesto en una fase embebida en el carbono de dicha matriz y separado con respecto al carbono de dicha matriz. A contact element according to any one of claims 1-3 and 5, 6 and 7, characterized in that said matrix further comprises an additional third metal, arranged in a phase embedded in the carbon of said matrix and separated with respect to the carbon of said matrix.
- 9.9.
- Un elemento de contacto de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque dicho tercer metal adicional es A contact element according to claim 8, characterized in that said third additional metal is
- 10.10.
- Un elemento de contacto de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque dicho tercer metal adicional es Ag. A contact element according to claim 9, characterized in that said third additional metal is Ag.
- 11.eleven.
- Un elemento de contacto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3 y 5-10, caracterizado porque dichos cristales de carburo contienen una solución sólida de un metal débil o que no forma carburo. A contact element according to any of claims 1-3 and 5-10, characterized in that said carbide crystals contain a solid solution of a weak or carbide-free metal.
- 12.12.
- Un elemento de contacto de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque dicho metal débil o que no forma carburo es un metal de transición de los grupos 7 a 12 de la tabla periódica o Al, o combinaciones de los mismos. A contact element according to claim 11, characterized in that said weak or non-carbide metal is a transition metal of groups 7 to 12 of the periodic table or Al, or combinations thereof.
- 13.13.
- Un elemento de contacto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el grosor de dicha película se encuentra en el intervalo de 0,05 a 10 μm. A contact element according to any one of the preceding claims, characterized in that the thickness of said film is in the range of 0.05 to 10 μm.
- 14.14.
- Un elemento de contacto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha película se deposita sobre dicho cuerpo mediante el uso de una técnica de deposición en fase vapor. A contact element according to any of the preceding claims, characterized in that said film is deposited on said body by the use of a vapor phase deposition technique.
- 15.fifteen.
- Un elemento de contacto de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque dicha película se deposita sobre dicho cuerpo mediante deposición en fase de vapor (PVD) o deposición química en fase de vapor (CVD). A contact element according to claim 14, characterized in that said film is deposited on said body by vapor phase deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD).
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