ES2543213T3 - Contacto eléctrico, procedimiento de ensamblaje por soldadura de una pastilla de contacto sobre un soporte metálico para realizar dicho contacto - Google Patents

Contacto eléctrico, procedimiento de ensamblaje por soldadura de una pastilla de contacto sobre un soporte metálico para realizar dicho contacto Download PDF

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Contacto eléctrico (100) fijo que comprende un soporte (1) metálico unido a una pastilla (2) de contacto previamente comprimida, caracterizado porque la pastilla (2) de contacto previamente comprimida es ensamblada sobre el soporte (1) metálico mediante un procedimiento de sinterizado directo en frío e incluye: - una capa (8) de contacto que incluye un agente conductor compuesto: - de plata (Ag), estando comprendido el porcentaje en masa de plata (Ag) entre el 92 y el 99 % de la masa total, - de níquel (Ni), estando comprendido el porcentaje en masa de níquel (Ni) entre 0 y el 3 %, y - de carbono (C), estando comprendido el porcentaje en masa de carbono (C) entre el 0,5 y el 5 %, - una subcapa (9) reactiva que incluye una seudoaleación a base de plata (Ag) y de cobre (Cu) mezclados con un agente decapante a base de fósforo, teniendo dicha subcapa una temperatura de fusión inferior a la de la capa de contacto.

Description

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DESCRIPCIÓN
Contacto eléctrico, procedimiento de ensamblaje por soldadura de una pastilla de contacto sobre un soporte metálico para realizar dicho contacto
Campo técnico de la invención
La invención se refiere a un contacto eléctrico fijo que comprende un soporte metálico unido a una pastilla de contacto previamente comprimida.
La invención se refiere también a un procedimiento de unión mediante sinterizado directo de una pastilla de contacto previamente comprimida sobre un soporte metálico para realizar un contacto eléctrico fijo según la invención.
Estado de la técnica
Los procedimientos de unión por resistencia se utilizan ampliamente para la fijación de piezas metálicas utilizadas principalmente en la fabricación de contactos eléctricos de aparellajes eléctricos como se describe en el documento FR2665026. Estos procedimientos de soldadura por resistencia se pueden utilizar con un aporte de material tal como principalmente la soldadura. El aporte de material se utiliza para incrementar la calidad de la unión entre las piezas metálicas a unir. Además, la resistencia mecánica de las soldaduras depende principalmente de la naturaleza de los dos metales o aleaciones presentes.
Las pastillas de contacto destinadas a utilizarse en los contactos eléctricos, pueden estar constituidas por tres capas de material. Cada capa de material juega un papel diferente. Las pastillas de contacto pueden incluir:
-Una primera capa constituida por un material de contacto principalmente a base de plata o de cobre. Por sus
propiedades de no soldabilidad y de resistencia a la erosión bajo el arco eléctrico, la primera capa permite el
establecimiento y el corte de la corriente.
-Una segunda capa intermedia principalmente a base de plata permite una buena compatibilidad de la unión entre el material de contacto y un soporte metálico del contacto eléctrico.
-Una tercera capa constituida por la soldadura, integrada o no en la pastilla de contacto. La tercera capa es principalmente a base de plata y de cobre y es de reducido grosor. Dicha tercera capa tiende a mejorar la calidad de la unión entre la segunda capa intermedia y el soporte metálico. La soldadura presenta la particularidad de tener una temperatura de fusión inferior a la del material de contacto y del soporte metálico a unir.
El soporte metálico del contacto eléctrico se realiza generalmente a base de cobre.
Un calentamiento exterior de las pastillas de contacto principalmente por resistencia, inducción o llama permite pasar a la fusión la soldadura y crear un enganche entre el material de contacto y su soporte durante la refrigeración.
La utilización de la subcapa y de la soldadura a base de plata implica no obstante un incremento no despreciable de los costes de fabricación de los contactos eléctricos.
Los procedimientos de unión de una pieza de contacto eléctrico que incluye un soporte de cobre y una pastilla de contacto de gran superficie, principalmente con una superficie superior a 180 mm2 que comprende una primera fase en la que la pastilla se fabrica mediante colaminado, biextrusión, o sinterizado y posteriormente una segunda fase, en la que la pastilla se fija sobre su soporte en una operación separada de soldadura. Generalmente, teniendo en cuenta el tamaño de la pastilla, la soldadura se realiza mediante calentamiento por inducción o a la llama.
