DE2143844C3

DE2143844C3 - Verfahren zum Herstellen von Zweischichten-Kontaktstücken als Formteil

Info

Publication number: DE2143844C3
Application number: DE2143844A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Rothkegel; H. Prof.Dr.Techn. Habil. Schreiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-09-01
Filing date: 1971-09-01
Publication date: 1979-09-13
Also published as: CH562649A5; JPS4857165A; AT318053B; FR2151009A1; US3864827A; DE2143844A1; DE2143844B2; FR2151009B1; IT964329B; GB1407253A; JPS5138062B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Zweischichten-Kontaktstücken mit einer abbrandarmen Kontaktschicht und einer lötbaren und/oder schweißbaren Trägerschicht, wobei auf einer ersten aus einem jeweils niedrigschmelzenden Metalloder Legierungspulver bestehenden Schicht eine zweite Schicht aus einer Pulvermischung aus mindestens einem hochschmelzenden Metall oder einer hochschmelzenden Legierung oder einer hochschmelzenden Metallverbindung und aus mindestens einem niedrigschmelzenden Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit oder einer niedrigschmelzenden Legierung hoher elektrischer Leitfähigkeit aufgebracht wird, beide Schichten zu einem Formkörper verdichtet werden und dieser Formkörper oberhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffes der ersten Schicht unter Schutzgas, Inertgas oder Vakuum so wärmebehandelt wird, daß infolge der bemessenen Pulvermenge der ersten Schicht die Poren der zweiten Schicht vollständig getränkt werden und die Trägerschicht gebildet wird.

Bei der Herstellung von Kontaktstücken besteht eine Schwierigkeit darin, einen Kontaktwerkstoff herzustellen, der neben einem möglichst kleinen Abbrand im Lichtbogen auch eine kleine Schweißkraft beim Schalten von Kurzschlußströmen aufweist, damit die Kontaktstücke unter diesen Schaltbedingungen nicht verschweißen. Weiterhin soll die Schaltkammer nach Nennstrom- und Kurzschlußschaltungen hochspannungsfest sein. Die geschlossenen Kontaktstücke sollen ferner einen niedrigen Kontaktwiderstand haben, damit die Erwärmung bei Dauernennstrom nicht zu hoch ■-, ansteigt Außerdem soll das Kontaktstück mit dem Trägermetall sicher verbunden werden können. Darüber hinaus sollen die Kontaktstücke in großen Stückzahlen möglichst wirtschaftlich hergestellt werden können. Bei derartigen Verbundwerkstoffen ut es

κι schwierig, mit wirtschaftlichem Fertigungaufwand die obengenannten Zweischichtenkontakte als Fertigformteile herzustellen. Um einen kleinen Abbrand zu erzielen, soll der Kontaktwerkstoff einen möglichst hohen Raumerfüllungsgrad bzw. möglichst niedrige

ι i Porosität aufweisen. Ein kleiner Abbrand wird durch ein Metallgerüst aus einem hochschmelzenden Metall, wie Wolfram, Molybdän oder Rhenium, erzielt Zur Verbesserung der Leitfähigkeit des Metallgerüsts aus hochschmelzendem Metall wird diesem ein Metall

m hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie Silber oder Kupfer, beigemengt Bei diesen Metallverbundwerkstoffen ist es schwierig, mit geringem Fertigungsaufwand einen

Raumerfüllungsgrad nahe 1,0 zu erzielen. Aus der US-PS 33 59 623 ist das Herstellen von

j, Zweischichten-Kontaktstücken mit einer abbrandarmen Kontaktschicht und einer lot- und schweißbaren Trägerschicht bekann.' Dabei wird das zusammengesetzte Kontaktstück durch gleichzeitiges Verdichten des schwer schmelzbaren Pulvers für die Kontaktschicht

μ ι und des Pulvers für die Trägerschicht hergestellt Für die Kontaktschicht wird eine Puivermischung aus mindestens einem hochschmelzenden Metall (W, Mo) oder einer hochschmelzenden Legierung oder einer hochschmelzenden Metallverbindung (WC) und aus mindest-

i"> ens einem niedrigschmelzenden Metall hoher Leitfähigkeit (Ag, Cu) oder einer niedrigschmelzenden Legierung hoher elektrischer Leitfähigkeit (Ag-Cu) verwendet. Für die Trägerschicht wird eine Pulvermischung aus einem niedrigschmelzenden Metall, wie Silber und/oder

i'i Kupfer sowie Eisen, Nickel oder einer Nickel-Kupferlegierung, eingesetzt. Der aus diesen Schichten hergestellte verdichtete Formkörper wird bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls der Trägerschicht gesintert.

