DE2747087A1

DE2747087A1 - Zusammengesetztes material fuer elektrische kontakte

Info

Publication number: DE2747087A1
Application number: DE19772747087
Authority: DE
Inventors: Akira Shibata
Original assignee: Chugai Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Chugai Electric Industrial Co Ltd
Priority date: 1977-06-16
Filing date: 1977-10-20
Publication date: 1978-12-21
Also published as: CA1087235A; DE2747087C2; GB1604976A; JPS547157A; MX145764A; FR2394880B1; AU2969477A; HK28082A; JPS607328B2; FR2394880A1; AU511436B2; BR7801633A

Description

Chugai Denki Kogyo, Tokyo 65 P 24

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Kontakt, welcher aus einem Basisteil bestehend aus unedlen Metallen, beispielsweise Kupfer, zusammengesetzt ist und mit Ag-SnO-Legierungsmetallen als Kontaktteil überdeckt ist.

Insbesondere schafft die Erfindung einen zusammengesetzten elektrischen Kontakt der vorangehend erwähnten Art, bei welchem der Kontakt- und der Basisteil miteinander durch eine Ag-Cu-Zwischenflächen-Legierungsschicht zwischen den beiden Teilen schmelzverschweißt sind sowie auch mittels einer Diffusionsschicht von Kupfer, welche sich tief in die Matrix des Kontaktteils erstreckt, wobei die beiden Schichten erzeugt sind, indem man den zusammengesetzten elektrischen Kontakt über eine verhältnismäßig kurze Zeitperiode einer Temperatur entsprechend etwa der eutektischen Temperatur von Ag und Cu₁ d.h. 779°C oder darüber, unterwirft»Diese Wärmebehandlung, welche mit einer in flüssiger Phase ablaufenden Sinterherstellung eines Kontaktes vergleichbar ist, erzeugt nicht nur die vorangehend erwähnten Schichten, welche den Kontakt- und den Basisteil fest verbinden, sondern ermöglicht auch eine gleichmässige Dispersion von Metalloxyden über die Matrix des Kontaktteils des Ag-SnOo Die Wärmebehandlung, welche nach oder gleichzeitig mit der Verbindung des Basis- und Kontaktteiles durch Kalt- oder Warmpreßverarbeitung aufrechterhalten werden kann, hält von dem Kontakt physikalische Spannungen fern, die in dem Kontakt durch die Preßbearbeitung entstehen»

Es ist allgemein bekannt, einen überdeckten elektrischen Kontakt herzustellen, indem ein Basisteil, beispielsweise ein aus Kupfer bestehender nietenartiger Schaft, mit einer dünnen Plattierung als Kontaktmaterial aus Silbermetalloxyd-

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Legierungen überdeckt wird, beispielsweise Ag-CdO-Legierungen, und zwar mittels eines Kaltpreßverfahrens. Dieser Überdeckungsvorgang dient in erster Linie zur Verbesserung physikalischer und elektrischer Eigenschaften eines zusammengesetzten elektrischen Kontaktes, insbesondere von dessen Verschweißungssicherheit, und zwar mittels eines ^g-Kontaktabschnittes, welcher mit den Metalloxyden legiert ist, und zweitens zur Verminderung der Menge von teurem Silber in einem Kontakt Sowie zur proportionalen Steigerung der Kupfermenge darin.