La obtención de la pastilla por colaminado, biextrusión, o sinterizado tiende a incrementar el tiempo global de fabricación de la pieza de contacto. En efecto, la obtención por colaminado, biextrusión, o sinterizado de la pastilla incluye varias etapas de fabricación, generalmente cuatro. Además, la operación de recorte final de la pastilla en el caso del colaminado o de la biextrusión puede provocar unas desconexiones entre las capas a la altura del contorno de recorte. Estas desconexiones en el borde de la pastilla son debidas al diferencial de dilatación térmica durante unas etapas de recocido que engendra un diferencial en las tensiones residuales y por tanto deformación de las diferentes capas en el momento del recorte.
Durante una segunda fase, el soporte de cobre es recubierto con decapante para desoxidar y activar la superficie de unión. Se deposita soldadura en forma de laminilla o en pasta sobre el soporte o la pastilla. Dicha pastilla se sitúa sobre el soporte de cobre y posteriormente se mantiene con la ayuda de una herramienta en un inductor o una llama que calienta el conjunto. El calentamiento se mantiene hasta la fusión de la soldadura. Estas operaciones manuales de colocación por una parte de decapante y por otro lado de soldadura incrementan el tiempo de fabricación de una pieza de contacto eléctrico. Además, con la utilización de pastillas colaminadas y biextrudidas, la calidad del montaje es muy difícil de asegurar principalmente a causa del fenómeno de formación de ampollas en la superficie de las pastillas o de irregularidad en la unión de la soldadura.
El documento DE 32 12 005 A1 describe un procedimiento de unión por sinterizado directo de una pastilla de
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contacto según el preámbulo de la reivindicación 9.
Exposición de la invención
La invención viene por lo tanto a remediar los inconvenientes del estado de la técnica, de manera que propone un procedimiento de unión entre una pastilla de contacto de gran sección y un soporte metálico.
La pastilla de contacto previamente comprimida del contacto eléctrico fijo según la invención se une sobre el soporte metálico mediante un procedimiento de sinterizado directo en frío e incluye una capa de contacto que incluye un agente conductor compuesto de plata, estando comprendido el porcentaje en masa de plata entre el 92 y el 99 % de la masa total, de níquel, estando comprendido el porcentaje en masa de níquel entre 0 y el 3 %, y de carbono, estando comprendido el porcentaje en masa del carbono entre el 0,5 y el 5 %. La pastilla de contacto previamente comprimida incluye una subcapa reactiva que incluye una seudoaleación a base de plata y de cobre mezclados con un agente decapante a base de fósforo, teniendo dicha subcapa una temperatura de fusión inferior a la de la capa de contacto.
Ventajosamente, la capa de contacto incluye una fracción de partículas refractarias, siendo elegidas dichas partículas refractarias entre unas partículas de carburo de tungsteno, de tungsteno o de nitruro de titanio.
Ventajosamente, la capa de contacto incluye una fracción de elementos anti-soldadura, siendo elegidos dichos elementos anti-soldadura entre unas partículas de níquel o de grafito.
Ventajosamente, la capa de contacto incluye una fracción de elementos gasógenos, incluyendo dichos elementos gasógenos la fibra de carbono.
Según un modo de realización de la invención, la seudoaleación de la subcapa reactiva está compuesta de cobre, estando comprendido el porcentaje en masa de cobre entre el 15 y el 99 % de la masa total, de plata, estando comprendido el porcentaje en masa de plata entre el 0,5 y el 85 %, y de fósforo, estando comprendido el porcentaje en masa de fósforo entre el 0,5 y el 8 %.
Preferentemente, la subcapa reactiva tiene una temperatura de fusión comprendida entre 620 y 800 ºC.
Preferentemente, la superficie de la sección de contacto de la pastilla de contacto del contacto eléctrico es superior o igual a 180 mm2.
Preferentemente, el soporte metálico está constituido de cobre.
El procedimiento de unión mediante sinterizado directo de una pastilla de contacto previamente comprimida sobre un soporte metálico para realizar un contacto eléctrico tal como se ha definido en el presente documento anteriormente comprende un compactado en frío de la capa de contacto y de la subcapa reactiva obtenidos respectivamente por mezcla de polvos, un mantenimiento del soporte metálico y de la pastilla de contacto en contacto entre dos mordazas de elementos refractarios, un calentamiento de la pastilla de contacto y del soporte metálico a una temperatura de soldadura, una aplicación de una fuerza de compresión a través de las mordazas.
Ventajosamente, el calentamiento se realiza mediante unos medios de calentamiento por inducción.
Según un modo de desarrollo de la invención, el agente conductor contenido en la capa de contacto está compuesto de plata, estando comprendido el porcentaje en masa de plata entre el 92 y el 99 % de la masa total, de níquel, estando comprendido el porcentaje en masa de níquel entre el 0 y el 3 %, y de carbono (C), estando comprendido el porcentaje en masa de carbono entre el 0,5 y el 5 %.
