DE2433788B1 - SchaltstUcke für abbrandfeste elektrische Kontakte und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

• Für Schaltstücke, an die hohe Anforderungen sowohl hinsichtlich Leitfähigkeit als auch hinsichtlich Kontaktwiderstand gestellt werden, ist aber gerade die Kombination aus einem Kontaktteil, welches mit Silber oder einer Silberbasis-Legierung getränkt ist, mit einem Trägerteil aus Kupfer oder einer Kupferbasislegierung interessant.
• Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Schaltstücke der eingangs genannten Art so aufzubauen, daß ihre Kontaktteile unter Verzicht auf Löten oder Schweißen fugenlos, fest und metallisch leitend mit ihrem Trägerteil aus Kupfer oder kupferhaltigen Legierungen verbunden werden. Dabei soll die Leitfähigkeit in der Übergangszone zwischen Kontakt- und Trägerteil nicht das beim üblichen Löten stets auftretende Minimum aufweisen. Diese Verbesserung der Leitfähigkeit bedeutet eine entscheidende Qualitätsverbesserung für die Werkstoffkombination. Der Verzicht auf das Löten bringt außer einer wirtschaftlichen Einsparung auch die Vermeidung der dem Lötvorgang anhaftenden Fehler (Lunker und Blasenbildung) und stellt damit einen besonders wichtigen Fortschritt auf dem Gebiet elektrischer Kontaktwerkstoffe dar.
• Zum Verständnis der durch die Erfindung gegebenen Lösung dieser Aufgabe sei folgendes vorausgeschickt: Nach M. Hansen und K. Anderko, Constitution of Binary Alloys, McGraw-Hill Book, Co. Inc., ändert der Zusatz anderer Metalle zu Silber bzw. Kupfer in Gehalten bis zu einigen Prozent im Prinzip nichts an dem bei einer Temperatur von 779" C bestehenden Ag/Cu-Eutektikum aus 72 Gewichtsprozent Cu, sondern verschiebt nur die Temperaturlage und die Konzentration des Eutektikums. Der besondere Vorteil des Ag/Cu-Eutektikums wie auch der über- bzw. untereutektischen Ag/Cu-Legierungen ist, daß sie gegenüber den zum Verbinden von Kontaktteil und Trägerteil üblicherweise verwendeten Ag-Loten eine um ein Vielfaches höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
• Werden Silber und Kupfer miteinanderi-riii rung gebracht und auf Temperaenerhitzt, welche oberhalb der wn is-chen, jedoch unterhalb der -4ciimiztemperatur des Kupfers liegen, so legieren sich die Metalle unter Bildung des Eutektikums. Diese Legierungsbildung tritt auch dann auf, wenn ein mit Silber infiltrierter Verbundwerkstoff mit massivem Kupfer in Berührung gebracht und erhitzt wird.
• Die Lösung der obengenannten Aufgabe besteht hiernach darin, den Trägerteil mit dem Kontaktteil durch eine aus einem Teil des Tränkmetalls und einem Teil des Trägerteilmetalls gebildete Übergangszone metallisch fugenlos so zu verbinden, daß die Leitfähigkeit vom Kontaktteil zum Trägerteil hin ansteigt.
• Ein wirtschaftliches Herstellungsverfahren besteht darin, den Tränkvorgang des porösen Grundkörpers mit dem Vorgang der Verbindungsbildung zu kombinieren. Hierzu wird der zu infiltrierende Pulverpreßling einerseits mit dem Tränkmaterial, andererseits mit dem Trägerteil so zusammengebracht, daß nach Erreichen der Schmelztemperatur des Tränkmetalls, dieses zunächst in den porösen Grundkörper eindringt und nach vollständiger Porenfüllung sich mit dem Trägerteil aus Kupfer oder einer Kupferlegierung verbindet. Das so entstandene Schaltstück ist ein metalli- scher Verbundkörper, der in der Prinzipzeichnung Abb. 1 im Schnitt dargestellt ist.
• Hier ist 1 das mit Ag oder einer Ag-Basis-Legierung getränkte Kontaktteil, 2 das Trägerteil aus Kupfer oder einer hochkupferhaltigen Legierung und 3 die beim Tränken entstandene Übergangszone, die beide Teile metallisch und fugenlos miteinander verbindet.