Der vorangehend an erster Stelle genannte Vorteil des Überdeckungsvorgangs ist zum Teil positiv. Jedoch ist der zweite angesprochene Gesichtspunkt hinsichtlich seines tatsächlichen Nutzens fragwürdig= In dem Fall eines üblichen Kontaktes mit einem Ag-CdO-Kontaktteils und eines Cu-Basisteils, das mechanisch mit dem erstgenannten Teil durch Kaltpressung verbunden wurde, trennt sich beispielsweise oftmals der Kontaktteil durch Zufall von dem Basisteil, wenn der Kontaktteil lediglich teilweise abgenützt ist (beispielsweise bis auf lediglich seine halbe Dicke). Dies tritt deshalb auf, weil die Verbindungskraft zwischen dem Kontakt- und Basisteil in erster Linie auf mechanischen und physikalischen Belastungen beruht, um das Metall in einen plastischen Zustand und zum Einfließen zwischen die beiden Teile zu bringen; daher ist die entstehende Verbindung, welche äußerlich durch Metalloxyde geschwächt wurde, die um die Zwischenfläche zwischen den beiden Abschnitten vorliegt und durch den Kaltpreß-Verbindungsvorgang pulverisiert wurde, zwangsläufig nicht fest genug, um den unterschiedlichen Kontaktbedingungen zu widerstehen, welche beim Verschleiß des Kontaktes auftretenc Unter der Annahme, daß die Dicke oder das Volumen des Ag-CdO-Kontaktteils gleich demjenigen des Basisteils ist, beträgt die Standzeit dieser Art von zusam-

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mengesetztem Kontakt lediglich ein Viertel der Lebensdauer eines vergleichbaren Feststoffkontaktes, welcher gänzlich aus Ag-CdO-Legierungen besteht* Daher ist es zweifelhaft, ob die Einsparung der halben Menge von Ag-CdO oder Ag die Verkürzung der zu erwartenden Standzeit zu kompensieren vermag., insbesondere wenn man die aufwendigen und teuren Verfahrenssfchritte und -vorgänge in Betracht zieht_y welche bei der Herstellung solcher zusammengesetzter Bimetallkontakte erforderlich sind^

Um die erwähnten Nachteile zu vermeiden, hat man versucht , einen üblichen Ag-CdO-Legierungs-Kontaktteil mit einem Cu-Basisteil durch Schmelzverschweißung zu verbinden. Dies führte jedoch nicht zum Erfolg, da kein zusammengesetztes elektrisches Kontaktmaterial aus einem Kontaktteil von Silber sowie einem einer inneren Oxydation unterworfenen Metall und einem Kupferbasisteil bekannt war, welche durch Verschmelzung oder Diffusion miteinander verbunden sindo Im Falle eines zusammengesetzten elektrischen Kontaktes umfassend beispielsweise ein Ag-CdO-Kontaktteil erwies sich eine solche Schmelzverbindung als unmöglich, da in der Ag-Matrix des Kontaktteiles dispergierte Cd-Oxyde sich zersetzten oder bei einer unterhalb der Schmelztemperatur des Silber-Matrix-Metalls liegenden Temperatur ausgefällt wurden, wobei die Kadmium-Oxyde auf diese Weise eine Trennungsoder Abscheidungsschicht erzeugten, welche der Innenfläche des Kupferbasisteils zugewendet war> was wiederum für einen Kontakt dieser Art nachteilig ist«

Das bekannte elektrische Kontaktmaterial nach der US-PS 3 933 485 umfaßt eine Legierung mit Metalloxyden, die darin als Ergebnis einer inneren Oxydation ausgefällt sind, wobei die Zusammensetzung etwa 5 bis etwa 10 Gew<,% Zinn, 1 bis 6 Gewo% Indium., Rest Silber enthält» Diese Legierung kann Spurenmengen von weniger als 0,5 Gew»% von Eisen- oder

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Erdalkalimetallen enthalten«

Außerdem ist ein besonderes Ag-SnO-Kontaktmaterial aus einer Legierung mit darin als Ergebnis innerer Oxydation ausgefällten Metalloxyden bekannt, diese Legierung besteht aus 1,5 bis 6 Gew=% Zinn, 0,5 bis 3 Gew,% Indium, wobei die Gesamtgewichtsmenge des Zinns und des Indiums weniger als 2 bis 6 % beträgt, Spurenmengen von weniger als 0,5 Gewo% eines zur Eisenfamilie gehörenden Elementes, Rest Silber»