Según un modo de desarrollo de la invención, la seudoaleación de la subcapa reactiva está compuesta de cobre, estando comprendido el porcentaje en masa de cobre entre el 15 y el 99 % de la masa total, de plata, estando comprendido el porcentaje en masa de plata entre el 0,5 y el 85 %, y de fósforo, estando comprendido el porcentaje en masa de fósforo entre el 0,5 y el 8 %.
Breve descripción de las figuras
Surgirán más claramente otras ventajas y características de la descripción a continuación de un modo particular de realización de la invención, dado a título de ejemplo no limitativo, representado en los dibujos adjuntos en los que:
la figura 1 representa una etapa del procedimiento de fijación de una pastilla de contacto y de un soporte metálico según un primer modo de realización preferente de la invención;
la figura 2 representa una vista en perspectiva de un contacto eléctrico según un modo preferente de realización de la invención.
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Descripción detallada de un modo de realización
El procedimiento de unión por sinterizado directo de una pastilla 2 de contacto previamente comprimida sobre un soporte 1 metálico, según un modo preferente de realización de la invención consiste en mantener el soporte 1 metálico y la pastilla 2 de contacto en contacto entre dos mordazas 3 de presión. Como se ha representado en la figura 1, las dos mordazas 3 de presión están destinadas a aplicar sobre las dos piezas a unir una fuerza de compresión FP. Una primera mordaza 3 de presión se coloca en contacto con la pastilla 2 de contacto y una segundo mordaza 3 de presión se coloca en contacto con el soporte metálico. Dichas mordazas 3 de presión se realizan preferentemente a base de elementos en material refractario.
Se entiende por sinterizado directo, un procedimiento que permite a la vez el sinterizado de la pastilla de contacto previamente comprimida y su unión sobre el soporte. El calentamiento resultante del procedimiento de unión permite simultáneamente sinterizar la capa de contacto estableciendo unos enlaces metalúrgicos entre los granos que componen la capa de contacto y asegurar un enlace entre la pastilla de contacto y sus soportes.
Este procedimiento según la invención está destinado particularmente a la unión de la pastilla 2 de contacto que tiene una gran sección de contacto. Se entiende por sección grande de contacto unas secciones superiores o iguales a 180 mm2. Según un modo de realización preferido de la invención, estas pastillas de contacto de gran sección están destinadas particularmente a unos contactos fijos de aparellaje de corte tales como unos disyuntores de baja tensión destinados a soportar unas corrientes de cortocircuito de 150 kiloamperios. Expresando la densidad de corriente eléctrica en amperios por unidad de superficie de pastilla, una pastilla 3 de contacto según la invención está destinada a soportar unas corrientes de cresta de cortocircuito comprendidas entre 100 y 1000 amperios por milímetro cuadrado de pastilla.
El soporte metálico 1 está constituido por un material conductor que comprende cobre y/o acero. A título de ejemplo de realización, el soporte se realiza en cobre.
La pastilla 2 de contacto comprende una primera capa denominada capa 8 de contacto que incluye al menos un 30 % de un agente conductor a base de cobre o de plata. La capa de contacto está destinada a entrar en contacto con otra capa de contacto de otra pastilla con el fin de asegurar la conexión eléctrica.
Según un modo preferente de realización, el agente conductor contenido en la capa 8 de contacto está compuesto de plata Ag cuyo porcentaje en masa está comprendido entre el 82 y el 99 % de la masa total. Preferentemente, el agente conductor comprende también níquel Ni cuyo porcentaje en masa está comprendido entre el 0,5 y el 3 %. Finalmente, el agente conductor comprende carbono C cuyo porcentaje en masa está comprendido entre el 0,5 y el 5 %. La suma de las masas de los tres componentes forma la masa total de la capa 8 de contacto.
A título de ejemplo de realización, un compromiso ideal en la elección de las proporciones de los materiales para este tipo de aplicación, consiste en utilizar un material conductor de la capa 8 de contacto que comprende 94 % de plata Ag, 2 % de níquel Ni y 4 % de carbono C.
Además, la capa de 8 de contacto incluye preferentemente una fracción de partículas refractarias. Las partículas refractarias se eligen entre unas partículas de carburo de tungsteno (CW), tungsteno (W) o nitruro de titanio (TiN).
Además, la capa 8 de contacto incluye preferentemente una fracción de elementos anti-soldadura. Los elementos anti-soldadura se eligen entre unas partículas de níquel (Ni) o de grafito.