ι > Es ist bekannt aus zwei verschiedenen Pulverschichten durch Aufeinanderfüllen und Pressen einen Zweischichten-Preßkörper herzustellen, der unter der Schmelztemperatur beider Schichten zu einem Zweischichten-Sinterkörpev gesintert wird (»Pulvermetallur-

Mi gie elektrischer Kontakte«, Springer-Verlag Berlin, 1964, Seite 148/149 und Seiten 211 bis 213; »Gesinterte mehrschichtige Fertigformkontakte«, Siemens-Zeitschrift 36, 1962, Seiten 804 bis 808). Da die Verzahnung der beiden Pulverschichten in der Größe der Pulverteil-

■>') chen liegt, kann durch Einebnen der ersten Schicht bzw. Vorpressen dieser Schicht eine ebenere Berührungsfläche zwischen beiden Schichten erreicht werden.

Durch die französische Patentschrift 10 79 067 sind elektrische Kontakte bekannt, die aus Durchdringungs-

i.o verbundmetall bestehen, zu dessen Herstellung eine Pulvermisehung aus einem hochschmelzenden Metall, einem gut leitfähigen Metall mit niedrigem Schmelzpunkt und Nickel mittels eines mit regelmäßigen Vertiefungen versehenen Preßstempels zu einem

tv> Formkörper verdichtet wird, in dessen an der Oberfläche befindlichen Vertiefungen Anteile des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt nach dem Sintern mit flüssiger Phase eine gute leitfähige Schicht ergeben.

Weiterhin ist die Sinter-Tränktechnik bekannt Hierbei wird aus der höher schmelzenden Komponente ein Gerüst gepreßt und gesintert und ein zweiter Preßkörper aus einer niedriger schmelzenden Komponente in einer zweiten Wärmebehandlung, im sogenannten Tränkvorgang, dem Gerüst auf- oder untergelegt, wobei es nach dem Aufschmelzen des zweiten Preßkörpers zu einer Tränkung des Gerüstes kommt Bei dieser Technik entsteht ein Durchdringungsverbundmetall (z. B. WCu) als Einschichtenkontaktstück.

Zur Verringerung der Handarbeitszeiten ist es ebenfalls bekannt, einen Zweischichten-Preßkörper mit einer niedriger schmelzenden Schicht oberhalb der Schmelztemperatur dieser Schicht zu erhitzen und damit die erste Schicht zu tränken. Auch hier entsteht ein Einschichten-Durchdringungs-Verbundmetall. Bei Verwendung von Tränküberschuß mußte bisher bei dieser Technik der unregelmäßig anhaftende Oberschuß des Tränkmetalls spangebend nachbearbeitet werden (deutsche Auslegeschrift 20 18 642).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Zweischichten-K^ntaktstücken anzugeben, mit dem die obengenannten Schwierigkeiten weitgehend überwunden werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Formkörper vor der Wärmebehandlung mit der ersten Schicht auf einer profilierten Keramikplatte mit regelmäßigen Vertiefungen angeordnet wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht erforderlich, daß in jedem Fall zunächst das Pulver für die Trägerschicht in den Füllraum der Matrize gefüllt wird. Es kann auch zunächst das Pulver für die Kontaktschicht in den Füllraum der Matrize gefüllt werden und darauf das Pulver für die Trägerschicht gegeben werden.

Zur Bildung der Trägerschicht eignen sich z. B. Silberpulver, Kupferpulver oder ein Silber- oder Kupfer-Legierungspulver. Zur Bildung der Kontaktschicht können z. B. Pulvermischungen aus mindestens einem der Me'alle Wolfram, Molybdän oder Rhenium oder deren Legierung oder aus Carbiden dieser Metalle und aus Pulver aus Silber, Kupfer oder einer Mischung oder Legierung dieser Metalle mit Nickel, Eisen oder Kobalt verwendet werden.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung und von Ausführungsbeispielen erläutert.

An Hand der F i g. 1 bis F i g. 9 wird das Herstellen des Zweischichten-Formkörpers gezeigt.