• Die Dicke der Legierungsschicht ist hierbei abhängig von der Erhitzungstemperatur sowie von der Dauer der Temperatureinwirkung. Der Tränk- und Verbindungsvorgang kann sowohl im Vakuum als auch in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt werden.
• Das folgende Ausführungsbeispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren näher beschreiben: Eine Pulvermischung, bestehend aus 11 Gewichtsprozent Ag, 1 Gewichtsprozent Ni, Rest W, wird mit einem Preßdruck von 49 kN/cm2 (5 Mp/cm2) zu einem Preßling mit einer Dichte von 13,3 g/cm3 und den Abmessungen 25 mm m X 5 mm verpreßt.
• In einem Graphittiegel werden zuunterst 6,5 g der Tränklegierung AgCu5 in fester Form eingegeben.
• Darauf wird der Preßling und auf diesen ein entsprechend vorbereitetes Teil aus sauerstofffreiem Kupfer gelegt. Diese Anordnung wird in einem widerstandsbeheizten Ofen von 900" C gebracht, der mit NH3-Spaltgas beschickt wird. Nach einer Reduktionsbehandlung von 5 min bei 900" C wird die Ofentemperatur auf 980 bis 1000" C erhöht. Hierbei schmilzt das Tränkmetall, dringt in den porösen Pulverpreßling ein und verbindet sich nach vollständiger Porenfüllung mit dem Kupferteil unter Bildung einer eutektischen Übergangsschicht, deren Dicke durch die Dauer der Wärmebehandlung reguliert werden kann. Anschließend wird das Teil abgekühlt und dem Ofen entnommen.
• Um den Verlaufderelektrischen Leitfähigkeit beim Übergangvam Kontaktteil zum Trägerteil zu ermiti, wird ein in der oben beschriebenen Weise hergestelltes Schaltstück in der Drehbank von der Stirnseite her und parallel zu dieser schichtweise abgedreht.
• Nach jedem Schritt wird die elektrische Leitfähigkeit mit einem Wirbelstromprüfgerät gemessen.
• In der Abb. 2 gibt die Kurve 4 den Verlauf der elektrischen Leitfähigkeit wieder, wie sie in dem erfindungsgemäßen Schaltstück vorliegt.
• Im Gegensatz hierzu zeigt die Kurve 5 den Verlauf der elektrischen Leitfähigkeit in einem konventionell hergestellten Schaltstück, bei welchem das zunächst separat infiltrierte Kontaktteil mit einem normalen Silberlot mit dem Trägerteil aus Kupfer durch Löten verbunden wurde. Während bei diesem in der Übergangszone zwischen Kontaktteil und Trägerteil ein ausgeprägtes Minimum der elektrischen Leitfähigkeit auftritt, ist die Leitfähigkeit in dem erfindungsgemäßen Schaltstück in der Verbindungszone höher als in dem Tränkwerkstoff selbst. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß völlig poren- und lunkerfreie Verbindungen erhalten werden, während bei dem üblichen Löten stets mit teilweise beachtlichen Lunkeranteilen gerechnet werden muß. Entscheidend ist dabei, daß der zusätzliche Lötarbeitsgang jetzt ganz entfällt.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Schaltstück für abbrandfeste elektrische Kontakte, bestehend aus einem Kontaktteil aus einem mit Silber- oder Silberbasis-Legierung getränkten Durchdringungsverbundmetall der hochschmelzenden Metalle bzw. Metall karbide W, Mo, Re, WC, MoC und/oder ihren Kombinationen und einem Trägerteil aus Kupfer oder hochkupferhaltigen Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil (2) mit dem Kontaktteil (1) durch eine aus einem Teil des Tränkmetalls und einem Teil des Trägerteilmetalls gebildete Übergangszone (3) metallisch fugenlos so verbunden ist, daß die Leitfähigkeit vom Kontaktteil zum Trägerteil hin ansteigt.
2. 2. Verfahren zur Herstellung des nach Anspruch 1 beschriebenen Schaltstücks, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden des Trägerteils (2) mit dem Kontaktteil (1) durch den Tränkvorgang erzielt wird, und zwar nach vollständiger Poren füllung des Kontaktteils (1).

   Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltstück für abbrandfeste elektrische Kontakte, bestehend aus einem Kontaktteil aus einem mit Silber oder Silberbasis-Legierung getränkten Durchdringungsverbundmetall der hochschmelzenden Metalle bzw. Metallkarbide W, Mo, Re, WC, MoC und/oder ihren Kombinationen und einem Trägerteil aus Kupfer oder hochkupferhaltigen Legierungen sowie auf das Verfahren zu ihrer Herstellung.

   Bei der Herstellung elektrischer Schaltstücke besteht die Aufgabe, die abbrandfesten Kontaktteile mit den stromführenden Trägerteilen auf möglichst einfache Weise zu verbinden. Eine wichtige Forderung hierbei ist, die elektrische Leitfähigkeit an solchen Verbindungsstellen nicht herabzusetzen, weil jede Leitfähigkeitsverminderung bei Dauerstrombelastung zu unzulässig hoher Erwärmung führen kann (siehe H. Schreiner, Pulvermetallurgie elektrischer Kontakte, Springer-Verlag, Berlin 1964).

   Das zur Zeit meistgenutzte Verfahren zum Verbinden von Kontakt- und Trägerteil ist die Lötung. Dabei müssen jedoch beide Teile getrennt angefertigt und dann in einem weiteren Arbeitsgang miteinander verbundenerden. Hinzu kommt, daß Durchdringungsverbundmetalle besonders schwierig zu löten sind, weil sie z. B. bei dem allgemein üblichen Flammenlöten zur Oxydation neigen und daher keine gute Lötverbindung eingehen. Es wurde deshalb in den deutschen Auslegeschriften 1483300, 2 143843 und 2 143 844 sowie in der österreichischen Patentschrift 205759 und der britischen Patentschrift 836749 beschrieben, durch entsprechende Bemessung der Tränkmetallmenge neben der erforderlichen Porenfüllung des abbrandfesten Gerüstkörpers auf der Lötseite eine Schicht aus Tränkmetall auszubilden, auf der dann gelötet wird. Die hier beschriebenen Verfahren sind undefiniert (österreichische Patentschrift 205 759 und britische Patentschrift 836799) oder erfordern entweder eine sehr genaue Pulverkorngrößenverteilung (deutsche Auslegeschrift 1483300) oder eine aufwendige Zweischichtpreßtechnik (deutsche Auslegeschriften 2 143 843 und 2 143 844), ohne jedoch den anschließenden Schwierigkeiten bereitenden Lötvorgang zu ersparen.

   Diese Schwierigkeiten liegen einmal in der Gefahr einer Lunkerbildung durch eingeschlossene Flußmittel oder Gasblasen und zum anderen in der meist schlechten Leitfähigkeit der heute verwcndeten Lote.

   Beide führen zu einer starken Widerstandserhöhung in der Verbindungsstelle und damit zu der unerwünschten Erwärmung bei Dauerstrombelastung.

   In der deutschen Offenlegungsschrift 2259958 ist eine weitere Möglichkeit der Verbindungsbildung beschrieben. Hierbei wird ein in einem vorausgegangenen Arbeitsgang getränktes Formteil mit einer Tränkmetallschicht an der Verbindungsfläche mit einem anliegenden massiven Trägerteil so hoch erhitzt, daß eine metallische Verbindung zwischen beiden Teilen gebildet wird. Dabei läßt das beschriebene Verfahren offen, ob diese Verbindung durch Sintern oder Anschmelzen erzielt wird.

   Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung einer guten Verbindung zwischen Kontakt- und Trägerteil besteht darin, daß ein getränktes Kontaktteil aus einem Durchdringungsverbundmetall mit dem Werkstoff des Trägerteils angegossen oderhintergossen wird. Dieses Verfahren ist in Kieffer, Hotop »Pulvermetallurgie und Sinterwerkstoffe«, Springer-Verlag 1943, Seite 329, beschrieben. Bei diesem Verfahren entfällt die Leitfähigkeitsverminderung in der Übergangszone. Es ist jedoch nur anwendbar, wenn der Schmelzpunkt des Tränkmetalls gleich oder höher als der des Werkstoffs des Trägerteils ist. So ist beispielsweise ein Hintergießen oder Angießen eines mit Ag infiltrierten Verbundwerkstoffes mit Kupfer oder seinen Legierungen nicht möglich. Sind Trägerteil-Werkstoff und Tränkmetall gleich, so kann nach der Patentschrift Nr.

   12078 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen in Ost-Berlin Tränken und Angießen in einem Arbeitsgang durchgeführt werden. Auch hier ist es jedoch nicht möglich, ein Schaltstück aus einem z. B.

   silberhaltigen Tränkwerkstoff mit irgendeinem anderen Träger außer Silber zu erzeugen: Eine weitere-Möglichkeit, um Kontakt- und Trägerteil zu verbinden, ist das getrennte Anfertigen von Kontakt- und Trägerteil in poröser Form durch Pressen und Sintern geeigneter Metallpulver. Beide Teile werden dann zusammengesetzt und gemeinsam getränkt, so daß sie über das Tränkmetall miteinander verbunden sind. Diese Arbeitsweise ist mehrfach beschrieben worden, so in Eisenkolb »Einführung in die Werkstoffkunde« Band V, »Pulvermetallurgie« VEB Verlag Technik, Berlin 1966, Seite 134 und 135, in der USA.-Patentschrift 3359623 und in der deutschen Auslegeschrift 2005681. Aber auch nach diesem Verfahren ist es nicht möglich, die besonders interessante Kombination eines mit Ag oder Ag-Legierung getränkten Durchdringungsverbundmetallkörpers als Abbrennkontakt mit einem Trägerteil aus Kupfer oder Kupferlegierungen herzustellen, da beim Eindringen des silberhaltigen Tränkmetalls in das noch poröse Trägerteil aus Cu oder kupferhaltigen Legierungen sofort ein wesentlich tiefer als das Tränkmetall schmelzeades Ag/Cu-Eutektikum entsteht, welches das Trägerteil aufschmilzt und zerstört.