Además, la capa 8 de contacto incluye preferentemente una fracción de elementos gasógenos. Los elementos gasógenos incluyen la fibra de carbono.
La pastilla 2 de contacto comprende una segunda capa denominada subcapa 9 reactiva que incluye una seudoaleación a base de plata Ag y cobre Cu mezclados con un agente decapante a base de fósforo. Dicha subcapa 9 tiene una temperatura de fusión inferior a la de la capa 8 de contacto. A título de ejemplo, la temperatura de fusión de la subcapa 9 reactiva está comprendida entre 620 y 800 ºC.
Según un modo preferente de realización, la seudoaleación de la subcapa 9 reactiva está compuesta de cobre Cu cuyo porcentaje en masa está compuesto entre el 15 y el 99 % de la masa total. La seudoaleación comprende también plata Ag cuyo porcentaje en masa está comprendido entre el 0,5 y el 85 %. Finalmente, la seudoaleación de la subcapa reactiva comprende fósforo P cuyo porcentaje en masa está comprendido entre el 0,5 y el 8 %.
A título de ejemplo de realización, un compromiso ideal en la elección de las proporciones de los materiales para este tipo de aplicación, consiste en utilizar una seudoaleación de la subcapa 9 reactiva que comprende el 80 % de cobre, 17 % de plata Ag y 3 % de fósforo P.
La pastilla se obtiene previamente a la fase de unión mediante un compactado en frío de la capa 8 de contacto y de la subcapa 9 reactiva. Las dos capas se obtienen respectivamente por mezcla de polvos. Los polvos utilizados para la realización de las mezclas tienen unos granos de un tamaño variable de diez a cien micrómetros. El tamaño de los granos no se modifica en el transcurso de la fase de compactado en frío. La interfaz entre las 2 capas puede ser
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irregular.
Después de haber colocado la pastilla 2 de contacto y el soporte 1 metálico entre las mordazas 3, el conjunto se calienta. Las mordazas 3 aplican entonces una fuerza FP de compresión. A título de ejemplo, la fuerza FP de compresión es del orden de 1 a 5 kilogramos por centímetro cuadrado (1 a 5 kg/cm2). Unos medios de calentamiento
5 calientan la pastilla 2 de contacto y el soporte 1 metálico a una temperatura de soldadura.
Según el modo preferente de realización, el calentamiento se realiza mediante unos medios de calentamiento por inducción. Según una variante de realización de esta etapa del procedimiento, el calentamiento se puede realizar mediante unos medios de calentamiento a la llama. La temperatura de calentamiento a la altura de la superficie a unir debe estar comprendida entre 620 ºC y 800 ºC y se mantiene hasta una fusión completa de la subcapa reactiva.
10 Como se ha representado en la figura 2, la invención se refiere a un contacto 100 eléctrico fijo destinado a estar en contacto con un contacto móvil de un aparellaje eléctrico de corte. El contacto eléctrico fijo según la invención comprende un soporte 1 metálico y una pastilla 2 de contacto unidos según el procedimiento tal como se ha definido anteriormente.
El soporte 1 metálico está constituido por cobre Cu.
15 La pastilla 2 de contacto del contacto 100 eléctrico incluye una capa 8 de contacto y una subcapa 9 reactiva. La superficie de la sección de contacto de la pastilla de contacto del contacto 100 eléctrico según la invención es superior o igual a 180 mm2.
La capa 8 de contacto incluye un agente conductor compuesto de plata Ag cuyo porcentaje en masa está comprendido entre el 92 y el 99 % de la masa total. El agente conductor está compuesto por níquel Ni cuyo
20 porcentaje en masa está comprendido entre el 0,5 y el 3 %. El agente conductor comprende también carbono C cuyo porcentaje en masa está comprendido entre el 0,5 y el 5 %. La suma de las masas de los tres componentes forma la masa total de la capa 8 de contacto.
La subcapa 9 reactiva incluye una seudoaleación a base de plata Ag y de cobre Cu mezclados con un agente decapante a base de fósforo.
25 Según un modo de realización del contacto fijo, la segunda aleación de la subcapa 9 reactiva está compuesta por cobre Cu cuyo porcentaje en masa está comprendido entre el 15 y el 99 % de la masa total. La seudoaleación comprende plata Ag cuyo porcentaje en masa está comprendido entre el 0,5 y el 85 %. Finalmente, la seudoaleación comprende fósforo P cuyo porcentaje en masa está comprendido entre el 0, 5 y el 8 %.
Preferentemente el grosor de la subcapa 9 reactiva está comprendido entre 100 y 500 m.