In F i g. 1 ist in schematischer Darstellung im Schnitt eine Matrize zum Pressen ctes Zweischichten-Formkörpers gezeigt In den zylindrischen Füllraum der Matrize 1 wird zur Bildung der Trägerschicht zunächst eine Pulverschicht 2 aus einem im Vergleich zur Kontaktschicht niedriger schmelzenden Metall oder einer Legierung, z. B. aus Kupfer, Silber oder einer Silberoder Kupferlegierung, gefüllt Zur Bildung der Kontaktschicht wird auf die Schicht 2 eine zweite Pulvers^hicht 3 aus mindestens einem hochschmelzenden Metall oder einer hochschmelzenden Legierung oder einer hochschmelzenden Metaliverbindung und aus mindestens einem niedrigschmelzenden Metal! hoher elektrischer Leitfähigkeit oder einer niedrigschmelzenden Legierung hoher elektrischer Leitfähigkeit, z. B. Pulvermischungen aus mindestens einem der Metalle Wolfram, Molybdän oder Rhenium oder deren Legierung oder aus Carbiden dieser Metalle und aus Pulver aus Silber, Kupfer oder einer Mischung oder Legierung dieser Metalle mit Nickel, Eisen oder Kobalt, gegeben. Beide Pulverschichten 2 und 3 werden zwischen den Stempeln 4 und 5 zu einem Zweischichten-Formkörpar in an sich bekannter Weise verdichtet, der durch Entlasten des Oberstempels 5 und Hochstellen des Unterstempels 4 aus der Matrize 1 ausgestoßen wird.

F i g. 2 zeigt in schematischcr Darstellung im Querschnitt den gepreßten Zweischichten-Formkörper 6. Er besteht aus der preßverdichteten Trägerschicht 2' und der preßverdichteten Kontaktschicht 3'. Der Zweischichten-Formkörper 6 wird nun mit seiner Trägerschicht 2' auf einer profilierten Keramikplatte 9 mit den regelmäßigen Vertiefungen 10 angeordnet und einer Wärmebehandlung oberhalb der Schmelztemperatur des niedrigschmelzenden Metalls der Trägerschicht 2' unter Schutzgasatmosphäre, im Inertgas oder Vakuum unterworfen. Während der Wärmebehandlung schmilzt das niedrigschmelzende Metall und füllt die offenen Poren der Kontaktschicht aus. Die Metallmenge der Trägerschicht 2' ist so bemessen, daß sie zur Porenfüllung der Kontaktschicht 3' ausreicht und im geschmolzenen Zustand ein Überschub an der Unterseite der Kontaktschicht als Trägerschicht verbleibt

Fig.3 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch das fertige Zweischichten-Kontaktstvck. Das Kontaktstück 11 besteht aus der Kontaktschicht 12 und der Trägerschicht 2". Der Ausschnitt 14 zeigt schematisch das Gefüge innerhalb des Kontaktstückes 11 nach der Wärmebehandlung. Der Porenraum der Kontaktschicht ist von dem Metall der Trägerschicht ausgefüllt

2 um Herstellen von KontaktstUcken mit einer balligen Kontaktschicht ist es vorteilhaft wie in Fig.4 schematisch dargestellt ist in dem Hohlraum der Matrize 1 einen Unterstempel 16 mit einer konkaven Preßfläche entsprechend der gewünschten balligen Kontaktform zu verwenden. In den Hohlraum wird zunächst das Metallpulver 3 für die Kontaktschicht eingefüllt und mit dem Oberstempel 5 vorverdichtet. Nach Ausfahren des Oberstempels 5 wird das Metallpulver 2 für die Trägerschicht eingefüllt und beide Pulve^rschichten werden mit dem Oberstempel 5 verdichtet. Der Preßdruck zum Pressen der Kontaktschicht kann kleiner, gleich oder größer sein als der Preßdruck zum Verdichten der zweiten Schicht. Beim Pressen der beiden Schichten werden die P.andbereiche im Vergleich zum Mittelbereich höher verdichtet. Bei der Wärmebehandlung oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls bzw. der Legierung der Trägerschicht wird zunächst der Porenraum der Kontaktschicht gefüllt und der Überschuß des erschmolzenen Metalls der Trägerschicht bleibt in der konkaven Fläche der Kontaktschicht und füllt diese aus. Dadurch erhält man eine in der Mitte dickere Schicht aus dem niedriger sch.Tiefenden Metall der Trägerschicht die eine einwandfreie Verbindung mit dem Trägermetall, z. B. durch Löten und Schweißen ermöglicht.

In Fig.5 ist in einer schematischen Darstellung im Schnitt ein balliges Kontaktstück dargestellt Mit 2" ist die Trägerschicht unH mit U die billige Kontaktschicht bezeichnet.