Es wurde nun herausgefunden, daß die elektrischen Ag-SnO-Kontaktmaterialien bevorzugt als Kontaktteil eines zusammengesetzten elektrischen Kontaktes verwendet werden können, der aus einem Kontaktteil von Ag-Metalloxyden und einem Cu-Basisteil besteht, wobei beide Teile durch Verschmelzung oder Diffusion miteinander verbunden sind» Dies ergibt sich aus der Erkenntnis, daß die Zinnoxyde der vorangehend erwähnten Ag-SnO-Legierungen in einer Sauerstoff-Atmosphäre und bei einer Temperatur bis etwa 2000°C stabil sind und am Siedepunkt des Ag ausfallen; daß ferner diese Metalloxyde hart genug sind, um einer Stumpfdruckverbindung zu widerstehen, ohne eine unerwünschte Pulverisierung der Oxyde zu erzeugen, wobei stattdessen ein Einzwängen der Oxyde in den Cu-Basisteil herbeigeführt wird, so daß ein Quergleitvorgang der aneinander stoßenden Flächen des Basis- und Kontaktteils in den Längsachsen der beiden Teile während des Stumpfdruck-Verbindungsvorganges vermieden und die Stumpfverbindung zwischen den beiden Teilen verstärkt wird= Es ergab sich auch, daß eine Wärmebehandlung dieser Teile bei einer Temperatur entsprechend etwa der eutektischen Temperatur von Ag und Cu, welche die Cu-Diffusion in die Ag-SnO-Legierungsmatrix des Kontaktteils bewirkt, nicht die Legierungsgebilde des Basisteils ungünstig beeinflußt, sondern vielmehr den beiden

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Teilen Spannungen entzieht, die sich aus dem Verbindungspreßvorgang ergeben- Auch hat der zusammengesetzte Bimetallkontakt eine günstige Standzeit im Verhältnis zu dem Gesamtvolumen oder der Dicke des Kontaktteile; ist also so lange brauchbar, bis der Kontaktteil im wesentlichen vollständig verbraucht wurde.

Es wurde auch gefunden, daß unter den erwähnten elektrischen Ag-SnO-Kontaktmaterialien diejenigen mit einem Gehalt an Eisen- oder Erdalkalimetallen, beispielsweise Nickel und Kobalt, als Stoffe für den Kontaktteil nach der vorliegenden Erfindung vorzuziehen sind-, da diese Elemente entsprechend auf Metalloxyde einwirken, um etwa kugelige Kerne zu erzeugen, wodurch die entstehende Ag-SnO-Legierung einen guten prozentualen Längungsfaktor hat., der wiederum erforderlich ist* um die Legierung mit einem Kupfer-Bas is teil !seit A^tBSy £ zu verbinden, und zwar unter Ausnützung eines plastischen Metallflusses zwischen den Teilen»

Beispielsweise weisen die folgenden Legierungen, welche aus Drähten von 2 mm Durchmesser gefertigt und einer inneren Oxydation unter einer oxydierenden Atmosphäre bei 750 C über 24 Stunden ausgesetzt ι
chende prozentuale Längungen auf:

750 C über 24 Stunden ausgesetzt wurden, folgende entspre-

Sn 1,5% - In 0,5% - Ni 0,1% - Rest Ag (Längung - 1j%)

Sn 3% - In 1.3% - Ni 0,1% - Rest Ag (Längung - 8%)

Sn 4,2% - In 1,8% - Ni 0,1% - Ag (Längung - 4%)

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines zusammengesetzten elektrischen Kontaktes aus einem Kontaktteil bestehend aus einer Legierung mit darin ausgefällten Metall-

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oxyden als Ergebnis einer inneren Oxydation, wobei die Zusammensetzung 1,5 bis 10 Gew.% Zinn 0,5 bis 6 Gew.% Indium, Spurenmengen von weniger als 0,5 Gew=.% von der Eisenfamilie angehörenden Elementmetallen, Rest Silber beträgt und wobei ein Basisteil des Kupfers oder der Kupferlegierung mit dem Kontaktmaterial überdeckt wird. Die beiden Teile weisen eine ZwischenfIächen-Ag-Cu-Legierungsschicht auf, während der Kontaktteil eine Diffusionsschicht von Kupfer neben der Legierungsschicht als Ergebnis der Wärmebehandlung der beiden Teile über eine kurze Zeitperiode und bei einer Temperatur entsprechend etwa der eutektischen Temperatur von Ag und Cu oder auch darüber aufweist.