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Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Contacto eléctrico (100) fijo que comprende un soporte (1) metálico unido a una pastilla (2) de contacto previamente comprimida, caracterizado porque la pastilla (2) de contacto previamente comprimida es ensamblada sobre el soporte (1) metálico mediante un procedimiento de sinterizado directo en frío e
    5 incluye:
    -una capa (8) de contacto que incluye un agente conductor compuesto:
    -de plata (Ag), estando comprendido el porcentaje en masa de plata (Ag) entre el 92 y el 99 % de la masa total, -de níquel (Ni), estando comprendido el porcentaje en masa de níquel (Ni) entre 0 y el 3 %, y
    10 -de carbono (C), estando comprendido el porcentaje en masa de carbono (C) entre el 0,5 y el 5 %,
    -una subcapa (9) reactiva que incluye una seudoaleación a base de plata (Ag) y de cobre (Cu) mezclados con un agente decapante a base de fósforo, teniendo dicha subcapa una temperatura de fusión inferior a la de la capa de contacto.
  2. 2. Contacto eléctrico según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa (8) de contacto incluye una fracción
    15 de partículas refractarias, eligiéndose dichas partículas refractarias de entre unas partículas de carburo de tungsteno (CW), de tungsteno (W) o de nitruro de titanio (TiN).
  3. 3. Contacto eléctrico según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa (8) de contacto incluye una fracción de elementos anti-soldadura, eligiéndose dichos elementos anti-soldadura de entre unas partículas de níquel (Ni) o de grafito.
    20 4. Contacto eléctrico según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa (8) de contacto incluye una fracción de elementos gasógenos, incluyendo dichos elementos gasógenos fibra de carbono.
  4. 5. Contacto eléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la seudoaleación de la subcapa (9) reactiva está compuesta:
    -de cobre (Cu), estando comprendido el porcentaje en masa de cobre entre el 15 y el 99 % de la masa total, 25 -de plata (Ag), estando comprendido el porcentaje en masa de plata entre el 0,5 y el 85 %, y -de fósforo (P), estando comprendido el porcentaje en masa de fósforo entre el 0,5 y el 8 %.
  5. 6. Contacto eléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la subcapa (9) reactiva tiene una temperatura de fusión comprendida entre 620 y 800 ºC Celsius.
  6. 7. Contacto eléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la superficie de 30 la sección de contacto de la pastilla (2) de contacto del contacto (100) eléctrico es superior o igual a 180 mm2.
  7. 8.
    Contacto eléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el soporte (1) metálico está constituido de cobre (Cu).
  8. 9.
    Procedimiento de ensamblaje mediante sinterizado directo de una pastilla (2) de contacto previamente
    comprimida sobre un soporte (1) metálico para realizar un contacto eléctrico, procedimiento caracterizado porque 35 comprende:
     un compactado en frío de una capa (8) de contacto y de una subcapa (9) reactiva obtenidos respectivamente por mezcla de polvos,
    -la capa (8) de contacto incluye un agente conductor compuesto:
    • de plata (Ag), estando comprendido el porcentaje en masa de plata (Ag) entre el 92 y el 99 % de la 40 masa total,
    •
    de níquel (Ni), estando comprendido el porcentaje en masa de níquel (Ni) entre el 0 y el 3 %, y
    •
    de carbono (C), estando comprendido el porcentaje en masa de carbono (C) entre el 0,5 y el 5 %
    -la subcapa (9) reactiva incluye una seudoaleación a base de plata (Ag) y de cobre (Cu) mezclados con un agente decapante, teniendo dicha subcapa una temperatura de fusión inferior a la de la capa de contacto,
    45  un mantenimiento del soporte (1) metálico y de la pastilla (2) de contacto en contacto entre dos mordazas (3) de elementos refractarios,  un calentamiento de la pastilla (2) de contacto y del soporte (1) metálico a una temperatura de soldadura,  una aplicación de una fuerza (FP) de compresión a través de las mordazas (3).
  9. 10. Procedimiento de ensamblaje según la reivindicación 9, caracterizado porque el calentamiento se realiza 50 mediante unos medios de calentamiento por inducción.
    6
  10. 11. Procedimiento de ensamblaje según la reivindicación 9 o 10, caracterizado porque la seudoaleación de la subcapa (9) reactiva está compuesta:
    -de cobre (Cu), estando comprendido el porcentaje en masa de cobre entre el 15 y el 99 % de la masa total, -de plata (Ag), estando comprendido el porcentaje en masa de plata entre el 0,5 y el 85 %, y -de fósforo (P), estando comprendido el porcentaje en masa de fósforo entre el 0,5 y el 8 %.
    7
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