Die Herstellungstechnik nach der erfindungsgemäßen Zweischichten-Preß-Sinter-Tränktechnik führt zu einer dichten Kontaktschicht und einer erschmolzenen kompakten Trägerschicht in einem Wärmebehandlungsprozeß. Infolge H.er Dichttränkung der Kontaktschicht ist ein Nachpressen nach der Wärmebehandlung zum Zwecke der Dichtesteigerung nicht erforderlich. Die Oberfläche der Trägerschicht auf der Verbindungs-

seite mit dem Trägermetall kann z. B. durch Prägen mit niedrigem Druck planiert oder profiliert werden. So bietet das Prägen eines Rasters für Kontaktsttlcke, die durch Hartlöten mit dem Trägermetall verbunden werden sollen, Vorteile für eine sichere Lötverbindung. Kontaktstücke, die aufgeschweißt werden sollen, können auf der Trägerschicht durch Prägen Engstellen in Form eines oder mehrerer Buckel erhalten. Ein besonderer Vorteil sind die Kontakteigenschaften der Kontaktschicht, die aus mindestens drei Metallen besteht, wobei das Metall der Trägerschicht die pulverförmigen Metalle der Kontaktschicht als Netzwerk durchdringt Dabei kann das Metall der Trägerschicht bereits im Pulveransatz der Kontaktschicht vorhanden sein.

Beispiel 1

Zur Herstellung eines Zweischichten-Kontaktstückes mit einer Kontaktschicht aus WAg und einer Trägerschicht aus Ag als Fertigformteil wird erfindungsgemäß wie folgt vorgegangen:

In einer Preßmatrize aus Stahl wird eine Schicht aus Elektrolysesilberpulver der Teilchengröße < 37 μΐη und darüber eine Schicht aus einer Pulvermischung aus Wolframpulver, das durch Reduktion aus WO3 gewonnen wurde (Teilchengröße <45 μπι) und Elektrolysesilberpulver der Teilchengröße < 37 μπι gefüllt. Die Zusammensetzung der WAg-Pulvermischung wird je nach der gewünschten Endzusammensetzung der WAg-Kontaktschicht gewählt. Im vorliegenden Beispiel besteht sie aus 65% Wolframpulver und 35% Elektrolysesilberpulver. Die Füllhöhen der beiden Schichten werden der Kontaktschichthöhe des Fertigformteils angepaßt. Die beiden aufeinandergefüllten Pulverschichten werden gemeinsam zu einem kantenfesten Preßkörper verdichtet Bei vorgegebener Zusammensetzung der WAg-Pulvermischung kann die Endzusammensetzung der Kontaktschicht über den verwendeten Preßdruck Pin gewissen Grenzen gewählt werden. Die Dichte ρ eines Preßkörpers aus der WAg35-Pulvermischung sowie die zugehörigen Raumerfüllungsgrade für

' WAgJS ""»J i"i ixviii- TT viii am ι y/ yt CUIIlC \Jt uinaic auucil bzw. rechte Ordinate innen) in Abhängigkeit vom Preßdruck sind in F i g. 6 angegeben. So liegt beispielsweise die Dichte ρ des Preßkörpers aus WAg 35, der mit einem Preßdruck von 2 Mp/cm² verdichtet wurde, bei 10,0 g/cm³. Dies entspricht einem Raumerfüllungsgrad AvAg35 von 0,673. Bezogen auf den Wolframanteil beträgt der Raumerfüllungsgrad rw=0,337. Die Wärmebehandlung erfolgt bei 1100° C während 1 Std. in Wasserstoff atmosphäre. Oberhalb 960⁰C liegt das Silber in flüssiger Phase vor. Während der Sinterung der Kontaktschicht erfolgt eine Tränkung durch das flüssige Silber, so daß eine praktisch porenfreie Kontaktschicht erhalten wird.

In Fig.6 ist der Dichteanstieg der WAg35-Schicht bei diesen Sinterbedingungen angegeben. Der Dichteanstieg und damit der Anstieg im Raumerfüllungsgrad ist aus der Kurve 5 zu entnehmen. Das Porenvolumen im Sinterzustand wird bei dem beschriebenen Beispiel durch das Silber der zweiten Schicht angefüllt Die Kontaktschicht besteht nach der Tränkung aus 63,4 Volumprozent Silber und 36,6 Volumprozent Wolfram. Dies entspricht 333% Silber und 66,7% Wolfram. Die Höhe der Silberschicht des Preßkörpers ist so bemessen, daß das Porenvolumen der Kontaktschicht angefüllt wird und eine Restmenge für eine Silberschichtdicke von 0,15 mm verbleibt Eine Voraussetzung für die wirtschaftliche Preßtechnik sind gute Fließeigenschaften der verwendeten Metallpulver bzw. Metallpulvermischungen. Die Fließeigenschaften der Metallpulver werden im 60°-Trichter und einer Düse mit einem ■ Durchmesser von 4 mm durch die Fließdauer bestimmt; es ist die Zeitdauer, die verstreicht, während 100 g des Metallpulvers durch den Trichter fließen. Falls das Ausgangspulver diese Fließeigenschaften nicht erfüllt und die Fließdauer t_F< >40sek/100g liegt, sind die

in Pulver durch übliche Granulationsverfahren in eine fließfähige Form überzuführen.