Beispiel 1

Ein zusammengesetzter elektrischer Kontakt nach Art eines Niets (Probe a) wurde aus einem Kontaktteil von 5 mm Durchmesser und 0,5 mm Dicke aus einer Ag-SnO-Legierung von 5% Sn, 1,8% In, 0,3% Ni, Ag sowie einem Kupferbasisteil mit einem Kopfteil von 5 mm Durchmesser sowie 1,0 mm Dicke und einem einstückigen Schaftteil von 2,5 mn Durchmesser und 2,5 mm Länge hergestellt, indem die Basis mit dem Kontaktteil durch einen kalten Preßstumpf-Verbindungsvorgang überdeckt wurde» Diese Probe A wurde auf 80O°C über 10 Sekunden unter atmosphärischen Bedingungen erwärmt. Die auf diese Weise wärmebehandelte Probe A wurde geschnitten, geätzt und mit einem Elektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von 28OO-fach betrachtet. Es wurde eine Zwischenflächen-Legierungsschicht von Ag-Cu von etwa 7tfi rund um die Grenze des Basis- und Kontaktteils beobachtet (sowie unmittelbar neben dem Kupfer-Basisteil); es entstand eine Diffusionsschicht von Cu in dem Kontaktteil bei einer Tiefe von etwa 51//Λ neben der vorangehend erwähnten Ag-Cu-Legierungsschicht sowie an deren Seite entfernt von der Kupferbasis oder Matrix. Es wurde auch beobachtet, daß das

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Legierungsgebilde des Kontaktteils, insbesondere dessen Metalloxyde und dessen gleichmäßige Verteilung nicht durch die Kupferdiffusion ungünstig beeinflußt wurde.

Eine Probe B mit einem Aufbau ähnlich der Probe A₁ jedoch unter Verwendung von 13% Ag-CdO wurde ohne die vorangehend erwähnte Wäzaaehßhandlimg hergestellt. Beide Proben A und B wurden Schaltprüfungen von 50 000 Perioden (bei 200V Wechselspannung, 75A, jeweils über o,6 Sekunden bei einem Schaltzyklus von 3 Sekunden) unterworfen. Der durchschnittliche Gewichtsverlust der Probe A betrug 20,66 mg, bei der Probe B hingegen 29>52 mg« Ein beachtlicher Teil des Kontaktteils der Probe B war weggebrochen„

Beispiel 2

Die Probe A des Beispiels 1, eine Probe C von ähnlicher dimensionsmäßiger Ausbildung wie die Probe Aj jedoch gänzlich bestehend aus 13% Ag CdO, und eine Probe D von ähnlicher dimensionsmäßiger Ausbildung wie die Probe A, jedoch gänzlich bestehend (doh-- sowohl Kontakt- als auch Basisteil) aus einer Ag-SnO-Legierung von 5% Sn_s 1,8% In, 0,3% Ni> Rest Ag, wurde über 2000 Zyklen bei 200V Wechselspannung, 32A und 60Hz bei einer Kontaktkraft von 100 pond sowie einer Öffnungskraft von 80 pond geprüft. Die Durchschnittshärte CBoekwell-F-iSlca¹ β) iieser drei Proben bei Messung vertikal von den Kontaktflächen betrug 80 (Probe A) bzw. 107 (Probe C) bzw. 110 (Probe D). Die Anzahl der Verschweißungsvorgänge und die durchschnittliche Kraft (pond) ergab sich gemäß folgender Zusammenstellung;

Probe Anz.d.Verscheißung Kraft (pond)

A 19 117

C 21 138

D 4 228

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Die Kontaktwiderstände der Proben in γπΛ ergaben sich wie folgt.