Nach der Wärmebehandlung wird ein WAg-Zweischichten-Kontaktstück mit einer Silberschicht auf der Trägerseite erhalten, das unmittelbar durch Löten oder

1'' Schweißen mit dem Trägermetall verbunden werden kann. Ein Querschliff durch das Kontaktstück zeigt ein praktisch porenfreies Gefüge aus WAg und eine zweite Schicht aus praktisch porenfreiem Reinsilber.

Aus der F i g. 6 können die Werte für den anzuwen-

jii denden Preßdruck entnommen werden, um gegenüber dem ausgeführten Beispiel WAg-Kontaktschichten mit höherem Wolframgehalt herzustellen. Bei einem Preßdruck von 8 Mp/cm² und der verwendeten WAg35-Pulvermischung wird eine Kontaktschicht mit einem

-"> Wolfram-Raumerfüllungsgrad rifvon 0,44 erhalten.

Beispiel 2

In F1 g. 7 ist analog dem Beispiel 1 die Dichte und der Raumerfüllungsgrad über den Preßdruck für die

ii Pulvermischung WAg20 angegeben. Es lassen sich damit WAg-Kontaktschichten mit einem Wolfram-Raumerfüllungsgrad Λν zwischen 0,4 und 0,58 erreichen. Aus einer Pulvermischung aus Reduktions-Wolframpulver der Teilchengröße < 45 μπι und Elektrolysesilber-

i·'' pulver der Teilchengröße <37 μπι in einem Mischungsverhältnis von 80% Wolfram und 20% Silber wurde ein Zweischichten-Preßkörper mit einer Silberschicht und einer zweiten Kontaktschicht mit einem Preßdruck P von 4 Mp/cm² hergestellt Die Kontaktschicht hat im Preßzustand eine Dichte von 12,05 g/cm³, entsprechend einem Raumerfüllungsgrad von /\vAg»—0,73 und einem

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mebehandlung erfolgt bei 1100° C während 1 Stunde in ^-Atmosphäre. Während der Wärmebehandlung

'·> bleibt die Dichte der Kontaktschicht praktisch erhalten, so daß die S-Kurve mit der P-Kurve zusammenfällt. Während der Wärmebehandlung werden die Poren der Kontaktschicht durch das flüssige Silber der zweiten Schicht praktisch vollständig angefüllt Man erhält eine

>'| Kontaktschicht aus 51 Volumprozent Wolfram und 49 Volumprozent Silber. Die Dichte ρ der Kontaktschicht beträgt 14,98 g/cm³. Die Zusammensetzung der Kontaktschicht entspricht 34,4% Silber und 65,6% Wolfram. Die Höhe der Silberschicht war so bemessen, daß das

« Porenvolumen der Kontaktschicht angefüllt wurde und eine Restmenge für eine Silberschichtdicke von 0,13 mm verblieb.

Beispiel 3

fco Soll die Kontaktschicht im Wolframgehalt noch höher liegen, so geht man von einer Pulvermischung aus 90% Wolframpulver und 10% Silberpulver aus. Wie bei den vorangehenden Beispielen wird ein Zweischichten-Preßkörper, bestehend aus einer Silberschicht und einer Kontaktschicht aus der WAglO-PuIvermischung hergestellt F i g. 8 zeigt die Dichte und den Raumerfüllungsgrad in Abhängigkeit vom Preßdruck für die Kontaktschicht aus WAgIO. Je nach Wahl des Preßdrucks läßt

sich ein Wolfram-Raumerfüllungsgrad zwischen 0,5 und 0,65 einstellen. Der Zweischichten-Preßkörper wird einer Wärmebehandlung bei HOO⁰C während 1 Stunde in !^-Atmosphäre unterworfen. Die Dichte einer WAg 10-Kontaktschicht steigt während der Wärmebehandlung praktisch nicht an, so daß die Sinterdichtekurve S mit der Preßdichtekurve P zusammenfällt. Die mit 6 Mp/cm² verpreßte WAglO-Schicht zeigte eine Dichte von 133 g/cm³. Nach Anfüllung des Porenvolumens der Kontaktschicht mit Silber besteht die Kontaktschicht aus 62,5 Volumprozent Wolfram und 37,5 Volumprozent Silber, entsprechend 75,4% Wolfram und 24,6% Silber.

Die Dichte der Kontaktschicht beträgt 15,95 g/cm³. Auch dieses Fertigformkontaktstück hat auf der Lötseite eine 0,15 mm dicke Silberschicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglichkeit, die zweite Schicht aus Reinsilber so zu bemessen, daß sie nicht ausreichend ist, um das gesamte Porenvolumen der Kontaktschicht auszufüllen. In diesem Fall verbleibt in der Kontaktschicht eine entsprechend der gewählten Silbermenge zugehörige Restporosität, während die verbleibende Silberschicht auf der Lötseite nur durch die Oberflächenspannung des Silbers eine sehr dünne Schicht < 50 μπι ergibt.

Es ist allgemeingültige Ansicht der Fachwelt, daß Sintertränkkontaktstücke in der Kontaktschicht möglichst porenfrei verwendet werden sollen. Messungen des Abbrandwertes im Lichtbogen bei 350 A Maximalstrom (L) haben ergeben, daß bei einer Restporosität von j% in der Kontaktschicht der Abbrandwert gegenüber dem porenfreien Kontaktwerkstoff nur 10% ansteigt. Erst bei weiterem Anstieg der Restporosität auf 10% verdoppelt sich der Abbrandwert.

Beispiel 4

Kontaktschicht aus WAgNi,
zweite Schicht aus Reinsilber

Für die Kontaktschicht wurde eine Pulvermischung SUS D^HiiI/tirtncti/rdfromniilvpr Tpilrhpncrröße <45 lim.

Elektrolysesilberpulver, Teilchengröße < 37 μπι, und Carbonylnickelpulver, Teilchengröße < 10 μπι, verwendet Die Zusammensetzung der Pulvermischung ist 63,8% Wolframpulver, 35% Silberpulver und 1,2% Nickelpulver. Fig.9 zeigt die Dichte ρ und den Raumerfüllungsgrad r für WAg35Nil,2-Preßkörper in Abhängigkeit vom Preßdruck. In eine Preßmatrize wurde zuerst eine Schicht aus Elektrolysesilberpulver und darüber eine zweite Schicht aus der Pulvermischung WAg35Nil,2 gefüllt Der für die Verdichtung verwendete PreBdruck betrug 2 Mp/cm², wobei ein PreSkörper der Dichte 10,1 g/cm³ erhalten wurde. Die Wärmebehandlung des Zweischichten-Preßkörpers erfolgte bei 1100⁰C während 1 Stunde in Wasserstoff atmosphäre. Die Dichte der Kontaktschicht steigt auf 13,1 g/cm³ an (S-Kurve in F i g. 9). Der Einfluß des Nickelzusatzes zur Kontaktschicht wird beim Vergleich der Fig.9 mit F i g. 6 deutlich. Ohne Nickelzusatz steigt die Dichte des mit 2 Mp/cm² gepreßten Körpers nur auf 10,9 g/cm³ (gegenüber 13,1 g/cm³ bei der nickelhaltigen Probe). Die zweite Schicht des Preßkörpers aus Reinsilber ist so dimensioniert, daß bei der Wärmebehandlung die flüssige Silberphase das Porenvolumen der ersten Schicht vollständig tränkt und ein Überschuß auf der Lötseite von etwa 0,15 mm Silberschicht verbleibt Bei der vollständigen Tränkung der ersten Schicht entsteht ein Kontaktstück mit einer Kontaktschicht aus 583% Wolfram, 40,1% Silber und 1,1% Nickel, entsprechend den Volumenanteilen 43,6% W, 54,6% Ag und 1,8% Ni.

Beispiel 5

Kontaktschicht aus WAgCuNi und eine zweite Schicht auf der Lötseite aus AgCu

Für die Kontaktschicht wurde eine Pulvermischung aus Reduktionswolframpulver der Teilchengröße

ίο <45 μπι, Elektrolysesilberpulver der Teilchengröße <37 μπι und Carbonylnickelpulver der Teilchengröße < 10 μπι verwendet. Die Zusammensetzung der Pulverschient ist 63,8% Wolframpulver, 35% Silberpulver und 1,2% Nickelpulver. In eine Preßmatrize wurde zuerst eine Schicht aus Elektrolysekupferpulver und darüber eine zweite Schicht aus der Pulvermischung WAg35Ni 1,2 gefüllt. Der für die Verdichtung verwendete PreBdruck betrug 5 Mp/ciii². Die Dichte der preßverdichteten Kontaktschicht aus WAg35Nil,2 betrug 11,8 g/cm³. Bei der Wärmebehandlung des Zweischichten-Preßkörpers bei 1100°C während 1 Stunde in Wasserstoffatmosphäre entsteht in der Kontaktschicht eine flüssige Silberphase und in der zweiten Schicht eine flüssige Kupferphase. Während

2^r> der Wärmebehandlung von 1 Stunde findet praktisch ein Konzentrationsausgleich statt, so daß man eine Kontaktschicht mit einem Wolframgerüst, dessen Poren mit einer AgCuNi-Legierung getränkt sind und eine zweite Schicht, die ebenfalls aus AgCuNi besteht, erhält.