Probe Kon t«, Widers te (mO )

Bei 1000 Zyklen .. ,

A 2,7

C 3,0

D 3,2

Bei 1500 Zyklen

A 1,9

C 3,8

D 5,3

Bei 20OO Zyklen

λ 3,7

C 4,3

D 4,5

Daraus ist für die Probe α ein geringer Kontaktwiderstand und eine gute Wärrneabstrahlung zu verzeichnen *

Erfindungsgemäß kann anstelle von Kupfer und dessen Legierungen Aluminium sowie Nickel und dessen Legierungen ebenfalls als Basisteil verwendet werden. Die Wärmebehandlung des Kontaktes zur Erzeugung einer Schmelzverbindung in demselben kann, wie sich versteht, gleichzeitig mit einem Kaltschmiedevorgang des Kontaktes erfolgen, beispielsweise durch Zuführung von Wärme zu einer Kaltschmiedeform „

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Claims

Dr. Helmut Spölh 65 p 24 Μαχ-jc. >?> <>«* Aft/ ww / Chugai Denki Kogyo Kabushiki-Kaisha, 13/3, Nihonbashi-Kayabacho 2-chome, Chuo-ku, Tokyo, Japan Zusammengesetztes Material für elektrische Kontakte Patentansprüche

1.] Wärmebehandeltes zusammengesetztes elektrisches Kontaktmaterial _s gekennzeichnet durch einen Basisteil aus einem Metall, der aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Nickel, aluminium und Legierungen hiervon gewählt ist, und durch einen Kontaktabschnitt, welcher den Basisabschnitt überdeckt, bestehend aus einer Legierung mit darin ausgefällten Metalloxyden als Ergebnis einer inneren Oxydation, wobei die Zusammensetzung 1,5 bis 10 Gew.% Zinn, 0,5 bis 6 Gewo% Indium und Spurenmengen von weniger als 0,5 Gew.% zur Eisenfamilie gehörender Metalle, Rest Silber umfaßt, wobei der Kontakt- und Basisteil durch eine zwischenflächige Legierungsschicht verbunden sind, die aus Silber und dem Matrixmetall des Basisteils besteht und wobei der Kontaktteil neben der Legierungsschicht durch das Matrixmaterial des Basisteils in eine Tiefe größer als die Dicke der Legierungsschicht eindiffundiertist, und zwar als Ergebnis der Wärmebehandlung des Kontaktes über eine kurze Zeitperiode und bei einer Temperatur entsprechend etwa der eutektischen Temperatur von Silber und dem Matrixmaterial des Basisteils oder darüber.

2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der

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ORIGINAL INSPECTED

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Basisteil aus Kupfer besteht und der Kontakt einer Temperatur von mehr als 779°C über e:
als 10 Sekunden ausgesetzt ist.

ratur von mehr als 779°C über eine Periode von weniger

3. Verfahren zur Herstellung eines Materials nach einem der Ansprüche 1, 2, gekennzeichnet durch Aufbringen eines innerlich oxydierten Kontaktgliedes aus einer Legierung von'1,1»bis 10 Gew.% Zinn, 0,5 bis 6 Gew-% Indium, einer Spurenmenge eines zur Eisenfamilie gehörenden elementaren Metalls, Rest Silber über ein Basisglied aus einem Metall, das aus der Gruppe bestehend aus Kupfer. Nickel, Aluminium und Legierungen hiervon besteht, und durch Einwirkenlassen einer Temperatur auf das zusammengesetzte Kontaktmaterial annähernd gleich oder größer als die eutektische Temperatur von Silber und dem Matrixmetall des Basisgliedes sowie über ein ausreichendes Zeitintervall, um das Metall des Basisgliedes in die Matrix des Kontaktgliedes einzudiffundieren„

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