Beispiel 6

Entsprechend den oben angeführten Beispielen wird ein Preßkörper aus einer Pulvermischung aus WAg für die Kontaktschicht und aus einer Pulvermischung aus AgCu bzw. AgCu-Legierungspulver hergestellt. Bei der anschließenden Wärmebehandlung oberhalb der Schmelztemperatur des Silbers und der Silberkupferlegierung bildet sich eins Kontaktschicht aus WAgCu und eine zweite Schicht auf der Lötseite aus AgCu.

. .

Beispiel 7

Der Zweischichten-Preßkörper besteht aus einer Schicht aus einer Pulvermischung aus Wolfram-Karbid mit Silberpulver und einer zweiten Schicht aus 5 Silberpulver. Bei der Wärmebehandlung oberhalb der Silberschmelztemperatur entsteht ein Kontaktstück mit einer Kontaktschicht aus WCAg und auf der Lötseite aus einer Silberschicht.

-₀ Beispiels

Der Zweischichten-Preßkörper besteht aus einer Puiverrnischüng, die aus WRelO-Legierurigspulver und Elektrolysekupferpulver besteht und einer zweiten Schicht aus Elektrolysesilberpulver. Bei der anschließenden Wärmebehandlung oberhalb der Kupferschmelztemperatur entsteht ein Zweischichten-Kontaktstück mit einer Kontaktschicht aus WReCuAg und einer zweiten Schicht auf der Lötseite aus AgCu.

_M Beispiel 9

Der Zweischichten-Preßkörper besteht aus einer ersten Schicht, die aus einer Pulvermischung aus Wolframpulver, Wolfram-Karbid-Pulver und Silberpulver und einer zweiten Schicht aus Kupferpulver besteht Nach der Wärmebehandlung oberhalb der Kupferschmelztemperatur erhält man ein Zweischichten-Kontaktstück, bestehend aus einer Kontaktschicht aus W, WC, AgCu und einer zweiten Schicht «us CuAg.

Nachfolgend sind die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zusammenfassend aufgezeigt.

Bisher bestand die Meinung, daß mit der bekannten Sinter-Tränktechnik keine Fertigformkontaktstücke innerhalb der Toleranz IT 12 nach DIN 7151 erhalten werden können. Überraschend war es daher, daß es bei der Kombination der Zweischichten-Preßtechnik mit der Sinter-Tränktechnik durchaus möglich ist, Formteile herzustellen, bei denen sogar auf die übliche Nachpreßtechnik, die zur Erzielung enger Endtoleranzen angewendet wird, verzichtet werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren trat der überraschende Effekt auf, daß bei Verwendung z. B. einer Kontaktschicht aus der Pulvermischung WAg35Ni und einer Trägerschicht aus Kupferpulver bei der Sinterung des Zweischichten-Preßkörpers oberhalb der Schmelztemperatur des Kupfers innerhalb von etwa 15 Minuten praktisch ein Konzentrationsausgleich erfolgte. Auf diesem Wege lassen sich somit Kontaktstücke mit einer Kontaktschicht aus einer hochschineizeiiuen Metallkomponente herstellen, wie z. B. Wolfram und einer niedrigschmelzenden Metallkomponente, wie z. B. einer AgCu-Legierung, und einer zweiten Schicht auf der Trägerseite aus AgCu, deren Konzentration praktisch gleich der niedrigschmelzenden Komponente der Kontaktschicht ist

Ein weiterer technischer Vorteil besteht darin, daß man bei schlecht benetzenden Legierungen auf dem erfindungsgemäßen Weg durch Einbau einer Legierungskomponente in das Gerüst eine einwandfreie und gleichmäßige Tränkung sowohl bei vollständiger Porenfüllung als auch bei teilweiser Porenfüllung des Gerüstes der hochschmelzenden Komponente erreicht.

Bisher waren für Tränkwerkstoffe zwei Preßvorgänge erforderlich. Im ersten Preßvorgang wurde ein Gerüst der höher schmelzenden Komponente gepreßt und nach dem Sintern dieses Gerüstes in einer zweiten Wärmebehandlung mit einer vorgegebenen Tränkmenge in Form eines zweiten Preßkörpers getränkt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist nur ein Preßvorgang und in Sonderfällen ein zusätzlicher Zwischenpreßvorgang erforderlich.

Fiat nwip Vprfahrpn I>iptpt Hip Möglichkeit der Herstellung eines Durchdringungs-Verbundwerkstoffs in einer einzigen Wärmebehandlung (T oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls der Trägerschicht).

Ein weiterer Vorteil ist die Einsparung einer kostspieligen Nachbearbeitung. Weil die bisherigen Durchdringungs-Verbundmetalle nach der üblichen Tränktechnik mit einem Tränküberschuß arbeiten mußten, traten auf der Tränkseite Unregelmäßigkeiten der Oberfläche durch diesen Tränküberschuß auf. Die endgültige Form konnte nur durch spangebende Bearbeitung dieser Flächen erreicht werden. Bei dem

ίο erfindungsgemäßen Verfahren ist die Tränkmenge als zweite Schicht des Formpreßkörpers so dosiert, daß nach der Wärmebehandlung die flüssige Phase der Trägerschicht als überwiegender Teil durch das poröse Gerüst aufgesaugt wird und nur ein Teil des

ii Überschusses der Trägerschicht eine praktisch ebene, lötbare Fläche als zweite Schicht auf dem Kontaktstück verbleibt.

Ein wesentlicher Fortschritt wurde durch die sehr wirtschaftliche Herstellungsmethode (nur ein Preßvor-

ΛΙ gang — cvcniücii ein ZwiSCiiCnprcßvorgarig Ufid "Μι eine Wärmebehandlung bei der Kontaktstückherstellung) erreicht. Dadurch können derartige Kontaktstükke zu niedrigen Herstellungskosten gefertigt werden. Eine weitere Kosteneinsparung wird dadurch erzielt, daß die Zweischichten-Kontaktstücke als Formteile nicht mehr spangebend bearbeitet werden müssen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird außerdem eine Ausschußrate vermieden, die bei der üblichen Sinter-Tränktechnik auftritt. Bei dieser Technik werden die gesinterten Gerüste auf Preßkörper aus dem Tränkmetallpulver gelegt. Die aufeinandergelegten Teile werden durch einen Durchlauf- oder Durchschubofen geleitet. Durch die dabei auftretenden Erschütterungen verrutscht ein Anteil gegeneinander, wodurch ein Ausschuß infolge von Fehltränkungen entsteht. Dieser Fehler kann auch durch Verwendung von Keramikformteilen nicht sicher vermieden werden. Bei zu enger Keramikpassung steigt das Tränkmetall zwischen die Keramikringe und Kontaktteile, so daß

■tu keine Formteile mehr erhalten werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren hingegen werden diese Fehler vermieden. Vor allem bei größeren, hohen Kontaktstücken und bei kleinen Kontaktstücken ist das neue Verfahren der bisherigen Technik überlegen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Zweischichten-Kontaktstücken mit einer abbrandarmen Kontaktschicht und einer lötbaren und/oder schweißbaren Trägerschicht, wobei auf einer ersten aus einem jeweils niedrigschmelzenden Metall- oder Legierungspulver bestehenden Schicht eine zweite Schicht aus einer Pulvermischung aus mindestens einem hochschmelzenden Metall oder einer hochschmelzenden Legierung oder einer hochschmelzenden Metallverbindung und aus mindestens einem niedrigschmelzenden Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit oder einer niedrigschmelzenden Legierung hoher elektrischer Leitfähigkeit aufgebracht wird, beide Schichten zu einem Formkörper verdichtet werden und dieser Formkörper oberhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffes der ersten Schicht unter Schutzgas, Inertgas oder Vakuum so wärmebehandelt wird, das infolge der bemessenen Pulvermenge der ersten Schicht die Poren der zweiten Schicht vollständig getränkt werden und die Trägerschicht gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper vor der Wärmebehandlung mit der ersten Schicht auf einer profilierten Keramikplatte mit regelmäßigen Vertiefungen angeordnet wird.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf Silberpulver, Kupferpulver oder ein Silber- oder Kupier-Legienmgspuiver für die Trägerschicht und auf eine Pulvermischung aus mindestens einem der Metalle Wolfram, Molybdän, Rhenium oder einer Legierung dieser Metalle, wder aus Karbiden dieser Metalle und aus Pulver von Silber, lupfer oder einer Mischung oder Legierung dieser Metalle mit Nickel, Eisen oder Kobalt für die Kontaktschicht.